ในตารางธาตุ ไฮโดรเจนอยู่ในองค์ประกอบสองกลุ่มซึ่งมีสมบัติตรงกันข้ามโดยสิ้นเชิง คุณสมบัตินี้ทำให้มีเอกลักษณ์เฉพาะตัวโดยสิ้นเชิง ไฮโดรเจนไม่ได้เป็นเพียงองค์ประกอบหรือสสารเท่านั้น แต่ยังเป็นอีกด้วย ส่วนสำคัญสารประกอบที่ซับซ้อนหลายชนิด องค์ประกอบออร์แกนิกและไบโอเจนิก ดังนั้นเรามาดูรายละเอียดคุณสมบัติและลักษณะเฉพาะของมันกันดีกว่า
การปล่อยก๊าซไวไฟระหว่างปฏิกิริยาของโลหะและกรดถูกสังเกตย้อนกลับไปในศตวรรษที่ 16 นั่นคือระหว่างการก่อตัวของเคมีในฐานะวิทยาศาสตร์ นักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษชื่อดัง เฮนรี คาเวนดิชศึกษาสารนี้เริ่มตั้งแต่ปี พ.ศ. 2309 และตั้งชื่อให้ว่า “อากาศติดไฟ” เมื่อถูกเผา ก๊าซนี้จะผลิตน้ำ น่าเสียดายที่การที่นักวิทยาศาสตร์ยึดมั่นในทฤษฎีโฟลจิสตัน (สมมุติฐานว่า “สสารอัลตราไฟน์”) ทำให้เขาไม่สามารถสรุปได้ถูกต้อง
นักเคมีและนักธรรมชาติวิทยาชาวฝรั่งเศส A. Lavoisier พร้อมด้วยวิศวกร J. Meunier และด้วยความช่วยเหลือของเครื่องวัดก๊าซแบบพิเศษ ได้สังเคราะห์น้ำในปี พ.ศ. 2326 จากนั้นวิเคราะห์ผ่านการสลายตัวของไอน้ำด้วยเหล็กร้อน ดังนั้นนักวิทยาศาสตร์จึงสามารถสรุปได้ถูกต้อง พวกเขาพบว่า “อากาศที่ติดไฟได้” ไม่เพียงแต่เป็นส่วนหนึ่งของน้ำเท่านั้น แต่ยังได้รับจากน้ำอีกด้วย
ในปี พ.ศ. 2330 ลาวัวซิเยร์เสนอว่าก๊าซที่อยู่ระหว่างการศึกษานั้นเป็นสารธรรมดาและดังนั้นจึงเป็นขององค์ประกอบทางเคมีปฐมภูมิจำนวนหนึ่ง เขาเรียกมันว่าไฮโดรเจน (จากคำภาษากรีก hydor - น้ำ + gennao - ฉันให้กำเนิด) เช่น "ให้กำเนิดน้ำ"
ชื่อรัสเซีย "ไฮโดรเจน" ถูกเสนอในปี พ.ศ. 2367 โดยนักเคมี M. Soloviev การกำหนดองค์ประกอบของน้ำเป็นจุดสิ้นสุดของ "ทฤษฎีโฟลจิสตัน" ในช่วงเปลี่ยนศตวรรษที่ 18 และ 19 เป็นที่ยอมรับว่าอะตอมไฮโดรเจนมีน้ำหนักเบามาก (เมื่อเทียบกับอะตอมของธาตุอื่น ๆ ) และมวลของมันถูกใช้เป็นหน่วยพื้นฐานในการเปรียบเทียบมวลอะตอมโดยได้รับค่าเท่ากับ 1
คุณสมบัติทางกายภาพ
ไฮโดรเจนเป็นสารที่เบาที่สุดที่วิทยาศาสตร์รู้จัก (เบากว่าอากาศ 14.4 เท่า) ความหนาแน่น 0.0899 กรัม/ลิตร (1 atm, 0 °C) วัสดุนี้ละลาย (แข็งตัว) และเดือด (เหลว) ตามลำดับที่ -259.1 ° C และ -252.8 ° C (เฉพาะฮีเลียมเท่านั้นที่มีอุณหภูมิจุดเดือดและจุดหลอมเหลวต่ำกว่า)
อุณหภูมิวิกฤตของไฮโดรเจนต่ำมาก (-240 °C) ด้วยเหตุนี้การทำให้เป็นของเหลวจึงเป็นกระบวนการที่ค่อนข้างซับซ้อนและมีค่าใช้จ่ายสูง แรงกดดันวิกฤตสาร - 12.8 kgf/cm² และความหนาแน่นวิกฤติคือ 0.0312 g/cm³ ในบรรดาก๊าซทั้งหมด ไฮโดรเจนมีค่าการนำความร้อนสูงสุด: ที่ 1 atm และ 0 °C จะเท่ากับ 0.174 W/(mxK)
ความจุความร้อนจำเพาะของสารภายใต้สภาวะเดียวกันคือ 14.208 kJ/(kgxK) หรือ 3.394 cal/(rx°C) ธาตุนี้สามารถละลายได้ในน้ำเล็กน้อย (ประมาณ 0.0182 มล./กรัม ที่ 1 atm และ 20 °C) แต่ละลายได้ดีในโลหะส่วนใหญ่ (Ni, Pt, Pa และอื่นๆ) โดยเฉพาะในแพลเลเดียม (ประมาณ 850 ปริมาตรต่อปริมาตรของ Pd ) .
คุณสมบัติหลังเกี่ยวข้องกับความสามารถในการแพร่กระจายและการแพร่กระจายผ่านโลหะผสมคาร์บอน (เช่นเหล็ก) อาจมาพร้อมกับการทำลายของโลหะผสมเนื่องจากปฏิกิริยาของไฮโดรเจนกับคาร์บอน (กระบวนการนี้เรียกว่าการลดคาร์บอน) ในสถานะของเหลว สารจะเบามาก (ความหนาแน่น - 0.0708 ก./ซม. ที่ t° = -253 °C) และของเหลว (ความหนืด - 13.8 สปอยซ์ภายใต้สภาวะเดียวกัน)
ในสารประกอบหลายชนิด ธาตุนี้มีวาเลนซี +1 (สถานะออกซิเดชัน) เช่น โซเดียมและโลหะอัลคาไลอื่นๆ โดยปกติจะถือเป็นอะนาล็อกของโลหะเหล่านี้ ดังนั้นเขาจึงเป็นหัวหน้ากลุ่มที่ 1 ของระบบธาตุ ในโลหะไฮไดรด์ ไฮโดรเจนไอออนมีประจุลบ (สถานะออกซิเดชันคือ -1) กล่าวคือ Na+H- มีโครงสร้างคล้ายกับ Na+Cl- คลอไรด์ ตามนี้และข้อเท็จจริงอื่น ๆ (ความใกล้เคียง คุณสมบัติทางกายภาพองค์ประกอบ "H" และฮาโลเจนความสามารถในการแทนที่ด้วยฮาโลเจนในสารประกอบอินทรีย์) ไฮโดรเจนอยู่ในกลุ่มที่ 7 ของระบบธาตุ
ภายใต้สภาวะปกติ โมเลกุลไฮโดรเจนมีฤทธิ์ต่ำ โดยจะรวมเฉพาะกับสารที่ไม่ใช่โลหะที่มีฤทธิ์มากที่สุดเท่านั้น (มีฟลูออรีนและคลอรีน โดยส่วนหลังอยู่ในแสง) ในทางกลับกันเมื่อถูกความร้อนจะมีปฏิกิริยากับองค์ประกอบทางเคมีหลายชนิด
อะตอมไฮโดรเจนมีกิจกรรมทางเคมีเพิ่มขึ้น (เทียบกับโมเลกุลไฮโดรเจน) เมื่อออกซิเจนจะเกิดเป็นน้ำตามสูตร:
Н₂ + ½О₂ = Н₂О,
ปล่อยความร้อน 285.937 kJ/mol หรือ 68.3174 kcal/mol (25 °C, 1 atm) ภายใต้สภาวะอุณหภูมิปกติ ปฏิกิริยาจะเกิดขึ้นค่อนข้างช้า และที่อุณหภูมิ t° >= 550 °C จะไม่สามารถควบคุมได้ ขีดจำกัดการระเบิดของส่วนผสมไฮโดรเจน + ออกซิเจนโดยปริมาตรคือ 4–94% H₂ และส่วนผสมของไฮโดรเจน + อากาศคือ 4–74% H₂ (ส่วนผสมของH₂สองปริมาตรและO₂หนึ่งปริมาตรเรียกว่าก๊าซระเบิด)
องค์ประกอบนี้ใช้เพื่อลดปริมาณโลหะส่วนใหญ่ เนื่องจากจะขจัดออกซิเจนออกจากออกไซด์:
เฟ₃O₄ + 4H₂ = 3เฟ + 4H₂O,
CuO + H₂ = Cu + H₂O เป็นต้น
ไฮโดรเจนก่อให้เกิดไฮโดรเจนเฮไลด์โดยมีฮาโลเจนต่างกัน ตัวอย่างเช่น
H₂ + Cl₂ = 2HCl
อย่างไรก็ตาม เมื่อทำปฏิกิริยากับฟลูออรีน ไฮโดรเจนจะระเบิด (สิ่งนี้เกิดขึ้นในความมืดที่อุณหภูมิ -252 ° C) กับโบรมีนและคลอรีนจะทำปฏิกิริยาเฉพาะเมื่อถูกความร้อนหรือแสงสว่าง และกับไอโอดีน - เมื่อถูกความร้อนเท่านั้น เมื่อทำปฏิกิริยากับไนโตรเจน จะเกิดแอมโมเนียขึ้นเฉพาะบนตัวเร่งปฏิกิริยาเท่านั้นที่ความดันและอุณหภูมิสูง:
ЗН₂ + N₂ = 2NN₃
เมื่อถูกความร้อน ไฮโดรเจนจะทำปฏิกิริยากับซัลเฟอร์อย่างแข็งขัน:
H₂ + S = H₂S (ไฮโดรเจนซัลไฟด์)
และยากกว่ามากกับเทลลูเรียมหรือซีลีเนียม ไฮโดรเจนทำปฏิกิริยากับคาร์บอนบริสุทธิ์โดยไม่มีตัวเร่งปฏิกิริยา แต่ที่อุณหภูมิสูง:
2H₂ + C (อสัณฐาน) = CH₄ (มีเทน)
สารนี้ทำปฏิกิริยาโดยตรงกับโลหะบางชนิด (อัลคาไล อัลคาไลน์เอิร์ธ และอื่นๆ) ทำให้เกิดไฮไดรด์ ตัวอย่างเช่น:
H₂ + 2Li = 2LiH
สำคัญ ความสำคัญในทางปฏิบัติมีปฏิสัมพันธ์ระหว่างไฮโดรเจนกับคาร์บอน (II) มอนอกไซด์ ในกรณีนี้ขึ้นอยู่กับความดันอุณหภูมิและตัวเร่งปฏิกิริยาสารประกอบอินทรีย์ที่แตกต่างกันจะเกิดขึ้น: HCHO, CH₃OH ฯลฯ ไฮโดรคาร์บอนไม่อิ่มตัวในระหว่างปฏิกิริยาจะอิ่มตัวตัวอย่างเช่น:
С n Н₂ n + Н₂ = С n Н₂ n ₊₂
ไฮโดรเจนและสารประกอบมีบทบาทพิเศษในด้านเคมี จะกำหนดคุณสมบัติที่เป็นกรดของสิ่งที่เรียกว่า กรดโปรติกมีแนวโน้มที่จะก่อตัวด้วย องค์ประกอบที่แตกต่างกันพันธะไฮโดรเจนซึ่งมีผลกระทบอย่างมากต่อคุณสมบัติของสารประกอบอนินทรีย์และอินทรีย์หลายชนิด
การผลิตไฮโดรเจน
วัตถุดิบประเภทหลักสำหรับ การผลิตภาคอุตสาหกรรมองค์ประกอบนี้รวมถึงก๊าซกลั่นน้ำมัน ก๊าซธรรมชาติที่ติดไฟได้ และก๊าซเตาอบโค้ก นอกจากนี้ยังได้มาจากน้ำผ่านอิเล็กโทรลิซิส (ในสถานที่ที่มีไฟฟ้าใช้) หนึ่งในวิธีที่สำคัญที่สุดในการผลิตวัสดุจาก ก๊าซธรรมชาติพิจารณาปฏิกิริยาเร่งปฏิกิริยาของไฮโดรคาร์บอนซึ่งส่วนใหญ่เป็นมีเทนกับไอน้ำ (ที่เรียกว่าการแปลง) ตัวอย่างเช่น:
CH₄ + H₂O = CO + ZN₂
ออกซิเดชันที่ไม่สมบูรณ์ของไฮโดรคาร์บอนกับออกซิเจน:
CH₄ + ½O₂ = CO + 2H₂
คาร์บอนมอนอกไซด์ (II) ที่สังเคราะห์ขึ้นจะเกิดการเปลี่ยนแปลง:
CO + H₂O = CO₂ + H₂
ไฮโดรเจนที่ผลิตจากก๊าซธรรมชาติมีราคาถูกที่สุด
สำหรับอิเล็กโทรไลซิสของน้ำจะใช้กระแสตรงซึ่งถูกส่งผ่านสารละลาย NaOH หรือ KOH (ไม่ได้ใช้กรดเพื่อหลีกเลี่ยงการกัดกร่อนของอุปกรณ์) ในสภาวะห้องปฏิบัติการ วัสดุจะได้มาจากอิเล็กโทรลิซิสของน้ำหรือเป็นผลมาจากปฏิกิริยาระหว่าง กรดไฮโดรคลอริกและสังกะสี อย่างไรก็ตามมักใช้วัสดุโรงงานสำเร็จรูปในกระบอกสูบมากกว่า
องค์ประกอบนี้แยกได้จากก๊าซกลั่นน้ำมันและก๊าซเตาอบโค้กโดยการเอาส่วนประกอบอื่นๆ ทั้งหมดของส่วนผสมก๊าซออก เนื่องจากจะทำให้กลายเป็นของเหลวได้ง่ายขึ้นในระหว่างการทำความเย็นแบบลึก
วัสดุนี้เริ่มมีการผลิตเชิงอุตสาหกรรมเมื่อปลายศตวรรษที่ 18 จากนั้นจึงนำไปเติม ลูกโป่ง. ในปัจจุบัน ไฮโดรเจนถูกนำมาใช้อย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรม โดยเฉพาะในอุตสาหกรรมเคมี เพื่อการผลิตแอมโมเนีย
ผู้ใช้สารชนิดนี้จำนวนมาก ได้แก่ ผู้ผลิตเมทิลและแอลกอฮอล์อื่นๆ น้ำมันเบนซินสังเคราะห์ และผลิตภัณฑ์อื่นๆ อีกมากมาย ได้จากการสังเคราะห์จากคาร์บอนมอนอกไซด์ (II) และไฮโดรเจน ไฮโดรเจนใช้สำหรับการเติมไฮโดรเจนของของหนักและของแข็ง เชื้อเพลิงเหลว, ไขมัน ฯลฯ สำหรับการสังเคราะห์ HCl, การทำไฮโดรทรีตติ้งของผลิตภัณฑ์ปิโตรเลียม รวมถึงในการตัด/เชื่อมโลหะ องค์ประกอบที่สำคัญที่สุดสำหรับ พลังงานนิวเคลียร์คือไอโซโทป - ไอโซโทปและดิวทีเรียม
บทบาททางชีวภาพของไฮโดรเจน
ประมาณ 10% ของมวลสิ่งมีชีวิต (โดยเฉลี่ย) มาจากองค์ประกอบนี้ เป็นส่วนหนึ่งของน้ำและกลุ่มสารประกอบธรรมชาติที่สำคัญที่สุด ได้แก่ โปรตีน กรดนิวคลีอิก ลิพิด และคาร์โบไฮเดรต มันใช้ทำอะไร?
วัสดุนี้มีบทบาทชี้ขาด: ในการรักษาโครงสร้างเชิงพื้นที่ของโปรตีน (ควอเทอร์นารี) ในการใช้หลักการเสริมกัน กรดนิวคลีอิก(เช่นในการนำไปใช้และการจัดเก็บข้อมูลทางพันธุกรรม) โดยทั่วไปใน “การรับรู้” ในระดับโมเลกุล
ไฮโดรเจนไอออน H+ มีส่วนร่วมในปฏิกิริยา/กระบวนการไดนามิกที่สำคัญในร่างกาย รวมถึง: ในการเกิดออกซิเดชันทางชีวภาพ ซึ่งให้พลังงานแก่เซลล์ที่มีชีวิต ในปฏิกิริยาการสังเคราะห์ทางชีวภาพ ในการสังเคราะห์ด้วยแสงในพืช ในการสังเคราะห์ด้วยแสงของแบคทีเรียและการตรึงไนโตรเจน ในการบำรุงรักษา ความสมดุลของกรดเบสและสภาวะสมดุลในกระบวนการขนส่งเมมเบรน นอกเหนือจากคาร์บอนและออกซิเจนแล้ว ยังก่อให้เกิดพื้นฐานเชิงหน้าที่และโครงสร้างของปรากฏการณ์สิ่งมีชีวิตอีกด้วย
ในตัวเรา ชีวิตประจำวันมีเรื่องธรรมดาๆ มากมายที่เกือบทุกคนรู้เกี่ยวกับเรื่องเหล่านั้น ตัวอย่างเช่น ทุกคนรู้ว่าน้ำเป็นของเหลว เข้าถึงได้ง่ายและไม่ไหม้ จึงสามารถดับไฟได้ แต่คุณเคยสงสัยบ้างไหมว่าทำไมถึงเป็นเช่นนั้น?
ที่มาของภาพ: pixabay.com
น้ำประกอบด้วยอะตอมของไฮโดรเจนและออกซิเจน องค์ประกอบทั้งสองนี้รองรับการเผาไหม้ ตามตรรกะทั่วไป (ไม่ใช่ทางวิทยาศาสตร์) มันจึงตามมาว่าน้ำก็ควรจะเผาไหม้เช่นกัน ใช่ไหม? อย่างไรก็ตาม สิ่งนี้จะไม่เกิดขึ้น
การเผาไหม้เกิดขึ้นเมื่อใด?
การเผาไหม้เป็นกระบวนการทางเคมีที่โมเลกุลและอะตอมรวมกันเพื่อปลดปล่อยพลังงานในรูปของความร้อนและแสง ในการเผาไหม้บางสิ่ง คุณต้องมีสองสิ่ง - เชื้อเพลิงเป็นแหล่งเผาไหม้ (เช่น แผ่นกระดาษ ท่อนไม้ ฯลฯ) และตัวออกซิไดเซอร์ (ออกซิเจนที่มีอยู่ในชั้นบรรยากาศโลกเป็นตัวออกซิไดเซอร์หลัก) นอกจากนี้เรายังต้องการความร้อนที่จำเป็นเพื่อให้ถึงอุณหภูมิจุดติดไฟของสารเพื่อเริ่มต้นกระบวนการเผาไหม้
ที่มาของภาพ auclip.ru
ตัวอย่างเช่น พิจารณาขั้นตอนการเผากระดาษโดยใช้ไม้ขีดไฟ กระดาษในกรณีนี้จะเป็นเชื้อเพลิง ก๊าซออกซิเจนที่มีอยู่ในอากาศจะทำหน้าที่เป็นตัวออกซิไดซ์ และอุณหภูมิการจุดติดไฟจะเกิดขึ้นได้เนื่องจากการเผาไหม้
โครงสร้างขององค์ประกอบทางเคมีของน้ำ
ที่มาของภาพ: water-service.com.ua
น้ำประกอบด้วยไฮโดรเจนสองอะตอมและออกซิเจนหนึ่งอะตอม ของเธอ สูตรเคมีน้ำ ตอนนี้เป็นที่น่าสนใจที่จะทราบว่าองค์ประกอบของน้ำทั้งสองนั้นเป็นสารไวไฟจริงๆ
ทำไมไฮโดรเจนถึงเป็นสารไวไฟ?
อะตอมไฮโดรเจนมีอิเล็กตรอนเพียงตัวเดียวจึงรวมตัวกับองค์ประกอบอื่นได้ง่าย ตามกฎแล้วไฮโดรเจนเกิดขึ้นในธรรมชาติในรูปของก๊าซซึ่งโมเลกุลประกอบด้วยอะตอมสองอะตอม ก๊าซนี้มีปฏิกิริยาสูงและออกซิไดซ์อย่างรวดเร็วเมื่อมีสารออกซิไดซ์ ซึ่งทำให้ติดไฟได้
แหล่งที่มาของภาพ: myshared.ru
เมื่อไฮโดรเจนถูกเผา พลังงานจำนวนมากจะถูกปล่อยออกมา ดังนั้นจึงมักใช้ในรูปของเหลวเพื่อส่งยานอวกาศขึ้นสู่อวกาศ
ออกซิเจนรองรับการเผาไหม้
ตามที่กล่าวไว้ข้างต้น การเผาไหม้ใดๆ ก็ตามต้องใช้ตัวออกซิไดเซอร์ มีสารเคมีออกซิไดซ์หลายชนิด เช่น ออกซิเจน โอโซน ไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์ ฟลูออรีน เป็นต้น ออกซิเจนเป็นสารออกซิไดซ์หลักที่พบได้ทั่วไปในชั้นบรรยากาศของโลก โดยทั่วไปจะเป็นตัวออกซิไดซ์หลักในไฟส่วนใหญ่ นั่นคือเหตุผลว่าทำไมการเติมออกซิเจนอย่างต่อเนื่องจึงมีความจำเป็นเพื่อรักษาไฟ
น้ำทำให้ไฟดับ
น้ำสามารถดับไฟได้ด้วยเหตุผลหลายประการ หนึ่งในนั้นคือน้ำเป็นของเหลวที่ไม่ติดไฟ แม้ว่าน้ำจะประกอบด้วยองค์ประกอบสองอย่างที่สามารถแยกกันสร้างไฟนรกที่ลุกเป็นไฟได้
น้ำเป็นวิธีดับไฟที่พบบ่อยที่สุด ที่มาของภาพ: pixabay.com
ดังที่เราได้กล่าวไปก่อนหน้านี้ ไฮโดรเจนเป็นสารไวไฟสูง สิ่งเดียวที่ต้องการคือสารออกซิไดซ์และอุณหภูมิจุดติดไฟเพื่อเริ่มปฏิกิริยา เนื่องจากออกซิเจนเป็นสารออกซิไดซ์ที่พบมากที่สุดในโลก มันจึงรวมตัวกับอะตอมไฮโดรเจนอย่างรวดเร็ว ปล่อยแสงและความร้อนจำนวนมาก และโมเลกุลของน้ำก็เกิดขึ้น ต่อไปนี้เป็นวิธีการ:
โปรดทราบว่าส่วนผสมของไฮโดรเจนกับออกซิเจนหรืออากาศจำนวนเล็กน้อยทำให้เกิดการระเบิดได้และเรียกว่าก๊าซระเบิดซึ่งจะเผาไหม้อย่างรวดเร็วมากเมื่อมีเสียงดังปังซึ่งถูกมองว่าเป็นการระเบิด โศกนาฏกรรมเรือเหาะฮินเดนเบิร์กในรัฐนิวเจอร์ซีย์เมื่อปี 2480 คร่าชีวิตผู้คนไปหลายสิบรายอันเป็นผลมาจากการจุดระเบิดของไฮโดรเจนที่เติมเข้าไปในเปลือกของเรือเหาะ ความไวไฟได้ง่ายของไฮโดรเจนและการระเบิดเมื่อรวมกับออกซิเจนคือ เหตุผลหลักความจริงที่ว่าเราไม่ได้รับน้ำทางเคมีในห้องปฏิบัติการ
ไฮโดรเจน H เป็นองค์ประกอบที่พบมากที่สุดในจักรวาล (ประมาณ 75% โดยมวล) และบนโลกนี้เป็นองค์ประกอบที่มีมากที่สุดอันดับที่เก้า สารประกอบไฮโดรเจนตามธรรมชาติที่สำคัญที่สุดคือน้ำ
ไฮโดรเจนอยู่ในอันดับแรกในตารางธาตุ (Z = 1) มีโครงสร้างอะตอมที่ง่ายที่สุด คือ นิวเคลียสของอะตอมคือโปรตอน 1 ตัว ล้อมรอบด้วยเมฆอิเล็กตรอนที่ประกอบด้วยอิเล็กตรอน 1 ตัว
ภายใต้เงื่อนไขบางประการ ไฮโดรเจนแสดงคุณสมบัติเป็นโลหะ (บริจาคอิเล็กตรอน) ในขณะที่เงื่อนไขอื่น ๆ จะแสดงคุณสมบัติที่ไม่ใช่โลหะ (รับอิเล็กตรอน)
ไอโซโทปไฮโดรเจนที่พบในธรรมชาติ ได้แก่ 1H - โปรเทียม (นิวเคลียสประกอบด้วยโปรตอนหนึ่งตัว), 2H - ดิวทีเรียม (D - นิวเคลียสประกอบด้วยโปรตอนหนึ่งตัวและนิวตรอนหนึ่งตัว), 3H - ไอโซโทป (T - นิวเคลียสประกอบด้วยโปรตอนหนึ่งตัวและสอง นิวตรอน)
สารไฮโดรเจนอย่างง่าย
โมเลกุลไฮโดรเจนประกอบด้วยอะตอมสองอะตอมที่เชื่อมต่อกันด้วยพันธะโควาเลนต์ไม่มีขั้ว
คุณสมบัติทางกายภาพไฮโดรเจนเป็นก๊าซไม่มีสี ไม่มีกลิ่น ไม่มีรส และไม่เป็นพิษ โมเลกุลไฮโดรเจนไม่มีขั้ว ดังนั้นแรงของปฏิกิริยาระหว่างโมเลกุลในก๊าซไฮโดรเจนจึงมีน้อย สิ่งนี้แสดงออกมาใน อุณหภูมิต่ำการเดือด (-252.6 0С) และการละลาย (-259.2 0С)
ไฮโดรเจนเบากว่าอากาศ D (ทางอากาศ) = 0.069; ละลายได้ในน้ำเล็กน้อย (H2 2 ปริมาตรละลายใน H2O 100 ปริมาตร) ดังนั้นเมื่อผลิตไฮโดรเจนในห้องปฏิบัติการ จะสามารถรวบรวมได้โดยวิธีการแทนที่ด้วยอากาศหรือน้ำ
การผลิตไฮโดรเจน
ในห้องปฏิบัติการ:
1. ผลกระทบของกรดเจือจางต่อโลหะ:
สังกะสี +2HCl → สังกะสี 2 +H 2
2. ปฏิกิริยาระหว่างอัลคาไลน์กับ โลหะด้วยน้ำ:
Ca +2H 2 O → Ca(OH) 2 +H 2
3. ไฮโดรไลซิสของไฮไดรด์: โลหะไฮไดรด์สามารถย่อยสลายได้ง่ายด้วยน้ำเพื่อสร้างเป็นด่างและไฮโดรเจนที่สอดคล้องกัน:
NaH +H 2 O → NaOH +H 2
CaH 2 + 2H 2 O = Ca(OH) 2 + 2H 2
4.ผลของด่างต่อสังกะสีหรืออลูมิเนียมหรือซิลิคอน:
2อัล +2NaOH +6H 2 O → 2Na +3H 2
สังกะสี +2KOH +2H 2 O → K 2 +H 2
ศรี + 2NaOH + H 2 O → นา 2 SiO 3 + 2H 2
5. กระแสไฟฟ้าของน้ำ เพื่อเพิ่มการนำไฟฟ้าของน้ำจะมีการเติมอิเล็กโทรไลต์ลงไปเช่น NaOH, H 2 SO 4 หรือ Na 2 SO 4 ไฮโดรเจน 2 ปริมาตรเกิดขึ้นที่แคโทด และออกซิเจน 1 ปริมาตรที่ขั้วบวก
2H 2 O → 2H 2 +O 2
การผลิตไฮโดรเจนทางอุตสาหกรรม
1. การแปลงมีเทนด้วยไอน้ำ Ni 800 °C (ถูกที่สุด):
CH 4 + H 2 O → CO + 3 H 2
CO + H 2 O → CO 2 + H 2
เบ็ดเสร็จ:
CH 4 + 2 H 2 O → 4 H 2 + CO 2
2. ไอน้ำผ่านโค้กร้อนที่อุณหภูมิ 1,000 o C:
C + H 2 O → CO + H 2
CO +H 2 O → CO 2 + H 2
คาร์บอนมอนอกไซด์ (IV) ที่เกิดขึ้นจะถูกดูดซับด้วยน้ำ และ 50% ของไฮโดรเจนทางอุตสาหกรรมถูกผลิตด้วยวิธีนี้
3. โดยให้ความร้อนมีเธนถึง 350°C โดยมีตัวเร่งปฏิกิริยาเหล็กหรือนิกเกิล:
CH 4 → C + 2H 2
4. อิเล็กโทรไลซิสของสารละลายน้ำของ KCl หรือ NaCl เป็นผลพลอยได้:
2H 2 O + 2NaCl → Cl 2 + H 2 + 2NaOH
คุณสมบัติทางเคมีของไฮโดรเจน
- ในสารประกอบ ไฮโดรเจนจะมีสถานะเดียวเสมอ มีสถานะออกซิเดชันเป็น +1 แต่ในโลหะไฮไดรด์จะเท่ากับ -1
- โมเลกุลไฮโดรเจนประกอบด้วยสองอะตอม การเกิดขึ้นของการเชื่อมต่อระหว่างพวกมันอธิบายได้จากการก่อตัวของคู่อิเล็กตรอนทั่วไป H:H หรือ H 2
- ต้องขอบคุณอิเล็กตรอนทั่วไปที่ทำให้โมเลกุล H 2 มีความเสถียรด้านพลังงานมากกว่าอะตอมแต่ละตัว ในการแตกโมเลกุลไฮโดรเจน 1 โมลออกเป็นอะตอม จำเป็นต้องใช้พลังงาน 436 กิโลจูล: H 2 = 2H, ∆H° = 436 กิโลจูล/โมล
- สิ่งนี้อธิบายกิจกรรมที่ค่อนข้างต่ำของโมเลกุลไฮโดรเจนที่อุณหภูมิปกติ
- ด้วยอโลหะหลายชนิด ไฮโดรเจนจึงเกิดเป็นสารประกอบก๊าซ เช่น RH 4, RH 3, RH 2, RH
1) สร้างไฮโดรเจนเฮไลด์ด้วยฮาโลเจน:
H 2 + Cl 2 → 2HCl
ในเวลาเดียวกัน มันจะระเบิดด้วยฟลูออรีน ทำปฏิกิริยากับคลอรีนและโบรมีนเฉพาะเมื่อได้รับแสงสว่างหรือได้รับความร้อน และกับไอโอดีนเมื่อได้รับความร้อนเท่านั้น
2) ด้วยออกซิเจน:
2H 2 + O 2 → 2H 2 O
พร้อมปล่อยความร้อน ที่อุณหภูมิปกติ ปฏิกิริยาจะเกิดขึ้นอย่างช้าๆ เมื่ออุณหภูมิสูงกว่า 550°C จะเกิดการระเบิด ส่วนผสมของ H 2 2 ปริมาตรและ O 2 1 ปริมาตรเรียกว่าก๊าซระเบิด
3) เมื่อถูกความร้อนจะทำปฏิกิริยาอย่างแรงกับซัลเฟอร์ (ยากกว่ามากกับซีลีเนียมและเทลลูเรียม):
H 2 + S → H 2 S (ไฮโดรเจนซัลไฟด์)
4) ด้วยไนโตรเจนที่มีการก่อตัวของแอมโมเนียบนตัวเร่งปฏิกิริยาเท่านั้นและที่อุณหภูมิและความดันสูง:
ZN 2 + N 2 → 2NH 3
5) ด้วยคาร์บอนที่อุณหภูมิสูง:
2H 2 + C → CH 4 (มีเทน)
6) สร้างไฮไดรด์ด้วยโลหะอัลคาไลและอัลคาไลน์เอิร์ท (ไฮโดรเจนเป็นตัวออกซิไดซ์):
H 2 + 2Li → 2LiH
ในโลหะไฮไดรด์ไฮโดรเจนไอออนจะมีประจุลบ (สถานะออกซิเดชัน -1) นั่นคือ Na + H ไฮไดรด์ - สร้างคล้ายกับ Na + Cl คลอไรด์ -
บริษัท สารที่ซับซ้อน:
7) ด้วยโลหะออกไซด์ (ใช้เพื่อลดโลหะ):
CuO + H 2 → Cu + H 2 O
เฟ 3 O 4 + 4H 2 → 3เฟ + 4H 2 โอ
8) ด้วยคาร์บอนมอนอกไซด์ (II):
CO + 2H 2 → CH 3 โอ้
การสังเคราะห์ - ก๊าซ (ส่วนผสมของไฮโดรเจนและคาร์บอนมอนอกไซด์) มีความสำคัญในทางปฏิบัติที่สำคัญ เนื่องจากสารประกอบอินทรีย์หลายชนิดจะเกิดขึ้นขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ ความดัน และตัวเร่งปฏิกิริยา เช่น HCHO, CH 3 OH และอื่น ๆ
9) ไฮโดรคาร์บอนไม่อิ่มตัวทำปฏิกิริยากับไฮโดรเจนจนอิ่มตัว:
C n H 2n + H 2 → C n H 2n+2
§3 สมการปฏิกิริยาและวิธีเขียน
ปฏิสัมพันธ์ ไฮโดรเจนกับ ออกซิเจนดังที่เซอร์เฮนรี คาเวนดิชสถาปนาขึ้น นำไปสู่การก่อตัวของน้ำ มาเริ่มกันเลย ตัวอย่างง่ายๆมาเรียนรู้วิธีการเขียนกันดีกว่า สมการปฏิกิริยาเคมี.
ออกมาจากอะไร. ไฮโดรเจนและ ออกซิเจนเรารู้แล้ว:
H 2 + O 2 → H 2 O
ตอนนี้ให้เราคำนึงว่าอะตอมขององค์ประกอบทางเคมีในปฏิกิริยาเคมีจะไม่หายไปและไม่ปรากฏขึ้นจากความว่างเปล่าไม่เปลี่ยนรูปซึ่งกันและกัน แต่ รวมกันเป็นชุดใหม่ทำให้เกิดโมเลกุลใหม่ ดังนั้นในสมการ ปฏิกิริยาเคมีจะต้องมีจำนวนอะตอมแต่ละชนิดเท่ากัน ก่อนปฏิกิริยา ( ซ้ายจากเครื่องหมายเท่ากับ) และ หลังจากจุดสิ้นสุดของปฏิกิริยา ( ด้านขวาจากเครื่องหมายเท่ากับ) ดังนี้
2H 2 + O 2 = 2H 2 O
นั่นคือสิ่งที่มันเป็น สมการปฏิกิริยา - การบันทึกแบบมีเงื่อนไขของปฏิกิริยาเคมีที่กำลังดำเนินอยู่โดยใช้สูตรของสารและค่าสัมประสิทธิ์.
ซึ่งหมายความว่าในปฏิกิริยาที่กำหนด สองโมล ไฮโดรเจนจะต้องโต้ตอบด้วย หนึ่งตุ่น ออกซิเจนและผลลัพธ์ก็จะเป็น สองโมล น้ำ.
ปฏิสัมพันธ์ ไฮโดรเจนกับ ออกซิเจน- ไม่ใช่กระบวนการง่ายๆ เลย นำไปสู่การเปลี่ยนแปลงสถานะออกซิเดชันขององค์ประกอบเหล่านี้ ในการเลือกสัมประสิทธิ์ในสมการดังกล่าว โดยปกติจะใช้เครื่องหมาย " ความสมดุลทางอิเล็กทรอนิกส์".
เมื่อน้ำเกิดขึ้นจากไฮโดรเจนและออกซิเจนก็หมายความว่า ไฮโดรเจนเปลี่ยนสถานะออกซิเดชันจาก 0 ก่อน +ฉัน, ก ออกซิเจน- จาก 0 ก่อน −II. ในกรณีนี้ อะตอมไฮโดรเจนหลายอะตอมผ่านไปยังอะตอมออกซิเจน (น)อิเล็กตรอน:
อิเล็กตรอนที่บริจาคไฮโดรเจนให้บริการที่นี่ สารรีดิวซ์และออกซิเจนที่รับอิเล็กตรอนก็คือ ออกซิไดซ์.
สารออกซิไดซ์และสารรีดิวซ์
ตอนนี้เรามาดูกันว่ากระบวนการให้และรับอิเล็กตรอนจะแยกกันอย่างไร ไฮโดรเจนเมื่อพบกับออกซิเจน "โจร" สูญเสียทรัพย์สินทั้งหมด - อิเล็กตรอนสองตัวและสถานะออกซิเดชันจะเท่ากัน +ฉัน:
ยังไม่มีข้อความ 2 0 − 2 จ− = 2H +I
เกิดขึ้น สมการครึ่งปฏิกิริยาออกซิเดชันไฮโดรเจน
และโจร- ออกซิเจน โอ 2เมื่อนำอิเล็กตรอนตัวสุดท้ายออกจากไฮโดรเจนที่โชคร้าย เขาพอใจกับสถานะออกซิเดชันใหม่ของเขามาก -II:
O2+4 จ− = 2O −II
นี้ สมการการลดครึ่งปฏิกิริยาออกซิเจน
ยังคงต้องเสริมว่าทั้ง "โจร" และ "เหยื่อ" ของเขาสูญเสียความเป็นเอกภาพทางเคมีและทำจากสารง่าย ๆ - ก๊าซที่มีโมเลกุลไดอะตอมมิก เอช 2และ โอ 2กลายเป็นส่วนประกอบของสารเคมีชนิดใหม่ - น้ำ เอช 2 โอ.
นอกจากนี้เราจะให้เหตุผลดังต่อไปนี้: จำนวนอิเล็กตรอนที่ตัวรีดิวซ์มอบให้กับโจรออกซิไดซ์นั่นคือจำนวนอิเล็กตรอนที่เขาได้รับ จำนวนอิเล็กตรอนที่บริจาคโดยตัวรีดิวซ์จะต้องเท่ากับจำนวนอิเล็กตรอนที่ตัวออกซิไดซ์ยอมรับ.
ดังนั้นจึงจำเป็น ทำให้จำนวนอิเล็กตรอนเท่ากันในปฏิกิริยาครึ่งแรกและครึ่งหลัง ในวิชาเคมี การเขียนสมการครึ่งปฏิกิริยาในรูปแบบทั่วไปต่อไปนี้เป็นที่ยอมรับ:
2 น 2 0 − 2 จ− = 2H +I |
|
1 โอ 2 0 + 4 จ− = 2O −II |
ในที่นี้ ตัวเลข 2 และ 1 ทางด้านซ้ายของวงเล็บปีกกาคือปัจจัยที่จะช่วยให้แน่ใจว่าจำนวนอิเล็กตรอนที่ให้และรับเท่ากัน พิจารณาว่าในสมการครึ่งปฏิกิริยาจะได้รับอิเล็กตรอน 2 ตัวและยอมรับ 4 ตัว ในการทำให้จำนวนอิเล็กตรอนที่ยอมรับและให้เท่ากันให้หาตัวคูณร่วมและตัวประกอบเพิ่มเติมที่น้อยที่สุด ในกรณีของเรา ตัวคูณร่วมน้อยคือ 4 ตัวประกอบเพิ่มเติมสำหรับไฮโดรเจนจะเป็น 2 (4: 2 = 2) และสำหรับออกซิเจน - 1 (4: 4 = 1)
ตัวคูณผลลัพธ์จะทำหน้าที่เป็นสัมประสิทธิ์ของสมการปฏิกิริยาในอนาคต:
2H 2 0 + O 2 0 = 2H 2 +IO −II
ไฮโดรเจน ออกซิไดซ์ไม่ใช่แค่ตอนเจอกันเท่านั้น ออกซิเจน. พวกมันทำปฏิกิริยากับไฮโดรเจนในลักษณะเดียวกันโดยประมาณ ฟลูออรีน ฉ 2ฮาโลเจนและ "โจร" ที่รู้จักและดูเหมือนจะไม่เป็นอันตราย ไนโตรเจน ยังไม่มีข้อความ 2:
H 2 0 + F 2 0 = 2H +IF F −I |
3H 2 0 + N 2 0 = 2N −III H 3 +I |
ในกรณีนี้ปรากฎว่า ไฮโดรเจนฟลูออไรด์ เอชเอฟหรือ แอมโมเนีย เอ็นเอช 3.
ในสารประกอบทั้งสองสถานะออกซิเดชันคือ ไฮโดรเจนจะเท่าเทียมกัน +ฉันเพราะเขาได้พันธมิตรระดับโมเลกุลที่ "โลภ" สินค้าอิเล็กทรอนิกส์ของผู้อื่นซึ่งมีอิเลคโตรเนกาติวีตี้สูง - ฟลูออรีน เอฟและ ไนโตรเจน เอ็น. ยู ไนโตรเจนค่าของอิเลคโตรเนกาติวีตี้ถือว่าเท่ากับสามหน่วยทั่วไปและ ฟลูออไรด์โดยทั่วไป อิเลคโตรเนกาติวีตี้สูงสุดในบรรดาองค์ประกอบทางเคมีทั้งหมดคือสี่หน่วย จึงไม่น่าแปลกใจที่พวกเขาทิ้งอะตอมไฮโดรเจนที่น่าสงสารไว้โดยไม่มีสภาพแวดล้อมทางอิเล็กทรอนิกส์
แต่ ไฮโดรเจนอาจจะ คืนค่า- รับอิเล็กตรอน สิ่งนี้จะเกิดขึ้นหากโลหะอัลคาไลหรือแคลเซียมซึ่งมีอิเล็กโตรเนกาติวีตี้ต่ำกว่าไฮโดรเจนเข้าร่วมในการทำปฏิกิริยากับมัน
10.1.ไฮโดรเจน
ชื่อ "ไฮโดรเจน" หมายถึงทั้งองค์ประกอบทางเคมีและสารธรรมดา องค์ประกอบ ไฮโดรเจนประกอบด้วยอะตอมไฮโดรเจน สารง่ายๆ ไฮโดรเจนประกอบด้วยโมเลกุลไฮโดรเจน
ก) องค์ประกอบทางเคมีไฮโดรเจน
ในชุดธาตุตามธรรมชาติ หมายเลขลำดับของไฮโดรเจนคือ 1 ในระบบของธาตุ ไฮโดรเจนอยู่ในคาบแรกในกลุ่ม IA หรือ VIIA
ไฮโดรเจนเป็นหนึ่งในองค์ประกอบที่พบมากที่สุดในโลก สัดส่วนโมลของอะตอมไฮโดรเจนในชั้นบรรยากาศ ไฮโดรสเฟียร์ และเปลือกโลก (เรียกรวมกันว่าเปลือกโลก) มีค่าเท่ากับ 0.17 พบได้ในน้ำ แร่ธาตุหลายชนิด น้ำมัน ก๊าซธรรมชาติ พืช และสัตว์ โดยเฉลี่ยร่างกายมนุษย์มีไฮโดรเจนประมาณ 7 กิโลกรัม
ไฮโดรเจนมีสามไอโซโทป:
ก) ไฮโดรเจนเบา – โปรเทียม,
b) ไฮโดรเจนหนัก – ดิวเทอเรียม(ง)
c) ไฮโดรเจนยวดยิ่ง – ไอโซโทป(ท).
ทริเทียมเป็นไอโซโทปที่ไม่เสถียร (กัมมันตภาพรังสี) ดังนั้นจึงแทบไม่พบในธรรมชาติเลย ดิวทีเรียมมีความเสถียร แต่มีน้อยมาก: ว D = 0.015% (ของมวลของไฮโดรเจนบนพื้นดินทั้งหมด) ดังนั้นมวลอะตอมของไฮโดรเจนจึงแตกต่างจาก 1 Dn (1.00794 Dn) เพียงเล็กน้อย
b) อะตอมไฮโดรเจน
จากภาคที่แล้วของหลักสูตรเคมี คุณได้ทราบคุณลักษณะต่อไปนี้ของอะตอมไฮโดรเจนแล้ว:
ความสามารถของวาเลนซ์อะตอมไฮโดรเจนถูกกำหนดโดยการมีอยู่ของอิเล็กตรอนหนึ่งตัวในวงโคจรวาเลนซ์เดียว พลังงานไอออไนเซชันที่สูงทำให้อะตอมไฮโดรเจนไม่มีแนวโน้มที่จะยอมแพ้อิเล็กตรอน และพลังงานอัฟฟินิตี้ของอิเล็กตรอนที่ไม่สูงเกินไปทำให้เกิดแนวโน้มเล็กน้อยที่จะยอมรับอิเล็กตรอน ด้วยเหตุนี้ ในระบบเคมี การก่อตัวของ H ไอออนบวกจึงเป็นไปไม่ได้ และสารประกอบที่มีไอออน H จึงไม่เสถียรมากนัก ดังนั้นอะตอมไฮโดรเจนจึงมีแนวโน้มที่จะสร้างพันธะโควาเลนต์กับอะตอมอื่นได้มากที่สุดเนื่องจากมีอิเล็กตรอนที่ไม่มีการจับคู่เพียงตัวเดียว ทั้งในกรณีของการก่อตัวของไอออนและในกรณีของการก่อตัวของพันธะโควาเลนต์ อะตอมของไฮโดรเจนจะเป็นโมโนวาเลนต์
ในสารธรรมดา สถานะออกซิเดชันของอะตอมไฮโดรเจนจะเป็นศูนย์ ในสารประกอบส่วนใหญ่ ไฮโดรเจนมีสถานะออกซิเดชันเป็น +I และเฉพาะในไฮไดรด์ของธาตุที่มีอิเลคโตรเนกาติวีตน้อยที่สุดเท่านั้นที่ไฮโดรเจนจะมีสถานะออกซิเดชันเป็น –I
ข้อมูลเกี่ยวกับความสามารถของความจุของอะตอมไฮโดรเจนแสดงไว้ในตารางที่ 28 สถานะความจุของอะตอมไฮโดรเจนที่ถูกพันธะด้วยพันธะโควาเลนต์หนึ่งพันธะกับอะตอมใดๆ จะแสดงไว้ในตารางด้วยสัญลักษณ์ "H-"
ตารางที่ 28.ความเป็นไปได้ของเวเลนซ์ของอะตอมไฮโดรเจน
รัฐวาเลนซ์ |
ตัวอย่างสารเคมี |
|||
ฉัน |
HCl, H 2 O, H 2 S, NH 3, CH 4, C 2 H 6, NH 4 Cl, H 2 SO 4, NaHCO 3, KOH |
|||
NaH, KH, CaH 2, BaH 2 |
ค) โมเลกุลไฮโดรเจน
โมเลกุลไฮโดรเจนไดอะตอมมิก H2 เกิดขึ้นเมื่ออะตอมไฮโดรเจนถูกสร้างพันธะด้วยพันธะโควาเลนต์เพียงพันธะเดียวที่เป็นไปได้สำหรับพวกมัน การเชื่อมต่อเกิดขึ้นจากกลไกการแลกเปลี่ยน ตามลักษณะที่เมฆอิเล็กตรอนทับซ้อนกัน นี่คือพันธะ s (รูปที่ 10.1 ก). เนื่องจากอะตอมเท่ากัน พันธะจึงไม่มีขั้ว
ระยะห่างระหว่างอะตอม (แม่นยำยิ่งขึ้น ระยะห่างระหว่างอะตอมที่สมดุล เนื่องจากอะตอมสั่นสะเทือน) ในโมเลกุลไฮโดรเจน ร(H–H) = 0.74 A (รูปที่ 10.1 วี) ซึ่งน้อยกว่าผลรวมของรัศมีวงโคจร (1.06 A) อย่างมีนัยสำคัญ ดังนั้นเมฆอิเล็กตรอนของอะตอมที่ถูกพันธะจึงทับซ้อนกันอย่างล้ำลึก (รูปที่ 10.1 ข) และพันธะในโมเลกุลไฮโดรเจนมีความแข็งแรง เรื่องนี้ค่อนข้างจะเหมือนกัน ความสำคัญอย่างยิ่งพลังงานยึดเหนี่ยว (454 กิโลจูล/โมล)
หากเรากำหนดลักษณะรูปร่างของโมเลกุลตามพื้นผิวขอบเขต (คล้ายกับพื้นผิวขอบเขตของเมฆอิเล็กตรอน) เราสามารถพูดได้ว่าโมเลกุลไฮโดรเจนมีรูปร่างของลูกบอลที่มีรูปร่างผิดปกติเล็กน้อย (ยาว) (รูปที่ 10.1 ช).
d) ไฮโดรเจน (สาร)
ภายใต้สภาวะปกติ ไฮโดรเจนจะเป็นก๊าซไม่มีสีและไม่มีกลิ่น ในปริมาณน้อยก็ไม่เป็นพิษ ไฮโดรเจนแข็งละลายที่ 14 K (–259 °C) และไฮโดรเจนเหลวเดือดที่ 20 K (–253 °C) จุดหลอมเหลวและจุดเดือดต่ำ ช่วงอุณหภูมิที่น้อยมากสำหรับการมีอยู่ของไฮโดรเจนเหลว (เพียง 6 °C) รวมถึงค่าความร้อนของโมลาร์ฟิวชันที่น้อย (0.117 kJ/mol) และการกลายเป็นไอ (0.903 kJ/mol) ) แสดงว่าพันธะระหว่างโมเลกุลในไฮโดรเจนอ่อนมาก
ความหนาแน่นของไฮโดรเจน r(H 2) = (2 กรัม/โมล): (22.4 ลิตร/โมล) = 0.0893 กรัม/ลิตร เพื่อการเปรียบเทียบ: ความหนาแน่นของอากาศโดยเฉลี่ยคือ 1.29 กรัม/ลิตร นั่นคือไฮโดรเจนนั้น "เบากว่า" อากาศถึง 14.5 เท่า มันไม่ละลายในน้ำในทางปฏิบัติ
ที่อุณหภูมิห้อง ไฮโดรเจนจะไม่ใช้งาน แต่เมื่อถูกความร้อนไฮโดรเจนจะทำปฏิกิริยากับสารหลายชนิด ในปฏิกิริยาเหล่านี้ อะตอมไฮโดรเจนสามารถเพิ่มหรือลดสถานะออกซิเดชันได้: H 2 + 2 จ– = 2Н –ฉัน, Н 2 – 2 จ– = 2Н +I.
ในกรณีแรก ไฮโดรเจนเป็นตัวออกซิไดซ์ เช่น เมื่อทำปฏิกิริยากับโซเดียมหรือแคลเซียม: 2Na + H 2 = 2NaH, ( ที) Ca + H 2 = CaH 2 . ( ที)
แต่คุณสมบัติรีดิวซ์ของไฮโดรเจนนั้นมีลักษณะเฉพาะมากกว่า: O 2 + 2H 2 = 2H 2 O, ( ที)
CuO + H 2 = Cu + H 2 O ( ที)
เมื่อถูกความร้อน ไฮโดรเจนจะถูกออกซิไดซ์ไม่เพียงแต่โดยออกซิเจนเท่านั้น แต่ยังเกิดจากอโลหะอื่นๆ ด้วย เช่น ฟลูออรีน คลอรีน ซัลเฟอร์ และแม้แต่ไนโตรเจน
ในห้องปฏิบัติการ ไฮโดรเจนเกิดขึ้นจากปฏิกิริยา
สังกะสี + H 2 SO 4 = ZnSO 4 + H 2
แทนที่จะใช้สังกะสี คุณสามารถใช้เหล็ก อลูมิเนียม และโลหะอื่นๆ แทนสังกะสี คุณสามารถใช้กรดเจือจางอื่นๆ แทนได้ ไฮโดรเจนที่ได้จะถูกรวบรวมไว้ในหลอดทดลองโดยการแทนที่น้ำ (ดูรูปที่ 10.2 ข) หรือใส่ลงในขวดคว่ำ (รูปที่ 10.2 ก).
ในอุตสาหกรรม ไฮโดรเจนถูกผลิตขึ้นในปริมาณมากจากก๊าซธรรมชาติ (ส่วนใหญ่เป็นมีเทน) โดยทำปฏิกิริยากับไอน้ำที่อุณหภูมิ 800 °C โดยมีตัวเร่งปฏิกิริยานิกเกิล:
CH 4 + 2H 2 O = 4H 2 +CO 2 ( ที, นิ)
หรือบำบัดถ่านหินที่อุณหภูมิสูงด้วยไอน้ำ:
2H 2 O + C = 2H 2 + CO 2 ( ที)
ไฮโดรเจนบริสุทธิ์ได้มาจากน้ำโดยการย่อยสลายด้วยกระแสไฟฟ้า (ขึ้นอยู่กับอิเล็กโทรไลซิส):
2H 2 O = 2H 2 + O 2 (กระแสไฟฟ้า)
จ) สารประกอบไฮโดรเจน
ไฮไดรด์ (สารประกอบไบนารี่ที่มีไฮโดรเจน) แบ่งออกเป็นสองประเภทหลัก:
ก) ผันผวน
(โมเลกุล) ไฮไดรด์
b) ไฮไดรด์ที่มีลักษณะคล้ายเกลือ (ไอออนิก)
องค์ประกอบของกลุ่ม IVA - VIIA และโบรอนก่อให้เกิดโมเลกุลไฮไดรด์ ในจำนวนนี้มีเพียงไฮไดรด์ขององค์ประกอบที่ก่อตัวเป็นอโลหะเท่านั้นที่มีความเสถียร:
ข 2 ชม 6 ; CH 4 ; NH3; น้ำ2O; เอชเอฟ
SiH 4 ;PH 3 ; H2S; เอชซีแอล
AsH3; H2Se; ฮบ
H2Te; สวัสดี
สารประกอบเหล่านี้ทั้งหมดเป็นสารก๊าซที่อุณหภูมิห้อง ยกเว้นน้ำ จึงมีชื่อเรียกว่า "ไฮไดรด์ระเหย"
องค์ประกอบบางส่วนที่ก่อให้เกิดอโลหะยังพบได้ในไฮไดรด์ที่ซับซ้อนกว่าด้วย ตัวอย่างเช่น คาร์บอนก่อตัวเป็นสารประกอบด้วยสูตรทั่วไป C nเอช 2 n+2 , ซี nเอช 2 n, ค nเอช 2 n–2 และอื่น ๆ ที่ไหน nอาจมีขนาดใหญ่มาก (สารประกอบเหล่านี้ศึกษาในเคมีอินทรีย์)
ไอออนิกไฮไดรด์ประกอบด้วยไฮไดรด์ของธาตุอัลคาไล ธาตุอัลคาไลน์เอิร์ธ และแมกนีเซียม ผลึกของไฮไดรด์เหล่านี้ประกอบด้วยแอนไอออน H และไอออนบวกของโลหะในสถานะออกซิเดชันสูงสุด Me หรือ Me 2 (ขึ้นอยู่กับกลุ่มของระบบองค์ประกอบ)
| LiH | |
| NaH | มก.2 |
| เคเอช | CaH2 |
| อาร์บีเอช | ซีอาร์เอช 2 |
| ซีเอสเอช | บาห์ 2 |
ทั้งไอออนิกและโมเลกุลไฮไดรด์เกือบทั้งหมด (ยกเว้น H 2 O และ HF) เป็นตัวรีดิวซ์ แต่ไอออนิกไฮไดรด์แสดงคุณสมบัติการลดแรงกว่าโมเลกุลมาก
นอกจากไฮไดรด์แล้ว ไฮโดรเจนยังเป็นส่วนหนึ่งของไฮดรอกไซด์และเกลือบางชนิดอีกด้วย คุณจะคุ้นเคยกับคุณสมบัติของสารประกอบไฮโดรเจนที่ซับซ้อนมากขึ้นเหล่านี้ในบทต่อไปนี้
ผู้บริโภคหลักของไฮโดรเจนที่ผลิตในอุตสาหกรรมคือพืชสำหรับผลิตแอมโมเนียและปุ๋ยไนโตรเจน โดยที่แอมโมเนียได้โดยตรงจากไนโตรเจนและไฮโดรเจน:
ไม่มี 2 +3H 2 2NH 3 ( ร, ที, Pt – ตัวเร่งปฏิกิริยา)
ไฮโดรเจนถูกใช้ในปริมาณมากเพื่อผลิตเมทิลแอลกอฮอล์ (เมทานอล) โดยปฏิกิริยา 2H 2 + CO = CH 3 OH ( ที, ZnO – ตัวเร่งปฏิกิริยา) เช่นเดียวกับในการผลิตไฮโดรเจนคลอไรด์ซึ่งได้โดยตรงจากคลอรีนและไฮโดรเจน:
H 2 + Cl 2 = 2HCl
บางครั้งไฮโดรเจนถูกใช้ในโลหะวิทยาเป็นตัวรีดิวซ์ในการผลิตโลหะบริสุทธิ์เช่น Fe 2 O 3 + 3H 2 = 2Fe + 3H 2 O
1. นิวเคลียสของ a) โปรเทียม, ข) ดิวทีเรียม, ค) ไอโซโทปประกอบด้วยอนุภาคอะไรบ้าง?
2.เปรียบเทียบพลังงานไอออไนเซชันของอะตอมไฮโดรเจนกับพลังงานไอออไนเซชันของอะตอมขององค์ประกอบอื่นๆ ธาตุใดมีไฮโดรเจนใกล้เคียงที่สุดในแง่ของคุณลักษณะนี้
3. ทำเช่นเดียวกันกับพลังงานสัมพรรคภาพของอิเล็กตรอน
4. เปรียบเทียบทิศทางของโพลาไรเซชันของพันธะโควาเลนต์และระดับของการเกิดออกซิเดชันของไฮโดรเจนในสารประกอบ: a) BeH 2, CH 4, NH 3, H 2 O, HF; ข) CH 4, SiH 4, GeH 4
5. เขียนสูตรไฮโดรเจนเชิงโมเลกุล โครงสร้าง และเชิงพื้นที่ที่ง่ายที่สุด อันไหนที่ใช้บ่อยที่สุด?
6. พวกเขามักพูดว่า: “ไฮโดรเจนเบากว่าอากาศ” สิ่งนี้หมายความว่า? ในกรณีใดบ้างที่นิพจน์นี้สามารถนำไปใช้ตามตัวอักษรได้ และในกรณีใดที่ไม่สามารถใช้นิพจน์นี้ได้
7. สร้างสูตรโครงสร้างของโพแทสเซียมและแคลเซียมไฮไดรด์ รวมถึงแอมโมเนีย ไฮโดรเจนซัลไฟด์ และไฮโดรเจนโบรไมด์
8. ทราบความร้อนของโมลของการหลอมและการระเหยของไฮโดรเจนให้กำหนดค่าของปริมาณเฉพาะที่สอดคล้องกัน
9.สำหรับแต่ละปฏิกิริยาทั้งสี่ที่แสดงให้เห็นหลัก คุณสมบัติทางเคมีไฮโดรเจนสร้างความสมดุลของอิเล็กตรอน ติดฉลากสารออกซิไดซ์และตัวรีดิวซ์
10. หามวลของสังกะสีที่จำเป็นในการผลิตไฮโดรเจน 4.48 ลิตรโดยวิธีห้องปฏิบัติการ
11. กำหนดมวลและปริมาตรของไฮโดรเจนที่สามารถหาได้จากส่วนผสมของมีเทนและไอน้ำ 30 ลบ.ม. ในอัตราส่วนปริมาตร 1:2 โดยมีอัตราผลตอบแทน 80%
12. สร้างสมการสำหรับปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นระหว่างปฏิกิริยาของไฮโดรเจน a) กับฟลูออรีน b) กับกำมะถัน
13. รูปแบบปฏิกิริยาด้านล่างแสดงคุณสมบัติทางเคมีพื้นฐานของไอออนิกไฮไดรด์:
ก) MH + O 2 MOH ( ที); b) MH + Cl 2 MCl + HCl ( ที);
ค) MH + H 2 O MOH + H 2 ; ง) MH + HCl(p) MCl + H 2
โดยที่ M คือลิเธียม โซเดียม โพแทสเซียม รูบิเดียม หรือซีเซียม เขียนสมการของปฏิกิริยาที่สอดคล้องกันถ้า M คือโซเดียม แสดงคุณสมบัติทางเคมีของแคลเซียมไฮไดรด์โดยใช้สมการปฏิกิริยา
14. ใช้วิธีสมดุลอิเล็กตรอน สร้างสมการสำหรับปฏิกิริยาต่อไปนี้ซึ่งแสดงคุณสมบัติรีดิวซ์ของโมเลกุลไฮไดรด์บางชนิด:
ก) HI + Cl 2 HCl + I 2 ( ที); ข) NH 3 + O 2 H 2 O + N 2 ( ที); ค) CH 4 + O 2 H 2 O + CO 2 ( ที).
10.2 ออกซิเจน
เช่นเดียวกับไฮโดรเจน คำว่า "ออกซิเจน" เป็นชื่อของทั้งองค์ประกอบทางเคมีและ สารง่ายๆ. นอกจากเรื่องง่ายๆ" ออกซิเจน"(ไดออกซิเจน) องค์ประกอบทางเคมี ออกซิเจน เกิดเป็นสารธรรมดาอีกชนิดหนึ่งที่เรียกว่า " โอโซน"(ไตรออกซิเจน) นี้ การปรับเปลี่ยนแบบ allotropicออกซิเจน สารออกซิเจนประกอบด้วยโมเลกุลออกซิเจน O 2 และสารโอโซนประกอบด้วยโมเลกุลโอโซน O 3
ก) ออกซิเจนองค์ประกอบทางเคมี
ในชุดธาตุตามธรรมชาติ หมายเลขซีเรียลของออกซิเจนคือ 8 ในระบบองค์ประกอบ ออกซิเจนอยู่ในคาบที่ 2 ในกลุ่ม VIA
ออกซิเจนเป็นองค์ประกอบที่มีมากที่สุดในโลก ในเปลือกโลก ทุกวินาทีอะตอมคืออะตอมออกซิเจน กล่าวคือ เศษส่วนโมลของออกซิเจนในชั้นบรรยากาศ ไฮโดรสเฟียร์ และเปลือกโลกมีประมาณ 50% ออกซิเจน (สาร) – ส่วนประกอบอากาศ. สัดส่วนปริมาตรของออกซิเจนในอากาศคือ 21% ออกซิเจน (ธาตุ) พบได้ในน้ำ แร่ธาตุหลายชนิด พืชและสัตว์ ร่างกายมนุษย์มีออกซิเจนโดยเฉลี่ย 43 กิโลกรัม
ออกซิเจนธรรมชาติประกอบด้วยไอโซโทป 3 ชนิด (16 O, 17 O และ 18 O) โดยไอโซโทปที่เบาที่สุด 16 O เป็นไอโซโทปที่พบบ่อยที่สุด ดังนั้น มวลอะตอมของออกซิเจนจึงใกล้เคียงกับ 16 Dn (15.9994 Dn)
b) อะตอมออกซิเจน
คุณรู้คุณลักษณะต่อไปนี้ของอะตอมออกซิเจน
ตารางที่ 29.ความเป็นไปได้ของเวเลนซ์ของอะตอมออกซิเจน
รัฐวาเลนซ์ |
ตัวอย่างสารเคมี |
|||
อัล 2 โอ 3 , เฟ 2 โอ 3 , Cr 2 O 3 * |
||||
–II |
H 2 O, SO 2, SO 3, CO 2, SiO 2, H 2 SO 4, HNO 2, HClO 4, COCl 2, H 2 O 2 |
|||
NaOH, KOH, Ca(OH) 2, Ba(OH) 2 |
||||
Li 2 O, นา 2 O, MgO, CaO, BaO, FeO, ลา 2 O 3 |
* ออกไซด์เหล่านี้ถือได้ว่าเป็นสารประกอบไอออนิกด้วย
** อะตอมออกซิเจนในโมเลกุลไม่อยู่ในสถานะเวเลนซ์นี้ นี่เป็นเพียงตัวอย่างของสารที่มีสถานะออกซิเดชันของอะตอมออกซิเจนเท่ากับศูนย์
พลังงานไอออไนเซชันสูง (เช่นเดียวกับไฮโดรเจน) จะป้องกันการก่อตัวของไอออนบวกอย่างง่ายจากอะตอมออกซิเจน พลังงานอัฟฟินิตี้ของอิเล็กตรอนค่อนข้างสูง (เกือบสองเท่าของไฮโดรเจน) ซึ่งมีแนวโน้มที่อะตอมออกซิเจนจะได้รับอิเล็กตรอนมากขึ้นและมีความสามารถในการสร้างแอนไอออนของ O 2A แต่พลังงานสัมพรรคภาพของอิเล็กตรอนของอะตอมออกซิเจนยังคงต่ำกว่าพลังงานของอะตอมฮาโลเจนและแม้แต่องค์ประกอบอื่นๆ ของกลุ่ม VIA ดังนั้น ออกซิเจนแอนไอออน ( ไอออนออกไซด์) มีอยู่เฉพาะในสารประกอบของออกซิเจนกับธาตุที่อะตอมให้อิเล็กตรอนได้ง่ายมาก
อะตอมออกซิเจนจะสามารถสร้างพันธะโควาเลนต์ได้ 2 พันธะโดยการแบ่งปันอิเล็กตรอนที่ไม่ได้รับการจับคู่ 2 ตัว อิเล็กตรอนคู่เดียวสองคู่เนื่องจากไม่สามารถกระตุ้นได้จึงสามารถเข้าสู่ปฏิกิริยาระหว่างผู้บริจาคกับผู้รับเท่านั้น ดังนั้น โดยไม่คำนึงถึงความหลากหลายของพันธะและไฮบริไดเซชัน อะตอมของออกซิเจนสามารถอยู่ในสถานะวาเลนซ์หนึ่งในห้าสถานะ (ตารางที่ 29)
สถานะเวเลนซ์โดยทั่วไปสำหรับอะตอมออกซิเจนคือ ว k = 2 นั่นคือการก่อตัวของพันธะโควาเลนต์สองตัวเนื่องจากอิเล็กตรอนสองตัวที่ไม่มีการจับคู่
อิเล็กโตรเนกาติวีตี้ที่สูงมากของอะตอมออกซิเจน (สูงกว่าสำหรับฟลูออรีนเท่านั้น) นำไปสู่ความจริงที่ว่าออกซิเจนในสารประกอบส่วนใหญ่มีสถานะออกซิเดชันเป็น –II มีสารที่ออกซิเจนแสดงสถานะออกซิเดชันอื่นๆ บางส่วนแสดงไว้ในตารางที่ 29 เป็นตัวอย่าง และความเสถียรเชิงเปรียบเทียบแสดงไว้ในรูปที่ 1 10.3.
c) โมเลกุลออกซิเจน
ได้รับการยืนยันจากการทดลองแล้วว่าโมเลกุลออกซิเจนไดอะตอมมิก O 2 มีอิเล็กตรอนสองตัวที่ไม่มีการจับคู่ เมื่อใช้วิธีการพันธะวาเลนซ์ โครงสร้างทางอิเล็กทรอนิกส์ของโมเลกุลนี้ไม่สามารถอธิบายได้ อย่างไรก็ตามพันธะในโมเลกุลออกซิเจนนั้นมีคุณสมบัติใกล้เคียงกับโควาเลนต์ โมเลกุลออกซิเจนไม่มีขั้ว ระยะห่างระหว่างอะตอม ( ร o–o = 1.21 A = 121 nm) น้อยกว่าระยะห่างระหว่างอะตอมที่เชื่อมต่อกันด้วยพันธะเดี่ยว พลังงานยึดเหนี่ยวของฟันกรามค่อนข้างสูงและมีค่าเท่ากับ 498 kJ/mol
d) ออกซิเจน (สาร)
ภายใต้สภาวะปกติ ออกซิเจนจะเป็นก๊าซไม่มีสีและไม่มีกลิ่น ออกซิเจนแข็งละลายที่ 55 K (–218 °C) และออกซิเจนเหลวเดือดที่ 90 K (–183 °C)
พันธะระหว่างโมเลกุลในออกซิเจนที่เป็นของแข็งและของเหลวค่อนข้างจะแรงกว่าไฮโดรเจน ดังที่เห็นได้จากช่วงอุณหภูมิที่มากกว่าของการดำรงอยู่ของออกซิเจนเหลว (36 °C) และความร้อนของโมลาร์ฟิวชันที่มากกว่า (0.446 กิโลจูล/โมล) และการกลายเป็นไอ (6.83 กิโลจูล) /โมล)
ออกซิเจนละลายได้ในน้ำเล็กน้อย: ที่ 0 °C ออกซิเจน (แก๊ส!) เพียง 5 ปริมาตรจะละลายในน้ำ (ของเหลว!) 100 ปริมาตร
อะตอมออกซิเจนมีแนวโน้มสูงที่จะรับอิเล็กตรอนและอิเล็กโตรเนกาติวีตี้สูงนำไปสู่ความจริงที่ว่าออกซิเจนแสดงเฉพาะคุณสมบัติออกซิไดซ์เท่านั้น คุณสมบัติเหล่านี้เด่นชัดเป็นพิเศษที่อุณหภูมิสูง
ออกซิเจนทำปฏิกิริยากับโลหะหลายชนิด: 2Ca + O 2 = 2CaO, 3Fe + 2O 2 = Fe 3 O 4 ( ที);
อโลหะ: C + O 2 = CO 2, P 4 + 5O 2 = P 4 O 10,
และสารเชิงซ้อน: CH 4 + 2O 2 = CO 2 + 2H 2 O, 2H 2 S + 3O 2 = 2H 2 O + 2SO 2
บ่อยครั้งเป็นผลมาจากปฏิกิริยาดังกล่าวทำให้ได้รับออกไซด์ต่างๆ (ดูบทที่ II § 5) แต่โลหะอัลคาไลที่ใช้งานอยู่เช่นโซเดียมเมื่อถูกเผาจะกลายเป็นเปอร์ออกไซด์:
2นา + โอ 2 = นา 2 โอ 2
สูตรโครงสร้างของโซเดียมเปอร์ออกไซด์ที่ได้คือ (Na) 2 (O-O)
เสี้ยนที่คุกรุ่นอยู่ในออกซิเจนจะลุกเป็นไฟ นี่เป็นวิธีที่สะดวกและง่ายดายในการตรวจจับออกซิเจนบริสุทธิ์
ในอุตสาหกรรม ออกซิเจนได้มาจากอากาศโดยการแก้ไข (การกลั่นแบบซับซ้อน) และในห้องปฏิบัติการ - โดยการทำให้สารประกอบที่มีออกซิเจนบางชนิดสลายตัวด้วยความร้อน ตัวอย่างเช่น:
2KMnO 4 = K 2 MnO 4 + MnO 2 + O 2 (200 °C);
2KClO 3 = 2KCl + 3O 2 (150 °C, MnO 2 – ตัวเร่งปฏิกิริยา);
2KNO 3 = 2KNO 2 + 3O 2 (400 °C)
และนอกจากนี้โดยการสลายตัวของตัวเร่งปฏิกิริยาของไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์ที่อุณหภูมิห้อง: 2H 2 O 2 = 2H 2 O + O 2 (ตัวเร่งปฏิกิริยา MnO 2)
ออกซิเจนบริสุทธิ์ถูกนำมาใช้ในอุตสาหกรรมเพื่อเพิ่มความเข้มข้นของกระบวนการที่เกิดออกซิเดชันและเพื่อสร้างเปลวไฟที่มีอุณหภูมิสูง ในเทคโนโลยีจรวด ออกซิเจนเหลวจะถูกใช้เป็นตัวออกซิไดเซอร์
ออกซิเจนมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการดำรงชีวิตของพืช สัตว์ และมนุษย์ ภายใต้สภาวะปกติ บุคคลจะมีออกซิเจนในอากาศเพียงพอสำหรับการหายใจ แต่ในสภาวะที่มีอากาศไม่เพียงพอหรือไม่มีอากาศเลย (ในเครื่องบิน ระหว่างทำงานดำน้ำ ใน ยานอวกาศฯลฯ) มีการเตรียมส่วนผสมของก๊าซพิเศษที่มีออกซิเจนสำหรับการหายใจ ออกซิเจนยังใช้ในการรักษาโรคที่ทำให้หายใจลำบากอีกด้วย
จ) โอโซนและโมเลกุลของมัน
โอโซน O 3 เป็นการดัดแปลงออกซิเจนแบบ allotropic ครั้งที่สอง
โมเลกุลโอโซนแบบไตรอะตอมมีโครงสร้างมุมที่อยู่ตรงกลางระหว่างโครงสร้างทั้งสองที่แสดงโดยสูตรต่อไปนี้:
โอโซนเป็นก๊าซสีน้ำเงินเข้มที่มีกลิ่นฉุน เนื่องจากมีฤทธิ์ออกซิไดซ์อย่างแรงจึงเป็นพิษ โอโซนนั้น "หนัก" มากกว่าออกซิเจนถึงหนึ่งเท่าครึ่งและละลายในน้ำได้ดีกว่าออกซิเจนเล็กน้อย
โอโซนเกิดขึ้นในบรรยากาศจากออกซิเจนระหว่างการปล่อยกระแสไฟฟ้าฟ้าผ่า:
3O 2 = 2O 3 ()
ที่อุณหภูมิปกติ โอโซนจะค่อยๆ เปลี่ยนเป็นออกซิเจน และเมื่อได้รับความร้อน กระบวนการนี้จะเกิดการระเบิด
โอโซนบรรจุอยู่ในชั้นที่เรียกว่า “ชั้นโอโซน” ชั้นบรรยากาศของโลกปกป้องทุกชีวิตบนโลกจาก ผลกระทบที่เป็นอันตรายรังสีแสงอาทิตย์
ในบางเมือง มีการใช้โอโซนแทนคลอรีนเพื่อฆ่าเชื้อ (ฆ่าเชื้อ) น้ำดื่ม
วาดสูตรโครงสร้างของสารต่อไปนี้: OF 2, H 2 O, H 2 O 2, H 3 PO 4, (H 3 O) 2 SO 4, BaO, BaO 2, Ba(OH) 2 ตั้งชื่อสารเหล่านี้ อธิบายสถานะเวเลนซ์ของอะตอมออกซิเจนในสารประกอบเหล่านี้
กำหนดวาเลนซ์และสถานะออกซิเดชันของอะตอมออกซิเจนแต่ละอะตอม
2. สร้างสมการสำหรับปฏิกิริยาการเผาไหม้ของลิเธียม แมกนีเซียม อลูมิเนียม ซิลิคอน ฟอสฟอรัสแดง และซีลีเนียมในออกซิเจน (อะตอมของซีลีเนียมจะถูกออกซิไดซ์เป็นสถานะออกซิเดชัน +IV อะตอมขององค์ประกอบอื่น ๆ จะถูกออกซิไดซ์จนมีสถานะออกซิเดชันสูงสุด) ผลิตภัณฑ์ของปฏิกิริยาเหล่านี้จัดอยู่ในประเภทออกไซด์ใด?
3. สามารถรับโอโซนได้กี่ลิตร (ภายใต้สภาวะปกติ) ก) จากออกซิเจน 9 ลิตร b) จากออกซิเจน 8 กรัม
น้ำเป็นสสารที่มีมากที่สุดในเปลือกโลก มวลน้ำของโลกอยู่ที่ประมาณ 10 18 ตัน น้ำเป็นพื้นฐานของไฮโดรสเฟียร์ของโลกของเรา นอกจากนี้ยังมีอยู่ในชั้นบรรยากาศ ในรูปของน้ำแข็ง ก่อตัวเป็นแผ่นขั้วโลกและธารน้ำแข็งบนภูเขาสูง และยังเป็นส่วนหนึ่งของหินต่างๆ ด้วย สัดส่วนมวลของน้ำในร่างกายมนุษย์มีประมาณ 70%
น้ำเป็นสารชนิดเดียวที่มีชื่อพิเศษเป็นของตัวเองในสถานะการรวมตัวทั้งสามสถานะ
โครงสร้างอิเล็กทรอนิกส์ของโมเลกุลน้ำ (รูปที่ 10.4 ก) เราศึกษารายละเอียดก่อนหน้านี้ (ดูมาตรา 7.10)
เนื่องจากขั้วของพันธะ O–H และรูปร่างเชิงมุม โมเลกุลของน้ำจึงเป็นเช่นนี้ ไดโพลไฟฟ้า.
เพื่อระบุลักษณะขั้วของไดโพลไฟฟ้า ปริมาณทางกายภาพที่เรียกว่า " โมเมนต์ไฟฟ้าของไดโพลไฟฟ้า"หรือเพียงแค่ " โมเมนต์ไดโพล".
ในทางเคมี โมเมนต์ไดโพลมีหน่วยเป็นเดบาย: 1 D = 3.34 ชั้น 10 – 30 ม
ในโมเลกุลของน้ำจะมีพันธะโควาเลนต์มีขั้วอยู่ 2 พันธะ กล่าวคือ ไดโพลไฟฟ้า 2 ไดโพล ซึ่งแต่ละพันธะมีโมเมนต์ไดโพลของตัวเอง ( และ ) โมเมนต์ไดโพลรวมของโมเลกุลเท่ากับผลรวมเวกเตอร์ของสองโมเมนต์นี้ (รูปที่ 10.5):
(เอช 2 โอ) = 
,
ที่ไหน ถาม 1 และ ถาม 2 – ประจุบางส่วน (+) บนอะตอมไฮโดรเจน และ – ระยะห่างระหว่างอะตอม O – H ในโมเลกุล เพราะ ถาม 1 = ถาม 2 = ถามและจากนั้น
โมเมนต์ไดโพลที่กำหนดโดยการทดลองของโมเลกุลน้ำและโมเลกุลอื่นๆ แสดงไว้ในตาราง
ตารางที่ 30.โมเมนต์ไดโพลของโมเลกุลขั้วโลกบางชนิด
โมเลกุล |
โมเลกุล |
โมเลกุล |
|||
เมื่อพิจารณาถึงลักษณะไดโพลของโมเลกุลของน้ำ ก็มักจะแสดงแผนผังได้ดังนี้
น้ำบริสุทธิ์เป็นของเหลวไม่มีสีไม่มีรสหรือกลิ่น ตารางแสดงลักษณะทางกายภาพพื้นฐานบางประการของน้ำ
ตารางที่ 31.ลักษณะทางกายภาพบางประการของน้ำ
ค่าขนาดใหญ่ของความร้อนโมลาร์ของการหลอมและการกลายเป็นไอ (ลำดับความสำคัญที่มากกว่าของไฮโดรเจนและออกซิเจน) บ่งชี้ว่าโมเลกุลของน้ำทั้งในของแข็งและของเหลวนั้นค่อนข้างจะผูกพันกันอย่างแน่นหนา การเชื่อมต่อเหล่านี้เรียกว่า " พันธะไฮโดรเจน".
ไดโพลไฟฟ้า, โมเมนต์ไดโพล, ขั้วพันธะ, ขั้วโมเลกุล
อะตอมออกซิเจนมีเวเลนซ์อิเล็กตรอนกี่ตัวที่มีส่วนร่วมในการก่อตัวของพันธะในโมเลกุลของน้ำ?
2. เมื่อวงโคจรใดทับซ้อนกัน พันธะจะเกิดขึ้นระหว่างไฮโดรเจนและออกซิเจนในโมเลกุลของน้ำ
3.สร้างแผนภาพแสดงการเกิดพันธะในโมเลกุลของไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์ H 2 O 2 คุณจะพูดอะไรเกี่ยวกับโครงสร้างเชิงพื้นที่ของโมเลกุลนี้ได้บ้าง?
4. ระยะห่างระหว่างอะตอมในโมเลกุล HF, HCl และ HBr เท่ากับ 0.92 ตามลำดับ 1.28 และ 1.41 ใช้ตารางโมเมนต์ไดโพลในการคำนวณและเปรียบเทียบประจุบางส่วนของอะตอมไฮโดรเจนในโมเลกุลเหล่านี้
5. ระยะห่างระหว่างอะตอม S - H ในโมเลกุลไฮโดรเจนซัลไฟด์คือ 1.34 และมุมระหว่างพันธะคือ 92° กำหนดค่าของประจุบางส่วนของอะตอมกำมะถันและไฮโดรเจน คุณจะพูดอะไรเกี่ยวกับการผสมพันธุ์ของเวเลนซ์ออร์บิทัลของอะตอมกำมะถัน?
10.4. พันธะไฮโดรเจน
ดังที่คุณทราบอยู่แล้วเนื่องจากความแตกต่างอย่างมีนัยสำคัญทางอิเล็กโตรเนกาติวีตี้ของไฮโดรเจนและออกซิเจน (2.10 และ 3.50) อะตอมไฮโดรเจนในโมเลกุลของน้ำจึงได้รับประจุบางส่วนที่เป็นบวกจำนวนมาก ( ถามชั่วโมง = 0.33 จ) และอะตอมของออกซิเจนมีประจุบางส่วนเป็นลบมากกว่า ( ถามชั่วโมง = –0.66 จ). โปรดจำไว้ว่าอะตอมออกซิเจนมีอิเล็กตรอนคู่เดียวสองคู่ต่อ เอสพี 3-ไฮบริด AO อะตอมไฮโดรเจนของโมเลกุลน้ำหนึ่งถูกดึงดูดเข้ากับอะตอมออกซิเจนของอีกโมเลกุลหนึ่ง และนอกจากนี้ 1s-AO ที่ว่างเปล่าครึ่งหนึ่งของอะตอมไฮโดรเจนยังยอมรับอิเล็กตรอนคู่ของอะตอมออกซิเจนบางส่วนอีกด้วย อันเป็นผลมาจากปฏิสัมพันธ์ระหว่างโมเลกุลเหล่านี้ ก ชนิดพิเศษพันธะระหว่างโมเลกุล - พันธะไฮโดรเจน
ในกรณีของน้ำ การสร้างพันธะไฮโดรเจนสามารถแสดงได้เป็นแผนผังดังนี้
ในสูตรโครงสร้างสุดท้าย จุดสามจุด (เส้นประ ไม่ใช่อิเล็กตรอน!) บ่งบอกถึงพันธะไฮโดรเจน
พันธะไฮโดรเจนไม่เพียงเกิดขึ้นระหว่างโมเลกุลของน้ำเท่านั้น มันถูกสร้างขึ้นหากตรงตามเงื่อนไขสองประการ:
1) โมเลกุลมีพันธะ H–E ที่มีขั้วสูง (E เป็นสัญลักษณ์ของอะตอมขององค์ประกอบที่มีอิเล็กโทรเนกาติตีค่อนข้างมาก)
2) โมเลกุลประกอบด้วยอะตอม E ที่มีประจุลบบางส่วนขนาดใหญ่และมีอิเล็กตรอนคู่เดียว
ธาตุ E อาจเป็นฟลูออรีน ออกซิเจน และไนโตรเจน พันธะไฮโดรเจนจะอ่อนลงอย่างมากหาก E คือคลอรีนหรือซัลเฟอร์
ตัวอย่างของสารที่มีพันธะไฮโดรเจนระหว่างโมเลกุล: ไฮโดรเจนฟลูออไรด์ แอมโมเนียที่เป็นของแข็งหรือของเหลว เอทิลแอลกอฮอล์ และอื่นๆ อีกมากมาย
ในไฮโดรเจนฟลูออไรด์เหลว โมเลกุลของมันถูกเชื่อมโยงกันด้วยพันธะไฮโดรเจนให้เป็นสายโซ่ยาวพอสมควร และเกิดเครือข่ายสามมิติในแอมโมเนียของเหลวและของแข็ง
ความแข็งแรงของพันธะไฮโดรเจนอยู่ระหว่างกลาง พันธะเคมีและพันธะระหว่างโมเลกุลประเภทอื่นๆ พลังงานโมลของพันธะไฮโดรเจนมักจะอยู่ในช่วง 5 ถึง 50 กิโลจูล/โมล
ในน้ำที่เป็นของแข็ง (เช่น ผลึกน้ำแข็ง) อะตอมของไฮโดรเจนทั้งหมดจะถูกพันธะไฮโดรเจนกับอะตอมของออกซิเจน โดยอะตอมของออกซิเจนแต่ละอะตอมจะสร้างพันธะไฮโดรเจน 2 พันธะ (โดยใช้อิเล็กตรอนคู่เดียวทั้งสองคู่) โครงสร้างนี้ทำให้น้ำแข็ง "หลวม" มากขึ้นเมื่อเทียบกับน้ำของเหลว ซึ่งพันธะไฮโดรเจนบางส่วนถูกทำลาย และโมเลกุลสามารถ "อัดแน่น" แน่นขึ้นเล็กน้อย คุณลักษณะของโครงสร้างของน้ำแข็งนี้อธิบายว่าทำไมน้ำในสถานะของแข็งจึงมีความหนาแน่นต่ำกว่าในสถานะของเหลว ซึ่งต่างจากสสารอื่นๆ ส่วนใหญ่ น้ำมีความหนาแน่นสูงสุดที่ 4 °C ที่อุณหภูมินี้พันธะไฮโดรเจนค่อนข้างมากจะถูกทำลาย และการขยายตัวทางความร้อนยังไม่ส่งผลกระทบที่รุนแรงต่อความหนาแน่นมากนัก
พันธะไฮโดรเจนมีความสำคัญมากในชีวิตของเรา ลองจินตนาการสักครู่ว่าพันธะไฮโดรเจนหยุดสร้างแล้ว นี่คือผลที่ตามมาบางประการ:
- น้ำที่อุณหภูมิห้องจะกลายเป็นก๊าซเนื่องจากจุดเดือดจะลดลงเหลือประมาณ -80 °C;
- แหล่งน้ำทั้งหมดจะเริ่มแข็งตัวจากด้านล่าง เนื่องจากความหนาแน่นของน้ำแข็งจะมากกว่าความหนาแน่นของน้ำของเหลว
- เกลียวคู่ของ DNA และอีกมากมายจะยุติลง
ตัวอย่างที่ให้มาก็เพียงพอที่จะเข้าใจว่าในกรณีนี้ธรรมชาติบนโลกของเราจะแตกต่างไปจากเดิมอย่างสิ้นเชิง
พันธะไฮโดรเจน สภาวะของการก่อตัว
สูตรเอทิลแอลกอฮอล์คือ CH 3 – CH 2 – O – H พันธะไฮโดรเจนเกิดขึ้นระหว่างอะตอมของโมเลกุลต่างๆ ของสารนี้ เขียนสูตรโครงสร้างที่แสดงถึงการก่อตัว
2. พันธะไฮโดรเจนไม่เพียงมีอยู่ในสารแต่ละชนิดเท่านั้น แต่ยังอยู่ในสารละลายด้วย แสดงด้วย สูตรโครงสร้างพันธะไฮโดรเจนเกิดขึ้นได้อย่างไร สารละลายที่เป็นน้ำก) แอมโมเนีย b) ไฮโดรเจนฟลูออไรด์ c) เอทานอล (เอทิลแอลกอฮอล์) = 2H 2 โอ
ปฏิกิริยาทั้งสองนี้เกิดขึ้นในน้ำอย่างต่อเนื่องและด้วยความเร็วเท่ากัน ดังนั้นจึงมีความสมดุลในน้ำ: 2H 2 O AN 3 O + OH
ความสมดุลนี้เรียกว่า ความสมดุลของกระบวนการอัตโนมัติน้ำ.
ปฏิกิริยาโดยตรงของกระบวนการที่สามารถย้อนกลับได้นี้คือการดูดความร้อนดังนั้นเมื่อถูกความร้อน autoprotolysis จะเพิ่มขึ้น แต่ที่อุณหภูมิห้องสมดุลจะถูกเลื่อนไปทางซ้ายนั่นคือความเข้มข้นของไอออน H 3 O และ OH นั้นเล็กน้อย พวกมันเท่ากับอะไร?
ตามกฎแห่งการกระทำมวลชน
แต่เนื่องจากจำนวนโมเลกุลของน้ำที่ทำปฏิกิริยานั้นไม่มีนัยสำคัญเมื่อเทียบกับจำนวนโมเลกุลของน้ำทั้งหมด เราจึงสามารถสรุปได้ว่าความเข้มข้นของน้ำในระหว่างการสลายโปรตีนอัตโนมัติจะไม่เปลี่ยนแปลง และ 2 = const มีความเข้มข้นต่ำของไอออนที่มีประจุตรงข้ามกัน น้ำสะอาดอธิบายว่าทำไมของเหลวนี้ถึงแม้จะไม่ดี แต่ก็ยังนำกระแสไฟฟ้าได้
การแยกสลายอัตโนมัติของน้ำ ค่าคงที่ของการแยกสลายอัตโนมัติของน้ำ (ผลิตภัณฑ์ไอออนิก)
ผลิตภัณฑ์ไอออนิกของแอมโมเนียเหลว (จุดเดือด –33 °C) คือ 2·10 –28 เขียนสมการการแยกสลายอัตโนมัติของแอมโมเนีย กำหนดความเข้มข้นของแอมโมเนียมไอออนในแอมโมเนียเหลวบริสุทธิ์ สารใดมีค่าการนำไฟฟ้ามากกว่า แอมโมเนียในน้ำหรือของเหลว
1. การผลิตไฮโดรเจนและการเผาไหม้ (ลดคุณสมบัติ)
2. การได้รับออกซิเจนและสารเผาไหม้ในนั้น (คุณสมบัติการออกซิไดซ์)
