คุณสมบัติทางกายภาพของไฮโดรเจน คุณสมบัติและการใช้งานของไฮโดรเจน

2024 ผู้เขียน: Angel Austin | [email protected]. แก้ไขล่าสุด: 2024-01-02 17:57

ไฮโดรเจน H เป็นองค์ประกอบทางเคมี หนึ่งในองค์ประกอบที่พบมากที่สุดในจักรวาลของเรา มวลของไฮโดรเจนเป็นองค์ประกอบในองค์ประกอบของสารคือ 75% ของเนื้อหาทั้งหมดของอะตอมของอีกประเภทหนึ่ง รวมอยู่ในการเชื่อมต่อที่สำคัญและสำคัญที่สุดในโลก - น้ำ ลักษณะเด่นของไฮโดรเจนก็คือเป็นองค์ประกอบแรกในระบบธาตุเคมีของ D. I. Mendeleev

การค้นพบและการสำรวจ

การอ้างอิงถึงไฮโดรเจนครั้งแรกในงานเขียนของ Paracelsus มีอายุย้อนไปถึงศตวรรษที่สิบหก แต่การแยกตัวออกจากส่วนผสมของก๊าซในอากาศและการศึกษาคุณสมบัติที่ติดไฟได้ถูกสร้างขึ้นในศตวรรษที่สิบเจ็ดโดยนักวิทยาศาสตร์ Lemery ไฮโดรเจนได้รับการศึกษาอย่างละเอียดโดย Henry Cavendish นักเคมี นักฟิสิกส์ และนักธรรมชาติวิทยาชาวอังกฤษ ซึ่งทดลองพิสูจน์แล้วว่ามวลของไฮโดรเจนนั้นเล็กที่สุดเมื่อเปรียบเทียบกับก๊าซชนิดอื่น ในระยะต่อมาของการพัฒนาวิทยาศาสตร์ นักวิทยาศาสตร์หลายคนได้ร่วมงานกับเขา โดยเฉพาะ Lavoisier ผู้ซึ่งเรียกเขาว่า "การให้กำเนิดน้ำ"

ลักษณะตามตำแหน่งใน PSHE

องค์ประกอบที่เปิดขึ้นตารางธาตุของ D. I. Mendeleev คือไฮโดรเจน คุณสมบัติทางกายภาพและเคมีของอะตอมแสดงความเป็นคู่เนื่องจากไฮโดรเจนถูกกำหนดให้กับกลุ่มแรกซึ่งเป็นกลุ่มย่อยหลักพร้อมกันหากทำตัวเหมือนโลหะและปล่อยอิเล็กตรอนตัวเดียวในกระบวนการของปฏิกิริยาเคมีและเพื่อ ที่เจ็ด - ในกรณีของการเติมวาเลนซ์เชลล์โดยสมบูรณ์ นั่นคือ การรับอนุภาคลบ ซึ่งมีลักษณะที่คล้ายกับฮาโลเจน

คุณสมบัติของโครงสร้างอิเล็กทรอนิกส์ขององค์ประกอบ

คุณสมบัติของอะตอมไฮโดรเจน สารเชิงซ้อนที่มันเป็นส่วนหนึ่ง และสารที่ง่ายที่สุด H₂ ถูกกำหนดโดยโครงสร้างอิเล็กตรอนของไฮโดรเจนเป็นหลัก อนุภาคมีอิเล็กตรอนหนึ่งตัวที่มี Z=(-1) ซึ่งหมุนรอบนิวเคลียสโดยมีโปรตอนหนึ่งตัวที่มีมวลหน่วยและมีประจุบวก (+1) โครงแบบอิเล็กทรอนิกส์เขียนเป็น 1s^{1 ซึ่งหมายถึงการมีอนุภาคลบหนึ่งอนุภาคใน s-orbital ตัวแรกและตัวเดียวของไฮโดรเจน}

เมื่ออิเล็กตรอนถูกถอดออกหรือแจกให้ และอะตอมของธาตุนี้มีคุณสมบัติที่เกี่ยวข้องกับโลหะ จะได้รับไอออนบวก อันที่จริง ไฮโดรเจนไอออนเป็นอนุภาคมูลฐานที่เป็นบวก ดังนั้นไฮโดรเจนที่ปราศจากอิเล็กตรอนจึงเรียกง่ายๆ ว่าโปรตอน

สมบัติทางกายภาพ

ถ้าเราอธิบายคุณสมบัติทางกายภาพของไฮโดรเจนสั้น ๆ มันจะเป็นก๊าซที่ไม่มีสีและละลายได้เล็กน้อยซึ่งมีมวลอะตอมสัมพัทธ์เท่ากับ 2 ซึ่งเบากว่าอากาศ 14.5 เท่าโดยมีอุณหภูมิการทำให้เหลวที่อุณหภูมิ -252.8 องศาเซลเซียส

คุณสามารถเห็นได้จากประสบการณ์ว่า H₂ ง่ายที่สุด เมื่อต้องการทำเช่นนี้ ก็เพียงพอแล้วที่จะเติมสารต่างๆ สามลูกด้วยสารต่างๆ - ไฮโดรเจน คาร์บอนไดออกไซด์ อากาศธรรมดา - และปล่อยสารเหล่านี้ออกจากมือไปพร้อม ๆ กัน อันที่เต็มไปด้วย CO₂ จะถึงพื้นเร็วกว่าใคร ๆ หลังจากนั้นส่วนผสมของอากาศที่พองตัวจะลงมาและอันที่มี H_{2 จะสูงขึ้นถึงเพดาน}

อนุภาคไฮโดรเจนที่มีมวลและขนาดเล็กแสดงให้เห็นถึงความสามารถในการเจาะผ่านสารต่างๆ ในตัวอย่างของลูกบอลเดียวกัน การตรวจสอบนี้ทำได้ง่าย ในอีกสองสามวัน ลูกบอลจะยุบตัว เนื่องจากแก๊สจะไหลผ่านยางได้ง่าย นอกจากนี้ ไฮโดรเจนสามารถสะสมในโครงสร้างของโลหะบางชนิด (แพลเลเดียมหรือแพลตตินั่ม) และระเหยออกมาเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น

คุณสมบัติการละลายต่ำของไฮโดรเจนถูกนำมาใช้ในห้องปฏิบัติการเพื่อแยกไฮโดรเจนออกโดยวิธีการแทนที่น้ำ คุณสมบัติทางกายภาพของไฮโดรเจน (ตารางด้านล่างประกอบด้วยพารามิเตอร์หลัก) กำหนดขอบเขตของการใช้งานและวิธีการผลิต

พารามิเตอร์ของอะตอมหรือโมเลกุลของสารอย่างง่าย	ความหมาย
มวลอะตอม (มวลโมลาร์)	1.008 ก./โมล
การกำหนดค่าแบบอิเล็กทรอนิกส์	1s¹
ตะแกรงคริสตัล	หกเหลี่ยม
การนำความร้อน	(300 K) 0.1815 W/(m K)
ความหนาแน่นที่น. y.	0, 08987 g/l
จุดเดือด	-252, 76 °C
ค่าความร้อนจำเพาะ	120, 9 10^{6 J/kg}
จุดหลอมเหลว	-259, 2 °C
ความสามารถในการละลายน้ำ	18, 8ml/L

องค์ประกอบไอโซโทป

เช่นเดียวกับตัวแทนอื่นๆ ของระบบธาตุเคมีเป็นระยะ ไฮโดรเจนมีไอโซโทปธรรมชาติหลายชนิด กล่าวคือ อะตอมที่มีจำนวนโปรตอนเท่ากันในนิวเคลียส แต่มีนิวตรอนจำนวนต่างกัน - อนุภาคที่มีประจุเป็นศูนย์และหน่วย มวล. ตัวอย่างของอะตอมที่มีคุณสมบัตินี้ ได้แก่ ออกซิเจน คาร์บอน คลอรีน โบรมีน และอื่นๆ รวมทั้งอะตอมกัมมันตภาพรังสี

คุณสมบัติทางกายภาพของไฮโดรเจน ¹H ซึ่งเป็นตัวแทนที่พบบ่อยที่สุดของกลุ่มนี้ แตกต่างอย่างมีนัยสำคัญจากลักษณะเดียวกันของคู่กัน โดยเฉพาะอย่างยิ่ง ลักษณะของสารที่รวมอยู่ในนั้นแตกต่างกัน ดังนั้นจึงมีน้ำธรรมดาและน้ำดิวเทอเรียมซึ่งมีอยู่ในองค์ประกอบของมันแทนที่จะเป็นอะตอมไฮโดรเจนที่มีโปรตอนเพียงตัวเดียว ดิวเทอเรียม ²H - ไอโซโทปที่มีอนุภาคมูลฐานสองอนุภาค: บวกและไม่มีประจุ ไอโซโทปนี้หนักเป็นสองเท่าของไฮโดรเจนธรรมดา ซึ่งอธิบายความแตกต่างพื้นฐานในคุณสมบัติของสารประกอบที่ประกอบขึ้นเป็น โดยธรรมชาติแล้ว ดิวเทอเรียมนั้นหายากกว่าไฮโดรเจนถึง 3200 เท่า ตัวแทนที่สามคือไอโซโทป ^{3Н ในนิวเคลียสมีนิวตรอนสองตัวและโปรตอนหนึ่งตัว}

วิธีการรับและเลือก

วิธีการผลิตไฮโดรเจนในห้องปฏิบัติการและทางอุตสาหกรรมนั้นแตกต่างกันมาก ใช่ในปริมาณน้อยก๊าซส่วนใหญ่เกิดจากปฏิกิริยาที่เกี่ยวข้องกับแร่ธาตุ ในขณะที่การผลิตขนาดใหญ่ใช้การสังเคราะห์สารอินทรีย์ในระดับที่มากขึ้น

ปฏิกิริยาเคมีต่อไปนี้ถูกใช้ในห้องปฏิบัติการ:

ปฏิกิริยาของโลหะอัลคาไลและโลหะอัลคาไลน์เอิร์ทกับน้ำเพื่อสร้างอัลคาไลและก๊าซที่ต้องการ

อิเล็กโทรไลซิสของสารละลายอิเล็กโทรไลต์ในน้ำ H_{2↑ ถูกปล่อยออกมาที่ขั้วบวก และออกซิเจนจะถูกปล่อยที่ขั้วลบ}

การสลายตัวของโลหะอัลคาไลไฮไดรด์กับน้ำ ผลิตภัณฑ์ที่เป็นด่าง และดังนั้น ก๊าซ H_2↑.

ปฏิกิริยาของกรดเจือจางกับโลหะกลายเป็นเกลือและ H_2↑.
การกระทำของด่างบนซิลิกอน อะลูมิเนียม และสังกะสียังส่งเสริมการปลดปล่อยไฮโดรเจนควบคู่ไปกับการก่อตัวของเกลือเชิงซ้อน

เพื่อประโยชน์ทางอุตสาหกรรม ก๊าซได้มาจากวิธีการเช่น:

การสลายตัวทางความร้อนของมีเธนต่อหน้าตัวเร่งปฏิกิริยาให้เป็นส่วนประกอบอย่างง่าย (350 องศาถึงค่าของตัวบ่งชี้เช่นอุณหภูมิ) - ไฮโดรเจน H_{2↑ และคาร์บอน ค.}

ส่งไอน้ำผ่านโค้กที่อุณหภูมิ 1,000 องศาเซลเซียส ทำให้เกิดคาร์บอนไดออกไซด์ CO₂ และ H_{2↑ (วิธีทั่วไป).}
การแปลงก๊าซมีเทนบนตัวเร่งปฏิกิริยานิกเกิลที่อุณหภูมิถึง 800 องศา
ไฮโดรเจนเป็นผลพลอยได้จากอิเล็กโทรลิซิสของสารละลายโพแทสเซียมหรือโซเดียมคลอไรด์ที่เป็นน้ำ

เคมีปฏิสัมพันธ์: ลักษณะทั่วไป

คุณสมบัติทางกายภาพของไฮโดรเจนส่วนใหญ่อธิบายพฤติกรรมของมันในกระบวนการทำปฏิกิริยากับสารประกอบหนึ่งหรืออย่างอื่น ความจุของไฮโดรเจนคือ 1 เนื่องจากมันอยู่ในกลุ่มแรกในตารางธาตุ และระดับของการเกิดออกซิเดชันจะแสดงค่าที่ต่างออกไป ในสารประกอบทั้งหมด ยกเว้นสำหรับไฮไดรด์ ไฮโดรเจนใน s.o.=(1+) ในโมเลกุล เช่น ХН, ХН₂, ХН_{3 – (1 -).}

โมเลกุลของก๊าซไฮโดรเจนที่เกิดขึ้นจากการสร้างคู่อิเล็กตรอนทั่วไป ประกอบด้วยอะตอมสองอะตอมและค่อนข้างเสถียรในเชิงพลังงาน ซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไมภายใต้สภาวะปกติจึงค่อนข้างเฉื่อยและเกิดปฏิกิริยาเมื่อสภาวะปกติเปลี่ยนแปลง ขึ้นอยู่กับระดับของการเกิดออกซิเดชันของไฮโดรเจนในองค์ประกอบของสารอื่นๆ มันสามารถทำหน้าที่เป็นทั้งตัวออกซิไดซ์และตัวรีดิวซ์

สารที่ทำปฏิกิริยาและก่อตัวเป็นไฮโดรเจน

ปฏิกิริยาของธาตุเพื่อสร้างสารที่ซับซ้อน (มักจะอยู่ที่อุณหภูมิสูง):

โลหะอัลคาไลน์และอัลคาไลน์เอิร์ท + ไฮโดรเจน=ไฮไดรด์

ฮาโลเจน + H_{2=ไฮโดรเจนเฮไลด์}
กำมะถัน + ไฮโดรเจน=ไฮโดรเจนซัลไฟด์

ออกซิเจน + H_2=น้ำ
คาร์บอน + ไฮโดรเจน=มีเทน

ไนโตรเจน + H_{2=แอมโมเนีย}

ปฏิกิริยากับสารที่ซับซ้อน:

ผลิตก๊าซสังเคราะห์จากคาร์บอนมอนอกไซด์และไฮโดรเจน

การกู้คืนโลหะจากออกไซด์ของพวกมันโดยใช้ H_2.
ความอิ่มตัวของไฮโดรเจนของอะลิฟาติกที่ไม่อิ่มตัวไฮโดรคาร์บอน

พันธะไฮโดรเจน

คุณสมบัติทางกายภาพของไฮโดรเจนนั้นยอมให้มันถูกรวมเข้ากับองค์ประกอบอิเล็กโตรเนกาทีฟเพื่อสร้างพันธะพิเศษที่มีอะตอมเดียวกันจากโมเลกุลข้างเคียงที่มีคู่อิเล็กตรอนที่ไม่แบ่ง (เช่น ออกซิเจน ไนโตรเจนและฟลูออรีน) ตัวอย่างที่ชัดเจนที่สุดที่ควรคำนึงถึงปรากฏการณ์ดังกล่าวคือน้ำ อาจกล่าวได้ว่าถูกเย็บด้วยพันธะไฮโดรเจนซึ่งอ่อนกว่าพันธะโควาเลนต์หรือไอออนิก แต่เนื่องจากมีพันธะไฮโดรเจนจำนวนมากจึงมีผลอย่างมากต่อคุณสมบัติของสาร โดยพื้นฐานแล้ว พันธะไฮโดรเจนเป็นปฏิกิริยาไฟฟ้าสถิตที่ผูกโมเลกุลของน้ำให้เป็นไดเมอร์และโพลีเมอร์ ทำให้เกิดจุดเดือดสูง

ไฮโดรเจนในสารประกอบแร่

องค์ประกอบของกรดอนินทรีย์ทั้งหมดรวมถึงโปรตอน - ไอออนบวกของอะตอมเช่นไฮโดรเจน สารที่มีกรดตกค้างมีสถานะออกซิเดชันมากกว่า (-1) เรียกว่าสารประกอบโพลีเบสิก ประกอบด้วยอะตอมของไฮโดรเจนหลายอะตอม ซึ่งทำให้เกิดการแตกตัวในสารละลายที่เป็นน้ำหลายขั้นตอน โปรตอนแต่ละตัวจะแยกตัวออกจากกรดที่เหลือได้ยากขึ้นเรื่อยๆ โดยเนื้อหาเชิงปริมาณของไฮโดรเจนในตัวกลาง ความเป็นกรดจะถูกกำหนด

ไฮโดรเจนยังมีเบสกลุ่มไฮดรอกซิลอยู่ด้วย ในนั้นไฮโดรเจนเชื่อมต่อกับอะตอมออกซิเจนด้วยเหตุนี้สถานะออกซิเดชันของสารตกค้างของอัลคาไลจะเท่ากับ (-1) เสมอ เนื้อหาของไฮดรอกซิลในตัวกลางเป็นตัวกำหนดพื้นฐาน

การประยุกต์ใช้ในกิจกรรมของมนุษย์

กระบอกสูบที่มีสาร รวมทั้งภาชนะที่มีก๊าซเหลวอื่นๆ เช่น ออกซิเจน มีลักษณะเฉพาะ พวกเขาทาสีเขียวเข้มด้วยตัวอักษร "ไฮโดรเจน" สีแดงสด ก๊าซถูกสูบเข้าไปในกระบอกสูบภายใต้แรงดันประมาณ 150 บรรยากาศ คุณสมบัติทางกายภาพของไฮโดรเจน โดยเฉพาะอย่างยิ่งความเบาของสถานะการรวมตัวของก๊าซ ถูกนำมาใช้เพื่อเติมลงในส่วนผสมของลูกโป่งฮีเลียม ลูกโป่ง ฯลฯ

ไฮโดรเจน ซึ่งเป็นคุณสมบัติทางกายภาพและทางเคมีที่ผู้คนเรียนรู้การใช้งานเมื่อหลายปีก่อน ถูกนำไปใช้ในหลายอุตสาหกรรม ส่วนใหญ่จะไปผลิตแอมโมเนีย ไฮโดรเจนยังเกี่ยวข้องกับการผลิตโลหะ (แฮฟเนียม เจอร์เมเนียม แกลเลียม ซิลิกอน โมลิบดีนัม ทังสเตน เซอร์โคเนียม และอื่น ๆ) จากออกไซด์ ซึ่งทำหน้าที่เป็นตัวรีดิวซ์ กรดไฮโดรไซยานิกและไฮโดรคลอริก เมทิลแอลกอฮอล์ และของเหลวเทียม เชื้อเพลิง. อุตสาหกรรมอาหารใช้มันเพื่อเปลี่ยนน้ำมันพืชให้เป็นไขมันแข็ง

กำหนดคุณสมบัติทางเคมีและการใช้ไฮโดรเจนในกระบวนการต่างๆ ของไฮโดรจิเนชันและไฮโดรจิเนชันของไขมัน ถ่านหิน ไฮโดรคาร์บอน น้ำมัน และน้ำมันเชื้อเพลิง ด้วยความช่วยเหลือในการผลิตอัญมณีล้ำค่า หลอดไส้ ผลิตภัณฑ์โลหะถูกหลอมและเชื่อมภายใต้อิทธิพลของเปลวไฟออกซิเจน-ไฮโดรเจน