Cairan
Hidrogen(lat. Hidrogenium; ditunjukkan oleh simbol H) adalah unsur pertama dalam tabel periodik unsur. Tersebar luas di alam. Kation (dan inti) dari isotop hidrogen yang paling umum, 1 H, adalah proton. Sifat inti 1 H memungkinkan penggunaan spektroskopi NMR secara luas dalam analisis bahan organik.
Tiga isotop hidrogen miliki nama yang tepat: 1 H adalah protium (H), 2 H adalah deuterium (D) dan 3 H adalah tritium (radioaktif) (T).
Zat sederhana hidrogen - H 2 - adalah gas ringan yang tidak berwarna. Jika tercampur dengan udara atau oksigen, bahan ini mudah terbakar dan meledak. Tidak beracun. Larut dalam etanol dan sejumlah logam: besi, nikel, paladium, platinum.
Cerita
Pelepasan gas yang mudah terbakar selama interaksi asam dan logam diamati pada tanggal 16 dan abad ke-17 pada awal terbentuknya kimia sebagai ilmu. Mikhail Vasilyevich Lomonosov juga secara langsung menunjukkan keterasingannya, tetapi dia sudah mengetahui dengan pasti bahwa itu bukanlah flogiston. Fisikawan dan kimiawan Inggris Henry Cavendish pada tahun 1766 mempelajari gas ini dan menyebutnya “udara yang mudah terbakar.” Ketika dibakar, “udara yang mudah terbakar” menghasilkan air, namun kepatuhan Cavendish pada teori flogiston menghalanginya untuk menarik kesimpulan yang benar. kimiawan Perancis Antoine Lavoisier bersama insinyur J. Meunier, dengan menggunakan gasometer khusus, pada tahun 1783 melakukan sintesis air, kemudian menganalisisnya dengan menguraikan uap air dengan besi panas. Oleh karena itu, ia menetapkan bahwa “udara yang mudah terbakar” adalah bagian dari air dan dapat diperoleh darinya.
asal usul nama
Lavoisier memberi hidrogen nama hidrogène - “melahirkan air.” nama Rusia"hidrogen" diusulkan oleh ahli kimia M.F. Solovyov pada tahun 1824 - dengan analogi dengan "oksigen" Slomonosov.
Prevalensi
Hidrogen adalah unsur paling melimpah di alam semesta. Ini menyumbang sekitar 92% dari semua atom (8% adalah atom helium, bagian dari gabungan semua unsur lainnya kurang dari 0,1%). Jadi, hidrogen adalah komponen utama bintang dan gas antarbintang. Dalam kondisi suhu bintang (misalnya, suhu permukaan Matahari ~ 6000 °C), hidrogen ada dalam bentuk plasma; di ruang antarbintang, unsur ini ada dalam bentuk molekul individu, atom, dan ion dan dapat terbentuk awan molekuler yang sangat bervariasi dalam ukuran, kepadatan dan suhu.
Kerak bumi dan organisme hidup
Fraksi massa hidrogen dalam kerak bumi berjumlah 1% - ini adalah elemen kesepuluh yang paling umum. Namun, perannya di alam tidak ditentukan oleh massa, tetapi oleh jumlah atom, yang persentasenya di antara unsur-unsur lain adalah 17% (tempat kedua setelah oksigen, yang persentase atomnya ~ 52%). Oleh karena itu, pentingnya hidrogen dalam proses kimia yang terjadi di Bumi hampir sama besarnya dengan oksigen. Berbeda dengan oksigen, yang ada di Bumi dalam keadaan terikat dan bebas, hampir semua hidrogen di Bumi berbentuk senyawa; Hanya sejumlah kecil hidrogen dalam bentuk zat sederhana yang terkandung di atmosfer (0,00005% volume).
Hidrogen adalah bagian dari hampir semua zat organik dan terdapat di semua sel hidup. Dalam sel hidup, hidrogen menyumbang hampir 50% jumlah atom.
Kuitansi
Metode industri untuk memproduksi zat sederhana bergantung pada bentuk di mana unsur yang bersangkutan ditemukan di alam, yaitu bahan mentah untuk produksinya. Dengan demikian, diperoleh oksigen yang tersedia dalam keadaan bebas secara fisik- pelepasan dari udara cair. Hampir seluruh hidrogen berbentuk senyawa, sehingga digunakan untuk memperolehnya metode kimia. Secara khusus, reaksi dekomposisi dapat digunakan. Salah satu cara untuk menghasilkan hidrogen adalah melalui penguraian air oleh arus listrik.
Metode industri utama untuk memproduksi hidrogen adalah reaksi metana, yang termasuk dalam komposisinya, dengan air. gas alam. Ini dilakukan pada suhu tinggi (mudah untuk memverifikasi bahwa ketika metana dilewatkan bahkan melalui air mendidih, tidak ada reaksi yang terjadi):
CH 4 + 2H 2 O = CO 2 + 4H 2 −165 kJ
Di laboratorium, untuk memperoleh zat sederhana tidak harus menggunakan bahan baku alami, tetapi memilih bahan awal yang lebih mudah untuk mengisolasi zat yang diperlukan. Misalnya di laboratorium, oksigen tidak diperoleh dari udara. Hal yang sama berlaku untuk produksi hidrogen. Satu dari metode laboratorium memproduksi hidrogen, yang terkadang digunakan dalam industri, dengan menguraikan air dengan arus listrik.
Biasanya, hidrogen diproduksi di laboratorium dengan mereaksikan seng dengan asam hidroklorik.
Di industri
1.Elektrolisis larutan berair garam:
2NaCl + 2H 2 O → H 2 + 2NaOH + Cl 2
2.Melewati uap air di atas kokas panas pada suhu sekitar 1000 °C:
H2O+C? H2+CO
3. Dari gas alam.
Konversi uap:
CH 4 + H 2 O ? BERSAMA + 3H 2 (1000 °C)
Oksidasi katalitik dengan oksigen:
2CH 4 + O 2 ? 2CO + 4H2
4. Pemecahan dan reformasi hidrokarbon selama penyulingan minyak.
Di laboratorium
1.Pengaruh asam encer pada logam. Untuk melakukan reaksi ini, seng dan asam klorida encer paling sering digunakan:
Zn + 2HCl → ZnCl 2 + H 2
2.Interaksi kalsium dengan air:
Ca + 2H 2 O → Ca(OH) 2 + H 2
3.Hidrolisis hidrida:
NaH + H 2 O → NaOH + H 2
4.Pengaruh alkali pada seng atau aluminium:
2Al + 2NaOH + 6H 2 O → 2Na + 3H 2
Zn + 2KOH + 2H 2 O → K 2 + H 2
5.Menggunakan elektrolisis. Selama elektrolisis larutan alkali atau asam dalam air, hidrogen dilepaskan di katoda, misalnya:
2H 3 O + + 2e − → H 2 + 2H 2 O
Properti fisik
Hidrogen dapat ada dalam dua bentuk (modifikasi) - dalam bentuk orto- dan para-hidrogen. Dalam molekul ortohidrogen Hai-H 2 (mp −259.10 °C, bp −252.56 °C) putaran inti diarahkan secara identik (paralel), dan untuk parahidrogen P-H 2 (titik leleh −259.32 °C, titik didih −252.89 °C) - berlawanan satu sama lain (antiparalel). Campuran kesetimbangan Hai-H 2 dan P-H 2 pada suhu tertentu disebut kesetimbangan hidrogen e-H2.
Modifikasi hidrogen dapat dipisahkan dengan adsorpsi pada karbon aktif pada suhu tertentu nitrogen cair. Sangat suhu rendah keseimbangan antara ortohidrogen dan parahidrogen hampir seluruhnya bergeser ke arah yang terakhir. Pada 80 K perbandingan bentuk kira-kira 1:1. Ketika dipanaskan, parahidrogen yang terdesorbsi diubah menjadi ortohidrogen hingga terbentuk campuran yang setimbang pada suhu kamar (orto-para: 75:25). Tanpa katalis, transformasi terjadi secara perlahan (dalam kondisi medium antarbintang- dengan waktu karakteristik hingga waktu kosmologis), yang memungkinkan untuk mempelajari sifat-sifat modifikasi individu.
Hidrogen adalah gas paling ringan, 14,5 kali lebih ringan dari udara. Jelasnya, semakin kecil massa molekul, semakin tinggi kecepatannya pada suhu yang sama. Sebagai molekul paling ringan, molekul hidrogen bergerak lebih cepat daripada molekul gas lainnya sehingga dapat mentransfer panas dari satu benda ke benda lain lebih cepat. Oleh karena itu hidrogen memiliki konduktivitas termal tertinggi di antara zat gas. Konduktivitas termalnya kira-kira tujuh kali lebih tinggi daripada konduktivitas termal udara.
Molekul hidrogen bersifat diatomik - H2. Pada kondisi normal adalah gas yang tidak berwarna, tidak berbau dan tidak berasa. Massa jenis 0,08987 g/l (no.), titik didih −252,76 °C, panas spesifik pembakaran 120,9×10 6 J/kg, sedikit larut dalam air - 18,8 ml/l. Hidrogen sangat larut dalam banyak logam (Ni, Pt, Pd, dll.), terutama paladium (850 volume per 1 volume Pd). Kelarutan hidrogen dalam logam berkaitan dengan kemampuannya untuk berdifusi melalui logam; Difusi melalui paduan karbon (misalnya baja) terkadang disertai dengan penghancuran paduan tersebut karena interaksi hidrogen dengan karbon (disebut dekarbonisasi). Praktis tidak larut dalam perak.
Hidrogen cair berada dalam kisaran suhu yang sangat sempit dari −252,76 hingga −259,2 °C. Ini adalah cairan tidak berwarna, sangat ringan (massa jenis pada −253 °C 0,0708 g/cm3) dan cair (viskositas pada −253 °C 13,8 inci). Parameter kritis hidrogen sangat rendah: suhu −240,2 °C dan tekanan 12,8 atm. Hal ini menjelaskan kesulitan dalam mencairkan hidrogen. DI DALAM keadaan cair kesetimbangan hidrogen terdiri dari 99,79% para-H2, 0,21% orto-H2.
Hidrogen padat, titik leleh −259,2 °C, massa jenis 0,0807 g/cm 3 (pada −262 °C) - massa seperti salju, kristal heksagonal, grup ruang P6/mmc, parameter sel A=3,75 C=6.12. Pada tekanan darah tinggi hidrogen masuk ke keadaan logam.
Isotop
Hidrogen terjadi di bentuk tiga isotop yang memiliki nama tersendiri: 1 H - protium (H), 2 H - deuterium (D), 3 H - tritium (radioaktif) (T).
Protium dan deuterium merupakan isotop stabil dengan nomor massa 1 dan 2. Kandungannya di alam masing-masing adalah 99,9885 ± 0,0070% dan 0,0115 ± 0,0070%. Rasio ini mungkin sedikit berbeda tergantung pada sumber dan metode produksi hidrogen.
Isotop hidrogen 3H (tritium) tidak stabil. Waktu paruhnya adalah 12,32 tahun. Tritium terjadi secara alami dalam jumlah yang sangat kecil.
Literatur juga menyediakan data tentang isotop hidrogen dengan nomor massa 4 - 7 dan waktu paruh 10 -22 - 10 -23 detik.
Hidrogen alami terdiri dari molekul H2 dan HD (deuterium hidrogen) dengan perbandingan 3200:1. Kandungan deuterium hidrogen D 2 murni bahkan lebih sedikit lagi. Perbandingan konsentrasi HD dan D 2 kira-kira 6400:1.
Dari semua isotop unsur kimia fisik dan Sifat kimia Isotop hidrogen paling berbeda satu sama lain. Hal ini disebabkan oleh perubahan massa atom yang relatif terbesar.
|
Suhu |
Suhu |
Tiga kali lipat |
Kritis |
Kepadatan |
|
Deuterium dan tritium juga memiliki modifikasi orto dan para: P-D 2 , Hai-D 2 , P-T 2, Hai-T 2 . Hidrogen heteroisotop (HD, HT, DT) tidak memiliki modifikasi orto dan para.
Sifat kimia
Fraksi molekul hidrogen yang terdisosiasi
Molekul hidrogen H2 cukup kuat, dan agar hidrogen dapat bereaksi, banyak energi yang harus dikeluarkan:
H 2 = 2H − 432 kJ
Oleh karena itu, pada suhu biasa, hidrogen hanya bereaksi dengan logam yang sangat aktif, seperti kalsium, membentuk kalsium hidrida:
Ca + H 2 = CaH 2
dan dengan satu-satunya non-logam - fluor, membentuk hidrogen fluorida:
Hidrogen bereaksi dengan sebagian besar logam dan nonlogam pada suhu tinggi atau pengaruh lain, misalnya pencahayaan:
O 2 + 2H 2 = 2H 2 O
Ia dapat “mengambil” oksigen dari beberapa oksida, misalnya:
CuO + H 2 = Cu + H 2 O
Persamaan tertulis mencerminkan sifat restoratif hidrogen.
N 2 + 3H 2 → 2NH 3
Membentuk hidrogen halida dengan halogen:
F 2 + H 2 → 2HF, reaksi terjadi secara eksplosif dalam gelap dan pada suhu berapa pun,
Cl 2 + H 2 → 2HCl, reaksi berlangsung secara eksplosif, hanya dalam cahaya.
Ia berinteraksi dengan jelaga di bawah suhu tinggi:
C + 2H 2 → CH 4
Interaksi dengan logam alkali dan alkali tanah
Saat berinteraksi dengan logam aktif, hidrogen membentuk hidrida:
2Na + H2 → 2NaH
Ca + H 2 → CaH 2
Mg + H 2 → MgH 2
Hidrida- seperti garam, padatan, mudah dihidrolisis:
CaH 2 + 2H 2 O → Ca(OH) 2 + 2H 2
Interaksi dengan oksida logam (biasanya unsur d)
Oksida direduksi menjadi logam:
CuO + H 2 → Cu + H 2 O
Fe 2 O 3 + 3H 2 → 2Fe + 3H 2 O
WO 3 + 3H 2 → W + 3H 2 O
Hidrogenasi senyawa organik
Hidrogen molekuler banyak digunakan dalam sintesis organik untuk mereduksi senyawa organik. Proses-proses ini disebut reaksi hidrogenasi. Reaksi-reaksi ini dilakukan dengan adanya katalis pada tekanan dan suhu tinggi. Katalisnya bisa homogen (misalnya Katalis Wilkinson) atau heterogen (misalnya nikel Raney, paladium pada karbon).
Jadi, khususnya, selama hidrogenasi katalitik senyawa tak jenuh seperti alkena dan alkuna, senyawa jenuh terbentuk - alkana.
Geokimia hidrogen
Hidrogen H2 bebas relatif jarang terdapat dalam gas bumi, namun dalam bentuk air ia berperan sangat penting dalam proses geokimia.
Hidrogen dapat terdapat dalam mineral dalam bentuk ion amonium, ion hidroksil, dan air kristal.
Di atmosfer, hidrogen terus diproduksi sebagai hasil penguraian air radiasi sinar matahari. Memiliki massa kecil, molekul hidrogen memilikinya kecepatan tinggi gerakan difusi (mendekati kecepatan lepas kedua) dan, jatuh ke lapisan atas atmosfer, dapat terbang ke luar angkasa.
Fitur pengobatan
Hidrogen, bila bercampur dengan udara, membentuk campuran yang mudah meledak - yang disebut gas peledak. Gas ini paling mudah meledak jika perbandingan volume hidrogen dan oksigen adalah 2:1, atau hidrogen dan udara kira-kira 2:5, karena udara mengandung sekitar 21% oksigen. Hidrogen juga merupakan bahaya kebakaran. Hidrogen cair dapat menyebabkan radang dingin parah jika terkena kulit.
Konsentrasi hidrogen dan oksigen yang mudah meledak terjadi dari 4% hingga 96% volume. Bila dicampur dengan udara dari 4% menjadi 75(74)% volume.
Ekonomi
Biaya hidrogen untuk pasokan grosir besar berkisar antara $2-5 per kg.
Aplikasi
Atom hidrogen digunakan untuk pengelasan atom hidrogen.
Industri kimia
- Dalam produksi amonia, metanol, sabun dan plastik
- Dalam produksi margarin dari minyak nabati cair
- Terdaftar sebagai suplemen makanan E949(mengemas gas)
Industri makanan
Industri penerbangan
Hidrogen sangat ringan dan selalu naik di udara. Dahulu kala, kapal udara dan balon diisi dengan hidrogen. Namun di usia 30-an. abad XX Ada beberapa bencana yang menyebabkan kapal udara meledak dan terbakar. Saat ini, kapal udara diisi dengan helium, meskipun biayanya jauh lebih tinggi.
Bahan bakar
Hidrogen digunakan sebagai bahan bakar roket.
Penelitian sedang dilakukan tentang penggunaan hidrogen sebagai bahan bakar mobil dan truk. Mesin hidrogen tidak menimbulkan polusi lingkungan dan hanya mengeluarkan uap air.
Sel bahan bakar hidrogen-oksigen menggunakan hidrogen untuk mengubah energi secara langsung reaksi kimia ke listrik.
"Hidrogen Cair"(“LH”) adalah hidrogen wujud cair, dengan kepadatan spesifik rendah sebesar 0,07 g/cm³ dan sifat kriogenik dengan titik beku 14,01 K (−259,14 °C) dan titik didih 20,28 K (−252,87 °C ). Ini adalah cairan tidak berwarna dan tidak berbau yang bila bercampur dengan udara diklasifikasikan sebagai bahan peledak dengan kisaran koefisien mudah terbakar 4-75%. Rasio putaran isomer dalam hidrogen cair adalah: 99,79% - parahidrogen; 0,21% - ortohidrogen. Koefisien muai hidrogen saat berubah keadaan agregasi menjadi gas adalah 848:1 pada 20°C.
Seperti gas lainnya, pencairan hidrogen menyebabkan penurunan volumenya. Setelah pencairan, cairan cair disimpan dalam wadah berinsulasi termal di bawah tekanan. Hidrogen cair Hidrogen cair, LH2, LH 2) secara aktif digunakan dalam industri, sebagai bentuk penyimpanan gas, dan dalam industri luar angkasa, sebagai bahan bakar roket.
Cerita
Penggunaan pendingin buatan yang pertama kali didokumentasikan dilakukan oleh ilmuwan Inggris William Cullen pada tahun 1756, Gaspard Monge adalah orang pertama yang memperoleh oksida sulfur cair pada tahun 1784, Michael Faraday adalah orang pertama yang memperoleh amonia cair, Penemu Amerika Oliver Evans adalah orang pertama yang mengembangkan kompresor pendingin pada tahun 1805, Jacob Perkins adalah orang pertama yang mematenkan mesin pendingin pada tahun 1834, dan John Gorey adalah orang pertama yang mematenkan AC di Amerika Serikat pada tahun 1851. Werner Siemens mengusulkan konsep pendinginan regeneratif pada tahun 1857, Karl Linde mematenkan peralatan untuk memproduksi udara cair menggunakan kaskade "efek ekspansi Joule-Thomson" dan pendinginan regeneratif pada tahun 1876. Pada tahun 1885, fisikawan dan kimiawan Polandia Zygmunt Wroblewski menerbitkan suhu kritis hidrogen 33 K, tekanan kritis 13,3 atm. dan titik didih pada 23 K. Hidrogen pertama kali dicairkan oleh James Dewar pada tahun 1898 menggunakan pendinginan regeneratif dan penemuannya, labu Dewar. Sintesis pertama isomer stabil hidrogen cair, parahidrogen, dilakukan oleh Paul Harteck dan Carl Bonhoeffer pada tahun 1929.
Putar isomer hidrogen
Hidrogen pada suhu kamar terutama terdiri dari spin isomer, ortohidrogen. Setelah produksi, hidrogen cair berada dalam keadaan metastabil dan harus diubah menjadi bentuk parahidrogen untuk menghindari reaksi eksotermik eksplosif yang terjadi ketika berubah pada suhu rendah. Konversi ke fase parahidrogen biasanya dilakukan dengan menggunakan katalis seperti oksida besi, kromium oksida, karbon aktif, asbes berlapis platinum, logam tanah jarang, atau melalui penggunaan bahan tambahan uranium atau nikel.
Penggunaan
Hidrogen cair dapat digunakan sebagai penyimpanan bahan bakar untuk mesin pembakaran internal Dan sel bahan bakar. Berbagai kapal selam (proyek "212A" dan "214", Jerman) dan konsep transportasi hidrogen telah dibuat menggunakan bentuk agregat hidrogen ini (lihat misalnya "DeepC" atau "BMW H2R"). Karena kedekatan desainnya, pembuat peralatan LHV dapat menggunakan atau hanya memodifikasi sistem yang menggunakan gas alam cair (LNG). Namun karena lebih rendah kepadatan massal energi pembakaran membutuhkan volume hidrogen yang lebih besar dibandingkan gas alam. Jika hidrogen cair digunakan sebagai pengganti "CNG" pada mesin piston, biasanya diperlukan sistem bahan bakar yang lebih besar. Dengan injeksi langsung, peningkatan kerugian pada saluran masuk mengurangi pengisian silinder.
Hidrogen cair juga digunakan untuk mendinginkan neutron dalam eksperimen hamburan neutron. Massa neutron dan inti hidrogen hampir sama, sehingga pertukaran energi selama tumbukan lenting paling efektif.
Keuntungan
Keuntungan menggunakan hidrogen adalah “nol emisi” dari penggunaannya. Produk interaksinya dengan udara adalah air.
Hambatan
Satu liter "ZhV" beratnya hanya 0,07 kg. Yaitu miliknya berat jenis adalah 70,99 g/l pada 20 K. Hidrogen cair memerlukan teknologi penyimpanan kriogenik, seperti wadah berinsulasi termal khusus dan memerlukan penanganan khusus, yang umum terjadi pada semua bahan kriogenik. Dalam hal ini hampir sama dengan oksigen cair, namun membutuhkan kehati-hatian yang lebih besar karena bahaya kebakaran. Bahkan dengan wadah berinsulasi, sulit untuk menyimpannya pada suhu rendah yang diperlukan untuk menjaganya tetap cair (biasanya menguap dengan kecepatan 1% per hari). Saat menanganinya, Anda juga harus mengikuti tindakan pencegahan keselamatan yang biasa dilakukan saat bekerja dengan hidrogen - hidrogen cukup dingin untuk mencairkan udara, yang bersifat eksplosif.
Bahan bakar roket
Hidrogen cair adalah komponen umum bahan bakar roket, yang digunakan untuk akselerasi jet kendaraan peluncuran dan pesawat ruang angkasa. Di sebagian besar mesin roket hidrogen cair, hidrogen cair pertama kali digunakan untuk mendinginkan nosel dan bagian mesin lainnya secara regeneratif sebelum dicampur dengan zat pengoksidasi dan dibakar untuk menghasilkan daya dorong. Mesin modern yang menggunakan komponen H 2 /O 2 mengonsumsi campuran bahan bakar yang terlalu kaya akan hidrogen, yang menyebabkan sejumlah hidrogen tidak terbakar di saluran pembuangan. Selain meningkatkan impuls spesifik mesin dengan mengurangi berat molekul, hal ini juga mengurangi erosi pada nosel dan ruang bakar.
Hambatan terhadap penggunaan "zat cair" di bidang lain, seperti sifat kriogenik dan kepadatan yang rendah, juga merupakan faktor pembatas untuk penggunaan di bidang lain. pada kasus ini. Pada tahun 2009, hanya ada satu kendaraan peluncuran (kendaraan peluncuran Delta-4), yang seluruhnya merupakan roket hidrogen. Pada dasarnya, "ZhV" digunakan pada keduanya langkah atas rudal, atau blok, yang melakukan sebagian besar pekerjaan peluncuran muatan ke luar angkasa dilakukan dalam ruang hampa. Sebagai salah satu langkah untuk meningkatkan kepadatan bahan bakar jenis ini, terdapat usulan untuk menggunakan hidrogen seperti lumpur, yaitu bentuk “hidrogen cair” semi-beku.
DI DALAM tabel periodik memiliki lokasi spesifiknya sendiri, yang mencerminkan properti yang dipamerkannya dan berbicara tentang struktur elektroniknya. Namun di antara semuanya ada satu atom khusus yang menempati dua sel sekaligus. Ia berada dalam dua kelompok unsur yang sifat-sifatnya sangat berlawanan. Ini adalah hidrogen. Fitur-fitur tersebut menjadikannya unik.
Hidrogen bukan hanya sekedar unsur, tetapi juga zat sederhana, serta merupakan bagian integral dari banyak senyawa kompleks, unsur biogenik dan organogenik. Oleh karena itu, mari kita perhatikan ciri-ciri dan sifat-sifatnya lebih detail.
Hidrogen sebagai unsur kimia
Hidrogen merupakan unsur golongan pertama subkelompok utama, serta unsur golongan ketujuh dari subkelompok utama pada periode minor pertama. Periode ini hanya terdiri dari dua atom: helium dan unsur yang sedang kita pertimbangkan. Mari kita uraikan ciri-ciri utama posisi hidrogen dalam tabel periodik.
- Nomor atom hidrogen adalah 1, jumlah elektronnya sama, dan jumlah protonnya sama. Massa atom - 1,00795. Ada tiga isotop unsur ini dengan nomor massa 1, 2, 3. Namun, sifat masing-masing isotop sangat berbeda, karena peningkatan massa bahkan sebesar satu untuk hidrogen akan langsung berlipat ganda.
- Fakta bahwa ia hanya mengandung satu elektron pada permukaan luarnya memungkinkannya berhasil menunjukkan sifat pengoksidasi dan pereduksi. Selain itu, setelah menyumbangkan elektron, ia tetap memiliki orbital bebas, yang mengambil bagian dalam pembentukan ikatan kimia sesuai dengan mekanisme donor-akseptor.
- Hidrogen adalah zat pereduksi kuat. Oleh karena itu, tempat utamanya dianggap sebagai kelompok pertama dari subkelompok utama, yang mengepalai logam paling aktif - alkali.
- Namun, ketika berinteraksi dengan zat pereduksi kuat, seperti logam, ia juga dapat menjadi zat pengoksidasi, menerima elektron. Senyawa ini disebut hidrida. Menurut fitur ini, ia mengepalai subkelompok halogen yang serupa.
- Karena massa atomnya yang sangat kecil, hidrogen dianggap sebagai unsur paling ringan. Selain itu, kepadatannya juga sangat rendah sehingga juga menjadi patokan ringan.
Jadi, jelaslah bahwa atom hidrogen adalah unsur yang sepenuhnya unik, tidak seperti semua unsur lainnya. Oleh karena itu, sifat-sifatnya juga istimewa, dan hasilnya pun sederhana dan zat kompleks sangat penting. Mari kita pertimbangkan lebih jauh.
Substansi sederhana
Jika kita berbicara tentang unsur ini sebagai molekul, maka kita harus mengatakan bahwa unsur ini bersifat diatomik. Artinya, hidrogen (zat sederhana) adalah gas. Rumus empirisnya akan dituliskan sebagai H2, dan rumus grafisnya akan dituliskan melalui hubungan sigma tunggal H-H. Mekanisme pembentukan ikatan antar atom bersifat kovalen nonpolar.
- Reformasi uap metana.
- Gasifikasi batubara - prosesnya melibatkan pemanasan batubara hingga 1000 0 C, menghasilkan pembentukan hidrogen dan batubara karbon tinggi.
- Elektrolisa. Metode ini hanya dapat digunakan untuk larutan berbagai garam dalam air, karena lelehannya tidak menyebabkan keluarnya air di katoda.
Metode laboratorium untuk memproduksi hidrogen:
- Hidrolisis hidrida logam.
- Pengaruh asam encer terhadap logam aktif dan aktivitas sedang.
- Interaksi logam alkali dan alkali tanah dengan air.
Untuk mengumpulkan hidrogen yang dihasilkan, Anda harus memegang tabung reaksi dalam posisi terbalik. Bagaimanapun, gas ini tidak dapat dikumpulkan dengan cara yang sama seperti, misalnya, karbon dioksida. Ini adalah hidrogen, jauh lebih ringan dari udara. Itu menguap dengan cepat, dan jumlah besar Meledak jika bercampur dengan udara. Oleh karena itu, tabung reaksi harus dibalik. Setelah diisi harus ditutup dengan sumbat karet.
Untuk memeriksa kemurnian hidrogen yang dikumpulkan, Anda harus membawa korek api yang menyala ke leher. Jika tepukannya tumpul dan pelan, berarti gasnya bersih, dengan sedikit pengotor udara. Jika keras dan bersiul, berarti kotor, banyak mengandung komponen asing.
Area penggunaan
Ketika hidrogen dibakar, banyak sekali hidrogen yang dilepaskan sejumlah besar energi (panas), bahwa gas ini dianggap sebagai bahan bakar yang paling menguntungkan. Selain itu, ramah lingkungan. Namun, hingga saat ini penerapannya di bidang ini masih terbatas. Hal ini disebabkan oleh masalah sintesis hidrogen murni yang kurang dipahami dan belum terpecahkan, yang cocok untuk digunakan sebagai bahan bakar dalam reaktor, mesin dan perangkat portabel, serta boiler pemanas perumahan.
Memang cara memproduksi gas ini cukup mahal, sehingga perlu dikembangkan metode sintesis khusus terlebih dahulu. Salah satu yang memungkinkan Anda mendapatkan produk dalam volume besar dan biaya minimal.
Ada beberapa area utama di mana gas yang kami pertimbangkan digunakan.
- Sintesis kimia. Hidrogenasi digunakan untuk memproduksi sabun, margarin, dan plastik. Dengan partisipasi hidrogen, metanol dan amonia, serta senyawa lainnya, disintesis.
- DI DALAM Industri makanan- sebagai aditif E949.
- Industri penerbangan (ilmu roket, manufaktur pesawat terbang).
- Industri tenaga listrik.
- Meteorologi.
- Bahan bakar ramah lingkungan.
Tentu saja, hidrogen sama pentingnya dengan ketersediaannya yang melimpah di alam. Lagi peran besar dimainkan oleh berbagai senyawa yang dibentuknya.
Senyawa hidrogen
Ini adalah zat kompleks yang mengandung atom hidrogen. Ada beberapa jenis utama zat tersebut.
- Hidrogen halida. Rumus umum- HHal. Arti khusus di antaranya adalah hidrogen klorida. Ini adalah gas yang larut dalam air untuk membentuk larutan asam klorida. asam ini banyak digunakan di hampir semua hal sintesis kimia. Apalagi baik organik maupun anorganik. Hidrogen klorida adalah senyawa dengan rumus empiris HCL dan merupakan salah satu produksi terbesar di negara kita setiap tahunnya. Hidrogen halida juga termasuk hidrogen iodida, hidrogen fluorida, dan hidrogen bromida. Semuanya membentuk asam yang sesuai.
- Mudah menguap Hampir semuanya merupakan gas yang cukup beracun. Misalnya hidrogen sulfida, metana, silan, fosfin dan lain-lain. Pada saat yang sama, mereka sangat mudah terbakar.
- Hidrida adalah senyawa dengan logam. Mereka termasuk dalam kelas garam.
- Hidroksida: basa, asam dan senyawa amfoter. Mereka tentu mengandung atom hidrogen, satu atau lebih. Contoh : NaOH, K 2, H 2 SO 4 dan lain-lain.
- Hidrogen hidroksida. Senyawa ini lebih dikenal dengan sebutan air. Nama lainnya adalah hidrogen oksida. Rumus empirisnya seperti ini - H 2 O.
- Hidrogen peroksida. Ini adalah zat pengoksidasi kuat, rumusnya adalah H 2 O 2.
- Banyak sekali senyawa organik: hidrokarbon, protein, lemak, lipid, vitamin, hormon, minyak atsiri dan lain-lain.
Jelaslah bahwa variasi senyawa dari unsur yang kita pertimbangkan sangatlah besar. Ini sekali lagi menegaskan hal itu bernilai tinggi bagi alam dan manusia, serta bagi seluruh makhluk hidup.
- ini adalah pelarut terbaik
Seperti disebutkan di atas, nama umum zat ini adalah air. Terdiri dari dua atom hidrogen dan satu oksigen, dihubungkan melalui ikatan polar kovalen. Molekul air adalah dipol, hal ini menjelaskan banyak sifat yang ditunjukkannya. Secara khusus, ini adalah pelarut universal.
Di lingkungan perairan hampir segala sesuatu terjadi proses kimia. Reaksi internal plastik dan metabolisme energi pada organisme hidup juga dilakukan dengan menggunakan hidrogen oksida.
Air dianggap sebagai yang paling banyak substansi penting di planet ini. Diketahui bahwa tidak ada organisme hidup yang dapat hidup tanpanya. Di Bumi, ia dapat berada dalam tiga keadaan agregasi:
- cairan;
- gas (uap);
- padat (es).
Tergantung pada isotop hidrogen yang membentuk molekul, ada tiga jenis air.
- Ringan atau protium. Isotop dengan nomor massa 1. Rumusnya adalah H 2 O. Ini adalah bentuk yang biasa digunakan semua organisme.
- Deuterium atau berat, rumusnya D 2 O. Mengandung isotop 2 H.
- Super berat atau tritium. Rumusnya seperti T 3 O, isotopnya adalah 3 H.
Cadangan air protium segar di planet ini sangatlah penting. Saat ini sudah terjadi kekurangan pasokan di banyak negara. Metode sedang dikembangkan untuk mengolah air asin untuk menghasilkan air minum.
Hidrogen peroksida adalah obat universal
Senyawa ini, sebagaimana disebutkan di atas, merupakan zat pengoksidasi yang sangat baik. Namun, dengan perwakilan yang kuat dia juga bisa berperilaku sebagai pemulih. Selain itu, ia memiliki efek bakterisida yang nyata.
Nama lain senyawa ini adalah peroksida. Dalam bentuk inilah ia digunakan dalam pengobatan. Larutan 3% kristal hidrat dari senyawa yang dimaksud adalah obat medis yang digunakan untuk mengobati luka kecil dengan tujuan untuk mendisinfeksi luka tersebut. Namun, hal ini terbukti meningkatkan waktu penyembuhan luka.
Hidrogen peroksida juga digunakan dalam bahan bakar roket, dalam industri untuk desinfeksi dan pemutihan, dan sebagai bahan pembusa untuk produksi bahan yang sesuai (busa, misalnya). Selain itu, peroksida membantu membersihkan akuarium, memutihkan rambut, dan memutihkan gigi. Namun, hal ini menyebabkan kerusakan pada jaringan, sehingga tidak direkomendasikan oleh spesialis untuk tujuan ini.
Dalam tabel periodik, hidrogen terletak dalam dua kelompok unsur yang sifatnya sangat berlawanan. Fitur ini menjadikannya benar-benar unik. Hidrogen bukan hanya sekedar unsur atau zat, tetapi juga bagian yang tidak terpisahkan banyak senyawa kompleks, unsur organogenik dan biogenik. Oleh karena itu, mari kita lihat lebih dekat sifat dan karakteristiknya.
Pelepasan gas yang mudah terbakar selama interaksi logam dan asam telah diamati sejak abad ke-16, yaitu pada saat terbentuknya kimia sebagai ilmu pengetahuan. Ilmuwan Inggris terkenal Henry Cavendish mempelajari zat tersebut mulai tahun 1766 dan memberinya nama “udara yang mudah terbakar”. Saat dibakar, gas ini menghasilkan air. Sayangnya, kepatuhan ilmuwan tersebut pada teori flogiston (“materi ultrahalus” hipotetis) menghalanginya untuk mengambil kesimpulan yang tepat.
Ahli kimia dan naturalis Perancis A. Lavoisier, bersama dengan insinyur J. Meunier dan dengan bantuan gasometer khusus, mensintesis air pada tahun 1783, dan kemudian menganalisisnya melalui penguraian uap air dengan besi panas. Dengan demikian, para ilmuwan dapat sampai pada kesimpulan yang tepat. Mereka menemukan bahwa “udara yang mudah terbakar” tidak hanya merupakan bagian dari air, tetapi juga dapat diperoleh darinya.
Pada tahun 1787, Lavoisier mengemukakan bahwa gas yang diteliti adalah zat sederhana dan, karenanya, merupakan salah satu unsur kimia utama. Dia menyebutnya hidrogen (dari kata-kata Yunani hydor - air + gennao - saya melahirkan), yaitu “melahirkan air.”
Nama Rusia "hidrogen" diusulkan pada tahun 1824 oleh ahli kimia M. Soloviev. Penentuan komposisi air menandai berakhirnya “teori flogiston”. Pada pergantian abad ke-18 dan ke-19, diketahui bahwa atom hidrogen sangat ringan (dibandingkan dengan atom unsur lain) dan massanya diambil sebagai satuan perbandingan utama. massa atom, menerima nilai 1.
Properti fisik
Hidrogen adalah zat paling ringan yang diketahui sains (14,4 kali lebih ringan dari udara), massa jenisnya 0,0899 g/l (1 atm, 0 °C). bahan ini meleleh (memadat) dan mendidih (mencairkan) masing-masing pada -259,1 °C dan -252,8 °C (hanya helium yang memiliki titik didih dan titik leleh lebih rendah).
Suhu kritis hidrogen sangat rendah (-240 °C). Oleh karena itu, pencairannya merupakan proses yang rumit dan mahal. Tekanan kritis zat adalah 12,8 kgf/cm², dan massa jenis kritisnya adalah 0,0312 g/cm³. Di antara semua gas, hidrogen memiliki konduktivitas termal tertinggi: pada 1 atm dan 0 °C sama dengan 0,174 W/(mxK).
Kapasitas kalor jenis suatu zat pada kondisi yang sama adalah 14,208 kJ/(kgxK) atau 3,394 kal/(gh°C). Unsur ini sedikit larut dalam air (sekitar 0,0182 ml/g pada 1 atm dan 20 °C), tetapi mudah larut dalam sebagian besar logam (Ni, Pt, Pa dan lain-lain), terutama dalam paladium (sekitar 850 volume per volume Pd ) .
Sifat terakhir dikaitkan dengan kemampuannya untuk berdifusi, dan difusi melalui paduan karbon (misalnya, baja) dapat disertai dengan penghancuran paduan tersebut karena interaksi hidrogen dengan karbon (proses ini disebut dekarbonisasi). Dalam wujud cair, zat ini sangat ringan (massa jenis - 0,0708 g/cm³ pada t° = -253 °C) dan cair (viskositas - 13,8 spoise dalam kondisi yang sama).
Dalam banyak senyawa, unsur ini menunjukkan valensi +1 (bilangan oksidasi), seperti natrium dan lain-lain logam alkali. Biasanya dianggap sebagai analog dari logam-logam ini. Oleh karena itu, dia mengepalai kelompok I sistem periodik. Dalam hidrida logam, ion hidrogen terlihat muatan negatif(bilangan oksidasi -1), yaitu Na+H- memiliki struktur yang mirip dengan Na+Cl- klorida. Sesuai dengan hal ini dan beberapa fakta lainnya (kesamaan sifat fisik unsur “H” dan halogen, kemampuannya menggantikannya dengan halogen dalam senyawa organik), Hidrogen diklasifikasikan dalam golongan VII sistem periodik.
Dalam kondisi normal hidrogen molekuler memiliki aktivitas rendah, hanya berikatan langsung dengan non-logam yang paling aktif (fluor dan klor, dengan yang terakhir dalam cahaya). Pada gilirannya, ketika dipanaskan, ia berinteraksi dengan banyak unsur kimia.
Atom hidrogen mengalami peningkatan aktivitas kimia(bila dibandingkan dengan molekuler). Dengan oksigen membentuk air menurut rumus:
Н₂ + ½О₂ = Н₂О,
melepaskan 285,937 kJ/mol kalor atau 68,3174 kkal/mol (25 °C, 1 atm). Pada kondisi suhu normal, reaksi berlangsung agak lambat, dan pada t° >= 550 °C reaksi tidak dapat dikendalikan. Batas ledakan campuran hidrogen + oksigen berdasarkan volume adalah 4–94% H₂, dan campuran hidrogen + udara adalah 4–74% H₂ (campuran dua volume H₂ dan satu volume O₂ disebut gas peledakan).
Unsur ini digunakan untuk mereduksi sebagian besar logam, karena menghilangkan oksigen dari oksida:
Fe₃O₄ + 4H₂ = 3Fe + 4H₂O,
CuO + H₂ = Cu + H₂O, dst.
Hidrogen membentuk hidrogen halida dengan halogen yang berbeda, misalnya:
H₂ + Cl₂ = 2HCl.
Namun, ketika bereaksi dengan fluor, hidrogen meledak (ini juga terjadi dalam gelap, pada -252 ° C), dengan brom dan klorin hanya bereaksi ketika dipanaskan atau disinari, dan dengan yodium - hanya ketika dipanaskan. Ketika berinteraksi dengan nitrogen, amonia terbentuk, tetapi hanya pada katalis, pada tekanan dan suhu tinggi:
ЗН₂ + N₂ = 2NN₃.
Saat dipanaskan, hidrogen bereaksi aktif dengan belerang:
H₂ + S = H₂S (hidrogen sulfida),
dan jauh lebih sulit dengan telurium atau selenium. Hidrogen bereaksi dengan karbon murni tanpa katalis, tetapi pada suhu tinggi:
2H₂ + C (amorf) = CH₄ (metana).
Zat ini bereaksi langsung dengan beberapa logam (alkali, alkali tanah dan lain-lain), membentuk hidrida, misalnya:
H₂ + 2Li = 2LiH.
Penting signifikansi praktis mempunyai interaksi antara hidrogen dan karbon(II) monoksida. Dalam hal ini, tergantung pada tekanan, suhu dan katalis, senyawa organik yang berbeda terbentuk: HCHO, CH₃OH, dll. Hidrokarbon tak jenuh menjadi jenuh selama reaksi, misalnya:
С n Н₂ n + Н₂ = С n Н₂ n ₊₂.
Hidrogen dan senyawanya memainkan peran luar biasa dalam kimia. Itu mengkondisikan sifat asam yang disebut asam protik, cenderung terbentuk dengan elemen yang berbeda ikatan hidrogen, yang memiliki pengaruh signifikan tentang sifat-sifat banyak senyawa anorganik dan organik.
Produksi hidrogen
Jenis bahan baku utama untuk produksi industri elemen ini adalah gas penyulingan minyak, gas alam yang mudah terbakar dan oven kokas. Itu juga diperoleh dari air melalui elektrolisis (di tempat-tempat yang tersedia listrik). Satu dari metode yang paling penting Produksi bahan dari gas alam dianggap sebagai interaksi katalitik hidrokarbon, terutama metana, dengan uap air (yang disebut konversi). Misalnya:
CH₄ + H₂O = CO + ZN₂.
Oksidasi hidrokarbon yang tidak sempurna dengan oksigen:
CH₄ + ½O₂ = CO + 2H₂.
Karbon monoksida (II) yang disintesis mengalami konversi:
CO + H₂O = CO₂ + H₂.
Hidrogen yang dihasilkan dari gas alam adalah yang termurah.
Digunakan untuk elektrolisis air D.C., yang dilewatkan melalui larutan NaOH atau KOH (tidak digunakan asam untuk menghindari korosi pada peralatan). Dalam kondisi laboratorium, bahan diperoleh dengan elektrolisis air atau sebagai hasil reaksi antara asam klorida dan seng. Namun, bahan pabrik yang sudah jadi dalam bentuk silinder lebih sering digunakan.
Dari gas penyulingan minyak dan gas oven kokas elemen ini diisolasi dengan menghilangkan semua komponen lain dari campuran gas, karena komponen tersebut lebih mudah mencair selama pendinginan dalam.
Bahan ini mulai diproduksi secara industri pada masa itu akhir XVIII abad. Kemudian digunakan untuk isian balon. Pada saat ini Hidrogen banyak digunakan dalam industri, terutama industri kimia, untuk produksi amonia.
Konsumen massal zat ini adalah produsen metil dan alkohol lainnya, bensin sintetis, dan banyak produk lainnya. Mereka diperoleh melalui sintesis dari karbon monoksida (II) dan hidrogen. Hidrogen digunakan untuk hidrogenasi zat berat dan padat bahan bakar cair, lemak, dll., untuk sintesis HCl, perlakuan hidro pada produk minyak bumi, serta dalam pemotongan/pengelasan logam. Elemen terpenting untuk energi nuklir adalah isotopnya - tritium dan deuterium.
Peran biologis hidrogen
Sekitar 10% massa organisme hidup (rata-rata) berasal dari unsur ini. Itu adalah bagian dari air dan kelompok yang paling penting senyawa alami, termasuk protein, asam nukleat, lipid, karbohidrat. Untuk apa ini digunakan?
Materi ini memainkan peran yang menentukan: dalam pemeliharaan struktur spasial protein (kuartener), dalam penerapan prinsip saling melengkapi asam nukleat (yaitu dalam implementasi dan penyimpanan informasi genetik), secara umum dalam “pengenalan” pada tingkat molekuler.
Ion hidrogen H+ mengambil bagian dalam reaksi/proses dinamis yang penting dalam tubuh. Termasuk: dalam oksidasi biologis, yang menyediakan energi bagi sel-sel hidup, dalam reaksi biosintesis, dalam fotosintesis pada tumbuhan, dalam fotosintesis bakteri dan fiksasi nitrogen, dalam menjaga keseimbangan asam-basa dan homeostasis, dalam proses transpor membran. Seiring dengan karbon dan oksigen, ia membentuk senyawa fungsional dan dasar struktural fenomena kehidupan.
