Das Wasserstoffatom hat die elektronische Formel des äußeren (und einzigen) Elektrons der Ebene 1 S 1 . Einerseits ähnelt das Wasserstoffatom hinsichtlich der Anwesenheit eines Elektrons auf der äußeren elektronischen Ebene den Alkalimetallatomen. Allerdings benötigt es, genau wie Halogene, nur ein Elektron, um die äußere elektronische Ebene zu füllen, da die erste elektronische Ebene nicht mehr als 2 Elektronen enthalten kann. Es stellt sich heraus, dass Wasserstoff gleichzeitig sowohl in die erste als auch in die vorletzte (siebte) Gruppe des Periodensystems eingeordnet werden kann, was manchmal in verschiedenen Versionen des Periodensystems geschieht:

Was die Eigenschaften von Wasserstoff als einfacher Substanz angeht, hat er noch mehr Gemeinsamkeiten mit Halogenen. Wasserstoff ist wie Halogene ein Nichtmetall und bildet wie diese zweiatomige Moleküle (H 2).

Unter normalen Bedingungen ist Wasserstoff ein gasförmiger, wenig aktiver Stoff. Die geringe Aktivität von Wasserstoff erklärt sich aus der hohen Festigkeit der Bindungen zwischen den Wasserstoffatomen im Molekül, deren Aufbrechen entweder starkes Erhitzen oder den Einsatz von Katalysatoren oder beides erfordert.

Wechselwirkung von Wasserstoff mit einfachen Stoffen

mit Metallen

Von den Metallen reagiert Wasserstoff nur mit Alkali- und Erdalkalimetallen! Zu den Alkalimetallen gehören Metalle der Hauptuntergruppe der Gruppe I (Li, Na, K, Rb, Cs, Fr) und zu den Erdalkalimetallen gehören Metalle der Hauptuntergruppe der Gruppe II, außer Beryllium und Magnesium (Ca, Sr, Ba, Ra)

Bei der Wechselwirkung mit aktiven Metallen zeigt Wasserstoff oxidierende Eigenschaften, d.h. senkt seinen Oxidationszustand. Dabei entstehen Hydride von Alkali- und Erdalkalimetallen, die eine ionische Struktur aufweisen. Beim Erhitzen findet die Reaktion statt:

Es ist zu beachten, dass die Wechselwirkung mit aktiven Metallen nur dann auftritt, wenn molekularer Wasserstoff H2 ein Oxidationsmittel ist.

mit Nichtmetallen

Von den Nichtmetallen reagiert Wasserstoff nur mit Kohlenstoff, Stickstoff, Sauerstoff, Schwefel, Selen und Halogenen!

Unter Kohlenstoff ist Graphit oder amorpher Kohlenstoff zu verstehen, da Diamant eine äußerst inerte allotrope Modifikation von Kohlenstoff ist.

Bei der Wechselwirkung mit Nichtmetallen kann Wasserstoff nur die Funktion eines Reduktionsmittels erfüllen, also nur seine Oxidationsstufe erhöhen:

Wechselwirkung von Wasserstoff mit komplexen Stoffen

mit Metalloxiden

Wasserstoff reagiert nicht mit Metalloxiden, die in der Aktivitätsreihe von Metallen bis hin zu Aluminium (einschließlich) liegen, ist jedoch in der Lage, beim Erhitzen viele Metalloxide rechts von Aluminium zu reduzieren:

mit Nichtmetalloxiden

Von den Nichtmetalloxiden reagiert Wasserstoff beim Erhitzen mit den Oxiden von Stickstoff, Halogenen und Kohlenstoff. Von allen Wechselwirkungen von Wasserstoff mit Nichtmetalloxiden ist seine Reaktion mit Kohlenmonoxid CO besonders hervorzuheben.

Das Gemisch aus CO und H2 hat sogar einen eigenen Namen – „Synthesegas“, da daraus je nach Bedingungen so beliebte Industrieprodukte wie Methanol, Formaldehyd und sogar synthetische Kohlenwasserstoffe gewonnen werden können:

mit Säuren

Wasserstoff reagiert nicht mit anorganischen Säuren!

Von organischen Säuren reagiert Wasserstoff nur mit ungesättigten Säuren sowie mit Säuren, die funktionelle Gruppen enthalten, die zur Reduktion mit Wasserstoff fähig sind, insbesondere Aldehyd-, Keto- oder Nitrogruppen.

mit Salzen

Bei wässrigen Salzlösungen findet deren Wechselwirkung mit Wasserstoff nicht statt. Wenn jedoch Wasserstoff über feste Salze einiger Metalle mittlerer und geringer Aktivität geleitet wird, ist deren teilweise oder vollständige Reduktion möglich, zum Beispiel:

Chemische Eigenschaften von Halogenen

Halogene sind die chemischen Elemente der Gruppe VIIA (F, Cl, Br, I, At) sowie die einfachen Stoffe, die sie bilden. Hier und im weiteren Text werden Halogene, sofern nicht anders angegeben, als einfache Stoffe verstanden.

Alle Halogene haben eine molekulare Struktur, die den niedrigen Schmelz- und Siedepunkt dieser Stoffe bestimmt. Halogenmoleküle sind zweiatomig, d.h. ihre Formel kann in allgemeiner Form als Hal 2 geschrieben werden.

Es sollte eine so spezifische physikalische Eigenschaft von Jod wie seine Fähigkeit beachtet werden Sublimation oder, mit anderen Worten, Sublimation. Sublimation ist ein Phänomen, bei dem ein Stoff im festen Zustand beim Erhitzen nicht schmilzt, sondern unter Umgehung der flüssigen Phase sofort in den gasförmigen Zustand übergeht.

Die elektronische Struktur des externen Energieniveaus eines Atoms eines beliebigen Halogens hat die Form ns 2 np 5, wobei n die Nummer der Periodensystemperiode ist, in der sich das Halogen befindet. Wie Sie sehen können, benötigen die Halogenatome nur ein Elektron, um die äußere Schale mit acht Elektronen zu erreichen. Daraus lässt sich folgerichtig auf die überwiegend oxidierenden Eigenschaften freier Halogene schließen, was sich in der Praxis bestätigt. Bekanntlich nimmt die Elektronegativität von Nichtmetallen ab, wenn man eine Untergruppe nach unten bewegt, und daher nimmt die Aktivität von Halogenen in der Reihe ab:

F 2 > Cl 2 > Br 2 > I 2

Wechselwirkung von Halogenen mit einfachen Stoffen

Alle Halogene sind hochreaktive Stoffe und reagieren mit den meisten einfachen Stoffen. Allerdings ist zu beachten, dass Fluor aufgrund seiner extrem hohen Reaktivität auch mit einfachen Stoffen reagieren kann, mit denen andere Halogene nicht reagieren können. Zu diesen einfachen Substanzen gehören Sauerstoff, Kohlenstoff (Diamant), Stickstoff, Platin, Gold und einige Edelgase (Xenon und Krypton). Diese. Genau genommen, Fluor reagiert nicht nur mit einigen Edelgasen.

Die restlichen Halogene, d.h. Chlor, Brom und Jod sind ebenfalls aktive Substanzen, jedoch weniger aktiv als Fluor. Sie reagieren mit fast allen einfachen Stoffen außer Sauerstoff, Stickstoff, Kohlenstoff in Form von Diamant, Platin, Gold und Edelgasen.

Wechselwirkung von Halogenen mit Nichtmetallen

Wasserstoff

Wenn alle Halogene mit Wasserstoff interagieren, entstehen sie Halogenwasserstoffe mit der allgemeinen Formel HHal. In diesem Fall beginnt die Reaktion von Fluor mit Wasserstoff auch im Dunkeln spontan und verläuft explosionsartig nach der Gleichung:

Die Reaktion von Chlor mit Wasserstoff kann durch intensive UV-Bestrahlung oder Hitze ausgelöst werden. Geht auch mit Explosion weiter:

Brom und Jod reagieren nur beim Erhitzen mit Wasserstoff, gleichzeitig ist die Reaktion mit Jod reversibel:

Phosphor

Die Wechselwirkung von Fluor mit Phosphor führt zur Oxidation von Phosphor zur höchsten Oxidationsstufe (+5). Dabei entsteht Phosphorpentafluorid:

Bei der Wechselwirkung von Chlor und Brom mit Phosphor können Phosphorhalogenide sowohl in der Oxidationsstufe +3 als auch in der Oxidationsstufe +5 erhalten werden, was von den Anteilen der reagierenden Stoffe abhängt:

Darüber hinaus beginnt die Reaktion bei weißem Phosphor in einer Atmosphäre aus Fluor, Chlor oder flüssigem Brom spontan.

Die Wechselwirkung von Phosphor mit Jod kann aufgrund seiner im Vergleich zu anderen Halogenen deutlich geringeren Oxidationsfähigkeit nur zur Bildung von Phosphortriodid führen:

grau

Fluor oxidiert Schwefel zur höchsten Oxidationsstufe +6 und bildet Schwefelhexafluorid:

Chlor und Brom reagieren mit Schwefel und bilden Verbindungen, die Schwefel in den für ihn äußerst ungewöhnlichen Oxidationsstufen +1 und +2 enthalten. Diese Wechselwirkungen sind sehr spezifisch, und um das Einheitliche Staatsexamen in Chemie zu bestehen, ist die Fähigkeit, Gleichungen für diese Wechselwirkungen zu schreiben, nicht erforderlich. Daher werden die folgenden drei Gleichungen eher als Referenz angegeben:

Wechselwirkung von Halogenen mit Metallen

Wie oben erwähnt, kann Fluor mit allen Metallen reagieren, auch mit inaktiven Metallen wie Platin und Gold:

Die übrigen Halogene reagieren mit allen Metallen außer Platin und Gold:

Reaktionen von Halogenen mit komplexen Stoffen

Substitutionsreaktionen mit Halogenen

Aktivere Halogene, d.h. deren chemische Elemente höher im Periodensystem stehen, sind in der Lage, weniger aktive Halogene aus den von ihnen gebildeten Halogenwasserstoffsäuren und Metallhalogeniden zu verdrängen:

In ähnlicher Weise verdrängt Brom Schwefel aus Lösungen von Sulfiden und Schwefelwasserstoff:

Chlor ist ein stärkeres Oxidationsmittel und oxidiert Schwefelwasserstoff in seiner wässrigen Lösung nicht zu Schwefel, sondern zu Schwefelsäure:

Reaktion von Halogenen mit Wasser

Wasser verbrennt in Fluor mit blauer Flamme gemäß der Reaktionsgleichung:

Brom und Chlor reagieren mit Wasser anders als Fluor. Wenn Fluor als Oxidationsmittel fungierte, sind Chlor und Brom im Wasser unverhältnismäßig und bilden ein Säuregemisch. In diesem Fall sind die Reaktionen reversibel:

Die Wechselwirkung von Jod mit Wasser erfolgt in einem so unbedeutenden Ausmaß, dass sie vernachlässigt werden kann und davon ausgegangen werden kann, dass die Reaktion überhaupt nicht stattfindet.

Wechselwirkung von Halogenen mit Alkalilösungen

Fluor wirkt bei Wechselwirkung mit einer wässrigen Alkalilösung wiederum als Oxidationsmittel:

Die Fähigkeit, diese Gleichung zu schreiben, ist nicht erforderlich, um das Einheitliche Staatsexamen zu bestehen. Es reicht aus, die Möglichkeit einer solchen Wechselwirkung und die oxidative Rolle von Fluor bei dieser Reaktion zu kennen.

Im Gegensatz zu Fluor sind andere Halogene in alkalischen Lösungen disproportional, das heißt, sie erhöhen und verringern gleichzeitig ihren Oxidationszustand. Darüber hinaus ist bei Chlor und Brom je nach Temperatur eine Strömung in zwei unterschiedliche Richtungen möglich. Insbesondere in der Kälte laufen die Reaktionen wie folgt ab:

und wenn erhitzt:

Jod reagiert mit Alkalien ausschließlich nach der zweiten Möglichkeit, d.h. unter Bildung von Jodat, weil Hypoiodit ist nicht nur beim Erhitzen, sondern auch bei normalen Temperaturen und sogar in der Kälte nicht stabil.

• Bezeichnung - H (Wasserstoff);
• Lateinischer Name - Hydrogenium;
• Punkt - I;
• Gruppe - 1 (Ia);
• Atommasse - 1,00794;
• Ordnungszahl - 1;
• Atomradius = 53 Uhr;
• Kovalenter Radius = 32 Uhr;
• Elektronenverteilung - 1s 1;
• Schmelztemperatur = -259,14°C;
• Siedepunkt = -252,87°C;
• Elektronegativität (nach Pauling/nach Alpred und Rochow) = 2,02/-;
• Oxidationsstufe: +1; 0; -1;
• Dichte (Anzahl) = 0,0000899 g/cm 3 ;
• Molvolumen = 14,1 cm 3 /mol.

Binäre Verbindungen von Wasserstoff mit Sauerstoff:

Wasserstoff („Wasser gebärend“) wurde 1766 vom englischen Wissenschaftler G. Cavendish entdeckt. Es ist das einfachste Element in der Natur – ein Wasserstoffatom hat einen Kern und ein Elektron, weshalb Wasserstoff wahrscheinlich das am häufigsten vorkommende Element im Universum ist (mehr als die Hälfte der Masse der meisten Sterne).

Über Wasserstoff können wir sagen: „Die Spule ist klein, aber teuer.“ Trotz seiner „Einfachheit“ versorgt Wasserstoff alle Lebewesen auf der Erde mit Energie – auf der Sonne findet eine kontinuierliche thermonukleare Reaktion statt, bei der aus vier Wasserstoffatomen ein Heliumatom entsteht, dieser Prozess geht mit der Freisetzung einer enormen Energiemenge einher (Weitere Einzelheiten finden Sie unter Kernfusion).

In der Erdkruste beträgt der Massenanteil von Wasserstoff nur 0,15 %. Mittlerweile enthält die überwältigende Mehrheit (95 %) aller auf der Erde bekannten chemischen Substanzen ein oder mehrere Wasserstoffatome.

In Verbindungen mit Nichtmetallen (HCl, H 2 O, CH 4 ...) gibt Wasserstoff sein einziges Elektron an elektronegativere Elemente ab, weist (häufiger) eine Oxidationsstufe von +1 auf und bildet nur kovalente Bindungen (siehe Kovalent). Bindung).

In Verbindungen mit Metallen (NaH, CaH 2 ...) nimmt Wasserstoff hingegen ein weiteres Elektron in sein einziges s-Orbital auf und versucht so, seine elektronische Schicht zu vervollständigen, wobei er (seltener) eine Oxidationsstufe von -1 aufweist. bildet oft eine Ionenbindung (siehe Ionenbindung), da der Unterschied in der Elektronegativität des Wasserstoffatoms und des Metallatoms recht groß sein kann.

H 2

Im gasförmigen Zustand liegt Wasserstoff in Form zweiatomiger Moleküle vor und bildet eine unpolare kovalente Bindung.

Wasserstoffmoleküle haben:

• große Mobilität;
• große Stärke;
• geringe Polarisierbarkeit;
• geringe Größe und Gewicht.

Eigenschaften von Wasserstoffgas:

• das leichteste Gas der Natur, farb- und geruchlos;
• schlecht löslich in Wasser und organischen Lösungsmitteln;
• löst sich in geringen Mengen in flüssigen und festen Metallen (insbesondere Platin und Palladium);
• schwer zu verflüssigen (aufgrund seiner geringen Polarisierbarkeit);
• hat die höchste Wärmeleitfähigkeit aller bekannten Gase;
• Beim Erhitzen reagiert es mit vielen Nichtmetallen und weist die Eigenschaften eines Reduktionsmittels auf.
• bei Raumtemperatur reagiert es mit Fluor (es kommt zu einer Explosion): H 2 + F 2 = 2HF;
• reagiert mit Metallen unter Bildung von Hydriden und zeigt oxidierende Eigenschaften: H 2 + Ca = CaH 2 ;

In Verbindungen zeigt Wasserstoff seine reduzierenden Eigenschaften deutlich stärker als seine oxidierenden Eigenschaften. Wasserstoff ist nach Kohle, Aluminium und Kalzium das stärkste Reduktionsmittel. Die reduzierenden Eigenschaften von Wasserstoff werden in der Industrie häufig genutzt, um aus Oxiden und Galliden Metalle und Nichtmetalle (einfache Stoffe) zu gewinnen.

Fe 2 O 3 + 3H 2 = 2Fe + 3H 2 O

Reaktionen von Wasserstoff mit einfachen Stoffen

Wasserstoff nimmt ein Elektron auf und spielt dabei eine Rolle Reduktionsmittel, in Reaktionen:

• Mit Sauerstoff(bei Zündung oder in Gegenwart eines Katalysators) entsteht im Verhältnis 2:1 (Wasserstoff:Sauerstoff) ein explosives Knallgas: 2H 2 0 +O 2 = 2H 2 +1 O+572 kJ
• Mit grau(bei Erwärmung auf 150°C-300°C): H 2 0 +S ↔ H 2 +1 S
• Mit Chlor(bei Zündung oder Bestrahlung mit UV-Strahlen): H 2 0 +Cl 2 = 2H +1 Cl
• Mit Fluor: H 2 0 +F 2 = 2H +1 F
• Mit Stickstoff(bei Erhitzen in Gegenwart von Katalysatoren oder bei hohem Druck): 3H 2 0 +N 2 ↔ 2NH 3 +1

Wasserstoff spendet ein Elektron und spielt dabei eine Rolle Oxidationsmittel, in Reaktionen mit alkalisch Und Erdalkali Metalle unter Bildung von Metallhydriden – salzartige ionische Verbindungen mit Hydridionen H – das sind instabile weiße kristalline Stoffe.

Ca+H 2 = CaH 2 -1 2Na+H 2 0 = 2NaH -1

Es ist nicht typisch, dass Wasserstoff eine Oxidationsstufe von -1 aufweist. Bei der Reaktion mit Wasser zersetzen sich die Hydride und reduzieren Wasser zu Wasserstoff. Die Reaktion von Calciumhydrid mit Wasser ist wie folgt:

CaH 2 -1 +2H 2 +1 0 = 2H 2 0 +Ca(OH) 2

Reaktionen von Wasserstoff mit komplexen Stoffen

• Bei hohen Temperaturen reduziert Wasserstoff viele Metalloxide: ZnO+H 2 = Zn+H 2 O
• Methylalkohol wird durch die Reaktion von Wasserstoff mit Kohlenmonoxid (II) erhalten: 2H 2 +CO → CH 3 OH
• Bei Hydrierungsreaktionen reagiert Wasserstoff mit vielen organischen Substanzen.

Die Gleichungen chemischer Reaktionen von Wasserstoff und seinen Verbindungen werden auf der Seite „Wasserstoff und seine Verbindungen – Gleichungen chemischer Reaktionen mit Wasserstoff“ ausführlicher besprochen.

Anwendungen von Wasserstoff

• in der Kernenergie werden Wasserstoffisotope verwendet – Deuterium und Tritium;
• in der chemischen Industrie wird Wasserstoff zur Synthese vieler organischer Stoffe, Ammoniak, Chlorwasserstoff verwendet;
• In der Lebensmittelindustrie wird Wasserstoff zur Herstellung fester Fette durch Hydrierung von Pflanzenölen eingesetzt.
• zum Schweißen und Schneiden von Metallen wird die hohe Verbrennungstemperatur von Wasserstoff in Sauerstoff (2600°C) genutzt;
• Bei der Herstellung einiger Metalle wird Wasserstoff als Reduktionsmittel verwendet (siehe oben);
• Da Wasserstoff ein leichtes Gas ist, wird es in der Luftfahrt als Füllstoff für Ballons, Aerostaten und Luftschiffe verwendet.
• Als Kraftstoff wird Wasserstoff im Gemisch mit CO eingesetzt.

In letzter Zeit widmen Wissenschaftler der Suche nach alternativen Quellen erneuerbarer Energie große Aufmerksamkeit. Einer der vielversprechenden Bereiche ist die „Wasserstoff“-Energie, bei der Wasserstoff als Brennstoff verwendet wird, dessen Verbrennungsprodukt gewöhnliches Wasser ist.

Methoden zur Herstellung von Wasserstoff

Industrielle Methoden zur Herstellung von Wasserstoff:

• Methanumwandlung (katalytische Reduktion von Wasserdampf) mit Wasserdampf bei hoher Temperatur (800°C) an einem Nickelkatalysator: CH 4 + 2H 2 O = 4H 2 + CO 2 ;
• Umwandlung von Kohlenmonoxid mit Wasserdampf (t=500°C) an einem Fe 2 O 3-Katalysator: CO + H 2 O = CO 2 + H 2 ;
• thermische Zersetzung von Methan: CH 4 = C + 2H 2;
• Vergasung fester Brennstoffe (t=1000°C): C + H 2 O = CO + H 2 ;
• Elektrolyse von Wasser (eine sehr teure Methode, die sehr reinen Wasserstoff erzeugt): 2H 2 O → 2H 2 + O 2.

Labormethoden zur Herstellung von Wasserstoff:

• Einwirkung auf Metalle (meist Zink) mit Salzsäure oder verdünnter Schwefelsäure: Zn + 2HCl = ZCl 2 + H 2 ; Zn + H 2 SO 4 = ZnSO 4 + H 2;
• Wechselwirkung von Wasserdampf mit heißen Eisenspänen: 4H 2 O + 3Fe = Fe 3 O 4 + 4H 2.

DEFINITION

Wasserstoff– das erste Element des Periodensystems der chemischen Elemente D.I. Mendelejew. Symbol - N.

Atommasse – 1 amu. Das Wasserstoffmolekül ist zweiatomig – H2.

Die elektronische Konfiguration des Wasserstoffatoms ist 1s 1. Wasserstoff gehört zur Familie der S-Elemente. In seinen Verbindungen weist es die Oxidationsstufen -1, 0, +1 auf. Natürlicher Wasserstoff besteht aus zwei stabilen Isotopen – Protium 1H (99,98 %) und Deuterium 2H (D) (0,015 %) – und dem radioaktiven Isotop Tritium 3H (T) (Spuren, Halbwertszeit – 12,5 Jahre).

Chemische Eigenschaften von Wasserstoff

Unter normalen Bedingungen weist molekularer Wasserstoff eine relativ geringe Reaktivität auf, was durch die hohe Bindungsstärke im Molekül erklärt wird. Beim Erhitzen interagiert es mit fast allen einfachen Stoffen, die aus Elementen der Hauptuntergruppen bestehen (außer Edelgasen, B, Si, P, Al). Bei chemischen Reaktionen kann es sowohl als Reduktionsmittel (häufiger) als auch als Oxidationsmittel (seltener) wirken.

Wasserstoff-Exponate Eigenschaften des Reduktionsmittels(H 2 0 -2e → 2H +) in den folgenden Reaktionen:

1. Wechselwirkungsreaktionen mit einfachen Stoffen - Nichtmetallen. Wasserstoff reagiert mit Halogenen, außerdem die Reaktion der Wechselwirkung mit Fluor unter normalen Bedingungen, im Dunkeln, bei einer Explosion, mit Chlor – unter Beleuchtung (oder UV-Bestrahlung) nach einem Kettenmechanismus, mit Brom und Jod nur beim Erhitzen; Sauerstoff(Eine Mischung aus Sauerstoff und Wasserstoff im Volumenverhältnis 2:1 wird als „explosives Gas“ bezeichnet), grau, Stickstoff Und Kohlenstoff:

H 2 + Hal 2 = 2HHal;

2H 2 + O 2 = 2H 2 O + Q (t);

H 2 + S = H 2 S (t = 150 – 300 °C);

3H 2 + N 2 ↔ 2NH 3 (t = 500C, p, kat = Fe, Pt);

2H 2 + C ↔ CH 4 (t, p, kat).

2. Wechselwirkungsreaktionen mit komplexen Substanzen. Wasserstoff reagiert mit Oxiden schwachaktiver Metalle, und es ist in der Lage, nur Metalle zu reduzieren, die in der Aktivitätsreihe rechts von Zink stehen:

CuO + H 2 = Cu + H 2 O (t);

Fe 2 O 3 + 3H 2 = 2Fe + 3H 2 O (t);

WO 3 + 3H 2 = W + 3H 2 O (t).

Wasserstoff reagiert mit Nichtmetalloxiden:

H 2 + CO 2 ↔ CO + H 2 O (t);

2H 2 + CO ↔ CH 3 OH (t = 300C, p = 250 – 300 atm., kat = ZnO, Cr 2 O 3).

Wasserstoff geht Hydrierungsreaktionen mit organischen Verbindungen der Klasse der Cycloalkane, Alkene, Arene, Aldehyde und Ketone usw. ein. Alle diese Reaktionen werden unter Erhitzen, unter Druck und unter Verwendung von Platin oder Nickel als Katalysatoren durchgeführt:

CH 2 = CH 2 + H 2 ↔ CH 3 -CH 3 ;

C 6 H 6 + 3H 2 ↔ C 6 H 12 ;

C 3 H 6 + H 2 ↔ C 3 H 8;

CH 3 CHO + H 2 ↔ CH 3 -CH 2 -OH;

CH 3 -CO-CH 3 + H 2 ↔ CH 3 -CH(OH)-CH 3 .

Wasserstoff als Oxidationsmittel(H 2 +2e → 2H -) tritt bei Reaktionen mit Alkali- und Erdalkalimetallen auf. Dabei entstehen Hydride – kristalline ionische Verbindungen, in denen Wasserstoff die Oxidationsstufe -1 aufweist.

2Na +H 2 ↔ 2NaH (t, p).

Ca + H 2 ↔ CaH 2 (t, p).

Physikalische Eigenschaften von Wasserstoff

Wasserstoff ist ein leichtes, farb- und geruchloses Gas, dessen Dichte bei Umgebungsbedingungen gering ist. – 0,09 g/l, 14,5-mal leichter als Luft, t kochen = -252,8 °C, t pl = -259,2 °C. Wasserstoff ist in Wasser und organischen Lösungsmitteln schlecht löslich; in einigen Metallen ist er gut löslich: Nickel, Palladium, Platin.

Nach der modernen Kosmochemie ist Wasserstoff das häufigste Element im Universum. Die Hauptexistenzform von Wasserstoff im Weltraum sind einzelne Atome. Wasserstoff ist von allen Elementen das neunthäufigste Element auf der Erde. Der Großteil des Wasserstoffs auf der Erde liegt in gebundenem Zustand vor – in der Zusammensetzung von Wasser, Öl, Erdgas, Kohle etc. Wasserstoff kommt selten in Form einer einfachen Substanz vor – in der Zusammensetzung vulkanischer Gase.

Wasserstoffproduktion

Es gibt Labor- und Industriemethoden zur Herstellung von Wasserstoff. Zu den Labormethoden gehören die Wechselwirkung von Metallen mit Säuren (1) sowie die Wechselwirkung von Aluminium mit wässrigen Alkalilösungen (2). Unter den industriellen Methoden zur Herstellung von Wasserstoff spielen die Elektrolyse wässriger Lösungen von Alkalien und Salzen (3) und die Methanumwandlung (4) eine wichtige Rolle:

Zn + 2HCl = ZnCl 2 + H 2 (1);

2Al + 2NaOH + 6H 2 O = 2Na +3 H 2 (2);

2NaCl + 2H 2 O = H 2 + Cl 2 + 2NaOH (3);

CH 4 + H 2 O ↔ CO + H 2 (4).

Beispiele für Problemlösungen

BEISPIEL 1

Übung	Bei der Reaktion von 23,8 g metallischem Zinn mit einem Überschuss an Salzsäure wurde Wasserstoff in einer ausreichenden Menge freigesetzt, um 12,8 g metallisches Kupfer zu erhalten. Bestimmen Sie den Oxidationszustand von Zinn in der resultierenden Verbindung.
Lösung	Basierend auf der elektronischen Struktur des Zinnatoms (...5s 2 5p 2) können wir schließen, dass Zinn durch zwei Oxidationsstufen gekennzeichnet ist – +2, +4. Darauf aufbauend erstellen wir Gleichungen für mögliche Reaktionen: Sn + 2HCl = H 2 + SnCl 2 (1); Sn + 4HCl = 2H 2 + SnCl 4 (2); CuO + H 2 = Cu + H 2 O (3). Lassen Sie uns die Menge an Kupfersubstanz ermitteln: v(Cu) = m(Cu)/M(Cu) = 12,8/64 = 0,2 mol. Gemäß Gleichung 3 ist die Menge an Wasserstoffsubstanz: v(H 2) = v(Cu) = 0,2 mol. Wenn wir die Masse von Zinn kennen, ermitteln wir die Stoffmenge: v(Sn) = m(Sn)/M(Sn) = 23,8/119 = 0,2 mol. Vergleichen wir die Mengen an Zinn- und Wasserstoffsubstanzen gemäß den Gleichungen 1 und 2 und gemäß den Bedingungen des Problems: v 1 (Sn): v 1 (H 2) = 1:1 (Gleichung 1); v 2 (Sn): v 2 (H 2) = 1:2 (Gleichung 2); v(Sn): v(H 2) = 0,2:0,2 = 1:1 (Problembedingung). Daher reagiert Zinn mit Salzsäure gemäß Gleichung 1 und die Oxidationsstufe von Zinn beträgt +2.
Antwort	Die Oxidationsstufe von Zinn beträgt +2.

BEISPIEL 2

Übung	Das durch die Einwirkung von 2,0 g Zink pro 18,7 ml 14,6 %iger Salzsäure (Lösungsdichte 1,07 g/ml) freigesetzte Gas wurde beim Erhitzen über 4,0 g Kupfer(II)-oxid geleitet. Wie groß ist die Masse des resultierenden Feststoffgemisches?
Lösung	Bei der Reaktion von Zink mit Salzsäure wird Wasserstoff freigesetzt: Zn + 2HCl = ZnСl 2 + H 2 (1), das beim Erhitzen Kupfer(II)-oxid zu Kupfer(2) reduziert: CuO + H 2 = Cu + H 2 O. Lassen Sie uns die Stoffmengen in der ersten Reaktion ermitteln: m(HCl-Lösung) = 18,7. 1,07 = 20,0 g; m(HCl) = 20,0. 0,146 = 2,92 g; v(HCl) = 2,92/36,5 = 0,08 mol; v(Zn) = 2,0/65 = 0,031 mol. Da Zink knapp ist, beträgt die Menge an freigesetztem Wasserstoff: v(H 2) = v(Zn) = 0,031 mol. In der zweiten Reaktion ist Wasserstoff knapp, weil: v(СuО) = 4,0/80 = 0,05 mol. Als Ergebnis der Reaktion werden 0,031 Mol CuO in 0,031 Mol Cu umgewandelt, und der Massenverlust beträgt: m(СuО) – m(Сu) = 0,031×80 – 0,031×64 = 0,50 g. Die Masse der festen Mischung aus CuO und Cu nach Durchleiten von Wasserstoff beträgt: 4,0-0,5 = 3,5 g.
Antwort	Die Masse der festen Mischung aus CuO und Cu beträgt 3,5 g.

Schauen wir uns an, was Wasserstoff ist. Die chemischen Eigenschaften und die Herstellung dieses Nichtmetalls werden im Kurs Anorganische Chemie in der Schule untersucht. Dieses Element steht an der Spitze des Periodensystems von Mendelejew und verdient daher eine ausführliche Beschreibung.

Kurze Informationen zum Öffnen eines Elements

Bevor wir uns die physikalischen und chemischen Eigenschaften von Wasserstoff ansehen, wollen wir herausfinden, wie dieses wichtige Element gefunden wurde.

Chemiker, die im 16. und 17. Jahrhundert arbeiteten, erwähnten in ihren Schriften wiederholt das brennbare Gas, das freigesetzt wird, wenn Säuren aktiven Metallen ausgesetzt werden. In der zweiten Hälfte des 18. Jahrhunderts gelang es G. Cavendish, dieses Gas zu sammeln und zu analysieren, was ihm den Namen „brennbares Gas“ gab.

Die physikalischen und chemischen Eigenschaften von Wasserstoff wurden damals noch nicht untersucht. Erst Ende des 18. Jahrhunderts konnte A. Lavoisier durch Analyse nachweisen, dass dieses Gas durch Analyse von Wasser gewonnen werden konnte. Wenig später begann er, das neue Element Wasserstoff zu nennen, was übersetzt „Wasser gebärend“ bedeutet. Seinen modernen russischen Namen verdankt Wasserstoff M. F. Solovyov.

In der Natur sein

Die chemischen Eigenschaften von Wasserstoff können nur anhand seines Vorkommens in der Natur analysiert werden. Dieses Element kommt in der Hydro- und Lithosphäre vor und ist auch Bestandteil von Mineralien: Erdgas und Begleitgas, Torf, Öl, Kohle, Ölschiefer. Man kann sich kaum einen Erwachsenen vorstellen, der nicht wüsste, dass Wasserstoff ein Bestandteil von Wasser ist.

Darüber hinaus kommt dieses Nichtmetall im tierischen Körper in Form von Nukleinsäuren, Proteinen, Kohlenhydraten und Fetten vor. Auf unserem Planeten kommt dieses Element in freier Form eher selten vor, vielleicht nur in natürlichem und vulkanischem Gas.

Wasserstoff macht in Form von Plasma etwa die Hälfte der Masse von Sternen und der Sonne aus und ist auch Teil des interstellaren Gases. Dieses Nichtmetall kommt beispielsweise in freier Form sowie in Form von Methan und Ammoniak in Kometen und sogar einigen Planeten vor.

Physikalische Eigenschaften

Bevor wir die chemischen Eigenschaften von Wasserstoff betrachten, stellen wir fest, dass es sich unter normalen Bedingungen um eine gasförmige Substanz handelt, die leichter als Luft ist und mehrere Isotopenformen aufweist. Es ist nahezu wasserunlöslich und weist eine hohe Wärmeleitfähigkeit auf. Protium gilt mit der Massenzahl 1 als seine leichteste Form. Tritium, das radioaktive Eigenschaften besitzt, entsteht in der Natur aus Luftstickstoff, wenn Neuronen es UV-Strahlen aussetzen.

Merkmale der Struktur des Moleküls

Um die chemischen Eigenschaften von Wasserstoff und die für ihn charakteristischen Reaktionen zu betrachten, wollen wir uns mit den Merkmalen seiner Struktur befassen. Dieses zweiatomige Molekül enthält eine kovalente unpolare chemische Bindung. Die Bildung von atomarem Wasserstoff ist durch die Wechselwirkung aktiver Metalle mit sauren Lösungen möglich. In dieser Form kann dieses Nichtmetall jedoch nur für kurze Zeit existieren; fast sofort rekombiniert es wieder zu einer molekularen Form.

Chemische Eigenschaften

Betrachten wir die chemischen Eigenschaften von Wasserstoff. In den meisten Verbindungen, die dieses chemische Element bildet, weist es eine Oxidationsstufe von +1 auf, wodurch es aktiven (Alkali-)Metallen ähnelt. Die wichtigsten chemischen Eigenschaften von Wasserstoff, die ihn als Metall charakterisieren:

• Wechselwirkung mit Sauerstoff unter Bildung von Wasser;
• Reaktion mit Halogenen unter Bildung von Halogenwasserstoff;
• Durch die Verbindung mit Schwefel entsteht Schwefelwasserstoff.

Nachfolgend finden Sie die Gleichung für Reaktionen, die die chemischen Eigenschaften von Wasserstoff charakterisieren. Bitte beachten Sie, dass es als Nichtmetall (mit Oxidationsstufe -1) nur in Reaktion mit aktiven Metallen reagiert und mit diesen entsprechende Hydride bildet.

Wasserstoff reagiert bei normalen Temperaturen inaktiv mit anderen Substanzen, sodass die meisten Reaktionen erst nach dem Vorheizen stattfinden.

Lassen Sie uns näher auf einige der chemischen Wechselwirkungen des Elements eingehen, das Mendelejews Periodensystem chemischer Elemente anführt.

Die Reaktion der Wasserbildung geht mit der Freisetzung von 285,937 kJ Energie einher. Bei erhöhten Temperaturen (mehr als 550 Grad Celsius) geht dieser Vorgang mit einer starken Explosion einher.

Unter den chemischen Eigenschaften von Wasserstoffgas, die in der Industrie bedeutende Anwendung gefunden haben, ist seine Wechselwirkung mit Metalloxiden von Interesse. Durch katalytische Hydrierung werden in der modernen Industrie Metalloxide verarbeitet, beispielsweise wird reines Metall aus Eisenzunder isoliert (Mischeisenoxid). Diese Methode ermöglicht ein effizientes Recycling von Altmetall.

Auch in der modernen chemischen Industrie ist die Ammoniaksynthese gefragt, bei der Wasserstoff mit Luftstickstoff interagiert. Zu den Bedingungen dieser chemischen Wechselwirkung zählen Druck und Temperatur.

Abschluss

Wasserstoff ist unter normalen Bedingungen eine chemische Substanz mit geringer Aktivität. Mit steigender Temperatur nimmt seine Aktivität deutlich zu. Dieser Stoff ist in der organischen Synthese gefragt. Beispielsweise können durch Hydrierung Ketone zu sekundären Alkoholen reduziert und Aldehyde in primäre Alkohole umgewandelt werden. Darüber hinaus ist es durch Hydrierung möglich, ungesättigte Kohlenwasserstoffe der Ethylen- und Acetylenklasse in gesättigte Verbindungen der Methanreihe umzuwandeln. Wasserstoff gilt zu Recht als einfacher Stoff, der in der modernen Chemieproduktion gefragt ist.

Chemische Eigenschaften von Wasserstoff

Unter normalen Bedingungen ist molekularer Wasserstoff relativ wenig aktiv und verbindet sich direkt nur mit den aktivsten Nichtmetallen (mit Fluor und im Licht mit Chlor). Beim Erhitzen reagiert es jedoch mit vielen Elementen.

Wasserstoff reagiert mit einfachen und komplexen Stoffen:

- Wechselwirkung von Wasserstoff mit Metallen führt zur Bildung komplexer Stoffe - Hydride, in deren chemischen Formeln das Metallatom immer an erster Stelle steht:

Bei hoher Temperatur reagiert Wasserstoff direkt mit einigen Metallen(Alkali, Erdalkali und andere), die weiße kristalline Substanzen bilden - Metallhydride (Li H, Na H, KH, CaH 2 usw.):

H 2 + 2Li = 2LiH

Metallhydride zersetzen sich leicht durch Wasser unter Bildung des entsprechenden Alkalis und Wasserstoffs:

Ca H 2 + 2H 2 O = Ca(OH) 2 + 2H 2

- Wenn Wasserstoff mit Nichtmetallen interagiert Es entstehen flüchtige Wasserstoffverbindungen. In der chemischen Formel einer flüchtigen Wasserstoffverbindung kann das Wasserstoffatom je nach Position im PSHE entweder an erster oder zweiter Stelle stehen (siehe Tafel in der Folie):

1). Mit Sauerstoff Wasserstoff bildet Wasser:

Video „Wasserstoffverbrennung“

2H 2 + O 2 = 2H 2 O + Q

Bei normalen Temperaturen verläuft die Reaktion äußerst langsam, oberhalb von 550°C – mit Explosion (eine Mischung aus 2 Volumina H 2 und 1 Volumen O 2 wird genannt explosives Gas) .

Video „Explosion von Knallgas“

Video „Herstellung und Explosion eines explosiven Gemisches“

2). Mit Halogenen Wasserstoff bildet beispielsweise Halogenwasserstoffe:

H 2 + Cl 2 = 2HCl

Gleichzeitig explodiert Wasserstoff mit Fluor (auch im Dunkeln und bei -252°C), reagiert mit Chlor und Brom nur bei Beleuchtung oder Erhitzen und mit Jod nur bei Erhitzen.

3). Mit Stickstoff Wasserstoff reagiert zu Ammoniak:

ZN 2 + N 2 = 2NH 3

nur an einem Katalysator und bei erhöhten Temperaturen und Drücken.

4). Beim Erhitzen reagiert Wasserstoff heftig mit Schwefel:

H 2 + S = H 2 S (Schwefelwasserstoff),

viel schwieriger ist es bei Selen und Tellur.

5). Mit reinem Kohlenstoff Wasserstoff kann ohne Katalysator nur bei hohen Temperaturen reagieren:

2H 2 + C (amorph) = CH 4 (Methan)

- Wasserstoff unterliegt einer Substitutionsreaktion mit Metalloxiden Dabei entsteht Wasser in den Produkten und das Metall wird reduziert. Wasserstoff – weist die Eigenschaften eines Reduktionsmittels auf:

Wasserstoff wird verwendet zur Rückgewinnung vieler Metalle, da es ihren Oxiden Sauerstoff entzieht:

Fe 3 O 4 + 4H 2 = 3Fe + 4H 2 O usw.

Anwendungen von Wasserstoff

Video „Wasserstoff nutzen“

Derzeit wird Wasserstoff in großen Mengen produziert. Ein sehr großer Teil davon wird bei der Ammoniaksynthese, der Hydrierung von Fetten sowie bei der Hydrierung von Kohle, Ölen und Kohlenwasserstoffen verwendet. Darüber hinaus wird Wasserstoff zur Synthese von Salzsäure, Methylalkohol, Blausäure, beim Schweißen und Schmieden von Metallen sowie bei der Herstellung von Glühlampen und Edelsteinen verwendet. Wasserstoff wird in Flaschen unter einem Druck von über 150 atm verkauft. Sie sind dunkelgrün lackiert und tragen eine rote Aufschrift „Hydrogen“.

Wasserstoff wird verwendet, um flüssige Fette in feste Fette umzuwandeln (Hydrierung), wobei durch Hydrierung von Kohle und Heizöl flüssiger Kraftstoff entsteht. In der Metallurgie wird Wasserstoff als Reduktionsmittel für Oxide oder Chloride zur Herstellung von Metallen und Nichtmetallen (Germanium, Silizium, Gallium, Zirkonium, Hafnium, Molybdän, Wolfram usw.) verwendet.

Die praktischen Einsatzmöglichkeiten von Wasserstoff sind vielfältig: Meist wird er zum Befüllen von Sondenballons verwendet, in der chemischen Industrie dient er als Rohstoff für die Herstellung vieler sehr wichtiger Produkte (Ammoniak etc.), in der Lebensmittelindustrie – für die Produktion von festen Fetten aus Pflanzenölen usw. Hochtemperatur (bis zu 2600 °C), gewonnen durch Verbrennung von Wasserstoff in Sauerstoff, wird zum Schmelzen von hochschmelzenden Metallen, Quarz usw. verwendet. Flüssiger Wasserstoff ist einer der effizientesten Flugtreibstoffe. Der jährliche globale Wasserstoffverbrauch übersteigt 1 Million Tonnen.

SIMULATOREN

Nr. 2. Wasserstoff

ZUTEILUNGSAUFGABEN

Aufgabe Nr. 1
Schreiben Sie Reaktionsgleichungen für die Wechselwirkung von Wasserstoff mit folgenden Stoffen auf: F 2, Ca, Al 2 O 3, Quecksilber(II)-oxid, Wolfram(VI)-oxid. Benennen Sie die Reaktionsprodukte und geben Sie die Reaktionstypen an.

Aufgabe Nr. 2
Führen Sie Transformationen nach dem Schema durch:
H 2 O -> H 2 -> H 2 S -> SO 2

Aufgabe Nr. 3.
Berechnen Sie die Wassermasse, die durch die Verbrennung von 8 g Wasserstoff gewonnen werden kann?