دانلود تحقیق خواص هیدروژن

هیدروژن سبکترین عنصر است و مولکول آن گازی بی رنگ، بی بود و بی طعم است.

خواص هیدروژن در جدول 1-1 خلاصه شده است.

دمای جوش و دمای ذوب بسیار کم هیدروژن نشانه‌ای از ضعیف بودن نیروهای جاذبه بین مولکولی در حالتهای مایع و جامد آن است.

چگالی هیدروژن در حدود  چگالی هواست و انحلالپذیری آن در آب بسیار کم است.

هیدروژن گازی آتشگیر است و با آن باید با احتیاط کارکرد.

هیدروژن در دمای زیاد یا بر اثر جرقه الکتریکی با اکسیژن ترکیب شده، آب می دهد.

هوایی که حداقل 1/4 درصد تا حداکثر 2/74 درصد حجمی هیدروژن داشته باشد، بالقوه منفجر شونده است.

هوایی که حداقل 1/4 درصد تا حداکثر 2/74 درصد حجمی هیدروژن داشته باشد، بالقوه منفجر شونده است.

جدول 1-1 خواص هیدروژن انرژی تفکیک پیوند هیدروژن – هیدروژن نسبتاً زیاد است و از این رو، مولکول هیدروژن بسیار پایدار است.

چون مقدار زیادی انرژی برای گسستن پیوند H-H لازم است.

فعالیت شیمیایی این مولکول زیاد نیست و بسیاری از واکنشهای آن کند است.

از این رو، انجام یک واکنش رضایتبخش با مولکول 2H به دمای زیاد یا کاتالیزگر نیاز دارد.

این کاتالیزگرها در بساری از موارد مولکول را شکسته، به اتم تبدیل یم کنند.

اتمهای هیدروژن از نظر شیمیایی بسیار فعالند.

یون +H صرفاً یک پروتون است و هیچ یون مثبت دیگری که دارای بار 1+ باشد به کوچکی بون هیدروژن و چگالی بار هیچ یونی به بزرگی چگالی بار یون +H نیست، زیرا در یون هیدروژن، بار مثبت پروتون کاملاً بدون حفاظ است.

اگرچه +H در منطقه بالای جو وجود دارد، ولی معمولاً با یک یا تعداد بیشتری مولکول آب همراه است.

یون +H را در محلول آبی به صورت یون هیدرونیوم، +O3H، نشان می دهند.

آرایش الکترونی هیدروژن به صورت است و به دو طریق می تواند به آرایش گاز نجیب بعدی یعنی، هلیم برسد: (1) با اضافه شدن یک الکترون به آن و تشکیل یون هیدرید -H یا (2) توسط اشتراک الکترون با اتم دیگر در یک پیوند کووالانسی.

هیدروژن در بیشتر ترکیبهای خود پیوند کووالانسی دارد.

مولکول هیدروژن که دو پروتون و دو الکترون دارد، سبکترین و ساده ترین مولکول است.

تشکیل پیوند هیدروژنی یکی از خواص ویژه هیدروژنی است که به وسیله پیوند کووالانسی به یک اتم کوچک و کاملاً الکترونگاتیو (مثل فلوئور، اکسیژن یا نیتروژن) متصل شده است.

یون هیدرید فقط از ترکیب هیدروژن با فلزهایی که به آسانی الکترون از دست می دهند، تشکیل می شود.

مانند سدیم هیدرید، NaH.

اغلب، مولکول هیدروژن به صورت یک عامل کاهنده عمل می کند و عدد اکسایش آن از صفر به یک تغییر می کند؛ مانند کاهش آهن (II) اکسید به آهن فلزی تشکیل هیدرید فلزها، مولکول هیدروژن یک عامل کاهنده است و در محصولاتی که به دست می آِد، هیدروژن عدد اکسایش 1+ دارد و به وسیله پیوند کووالانسی به عنصری با الکترونگاتیوی بیشتر متصل شده است.

در هیدرید فلزها، عدد اکسایش هیدروژن 1- است.

ایزوتوپهای هیدروژن هیدروژن سه ایزوتوپ دارد که فراوانترین آنها هیدروژن معمولی (پروتیوم) با عدد جرمی یک است و در هسته خود یک پروتون دارد و با علامت نشان داده می شود.

دو ایزوتوپ دیگر هیدروژن عدد جرمی 2 و 3 دارند.

ایزوتوپی که دارای عدد جرمی دو است در هسته خود یک پروتون و یک نوترون دارد و آن را دوتریم یا هیدروژن سنگین می نامند و آن را با علامت یا D مشخص می کنند.

هیدروژنی که دارای عدد جرمی سه است، در هسته خود یک پروتون و دو نوترون دارد و تریتیم خوانده می شود و آن را با علامت یا T مشخص می کنند.

تریتیم برخلاف هیدروژن معمولی و دوتریم که هسته پایدار دارند، پرتوزا است.

مقدار تریتیم در طبیعت فوق العاده کم است و آن را معمولاً از طریق واکنش هسته ای بین لیتیم و نوترون به دست می‌آورند.

در یک واکنش معین، نسبت اجزای سازنده محصول به دست آمده توسط هر یک از این سه ایزوتوپ یکسان است، زیرا آرایش الکترونی هر سه ایزوتوپ به صورت است.

مثلاً در واکنش کلر با هیدروژن معمولی، دوتریم و تریتیم به ترتیب HCl، DCl و TCl تشکیل می شود.

تنها تفاوت این واکنشها در سرعت آنهاست که برای هیدروژن معمولی از همه بیشتر و برای تریتیم از همه کمتر است.

خواص فیزیکی2H و2D و همچنینO2H وO2D(آب سنگین) در جدول 1-2 با هم مقایسه شده است.

توجه کنید که ایزوتوپهای هیدروژن از نظر خواص شیمیایی یکسانند.

جدول 1-2 مقایسه خواص فیزیکی 2H و 2D و همچنین O2H و O2D واکنشهای هیدروژن در این بخش به بررسی واکنشهای هیدروژن می پردازیم.

الف) واکنش با عنصرها مولکول هیدروژن با بسیاری از عنصرها به طور مستقیم ترکیب می شود.

واکنش هیدروژن با نافلزها در دمای زیاد صورت می گیرد و در این واکنشها، ترکیبهایی با پیوند کووالانسی تشکیل می شود.

مثلاً هیدروژن با تمام هالوژنها ترکیب می شود و هیدروژن هالیدها را به وجود می آورد.

هیدروژن برمید را می توان در آزمایشگاه با عبور دادن مخلوط هیدروژن و برم از روی کاتالیزگر در دمای C ْ 350 تهیه کرد.

آمونیاک را در صنعت از ترکیب مستقیم هیدروژن و نیتروژن به دست می آورند.

ترکیب هیدروژن با اکسیژن جهت تولید آب، اگر چه یک واکنش گرماده است، ولی در دمای معمولی بسیار کند است.

انجام این واکنش در دمای C ْ 2800 استفاده می‌شود.

مولکول هیدروژن در دمای زیاد با بخار گوگرد ترکیب می شود و هیدروژن سولفید می دهد.

این واکنش چندان گرماده نیست.

هیدروژن با فلزهای فعال، هیدریدهای نمک مانند می دهد.

مثلاً لیتیم هیدرید جامدی است متبلور و سفیدرنگ و در دمای C ْ 680 ذوب می‌شود.

ب) واکنش با اکسید فلزها مولکول هیدروژن با اکسید بعضی از فلزها (آنهایی که در سری الکتروشیمیایی زیر Fe قرار گرفته اند) ترکیب می شود و فلز را آزاد می کند.

این نوع واکنش در مقایسه با بیشتر فرایندهای صنعتی گران است، ولی از آن برای به دست آوردن فلزهای گرانقیمت نظیر تنگستن و طلا استفاده می شود.

ج) هیدروژن دار کردن منظور از هیدروژن دار کردن، اضافه کردن دو اتم هیدروژن مربوط به مولکول 2H به یک ترکیب سیر نشده است.

برای انجام این واکنش غالباً از کاتالیزگر استفاده می‌کنند.

واکنش هیدروژن دار کردن معمولاً در فشار زیاد صورت می گیرد.

در بیشتر موارد، هدف از هیدروژن دار کردن، اضافه کردن دو ااتم هیدروژن مربوط به مولکول 2H به یک ترکیب سیر نشده است.

برای انجام این واکنش غالباً از کاتالیزگر استفاده می کنند.

در بیشتر موارد، هدف از هیدروژن دار کردن، اضافه کردن هیدروژن به پیوند دوگانه کربن- کربن در یک ترکیب آلی یا مخلوطی از ترکیبهای آلی است.

یک مثال ساده هیدروژن دار کردن اتیلن است.

روغنهای نباتی مایع حاصل از لوبیای سویا، پنبه دانه و نارگیل را توسط هیدروژن دار کردن به چربیهای جامد تبدیل می کنند.

در سالهای اخیر، توحه زیادی به مایع کردن زغال سنگ مبذول شده است.

در این فرایند، مولکولهای سیر نشده در زغال سنگ هیدروژن دار می شود و پیوند هیدروژن دار شده کربن- کربن تحت فشار و دمای زیاد شکسته می شود و بدین ترتیب، مولکولهای بزرگتر به مولکوهای کوچکتر با جرم مولی کمتر تبدیل می شوند.

افزودن 2 الی 3 درصد وزنی هیدروژن به زغال سنگ، روغن سنگینی می دهد که می توان از آن در نیروگاهها به عنوان سنگ، مخلوط قابل تقطیری از روغنهای سبک به دست می آید.

جستجو برای یافتن راهی که بتوان زغال سنگ را تا مرحله تولید متان، هیدروژن دار کرد، ادامه دارد، زیرا از متان تولید شده می توان به جای گاز طبیعی به عنوان سوخت استفاده کرد.

فرایند دیگری که از نظر صنعتی حائز اهمیت است، هیدروژن دار کردن کربن مونوکسید و تبدیل آن به متانول (متیل الکل یا الکل چوب) است.

90 درصد متانول تولیدی به عنوان حدواسط (ترکیب میانی) برای تولید سایر مواد شیمیایی به کار می رود و از 10 درصد بقیه هم به عنوان حلال استفاده می شود.

هیدروژن و سری الکتروشیمیایی سری الکتروشیمیایی فهرستی از عنصرها (معمولاً فلزها) است که برحسب کاهش تمایل این عنصرها به از دست دادن الکترون در محلول آبی تنظیم شده است (جدول 1-3).

در این سری، یک فلز آزاد می تواند از محلول آبی یون فلزی که در زیر آن قرار گرفته است.

فلز مربوط را آزاد کند.

مثلاً در این واکنش، فلز منیزیم اکسید و یون مس (II) کاهیده شده است.

هیدروژن در این فهرست به عنوان یک نقطه مرجع است.

فلزهایی که در این سری بالای هیدروژن قرار گرفته اند، از محلول یک اسید هدروژن آزاد می کنند و آنهایی که زیر هیدروژن قرار گرفته اند، نمی توانند.

جدول 1-3 سری الکتروشیمیایی فلزها فلزهایی که فعالیت شیمیایی آنها زیاد است، بالای ای سری قرار گرفته اند.

این فلزها به آسانی اکسید شده، تشکیل یون می دهند.

فعالیت شیمیایی فلزها در این سری از بالا به پایین کاهش می یابد.

از محلول اسید هیدروژن را جا به جا کنند.

درجه سهولت تشکیل و کاهش اکسید فلز نیز با موقعیت آن در این سری ارتباط دارد.

فلزهایی که فعالیت شیمیایی آنها از همه کمتر است- یعنی، فلزهایی که در پایین این سری قرار گرفته اند- به احتمال زیاد در طبیعت به حالت آزاد یافت می‌شوند و اکسید آنها (که از راه مستقیم به دست نمی آید) به آسانی کاهیده می شود.

پیوند هیدروژنی وقتی اتم هیدروژن با یک اتم الکترونگاتیو پیوند کووالانسی تشکیل می دهد، چگالی الکترون در اطراف اتم کوچک هیدروژن کم می شود، زیرا اتم الکترونگاتیو زوج الکترون پیوندی را به شدت به سوی خود جلب می کند.

در چنین شرایطی، اتم هیدروژن می تواند با اتم الکترونگاتیو دیگر پیوند دهد.

این نوع پیوند را پیوند هیدروژنی می نامند و تشکیل آن نتیجه پیدایش نیروی جاذبه الکتروستاتیک است.

قویترین پیوند هیدروژنی بین اتم H و اتمهای الکترونگاتیو F، N و O تشکیل می شود.

مثلاً، بلور هیدروژن فلوتورید دارای زنجیرهای بلند نامتناهی است که در آنها هر اتم هیدروژن با یک اتم فلوئور پیوند کووالانسی و با اتم فلوئور دیگر پیوند هیدروژنی دارد.

این زنجیر به علت وجود جفت الکترونهای تنها روی اتمهای فلوئور به صورت زیگ زاگ است (شکل‌1-1).

شکل 1-1 نمایش پیوند هیدروژنی در بلور هیدروژن فلوئورید استحکام پیوند هیدروژنی در HF به اندازه کافی زیاد است، به طوری که در حال مایع هم دوام پیدا می کند اما در این حالت، طول زنجیرها کوتاهتر و متغیر است.

پیوند هیدروژنی در HF گازی هم وجود دارد، ولی در این حالت، طول زنجیر باز هم کمتر می شود.

در HF گازی گونه های 2 (HF) تا 6 (HF) شناخته شده اند.

اثر تشکیل پیوند هیدروژنی بر خواص ترکیبها را می توان به خوبی در هیدرید نافلزها مشاهده کرد (جدول 1-4).

فراریت سیلان، 4SiH، با توجه به منتشر بودن جرم مولی آن نسبت به 4CH از متان کمتر است.

دمای جوش 4SiH از 4CH بیشتر است، ولی برای هر یک از زوجهای 3PH- 3NH، S2H-O2H و HCL-HF ترکیبی که جرم مولی کمتر دارد (3NH ، O2H و HF) به سبب وجود پیوند هیدروژنی و انرژی بیشتری که برای شکستن پیوندهای هیدروژنی بین مولکولی لازم است، دمای ذوب و دمای جوش بیشتری دارد.

جدول 1-4 خواص تعدادی از هیدرید نافلزها طرز تهیه و کاربردهای هیدروژن هیدروژن را به راههای گوناگون می توان تهیه کرد.

الف) طرز تهیه هیدروژن در صنعت هیدروژن در صنعت به طور عمده از واکنش آب و هیدروکربنها به دست می آید.

هیدروکربنها در حضور بخار آب به هیدروژن و کربن دیوکسید یا کربن مونوکسید تبدیل می شوند.

با استفاده از فرمول عمومی برای هیدروکربنهای سیر شده که در آن n عدد صحیح است.

واکنش اصلی به صورت زیر می باشد: در این واکنش، بخار هیدروکربن با بخار آب از روی کاتالیزگر نیکل در دمایی بین C ْ 600 تا ْ1000، تحت فشار معمولی عبور داده می شود.

برای به دست آوردن هیدروژن خالص، ابتدا مخلوط گازی حاصل را با بخار آب از روی کاتالیزگر عبور می دهند تا CO به 2CO تبدیل شود.

سپس با وارد کردن این گازها تحت فشار در آب سرد یا در محلول یک آمین کربن دیوکسید حل می شود و به آسانی از هیدروژن که نامحلول است جدا می شود.

هیدروژن دارای درجه خلوص زیاد را می توان از الکترولیز آب در مجاورت یک باز نظیر NaOH تهیه کرد.

وجود باز برای بالا بردن رسانایی الکتریکی است.

این روش پرخرج است، زیرا مقدار زیاد الکتریسیته مصرف می کند.

هیدروژن به عنوان یک محصول فرعی در هنگام تهیه بنزین نیز به دست می آید.

برای تهیه بنزین هیدروکربنها دارای جرم مولی زیاد را از روی کاتالیزگر در دمای زیاد عبور می دهند تا این هیدروکربنها بر اثر تجزیه شدن به هیدروژن و مخلوطی از ترکیبهایی با جرم مولی کمتر که برای بنزین مناسب هستند، تبدیل شوند.

ب) طرز تهیه هیدروژن در آزمایشگاه برای تهیه هیدروژن در آزمایشگاه می توان از اثر فلز روی بر اسیدهای معدنی رقیق استفاده کرد.

مثلاً تعدادی از فلزها نظیر قلع، آلومینیم، روی و سیلیسیم (که یک نیم رساناست) از محلول آبی یک باز قوی مثل سدیم هیدروکسید، هیدروژن آزاد می کنند.

سدیم استانات سدیم سیلیکات ترکیبهای دوتایی هیدروژن ترکیبهای دوتایی هیدروژن با عنصرهای گروههای اصلی جدول تناوبی از همه بهتر شناخته شده اند.

بیشتر این ترکیبها فرمولهای شیمیای ساده دارند و می توان فرمول شیمیایی آنها را از روی آرایش الکترونی اتمهای عنصرهایی که هیدروژن به آنها متصل است، نتیجه گرفت.

هیدریدهای نمک مانند: هیدروژن با فلزهای گروه IA و با کلسیم، استرونسیم و باریم از گروه IIA که همگی به آسانی یون مثبت می دهند، ترکیبهای یونی دارای یون هیدرید، تولید می‌کند.

این ترکیبها هیدریدهای نمک مانند خوانده می شوند و بر اثر حرارت به فلز و هیدروژن تجزیه می شوند.

ویژگی دیگر این هیدریدها این است که به محض تماس با آب تجزیه می شوند و هیدروژن آزاد می شود.

از کلسیم هیدرید، 2CaH، غالباً به عنوان عامل خشک کننده برای حذف O2H از مایعات آلی استفاده می شود.

هیدریدهای کووالانسی هیدروژن با عنصرهای گروههای IVA تا VIIA که بیشتر آنها نافلز هستند، ترکیبهای دوتایی کووالانسی مانند 4CH ، 3NH ، O2H و HF می دهند.

بیشتر هیدریدهای کووالانسی در دمای معمولی گازی شکل هستند.

این ترکیبها به جز چند مورد، وقتی به حالتهای مایع و جامد سرد شوند، به صورت مولکولهای تنها (غیر مجتمع) وجود دارند، اما هیدروژن فلوئورید، آب و آمونیاک به دلیل وجود پیوند هیدروژنی به حالت مولکولهای چندتایی (مجتمع) وجود دارند.

در هر یک از گروهها، پایداری حرارتی هیدریدهای کووالانسی با افزایش عدد اتمی و شعاع اتمی عنصری که به هیدروژن متصل است، کم می شود.

مثلاً، تجزیه حرارتی آمونیاک، 3NH، مشکلتر از فسفین، 3PH است و فسفین هم به نوبه خود از لحاظ حرارتی خیلی پایدارتر از ارسین، 3AsH، است.

این ترتیب کم شدن پایداری حرارتی با ترتیب کاهش قدرت پیوند کووالانسی بین هیدروژن و اتمی که به آن متصل است، هماهنگی دارد و به خوبی در مقدار گرمای تشکیل استاندارد این ترکیبها منعکس است.

آمونیاک در آب به صورت باز و هیدروژن فلوئورید در آب به صورت اسید عمل می کند.

آب می تواند هم نقش اسید و هم نقش باز را ایفا کند.

همان گونه که ملاحظه می شود، با افزایش شماره گروه یا به عبارت دیگر، با افزایش الکترونگاتیوی عنصری که به هیدروژن متصل است، قطبیت پیوند کووالانسی بین هیدروژن و عنصر مورد نظر افزایش می یابد و در نتیجه هیدرید آن بیشتر به صورت اسید عمل می کند.

نظام مشابهی را در سریهای دیگر نیز مشاهده می کنیم.

مثلاً در میان 3PH، S2H و HCl قطبیت پیوند در HCl بیشتر از S2H بیشتر از 3PH است.

خواص مولکولیخواص مولکولیخواص اتمیخواص اتمیدمای ذوب ( Cْ)2/259-انرژی یونش (KJ/mol)5/1312دمای جوش ( Cْ)8/252-الکترونخواهی(KJ/mol)7/72چگالی5-10*99/8الکترونگاتیوی (مقیاس پاولینگ)1/2طول پیوند (Aْ)742/0شعاع اتمی (Aْ)37/0انرژی تفکیک پیوند (KJ/mol)436شعاع یونی –H (Aْ)1/2 2H2DO2HO2Dدمای ذوب ( Cْ)2/259-4/254-دمای ذوب ( Cْ)0/08/3دمای جوش ( Cْ)8/252-5/249-دمای جوش ( Cْ)0/1004/101طوی پیوند (Aْ(742/0742/0چگالی (3g/cm)997/010/1انرژی تفکیک پیوند (KJ/mol)436441(در دمای C ْ25)گرمای ذوب (KJ/mol)117/0196/0گرمای ذوب (KJ/mol002/6270/6گرمای تبخیر (KJ/mol)903/0225/1گرمای تبخیر (KJ/mol6/406/41 هیدرید نافلزخواصخواصخواصخواصحالت فیزیکیجرم مولی (amu)دمای ذوب (C ْ)دمای جوش (C ْ)متان 4CH (غیر قطبی) سیلان، 4SiH (غیرقطبی)گاز بیرنگ گاز بیرنگ042/16 092/3248/182- 0/185-49/161- 2/111-آمونیاک، 3NH (قطبی، پیوند هیدروژنی) فسفین، 3PH (قطبی)گاز بیرنگ گاز بیرنگ030/17 998/337/77- 81/133-4/33- 78/87-آب، O2H (قطبی، پیوند هیدروژنی) هیدروژن سولفید، S2H (قطبی)مایع بیرنگ گاز بیرنگ015/18 076/3400/0 60/85-00/100 75/60-هیدروژن فلوئورید، HF (قطبی، پیوند هیدروژنی) هیدروژن کلرید، HCL (قطبی)مایع بیرنگ گاز بیرنگ006/20 461/3604/83- 2/114-54/19 9/84- 3AsH3PH3NH4/664/006/46-