Schmelzpunkt von Wasserstoff. Chemische Eigenschaften von Wasserstoff: Merkmale und Anwendungen

Wasserstoff wurde in der zweiten Hälfte des 18. Jahrhunderts vom englischen Wissenschaftler auf dem Gebiet der Physik und Chemie G. Cavendish entdeckt. Es gelang ihm, die Substanz in ihrem reinen Zustand zu isolieren, begann sie zu untersuchen und beschrieb ihre Eigenschaften.

Dies ist die Geschichte der Entdeckung von Wasserstoff. Bei den Experimenten stellte der Forscher fest, dass es sich um ein brennbares Gas handelt, bei dessen Verbrennung in der Luft Wasser entsteht. Dies führte zur Definition hochwertige Komposition Wasser.

Was ist Wasserstoff?

Der französische Chemiker A. Lavoisier kündigte erstmals 1784 Wasserstoff als einfache Substanz an, als er feststellte, dass sein Molekül Atome der gleichen Art enthält.

Der lateinische Name des chemischen Elements klingt wie Hydrogenium (sprich „Hydrogenium“), was „wasserspendend“ bedeutet. Der Name bezieht sich auf die Verbrennungsreaktion, bei der Wasser entsteht.

Eigenschaften von Wasserstoff

Bezeichnung für Wasserstoff N. Mendelejew ordnete diesem chemischen Element die erste Ordnungszahl zu und ordnete es der Hauptuntergruppe der ersten Gruppe und der ersten Periode sowie bedingt der Hauptuntergruppe der siebten Gruppe zu.

Atomares Gewicht ( Atommasse) Wasserstoff beträgt 1,00797. Das Molekulargewicht von H2 beträgt 2 a. e. Molmasse numerisch gleich.

Es wird durch drei Isotope repräsentiert, die einen besonderen Namen haben: das häufigste Protium (H), schweres Deuterium (D), radioaktives Tritium (T).

Es ist das erste Element, das vollständig in Isotope zerlegt werden kann auf einfache Weise. Es basiert auf dem großen Massenunterschied der Isotope. Das Verfahren wurde erstmals 1933 durchgeführt. Dies erklärt sich aus der Tatsache, dass erst 1932 ein Isotop mit der Masse 2 entdeckt wurde.

Physikalische Eigenschaften

IN normale Bedingungen Der einfache Stoff Wasserstoff in Form zweiatomiger Moleküle ist ein Gas, farb-, geschmacks- und geruchlos. Schwer löslich in Wasser und anderen Lösungsmitteln.

Kristallisationstemperatur – 259,2 °C, Siedepunkt – 252,8 °C. Der Durchmesser von Wasserstoffmolekülen ist so klein, dass sie langsam durch eine Reihe von Materialien (Gummi, Glas, Metalle) diffundieren können. Diese Eigenschaft wird genutzt, wenn es darum geht, Wasserstoff von gasförmigen Verunreinigungen zu reinigen. Wenn n. u. Wasserstoff hat eine Dichte von 0,09 kg/m3.

Ist es möglich, Wasserstoff analog zu den Elementen der ersten Gruppe in ein Metall umzuwandeln? Wissenschaftler haben herausgefunden, dass Wasserstoff unter Bedingungen, bei denen der Druck 2 Millionen Atmosphären erreicht, beginnt, Infrarotstrahlen zu absorbieren, was auf die Polarisation der Moleküle der Substanz hinweist. Vielleicht sogar noch mehr hohe Drücke, Wasserstoff wird zu einem Metall.

Das ist interessant: Es wird angenommen, dass auf den Riesenplaneten Jupiter und Saturn Wasserstoff in Form eines Metalls vorkommt. Man geht davon aus, dass metallischer fester Wasserstoff aufgrund des ultrahohen Drucks, der im Erdmantel entsteht, auch im Erdkern vorhanden ist.

Chemische Eigenschaften

Sowohl einfache als auch komplexe Stoffe gehen mit Wasserstoff eine chemische Wechselwirkung ein. Die geringe Aktivität von Wasserstoff muss jedoch durch die Schaffung geeigneter Bedingungen – Erhöhung der Temperatur, Einsatz von Katalysatoren usw. – erhöht werden.

Beim Erhitzen reagieren einfache Stoffe wie Sauerstoff (O 2), Chlor (Cl 2), Stickstoff (N 2), Schwefel (S) mit Wasserstoff.

Wenn man reinen Wasserstoff am Ende eines Gasaustrittsrohrs an der Luft entzündet, verbrennt er gleichmäßig, aber kaum spürbar. Wenn Sie das Gasauslassrohr in eine Atmosphäre aus reinem Sauerstoff bringen, wird die Verbrennung mit der Bildung von Wassertröpfchen an den Wänden des Gefäßes als Ergebnis der Reaktion fortgesetzt:

Bei der Verbrennung von Wasser wird eine große Menge Wärme freigesetzt. Es handelt sich um eine exotherme Verbindungsreaktion, bei der Wasserstoff durch Sauerstoff oxidiert wird, um das Oxid H 2 O zu bilden. Es handelt sich auch um eine Redoxreaktion, bei der Wasserstoff oxidiert und Sauerstoff reduziert wird.

Die Reaktion mit Cl 2 verläuft ähnlich unter Bildung von Chlorwasserstoff.

Die Wechselwirkung von Stickstoff mit Wasserstoff erfordert eine hohe Temperatur und einen hohen Druck sowie die Anwesenheit eines Katalysators. Das Ergebnis ist Ammoniak.

Durch die Reaktion mit Schwefel entsteht Schwefelwasserstoff, dessen Erkennung durch den charakteristischen Geruch fauler Eier erleichtert wird.

Die Oxidationsstufe von Wasserstoff beträgt bei diesen Reaktionen +1 und bei den unten beschriebenen Hydriden - 1.

Bei der Reaktion mit einigen Metallen entstehen Hydride, beispielsweise Natriumhydrid – NaH. Einige dieser komplexen Verbindungen werden als Treibstoff für Raketen sowie in der Kernenergie verwendet.

Wasserstoff reagiert auch mit Stoffen der komplexen Kategorie. Zum Beispiel mit Kupfer(II)-oxid, Formel CuO. Zur Durchführung der Reaktion wird Kupferwasserstoff über erhitztes pulverförmiges Kupfer(II)-oxid geleitet. Während der Wechselwirkung ändert das Reagenz seine Farbe und wird rotbraun, und Wassertröpfchen setzen sich an den kalten Wänden des Reagenzglases ab.

Während der Reaktion wird Wasserstoff zu Wasser oxidiert und Kupfer wird vom Oxid zu einer einfachen Substanz (Cu) reduziert.

Einsatzgebiete

Wasserstoff hat sehr wichtig für den Menschen und wird in verschiedenen Bereichen eingesetzt:

1. In der chemischen Produktion handelt es sich um Rohstoffe, in anderen Industrien um Treibstoffe. Petrochemie- und Ölraffinerieunternehmen können nicht auf Wasserstoff verzichten.
2. In der Elektrizitätswirtschaft dient dieser einfache Stoff als Kühlmittel.
3. In der Eisen- und Nichteisenmetallurgie spielt Wasserstoff die Rolle eines Reduktionsmittels.
4. Dies trägt dazu bei, beim Verpacken von Produkten eine inerte Umgebung zu schaffen.
5. Pharmazeutische Industrie – verwendet Wasserstoff als Reagens bei der Herstellung von Wasserstoffperoxid.
6. Mit diesem leichten Gas sind Wetterballons gefüllt.
7. Dieses Element wird auch als Treibstoffreduzierer für Raketentriebwerke bezeichnet.

Wissenschaftler sind sich einig, dass Wasserstoff als Brennstoff im Energiesektor die Führung übernehmen wird.

Empfang in der Industrie

In der Industrie wird Wasserstoff durch Elektrolyse hergestellt, die mit in Wasser gelösten Chloriden oder Hydroxiden von Alkalimetallen behandelt wird. Mit dieser Methode ist es auch möglich, Wasserstoff direkt aus Wasser zu gewinnen.

Hierzu dient die Umwandlung von Koks oder Methan mit Wasserdampf. Bei der Zersetzung von Methan bei erhöhten Temperaturen entsteht ebenfalls Wasserstoff. Auch die fraktionierte Verflüssigung von Koksofengas wird eingesetzt industrielle Produktion Wasserstoff.

Im Labor gewonnen

Im Labor wird ein Kipp-Apparat zur Herstellung von Wasserstoff eingesetzt.

Die Reagenzien sind Salz- oder Schwefelsäure und Zink. Bei der Reaktion entsteht Wasserstoff.

Wasserstoff in der Natur finden

Wasserstoff kommt im Universum häufiger vor als jedes andere Element. Der Großteil der Sterne, einschließlich der Sonne, und anderer kosmischer Körper besteht aus Wasserstoff.

IN Erdkruste es sind nur 0,15 %. Es kommt in vielen Mineralien, in allen organischen Substanzen sowie im Wasser vor, das 3/4 der Oberfläche unseres Planeten bedeckt.

In der oberen Atmosphäre können Spuren von Wasserstoff gefunden werden reiner Form. Es kommt auch in einer Reihe brennbarer Erdgase vor.

Gasförmiger Wasserstoff hat die geringste Dichte und flüssiger Wasserstoff ist die dichteste Substanz auf unserem Planeten. Mit Hilfe von Wasserstoff können Sie die Klangfarbe Ihrer Stimme verändern, indem Sie ihn einatmen und beim Ausatmen sprechen.

Die stärkste Wasserstoffbombe basiert auf der Spaltung des leichtesten Atoms.

Wasserstoff(lat. Hydrogenium), H, chemisches Element, zuerst nach Seriennummer im Periodensystem von Mendelejew; Atommasse 1,0079. Bei normale Bedingungen Wasserstoff ist ein Gas; hat keine Farbe, keinen Geruch oder Geschmack.

Verteilung von Wasserstoff in der Natur. Wasserstoff ist in der Natur weit verbreitet; sein Gehalt in der Erdkruste (Lithosphäre und Hydrosphäre) beträgt 1 % der Masse und 16 % der Atomzahl. Wasserstoff ist Teil der am häufigsten vorkommenden Substanz auf der Erde – Wasser (11,19 % der Masse von Wasserstoff), in der Zusammensetzung von Verbindungen, aus denen Kohle, Öl, Erdgase, Tone sowie tierische und pflanzliche Organismen (d. h. in) bestehen die Zusammensetzung von Proteinen, Nukleinsäuren, Fette, Kohlenhydrate und andere). Wasserstoff ist im freien Zustand äußerst selten; er kommt in geringen Mengen in vulkanischen und anderen natürlichen Gasen vor. In der Atmosphäre sind geringe Mengen an freiem Wasserstoff (0,0001 % der Atomzahl) vorhanden. Im erdnahen Weltraum bildet Wasserstoff in Form eines Protonenstroms den inneren („Protonen“)-Strahlungsgürtel der Erde. Im Weltraum ist Wasserstoff das am häufigsten vorkommende Element. In Form von Plasma macht es etwa die Hälfte der Masse der Sonne und der meisten Sterne sowie den Großteil der Gase des interstellaren Mediums und der Gasnebel aus. Wasserstoff ist in der Atmosphäre einer Reihe von Planeten und in Kometen in Form von freiem H 2, Methan CH 4, Ammoniak NH 3, Wasser H 2 O, Radikalen wie CH, NH, OH, SiH, PH usw. vorhanden. Wasserstoff gelangt in Form eines Protonenstroms in die Korpuskularstrahlung der Sonne und die kosmische Strahlung.

Isotope, Atom und Molekül von Wasserstoff. Gewöhnlicher Wasserstoff besteht aus einer Mischung zweier stabiler Isotope: leichter Wasserstoff oder Protium (1 H) und schwerer Wasserstoff oder Deuterium (2 H oder D). In natürlichen Wasserstoffverbindungen gibt es durchschnittlich 6800 Atome 1 H pro 1 Atom 2 H. Ein radioaktives Isotop mit der Massenzahl 3 wird superschwerer Wasserstoff oder Tritium (3 H oder T) mit weichem β- genannt. Strahlung und eine Halbwertszeit T ½ = 12,262 Jahre. In der Natur entsteht Tritium beispielsweise aus atmosphärischem Stickstoff unter dem Einfluss von Neutronen der kosmischen Strahlung; in der Atmosphäre ist es vernachlässigbar (4·10 -15 % von Gesamtzahl Wasserstoffatome). Man erhielt ein äußerst instabiles Isotop 4 H. Die Massenzahlen der Isotope 1 H, 2 H, 3 H und 4 H bzw. 1, 2, 3 und 4 weisen darauf hin, dass der Kern des Protiumatoms nur ein Proton enthält, und das von Deuterium – ein Proton und ein Neutron, Tritium – ein Proton und 2 Neutronen, 4 H – ein Proton und 3 Neutronen. Der große Massenunterschied der Wasserstoffisotope führt zu einem deutlicheren Unterschied in ihren physikalischen und chemischen Eigenschaften als bei Isotopen anderer Elemente.

Das Wasserstoffatom hat unter den Atomen aller anderen Elemente den einfachsten Aufbau: Es besteht aus einem Kern und einem Elektron. Die Bindungsenergie eines Elektrons an einen Kern (Ionisationspotential) beträgt 13,595 eV. Das neutrale Wasserstoffatom kann auch ein zweites Elektron anlagern und so ein negatives H-Ion bilden – in diesem Fall beträgt die Bindungsenergie des zweiten Elektrons mit einem neutralen Atom (Elektronenaffinität) 0,78 eV. Die Quantenmechanik ermöglicht es uns, alle möglichen Energieniveaus des Wasserstoffatoms zu berechnen und somit eine vollständige Interpretation seines Atomspektrums zu geben. Das Wasserstoffatom wird als Modellatom bei quantenmechanischen Berechnungen der Energieniveaus anderer, komplexerer Atome verwendet.

Das Wasserstoff-H2-Molekül besteht aus zwei Atomen, die durch eine kovalente chemische Bindung verbunden sind. Die Energie der Dissoziation (d. h. des Zerfalls in Atome) beträgt 4,776 eV. Der interatomare Abstand an der Gleichgewichtsposition der Kerne beträgt 0,7414 Å. Bei hohen Temperaturen dissoziiert molekularer Wasserstoff in Atome (der Dissoziationsgrad beträgt bei 2000 °C 0,0013, bei 5000 °C 0,95). Atomarer Wasserstoff entsteht auch bei verschiedenen chemischen Reaktionen (zum Beispiel durch die Einwirkung von Zn auf Salzsäure). Allerdings besteht die Existenz von Wasserstoff im atomaren Zustand nur von kurzer Dauer eine kurze Zeit, rekombinieren die Atome zu H 2 -Molekülen.

Physikalische Eigenschaften von Wasserstoff. Wasserstoff ist der leichteste aller bekannten Stoffe (14,4-mal leichter als Luft), Dichte 0,0899 g/l bei 0°C und 1 atm. Wasserstoff siedet (verflüssigt) und schmilzt (erstarrt) bei -252,8 °C bzw. -259,1 °C (nur Helium hat niedrigere Schmelz- und Siedepunkte). Kritische Temperatur Wasserstoff hat eine sehr niedrige Temperatur (-240°C), daher ist seine Verflüssigung mit großen Schwierigkeiten behaftet; kritischer Druck 12,8 kgf/cm 2 (12,8 atm), kritische Dichte 0,0312 g/cm 3. Von allen Gasen hat Wasserstoff die höchste Wärmeleitfähigkeit, nämlich 0,174 W/(m·K) bei 0°C und 1 atm, also 4,16·10 -4 cal/(s·cm·°C). Die spezifische Wärme von Wasserstoff bei 0 °C und 1 atm C beträgt 14,208 kJ/(kg·K), also 3,394 cal/(g·°С). Wasserstoff ist in Wasser leicht löslich (0,0182 ml/g bei 20 °C und 1 atm), aber in vielen Metallen (Ni, Pt, Pa und anderen), insbesondere in Palladium (850 Volumina pro 1 Volumen Pd), gut löslich. Die Löslichkeit von Wasserstoff in Metallen hängt von seiner Fähigkeit ab, durch sie hindurch zu diffundieren. Die Diffusion durch eine Kohlenstofflegierung (z. B. Stahl) geht manchmal mit einer Zerstörung der Legierung aufgrund der Wechselwirkung von Wasserstoff mit Kohlenstoff (sogenannte Dekarbonisierung) einher. Flüssiger Wasserstoff ist sehr leicht (Dichte bei -253 °C 0,0708 g/cm 3) und flüssig (Viskosität bei -253 °C 13,8 Spuaz).

Chemische Eigenschaften Wasserstoff. In den meisten Verbindungen weist Wasserstoff wie Natrium und andere Alkalimetalle eine Wertigkeit (genauer gesagt Oxidationsstufe) +1 auf; Es wird üblicherweise als Analogon dieser Metalle betrachtet und gehört zur Gruppe I des Periodensystems. Allerdings ist in Metallhydriden das Wasserstoffion negativ geladen (Oxidationsstufe -1), das heißt, das Hydrid Na + H – ist ähnlich aufgebaut wie das Chlorid Na + Cl –. Diese und einige andere Tatsachen (die Ähnlichkeit der physikalischen Eigenschaften von Wasserstoff und Halogenen, die Fähigkeit von Halogenen, Wasserstoff in organischen Verbindungen zu ersetzen) geben Anlass, Wasserstoff auch in Gruppe VII des Periodensystems einzuordnen. 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. Atomarer Wasserstoff weist im Vergleich zu molekularem Wasserstoff eine erhöhte chemische Aktivität auf. Wasserstoff bildet mit Sauerstoff Wasser:

H 2 + 1/2 O 2 = H 2 O

unter Freisetzung von 285,937 kJ/mol, also 68,3174 kcal/mol Wärme (bei 25°C und 1 atm). Bei normalen Temperaturen verläuft die Reaktion äußerst langsam, oberhalb von 550°C explodiert sie. Die Explosionsgrenzen eines Wasserstoff-Sauerstoff-Gemisches liegen (nach Volumen) bei 4 bis 94 % H2 und eines Wasserstoff-Luft-Gemisches bei 4 bis 74 % H2 (man spricht von einer Mischung aus 2 Volumina H2 und 1 Volumen O2). Sprenggas). Wasserstoff wird zur Reduktion vieler Metalle verwendet, indem er Sauerstoff aus ihren Oxiden entfernt:

CuO + H 2 = Cu + H 2 O,

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

Mit Halogenen bildet Wasserstoff Halogenwasserstoffe, zum Beispiel:

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. Wasserstoff reagiert mit Stickstoff zu Ammoniak:

ZN 2 + N 2 = 2NH 3

nur an einem Katalysator und bei erhöhten Temperaturen und Drücken. Beim Erhitzen reagiert Wasserstoff heftig mit Schwefel:

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

viel schwieriger ist es bei Selen und Tellur. Wasserstoff kann ohne Katalysator nur bei hohen Temperaturen mit reinem Kohlenstoff reagieren:

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

Wasserstoff reagiert direkt mit einigen Metallen (Alkali, Erdalkali und anderen) und bildet Hydride:

H 2 + 2Li = 2LiH.

Von großer praktischer Bedeutung sind die Reaktionen von Wasserstoff mit Kohlenmonoxid (II), bei denen je nach Temperatur, Druck und Katalysator verschiedene organische Verbindungen entstehen, beispielsweise HCHO, CH 3 OH und andere. Ungesättigte Kohlenwasserstoffe reagieren mit Wasserstoff und werden gesättigt, zum Beispiel:

C n H 2n + H 2 = C n H 2n+2.

Die Rolle von Wasserstoff und seinen Verbindungen in der Chemie ist außerordentlich groß. Wasserstoff bestimmt die sauren Eigenschaften sogenannter Protonensäuren. Wasserstoff neigt dazu, mit einigen Elementen sogenannte Wasserstoffbrückenbindungen einzugehen, die einen entscheidenden Einfluss auf die Eigenschaften vieler organischer und anorganischer Verbindungen haben.

Gewinnung von Wasserstoff. Die wichtigsten Rohstoffe für die industrielle Produktion von Wasserstoff sind natürliche brennbare Gase, Koksofengas und Ölraffinierungsgase. Wasserstoff wird auch durch Elektrolyse aus Wasser gewonnen (an Orten mit billigem Strom). Die wichtigsten Methoden zur Herstellung von Wasserstoff Erdgas sind die katalytische Wechselwirkung von Kohlenwasserstoffen, hauptsächlich Methan, mit Wasserdampf (Umwandlung):

CH 4 + H 2 O = CO + ZN 2,

und unvollständige Oxidation von Kohlenwasserstoffen mit Sauerstoff:

CH 4 + 1/2 O 2 = CO + 2H 2

Auch das entstehende Kohlenmonoxid (II) wird umgewandelt:

CO + H 2 O = CO 2 + H 2.

Am günstigsten ist Wasserstoff, der aus Erdgas hergestellt wird.

Wasserstoff wird aus Kokereigas und Ölraffinierungsgasen isoliert, indem die restlichen Bestandteile des Gasgemisches entfernt werden, die sich bei der Tiefkühlung leichter verflüssigen als Wasserstoff. Die Elektrolyse von Wasser erfolgt mit Gleichstrom, indem es durch eine Lösung aus KOH oder NaOH geleitet wird (Säuren werden nicht verwendet, um Korrosion von Stahlgeräten zu vermeiden). In Laboren wird Wasserstoff durch Elektrolyse von Wasser sowie durch die Reaktion zwischen Zink und Salzsäure gewonnen. Häufiger verwenden sie jedoch fertigen Wasserstoff in Flaschen.

Anwendung von Wasserstoff. Ende des 18. Jahrhunderts begann man im industriellen Maßstab Wasserstoff für die Abfüllung herzustellen Luftballons. Derzeit wird Wasserstoff häufig verwendet Chemieindustrie, hauptsächlich zur Herstellung von Ammoniak. Ein Hauptverbraucher von Wasserstoff ist auch die Herstellung von Methyl- und anderen Alkoholen, synthetischem Benzin und anderen Produkten, die durch Synthese aus Wasserstoff und Kohlenmonoxid (II) gewonnen werden. Wasserstoff wird zur Hydrierung von festen und schweren flüssigen Brennstoffen, Fetten und anderen, zur Synthese von HCl, zur Hydrobehandlung von Erdölprodukten, beim Schweißen und Schneiden von Metallen mit einer Sauerstoff-Wasserstoff-Flamme (Temperatur bis zu 2800 °C) verwendet. und beim Atomwasserstoffschweißen (bis 4000°C). Wasserstoffisotope – Deuterium und Tritium – haben in der Kernenergie sehr wichtige Anwendungen gefunden.

Phenole

Struktur
Die Hydroxylgruppe in Molekülen organischer Verbindungen kann direkt mit dem aromatischen Ring verbunden sein oder durch ein oder mehrere Kohlenstoffatome von diesem getrennt sein. Es ist zu erwarten, dass sich abhängig davon die Eigenschaften von Stoffen aufgrund der gegenseitigen Beeinflussung von Atomgruppen erheblich voneinander unterscheiden (denken Sie an eine der Bestimmungen von Butlerovs Theorie). Tatsächlich weisen organische Verbindungen, die den aromatischen Rest Phenyl C 6 H 5 - enthalten, der direkt an die Hydroxylgruppe gebunden ist, besondere Eigenschaften auf, die sich von den Eigenschaften von Alkoholen unterscheiden. Solche Verbindungen werden Phenole genannt.

Phenole - organische Substanz, deren Moleküle einen Phenylrest enthalten, der mit einer oder mehreren Hydroxygruppen verbunden ist.
Ebenso wie Alkohole werden Phenole nach der Atomizität klassifiziert, d. h. nach der Anzahl der Hydroxylgruppen. Einwertige Phenole enthalten eine Hydroxylgruppe im Molekül:

Es gibt andere mehratomige Phenole enthält drei oder mehr Hydroxylgruppen im Benzolring.
Schauen wir uns die Struktur und Eigenschaften des einfachsten Vertreters dieser Klasse – Phenol C6H50H – genauer an. Der Name dieser Substanz bildete die Grundlage für den Namen der gesamten Klasse – Phenole.

Physikalische Eigenschaften
Feste, farblose, kristalline Substanz, Schmelztemperatur = 43 °C, Siedetemperatur = °C, mit scharfem, charakteristischem Geruch. Giftig. Phenol ist bei Raumtemperatur in Wasser schwer löslich. Eine wässrige Lösung von Phenol wird Karbolsäure genannt. Bei Hautkontakt kommt es zu Verbrennungen, daher muss mit Phenol vorsichtig umgegangen werden.
Die Struktur des Phenolmoleküls
Im Phenolmolekül ist die Hydroxylgruppe direkt an das Kohlenstoffatom des aromatischen Benzolrings gebunden.
Erinnern wir uns an die Struktur der Atomgruppen, die das Phenolmolekül bilden.
Der aromatische Ring besteht aus sechs Kohlenstoffatomen, die aufgrund der sp 2 -Hybridisierung der elektronischen Orbitale der sechs Kohlenstoffatome ein regelmäßiges Sechseck bilden. Diese Atome sind durch Þ-Bindungen verbunden. Die p-Elektronen jedes Kohlenstoffatoms, die nicht an der Bildung von st-Bindungen beteiligt sind, überlappen sich verschiedene Seiten Ebenen von Þ-Bindungen bilden zwei Teile eines einzigen Sechs-Elektronen-Elements P-Wolke, die den gesamten Benzolring (aromatischer Kern) bedeckt. Im C6H6-Benzolmolekül ist der aromatische Ring absolut symmetrisch, mit einer einzigen Elektronik P-Die Wolke bedeckt gleichmäßig den Ring der Kohlenstoffatome unterhalb und oberhalb der Molekülebene (Abb. 24). Die kovalente Bindung zwischen den Sauerstoff- und Wasserstoffatomen des Hydroxylradikals ist stark polar, die allgemeine Elektronenwolke der O-H-Bindung wird in Richtung des Sauerstoffatoms verschoben, an dem eine teilweise negative Ladung entsteht, und am Wasserstoffatom – eine teilweise positive Ladung . Darüber hinaus verfügt das Sauerstoffatom in der Hydroxylgruppe über zwei einzelne Elektronenpaare, die nur ihm gehören.

In einem Phenolmolekül interagiert das Hydroxylradikal mit dem aromatischen Ring, während die freien Elektronenpaare des Sauerstoffatoms mit der einzelnen TC-Wolke des Benzolrings interagieren und so ein einziges elektronisches System bilden. Diese Wechselwirkung einzelner Elektronenpaare und Wolken von π-Bindungen wird Konjugation genannt. Durch die Konjugation des freien Elektronenpaares des Sauerstoffatoms der Hydroxygruppe mit dem Elektronensystem des Benzolrings nimmt die Elektronendichte am Sauerstoffatom ab. Dieser Rückgang wird durch eine stärkere Polarisierung der O-H-Bindung kompensiert, was wiederum zu einem Anstieg führt positive Ladung auf dem Wasserstoffatom. Folglich hat der Wasserstoff der Hydroxylgruppe im Phenolmolekül einen „sauren“ Charakter.
Es ist logisch anzunehmen, dass die Konjugation der Elektronen des Benzolrings und der Hydroxylgruppe nicht nur seine Eigenschaften, sondern auch die Reaktivität des Benzolrings beeinflusst.
Tatsächlich führt die Konjugation einzelner Paare des Sauerstoffatoms mit der L-Wolke des Benzolrings, wie Sie sich erinnern, zu einer Umverteilung der Elektronendichte darin. Sie nimmt am Kohlenstoffatom der OH-Gruppe ab (aufgrund des Einflusses der Elektronenpaare des Sauerstoffatoms) und nimmt an den benachbarten Kohlenstoffatomen (d. h. Positionen 2 und 6 bzw. ortho-Positionen) zu. Es ist offensichtlich, dass eine Erhöhung der Elektronendichte dieser Kohlenstoffatome des Benzolrings zur Lokalisierung (Konzentration) einer negativen Ladung auf ihnen führt. Unter dem Einfluss dieser Ladung kommt es zu einer weiteren Umverteilung der Elektronendichte im aromatischen Kern – seiner Verschiebung vom 3. und 5. Atom (Meta-Position) zum 4. (Ortho-Position). Diese Prozesse können durch das Diagramm ausgedrückt werden:

So führt das Vorhandensein eines Hydroxylradikals in einem Phenolmolekül zu einer Veränderung der l-Wolke des Benzolrings, einer Erhöhung der Elektronendichte am 2., 4. und 6. Kohlenstoffatom (ortho-, dara-Position) und eine Abnahme der Elektronendichte am 3. und 5. Kohlenstoffatom (Metapositionen).
Die Lokalisierung der Elektronendichte in ortho- und para-Position macht sie bei der Wechselwirkung mit anderen Substanzen am wahrscheinlichsten von elektrophilen Spezies angegriffen.
Folglich beruht der Einfluss der Radikale, aus denen das Phenolmolekül besteht, auf Gegenseitigkeit und bestimmt seine charakteristischen Eigenschaften.
Chemische Eigenschaften von Phenol
Säureeigenschaften
Wie bereits erwähnt, ist das Wasserstoffatom der Hydroxylgruppe von Phenol saurer Natur. Die sauren Eigenschaften von Phenol sind stärker ausgeprägt als die von Wasser und Alkoholen. Im Gegensatz zu Alkoholen und Wasser reagiert Phenol nicht nur mit Alkalimetallen, sondern auch mit Alkalien unter Bildung von Phenolaten.
Allerdings sind die sauren Eigenschaften von Phenolen weniger ausgeprägt als die von anorganischen Säuren und Carbonsäuren. Beispielsweise sind die sauren Eigenschaften von Phenol etwa 3000-mal geringer als die von Kohlensäure. Daher kann freies Phenol isoliert werden, indem Kohlendioxid durch eine wässrige Lösung von Natriumphenolat geleitet wird:

Auch die Zugabe von Salz- oder Schwefelsäure zu einer wässrigen Lösung von Natriumphenolat führt zur Bildung von Phenol.
Qualitative Reaktion auf Phenol
Phenol reagiert mit Eisen(III)-chlorid unter Bildung einer intensiv gefärbten Substanz lila komplexe Verbindung.
Diese Reaktion ermöglicht den Nachweis bereits in sehr geringen Mengen. Andere Phenole, die eine oder mehrere Hydroxylgruppen am Benzolring enthalten, ergeben bei Reaktion mit Eisen(III)-chlorid ebenfalls eine leuchtend blauviolette Farbe.
Benzolringreaktionen
Das Vorhandensein eines Hydroxylsubstituenten erleichtert das Auftreten elektrophiler Substitutionsreaktionen im Benzolring erheblich.
1. Bromierung von Phenol. Im Gegensatz zu Benzol erfordert die Bromierung von Phenol keinen Zusatz eines Katalysators (Eisen(III)-bromid).
Darüber hinaus verläuft die Wechselwirkung mit Phenol selektiv: Bromatome werden in die ortho- und para-Position gelenkt und ersetzen die dort befindlichen Wasserstoffatome. Die Selektivität der Substitution wird durch die oben diskutierten Merkmale der elektronischen Struktur des Phenolmoleküls erklärt. Wenn Phenol mit Bromwasser reagiert, entsteht ein weißer Niederschlag von 2,4,6-Tribromphenol.
Diese Reaktion dient, wie auch die Reaktion mit Eisen(III)-chlorid, dem qualitativen Nachweis von Phenol.

2. Die Nitrierung von Phenol erfolgt auch leichter als die Nitrierung von Benzol. Die Reaktion mit verdünnter Salpetersäure erfolgt bei Raumtemperatur. Dadurch entsteht ein Gemisch aus Ortho- und Para-Isomeren von Nitrophenol:

3. Die Hydrierung des aromatischen Phenolrings in Gegenwart eines Katalysators erfolgt leicht.
4. Die Polykondensation von Phenol mit Aldehyden, insbesondere mit Formaldehyd, erfolgt unter Bildung von Reaktionsprodukten – Phenol-Formaldehyd-Harzen und festen Polymeren.
Die Wechselwirkung von Phenol mit Formaldehyd kann durch das folgende Schema beschrieben werden:

Sie haben wahrscheinlich bemerkt, dass „mobile“ Wasserstoffatome im Dimermolekül zurückgehalten werden, was bedeutet, dass die Reaktion bei ausreichender Menge an Reagenzien weitergehen kann.
Die Polykondensationsreaktion, d. h. die Reaktion zur Herstellung eines Polymers, die unter Freisetzung eines niedermolekularen Nebenprodukts (Wasser) abläuft, kann unter Bildung riesiger Makromoleküle weitergehen (bis eines der Reagenzien vollständig verbraucht ist). . Der Prozess kann durch die zusammenfassende Gleichung beschrieben werden:

Die Bildung linearer Moleküle erfolgt bei normalen Temperaturen. Die Durchführung dieser Reaktion beim Erhitzen führt dazu, dass das resultierende Produkt eine verzweigte Struktur aufweist, fest und wasserunlöslich ist. Durch Erhitzen eines linearen Phenol-Formaldehyd-Harzes mit einem Überschuss an Aldehyd werden harte Kunststoffmassen mit einzigartigen Eigenschaften erhalten. Polymere auf Basis von Phenol-Formaldehyd-Harzen werden zur Herstellung von Lacken und Farben sowie Kunststoffprodukten verwendet, die beständig gegen Hitze, Kälte, Wasser, Laugen und Säuren sind und über hohe dielektrische Eigenschaften verfügen. Das verantwortungsvollste und wichtige Details Elektrogeräte, Aggregategehäuse und Maschinenteile, Polymerbasis Leiterplatten für Funkgeräte.

Klebstoffe auf Basis von Phenol-Formaldehyd-Harzen sind in der Lage, Teile unterschiedlichster Beschaffenheit zuverlässig zu verbinden und dabei höchste Verbindungsfestigkeit über einen sehr weiten Temperaturbereich aufrechtzuerhalten. Dieser Kleber wird zum Befestigen des Metallsockels von Beleuchtungslampen verwendet Glasflasche. Jetzt verstehen Sie, warum Phenol und darauf basierende Produkte weit verbreitet sind (Schema 8).

DEFINITION

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

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

Elektronische Konfiguration Wasserstoffatom – 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. Wenn es erhitzt wird, interagiert es mit fast allen einfache Substanzen, gebildet aus Elementen der Hauptuntergruppen (außer Edelgase, 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. Reaktionen der Interaktion mit komplexe Substanzen. Wasserstoff reagiert mit Oxiden schwach aktiver 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

BEISPIEL 2

WASSERSTOFF (lat. Hydrogenium), H, chemisches Element der Gruppe VII der Kurzform (Gruppe 1 der Langform) des Periodensystems; Ordnungszahl 1, Atommasse 1,00794; Nichtmetall. In der Natur gibt es zwei stabile Isotope: Protium 1H (99,985 Massen-%) und Deuterium D oder 2H (0,015 %). Künstlich hergestelltes radioaktives Tritium 3 H oder T (ß-Zerfall, T 1/2 12,26 Jahre) entsteht in der Natur in vernachlässigbaren Mengen in den oberen Schichten der Atmosphäre durch die Wechselwirkung der kosmischen Strahlung hauptsächlich mit N und O Kerne. Künstlich gewonnene extrem instabile radioaktive Isotope 4 H, 5 H, 6 H.

Historische Referenz. Wasserstoff wurde erstmals 1766 von G. Cavendish untersucht und er nannte ihn „brennbare Luft“. Im Jahr 1787 zeigte A. Lavoisier, dass dieses Gas beim Verbrennen Wasser bildet, nahm es in die Liste der chemischen Elemente auf und schlug den Namen Hydrogène vor (aus dem Griechischen: δωρ – Wasser und γενν?ω – gebären).

Vorkommen in der Natur. Wasserstoffgehalt in atmosphärische Luft 3,5-10 Masse-%, 1 % in der Erdkruste. Das wichtigste Wasserstoffreservoir auf der Erde ist Wasser (11,19 Masse-% Wasserstoff). Wasserstoff ist eines der biogenen Elemente; er ist Teil der Verbindungen, die Kohle, Öl, natürliche brennbare Gase, viele Mineralien usw. bilden. Im erdnahen Raum bildet Wasserstoff in Form eines Protonenstroms den inneren Strahlungsgürtel der Erde . Wasserstoff ist das am häufigsten vorkommende Element im Weltraum; In Form von Plasma macht es etwa 70 % der Masse der Sonne und der Sterne aus, der Großteil des interstellaren Mediums und der Gasnebel kommt in der Atmosphäre einer Reihe von Planeten in Form von H 2, CH 4 vor. NH 3, H 2 O usw.

Eigenschaften. Die Konfiguration der Elektronenhülle des Wasserstoffatoms ist 1s 1; in Verbindungen weist die Oxidationsstufen +1 und -1 auf. Pauling-Elektronegativität 2,1; Radien (pm): atomar 46, kovalent 30, van der Waals 120; Ionisierungsenergie Н°→ Н + 1312,0 kJ/mol. Im freien Zustand bildet Wasserstoff ein zweiatomiges H 2 -Molekül, der Kernabstand beträgt 76 pm, die Dissoziationsenergie beträgt 432,1 kJ/mol (0 K). Abhängig von der relativen Ausrichtung der Kernspins gibt es ortho-Wasserstoff (parallele Spins) und para-Wasserstoff (antiparallele Spins), die sich in magnetischen, optischen und thermischen Eigenschaften unterscheiden und normalerweise im Verhältnis 3:1 vorliegen; Die Umwandlung von para-Wasserstoff in ortho-Wasserstoff erfordert 1418 J/mol Energie.

Wasserstoff ist ein farb-, geschmacks- und geruchloses Gas; t PL -259,19 °C, t KIP -252,77 °C. Wasserstoff ist das leichteste und wärmeleitendste aller Gase: Bei 273 K beträgt die Dichte 0,0899 kg/m 3, die Wärmeleitfähigkeit 0,1815 W/(m K). Nicht in Wasser löslich; löst sich gut in vielen Metallen (am besten in Pd – bis zu 850 Vol.-%); diffundiert durch viele Materialien (z. B. Stahl). Brennt an der Luft und bildet explosionsfähige Gemische. Fester Wasserstoff kristallisiert in einem hexagonalen Gitter; Bei Drücken über 10 4 MPa ist ein Phasenübergang unter Bildung einer aus Atomen aufgebauten Struktur mit metallischen Eigenschaften möglich – dem sogenannten metallischen Wasserstoff.

Wasserstoff geht mit vielen Elementen Verbindungen ein. Mit Sauerstoff bildet es Wasser (bei Temperaturen über 550 °C geht die Reaktion mit einer Explosion einher), mit Stickstoff Ammoniak, mit Halogenen Halogenwasserstoffe, mit Metallen, intermetallischen Verbindungen sowie vielen Nichtmetallen (z. B. Chalkogene) - Hydride, mit Kohlenstoff - Kohlenwasserstoffe. Von praktischer Bedeutung sind Reaktionen mit CO (siehe Synthesegas). Wasserstoff reduziert die Oxide und Halogenide vieler Metalle zu Metallen und ungesättigte Kohlenwasserstoffe zu gesättigten (siehe Hydrierung). Der Kern des Wasserstoffatoms – das H+-Proton – bestimmt die sauren Eigenschaften von Verbindungen. In wässrigen Lösungen bildet H + mit einem Wassermolekül das Hydroniumion H 3 O +. Bestehend aus Molekülen verschiedene Verbindungen Wasserstoff neigt dazu, mit vielen elektronegativen Elementen Wasserstoffbrückenbindungen zu bilden.

Anwendung. Wasserstoffgas wird bei der industriellen Synthese von Ammoniak, Salzsäure, Methanol usw. verwendet höhere Alkohole, synthetische flüssige Brennstoffe usw. zur Hydrierung von Fetten und anderen organischen Verbindungen; bei der Ölraffinierung – zum Hydrotreating und Hydrocracken von Ölfraktionen; in der Metallurgie – um Metalle (zum Beispiel W, Mo, Re aus ihren Oxiden und Fluoriden) zu gewinnen, um bei der Verarbeitung von Metallen und Legierungen eine schützende Umgebung zu schaffen; bei der Herstellung von Quarzglasprodukten unter Verwendung einer Wasserstoff-Sauerstoff-Flamme, zum Atom-Wasserstoff-Schweißen von feuerfesten Stählen und Legierungen usw., als Traggas für Ballons. Flüssiger Wasserstoff ist ein Treibstoff in Raketen und Weltraumtechnologie; auch als Kältemittel verwendet.

Informationen zu den wichtigsten Produktionsmethoden sowie der Speicherung, dem Transport und der Nutzung von Wasserstoff als Energieträger finden Sie unter Wasserstoffenergie.

Zündete. siehe Art. Wasserstoffenergie.

Das Wasserstoffatom hat elektronische Formeläußere (und einzige) elektronische Wasserwaage 1 S 1 . Einerseits aufgrund der Anwesenheit eines Elektrons auf der Außenseite elektronische Wasserwaage Das Wasserstoffatom ähnelt 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 auch geschieht Verschiedene Optionen Periodensystem:

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 zählen Metalle der Hauptnebengruppe Gruppe I(Li, Na, K, Rb, Cs, Fr) und Erdalkalimetalle – 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 besonders hervorzuheben Kohlenmonoxid CO.

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 werden genannt chemische Elemente Gruppe VIIA (F, Cl, Br, I, At) sowie die einfachen Substanzen, 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 geschrieben werden als Gesamtansicht wie Hal 2.

Es ist zu beachten, dass dies spezifisch ist physikalische Eigenschaft Yoda, wie seine Fähigkeit dazu ist 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.

Elektronische Struktur des Äußeren Energielevel 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 für den Fall weißer Phosphor In einer Atmosphäre aus Fluor, Chlor oder flüssigem Brom beginnt die Reaktion 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 Interaktionen sind sehr spezifisch und z Bestehen des Einheitlichen Staatsexamens In der Chemie 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 verdrängen Brom und Jod Schwefel aus Lösungen von Sulfiden und/oder 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 bei Interaktion mit wässrige Lösung Alkali wirkt 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. Dabei ist es bei Chlor und Brom je nach Temperatur möglich, durch zwei zu strömen verschiedene Richtungen. 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.