دانلود مقاله هیدروژن

مقدمه هیدروژن تنها عنصری است که در هیچ یک از گروه های جدول تناوبی عنصرها محل مناسبی برای آن وجود ندارد.

هید روژن از بعضی جهات به فلزهای قلیایی و از جهاتی هم به هالوژنها شباهت دارد.

ولی تفاوت آن با عنصرهای این دو گروه به قدری است که می توان گفت هیدروژن در جدول تناوبی عنصرهابرای خود موقعیتی منحصر به فرد دارد.

.

تشکیل یونهای مثبت ومنفی از هیدروژن در مقایسه با فلزهای قلیایی و هالوژنها مشکلتر است .

هیدروژن فراوانترین عنصر در کره زمین است .

آب که 19/11درصد وزنی آن هیدروژن و81/88 درصد وزنی آن اکسیژن است 70 درصد سطح زمین را به صورت اقیانوسها ، رودخانه ها دریاچه ها و سایر منابع آبی می پوشاند .

مقدار هیدروژن در جو زمین بسیار اندک است .

هیدروژن در زمین به صورت ترکیب با سایر عنصرها یافت می شود .

علاوه بر آب موجود در هیدروفسفر در گیاهان و جانوران نیزمقدار قابل توجهی آب وجود دارد.

همچنین درگیاهان و جانوران مقداری هیدروژن به صورت ترکیب در پروتوئینها چربیها و قندها یافت می شود .

هیدروژن یکی از عنصرهای سازنده سوختهای فسیلی نیز به شمار می رود.

خواص هیدروژن هیدروژن سبکترین عنصر است و مولکول آن گازی بیرنگ بی بو .و بی طعم است .

خواص هیدروژن در جدول 1-1 خلاصه شده است .

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

چگالی هیدروژن در حدود چگالی هواست .

و انحلال پذیری 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 .

خواص مولکولی خواص اتمی دمای ذوب 2/259- انرژی یونش 5/1312 دمای جوش 8/252- الکترونخواهی 7/72 چگالی الکترونگاتیوی(مقیاس پاولینگ) 1/2 طول پیوند 742/0 شعاع اتمی 37/0 انرژی تفکیک پیوند 436 شعاع یونی 1/2 انرژی تفکیک شونده پیوند هیدروژن – هیدروژن نسبتا 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 به دمای زیاد یاکاتالیزگر نیاز دارد.

این کاتالیزگرها در بسیاری از موارد مولکول را شکسته به اتم تبدیل می کنند.

اتمهای هیدروژن از نظر شیمیایی بسیار فعالند.

یون صرفا یک پروتون است و هیچ یون مثبت دیگری که دارای بار 1+ باشد به کوچکی یون هیدروژن و چگالی بار هیچ یونی به بزرگی چگالی بار یون نیست زیرا در یون هیدروژن بار مثبت پروتون کاملا بدون حفاظ است .

اگر چه در منطقه بالای جو وجود دارد.

ولی معمولا با یک یا تعداد بیشتری مولکول آب همراه است یون را در محلول آبی به صورت یون هیدرونیوم 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 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 سادهترین ملکول است .

تشکیل پیوند هیدروژنی یکی از خواص ویژه هیدروژنی است که به وسیله پیوند کووالانسی به یک اتم کوچک و کاملا الکترونگاتیو متصل شده است .

یون هیدرید فقط از ترکیب هیدروژن با فلزهایی ک 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 گرما در کلیه واکنشهایی که در بخشهای بعد ذکر شده اند جز در مورد تشکیل هیدرید فلزها مولکول هیدروژن یک عامل کاهنده است و در محصولاتی که به دست می آید، 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( پروتونیوم) 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 بر خلاف هیدروژن معمولی و دوتریم که هسته پایدار دارند پرتوزا است .

مقدار ترتیم در طبیعت فوق العاده کم است و آن را معمولا از طریق واکنشهای هسته ای بین لیتیم و نوترون به دست می آورند.

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 .

مثلا در واکنش کلر با هیدروژن معمولی دوتریم و تریتیم به ترتیب TCI .DCL.

HCL تشکیل می شود .

تنها تفاوت این واکنشها در سرعت آنها ست که برای هیدروژن معمولی از همه بیشتر و برای تریتیم ازهمه کمتر است .خواص فیزیکی و هم چنین در جدول 1-2 با هم مقایسه شده است توجه کنید که ایزوتپهای هیدروژن از نظر خواص شیمیایی یکسانند.

جدول 1-2 مقایسه خواص فیزیکی و هم چنین دمای ذوب 2/259- 4/254- دمای ذوب 0/0 8/3 دمای جوش 8/252- 5/249- دمای جوش 0/100 4/101 طول پیوند 742/0 742/0 چگالی در دمای 997/0 10/1 انرژی تفکیک پیوند 436 441 گرمای ذوب 117/0 196/0 گرمای ذوب 002/6 270/6 گرمای تبخیر 903/0 225/1 گرمای تبخیر 6/40 6/41 3-1 واکنشی های 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.

واکنشهای هیدروژن با نافلزها در دمای زیاد صورت می گیرد و در این واکنشها ترکیبهایی با پیوند کووالانسی تشکیل می شود مثلا 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 کاتالیز گر در دمای تهیه کرد.

کاتالیزگر گرما کاتالیزگر-فشار 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 در مجاورت کاتالیزگر به کندی صورت می گیرد ولی در دمای با انفجار شدید همراه است .

از این واکنش در مشعلی که سوخت آن اکسیژن و هیدروژن است برای رسیدن به دمایی در حدود استفاده می شود.

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

این واکنش چندان گرماده نیست .

دمای زیاد هیدروژن با فلزهای فعال هیدرید های نمک مانند می دهد مثلا در خلاٌ لیتیم هیدرید جامدی است متبلور و سفید رنگ و در دمای ذوب می شود.

گرما 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 گرما گرما 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 به یک ترکیب سیر نشده است .

برای انجام این واکنش غالبا از کاتالیز گر استفاده می کنند.

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

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، توجه زیادی به مایع کردن زغال سنگ مبذول شده است .

در این فرایند مولکولهای سیر نشده در زغال سنگ هیدروژن دار می شود هیدروژن دار شده کربن – کربن تحت فشار و دمای زیاد شکسته می شود و بدین ترتیب مولکولهای بزرگتر به مولکولهای 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 نیروگاه ها به عنوان سوخت استفاده کرد .

با افزودن 6 درصد یا بیشتر هیدروژن به زغال 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 به عنوان حد واسط ( ترکیب میانی ) برای تولید سایر مواد شیمیایی به کار می رود و از 10 درصد بقیه هم به عنوان حلال استفاده می شود.

1-4 هیدروژن و سری الکتروشیمیایی سری الکتروشیمیایی فهرستی از عنصرها (معمولا فلزها ) است که بر حسب 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.

مثلا : در این واکنش فلز منیزیم 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 هیدروژن آزاد می کنند و آنهایی که زیر هیدروژن قرار گرفته اند نمی توانند از محلول اسید هیدروژن را جا به جا کند.

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 می شوند و اکسید آنها ( که از راه مستقیم به دست نمی آید ) به آسانی کاهیده می شود.

1-5 پیوند هیدرزوژنی وقتی اتم هیدروژن با یک اتم الکترونگاتیوی 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 الکترواستاتیک است .

قویترین پیوند هیدروژنی بین اتم H و اتمهای الکترونگاتیو F.

N.O تشکیل می شود .

مثلا بلور هیدروژن فلوئورید دارای زنجیره های 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 .(شکل 1-1 ) شکل 1-1 نمایش پیوند هیدروژنی در بلور هیدروژن فلوئورید استحکام پیوند هیدروژنی در HF به اندازه کافی زیاد است به طوری که در حالت 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 تا 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 با توجه به بیشتر بودن جرم مولی آن نسبت به از متان کمتر است .

دمای جوش از بیشتر است .

ولی برای هریک از زوجهای ، ترکیبی که جرم مولی کمتر دارد به سبب وجود پیوند هیدروژنی و انرژی بیشتری که برای شکستن پیوندهای هیدروژنی بین مولکولی لازم است دمای ذوب و دمای جوش بیشتری دارد.

1-6 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