מאפיינים פיזיים של מימן. מאפיינים ויישומים של מימן

2024 מְחַבֵּר: Angel Austin | [email protected]. שונה לאחרונה: 2024-01-02 17:47

מימן H הוא יסוד כימי, אחד הנפוצים ביותר ביקום שלנו. מסת המימן כיסוד בהרכב החומרים היא 75% מסך התוכן של אטומים מסוג אחר. הוא כלול בחיבור החשוב והחיוני ביותר על פני כדור הארץ - מים. תכונה ייחודית של מימן היא גם היותו היסוד הראשון במערכת המחזורית של היסודות הכימיים של D. I. Mendeleev.

גילוי וחקירה

ההתייחסויות הראשונות למימן בכתבי Paracelsus מתוארכים למאה השש-עשרה. אבל הבידוד שלו מתערובת הגז של האוויר וחקר תכונות הדליקה נעשו כבר במאה השבע-עשרה על ידי המדען למרי. המימן נחקר ביסודיות על ידי הכימאי, הפיזיקאי וחוקר הטבע האנגלי הנרי קוונדיש, שהוכיח בניסוי שמסת המימן היא הקטנה ביותר בהשוואה לגזים אחרים. בשלבים הבאים של התפתחות המדע, עבדו איתו מדענים רבים, במיוחד לבואזיה, שכינה אותו "יולד מים".

מאפיין לפי המיקום ב-PSHE

אלמנט שנפתחהטבלה המחזורית של D. I. מנדלייב, היא מימן. התכונות הפיזיקליות והכימיות של האטום מראות דואליות מסוימת, מכיוון שהמימן מוקצה בו-זמנית לקבוצה הראשונה, תת-הקבוצה הראשית, אם הוא מתנהג כמו מתכת ומוותר על אלקטרון בודד בתהליך של תגובה כימית, ול- שביעית - במקרה של מילוי מלא של מעטפת הערכיות, כלומר חלקיק שלילי קליטה, המאפיין אותו כדומה להלוגנים.

תכונות של המבנה האלקטרוני של האלמנט

התכונות של אטום המימן, החומרים המורכבים שהוא חלק מהם והחומר הפשוט ביותר H₂ נקבעים בעיקר על ידי תצורת האלקטרונים של המימן. לחלקיק יש אלקטרון אחד עם Z=(-1), המסתובב במסלולו סביב הגרעין, המכיל פרוטון אחד בעל יחידת מסה ומטען חיובי (+1). התצורה האלקטרונית שלו כתובה כ-1s^{1, כלומר נוכחות של חלקיק שלילי אחד במסלול ה-s הראשון והיחיד עבור המימן.}

כאשר אלקטרון מנותק או מוסר אותו, ולאטום של יסוד זה יש תכונה כזו שהוא קשור למתכות, מתקבל קטיון. למעשה, יון המימן הוא חלקיק יסודי חיובי. לכן, מימן נטול אלקטרון נקרא פשוט פרוטון.

נכסים פיזיים

אם נתאר בקצרה את התכונות הפיזיקליות של מימן, אז זהו גז חסר צבע, מעט מסיס, בעל מסה אטומית יחסית השווה ל-2, קלה פי 14.5 מאוויר, עם טמפרטורהנזילות של -252.8 מעלות צלזיוס.

אתה יכול לראות בקלות מניסיון ש-H₂ הוא הקל ביותר. כדי לעשות זאת, מספיק למלא שלושה כדורים בחומרים שונים - מימן, פחמן דו חמצני, אוויר רגיל - ובו זמנית לשחרר אותם מהיד שלך. זה המלא ב-CO₂ יגיע לקרקע מהר יותר מכל אחד אחר, אחריו תרד תערובת האוויר המנופחת, וזה שמכיל H_{2 יעלה לתקרה.}

המסה הקטנה והגודל של חלקיקי המימן מצדיקים את יכולתו לחדור דרך חומרים שונים. בדוגמה של אותו כדור, קל לאמת את זה, תוך כמה ימים הוא יתרוקן מעצמו, מכיוון שהגז פשוט יעבור דרך הגומי. כמו כן, מימן יכול להצטבר במבנה של מתכות מסוימות (פלדיום או פלטינה), ולהתאדות ממנו כשהטמפרטורה עולה.

תכונת המסיסות הנמוכה של מימן משמשת במעבדה לבידוד שלו בשיטה של עקירת מים. התכונות הפיזיקליות של המימן (הטבלה שלהלן מכילה את הפרמטרים העיקריים) קובעות את היקף היישום שלו ואת שיטות הייצור שלו.

פרמטר של אטום או מולקולה של חומר פשוט	משמעות
מסה אטומית (מסה מולרית)	1.008 גרם/מול
תצורה אלקטרונית	1s1
סריג קריסטל	משושה
מוליכות תרמית	(300 K) 0.1815 W/(m K)
צפיפות ב-n. y.	0, 08987 g/l
נקודת רתיחה	-252, 76°C
ערך קלורי ספציפי	120, 9 106 J/kg
נקודת התכה	-259, 2°C
מסיסות מים	18, 8ml/L

הרכב איזוטופי

כמו נציגים רבים אחרים של המערכת המחזורית של יסודות כימיים, למימן יש כמה איזוטופים טבעיים, כלומר, אטומים בעלי אותו מספר פרוטונים בגרעין, אך מספר שונה של נויטרונים - חלקיקים בעלי מטען ויחידה אפס. מסה. דוגמאות לאטומים בעלי תכונה זו הם חמצן, פחמן, כלור, ברום ואחרים, כולל רדיואקטיביים.

מאפיינים פיזיים של מימן ¹H, הנפוץ ביותר מבין נציגי הקבוצה הזו, שונים באופן משמעותי מאותם מאפיינים של מקביליו. בפרט, המאפיינים של החומרים שבהם הם כלולים שונים. אז, יש מים רגילים ומפוזרים, המכילים בהרכבם במקום אטום מימן עם פרוטון בודד, דאוטריום ²H - האיזוטופ שלו עם שני חלקיקים יסודיים: חיובי ולא טעון. איזוטופ זה כבד פי שניים ממימן רגיל, מה שמסביר את ההבדל המהותי בתכונות התרכובות שהם מרכיבים. בטבע, דיוטריום נדיר פי 3200 ממימן. הנציג השלישי הוא טריטיום ^{3Н, בגרעין יש לו שני נויטרונים ופרוטון אחד.}

שיטות להשגה ובחירה

שיטות מעבדה ותעשייה לייצור מימן שונות מאוד. כן, בכמויות קטנותגז מיוצר בעיקר באמצעות תגובות הכוללות מינרלים, בעוד שייצור בקנה מידה גדול משתמש בסינתזה אורגנית במידה רבה יותר.

האינטראקציות הכימיות הבאות משמשות במעבדה:

1. התגובה של מתכות אלקליות ואדמה אלקליין עם מים ליצירת אלקלי והגז הרצוי.
2. אלקטרוליזה של תמיסת אלקטרוליט מימית, H_{2↑ משתחרר באנודה, וחמצן משתחרר בקתודה.}
3. פירוק הידרידים של מתכת אלקלית עם מים, המוצרים הם אלקליים ובהתאם, גז H_2↑.
4. תגובה של חומצות מדוללות עם מתכות ליצירת מלחים ו-H_2↑.
5. פעולת האלקליות על סיליקון, אלומיניום ואבץ מקדמת גם שחרור מימן במקביל להיווצרות מלחים מורכבים.

באינטרסים תעשייתיים, הגז מתקבל בשיטות כגון:

1. פירוק תרמי של מתאן בנוכחות זרז לחומרים הפשוטים המרכיבים אותו (350 מעלות מגיעות לערך של אינדיקטור כזה כטמפרטורה) - מימן H_{2↑ ופחמן C.}
2. העברת מים אדים דרך קולה ב-1000 מעלות צלזיוס ליצירת פחמן דו חמצני CO₂ ו-H_{2↑ (השיטה הנפוצה ביותר)}
3. המרה של מתאן גזי על זרז ניקל בטמפרטורות המגיעות ל-800 מעלות.
4. מימן הוא תוצר לוואי של אלקטרוליזה של תמיסות מימיות של אשלגן או נתרן כלורי.

כימיקלאינטראקציות: כלליות

התכונות הפיזיקליות של מימן מסבירות במידה רבה את התנהגותו בתהליכי תגובה עם תרכובת כזו או אחרת. הערכיות של המימן היא 1, מכיוון שהוא ממוקם בקבוצה הראשונה בטבלה המחזורית, ומידת החמצון מראה אחרת. בכל התרכובות, למעט הידידים, מימן ב-s.o.=(1+), במולקולות כמו ХН, ХН₂, ХН_{3 – (1 -).}

מולקולת גז מימן, שנוצרה מיצירת זוג אלקטרונים מוכלל, מורכבת משני אטומים והיא יציבה למדי מבחינה אנרגטית, וזו הסיבה שבתנאים רגילים היא אינרטית במקצת ונכנסת לתגובות כאשר התנאים הרגילים משתנים. בהתאם למידת החמצון של מימן בהרכב של חומרים אחרים, הוא יכול לפעול הן כחומר מחמצן והן כחומר מפחית.

חומרים איתם הוא מגיב ויוצר מימן

אינטראקציות אלמנטיות ליצירת חומרים מורכבים (לעיתים קרובות בטמפרטורות גבוהות):

1. מתכת אלקלית ואדמה אלקליין + מימן=הידריד.
2. Halogen + H_{2=מימן הליד.}
3. סולפור + מימן=מימן גופרתי.
4. Oxygen + H_2=מים.
5. פחמן + מימן=מתאן.
6. חנקן + H_{2=אמוניה.}

אינטראקציה עם חומרים מורכבים:

1. ייצור גז סינתזה מפחמן חד חמצני ומימן.
2. החלמה של מתכות מהתחמוצות שלהן באמצעות H_2.
3. ריווי מימן של אליפטי בלתי רוויפחמימנים.

איגרת מימן

התכונות הפיזיקליות של מימן הן כאלה שהן מאפשרות לו, בהיותו בשילוב עם יסוד אלקטרוני שלילי, ליצור סוג מיוחד של קשר עם אותו אטום ממולקולות שכנות שיש להן זוגות אלקטרונים לא משותפים (לדוגמה, חמצן, חנקן ופלואור). הדוגמה המובהקת ביותר שבה עדיף לשקול תופעה כזו היא מים. ניתן לומר שהוא תפור בקשרי מימן, שהם חלשים יותר מקוולנטיים או יוניים, אך בשל העובדה שיש רבים מהם, יש להם השפעה משמעותית על תכונות החומר. בעיקרו של דבר, קשר מימן הוא אינטראקציה אלקטרוסטטית הקושרת מולקולות מים לדימרים ופולימרים, מה שמוביל לנקודת הרתיחה הגבוהה שלו.

מימן בתרכובות מינרלים

ההרכב של כל החומצות האנאורגניות כולל פרוטון - קטיון של אטום כמו מימן. חומר שלשארית החומצה שלו יש מצב חמצון גדול מ-(-1) נקרא תרכובת רב-בסיסית. הוא מכיל מספר אטומי מימן, מה שגורם לניתוק בתמיסות מימיות רב-שלבי. כל פרוטון עוקב מתנתק משאר החומצה קשה יותר ויותר. לפי התוכן הכמותי של מימנים בתווך, חומציותו נקבעת.

מימן מכיל גם קבוצות הידרוקסיל של בסיסים. בהם, מימן מחובר לאטום חמצן, כתוצאה מכך, מצב החמצון של שארית אלקלי זו תמיד שווה ל- (-1). תכולת ההידרוקסילים במדיום קובעת את הבסיסיות שלו.

יישום בפעילויות אנושיות

לגלילים עם חומר, כמו גם למיכלים עם גזים נוזליים אחרים, כמו חמצן, יש מראה ספציפי. הם צבועים בירוק כהה עם כיתוב אדום בוהק "מימן". גז נשאב לתוך צילינדר בלחץ של כ-150 אטמוספרות. התכונות הפיזיקליות של המימן, בפרט הקלות של מצב הצבירה הגזי, משמשות למילויו בתערובת עם בלוני הליום, בלונים וכו'.

מימן, שתכונותיו הפיזיקליות והכימיות שאנשים למדו להשתמש בו לפני שנים רבות, נמצא כיום בשימוש בתעשיות רבות. רובו הולך לייצור אמוניה. מימן מעורב גם בייצור מתכות (הפניום, גרמניום, גליום, סיליקון, מוליבדן, טונגסטן, זירקוניום ואחרים) מתחמוצות, הפועלות בתגובה כחומר מפחית, חומצות הידרוציאניות והידרוכלוריות, מתיל אלכוהול ונוזל מלאכותי. לתדלק. תעשיית המזון משתמשת בו כדי להפוך שמנים צמחיים לשומנים מוצקים.

קבע את התכונות הכימיות והשימוש במימן בתהליכים שונים של הידרוגנציה והידרוגנציה של שומנים, פחמים, פחמימנים, שמנים ומזוט. בעזרתו מייצרים אבנים יקרות, מנורות ליבון, מחושלים ומורתכים מוצרי מתכת בהשפעת להבת חמצן-מימן.