تاریخچه ی:
عناصر گروه IA (قسمت اول)
||V{maketoc}||
||__~~navy:@#13::: این مطلب از بخش آموزش وبسایت المپیاد شیمی رشد،انتخاب شده که با فرمت pdf نیز در [http://olympiad.roshd.ir|وبسایت المپیاد رشد]موجود میباشد. برای مشاهده این موضوعات در وبسایت المپیاد، به آدرس [http://olympiad.roshd.irchemistrycontentlist.html|فهرست مطالب شیمی] مراجعه کنید. همچنین میتوانید با کلیک ((مطالب علمی سایت المپیاد رشد|اینجا)) ، با ویژگیهای بخش آموزش این وبسایت آشنا شوید.:: #@~~__||
^@#16:
!عناصر گروه IA
!!هیدروژن
{*هیدروژن تنها عنصری است که در هیچ یک از گروههای جدول تناوبی عنصرها، محل مناسبی برای آن وجود ندارد. هیدروژن 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 میتوان گفت هیدروژن در جدول تناوبی عنصرها برای خود موقعیتی منحصر به فرد دارد. تشکیل یونهای مثبت و منفی از هیدروژن در مقایسه با فلزهای قلیایی و هالوژنها مشکلتر است. هیدروژن در بسیاری از موارد، با تشکیل پیوند کوالانسی ساده به عنصرهای دیگر میپیوندد. هیدروژن فراوانترین عنصر در کره زمین است. آب که 11.19درصد وزنی آن هیدروژن و88.81 درصد وزنی آن اکسیژن است، 70 درصد سطح زمین را به صورت اقیانوسها، رودخانهها، دریاچهها و سایر منابع آبی میپوشاند. مقدار هیدروژن،{TEX()} {H_2} {TEX}، در جو زمین بسیار اندک است. هیدروژن در زمین به صورت ترکیب با سایر عنصرها یافت میشود. علاوه بر آب موجود در هیدروسفر (آبکره)، در گیاهان و جانوران نیز مقدار قابل توجهی آب وجود دارد. همچنین، در گیاهان و جانوران مقداری هیدروژن به صورت ترکیب در پروتئینها، چربیها و قندها یافت میشود. هیدروژن یکی از عنصرهای سازنده سوختهای فسیلی نیز به شمار میرود.*}
---
!!!خواص هیدروژن
{*هیدروژن سبکترین عنصر است و مولکول آن گازی بیرنگ، بیبو و بیطعم است. خواص هیدروژن در جدول زیر 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 {TEX()} {\frac{1}{14}} {TEX} چگالی هواست و انحلالپذیری آن در آب بسیار کم است.*}
::|| جدول خواص هیدروژن::
::خواص مولکولی| |خواص اتمی::
::دمای ذوب{TEX()} {(^\circ C)} {TEX}|{TEX()} {-259.2 } {TEX}|انرژی یونش {TEX()} {(kJ/mol)} {TEX}|{TEX()} {1312.5} {TEX}::
::دمای جوش{TEX()} {(^\circ C)} {TEX}|{TEX()} { -252.8 } {TEX} | الکترونخواهی{TEX()} { (kJ/mol)} {TEX}|{TEX()} {72.7} {TEX}::
::چگالی{TEX()} {(gr/cm^3)} {TEX}|{TEX()} {8.99\times 10^{-5}} {TEX}|الکترونگاتیوی (مقیاس پائولینگ)|{TEX()} {2.1} {TEX}::
::طول پیوند{TEX()} {(A^\circ )} {TEX}|{TEX()} {0.742} {TEX}|شعاع اتمی{TEX()} {(A^\circ )} {TEX}|{TEX()} {0.37} {TEX}::
::انرژی تفکیک پیوند{TEX()} {(kJ/mol)} {TEX}|{TEX()} {436} {TEX}|شعاع یونی{TEX()} {(A^\circ )H^-} {TEX}|{TEX()} {2.1} {TEX}||::
{*هیدروژن گازی آتشگیر است و با آن باید با احتیاط کار کرد. هیدروژن در دمای زیاد یا بر اثر جرقه الکتریکی با اکسیژن ترکیب شده، آب میدهد. هوایی که حداقل 4.1 درصد تا حداکثر74.2 درصد حجمی هیدروژن داشته باشد، بالقوه منفجر شونده است.
انرژی تفکیک پیوند هیدروژن- هیدروژن نسبتاً زیاد است و از اینرو، مولکول هیدروژن بسیار پایدار است.
@@{picture=img/daneshnameh_up/a/a9/mch0132a.jpg}@@
@@{TEX()} {\Delta H=436kJ/mol} {TEX} @@
چون مقدار زیادی انرژی برای گسستن پیوند {TEX()} {H-H} {TEX}لازم است، فعالیت شیمیایی این مولکول زیاد نیست و بسیاری از واکنشهای آن کُند است. از این رو، انجام یک واکنش رضایتبخش با مولکول{TEX()} {H_2} {TEX} به دمای زیاد یا کاتالیزگر نیاز دارد. این کاتالیزگرها در بسیاری از موارد مولکول را شکسته، به اتم تبدیل میکنند. اتمهای هیدروژن از نظر شیمیایی بسیار فعالند.
یون{TEX()} {H^+} {TEX} صرفاً یک پروتون است و هیچ یون مثبت دیگری که دارای بار +1باشد به کوچکی یون هیدروژن و چگالی بار هیچ یونی به بزرگی چگالی بار یون{TEX()} {H^+} {TEX} نیست، زیرا در یون هیدروژن، بار مثبت پروتون کاملاً بدون حفاظ است. اگرچه{TEX()} {H^+} {TEX} در منطقه بالای جو وجود دارد، ولی معمولاً با یک یا تعداد بیشتری مولکول آب همراه است. یون{TEX()} {H^+} {TEX} را در محلول آبی به صورت یون هیدرونیم،{TEX()} {H_3O^+} {TEX}، نشان میدهند.
آرایش الکترونی هیدروژن به صورت {TEX()} {1s^1} {TEX} است و به دو طریق میتواند به آرایش گاز نجیب بعدی یعنی، هلیم{TEX()} {(1s^2)} {TEX} برسد: (1) با اضافه شدن یک الکترون به آن و تشکیل یون هیدرید،{TEX()} {(H^-)} {TEX}، یا (2) توسط اشتراک الکترون با اتم دیگر در یک پیوند کوالانسی. هیدروژن در بیشتر ترکیبهای خود پیوند کوالانسی دارد. مولکول هیدروژن که دو پروتون و دو الکترون دارد، سبکترین و سادهترین مولکول است. تشکیل پیوند هیدروژنی یکی از خواص ویژه هیدروژنی است که به وسیله پیوند کوالانسی 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 میدهند، تشکیل میشود. مانند سدیم هیدرید،{TEX()} {NaH} {TEX}.
اغلب، مولکول هیدروژن به صورت یک عامل کاهنده عمل میکند و عدد اکسایش آن از صفر به یک تغییر میکند؛ مانند کاهش آهن {TEX()} {(II)} {TEX} اکسید به آهن فلزی
@@{picture=img/daneshnameh_up/f/f0/mch0132b.jpg}@@
در کلیه واکنشهایی، جز در مورد تشکیل هیدرید فلزها، مولکول هیدروژن یک عامل کاهنده است و در محصولاتی که بدست میآید، هیدروژن عدد اکسایش +1 دارد و به وسیله پیوند کوالانسی 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 (پروتیم) با عدد جرمی یک است و در هسته خود یک پروتون دارد و با علامت{TEX()} {{}_1^1 H} {TEX} نشان داده میشود. 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 مینامند و آن را با علامت {TEX()} {{}_1^2 H} {TEX} یا {TEX()} {D} {TEX} مشخص میکنند. هیدروژنی که دارای عدد جرمی سه است، در هسته خود یک پروتون و دو نوترون دارد و تریتیم خوانده میشود و آن را با علامت{TEX()} {{}_1^3 H} {TEX} یا{TEX()} {T} {TEX} مشخص میکنند. تریتیم برخلاف هیدروژن معمولی و دوتریم که هسته پایدار دارند، پرتوزا است. مقدار تریتیم در طبیعت فوقالعاده کم است و آن را معمولاً از طریق واکنش هستهای بین لیتیم و نوترون بدست میآورند.
@@{TEX()} {{}_3^6 Li+{}_0^1 n \longrightarrow {}_1^3 T+{}_2^4 He} {TEX}@@
در یک واکنش معین، نسبت اجزای سازنده محصول بدست آمده توسط هر یک از این سه ایزوتوپ یکسان است، زیرا آرایش الکترونی هر سه ایزوتوپ به صورت{TEX()} {1s^1} {TEX} است. مثلاً، در واکنش کلر با هیدروژن معمولی، دوتریم و تریتیم به ترتیب{TEX()} {TCl,DCl,HCl} {TEX} تشکیل میشود. تنها تفاوت این واکنشها در سرعت آنهاست که برای هیدروژن معمولی از همه بیشتر و برای تریتیم از همه کمتر است. خواص فیزیکی{TEX()} {D_2,H_2} {TEX} و همچنین{TEX()} {D_2O,H_2O} {TEX} (آب سنگین) در جدول با هم مقایسه شده است. توجه کنید که ایزوتوپهای هیدروژن از نظر خواص شیمیایی یکسانند.*}
#@
@#16:
::|| مقایسه خواص فیزیکی{TEX()} {D_2,H_2} {TEX} و همچنین{TEX()} {D_2O,H_2O} {TEX}::
:: |{TEX()} {H_2} {TEX}|{TEX()} {D_2} {TEX}| |{TEX()} {H_2O} {TEX}|{TEX()} {D_2O} {TEX}::
::دمای ذوب {TEX()} {(^\circ C)} {TEX}|{TEX()} {-259.2} {TEX}|{TEX()} {-254.4} {TEX}| دمای ذوب{TEX()} {(^\circ C)} {TEX}|{TEX()} {0.0} {TEX}|{TEX()} {3.8} {TEX}::
::دمای جوش{TEX()} {(^\circ C)} {TEX}|{TEX()} {-252.8} {TEX}|{TEX()} {-249.5} {TEX}| دمای جوش {TEX()} {(^\circ C)} {TEX}|{TEX()} {100.0} {TEX}|{TEX()} {101.4} {TEX}::
::طول پیوند{TEX()} {(A^\circ)} {TEX}|{TEX()} {0.742} {TEX}|{TEX()} {0.742} {TEX} | چگالی{TEX()} {(gr/cm^3)} {TEX}| {TEX()} {0.997} {TEX}| {TEX()} {1.10} {TEX}::
::انرژی تفکیک پیوند{TEX()} {(kJ/mol) } {TEX}|{TEX()} {436} {TEX} |{TEX()} {441} {TEX} |(در دمای{TEX()} {25^\cir C} {TEX}) ::
::گرمای ذوب {TEX()} { (kJ/mol)} {TEX}|{TEX()} {0.117} {TEX}|{TEX()} {0.196} {TEX}|گرمای ذوب{TEX()} { (kJ/mol)} {TEX}|{TEX()} {6.002} {TEX}| {TEX()} {6.270} {TEX}::
::گرمای تبخیر{TEX()} { (kJ/mol) } {TEX}|{TEX()} {0.903} {TEX}|{TEX()} {1.225} {TEX} |گرمای تبخیر{TEX()} { (kJ/mol)} {TEX}| {TEX()} {40.6} {TEX} | {TEX()} {41.6} {TEX}||::
---
!!!خواص هیدروژنهای اورتو و پارا
{*همه مولکولهای دو اتمی جور هسته که اسپین هسته آنها صفر نباشد، دارای ایزومرهای اسپین هستهای هستند. این اثر ابتدا در مولکول دو اتمی دیهیدروژن که بسیار قابل توجه است و سپس در مورد مولکولهای{TEX()} {{}^{17} O_2,{}^{15} N_2,{}^{14} N_2,T_2,D_2} {TEX} و ... مشاهده و آشکار شد. هرگاه، دو اسپین هستهای هم جهت (موازی) باشند (هیدروژن اورتو) عدد کوآنتومی اسپین هستهای حاصل برابر (یعنی{TEX()} {+\frac{1}{2},+\frac{1}{2}} {TEX}) و همترازی اسپین {TEX()} {(2s+1) } {TEX} برابر 3 است. هرگاه، دو اسپین هستهای در خلاف جهت یکدیگر (ضد موازی) باشند (هیدروژن پارا)، اسپین هستهای حاصل صفر و چندگانگی اسپین 1 است.
تبدیل این دو حالت به یکدیگر، مستلزم یک جهش غیرمجاز از یک حالت سهتایی به یک حالت یکتایی بوده و معمولاً کُند است، مگر آنکه یک ماده جامد یا گونه پارامغناطیس بکار برده شود که در آن صورت پیوند {TEX()} {H-H} {TEX} را ضعیف یا گسسته میکند و یا سبب بهم خوردن نظم مغناطیسی آن میشود. نمونههای بارز این کاتالیزورها عبارتند از پالادیم، پلاتین،{TEX()} {Fe_2O_3} {TEX} فعال شده و {TEX()} {NO} {TEX}.
هیدروژن پارا انرژی پایینتری دارد و در دماهای پایینتر بیشتر تشکیل میشود. در بالاتر از دمای{TEX()} {0 K} {TEX} مولکول دیهیدروژن100% به صورت پارا وجود دارد و با افزایش دما غلظت تعادلی هیدروژن اورتو به تدریج افزایش مییابد و در بالاتر از دمای معمولی به نسبت 3 مولکول هیدروژن اورتو به 1 مولکول هیدروژن پارا میرسد. درصد هیدروژن پارا در چند دما عبارتند از:*}
::||273K |210K|100K|60K|20K| دما::
::25.1|25.7|38.5|65.4|99.8| درصد||::
{*یعنی، اگرچه اساساً میتوان هیدروژن پارای خالص بدست آورد، اما هیچگاه نمیتوان یک نمونه هیدروژن که شامل بیش از 25.1 درصد هیدروژن اورتو باشد، بدست آورد.
از لحاظ خواص فیزیکی، این دو نوع هیدروژن، تفاوت ناچیزی با یکدیگر دارند. برای مثال، دمای ذوب هیدروژن پارا اندکی از دمای ذوب هیدروژن اورتو پایینتر است و به روش کروماتوگرافی گازی در دمای پایین میتوان آن دو را از یکدیگر جدا کرد.*}
---
!!!واکنشهای هیدروژن
در این بخش به بررسی واکنشهای هیدروژن میپردازیم.
!!!!الف. واکنش با عنصرها
{*مولکول هیدروژن با بسیاری از عنصرها به طور مستقیم ترکیب میشود. واکنش هیدروژن با نافلزها در دمای زیاد صورت میگیرد و در این واکنشها، ترکیبهایی با پیوند کوالانسی تشکیل میشود. مثلاً، هیدروژن با تمام هالوژنها ترکیب میشود و هیدروژن هالیدها را بوجود میآورد. هیدروژن برمید را میتوان در آزمایشگاه با عبور دادن مخلوط هیدروژن و برم از روی کاتالیزگر در دمای{TEX()} {350^\circ C} {TEX} تهیه کرد.
@@{picture=img/daneshnameh_up/1/15/mch0132c.jpg}@@
آمونیاک را در صنعت از ترکیب مستقیم هیدروژن و نیتروژن بدست میآورند.
@@{picture=img/daneshnameh_up/9/9c/mch0132d.jpg}@@
ترکیب هیدروژن با اکسیژن جهت تولید آب، اگرچه یک واکنش گرماده است، ولی در دمای معمولی بسیار کُند است.
@@{TEX()} {H_2 _{(g)}+\frac{1}{2} O_2 _{(g)} \longrightarrow H_2O _{(g)} } {TEX}@@
@@{TEX()} {\Delta H^0=-241.6 kJ } {TEX}@@
انجام این واکنش در دمای{TEX()} {400^\circ C} {TEX} در مجاورت کاتالیزگر به کُندی صورت میگیرد، ولی در دمای {TEX()} {700^\circ C} {TEX} با انفجار شدید همراه است. از این واکنش در مشعلی که سوخت آن اکسیژن و هیدروژن است، برای رسیدن به دمایی در حدود{TEX()} {2800^circ C} {TEX} استفاده میشود.
مولکول هیدروژن در دمای زیاد با بخار گوگرد ترکیب میشود و هیدروژن سولفید میدهد. این واکنش چندان گرماده نیست.
@@{picture=img/daneshnameh_up/3/3e/mch0132e.jpg}@@
@@{TEX()} {\Delta H^0=-20.6kJ} {TEX}@@
هیدروژن با فلزهای فعال، هیدریدهای نمک مانند میدهد. مثلاً،
@@{picture=img/daneshnameh_up/a/a8/mch0132f.jpg}@@
لیتیم هیدرید جامدی است متبلور و سفید رنگ و در دمای{TEX()} {680^\circ C} {TEX} ذوب میشود.*}
---
!!!!ب. واکنش با اکسید فلزها
#@
@#16:
{*مولکول هیدروژن با اکسید بعضی از فلزها (آنهایی که در سری الکتروشیمیایی زیر {TEX()} {Fe} {TEX}قرار گرفتهاند) ترکیب میشود و فلز را آزاد میکند.
@@{picture=img/daneshnameh_up/6/66/mch0132g.jpg}@@
این نوع واکنش در مقایسه با بیشتر فرایندهای صنعتی گران است، ولی از آن برای بدست آوردن فلزهای گرانقیمت نظیر تنگستن و طلا استفاده میشود.*}
---
!!!!ج. هیدروژندار کردن
{*منظور از هیدروژندار کردن، اضافه کردن دو اتم هیدروژن مربوط به مولکول {TEX()} {H_2} {TEX} به یک ترکیب سیر نشده است. برای انجام این واکنش غالباً از کاتالیزگر استفاده میکنند. واکنش هیدروژندار کردن معمولاً در فشار زیاد صورت میگیرد.
در بیشتر موارد، هدف از هیدروژندار کردن، اضافه کردن هیدروژن به پیوند دوگانه کربن-کربن در یک ترکیب آلی یا مخلوطی از ترکیبهای آلی است. یک مثال ساده، هیدروژندار کردن اتیلن است.
::{picture=img/daneshnameh_up/6/60/mch0132h.jpg}::
روغنهای نباتی مایع حاصل از لوبیای سویا، پنبه دانه و نارگیل را توسط هیدروژندار کردن به چربیهای جامد تبدیل میکنند. در سالهای اخیر، توجه زیادی به مایع کردن زغال سنگ مبذول شده است. در این فرایند، مولکولهای سیرنشده در زغال سنگ هیدروژندار میشود و پیوند هیدروژندار شده کربن-کربن تحت فشار و دمای زیاد شکسته میشود و بدین ترتیب، مولکولهای بزرگتر به مولکولهای کوچکتر با جرم مولی کمتر تبدیل میشوند. افزودن 2 الی 3 درصد وزنی هیدروژن به زغال سنگ، روغن سنگینی میدهد که میتوان از آن در نیروگاهها به عنوان سوخت استفاده کرد. با افزودن 6 درصد یا بیشتر هیدروژن به زغال سنگ، مخلوط قابل تقطیری از روغنهای سبک بدست میآید. جستجو برای یافتن راهی که بتوان زغال سنگ را تا مرحله تولید متان، هیدروژندار کرد، ادامه دارد، زیرا از متان تولید شده میتوان به جای گاز طبیعی به عنوان سوخت استفاده کرد.
فرایند دیگری که از نظر صنعتی حائز اهمیت است، هیدروژندار کردن کربن مونوکسید و تبدیل آن به متانول (متیل الکل یا الکل چوب) است
@@{picture=img/daneshnameh_up/f/f5/mch0132i.jpg}@@
@@{TEX()} {\Delta H^0=106.2 kJ} {TEX}@@
90 درصد متانول تولیدی به عنوان حدواسط (ترکیب میانی) برای تولید سایر مواد شیمیایی به کار میرود و از 10 درصد بقیه هم به عنوان حلال استفاده میشود.*}
---
!!!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. در این سری، یک فلز آزاد میتواند از محلول آبی یون فلزی که در زیر آن قرار گرفته است، فلز مربوط را آزاد کند. مثلاً،
@@{TEX()} {Mg_{(s)}+Cu_{(aq)}^{2+} \longrightarrow Cu_{(s)}+Mg_{(aq)}^{2+}} {TEX}@@
در این واکنش، فلز منیزیم اکسید و یون مس {TEX()} {(II)} {TEX} کاهیده شده است.
هیدروژن در این فهرست به عنوان یک نقطه مرجع است. فلزهایی که در این سری بالای هیدروژن قرار گرفتهاند، از محلول یک اسید هیدروژن آزاد میکنند و آنهایی که زیر هیدروژن قرار گرفتهاند، نمیتوانند از محلول اسید هیدروژن را جابجا 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 گرفتهاند- به احتمال زیاد در طبیعت به حالت آزاد یافت میشوند و اکسید آنها (که از راه مستقیم بدست نمیآید) به آسانی کاهیده میشود.*}
::{picture=img/daneshnameh_up/f/f5/mch0132j.jpg}::
* فلزهایی که فعالیت شیمیایی آنها زیاد است، بالای این سری قرار گرفتهاند. این فلزها به آسانی اکسید شده، تشکیل یون میدهند. فعالیت شیمیایی فلزها در این سری از بالا به پایین کاهش مییابد.
---
!!!پیوند هیدروژنی
{*وقتی اتم هیدروژن با یک اتم الکترونگاتیو پیوند کوالانسی تشکیل میدهد، چگالی الکترون در اطراف اتم کوچک هیدروژن کم میشود، زیرا اتم الکترونگاتیو زوج الکترون پیوندی را به شدت به سوی خود جلب میکند. در چنین شرایطی، اتم هیدروژن میتواند با اتم الکترونگاتیو دیگر پیوند دهد. این نوع پیوند را پیوند هیدروژنی مینامند و تشکیل آن نتیجه پیدایش نیروی جاذبه الکتروستاتیک است. قویترین پیوند هیدروژنی بین اتم {TEX()} {H} {TEX}و اتمهای الکترونگاتیو {TEX()} {O,N,F} {TEX} تشکیل میشود. مثلاً، بلور هیدروژن فلوئورید دارای زنجیرهای بلند نامتناهی است که در آنها هر اتم هیدروژن با یک اتم فلوئور پیوند کوالانسی و با اتم فلوئور دیگر پیوند هیدروژنی دارد. این زنجیر به علت وجود جفت الکترونهای تنها روی اتمهای فلوئور به صورت زیگزاگ است (مطابق شکل زیر).
::{picture=img/daneshnameh_up/0/07/mch0132k.jpg}::
استحکام پیوند هیدروژنی در {TEX()} {HF} {TEX}به اندازه کافی زیاد است، به طوری که در حالت مایع هم دوام پیدا میکند، اما در این حالت، طول زنجیرها کوتاهتر و متغیر است. پیوند هیدروژنی در {TEX()} {HF} {TEX}گازی هم وجود دارد، ولی در این حالت، طول زنجیر باز هم کمتر میشود. در {TEX()} {HF} {TEX}گازی گونههای {TEX()} {(HF)_2} {TEX} تا {TEX()} {(HF)_6} {TEX} شناخته شدهاند.
اثر تشکیل پیوند هیدروژنی بر خواص ترکیبها را میتوان به خوبی در هیدرید نافلزها مشاهده کرد (جدول). فراریت سیلان،{TEX()} {SiH_4} {TEX}، با توجه به بیشتر بودن جرم مولی آن نسبت به{TEX()} {CH_4} {TEX} از متان کمتر است. دمای جوش{TEX()} {SiH_4} {TEX} از{TEX()} {CH_4} {TEX} بیشتر است، ولی برای هر یک از زوجهای{TEX()} {HF-HCl,H_2O-H_2S,NH_3-PH_3} {TEX} ترکیبی که جرم مولی کمتر دارد {TEX()} {(HF,H_2O,NH_3)} {TEX}به سبب وجود پیوند هیدروژنی و انرژی بیشتری که برای شکستن پیوندهای هیدروژنی بین مولکولی لازم است، دمای ذوب و دمای جوش بیشتری دارد.*}
::|| خواص تعدادی از هیدرید نافلزها::
::هیدرید نافلز| خواص::
:: | حالت فیزیکی| جرم مولی {TEX()} { (amu) } {TEX}| دمای آب{TEX()} {(^\circ C)} {TEX}| دمای جوش {TEX()} {(^\circ C)} {TEX}::
::متان،{TEX()} {CH_4} {TEX} (غیرقطبی)| گاز بیرنگ|16.42|-182.48|-161.49::
::سیلان،{TEX()} {SiH_4} {TEX} (غیرقطبی)| گاز بیرنگ|32.092|-185.0|-111.2::
::آمونیاک،{TEX()} {NH_3} {TEX} (قطبی،پیوندهیدروژنی)| گاز بیرنگ| 17.030|-77.7 |-33.4::
::فسفین،{TEX()} {PH_3} {TEX} (قطبی)| گاز بیرنگ|33.998|-133.81|-87.78::
::آب،{TEX()} {H_2O} {TEX} (قطبی، پیوند هیدروژنی)| مایع بیرنگ|18.015|0.00|100.00::
::هیدروژن سولفید،{TEX()} {H_2S} {TEX} (قطبی)| گاز بیرنگ|34.076|-85.60|-60.75::
::هیدروژن فلوئورید، {TEX()} {HF} {TEX} (قطبی، پیوند هیدروژنی)| مایع بیرنگ|20.006|-83.04|19.54::
::هیدروژن کلرید، {TEX()} {HCl} {TEX} (قطبی)| گاز بیرنگ|36.461|-114.2|-84.9||::
---
!!!طرز تهیه و کاربردهای هیدروژن
هیدروژن را به راههای گوناگون میتوان تهیه کرد.
__الف__ طرز تهیه هیدروژن در صنعت هیدروژن در صنعت به طور عمده از واکنش آب و هیدروکربنها به دست میآید. هیدروکربنها در حضور بخار آب به هیدروژن و کربن دیاکسید یا کربن مونوکسید تبدیل میشوند. با استفاده از فرمول عمومی {TEX()} {C_nH_{2n+2}} {TEX} برای هیدروکربنهای سیرشده که در آن {TEX()} {n} {TEX}عدد صحیح است، واکنش اصلی به صورت زیر میباشد:
@@{picture=img/daneshnameh_up/0/00/mch0132l.jpg}@@
#@
@#16:
در این واکنش، بخار هیدروکربن با بخار آب از روی کاتالیزگر نیکل در دمایی بین{TEX()} {600^\circ C} {TEX}تا{TEX()} {1000^\circ C} {TEX}، تحت فشار معمولی عبور داده میشود. برای بدست آوردن هیدروژن خالص، ابتدا مخلوط گازی حاصل را با بخار آب از روی کاتالیزگر عبور میدهند تا {TEX()} {CO} {TEX}به{TEX()} {CO_2} {TEX}تبدیل شود
@@{picture=img/daneshnameh_up/6/65/mch0132m.jpg}@@
سپس با وارد کردن این گازها تحت فشار در آب سرد یا در محلول یک آمین، کربن دیاکسید حل میشود و به آسانی از هیدروژن که نامحلول است، جدا میشود.
هیدروژن دارای درجه خلوص زیاد را میتوان از الکترولیز آب در مجاورت یک باز نظیر {TEX()} {NaOH} {TEX}تهیه کرد. وجود باز برای بالا بردن رسانایی الکتریکی است.
@@{picture=img/daneshnameh_up/c/c3/mch0132n.jpg}@@
این روش پُر خرج است، زیرا مقدار زیادی الکتریسیته مصرف میکند.
هیدروژن به عنوان یک محصول فرعی در هنگام تهیه بنزین نیز بدست میآید. برای تهیه بنزین، هیدروکربنهای دارای جرم مولی زیاد را از روی کاتالیزگر در دمای زیاد عبور میدهند 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 میتوان از اثر فلز روی بر اسیدهای معدنی رقیق استفاده کرد. مثلاً،
@@{TEX()} {Zn+2HCl \longrightarrow H_2+ZnCl_2} {TEX}@@
تعدادی از فلزها نظیر قلع، آلومینیم، روی و سیلیسیم (که یک نیمرساناست) از محلول آبی یک باز قوی مثل سدیم هیدروکسید، هیدروژن آزاد میکنند*}
@@سدیم استانات {TEX()} {Sn_{(s)}+2NaOH+4H_2O_{(l)} \longrightarrow 2H_2 _{(g)}+Na_2Sn(OH)_6 _{(aq)}} {TEX}@@
@@سدیم سیلیکات {TEX()} {Si_{(s)}+4NaOH_{(aq)} \longrightarrow 2H_2 _{(g)} +Na_4SiO_4 _{(aq)}} {TEX}@@
---
!!!!تمرین
{* واکنش فلزهای روی و آلومینیم را با یک باز بنویسید.
هیدروژن به طور عمده برای تولید آمونیاک و هیدروژندار کردن محصولات نفتی، روغنهای نباتی مایع و {TEX()} {CO} {TEX} (برای تولید متانول) و همچنین، به عنوان سوخت (از جمله سوخت موشک) و برای کاهیدن کانیهای حاوی اکسید برخی از فلزها به کار میرود.*}
---
!!!ترکیبهای دوتایی هیدروژن
{*ترکیبهای دوتایی هیدروژن با عنصرهای گروههای اصلی جدول تناوبی از همه بهتر شناخته شدهاند. بیشتر این ترکیبها فرمولهای شیمیایی ساده دارند و میتوان فرمول شیمیایی آنها را از روی آرایش الکترونی اتمهای عنصرهایی که هیدروژن به آنها متصل است، نتیجه گرفت.*}
---
!!!!الف. هیدریدهای نمک مانند
{*هیدروژن با فلزهای گروه {TEX()} {IA} {TEX}و با کلسیم، استرانسیم و باریم از گروه {TEX()} {IIA} {TEX}که همگی به آسانی یون مثبت میدهند، ترکیبهای یونی دارای یون هیدرید،{TEX()} {:H^-} {TEX}، تولید میکند. این ترکیبها هیدریدهای نمک مانند خوانده میشوند و بر اثر حرارت به فلز و هیدروژن تجزیه میشوند
@@{picture=img/daneshnameh_up/a/a6/mch0132o.jpg}@@
ویژگی دیگر این هیدریدها این است که به محض تماس با آب تجزیه میشوند و هیدروژن آزاد میشود
@@{TEX()} {H^-+H_2O \longrightarrow H_2 _{(g)} +OH^-} {TEX}@@
از کلسیم هیدرید،{TEX()} {CaH_2} {TEX}، غالباً به عنوان عامل خشککننده برای حذف{TEX()} {H_2O} {TEX} از مایعات آلی استفاده میشود.*}
---
!!!!ب. هیدریدهای کوالانسی
{*هیدروژن با عنصرهای گروههای {TEX()} {IVA} {TEX}تا {TEX()} {VIIA} {TEX}که بیشتر آنها نافلز هستند، ترکیبهای دوتایی کوالانسی مانند{TEX()} {HF,H_2O,NH_3,CH_4} {TEX} میدهند.
بیشتر هیدریدهای کوالانسی در دمای معمولی گازی شکل هستند. این ترکیبها بجز 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 کوالانسی با افزایش عدد اتمی و شعاع اتمی عنصری که به هیدروژن متصل است، کم میشود. مثلاً، تجزیه حرارتی آمونیاک،{TEX()} {NH_3} {TEX}، مشکلتر از فسفین،{TEX()} {PH_3} {TEX}، است و فسفین هم به نوبه خود از لحاظ حرارتی خیلی پایدارتر از ارسین، {TEX()} {AsH_3} {TEX}، است. این ترتیب کم شدن پایداری حرارتی با ترتیب کاهش قدرت پیوند کوالانسی بین هیدروژن و اتمی که به آن متصل است، هماهنگی دارد و به خوبی در مقدار گرمای تشکیل استاندارد این ترکیبها منعکس است*}
::||{TEX()} {AsH_3} {TEX}| {TEX()} {PH_3} {TEX}| {TEX()} {NH_3} {TEX}::
::66.4 | 0.4| -46.06 | {TEX()} {\Delta H_f^0 (kJ/mol)} {TEX}||::
*{آمونیاک در آب به صورت باز و هیدروژن فلوئورید در آب به صورت اسید عمل میکند. آب میتواند هم نقش اسید و هم نقش باز را ایفا کند. همانگونه که ملاحظه میشود، با افزایش شماره گروه یا به عبارت دیگر، با افزایش الکترونگاتیوی عنصری که به هیدروژن متصل است، قطبیت پیوند کوالانسی بین هیدروژن و عنصر مورد نظر افزایش مییابد و در نتیجه، هیدرید آن بیشتر به صورت اسید عمل میکند. نظام مشابهی را در سریهای دیگر نیز مشاهده میکنیم. مثلاً، در میان{TEX()} {HCl,H_2S,PH_3} {TEX}، قطبیت پیوند در {TEX()} {HCl} {TEX}بیشتر از{TEX()} {H_2S} {TEX} و در{TEX()} {H_2S} {TEX} بیشتر از {TEX()} {PH_3} {TEX} است.
تمرین. هیدریدهای{TEX()} {HBr,AsH_3,H_2Se} {TEX} را برحسب افزایش قدرت اسیدی آنها مرتب کنید.*}
---
! پیوند های خارجی
[http://Olympiad.roshd.ir/chemistry/content/pdf/0199.pdf]
#@^