انت هنا الان : شبكة جامعة بابل > موقع الكلية > نظام التعليم الالكتروني > مشاهدة المحاضرة

الااعضوية ثاني فصل اول (4)

الكلية كلية العلوم للبنات     القسم قسم الكيمياء     المرحلة 2
أستاذ المادة محمد حامد سعيد الدهيمي       05/02/2020 19:03:26
الكيمياء اللاعضوية
المرحلة الثانية / الفصل الثاني
المحاضرة الرابعة 2019/ 2020 د. محمد حامد سعيد
اكتشافه :-
يعود الفضل في اكتشاف الهيدروجين إلى العالم هنري كافيندش عام 1766 حيث عرف الهيدروجين لأوّل مرّة كمادّة متميّزة عن غيرها من الغازات القابلة للاشتعال. سمّى كافيندش الغاز المنطلق الناتج عن تفاعل الفلزّات مع الأحماض ( بالهواء القابل للاشتعال) وفي عام 1781 اكتشف أنّ هذا الغاز يعطي باحتراقه الماء، لذلك ينسب اكتشاف هذا العنصر له. في عام 1783، قام العالم لافوازية بمنح العنصر المكتشف اسم الهيدروجين، وذلك باشتقاق التسمية من الاغريقية ، حيث أن لفظة هيدرو تعني ماء ولفظة جين تعني مكوّن أو مولّد.
يرافق الهدروجينَ في مركّباته جميعها النظير isotope المسمى ديوتريومdeuterium , واسمه يعني (الثاني) باليونانية ، ويرمز له بـ D. اكتشَف هذا النظير الأميركي اوري عام1932. يستعمل هذا النظير في المفاعلات النووية كمهدئاً للنترونات ، يختلف هذا النظير عن الهدروجين العادي باحتواء نواته على نترون إضافة الى البروتون في الهدروجين العادي . وهناك نظير آخر للهدروجين هو التريتيوم tritium ، واسمه يعني (الثالث) باليونانية ويرمز له بالحرف T. تحوي نواته نترونين إضافة إلى البروتون، وقد حضرة العالم الفاريز Alvarez بقذف الديوتريوم بوساطة النترونات:

تختلف النظائر الثلاثة عن بعضها في الخواص الكيميائية مثل ثابت الاتزان (Equilibrium Constant ) ومعدل التفاعل (Rate of Reaction ) فعلى سبيل المثال الهيدروجين العادي 1H1 اكثر في سرعة الامتصاص على الاسطح واقل في طاقة التنشيط في التفاعلات مع الهلوجينات وبالتالي يتفاعل اسرع .
يحضر الديوتيريوم بالتحليل الكهربائي للماء الثقيل D2O والذي يمكن الحصول علية من التحلل الكهربائي للماء العادي ( عشرين لتر ) حتى ينخفض الحجم الى 1.5 سم 3 ويحتوي الحجم المتبقي على حوالي 66% من الماء الثقيل وباستمرار التحليل الكهربائي يمكن الحصول على ماء ثقيل نقي نحصل منه على الديوتيريوم .
لايمكن تميز الديوتريوم عن الهيدروجين كيميائيا غير ان هناك اختلاف في الخواص الفيزيائية منها
العنصر درجة الانصهار (K) درجة الغليان (K) درجة الانصهار (Kj mol1- ) ضغط البخار عند درجة الغليان Nm-2
الهيدروجين 13.95 20.55 0.12 101325
الديوتريوم 18.75 23.75 0.22 333306

يمكن تحضير مركبات الديوتريوم باستخدام الماء الثقيل D2O فيمكن الحصول على ND3 مثلا من تفاعل نتريد المغنسيوم (MgN2 ) مع D2O كما يمكن تحضير D2SO4 من تفاعل SO2 مع D2O.
يحدث تبادل سريع بين الهيدروجين والديوتريوم القابلين للتاين غير ان الديوتريوم المرتبط تساهميا لايتبادل مع الهيدروجين المرتبط تساهميا الا بوجود عوامل مساعدة للهدرجة وبفضل هذه الخواص التبادلية توجد للديوتريوم تطبيقات هامة لاسيما في دراسة ميكانيكية التفاعلات كما ويستعمل ايضا كنظير دال على سلوك الهيدروجين في التفاعلات .
يحضر التريتيوم (T) بالتحلل الكهربائي المستمر بكميات كبيرة من الماء الثقيل يتبقى جزء صغير من T2O ومنه يحضر التريتيوم بواسطة بعض التفاعلات النوية مثل :
يحدث في المفاعلات النووية :
6 Li + 10 n ?????42He + 31T
يحدث في الطبيعة

7N + 10 n ?????6C12 + 31T

4Be + 21 D ?????242He + 31T

عنصر التريتيوم عنصر مشع يتحول الى الهليوم ويقدر عمر النصف له بحوالي 16.5 سنة وتحدث تفاعلات استبدال بين النظائر المختلفة للهيدروجين كالاتي

NaOH + D2O NaOD + HDO

NH4Cl + D2O NH3DCl + HDO

NH3DCl +2D2O ND4Cl + HDO

تتكون جزيئة الهيدروجين من بروتونين يدور حول كل منهما الكترونان , يدور الالكترونان دورانا مغزليا حول نفسيهما اضافة الى دورانهما حول البروتونين , في نفس الوقت تدور النواة حول نفسها دورانا مغزليا ايضا , فاذا كان دوران النواتين بتجاه واحد ( نفس الاتجاه) يسمى الهيدروجين ب( الاورثوهيدروجين ) اما اذا كان دورانهما بتجاهين متعاكسين سمي الهيدروجين ( بارا هيدروجين ) وجزيئة الهيدروجين الاعتيادية هي عبارة عن مزيج من الاثنين في حالة اتزان .
لا يوجد الهيدروجين في الظروف العادية بحالة الذرية وذلك بسبب اتحاد ذرتي الهيدروجين مع بعضهما بواسطة اصرة تساهمية مكونة جزيئة هيدروجين ونحتاج الى طاقة مقدارها (-103Kcal/mol) لكسر هذه الاصرة والحصول على الهيدروجين الذري . الهيدروجين الجزيئي غاز عديم اللون والرائحة وعديم الذوبان في الماء واقل الغازات كثافة ويمكن تحضيره بعدة طرق منها تفاعل الحوامض المخففة مع الفلزات مثل الخارصين او الحديد ويحضر صناعيا بالتكسير الحراري للهيدروكاربونات .

خصائص غاز الهيدروجين Properties of Hydrogen

الخواص الفيزيائية:- Physical Properties
- غاز عديم اللون والطعم والرائحة
- قليل الذوبان في الماء (درجة انحلالية في الماء بمقدار 1.6 مغ/ليتر)
- خفيف ( اخف من جميع العناصر )
- ثنائي الذرة عازل للتيار الكهربائي
- يمتلك أكبر قدرة على الانتشار من بين الغازات جميعها.
- يملك أعلى موصلية لدرجة الحرارة، وأكبر قدرة على التدفق.
- درجة لزوجته منخفضة.

بعض الثوابت الفيزيائية Some Physical Constants

اللون Colorless سالبية كهربية
2.20 مقياس پولنگ
الطور
gas
طاقات التأين
1312.0 ك‌ج·مول?1
الكثافة
0 0.08988 g/L نصف قطر تساهمي
31±5 pm
نقطة الانصهار
14.01 k, ,?-259.14 °C,?-434.45 °F
نصف قطر ?ان در ?الز
120 pm
نقطة الغليان
20.28 K,?-252.87 °C,?-423.17 °F الترتيب المغناطيسي
diamagnetic


الخواص الكيميائية:- Chemical Properties
أ- الاحتراق Combustion
الهيدروجين غاز قابل للاشتعال , يشتعل بلهب ازرق في جو من الاوكسجين , ومع ذلك فغاز الهيدروجين لا يساعد على الاشتعال ينتج عن اشتعال غاز الهيدروجين الماء وحسب المعادلة التالية

2H2 + O2 2H2O

ب- تفاعلات الازدواج Combination reactions
لا يعتبر الهيدروجين من الفلزات شديدة الفعالية فهو لا يتفاعل بشكل مباشر مع العناصر الاخرى . طاقة التفكك للأصرة بين ذرتي الهيدروجين (H-H) تساوي (436Kj mol-1) وهي عالية جدا بالمقارنة مع اي طاقة اصرة بين اي ذرتين فيتفكك 95% منها في درجة 5000كلفن
H2(g) 5000 k 2H(g)

لذلك فان معظم تفاعلات الهيدروجين تحدث في درجات الحرارة العالية
في ظروف مناسبة يستطيع الهيدروجين ان يكون مركبات مع الفلزات القلوية والفلزات الترابية القلوية ( باستثناء البريليوم ) هذه الفلزات تتحد بشكل مباشر مع الهيدروجين عند تسخينها في الظروف العادية . والمركبات الناتجة تسمى بالهيدريدات
2Li + H2 2LiH
Ca + H2 CaH2

هذه الهيدريدات هي مركبات متكافئة الكترونيا , ومنصهراتها موصلة للكهربائية
كما يتفاعل الهيدروجين مع اللافلزات مثل ( الهالوجينات , الاوكسجين , الكبريت , النتروجين ....الخ) بشكل مباشر في الظروف العادية وتنتج هيدريدات تساهمية ثابتة

ج- الطبيعة الاختزالية Reducing nature
بما ان للهيدروجين ميل كبير للأوكسجين , فهو مهم جدا في ازالة الاوكسجين فاكاسيد الفلزات التي لها كهروموجبية عالية مثل ( النحاس , الحديد , رصاص ......الخ ) تختزال الى الفلزاتها عند تسخينها مع الهيدروجين

PbO + H2 Pb + H2O
Fe3O4 + 4H2 3Fe+ 4 H2O

د- تفاعل مع احادي اوكسيد الكاربون Reaction with carbon monoxide
في درجة حرارة 700 k وتحت ضغط وبوجود العامل المساعد (ZnO/Cr2O3) يتفاعل الهيدروجين مع CO وينتج الميثانول
CO + H2 700 k 200atm ZnO/Cr2O3 CH3OH


تحضير الهيدروجين :- Preparation of Hydrogen
يمكن تحضير الهيدروجين من ثلاث مصادر رئيسية هي
1- الماء 2-الحوامض 3- القواعد
اولا :- تحضير الهيدروجين من الماء Preparation Hydrogen from Water
(أ) يتفاعل الماء البارد (Cold Water ) مع الفلزات القلوية والقلوية الترابية لتحرير الهيدروجين , التفاعل قوي , ولتقليل حدة التفاعل نستخدم الفلزات القلوية على شكل ملغم

2Na(Hg) + 2H2O 2NaOH + H2
Sodium amalgum

في الملغم يتم استخدام جزء صغير من سطح الفلز وبتالي يتم ابطاء التفاعل
(ب)الماء الساخن او بخار الماء (Hot Water or Steam) حيث يتم تمريرة فوق سطح المعدن الساخن مثل (Zn , Fe , Mn , Co , Cr , Sn) حيث يتحلل الماء لتحرير الهيدروجين.

Zn + H2O ZnO + H2
3Fe +4 H2O Fe3O4 +4 H2

عندما يتم تمرير البخار الساخن للماء فوق فحم الكوك الساخن الابيض يتحرر الهيدروجين المائي

C + H2O CO + H2
Hot coke steam water gas

(ج) من تفاعل الماء مع الهيدريدات الايونية ( by action of water on ionic hydrides)
تتحلل الهيدريدات الايونية مائيا وتحرر الهيدروجين , حيث يتاكسد ايون الهيدريد الى الهيدروجين ويمكن اعتبار هذه التفاعلات تفاعلات حامض – قاعدة
NaH + H2O NaOH + H2
LiH + H2O LiOH + H2
CaH2 + 2 H2O Ca(OH)2 +2 H2
Hydrolith
[H- + H2O H2 + OH-]


يتفاعل بورو هيدريد الصوديوم ايضا مع الماء ويحرر الهيدروجين ايضا

NaBH4 + 2 H2O NaBO2 +4 H2

(د) من تفاعل الميثان وبخار الماء By the reaction of methane and steam
حيث يتفاعل الميثان مع بخار الماء في درجة حرارة عالية بوجود عامل مساعد لينتج غاز الهيدروجين واحادي اوكسيد الكاربون
CH4 + 2 H2O CO + 3H2

(ھ) من التحلل الكهربائي للماء By electrolysis of water
الماء موصل رديء للكهربائية , يصبح موصلا جيد عند اضافة حامض او قاعدة , يتم تحليل الماء الحاوي على كمية قليلة (20-15%) من الحامض او القاعدة بواسطة خلية التحليل الكهربائي . حيث يتم فصل كاثود وانود الخلية بواسطة حاجز اسبيتوز يصنع الكاثود عادتا من الحديد بينما يصنع الانود من النيكل تستخدم هذه العملية في الاماكن التي يكون الحصول فيها على الماء بشكل سهل ورخيص .
مثلا الماء المحتوي على حامض الكبريتيك (Water containing sulphuric acid ), الايونات الموجودة في هذا المحلول هي ( H+ , OH- , SO42-) عند امرار التيار الكهربائي تتحرك ايونات H+ نحو الكاثود بينما تتحرك ايونات (OH- , SO42-) نحو الانود .
في الكاثود ( القطب السالب ) يتم سحب شحنة ايون الهيدروجين ويتحول الى غاز الهيدروجين

2H+ + 2e 2H H2

عند الانود ( القطب الموجب ) يفقد ايون الهيدروكسيل شحنته ويتحول الى غاز الاوكسجين

OH- OH + e
4OH 2H2O + O2

لايفقد ايون SO42- شحنته على الانود كما في ايون OH- وذلك لان الطاقة اللازمة لفقدان الشحنة اعلى منها لايون OH-
مثال اخرى الماء الذي يحتوي على هيدروكسيد البوتاسيوم (Water containing potassium hydroxide ) الايونات الموجودة في المحلول هي( K+ , OH- and H+ ) عند امرار التيار في الخلية يتحرك ايون OH- نحو الانود بينما يتحرك كل من ايون H+ و K+ نحو الكاثود
عند الانود (At anode ) يتم اختزال شحنة ايون OH- ويتحول الى غاز الاوكسجين كما في التفاعل

4OH- 2H2O + O2 + 4e

عند الكاثود (at cathode ) يفقد ايون الهيدروجين شحنته ويتحول الى غاز الهيدروجين كما في المعادلة

2H+ + 2e H2

ايضا هنا لايفقد ايون البوتاسيوم (K+ ) شحنته وذلك لان الطاقة اللازمة لذلك اعلى من الطاقة اللازمة لفقدان ايون الهيدروجين (H+ ) لشحنته

ثانيا :- تحضير الهيدروجين من الحامض Hydrogen from Acids Preparation
يحضر( يتحرر ) الهيدروجين بهذه الطريقة من خلال تفاعل الفلزات التي تمتلك فعالية عالية والتي يكون موقعها فوق الهيدروجين في السلسلة الكهروكيميائية مثل الفلزات القلوية والفلزات الترابية القلوية والزنك والمغنيسيوم والحديد .......الخ مع حامض الهيدروكلوريك المخفف او حامض الكبريتيك المخفف كما في المعادلات التالية

Mg + 2HCl MgCl2 + H2

Fe + H2SO4 FeSO4 + H2

Zn + H2SO4 ZnSO4 + H2
بشكل عام يمكن توضيح التفاعل بالشكل التالي

ملاحظة :- تمتلك الفلز كهروموجبية عالية ولدية ميل الى فقدان الالكترونات , والتي يستقبلها البروتون القادم من الحامض المخفف ويتحول الى الهيدروجين M M2+ + 2e
2H+ +2e H2


كما تتفاعل فلزات Mg و Mn مع حامض النتريك المخفف (HNO3) ويتحرر الهيدروجين

ثالثا :- تحضير الهيدروجين من القواعد Preparation Hydrogen from Alkalis
تتفاعل الفلزات ذات السلوك الامفوتيري ( مثل Zn , Al , Sn , Pb , Si ) مع المحاليل الساخنة للقواعد ( مثلا NaOH , KOH) وتحرر الهيدروجين
Zn +2NaOH Na2ZnO2 + H2
Sodium Zincate
Sn +2NaOH + H2O Na2SnO3 + 2H2
Sodium Stannite
2Al +2NaOH +2H2O 2Na2AlO2 +3H2
Sodium meta-aluminate
رابعا :- طريقة أويينو :- Uyeno,s Method
يتم الحصول على الهيدروجين النقي جدا بسرعه من تفاعل هيدروكسيد البوتاسيوم مع الالمنيوم الخردة وقد استخدمت هذه الطريقة في الاغراض العسكرية .
2Al + 2KOH + 2H2O 2KAlO2 +3H2

خامسا :- في المختبر :- Laboratory Mothed
يحضر الهيدروجين مختبريا من تفاعل حامض الكبريتيك المخفف مع الزنك الحبيبي التجاري حيث لا يتفاعل الحامض مع الزنك النقي فيتحرر الهيدروجين الذي يمكن جمعة ودراسته .
سادسا :- الطرق الصناعية لتحضير الهيدروجين
أ- طريقة التحلل الكهربائي :- حيث يحضر الهيدروجين من خلال التحلل الكهربائي لمحلول كلوريد الصوديوم المائي او هيدروكسيد الصوديوم المائي في خلايا التحلل الكهربائي
ب- اختزال بخار الماء بأول اوكسيد الكربون :- حيث يحرر بخار الماء فوق الفحم الحجري وهو ساخن مما ينتج عنه ما يسمى بالغاز المائي وهو عبارة عن مزيج من اول اوكسيد الكاربون والهيدروجين بكميات متساوية .

C + H2O CO + H2

ثم يتم مزج الغاز المائي مع زيادة من بخار الماء ويمرر فوق عامل مساعد ( الحديد المنشط )مع كمية من احد القواعد ويسخن المزيج الى درجة (500م) .

C + H2O حرارة, الحديد CO2 + H2

يمكن ازالة غاز ثاني اوكسيد الكاربون بغسل المزيج بالماء المقطر
ج- طريقة التحلل الحراري للأمونيا :-يتم تعريض الامونيا الى درجة حرارة عالية بوجود عامل مساعد

2NH3 ? 3H2 + N2

د- امرار غاز الميثان على عامل مساعد مكون من النيكل المنشط والمسخن الى درجة حرارة ( 750م)





للمزيد افتح الملف المرفق

المادة المعروضة اعلاه هي مدخل الى المحاضرة المرفوعة بواسطة استاذ(ة) المادة . وقد تبدو لك غير متكاملة . حيث يضع استاذ المادة في بعض الاحيان فقط الجزء الاول من المحاضرة من اجل الاطلاع على ما ستقوم بتحميله لاحقا . في نظام التعليم الالكتروني نوفر هذه الخدمة لكي نبقيك على اطلاع حول محتوى الملف الذي ستقوم بتحميله .