Hidrogen- unsur kimia pertama dari Tabel Periodik unsur kimia D.I. Mendeleev. Unsur kimia hidrogen terletak di kelompok pertama, subkelompok utama, periode pertama Sistem Periodik.
Massa atom relatif hidrogen = 1.
Hidrogen memiliki struktur atom yang paling sederhana, terdiri dari satu elektron, yang terletak di ruang nuklir. Inti atom hidrogen terdiri dari satu proton.
Atom hidrogen, dalam reaksi kimia, dapat menyumbangkan dan menambahkan elektron, membentuk dua jenis ion:
H0 + 1ē → H1− H0 – 1ē → H1+.
Hidrogen merupakan unsur yang paling melimpah di alam semesta. Ini menyumbang sekitar 88,6% dari semua atom (sekitar 11,3% adalah atom helium, bagian dari semua elemen lain yang digabungkan adalah sekitar 0,1%). Dengan demikian, hidrogen adalah komponen utama bintang dan gas antarbintang. Di ruang antarbintang, elemen ini ada dalam bentuk molekul individu, atom, dan ion dan dapat membentuk awan molekul yang sangat bervariasi dalam ukuran, kepadatan, dan suhu.
Fraksi massa hidrogen di kerak bumi adalah 1%. Ini adalah elemen paling umum kesembilan. Pentingnya hidrogen dalam proses kimia yang terjadi di Bumi hampir sama besarnya dengan oksigen. Tidak seperti oksigen, yang ada di Bumi dalam keadaan terikat dan bebas, hampir semua hidrogen di Bumi berbentuk senyawa; hanya sejumlah kecil hidrogen dalam bentuk zat sederhana yang ditemukan di atmosfer (0,00005% volume untuk udara kering).
Hidrogen adalah konstituen dari hampir semua zat organik dan hadir di semua sel hidup.
Sifat fisik hidrogen
Zat sederhana yang dibentuk oleh unsur kimia hidrogen memiliki struktur molekul. Komposisinya sesuai dengan rumus H2. Seperti unsur kimia, zat sederhana juga disebut hidrogen.
Hidrogen Ini adalah gas tidak berwarna, tidak berbau dan tidak berasa, praktis tidak larut dalam air. Pada suhu kamar dan tekanan atmosfer normal, kelarutannya adalah 18,8 ml gas per 1 liter air.
Hidrogen- gas paling ringan, kerapatannya 0,08987 g / l. Sebagai perbandingan: massa jenis udara adalah 1,3 g/l.
Hidrogen dapat larut dalam logam misalnya, hingga 850 volume hidrogen dapat larut dalam satu volume paladium. Karena ukuran molekulnya yang sangat kecil, hidrogen mampu berdifusi melalui banyak bahan.
Seperti gas lainnya, hidrogen mengembun pada suhu rendah menjadi cairan transparan tidak berwarna, ini terjadi pada suhu - 252,8°C. Ketika suhu mencapai -259,2°C, hidrogen mengkristal dalam bentuk kristal putih, mirip dengan salju.
Tidak seperti oksigen, hidrogen tidak menunjukkan alotropi.
Aplikasi hidrogen
Hidrogen digunakan di berbagai industri. Banyak hidrogen masuk ke produksi amonia (NH3). Dari amonia, pupuk nitrogen, serat sintetis dan plastik, dan obat-obatan diperoleh.
Dalam industri makanan, hidrogen digunakan dalam produksi margarin, yang mengandung lemak keras. Untuk mendapatkannya dari lemak cair, hidrogen dilewatkan melalui mereka.
Ketika hidrogen terbakar dalam oksigen, suhu nyala sekitar 2500 °C. Pada suhu ini, logam tahan api dapat dilebur dan dilas. Jadi, hidrogen digunakan dalam pengelasan.
Campuran hidrogen cair dan oksigen digunakan sebagai bahan bakar roket.
Saat ini, sejumlah negara telah memulai penelitian untuk mengganti sumber energi tak terbarukan (minyak, gas, batu bara) dengan hidrogen. Ketika hidrogen dibakar dalam oksigen, produk ramah lingkungan terbentuk - air, dan bukan karbon dioksida, yang menyebabkan efek rumah kaca.
Para ilmuwan menyarankan bahwa di pertengahan abad ke-21, produksi massal mobil bertenaga hidrogen harus dimulai. Sel bahan bakar rumah tangga, yang pekerjaannya juga didasarkan pada oksidasi hidrogen dengan oksigen, akan menemukan aplikasi yang luas.
Pada akhir abad ke-19 dan awal abad ke-20, pada awal era aeronautika, balon, kapal udara, dan balon diisi dengan hidrogen, karena jauh lebih ringan daripada udara. Namun, era kapal udara mulai memudar dengan cepat ke masa lalu setelah bencana yang menimpa kapal udara Hindenburg. 6 Mei 1937 kapal udara, diisi dengan hidrogen, terbakar, mengakibatkan kematian puluhan penumpangnya.
Hidrogen sangat eksplosif dalam proporsi tertentu dengan oksigen. Kegagalan untuk mematuhi peraturan keselamatan menyebabkan pengapian dan ledakan pesawat.
- Hidrogen- unsur kimia pertama dari Tabel Periodik unsur kimia D.I. Mendeleev
- Hidrogen terletak di kelompok I, subkelompok utama, periode 1 dari Sistem Periodik
- Valensi hidrogen dalam senyawa - I
- Hidrogen Gas tidak berwarna, tidak berbau dan tidak berasa, praktis tidak larut dalam air
- Hidrogen- gas paling ringan
- Hidrogen cair dan padat diproduksi pada suhu rendah
- Hidrogen dapat larut dalam logam
- Aplikasi hidrogen bervariasi
Atom hidrogen memiliki rumus elektronik bagian luar (dan satu-satunya) elektronik level 1 s satu . Di satu sisi, dengan adanya satu elektron di tingkat elektronik terluar, atom hidrogen mirip dengan atom logam alkali. Namun, seperti halnya halogen, ia hanya kekurangan satu elektron untuk mengisi tingkat elektronik eksternal, karena tidak lebih dari 2 elektron dapat ditempatkan pada tingkat elektronik pertama. Ternyata hidrogen dapat ditempatkan secara bersamaan di kelompok pertama dan kedua dari belakang (ketujuh) dari tabel periodik, yang kadang-kadang dilakukan dalam berbagai versi sistem periodik:
Dari sudut pandang sifat-sifat hidrogen sebagai zat sederhana, ia memiliki lebih banyak kesamaan dengan halogen. Hidrogen, serta halogen, adalah non-logam dan membentuk molekul diatomik (H 2) mirip dengan mereka.
Dalam kondisi normal, hidrogen adalah gas, zat tidak aktif. Aktivitas hidrogen yang rendah dijelaskan oleh tingginya kekuatan ikatan antara atom hidrogen dalam molekul, yang membutuhkan pemanasan kuat atau penggunaan katalis, atau keduanya pada saat yang sama, untuk memutuskannya.
Interaksi hidrogen dengan zat sederhana
dengan logam
Dari logam, hidrogen hanya bereaksi dengan alkali dan alkali tanah! Logam alkali termasuk logam-logam dari subkelompok utama golongan I (Li, Na, K, Rb, Cs, Fr), dan logam alkali tanah adalah logam-logam dari subkelompok utama golongan II, kecuali berilium dan magnesium (Ca, Sr, Ba , Ra)
Saat berinteraksi dengan logam aktif, hidrogen menunjukkan sifat pengoksidasi, mis. menurunkan keadaan oksidasinya. Dalam hal ini, hidrida logam alkali dan alkali tanah terbentuk, yang memiliki struktur ionik. Reaksi berlangsung jika dipanaskan:
Perlu dicatat bahwa interaksi dengan logam aktif adalah satu-satunya kasus ketika molekul hidrogen H2 adalah agen pengoksidasi.
dengan non-logam
Dari non-logam, hidrogen hanya bereaksi dengan karbon, nitrogen, oksigen, belerang, selenium, dan halogen!
Karbon harus dipahami sebagai grafit atau karbon amorf, karena intan adalah modifikasi alotropik karbon yang sangat inert.
Ketika berinteraksi dengan non-logam, hidrogen hanya dapat melakukan fungsi zat pereduksi, yaitu, hanya dapat meningkatkan keadaan oksidasinya:
Interaksi hidrogen dengan zat kompleks
dengan oksida logam
Hidrogen tidak bereaksi dengan oksida logam yang berada dalam rangkaian aktivitas logam hingga aluminium (inklusif), namun mampu mereduksi banyak oksida logam di sebelah kanan aluminium ketika dipanaskan:
dengan oksida non-logam
Dari oksida non-logam, hidrogen bereaksi ketika dipanaskan dengan oksida nitrogen, halogen, dan karbon. Dari semua interaksi hidrogen dengan oksida non-logam, reaksinya dengan karbon monoksida CO harus diperhatikan secara khusus.
Campuran CO dan H 2 bahkan memiliki nama sendiri - "gas sintesis", karena, tergantung pada kondisinya, produk industri yang diminta seperti metanol, formaldehida, dan bahkan hidrokarbon sintetis dapat diperoleh darinya:
dengan asam
Hidrogen tidak bereaksi dengan asam anorganik!
Dari asam organik, hidrogen hanya bereaksi dengan asam tak jenuh, serta dengan asam yang mengandung gugus fungsi yang dapat direduksi oleh hidrogen, khususnya gugus aldehida, keto, atau nitro.
dengan garam
Dalam kasus larutan garam berair, interaksinya dengan hidrogen tidak terjadi. Namun, ketika hidrogen dilewatkan pada garam padat dari beberapa logam dengan aktivitas sedang dan rendah, reduksi sebagian atau seluruhnya dimungkinkan, misalnya:
Sifat kimia halogen
Halogen adalah unsur kimia golongan VIIA (F, Cl, Br, I, At), serta zat sederhana yang mereka bentuk. Selanjutnya, kecuali dinyatakan lain, halogen akan dipahami sebagai zat sederhana.
Semua halogen memiliki struktur molekul, yang menyebabkan titik leleh dan titik didih zat ini rendah. Molekul halogen bersifat diatomik, yaitu rumus mereka dapat ditulis dalam bentuk umum sebagai Hal 2 .
Perlu dicatat sifat fisik spesifik yodium seperti kemampuannya untuk: sublimasi atau, dengan kata lain, sublimasi. sublimasi, mereka menyebut fenomena di mana suatu zat dalam keadaan padat tidak meleleh ketika dipanaskan, tetapi, melewati fase cair, segera masuk ke keadaan gas.
Struktur elektronik tingkat energi eksternal atom halogen apa pun memiliki bentuk ns 2 np 5, di mana n adalah nomor periode tabel periodik tempat halogen berada. Seperti yang Anda lihat, hanya satu elektron yang hilang dari kulit terluar delapan elektron atom halogen. Dari sini adalah logis untuk mengasumsikan sifat pengoksidasi yang dominan dari halogen bebas, yang juga dikonfirmasi dalam praktik. Seperti yang Anda ketahui, keelektronegatifan non-logam berkurang ketika bergerak ke bawah subkelompok, dan oleh karena itu aktivitas halogen menurun dalam seri:
F 2 > Cl 2 > Br 2 > I 2
Interaksi halogen dengan zat sederhana
Semua halogen sangat reaktif dan bereaksi dengan sebagian besar zat sederhana. Namun, perlu dicatat bahwa fluor, karena reaktivitasnya yang sangat tinggi, dapat bereaksi bahkan dengan zat sederhana yang tidak dapat bereaksi dengan halogen lain. Zat sederhana tersebut termasuk oksigen, karbon (berlian), nitrogen, platinum, emas, dan beberapa gas mulia (xenon dan kripton). Itu. sebenarnya, fluor tidak bereaksi hanya dengan beberapa gas mulia.
Halogen yang tersisa, mis. klorin, brom dan yodium juga merupakan zat aktif, tetapi kurang aktif daripada fluor. Mereka bereaksi dengan hampir semua zat sederhana kecuali oksigen, nitrogen, karbon dalam bentuk berlian, platinum, emas, dan gas mulia.
Interaksi halogen dengan nonlogam
hidrogen
Semua halogen bereaksi dengan hidrogen membentuk hidrogen halida dengan rumus umum HHal. Pada saat yang sama, reaksi fluor dengan hidrogen dimulai secara spontan bahkan dalam gelap dan berlanjut dengan ledakan sesuai dengan persamaan:
Reaksi klorin dengan hidrogen dapat dimulai dengan penyinaran atau pemanasan ultraviolet yang intens. Juga bocor dengan ledakan:
Brom dan yodium bereaksi dengan hidrogen hanya ketika dipanaskan, dan pada saat yang sama, reaksi dengan yodium dapat dibalik:
fosfor
Interaksi fluor dengan fosfor menyebabkan oksidasi fosfor ke tingkat oksidasi tertinggi (+5). Dalam hal ini, pembentukan fosfor pentafluorida terjadi:
Ketika klorin dan bromin berinteraksi dengan fosfor, adalah mungkin untuk memperoleh fosfor halida baik dalam keadaan oksidasi + 3 dan dalam keadaan oksidasi + 5, yang tergantung pada proporsi reaktan:
Dalam kasus fosfor putih dalam suasana fluor, klorin atau brom cair, reaksi dimulai secara spontan.
Interaksi fosfor dengan yodium dapat menyebabkan pembentukan hanya fosfor triiodida karena kemampuan pengoksidasi yang jauh lebih rendah daripada halogen lainnya:
Abu-abu
Fluor mengoksidasi belerang ke tingkat oksidasi tertinggi +6, membentuk belerang heksafluorida:
Klorin dan bromin bereaksi dengan belerang, membentuk senyawa yang mengandung belerang dalam keadaan oksidasi yang sangat tidak biasa untuk +1 dan +2. Interaksi ini sangat spesifik, dan untuk lulus ujian kimia, kemampuan untuk menuliskan persamaan interaksi ini tidak diperlukan. Oleh karena itu, tiga persamaan berikut diberikan sebagai pedoman:
Interaksi halogen dengan logam
Seperti disebutkan di atas, fluor dapat bereaksi dengan semua logam, bahkan yang tidak aktif seperti platinum dan emas:
Halogen yang tersisa bereaksi dengan semua logam kecuali platinum dan emas:
Reaksi halogen dengan zat kompleks
Reaksi substitusi dengan halogen
Halogen yang lebih aktif, mis. unsur-unsur kimia yang terletak lebih tinggi dalam tabel periodik, mampu menggantikan halogen yang kurang aktif dari asam hidrohalat dan halida logam yang mereka bentuk:
Demikian pula, brom dan yodium menggantikan belerang dari larutan sulfida dan atau hidrogen sulfida:
Klorin adalah zat pengoksidasi yang lebih kuat dan mengoksidasi hidrogen sulfida dalam larutan berairnya bukan menjadi belerang, tetapi menjadi asam sulfat:
Interaksi halogen dengan air
Air terbakar dalam fluor dengan nyala biru sesuai dengan persamaan reaksi:
Brom dan klorin bereaksi berbeda dengan air daripada fluor. Jika fluor bertindak sebagai zat pengoksidasi, maka klorin dan bromin tidak proporsional dalam air, membentuk campuran asam. Dalam hal ini, reaksinya reversibel:
Interaksi yodium dengan air berlangsung sedemikian rupa sehingga dapat diabaikan dan dianggap bahwa reaksi tidak berlangsung sama sekali.
Interaksi halogen dengan larutan alkali
Fluor, ketika berinteraksi dengan larutan alkali berair, sekali lagi bertindak sebagai zat pengoksidasi:
Kemampuan menulis persamaan ini tidak diperlukan untuk lulus ujian. Cukuplah untuk mengetahui fakta tentang kemungkinan interaksi semacam itu dan peran pengoksidasi fluor dalam reaksi ini.
Tidak seperti fluor, halogen lain tidak proporsional dalam larutan alkali, yaitu, mereka secara bersamaan meningkatkan dan menurunkan keadaan oksidasinya. Pada saat yang sama, dalam kasus klorin dan bromin, tergantung pada suhu, aliran dalam dua arah yang berbeda dimungkinkan. Khususnya, dalam dingin, reaksi berlangsung sebagai berikut:
dan ketika dipanaskan:
Yodium bereaksi dengan alkali secara eksklusif sesuai dengan opsi kedua, yaitu. dengan terbentuknya iodat, karena hipoiodit tidak stabil tidak hanya ketika dipanaskan, tetapi juga pada suhu biasa dan bahkan dalam cuaca dingin.
HYDROGEN, N (lat. hidrogenium; a. hidrogen; n. Wasserstoff; f. hidrogen; dan. hidrogeno), adalah unsur kimia dari sistem periodik unsur Mendeleev, yang secara simultan dikaitkan dengan kelompok I dan VII, nomor atom 1, massa atom 1, 0079. Hidrogen alami memiliki isotop stabil - protium (1 H), deuterium (2 H, atau D) dan radioaktif - tritium (3 H, atau T). Untuk senyawa alami, rasio rata-rata D/Н = (158±2).10 -6 Kandungan kesetimbangan 3 di Bumi adalah ~5,10 27 atom.
Sifat fisik hidrogen
Hidrogen pertama kali dijelaskan pada tahun 1766 oleh ilmuwan Inggris G. Cavendish. Dalam kondisi normal, hidrogen adalah gas yang tidak berwarna, tidak berbau, dan tidak berasa. Di alam, dalam keadaan bebas berupa molekul H2. Energi disosiasi molekul H2 adalah 4,776 eV; potensial ionisasi atom hidrogen adalah 13,595 eV. Hidrogen adalah zat paling ringan dari semua yang diketahui, pada 0 ° C dan 0,1 MPa 0,0899 kg / m 3; titik didih - 252,6 ° C, titik leleh - 259,1 ° C; parameter kritis: t - 240 ° C, tekanan 1,28 MPa, kepadatan 31,2 kg / m 3. Yang paling konduktif termal dari semua gas adalah 0,174 W / (m.K) pada 0 ° C dan 1 MPa, kapasitas panas spesifik adalah 14.208.10 3 J (kg.K).
Sifat kimia hidrogen
Hidrogen cair sangat ringan (padat -253°C 70,8 kg / m 3) dan cair (pada -253°C 13,8 cP). Dalam kebanyakan senyawa, hidrogen menunjukkan keadaan oksidasi +1 (mirip dengan logam alkali), lebih jarang -1 (mirip dengan hidrida logam). Dalam kondisi normal, molekul hidrogen tidak aktif; kelarutan dalam air pada 20°C dan 1 MPa 0,0182 ml/g; larut dengan baik dalam logam - Ni, Pt, Pd, dll. Membentuk air dengan oksigen dengan pelepasan panas 143,3 MJ / kg (pada 25 ° C dan 0,1 MPa); pada 550 ° C dan di atas, reaksi disertai dengan ledakan. Saat berinteraksi dengan fluor dan klorin, reaksinya juga berlangsung dengan ledakan. Senyawa hidrogen utama: H 2 O, amonia NH 3, hidrogen sulfida H 2 S, CH 4, hidrida logam dan halogen CaH 2, HBr, Hl, serta senyawa organik C 2 H 4, HCHO, CH 3 OH, dll .
Hidrogen di alam
Hidrogen adalah elemen yang tersebar luas di alam, kandungannya 1% (berdasarkan massa). Reservoir utama hidrogen di Bumi adalah air (11,19%, berdasarkan massa). Hidrogen adalah salah satu komponen utama dari semua senyawa organik alami. Dalam keadaan bebas, ia hadir dalam gunung berapi dan gas alam lainnya, dalam (0,0001%, menurut jumlah atom). Itu membuat sebagian besar massa Matahari, bintang, gas antarbintang, nebula gas. Itu hadir di atmosfer planet dalam bentuk H 2 , CH 4 , NH 3 , H 2 O, CH, NHOH, dll. Ini adalah bagian dari radiasi sel Matahari (fluks proton) dan sinar kosmik (elektron fluks).
Mendapatkan dan menggunakan hidrogen
Bahan baku untuk produksi industri hidrogen adalah gas olahan, produk gasifikasi, dll. Metode utama untuk memproduksi hidrogen adalah reaksi hidrokarbon dengan uap air, oksidasi hidrokarbon yang tidak lengkap, konversi oksida, elektrolisis air. Hidrogen digunakan untuk produksi amonia, alkohol, bensin sintetis, asam klorida, hydrotreating produk minyak bumi, pemotongan logam dengan api hidrogen-oksigen.
Hidrogen adalah bahan bakar gas yang menjanjikan. Deuterium dan tritium telah menemukan aplikasi dalam rekayasa tenaga nuklir.
Mulai mempertimbangkan sifat kimia dan fisik hidrogen, perlu dicatat bahwa dalam keadaan biasa, unsur kimia ini dalam bentuk gas. Gas hidrogen tidak berwarna tidak berbau dan tidak berasa. Untuk pertama kalinya, unsur kimia ini dinamai hidrogen setelah ilmuwan A. Lavoisier melakukan eksperimen dengan air, yang menurut hasilnya, ilmu pengetahuan dunia mengetahui bahwa air adalah cairan multikomponen, yang mencakup Hidrogen. Peristiwa ini terjadi pada tahun 1787, tetapi jauh sebelum tanggal itu, hidrogen dikenal oleh para ilmuwan dengan nama "gas yang mudah terbakar".
Hidrogen di alam
Menurut para ilmuwan, hidrogen ditemukan di kerak bumi dan di air (sekitar 11,2% dari total volume air). Gas ini adalah bagian dari banyak mineral yang telah diekstraksi umat manusia dari perut bumi selama berabad-abad. Sebagian, sifat-sifat hidrogen adalah karakteristik minyak, gas alam, dan tanah liat, untuk organisme hewan dan tumbuhan. Tetapi dalam bentuknya yang murni, yaitu, tidak digabungkan dengan unsur-unsur kimia lain dari tabel periodik, gas ini sangat langka di alam. Gas ini bisa lepas ke permukaan bumi saat terjadi letusan gunung berapi. Hidrogen bebas hadir dalam jumlah sedikit di atmosfer.
Sifat kimia hidrogen
Karena sifat kimia hidrogen tidak seragam, unsur kimia ini termasuk dalam golongan I sistem Mendeleev dan golongan VII sistem. Menjadi perwakilan dari kelompok pertama, hidrogen, pada kenyataannya, adalah logam alkali yang memiliki bilangan oksidasi +1 di sebagian besar senyawa yang termasuk di dalamnya. Valensi yang sama adalah karakteristik natrium dan logam alkali lainnya. Mengingat sifat kimia ini, hidrogen dianggap sebagai elemen yang mirip dengan logam ini.
Jika kita berbicara tentang hidrida logam, maka ion hidrogen memiliki valensi negatif - keadaan oksidasinya adalah -1. Na + H- dibangun dengan cara yang sama seperti Na + Cl- klorida. Fakta ini adalah alasan untuk menetapkan hidrogen ke grup VII dari sistem Mendeleev. Hidrogen, berada dalam keadaan molekul, asalkan berada dalam lingkungan biasa, tidak aktif, dan hanya dapat bergabung dengan non-logam yang lebih aktif untuknya. Logam tersebut termasuk fluor, dengan adanya cahaya, hidrogen bergabung dengan klorin. Jika hidrogen dipanaskan, ia menjadi lebih aktif, bereaksi dengan banyak elemen dari sistem periodik Mendeleev.
Atom hidrogen menunjukkan sifat kimia yang lebih aktif daripada hidrogen molekuler. Molekul oksigen membentuk air - H2 + 1/2O2 = H2O. Ketika hidrogen berinteraksi dengan halogen, hidrogen halida H2 + Cl2 = 2HCl terbentuk, dan hidrogen masuk ke dalam reaksi ini tanpa adanya cahaya dan pada suhu negatif yang cukup tinggi - hingga - 252 ° C. Sifat kimia hidrogen memungkinkan untuk menggunakannya untuk mereduksi banyak logam, karena, ketika bereaksi, hidrogen menyerap oksigen dari oksida logam, misalnya, CuO + H2 = Cu + H2O. Hidrogen terlibat dalam pembentukan amonia, berinteraksi dengan nitrogen dalam reaksi 3H2 + N2 = 2NH3, tetapi dengan syarat bahwa katalis digunakan, dan suhu dan tekanan ditingkatkan.
Reaksi energik terjadi ketika hidrogen berinteraksi dengan belerang dalam reaksi H2 + S = H2S, yang menghasilkan hidrogen sulfida. Interaksi hidrogen dengan telurium dan selenium sedikit kurang aktif. Jika tidak ada katalis, maka ia bereaksi dengan karbon murni, hidrogen hanya di bawah kondisi suhu tinggi dibuat. 2H2 + C (amorf) = CH4 (metana). Dalam proses aktivitas hidrogen dengan beberapa alkali dan logam lain, hidrida diperoleh, misalnya, H2 + 2Li = 2LiH.
Sifat fisik hidrogen
Hidrogen adalah bahan kimia yang sangat ringan. Paling tidak, para ilmuwan mengklaim bahwa saat ini, tidak ada zat yang lebih ringan dari hidrogen. Massanya 14,4 kali lebih ringan dari udara, kerapatannya 0,0899 g/l pada 0°C. Pada suhu -259,1 ° C, hidrogen mampu meleleh - ini adalah suhu yang sangat kritis, yang tidak khas untuk transformasi sebagian besar senyawa kimia dari satu keadaan ke keadaan lain. Hanya elemen seperti helium yang melebihi sifat fisik hidrogen dalam hal ini. Pencairan hidrogen sulit dilakukan, karena suhu kritisnya adalah (-240 °C). Hidrogen adalah gas penghasil panas yang paling banyak diketahui umat manusia. Semua sifat yang dijelaskan di atas adalah sifat fisik hidrogen yang paling signifikan yang digunakan oleh manusia untuk tujuan tertentu. Juga, sifat-sifat ini adalah yang paling relevan untuk sains modern.
Atom hidrogen, dibandingkan dengan atom unsur lain, memiliki struktur paling sederhana: terdiri dari satu proton.
membentuk inti atom, dan satu elektron terletak pada orbital ls. Keunikan atom hidrogen terletak pada kenyataan bahwa satu-satunya elektron valensinya berada langsung di medan aksi inti atom, karena tidak terlindung oleh elektron lain. Ini menyediakannya dengan properti tertentu. Ia dapat menyumbangkan elektronnya dalam reaksi kimia, membentuk kation H + (seperti atom logam alkali), atau menambahkan elektron dari pasangannya untuk membentuk anion H- (seperti atom halogen). Oleh karena itu, hidrogen dalam sistem periodik ditempatkan lebih sering di grup IA, kadang-kadang di grup VIIA, tetapi ada varian tabel di mana hidrogen tidak termasuk dalam salah satu grup tabel periodik.
Molekul hidrogen adalah diatomik - H2. Hidrogen adalah yang paling ringan dari semua gas. Karena non-polaritas dan kekuatan molekul H2 yang tinggi (Est\u003d 436 kJ / mol) dalam kondisi normal, hidrogen secara aktif berinteraksi hanya dengan fluor, dan ketika diterangi, juga dengan klorin dan bromin. Ketika dipanaskan, ia bereaksi dengan banyak non-logam, klorin, brom, oksigen, belerang, menunjukkan sifat pereduksi, dan berinteraksi dengan logam alkali dan alkali tanah, ia adalah zat pengoksidasi dan membentuk hidrida dari logam-logam ini:
Di antara semua organogen, hidrogen memiliki elektronegativitas relatif terendah (0E0 = 2.1), oleh karena itu, dalam senyawa alami, hidrogen selalu menunjukkan keadaan oksidasi +1. Dari posisi termodinamika kimia, hidrogen dalam sistem kehidupan yang mengandung air tidak dapat membentuk molekul hidrogen (Н 2) atau ion hidrida (Н~). Hidrogen molekuler dalam kondisi normal secara kimiawi tidak aktif dan pada saat yang sama sangat mudah menguap, itulah sebabnya ia tidak dapat disimpan oleh tubuh dan berpartisipasi dalam metabolisme. Ion hidrida secara kimiawi sangat aktif dan segera berinteraksi bahkan dengan sejumlah kecil air untuk membentuk molekul hidrogen. Oleh karena itu, hidrogen dalam tubuh baik dalam bentuk senyawa dengan organogen lain, atau dalam bentuk kation H +.
Hidrogen dengan unsur-unsur organogenik hanya membentuk ikatan kovalen. Menurut tingkat polaritas, ikatan ini diatur dalam urutan berikut:
Seri ini sangat penting untuk kimia senyawa alami, karena polaritas ikatan ini dan polarisasinya menentukan sifat asam senyawa, yaitu, disosiasi dengan pembentukan proton.
sifat asam. Tergantung pada sifat unsur yang membentuk ikatan X-H, 4 jenis asam dibedakan:
OH-asam (asam karboksilat, fenol, alkohol);
SH-asam (tiol);
NH-asam (amida, imida, amina);
CH-asam (hidrokarbon dan turunannya).
Dengan mempertimbangkan polarisasi yang tinggi dari ikatan S-H, deret asam berikut dapat disusun menurut kemampuannya untuk berdisosiasi:
Konsentrasi kation hidrogen dalam lingkungan akuatik menentukan keasamannya, yang dinyatakan dengan menggunakan nilai pH pH = -lg (Bag. 7.5). Sebagian besar lingkungan fisiologis tubuh memiliki reaksi yang mendekati netral (pH = 5,0-7,5), hanya pada asam lambung pH = 1,0-2,0. Ini memberikan, di satu sisi, efek antimikroba, membunuh banyak mikroorganisme yang dibawa ke perut dengan makanan; di sisi lain, lingkungan asam memiliki efek katalitik dalam hidrolisis protein, polisakarida dan biosubstrat lainnya, berkontribusi pada produksi metabolit yang diperlukan.
sifat redoks. Karena kepadatan muatan positif yang tinggi, kation hidrogen adalah zat pengoksidasi yang agak kuat (f° = 0 V), pengoksidasi logam aktif dan aktivitas sedang ketika berinteraksi dengan asam dan air:
Tidak ada zat pereduksi yang begitu kuat dalam sistem kehidupan, dan daya oksidasi kation hidrogen dalam medium netral (pH = 7) berkurang secara signifikan (f° = -0,42 V). Oleh karena itu, di dalam tubuh, kation hidrogen tidak menunjukkan sifat pengoksidasi, tetapi secara aktif berpartisipasi dalam reaksi redoks, berkontribusi pada konversi zat awal menjadi produk reaksi:
Dalam semua contoh yang diberikan, atom hidrogen tidak mengubah keadaan oksidasinya +1.
Sifat pereduksi adalah karakteristik molekuler dan terutama atom hidrogen, yaitu hidrogen pada saat pelepasan langsung dalam media reaksi, serta untuk ion hidrida:
Namun, tidak ada zat pereduksi seperti itu (H2 atau H-) dalam sistem kehidupan, dan oleh karena itu tidak ada reaksi seperti itu. Pendapat yang ditemukan dalam literatur, termasuk buku teks, bahwa hidrogen adalah pembawa sifat pereduksi senyawa organik tidak sesuai dengan kenyataan; dengan demikian, dalam sistem kehidupan, bentuk tereduksi dari koenzim dehidrogenase, di mana atom karbon, bukan atom hidrogen, bertindak sebagai pereduksi biosubstrat (Bag. 9.3.3).
sifat kompleks. Karena adanya orbital atom bebas dalam kation hidrogen dan efek polarisasi yang tinggi dari kation H + itu sendiri, itu adalah ion pengompleks aktif. Jadi, dalam media berair, kation hidrogen membentuk ion hidronium H3O +, dan dengan adanya amonia, ion amonium NH4:
Kecenderungan untuk membentuk asosiasi. Atom hidrogen dari ikatan -Н dan N--Н yang sangat polar membentuk ikatan hidrogen (Bag. 3.1). Kekuatan ikatan hidrogen (dari 10 hingga 100 kJ/mol) tergantung pada besarnya muatan lokal dan panjang ikatan hidrogen, yaitu pada jarak antara atom-atom unsur elektronegatif yang terlibat dalam pembentukannya. Asam amino, karbohidrat, protein, asam nukleat dicirikan oleh panjang ikatan hidrogen berikut, pm:
Karena ikatan hidrogen, interaksi antarmolekul reversibel muncul antara substrat dan enzim, antara kelompok individu dalam polimer alam, yang menentukan struktur sekunder, tersier, dan kuaterner mereka (Bagian 21.4, 23.4). Ikatan hidrogen memainkan peran utama dalam sifat air sebagai pelarut dan reagen.
Air dan Sifatnya. Air adalah senyawa hidrogen yang paling penting. Semua reaksi kimia dalam tubuh hanya terjadi di lingkungan perairan, kehidupan tanpa air tidak mungkin. Air sebagai pelarut dipertimbangkan dalam Sec. 6.1.
Sifat asam-basa. Air sebagai reagen dari sudut pandang sifat asam-basa adalah amfolit sejati (Bagian 8.1). Ini memanifestasikan dirinya baik dalam hidrolisis garam (Bagian 8.3.1) dan dalam disosiasi asam dan basa dalam media berair (Bagian 8.3.2).
Karakteristik kuantitatif keasaman media berair adalah nilai pH.
Air sebagai reagen asam-basa terlibat dalam reaksi hidrolisis biosubstrat. Misalnya, hidrolisis adenosin trifosfat berfungsi sebagai sumber energi yang disimpan untuk tubuh, hidrolisis enzimatik protein yang tidak perlu berfungsi untuk mendapatkan asam amino, yang merupakan bahan awal untuk sintesis protein yang diperlukan. Pada saat yang sama, kation H+ atau anion OH- adalah katalis asam-basa untuk reaksi hidrolisis biosubstrat (Bagian 21.4, 23.4).
sifat redoks. Dalam molekul air, baik hidrogen dan oksigen berada dalam keadaan oksidasi yang stabil. Oleh karena itu, air tidak menunjukkan sifat redoks yang nyata. Reaksi redoks dimungkinkan ketika air hanya berinteraksi dengan zat pereduksi yang sangat aktif atau zat pengoksidasi yang sangat aktif, atau dalam kondisi aktivasi reagen yang kuat.
Air dapat menjadi zat pengoksidasi karena kation hidrogen ketika berinteraksi dengan zat pereduksi kuat, seperti logam alkali dan alkali tanah atau hidridanya:
Pada suhu tinggi, interaksi air dengan zat pereduksi yang kurang aktif dimungkinkan:
Dalam sistem kehidupan, komponen air mereka tidak pernah bertindak sebagai agen pengoksidasi, karena ini akan menyebabkan kehancuran sistem ini karena pembentukan dan penghilangan molekul hidrogen yang tidak dapat diubah dari organisme.
Air dapat bertindak sebagai zat pereduksi karena atom oksigen, misalnya, ketika berinteraksi dengan zat pengoksidasi kuat seperti fluor:
Di bawah pengaruh cahaya dan dengan partisipasi klorofil, proses fotosintesis berlangsung pada tanaman dengan pembentukan O2 dari air (Bag. 9.3.6):
Selain partisipasi langsung dalam transformasi redoks, air dan produk disosiasinya H + dan OH- mengambil bagian sebagai media yang berkontribusi pada terjadinya banyak reaksi redoks karena polaritasnya yang tinggi ( = 79) dan partisipasi ion yang dibentuk oleh dalam transformasi zat awal menjadi akhir (Bagian 9.1).
sifat kompleks. Karena adanya dua pasangan elektron yang tidak digunakan bersama pada atom oksigen, molekul air adalah ligan monodentat yang cukup aktif, yang membentuk ion oksonium kompleks H 3 0 + dengan kation hidrogen, dan kompleks aqua yang cukup stabil dengan kation logam dalam larutan berair. , misalnya [Ca (H 2 0) 6 ] 2+ , [ Fe(H 2 0) 6 ] 3+ , 2+ . Dalam ion kompleks ini, molekul simpul terikat secara kovalen dengan agen pengompleks dengan cukup kuat. Kation logam alkali tidak membentuk kompleks aqua, tetapi membentuk kation terhidrasi karena gaya elektrostatik. Waktu tinggal molekul air dalam kulit hidrasi kation ini tidak melebihi 0,1 detik, dan komposisinya dalam hal jumlah molekul air dapat dengan mudah berubah.
Kecenderungan untuk membentuk asosiasi. Karena polaritas tinggi, yang mendorong interaksi elektrostatik dan pembentukan ikatan hidrogen, molekul air bahkan dalam air murni (Bag. 6.1) membentuk asosiasi antarmolekul yang berbeda dalam struktur, jumlah molekul dan waktu kehidupan menetap mereka di asosiasi , serta masa hidup rekanan itu sendiri. Dengan demikian, air murni adalah sistem dinamis kompleks terbuka. Di bawah pengaruh faktor eksternal: radiasi radioaktif, ultraviolet dan laser, gelombang elastis, suhu, tekanan, medan listrik, magnet dan elektromagnetik dari sumber buatan dan alami (ruang, Matahari, Bumi, benda hidup) - air mengubah sifat struktural dan informasinya , dan akibatnya, fungsi biologis dan fisiologisnya berubah.
Selain asosiasi diri, molekul air menghidrasi ion, molekul polar, dan makromolekul, membentuk cangkang hidrasi di sekitar mereka, sehingga menstabilkan mereka dalam larutan dan mempromosikan pembubaran mereka (Bagian 6.1). Zat-zat yang molekulnya nonpolar dan ukurannya relatif kecil hanya dapat sedikit larut dalam air, mengisi rongga-rongga rekanannya dengan struktur tertentu. Dalam hal ini, sebagai hasil interaksi hidrofobik, molekul nonpolar menyusun cangkang hidrasi yang mengelilinginya, mengubahnya menjadi asosiasi terstruktur, biasanya dengan struktur seperti es, di mana molekul nonpolar ini berada.
Dalam organisme hidup, dua kategori air dapat dibedakan - "terikat" dan "bebas", yang terakhir, tampaknya, hanya ada dalam cairan antar sel (Bag. 6.1). Air terikat, pada gilirannya, dibagi menjadi air "terstruktur" (terikat kuat) dan "terikat" (terikat lemah atau lepas). Mungkin, semua faktor eksternal di atas memengaruhi keadaan air di dalam tubuh, mengubah rasio: air "terstruktur" / "rusak" dan "terikat" / "bebas", serta parameter struktural dan dinamisnya. Ini dimanifestasikan dalam perubahan keadaan fisiologis tubuh. Ada kemungkinan bahwa air intraseluler terus menerus diatur, terutama oleh protein, transisi yang berdenyut dari keadaan "terstruktur" ke keadaan "tidak terstruktur". Transisi ini saling berhubungan dengan pengusiran metabolit bekas (terak) dari sel dan penyerapan zat yang diperlukan. Dari sudut pandang modern, air terlibat dalam pembentukan struktur intraseluler tunggal, yang dengannya keteraturan proses kehidupan tercapai. Oleh karena itu, menurut ungkapan kiasan A. Szent-Gyorgyi, air dalam tubuh adalah "matriks kehidupan."
Air di alam. Air adalah zat yang paling penting dan tersebar luas di Bumi. Permukaan bumi 75% tertutup air. Volume Samudra Dunia adalah 1,4 miliar km 3 . Jumlah air yang sama ditemukan dalam mineral dalam bentuk air kristalisasi. Atmosfer mengandung 13 ribu km 3 air. Pada saat yang sama, cadangan air tawar yang cocok untuk minum dan kebutuhan rumah tangga cukup terbatas (volume semua reservoir air tawar adalah 200 ribu km 3). Air tawar yang digunakan dalam kehidupan sehari-hari mengandung berbagai kotoran dari 0,05 hingga 1 g/l, paling sering ini adalah garam: bikarbonat, klorida, sulfat, termasuk garam kalsium dan magnesium larut, yang keberadaannya membuat air menjadi keras (bagian 14.3). Saat ini, perlindungan sumber daya air dan pengolahan air limbah merupakan masalah lingkungan yang paling mendesak.
Dalam air biasa, ada sekitar 0,02% air berat D2O (D - deuterium). Ini terakumulasi selama penguapan atau elektrolisis air biasa. Air berat beracun. Air berat digunakan untuk mempelajari pergerakan air pada organisme hidup. Dengan bantuannya, ditemukan bahwa kecepatan pergerakan air di jaringan beberapa tanaman mencapai 14 m/jam, dan air yang diminum seseorang didistribusikan sepenuhnya ke organ dan jaringannya dalam 2 jam dan dikeluarkan sepenuhnya dari tubuh. hanya setelah dua minggu. Organisme hidup mengandung 50 hingga 93% air, yang merupakan peserta yang sangat diperlukan dalam semua proses kehidupan. Hidup tidak mungkin tanpa air. Dengan harapan hidup 70 tahun, seseorang mengkonsumsi sekitar 70 ton air dengan makanan dan minuman.
Banyak digunakan dalam praktik ilmiah dan medis air sulingan- cairan bening tidak berwarna, tidak berbau dan tidak berasa, pH = 5,2-6,8. Ini adalah persiapan farmakope untuk persiapan berbagai bentuk sediaan.
Air untuk injeksi(air pirogenik) - juga merupakan persiapan farmakope. Air ini tidak mengandung zat pirogenik. Pirogen - zat asal bakteri - metabolit atau produk limbah bakteri yang, ketika memasuki tubuh, menyebabkan kedinginan, demam, sakit kepala, dan gangguan aktivitas kardiovaskular. Air apirogenik dibuat dengan distilasi ganda dari nodus (bidistilat) dalam kondisi aseptik dan digunakan dalam waktu 24 jam.
Sebagai penutup bagian ini, perlu untuk menekankan fitur hidrogen sebagai elemen biogenik. Dalam sistem kehidupan, hidrogen selalu menunjukkan keadaan oksidasi +1 dan terjadi baik sebagai ikatan kovalen polar dengan unsur biogenik lainnya, atau sebagai kation H +. Kation hidrogen adalah pembawa sifat asam dan agen pengompleks aktif yang berinteraksi dengan pasangan elektron bebas atom organogen lain. Dari sudut pandang sifat redoks, hidrogen terikat di bawah kondisi tubuh tidak menunjukkan sifat baik sebagai agen pengoksidasi atau agen pereduksi, namun, kation hidrogen secara aktif berpartisipasi dalam banyak reaksi redoks, tanpa mengubah keadaan oksidasinya, tetapi berkontribusi untuk konversi biosubstrat menjadi produk reaksi. Hidrogen yang terikat pada unsur elektronegatif membentuk ikatan hidrogen.
