Hidrogênio- o primeiro elemento químico da Tabela Periódica de elementos químicos D.I. Mendeleiev. O elemento químico hidrogênio está localizado no primeiro grupo, o subgrupo principal, o primeiro período do Sistema Periódico.

Massa atômica relativa do hidrogênio = 1.

O hidrogênio tem a estrutura mais simples de um átomo, consiste em um único elétron, localizado no espaço nuclear. O núcleo de um átomo de hidrogênio consiste em um próton.

O átomo de hidrogênio, em reações químicas, pode tanto doar quanto adicionar um elétron, formando dois tipos de íons:

H0 + 1° → H1− H0 – 1° → H1+.

Hidrogênioé o elemento mais abundante do universo. É responsável por cerca de 88,6% de todos os átomos (cerca de 11,3% são átomos de hélio, a proporção de todos os outros elementos combinados é de cerca de 0,1%). Assim, o hidrogênio é o principal componente das estrelas e do gás interestelar. No espaço interestelar, esse elemento existe na forma de moléculas, átomos e íons individuais e pode formar nuvens moleculares que variam significativamente em tamanho, densidade e temperatura.

A fração de massa de hidrogênio na crosta terrestre é de 1%.É o nono elemento mais comum. A importância do hidrogênio nos processos químicos que ocorrem na Terra é quase tão grande quanto a do oxigênio. Ao contrário do oxigênio, que existe na Terra em estado livre e ligado, quase todo hidrogênio na Terra está na forma de compostos; apenas uma quantidade muito pequena de hidrogênio na forma de uma substância simples é encontrada na atmosfera (0,00005% em volume para ar seco).

O hidrogênio é um constituinte de quase todas as substâncias orgânicas e está presente em todas as células vivas.

Propriedades físicas do hidrogênio

Uma substância simples formada pelo elemento químico hidrogênio tem uma estrutura molecular. A sua composição corresponde à fórmula H2. Como um elemento químico, uma substância simples também é chamada de hidrogênio.

HidrogênioÉ um gás incolor, inodoro e insípido, praticamente insolúvel em água. À temperatura ambiente e pressão atmosférica normal, a solubilidade é de 18,8 ml de gás por 1 litro de água.

Hidrogênio- o gás mais leve, sua densidade é de 0,08987 g/l. Para comparação: a densidade do ar é de 1,3 g/l.

O hidrogênio pode se dissolver em metais por exemplo, até 850 volumes de hidrogênio podem se dissolver em um volume de paládio. Devido ao seu tamanho molecular extremamente pequeno, o hidrogênio é capaz de se difundir através de muitos materiais.

Como outros gases, o hidrogênio se condensa em baixas temperaturas em um líquido transparente incolor, isso ocorre a uma temperatura de - 252,8°C. Quando a temperatura atinge -259,2°C, o hidrogênio cristaliza na forma de cristais brancos, semelhantes à neve.

Ao contrário do oxigênio, o hidrogênio não apresenta alotropia.

Aplicação de hidrogênio

O hidrogênio é usado em várias indústrias. Muito hidrogênio vai para a produção de amônia (NH3). Da amônia são obtidos fertilizantes nitrogenados, fibras sintéticas e plásticos e medicamentos.

Na indústria alimentícia, o hidrogênio é utilizado na produção de margarina, que contém gorduras duras. Para obtê-los de gorduras líquidas, o hidrogênio é passado por eles.

Quando o hidrogênio queima em oxigênio, a temperatura da chama é de aproximadamente 2500°C. A esta temperatura, os metais refratários podem ser fundidos e soldados. Assim, o hidrogênio é usado na soldagem.

Uma mistura de hidrogênio líquido e oxigênio é usada como combustível de foguete.

Atualmente, vários países iniciaram pesquisas sobre a substituição de fontes de energia não renováveis ​​(petróleo, gás, carvão) por hidrogênio. Quando o hidrogênio é queimado em oxigênio, um produto ecologicamente correto é formado - água e não dióxido de carbono, que causa o efeito estufa.

Os cientistas sugerem que em meados do século 21, a produção em massa de carros movidos a hidrogênio deve começar. As células de combustível domésticas, cujo trabalho também se baseia na oxidação do hidrogênio com o oxigênio, terão ampla aplicação.

No final do século XIX e início do século XX, no início da era da aeronáutica, balões, dirigíveis e balões eram preenchidos com hidrogênio, pois é muito mais leve que o ar. No entanto, a era dos dirigíveis começou a desaparecer rapidamente no passado após o desastre que aconteceu com o dirigível Hindenburg. 06 de maio de 1937 dirigível, cheio de hidrogênio, pegou fogo, resultando na morte de dezenas de seus passageiros.

O hidrogênio é extremamente explosivo em certas proporções com o oxigênio. O não cumprimento das normas de segurança levou à ignição e explosão do dirigível.

• Hidrogênio- o primeiro elemento químico da Tabela Periódica de elementos químicos D.I. Mendeleiev
• O hidrogênio está localizado no grupo I, subgrupo principal, período 1 do Sistema Periódico
• Valência de hidrogênio em compostos - I
• Hidrogênio Gás incolor, inodoro e insípido, praticamente insolúvel em água
• Hidrogênio- o gás mais leve
• Hidrogênio líquido e sólido é produzido em baixas temperaturas
• O hidrogênio pode se dissolver em metais
• As aplicações de hidrogênio são variadas

O átomo de hidrogênio tem a fórmula eletrônica do nível 1 eletrônico externo (e único) s 1 . Por um lado, pela presença de um elétron no nível eletrônico externo, o átomo de hidrogênio é semelhante aos átomos de metais alcalinos. No entanto, assim como os halogênios, falta apenas um elétron para preencher o nível eletrônico externo, pois não mais do que 2 elétrons podem ser localizados no primeiro nível eletrônico. Acontece que o hidrogênio pode ser colocado simultaneamente no primeiro e no penúltimo (sétimo) grupo da tabela periódica, o que às vezes é feito em várias versões do sistema periódico:

Do ponto de vista das propriedades do hidrogênio como substância simples, ele tem mais em comum com os halogênios. O hidrogênio, assim como os halogênios, é um não metal e forma moléculas diatômicas (H 2) semelhantes a eles.

Em condições normais, o hidrogênio é uma substância gasosa e inativa. A baixa atividade do hidrogênio é explicada pela alta força da ligação entre os átomos de hidrogênio na molécula, que requer um forte aquecimento ou o uso de catalisadores, ou ambos ao mesmo tempo, para quebrá-la.

Interação do hidrogênio com substâncias simples

com metais

Dos metais, o hidrogênio reage apenas com álcalis e alcalinos terrosos! Os metais alcalinos incluem metais do subgrupo principal do grupo I (Li, Na, K, Rb, Cs, Fr), e os metais alcalinoterrosos são metais do subgrupo principal do grupo II, exceto berílio e magnésio (Ca, Sr, Ba , R)

Ao interagir com metais ativos, o hidrogênio exibe propriedades oxidantes, ou seja, diminui seu estado de oxidação. Neste caso, são formados hidretos de metais alcalinos e alcalino-terrosos, que possuem uma estrutura iônica. A reação prossegue quando aquecida:

Deve-se notar que a interação com metais ativos é o único caso em que o hidrogênio molecular H2 é um agente oxidante.

com não metais

Dos não metais, o hidrogênio reage apenas com carbono, nitrogênio, oxigênio, enxofre, selênio e halogênios!

O carbono deve ser entendido como grafite ou carbono amorfo, uma vez que o diamante é uma modificação alotrópica extremamente inerte do carbono.

Ao interagir com não metais, o hidrogênio só pode desempenhar a função de agente redutor, ou seja, só pode aumentar seu estado de oxidação:

Interação do hidrogênio com substâncias complexas

com óxidos metálicos

O hidrogênio não reage com óxidos metálicos que estão na série de atividade dos metais até o alumínio (inclusive), porém, é capaz de reduzir muitos óxidos metálicos à direita do alumínio quando aquecido:

com óxidos não metálicos

Dos óxidos não metálicos, o hidrogênio reage quando aquecido com óxidos de nitrogênio, halogênios e carbono. De todas as interações do hidrogênio com óxidos não metálicos, sua reação com monóxido de carbono CO deve ser especialmente notada.

A mistura de CO e H 2 ainda tem seu próprio nome - “gás de síntese”, pois, dependendo das condições, podem ser obtidos produtos industriais exigidos como metanol, formaldeído e até hidrocarbonetos sintéticos:

com ácidos

O hidrogênio não reage com ácidos inorgânicos!

Dos ácidos orgânicos, o hidrogênio reage apenas com ácidos insaturados, bem como com ácidos contendo grupos funcionais passíveis de serem reduzidos por hidrogênio, em particular grupos aldeído, ceto ou nitro.

com sais

No caso de soluções aquosas de sais, sua interação com o hidrogênio não ocorre. No entanto, quando o hidrogênio é passado sobre sais sólidos de alguns metais de média e baixa atividade, sua redução parcial ou completa é possível, por exemplo:

Propriedades químicas dos halogênios

Os halogênios são os elementos químicos do grupo VIIA (F, Cl, Br, I, At), assim como as substâncias simples que eles formam. Doravante, salvo indicação em contrário, os halogênios serão entendidos como substâncias simples.

Todos os halogênios têm uma estrutura molecular, o que leva a baixos pontos de fusão e ebulição dessas substâncias. As moléculas de halogênio são diatômicas, ou seja, sua fórmula pode ser escrita na forma geral como Hal 2 .

Deve-se notar uma propriedade física tão específica do iodo como sua capacidade de sublimação ou, em outras palavras, sublimação. sublimação, eles chamam o fenômeno em que uma substância no estado sólido não derrete quando aquecida, mas, contornando a fase líquida, passa imediatamente para o estado gasoso.

A estrutura eletrônica do nível de energia externa de um átomo de qualquer halogênio tem a forma ns 2 np 5, onde n é o número do período da tabela periódica em que o halogênio está localizado. Como você pode ver, apenas um elétron está faltando na camada externa de oito elétrons dos átomos de halogênio. A partir disso, é lógico supor as propriedades predominantemente oxidantes dos halogênios livres, o que também é confirmado na prática. Como você sabe, a eletronegatividade dos não metais diminui ao descer no subgrupo e, portanto, a atividade dos halogênios diminui na série:

F 2 > Cl 2 > Br 2 > I 2

Interação de halogênios com substâncias simples

Todos os halogênios são altamente reativos e reagem com a maioria das substâncias simples. No entanto, deve-se notar que o flúor, devido à sua reatividade extremamente alta, pode reagir mesmo com aquelas substâncias simples com as quais outros halogênios não podem reagir. Essas substâncias simples incluem oxigênio, carbono (diamante), nitrogênio, platina, ouro e alguns gases nobres (xenônio e criptônio). Aqueles. na realidade, o flúor não reage apenas com alguns gases nobres.

Os restantes halogéneos, i.e. cloro, bromo e iodo também são substâncias ativas, mas menos ativas que o flúor. Eles reagem com quase todas as substâncias simples, exceto oxigênio, nitrogênio, carbono na forma de diamante, platina, ouro e gases nobres.

Interação de halogênios com não metais

hidrogênio

Todos os halogênios reagem com o hidrogênio para formar haletos de hidrogênio com a fórmula geral HHal. Ao mesmo tempo, a reação do flúor com o hidrogênio começa espontaneamente mesmo no escuro e prossegue com uma explosão de acordo com a equação:

A reação do cloro com o hidrogênio pode ser iniciada por irradiação ultravioleta intensa ou aquecimento. Também vaza com uma explosão:

O bromo e o iodo reagem com o hidrogênio apenas quando aquecidos e, ao mesmo tempo, a reação com o iodo é reversível:

fósforo

A interação do flúor com o fósforo leva à oxidação do fósforo ao estado de oxidação mais alto (+5). Neste caso, ocorre a formação de pentafluoreto de fósforo:

Quando o cloro e o bromo interagem com o fósforo, é possível obter haletos de fósforo tanto no estado de oxidação + 3 quanto no estado de oxidação + 5, que depende das proporções dos reagentes:

No caso do fósforo branco em atmosfera de flúor, cloro ou bromo líquido, a reação começa espontaneamente.

A interação do fósforo com o iodo pode levar à formação de apenas triiodeto de fósforo devido à capacidade de oxidação significativamente menor do que outros halogênios:

cinzento

O flúor oxida o enxofre ao estado de oxidação mais alto +6, formando hexafluoreto de enxofre:

O cloro e o bromo reagem com o enxofre, formando compostos contendo enxofre em estados de oxidação extremamente incomuns para ele +1 e +2. Essas interações são muito específicas, e a capacidade de escrever as equações dessas interações não é necessária para passar no exame de química. Portanto, as três equações a seguir são fornecidas apenas para orientação:

Interação de halogênios com metais

Como mencionado acima, o flúor é capaz de reagir com todos os metais, mesmo os inativos como platina e ouro:

Os halogênios restantes reagem com todos os metais, exceto platina e ouro:

Reações de halogênios com substâncias complexas

Reações de substituição com halogênios

Halogéneos mais activos, i.e. cujos elementos químicos estão localizados mais acima na tabela periódica, são capazes de deslocar halogênios menos ativos dos ácidos hidro-hálicos e haletos metálicos que eles formam:

Da mesma forma, bromo e iodo deslocam enxofre de soluções de sulfetos e ou sulfeto de hidrogênio:

O cloro é um agente oxidante mais forte e oxida o sulfeto de hidrogênio em sua solução aquosa não em enxofre, mas em ácido sulfúrico:

Interação de halogênios com água

A água queima em flúor com uma chama azul de acordo com a equação da reação:

O bromo e o cloro reagem de forma diferente com a água do que com o flúor. Se o flúor agiu como agente oxidante, o cloro e o bromo se desproporcionaram na água, formando uma mistura de ácidos. Neste caso, as reações são reversíveis:

A interação do iodo com a água ocorre em um grau tão insignificante que pode ser negligenciado e considerado que a reação não ocorre.

Interação de halogênios com soluções alcalinas

O flúor, ao interagir com uma solução aquosa de álcali, novamente atua como agente oxidante:

A capacidade de escrever esta equação não é necessária para passar no exame. Basta saber o fato sobre a possibilidade de tal interação e o papel oxidante do flúor nessa reação.

Ao contrário do flúor, os halogênios restantes são desproporcionais em soluções alcalinas, ou seja, aumentam e diminuem simultaneamente seu estado de oxidação. Ao mesmo tempo, no caso de cloro e bromo, dependendo da temperatura, é possível o fluxo em duas direções diferentes. Em particular, no frio, as reações ocorrem da seguinte forma:

e quando aquecido:

O iodo reage com álcalis exclusivamente de acordo com a segunda opção, ou seja, com a formação de iodato, porque o hipoiodito é instável não apenas quando aquecido, mas também em temperaturas normais e até mesmo no frio.

HIDROGÊNIO, H (lat. hidrogênio; a. hidrogênio; n. Wasserstoff; f. hidrogênio; e. hidrogênio), é um elemento químico do sistema periódico de elementos de Mendeleev, que é atribuído simultaneamente aos grupos I e VII, número atômico 1, massa atômica 1, 0079. O hidrogênio natural tem isótopos estáveis ​​- prótio (1 H), deutério (2 H, ou D) e radioativo - trítio (3 H, ou T). Para compostos naturais, a razão média D/Н = (158±2).10 -6 O conteúdo de equilíbrio de 3 Н na Terra é ~5,10 27 átomos.

Propriedades físicas do hidrogênio

O hidrogênio foi descrito pela primeira vez em 1766 pelo cientista inglês G. Cavendish. Em condições normais, o hidrogênio é um gás incolor, inodoro e insípido. Na natureza, em estado livre, está na forma de moléculas de H 2 . A energia de dissociação da molécula de H 2 é 4,776 eV; o potencial de ionização do átomo de hidrogênio é 13,595 eV. O hidrogênio é a substância mais leve de todas conhecidas, a 0°C e 0,1 MPa 0,0899 kg/m 3; ponto de ebulição - 252,6 ° C, ponto de fusão - 259,1 ° C; parâmetros críticos: t - 240 ° C, pressão 1,28 MPa, densidade 31,2 kg / m 3. O mais termicamente condutor de todos os gases é 0,174 W/(m.K) a 0°C e 1 MPa, capacidade de calor específico é 14.208,10 3 J (kg.K).

Propriedades químicas do hidrogênio

O hidrogênio líquido é muito leve (densidade a -253°C 70,8 kg/m 3) e fluido (a -253°C é 13,8 cP). Na maioria dos compostos, o hidrogênio exibe um estado de oxidação de +1 (semelhante aos metais alcalinos), menos frequentemente -1 (semelhante aos hidretos metálicos). Em condições normais, o hidrogênio molecular é inativo; solubilidade em água a 20°C e 1 MPa 0,0182 ml/g; bem solúvel em metais - Ni, Pt, Pd, etc. Forma água com oxigênio com liberação de calor de 143,3 MJ/kg (a 25°C e 0,1 MPa); a 550°C e acima, a reação é acompanhada por uma explosão. Ao interagir com flúor e cloro, as reações também ocorrem com uma explosão. Os principais compostos de hidrogênio: H 2 O, amônia NH 3, sulfeto de hidrogênio H 2 S, CH 4, hidretos de metal e halogênio CaH 2, HBr, Hl, bem como compostos orgânicos C 2 H 4, HCHO, CH 3 OH, etc. .

Hidrogênio na natureza

O hidrogênio é um elemento difundido na natureza, seu conteúdo é de 1% (em massa). O principal reservatório de hidrogênio na Terra é a água (11,19%, em massa). O hidrogênio é um dos principais componentes de todos os compostos orgânicos naturais. No estado livre, está presente em gases vulcânicos e outros gases naturais, em (0,0001%, pelo número de átomos). Compõe a maior parte da massa do Sol, estrelas, gás interestelar, nebulosas de gás. Está presente nas atmosferas dos planetas na forma de H 2 , CH 4 , NH 3 , H 2 O, CH, NHOH, etc. fluxos).

Obtenção e uso de hidrogênio

As matérias-primas para a produção industrial de hidrogênio são gases refinados, produtos de gaseificação, etc. Os principais métodos para a produção de hidrogênio são a reação de hidrocarbonetos com vapor de água, oxidação incompleta de hidrocarbonetos, conversão de óxido, eletrólise da água. O hidrogênio é usado para a produção de amônia, álcoois, gasolina sintética, ácido clorídrico, hidrotratamento de produtos petrolíferos, corte de metais com chama hidrogênio-oxigênio.

O hidrogênio é um combustível gasoso promissor. O deutério e o trítio encontraram aplicação na engenharia de energia nuclear.

Começando a considerar as propriedades químicas e físicas do hidrogênio, deve-se notar que no estado usual, esse elemento químico está na forma gasosa. O gás hidrogênio incolor é inodoro e insípido. Pela primeira vez, este elemento químico foi nomeado hidrogênio após o cientista A. Lavoisier ter conduzido experimentos com água, de acordo com os resultados dos quais, a ciência mundial aprendeu que a água é um líquido multicomponente, que inclui o hidrogênio. Este evento ocorreu em 1787, mas muito antes dessa data, o hidrogênio era conhecido pelos cientistas sob o nome de "gás combustível".

Hidrogênio na natureza

Segundo os cientistas, o hidrogênio é encontrado na crosta terrestre e na água (aproximadamente 11,2% do volume total de água). Esse gás faz parte de muitos minerais que a humanidade vem extraindo das entranhas da terra há séculos. Em parte, as propriedades do hidrogênio são características do petróleo, gases naturais e argila, para organismos animais e vegetais. Mas em sua forma pura, ou seja, não combinado com outros elementos químicos da tabela periódica, esse gás é extremamente raro na natureza. Este gás pode escapar para a superfície da Terra durante as erupções vulcânicas. O hidrogênio livre está presente em pequenas quantidades na atmosfera.

Propriedades químicas do hidrogênio

Como as propriedades químicas do hidrogênio não são uniformes, esse elemento químico pertence tanto ao grupo I do sistema Mendeleev quanto ao grupo VII do sistema. Sendo um representante do primeiro grupo, o hidrogênio é, de fato, um metal alcalino que possui um estado de oxidação de +1 na maioria dos compostos em que está incluído. A mesma valência é característica do sódio e de outros metais alcalinos. Em vista dessas propriedades químicas, o hidrogênio é considerado um elemento semelhante a esses metais.

Se estamos falando de hidretos metálicos, o íon hidrogênio tem uma valência negativa - seu estado de oxidação é -1. Na + H- é construído da mesma forma que o cloreto de Na + Cl-. Este fato é a razão para atribuir o hidrogênio ao grupo VII do sistema Mendeleev. O hidrogênio, estando no estado de uma molécula, desde que esteja em um ambiente comum, é inativo, e só pode se combinar com não metais que são mais ativos para ele. Tais metais incluem flúor, na presença de luz, o hidrogênio combina com o cloro. Se o hidrogênio é aquecido, torna-se mais ativo, reagindo com muitos elementos do sistema periódico de Mendeleev.

O hidrogênio atômico exibe propriedades químicas mais ativas do que o hidrogênio molecular. Moléculas de oxigênio formam água - H2 + 1/2O2 = H2O. Quando o hidrogênio interage com os halogênios, os haletos de hidrogênio H2 + Cl2 = 2HCl são formados e o hidrogênio entra nessa reação na ausência de luz e em temperaturas negativas suficientemente altas - até - 252 ° C. As propriedades químicas do hidrogênio permitem usá-lo para a redução de muitos metais, pois, ao reagir, o hidrogênio absorve oxigênio dos óxidos metálicos, por exemplo, CuO + H2 = Cu + H2O. O hidrogênio está envolvido na formação da amônia, interagindo com o nitrogênio na reação 3H2 + N2 = 2NH3, mas sob a condição de que um catalisador seja usado e a temperatura e a pressão sejam aumentadas.

Uma reação energética ocorre quando o hidrogênio interage com o enxofre na reação H2 + S = H2S, que resulta em sulfeto de hidrogênio. A interação do hidrogênio com o telúrio e o selênio é um pouco menos ativa. Se não houver catalisador, ele reage com carbono puro, hidrogênio apenas sob a condição de que altas temperaturas sejam criadas. 2H2 + C (amorfo) = CH4 (metano). No processo de atividade de hidrogênio com alguns álcalis e outros metais, são obtidos hidretos, por exemplo, H2 + 2Li = 2LiH.

Propriedades físicas do hidrogênio

O hidrogênio é um produto químico muito leve. No mínimo, os cientistas afirmam que, no momento, não há substância mais leve que o hidrogênio. Sua massa é 14,4 vezes mais leve que o ar, sua densidade é 0,0899 g/l a 0°C. Em temperaturas de -259,1 ° C, o hidrogênio é capaz de derreter - esta é uma temperatura muito crítica, o que não é típico para a transformação da maioria dos compostos químicos de um estado para outro. Apenas um elemento como o hélio excede as propriedades físicas do hidrogênio a esse respeito. A liquefação do hidrogênio é difícil, pois sua temperatura crítica é (-240°C). O hidrogênio é o gás mais produtor de calor conhecido pela humanidade. Todas as propriedades descritas acima são as propriedades físicas mais significativas do hidrogênio que são usadas pelo homem para fins específicos. Além disso, essas propriedades são as mais relevantes para a ciência moderna.

O átomo de hidrogênio, comparado com os átomos de outros elementos, tem a estrutura mais simples: consiste em um próton.

formando um núcleo atômico, e um elétron localizado no orbital ls. A singularidade do átomo de hidrogênio reside no fato de que seu único elétron de valência está diretamente no campo de ação do núcleo atômico, uma vez que não é blindado por outros elétrons. Isso fornece propriedades específicas. Ele pode ceder seu elétron em reações químicas, formando um cátion H + (como átomos de metais alcalinos), ou adicionar um elétron de um parceiro para formar um ânion H- (como átomos de halogênio). Portanto, o hidrogênio no sistema periódico é colocado com mais frequência no grupo IA, às vezes no grupo VIIA, mas existem variantes de tabelas em que o hidrogênio não pertence a nenhum dos grupos da tabela periódica.

A molécula de hidrogênio é diatômica - H2. O hidrogênio é o mais leve de todos os gases. Devido à não polaridade e alta resistência da molécula H2 (Husa\u003d 436 kJ / mol) em condições normais, o hidrogênio interage ativamente apenas com flúor e, quando iluminado, também com cloro e bromo. Quando aquecido, reage com muitos não metais, cloro, bromo, oxigênio, enxofre, apresentando propriedades redutoras, e interagindo com metais alcalinos e alcalino-terrosos, é um agente oxidante e forma hidretos desses metais:

Entre todos os organógenos, o hidrogênio tem a menor eletronegatividade relativa (0E0 = 2,1), portanto, em compostos naturais, o hidrogênio sempre exibe um estado de oxidação de +1. Da posição da termodinâmica química, o hidrogênio em sistemas vivos contendo água não pode formar hidrogênio molecular (Н 2) ou íon hidreto (Н~). O hidrogênio molecular em condições normais é quimicamente inativo e ao mesmo tempo altamente volátil, razão pela qual não pode ser retido pelo corpo e participar do metabolismo. O íon hidreto é quimicamente extremamente ativo e interage imediatamente mesmo com uma quantidade muito pequena de água para formar hidrogênio molecular. Portanto, o hidrogênio no corpo está na forma de compostos com outros organogênios ou na forma de um cátion H +.

O hidrogênio com elementos organogênicos forma apenas ligações covalentes. De acordo com o grau de polaridade, essas ligações são organizadas na seguinte ordem:

Essa série é muito importante para a química de compostos naturais, pois a polaridade dessas ligações e sua polarizabilidade predeterminam as propriedades ácidas dos compostos, ou seja, a dissociação com a formação de um próton.

propriedades ácidas. Dependendo da natureza do elemento que forma a ligação X-H, distinguem-se 4 tipos de ácidos:

OH-ácidos (ácidos carboxílicos, fenóis, álcoois);

ácidos SH (tióis);

NH-ácidos (amidas, imidas, aminas);

CH-ácidos (hidrocarbonetos e seus derivados).

Levando em conta a alta polarizabilidade da ligação S-H, as seguintes séries de ácidos podem ser compiladas de acordo com sua capacidade de dissociar:

A concentração de cátions de hidrogênio no ambiente aquático determina sua acidez, que é expressa usando o valor de pH pH = -lg (Seção 7.5). A maioria dos ambientes fisiológicos do corpo tem uma reação próxima do neutro (pH = 5,0-7,5), apenas no suco gástrico pH = 1,0-2,0. Isso proporciona, por um lado, um efeito antimicrobiano, matando muitos microorganismos trazidos para o estômago com os alimentos; por outro lado, um ambiente ácido tem um efeito catalítico na hidrólise de proteínas, polissacarídeos e outros biosubstratos, contribuindo para a produção dos metabólitos necessários.

propriedades redox. Devido à alta densidade de carga positiva, o cátion hidrogênio é um agente oxidante bastante forte (f° = 0 V), oxidando metais ativos e de média atividade ao interagir com ácidos e água:

Não existem agentes redutores tão fortes em sistemas vivos, e o poder oxidante dos cátions de hidrogênio em um meio neutro (pH = 7) é significativamente reduzido (f° = -0,42 V). Portanto, no corpo, o cátion hidrogênio não apresenta propriedades oxidantes, mas participa ativamente das reações redox, contribuindo para a conversão das substâncias iniciais em produtos da reação:

Em todos os exemplos dados, os átomos de hidrogênio não mudaram seu estado de oxidação +1.

As propriedades redutoras são características do hidrogênio molecular e especialmente atômico, ou seja, hidrogênio no momento da liberação diretamente no meio de reação, bem como para o íon hidreto:

No entanto, não existem tais agentes redutores (H2 ou H-) em sistemas vivos e, portanto, não existem tais reações. A opinião encontrada na literatura, inclusive em livros didáticos, de que o hidrogênio é o portador das propriedades redutoras dos compostos orgânicos não corresponde à realidade; assim, nos sistemas vivos, a forma reduzida da coenzima desidrogenase, na qual átomos de carbono, em vez de átomos de hidrogênio, atuam como redutores de biosubstratos (Seção 9.3.3).

propriedades complexantes. Devido à presença de um orbital atômico livre no cátion hidrogênio e ao alto efeito polarizador do próprio cátion H+, é um íon complexante ativo. Assim, em meio aquoso, um cátion hidrogênio forma um íon hidrônio H3O+, e na presença de amônia, um íon amônio NH4:

Tendência a formar associados.Átomos de hidrogênio de ligações altamente polares О-Н e N--Н formam ligações de hidrogênio (Seção 3.1). A força de uma ligação de hidrogênio (de 10 a 100 kJ/mol) depende da magnitude das cargas localizadas e do comprimento da ligação de hidrogênio, ou seja, da distância entre os átomos dos elementos eletronegativos envolvidos em sua formação. Aminoácidos, carboidratos, proteínas, ácidos nucleicos são caracterizados pelos seguintes comprimentos de ligação de hidrogênio, pm:

Devido às ligações de hidrogênio, surgem interações intermoleculares reversíveis entre o substrato e a enzima, entre grupos individuais em polímeros naturais, que determinam suas estruturas secundárias, terciárias e quaternárias (Seções 21.4, 23.4). A ligação de hidrogênio desempenha um papel importante nas propriedades da água como solvente e reagente.

Água e suas propriedades. A água é o composto mais importante do hidrogênio. Todas as reações químicas no corpo ocorrem apenas no ambiente aquático, a vida sem água é impossível. A água como solvente foi considerada na Sec. 6.1.

Propriedades ácido-base. A água como reagente do ponto de vista das propriedades ácido-base é um verdadeiro anfólito (Seção 8.1). Isso se manifesta tanto na hidrólise de sais (Seção 8.3.1) quanto na dissociação de ácidos e bases em meio aquoso (Seção 8.3.2).

Uma característica quantitativa da acidez do meio aquoso é o valor do pH.

A água como reagente ácido-base está envolvida nas reações de hidrólise de biosubstratos. Por exemplo, a hidrólise do trifosfato de adenosina serve como fonte de energia armazenada para o corpo, a hidrólise enzimática de proteínas desnecessárias serve para obter aminoácidos, que são o material de partida para a síntese das proteínas necessárias. Ao mesmo tempo, cátions H+ ou ânions OH– são catalisadores ácido-base para reações de hidrólise de biosubstratos (Seções 21.4, 23.4).

propriedades redox. Em uma molécula de água, tanto o hidrogênio quanto o oxigênio estão em estados de oxidação estáveis. Portanto, a água não exibe propriedades redox pronunciadas. As reações redox são possíveis quando a água interage apenas com agentes redutores muito ativos ou agentes oxidantes muito ativos, ou sob condições de forte ativação dos reagentes.

A água pode ser um agente oxidante devido a cátions de hidrogênio ao interagir com agentes redutores fortes, como metais alcalinos e alcalino-terrosos ou seus hidretos:

Em altas temperaturas, a interação da água com agentes redutores menos ativos é possível:

Nos sistemas vivos, seu componente água nunca atua como agente oxidante, pois isso levaria à destruição desses sistemas devido à formação e remoção irreversível de hidrogênio molecular dos organismos.

A água pode atuar como um agente redutor devido aos átomos de oxigênio, por exemplo, ao interagir com um agente oxidante tão forte como o flúor:

Sob a influência da luz e com a participação da clorofila, o processo de fotossíntese prossegue nas plantas com a formação de O2 a partir da água (Seção 9.3.6):

Além da participação direta nas transformações redox, a água e seus produtos de dissociação H + e OH- participam como um meio que contribui para a ocorrência de muitas reações redox devido à sua alta polaridade ( = 79) e à participação dos íons formados por nas transformações de substâncias iniciais em finais (Seção 9.1).

propriedades complexantes. Devido à presença de dois pares de elétrons não compartilhados no átomo de oxigênio, a molécula de água é um ligante monodentado bastante ativo, que forma um íon oxônio complexo H 3 0 + com um cátion hidrogênio e complexos aqua bastante estáveis ​​com cátions metálicos em soluções aquosas , por exemplo [Ca(H 2 0) 6 ] 2+ , [ Fe(H 2 0) 6 ] 3+ , 2+ . Nestes íons complexos, as moléculas do nó estão covalentemente ligadas aos agentes complexantes de forma bastante forte. Os cátions de metais alcalinos não formam complexos aquáticos, mas formam cátions hidratados devido a forças eletrostáticas. O tempo de residência das moléculas de água nas camadas de hidratação desses cátions não excede 0,1 s, e sua composição em termos do número de moléculas de água pode mudar facilmente.

Tendência a formar associados. Devido à alta polaridade, que promove a interação eletrostática e a formação de ligações de hidrogênio, as moléculas de água mesmo em água pura (Seção 6.1) formam associados intermoleculares que diferem na estrutura, no número de moléculas e no tempo de sua vida nos associados , bem como a vida útil dos próprios associados. Assim, a água pura é um sistema dinâmico complexo aberto. Sob a influência de fatores externos: radiação radioativa, ultravioleta e laser, ondas elásticas, temperatura, pressão, campos elétricos, magnéticos e eletromagnéticos de fontes artificiais e naturais (espaço, Sol, Terra, objetos vivos) - a água muda suas propriedades estruturais e informacionais , e consequentemente, suas funções biológicas e fisiológicas mudam.

Além da auto-associação, as moléculas de água hidratam íons, moléculas polares e macromoléculas, formando conchas de hidratação ao seu redor, estabilizando-as em solução e promovendo sua dissolução (Seção 6.1). Substâncias cujas moléculas são apolares e de tamanho relativamente pequeno só podem se dissolver levemente na água, preenchendo os vazios de seus associados com uma certa estrutura. Neste caso, como resultado da interação hidrofóbica, as moléculas apolares estruturam a camada de hidratação que as circunda, transformando-a em um associado estruturado, geralmente com uma estrutura tipo gelo, dentro da qual esta molécula apolar está localizada.

Nos organismos vivos, duas categorias de água podem ser distinguidas - "ligada" e "livre", a última, aparentemente, está apenas no fluido intercelular (Seção 6.1). A água ligada, por sua vez, é dividida em água "estruturada" (fortemente ligada) e "desestruturada" (fracamente ligada ou solta). Provavelmente, todos os fatores externos acima mencionados afetam o estado da água no corpo, alterando as proporções: água "estruturada" / "desestruturada" e "ligada" / "livre", bem como seus parâmetros estruturais e dinâmicos. Isso se manifesta em mudanças no estado fisiológico do corpo. É possível que a água intracelular seja continuamente regulada, principalmente por proteínas, por transições pulsantes de um estado "estruturado" para um estado "desestruturado". Essas transições estão interligadas com a expulsão de metabólitos gastos (escórias) da célula e a absorção de substâncias necessárias. Do ponto de vista moderno, a água está envolvida na formação de uma única estrutura intracelular, devido à qual a ordem dos processos da vida é alcançada. Portanto, segundo a expressão figurativa de A. Szent-Gyorgyi, a água no corpo é a "matriz da vida".

Água na natureza. A água é a substância mais importante e difundida na Terra. A superfície do globo é 75% coberta de água. O volume do Oceano Mundial é de 1,4 bilhão de km 3 . A mesma quantidade de água é encontrada em minerais na forma de água de cristalização. A atmosfera contém 13 mil km 3 de água. Ao mesmo tempo, as reservas de água doce adequada para consumo e necessidades domésticas são bastante limitadas (o volume de todos os reservatórios de água doce é de 200 mil km 3). A água doce usada na vida cotidiana contém várias impurezas de 0,05 a 1 g/l, na maioria das vezes são sais: bicarbonatos, cloretos, sulfatos, incluindo sais solúveis de cálcio e magnésio, cuja presença torna a água dura (seção 14.3). Atualmente, a proteção dos recursos hídricos e o tratamento de águas residuais são os problemas ambientais mais prementes.

Na água comum, há cerca de 0,02% de água pesada D2O (D - deutério). Acumula-se durante a evaporação ou eletrólise da água comum. A água pesada é tóxica. A água pesada é usada para estudar o movimento da água em organismos vivos. Com sua ajuda, descobriu-se que a velocidade do movimento da água nos tecidos de algumas plantas chega a 14 m/h, e a água ingerida por uma pessoa é completamente distribuída por seus órgãos e tecidos em 2 horas e é completamente removida do corpo só depois de duas semanas. Os organismos vivos contêm de 50 a 93% de água, que é um participante indispensável em todos os processos da vida. A vida é impossível sem água. Com expectativa de vida de 70 anos, uma pessoa consome cerca de 70 toneladas de água com comida e bebida.

Amplamente utilizado na prática científica e médica água destilada- líquido transparente incolor, inodoro e insípido, pH = 5,2-6,8. Esta é uma preparação farmacopéica para a preparação de muitas formas de dosagem.

Água para injeções(água pirogênica) - também uma preparação farmacopéica. Esta água não contém substâncias pirogênicas. Pirogênios - substâncias de origem bacteriana - metabólitos ou produtos residuais de bactérias que, ao entrar no corpo, causam calafrios, febre, dores de cabeça e atividade cardiovascular prejudicada. A água apirogênica é preparada por dupla destilação do nó (bidestilado) sob condições assépticas e utilizada em 24 horas.

Concluindo a seção, é necessário enfatizar as características do hidrogênio como elemento biogênico. Nos sistemas vivos, o hidrogênio sempre exibe um estado de oxidação de +1 e ocorre como uma ligação covalente polar com outros elementos biogênicos ou como um cátion H +. O cátion hidrogênio é um carreador de propriedades ácidas e um agente complexante ativo que interage com pares de elétrons livres de átomos de outros organogênios. Do ponto de vista das propriedades redox, o hidrogênio ligado nas condições do corpo não apresenta as propriedades de um agente oxidante ou redutor, entretanto, o cátion hidrogênio participa ativamente de muitas reações redox, sem alterar seu estado de oxidação, mas contribuindo para a conversão de biosubstratos em produtos de reação. O hidrogênio ligado a elementos eletronegativos forma ligações de hidrogênio.