La chimie des non-métaux

La chimie de l’hydrogène

L’hydrogène se combine avec chaque élément du tableau périodiqueexcepté les non-métaux du groupe VIIIA (He, Ne, Ar, Kr, Xe et Rn).Bien qu’il soit souvent affirmé que plus de composés contiennent du carbone que tout autre élément, ce n’est pas nécessairement vrai. La plupart des composés du carbone contiennent également de l’hydrogène, et l’hydrogène forme également des composés avec pratiquement tous les autres éléments. Les composés de l’hydrogène sont souvent appelés hydrures, même si le nom d’hydrure décrit littéralement les composés qui contiennent un ion H-. Il existe une tendance régulière dans la formule des hydrures sur une ligne du tableau périodique, comme le montre la figure ci-dessous. Cette tendance est si régulière que le pouvoir comburant, ou valence, d’un élément a été un jour défini comme le nombre d’atomes d’hydrogène liés à l’élément dans son hydrure.


L’hydrogène est le seul élément qui forme des composés dans lesquels les électrons de valence sont dans la coquille n = 1. Par conséquent,l’hydrogène peut avoir trois états d’oxydation, correspondant à l’ion H+, à un atome H neutre et à l’ion H-.

H+ = 1s0
H = 1s1
H- = 1s2

La place de l’hydrogène dans le tableau périodique

Parce que l’hydrogène forme des composés avec des nombres d’oxydation de +1 et -1, de nombreux tableaux périodiques incluent cet élément à la fois dans le groupe IA (avec Li, Na, K, Rb, Cs et Fr) et dans le groupe VIIA (avec F,Cl, Br, I et At).

Il y a de nombreuses raisons d’inclure l’hydrogène parmi les éléments du groupe IA. Il forme des composés (comme HCl et HNO3)qui sont des analogues des composés de métaux alcalins (comme NaCl et KNO3).Dans des conditions de très haute pression, il a les propriétés d’un métal. Dans des conditions de très haute pression, il possède les propriétés d’un métal (on a soutenu, par exemple, que l’hydrogène présent au centre de la planète Jupiter est probablement un solide métallique). Enfin, l’hydrogène se combine avec une poignée de métaux, comme le scandium, le titane, le chrome, le nickel ou le palladium, pour former des matériaux qui se comportent comme s’ils étaient des alliages de deux métaux.

Il existe des arguments tout aussi valables pour placer l’hydrogène dans leGroupe VIIA. Il forme des composés (tels que NaH et CaH2) qui sont des analogues des composés halogénés (tels que NaF et CaCl2). Il se combine également avec d’autres non-métaux pour former des composés covalents (tels que H2O, CH4 et NH3), comme le devrait un non-métal. Enfin, l’élément est un gaz à température ambiante et à pression atmosphérique, comme les autres non-métaux (tels que O2 et N2).

Il est difficile de décider de la place de l’hydrogène dans le tableau périodique en raison des propriétés physiques de l’élément.La première énergie d’ionisation de l’hydrogène (1312 kJ/mol), par exemple, se situe à peu près à mi-chemin entre les éléments ayant les énergies d’ionisation les plus grandes(2372 kJ/mol) et les plus petites (376 kJ/mol).L’hydrogène a également une électronégativité (EN = 2,20) à mi-chemin entre les extrêmes des éléments les plus électronégatifs (EN = 3,98) et les moins électronégatifs (EN = 0,7).Sur la base de l’électronégativité, il est tentant de classer l’hydrogène comme un semi-métal, comme le montre le graphique tridimensionnel des électronégativités des éléments du groupe principal présenté ci-dessous.


graphique

Ce graphique tridimensionnel des électronégativités des éléments du groupe principal nous aide à comprendre pourquoi il est difficile de classer l’hydrogène comme un métal ou un non-métal.

L’hydrogène est oxydé par des éléments plus électronégatifspour former des composés dans lesquels il a un nombre d’oxydation de +1.

réaction

L’hydrogène est réduit par des éléments moins électronégatifspour former des composés dans lesquels son nombre d’oxydation est de -1.

réaction

Propriétés etFormation de l’hydrogène

À température ambiante, l’hydrogène est un gaz incolore et inodore dont la densité ne représente qu’un quatorzième de celle de l’air. De petites quantités de gaz H2 peuvent être préparées de plusieurs façons.

1. En faisant réagir un métal actif avec de l’eau.

2 Na(s) + 2 H2O(l) ----. 2 Na+(aq) + 2 OH-(aq) + H2(g)

2. En faisant réagir un métal moins actif avec un acide fort.

Zn(s) + 2 HCl(aq) ----. Zn2+(aq) + 2 Cl-(aq) + H2(g)

3. En faisant réagir un hydrure métallique ionique avec de l’eau.

NaH(s) + H2O(l) ----. Na+(aq) + OH-(aq) + H2(g)

4. En décomposant l’eau en ses élémentsavec un courant électrique.

électrolyse.
2 H2O(l) ---- 2 H2(g) + O2(g)



Problème pratique 2 :

Utilisez les nombres d’oxydation pour déterminer ce qui est oxydé et ce qui est réduit dans les réactions suivantes, qui sont utilisées pour préparer du gaz H2.

(a) Mg(s) + 2 HCl(aq) ----Mg2+(aq) + 2 Cl-(aq) + H2(g)

(b) Ca(s) + 2 H2O(l) ---- Ca2+(aq) + 2 OH-(aq) + H2(g)

Cliquez ici pour vérifier votre réponse au problème pratique 2

Le rayon covalent d’un atome d’hydrogène neutre est de 0.0371 nm, plus petit que celui de tout autre élément. Comme les petits atomes peuvent être très proches les uns des autres, ils ont tendance à former des liaisons covalentes fortes. Par conséquent, l’enthalpie de dissociation de la liaison H-H est relativement élevée (435 kJ/mol). H2 a donc tendance à ne pas être réactif à température ambiante. En présence d’aspark, cependant, une fraction des molécules d’H2 se dissocie pour former des atomes d’hydrogène qui sont très réactifs.

étincelle
H2(g) ----. 2 H(g)

La chaleur dégagée lorsque ces atomes de H réagissent avec O2 est suffisante pour catalyser la dissociation d’autres molécules de H2. Les mélanges de H2 et d’O2 qui sont infiniment stables à température ambiante explosent donc en présence d’une étincelle ou d’une flamme.