A hidrogén bizonyos körülmények között reagál. A természetben lenni

A HIDROGÉN, H (lat. hydrogenium; a. hidrogén; n. Wasserstoff; f. hidrogén; i. hidrogeno), a Mengyelejev-elemek periodikus rendszerének kémiai eleme, amely egyidejűleg az I. és VII. csoportba sorolható, 1-es rendszámú. , atomtömeg 1, 0079. A természetes hidrogénnek stabil izotópjai vannak - protium (1 H), deutérium (2 H vagy D) és radioaktív - trícium (3 H vagy T). Természetes vegyületeknél az átlagos D/H = (158±2).10 -6 A 3 H egyensúlyi tartalma a Földön ~5.10 27 atom.

A hidrogén fizikai tulajdonságai

A hidrogént először G. Cavendish angol tudós írta le 1766-ban. Normál körülmények között a hidrogén színtelen, szagtalan és íztelen gáz. A természetben szabad állapotban H2 molekulák formájában található meg. A H 2 molekula disszociációs energiája 4,776 eV; A hidrogénatom ionizációs potenciálja 13,595 eV. A hidrogén a legkönnyebb ismert anyag, 0 °C-on és 0,1 MPa nyomáson 0,0899 kg/m 3 ; forráspont: t-252,6 °C, olvadáspont: t-259,1 °C; kritikus paraméterek: t - 240°C, nyomás 1,28 MPa, sűrűség 31,2 kg/m 3. Az összes gáz közül a leginkább hővezető 0,174 W/(m.K) 0°C-on és 1 MPa nyomáson, fajlagos hőkapacitása 14.208.10 3 J(kg.K).

A hidrogén kémiai tulajdonságai

A folyékony hidrogén nagyon könnyű (sűrűsége -253°C-on 70,8 kg/m 3) és folyékony (-253°C-on 13,8 cP). A legtöbb vegyületben a hidrogén oxidációs állapota +1 (hasonlóan az alkálifémekhez), ritkábban -1 (hasonló a fém-hidridekhez). Normál körülmények között a molekuláris hidrogén inaktív; vízben való oldhatósága 20°C-on és 1 MPa nyomáson 0,0182 ml/g; jól oldódik fémekben - Ni, Pt, Pd stb. Oxigénnel 143,3 MJ/kg hőleadású vizet képez (25°C-on és 0,1 MPa-on); 550 °C-on és magasabb hőmérsékleten a reakciót robbanás kíséri. Fluorral és klórral való kölcsönhatás esetén a reakciók is robbanásszerűen mennek végbe. A főbb hidrogénvegyületek: H 2 O, ammónia NH 3, hidrogén-szulfid H 2 S, CH 4, fém- és halogén-hidridek CaH 2, HBr, Hl, valamint szerves vegyületek C 2 H 4, HCHO, CH 3 OH stb. .

Hidrogén a természetben

A hidrogén a természetben elterjedt elem, tartalma 1% (tömeg). A hidrogén fő tározója a Földön a víz (11,19 tömegszázalék). A hidrogén az összes természetes szerves vegyület egyik fő összetevője. Szabad állapotban vulkáni és egyéb földgázokban van jelen (0,0001%, atomszám szerint). A Nap, a csillagok tömegének nagy részét alkotja, csillagközi gáz, gázködök. A bolygók légkörében H 2, CH 4, NH 3, H 2 O, CH, NHOH stb. formájában van jelen. A Nap korpuszkuláris sugárzásának (protonáramlások) és a kozmikus sugarak (elektronok) része. folyik).

A hidrogén előállítása és felhasználása

A hidrogén ipari előállításának nyersanyagai az olajfinomítói gázok, elgázosítási termékek stb. A hidrogén előállításának fő módjai a következők: szénhidrogének reakciója vízgőzzel, szénhidrogének részleges oxidációja, oxidkonverzió, víz elektrolízise. A hidrogént ammónia, alkoholok, szintetikus benzin, sósav előállítására, kőolajtermékek hidrogénezésére, valamint fémek hidrogén-oxigén lánggal történő vágására használják.

A hidrogén ígéretes gáznemű tüzelőanyag. A deutérium és a trícium alkalmazásra talált az atomenergiában.

Folyékony

Hidrogén(lat. Hidrogén; szimbólum jelzi H) az elemek periódusos rendszerének első eleme. A természetben széles körben elterjedt. A hidrogén leggyakoribb izotópjának, az 1H-nak a kationja (és magja) a proton. Az 1H atommag tulajdonságai lehetővé teszik az NMR spektroszkópia széles körben történő alkalmazását az elemzésben szerves anyag.

A hidrogén három izotópja van tulajdonnevek: 1H protium (H), 2H deutérium (D) és 3H trícium (radioaktív) (T).

Az egyszerű anyag a hidrogén - H 2 - világos színtelen gáz. Levegővel vagy oxigénnel keverve gyúlékony és robbanásveszélyes. Nem mérgező. Oldódik etanolban és számos fémben: vas, nikkel, palládium, platina.

Történet

A savak és fémek kölcsönhatása során éghető gáz felszabadulását a 16. ill XVII századok a kémia mint tudomány kialakulásának hajnalán. Mihail Vasziljevics Lomonoszov is egyenesen rámutatott az elszigeteltségre, de már határozottan tisztában volt vele, hogy nem flogisztonról van szó. Henry Cavendish angol fizikus és vegyész 1766-ban megvizsgálta ezt a gázt, és „éghető levegőnek” nevezte. Égéskor az „éghető levegő” vizet termelt, de Cavendish ragaszkodott a flogiszton-elmélethez, ami megakadályozta abban, hogy helyes következtetéseket vonjon le. Antoine Lavoisier francia kémikus, J. Meunier mérnökkel közösen, speciális gázmérők segítségével 1783-ban a víz szintézisét, majd elemzését végezte el, forró vassal lebontva a vízgőzt. Így megállapította, hogy az „éghető levegő” a víz része, és abból nyerhető.

A név eredete

Lavoisier a hidrogént a hidrogénnek nevezte el – „víz szülése”. A „hidrogén” orosz nevet M. F. Szolovjov kémikus javasolta 1824-ben - Szlomonoszov „oxigénjével” analógiával.

Prevalencia

A hidrogén a legelterjedtebb elem az Univerzumban. Az összes atom körülbelül 92%-át teszi ki (8% héliumatom, az összes többi elem részesedése együttvéve kevesebb, mint 0,1%). Így a hidrogén a fő összetevő csillagok és csillagközi gáz. Csillaghőmérséklet körülményei között (például a Nap felszíni hőmérséklete ~ 6000 °C) a hidrogén plazma formájában létezik, csillagközi tér ez az elem létezik a formában egyedi molekulák, atomok és ionok, és molekulafelhőket képezhetnek, amelyek mérete, sűrűsége és hőmérséklete jelentősen eltér.

A földkéreg és az élő szervezetek

Tömegtört A hidrogén a földkéregben 1% - ez a tizedik leggyakoribb elem. A természetben betöltött szerepét azonban nem a tömeg, hanem az atomok száma határozza meg, melynek aránya a többi elem között 17% (második helyen az oxigén után, amelynek az atomok aránya ~ 52%). Ezért a hidrogén értéke in kémiai folyamatok A Földön előforduló mennyiség csaknem akkora, mint az oxigén. Ellentétben az oxigénnel, amely kötött és szabad állapotban is létezik a Földön, a Földön szinte minden hidrogén vegyület formájában van; A légkörben csak nagyon kis mennyiségű hidrogén található egyszerű anyag formájában (0,00005 térfogat%).

A hidrogén szinte minden szerves anyag része, és minden élő sejtben jelen van. Az élő sejtekben a hidrogén az atomok számának közel 50%-át teszi ki.

Nyugta

Ipari termelési módszerek egyszerű anyagok attól függ, hogy a megfelelő elem milyen formában található meg a természetben, vagyis mi lehet az előállítás alapanyaga. Így szabad állapotban elérhető oxigént kapunk fizikailag- kibocsátás a folyékony levegőből. Szinte az összes hidrogén vegyület formájában van, ezért kinyerésére használják kémiai módszerek. Különösen a bomlási reakciók használhatók. A hidrogén előállításának egyik módja a víz elektromos áram általi lebontása.

A hidrogén előállításának fő ipari módszere a földgáz részét képező metán vízzel való reakciója. Magas hőmérsékleten hajtják végre (könnyű ellenőrizni, hogy a metán forrásban lévő vízen való átengedésekor nem történik reakció):

CH 4 + 2H 2 O = CO 2 + 4H 2 -165 kJ

A laboratóriumban az egyszerű anyagok beszerzéséhez nem feltétlenül természetes alapanyagokat használnak, hanem azokat a kiindulási anyagokat választják, amelyekből könnyebben izolálható a szükséges anyag. Például a laboratóriumban az oxigént nem a levegőből nyerik. Ugyanez vonatkozik a hidrogén előállítására is. A hidrogén előállításának egyik laboratóriumi módszere, amelyet időnként az iparban is alkalmaznak, a víz elektromos árammal történő lebontása.

A hidrogént általában laboratóriumban állítják elő cink és sósav reakciójával.

Az iparban

1. Vizes sóoldatok elektrolízise:

2NaCl + 2H 2O → H2 + 2NaOH + Cl 2

2. Vízgőz átvezetése körülbelül 1000 °C hőmérsékletű forró kokszon:

H2O+C? H2+CO

3. Földgázból.

Steam átalakítás:

CH4+H20? CO + 3H 2 (1000 °C)

Katalitikus oxidáció oxigénnel:

2CH4+O2? 2CO + 4H2

4. Szénhidrogének krakkolása és reformálása az olajfinomítás során.

A laboratóriumban

1.A híg savak hatása fémekre. A reakció végrehajtásához leggyakrabban cinket és híg sósavat használnak:

Zn + 2HCl → ZnCl 2 + H 2

2.A kalcium kölcsönhatása vízzel:

Ca + 2H 2 O → Ca(OH) 2 + H 2

3.Hidridok hidrolízise:

NaH + H 2 O → NaOH + H 2

4.Lúgok hatása cinkre vagy alumíniumra:

2Al + 2NaOH + 6H 2O → 2Na + 3H 2

Zn + 2KOH + 2H 2O → K2 + H2

5.Elektrolízis segítségével. Lúgok vagy savak vizes oldatainak elektrolízise során a katódon hidrogén szabadul fel, például:

2H 3 O + + 2e − → H 2 + 2H 2 O

Fizikai tulajdonságok

A hidrogén két formában létezhet (módosítások) - orto- és parahidrogén formájában. Ortohidrogén molekulában o-H 2 (olvadáspont: -259,10 °C, forráspont: -252,56 °C) a mag spinjei azonosan (párhuzamosan) irányulnak, és parahidrogénre p-H 2 (olvadáspont -259,32 °C, forráspont -252,89 °C) - egymással szemben (antipárhuzamos). Egyensúlyi keverék o-H 2 és p-H 2 adott hőmérsékleten ún egyensúlyi hidrogén e-H2.

A hidrogénmódosulások folyékony nitrogén hőmérsékleten aktív szénen történő adszorpcióval választhatók el. Nagyon alacsony hőmérsékleten az ortohidrogén és a parahidrogén közötti egyensúly szinte teljesen az utóbbi felé tolódik el. 80 K-en a formák aránya megközelítőleg 1:1. Hevítéskor a deszorbeált parahidrogén ortohidrogénné alakul, amíg egy olyan keverék nem képződik, amely szobahőmérsékleten egyensúlyban van (orto-para: 75:25). Katalizátor nélkül az átalakulás lassan megy végbe (a csillagközi közeg körülményei között - jellemző időkkel egészen a kozmológiaiig), ami lehetővé teszi az egyes módosulások tulajdonságainak tanulmányozását.

A hidrogén a legkönnyebb gáz, 14,5-szer könnyebb a levegőnél. Nyilvánvaló, hogy minél kisebb a molekulák tömege, annál nagyobb a sebességük ugyanazon a hőmérsékleten. A hidrogénmolekulák, mint a legkönnyebb molekulák, gyorsabban mozognak, mint bármely más gáz molekulái, így gyorsabban képesek átadni a hőt egyik testről a másikra. Ebből következik, hogy a hidrogénnek van a legnagyobb hővezető képessége gáznemű anyagok. Hővezető képessége megközelítőleg hétszer nagyobb, mint a levegő hővezető képessége.

A hidrogénmolekula kétatomos - H2. Normál körülmények között színtelen, szagtalan és íztelen gáz. Sűrűsége 0,08987 g/l (n.s.), forráspontja −252,76 °C, fajlagos égéshője 120,9×10 6 J/kg, vízben gyengén oldódik - 18,8 ml/l. A hidrogén nagyon jól oldódik számos fémben (Ni, Pt, Pd stb.), különösen a palládiumban (850 térfogat/1 térfogat Pd). A hidrogén oldhatósága fémekben összefügg azzal a képességével, hogy átdiffundáljon rajtuk; A szénötvözeten (például acélon) keresztül történő diffúzió néha az ötvözet megsemmisülésével jár a hidrogén és a szén kölcsönhatása miatt (úgynevezett dekarbonizáció). Ezüstben gyakorlatilag nem oldódik.

Folyékony hidrogén nagyon szűk -252,76 és -259,2 °C közötti hőmérsékleti tartományban létezik. Színtelen folyadék, nagyon könnyű (sűrűsége -253 °C-on 0,0708 g/cm3) és folyékony (viszkozitása -253 °C-on 13,8 spuaz). Kritikus paraméterek A hidrogén nagyon alacsony: hőmérséklete –240,2 °C és nyomása 12,8 atm. Ez magyarázza a hidrogén cseppfolyósításának nehézségeit. IN folyékony állapot Az egyensúlyi hidrogén 99,79% para-H2-ből, 0,21% orto-H2-ből áll.

Szilárd hidrogén, olvadáspont -259,2 °C, sűrűség 0,0807 g/cm 3 (-262 °C-on) - hószerű tömeg, hatszögletű kristályok, P6/mmc tércsoport, cella paraméterek a=3,75 c=6.12. Nagy nyomáson a hidrogén fémes halmazállapotúvá alakul.

Izotópok

Hidrogén fordul elő a három formája egyedi elnevezésű izotópok: 1 H - protium (H), 2 H - deutérium (D), 3 H - trícium (radioaktív) (T).

A protium és a deutérium 1-es és 2-es tömegszámú stabil izotópok. Természeti tartalmuk 99,9885 ± 0,0070%, illetve 0,0115 ± 0,0070%. Ez az arány a hidrogénforrástól és a hidrogén előállítási módszerétől függően kissé változhat.

A 3H hidrogénizotóp (trícium) instabil. Felezési ideje 12,32 év. A trícium a természetben nagyon kis mennyiségben fordul elő.

A szakirodalom 4 - 7 tömegszámú és 10 -22 - 10 -23 s felezési idejű hidrogénizotópokról is közöl adatokat.

A természetes hidrogén H 2 és HD (deutériumhidrogén) molekulákból áll, 3200:1 arányban. A tiszta deutérium-hidrogén D 2 tartalma még ennél is kisebb. A HD és a D 2 koncentrációjának aránya megközelítőleg 6400:1.

A kémiai elemek összes izotópja közül a fizikai és kémiai tulajdonságai A hidrogén izotópjai a legerősebben különböznek egymástól. Ez az atomtömegek legnagyobb relatív változásának köszönhető.

A deutériumnak és a tríciumnak is vannak orto- és paramódosításai: p-D 2, o-D 2, p-T 2, o-T 2. A heteroizotóp hidrogén (HD, HT, DT) nem rendelkezik orto- és para-módosításokkal.

Kémiai tulajdonságok

Disszociált hidrogénmolekulák frakciója

A H2 hidrogénmolekulák meglehetősen erősek, és ahhoz, hogy a hidrogén reagálhasson, sok energiát kell elkölteni:

H 2 = 2H – 432 kJ

Ezért normál hőmérsékleten a hidrogén csak nagyon aktív fémek például kalciummal, kalcium-hidridet képezve:

Ca + H 2 = CaH 2

és az egyetlen nemfémes fluorral, amely hidrogén-fluoridot képez:

A hidrogén reakcióba lép a legtöbb fémmel és nemfémmel magas hőmérsékleten vagy egyéb hatások hatására, például világítás hatására:

O 2 + 2H 2 = 2H 2 O

„Elveheti” az oxigént bizonyos oxidoktól, például:

CuO + H 2 = Cu + H 2 O

A felírt egyenlet tükrözi helyreállító tulajdonságok hidrogén.

N2 + 3H2 → 2NH3

Halogénekkel hidrogén-halogenideket képez:

F 2 + H 2 → 2HF, a reakció sötétben és bármilyen hőmérsékleten robbanásszerűen megy végbe,

Cl 2 + H 2 → 2HCl, a reakció robbanásszerűen megy végbe, csak fényben.

Nagy hő hatására kölcsönhatásba lép a kormmal:

C + 2H 2 → CH 4

Kölcsönhatás alkáli- és alkáliföldfémekkel

Az aktív fémekkel való kölcsönhatás során a hidrogén hidrideket képez:

2Na + H2 → 2NaH

Ca + H 2 → CaH 2

Mg + H 2 → MgH 2

Hidridok- sószerű, szilárd anyagok, könnyen hidrolizálódnak:

CaH 2 + 2H 2 O → Ca(OH) 2 + 2H 2

Kölcsönhatás fém-oxidokkal (általában d-elemekkel)

Az oxidok fémekké redukálódnak:

CuO + H 2 → Cu + H 2 O

Fe 2 O 3 + 3H 2 → 2Fe + 3H 2 O

WO 3 + 3H 2 → W + 3H 2 O

Szerves vegyületek hidrogénezése

A molekuláris hidrogént széles körben használják a szerves szintézisben szerves vegyületek redukciójára. Ezeket a folyamatokat ún hidrogénezési reakciók. Ezeket a reakciókat katalizátor jelenlétében, emelt nyomáson és hőmérsékleten hajtjuk végre. A katalizátor lehet homogén (pl. Wilkinson Catalyst) vagy heterogén (pl. Raney-nikkel, palládium szénen).

Így különösen a telítetlen vegyületek, például alkének és alkinok katalitikus hidrogénezése során telített vegyületek képződnek - alkánok.

A hidrogén geokémiája

A szabad hidrogén H2 viszonylag ritka a szárazföldi gázokban, de víz formájában rendkívül fontos szerepet játszik a geokémiai folyamatokban.

A hidrogén az ásványokban ammóniumion, hidroxil-ion és kristályos víz formájában lehet jelen.

A légkörben a víz napsugárzás általi bomlása következtében folyamatosan hidrogén keletkezik. A kis tömegű hidrogénmolekulák diffúziós mozgási sebessége nagy (közel a második kozmikus sebességhez), és amikor a légkör felső rétegeibe kerülnek, a világűrbe repülhetnek.

A kezelés jellemzői

A hidrogén levegővel keveredve robbanásveszélyes keveréket képez - az úgynevezett detonáló gázt. Ez a gáz akkor a legrobbanékonyabb, ha a hidrogén és az oxigén térfogataránya 2:1, vagy a hidrogén és a levegő körülbelül 2:5, mivel a levegő körülbelül 21% oxigént tartalmaz. A hidrogén szintén tűzveszélyes. A folyékony hidrogén súlyos fagyási sérüléseket okozhat, ha a bőrrel érintkezik.

A hidrogén és az oxigén robbanásveszélyes koncentrációja 4-96 térfogatszázalék között van. Levegővel keverve 4-75 (74) térfogatszázalék.

Gazdaság

A hidrogén ára nagyméretű nagykereskedelmi szállítások esetén 2-5 dollár/kg között mozog.

Alkalmazás

Az atomos hidrogént atomhidrogénes hegesztéshez használják.

Vegyipar

• Ammónia, metanol, szappan és műanyag gyártásban
• Margarin előállítása során folyékony növényi olajokból
• Étrend-kiegészítőként regisztrálva E949(csomagoló gáz)

Élelmiszeripar

Repülési ipar

A hidrogén nagyon könnyű, és mindig felemelkedik a levegőben. Egyszer régen léghajók és léggömbök tele van hidrogénnel. De a 30-as években. XX század Több katasztrófa is történt, amelyek során léghajók robbantak és égtek. Napjainkban a léghajókat héliummal töltik meg, annak ellenére, hogy lényegesen magasabb költsége van.

Üzemanyag

A hidrogént rakéta-üzemanyagként használják.

Kutatások folynak a hidrogén személygépkocsik és teherautók üzemanyagaként való felhasználásával kapcsolatban. A hidrogénmotorok nem szennyezik a környezetet, és csak vízgőzt bocsátanak ki.

A hidrogén-oxigén üzemanyagcellák hidrogént használnak arra, hogy a kémiai reakció energiáját közvetlenül elektromos energiává alakítsák.

"folyékony hidrogén"("LH") a hidrogén folyékony halmazállapota, alacsony, 0,07 g/cm³ fajlagos sűrűséggel, kriogén tulajdonságokkal, 14,01 K (-259,14 °C) fagyásponttal és 20,28 K (-252,87 °C) forrásponttal. ). Színtelen, szagtalan folyadék, amely levegővel keverve robbanásveszélyesnek minősül, 4-75%-os gyúlékonysági tartományban. Az izomerek spinaránya folyékony hidrogénben: 99,79% - parahidrogén; 0,21% - ortohidrogén. Hidrogén tágulási együttható váltáskor az összesítés állapota 20°C-on 848:1.

Mint minden más gáz esetében, a hidrogén cseppfolyósítása térfogatának csökkenéséhez vezet. A cseppfolyósítás után a folyékony folyadékot hőszigetelt tartályokban, nyomás alatt tárolják. Folyékony hidrogén Folyékony hidrogén, LH2, LH 2) aktívan használják az iparban, mint egyfajta gáztárolást, és az űriparban rakéta-üzemanyagként.

Történet

A mesterséges hűtés első dokumentált alkalmazását William Cullen angol tudós hajtotta végre 1756-ban, Gaspard Monge volt az első, aki 1784-ben kapott folyékony halmazállapotú kén-oxidot, Michael Faraday kapott először cseppfolyósított ammóniát, Oliver Evans amerikai feltaláló. elsőként fejlesztett ki hűtőkompresszort 1805-ben, Jacob Perkins volt az első, aki 1834-ben szabadalmaztatta a hűtőgépet, John Gorey pedig az első, aki 1851-ben szabadalmaztatott egy légkondicionálót az Egyesült Államokban. Werner Siemens 1857-ben javasolta a regeneratív hűtés koncepcióját, Karl Linde pedig 1876-ban szabadalmaztatta a folyékony levegő előállítására szolgáló berendezést kaszkád "Joule-Thomson expanziós effektus" és regeneratív hűtés alkalmazásával. 1885-ben Zygmunt Wroblewski lengyel fizikus és vegyész publikálta a hidrogén kritikus hőmérsékletét 33 K, a kritikus nyomást 13,3 atm. és forráspontja 23 K. A hidrogént először James Dewar cseppfolyósította 1898-ban regeneratív hűtéssel és találmányával, a Dewar-lombikkal. A folyékony hidrogén stabil izomerjének, a parahidrogénnek az első szintézisét Paul Harteck és Carl Bonhoeffer végezte 1929-ben.

A hidrogén spin izomerjei

A hidrogén szobahőmérsékleten elsősorban egy spin-izomerből, az ortohidrogénből áll. Az előállítás után a folyékony hidrogén metastabil állapotban van, és parahidrogén formává kell alakítani, hogy elkerüljük a robbanásveszélyes exoterm reakciót, amely alacsony hőmérsékleten változik. A parahidrogén fázissá történő átalakítás általában katalizátorok, például vas-oxid, króm-oxid, aktív szén platinabevonatú azbeszt, ritkaföldfémek vagy urán- vagy nikkeladalékok használatával.

Használat

A folyékony hidrogén üzemanyag-tárolóként használható belső égésű motorokhoz és üzemanyagcellákhoz. Különféle tengeralattjárókat ("212A" és "214" projektek, Németország) és hidrogénszállítási koncepciókat hoztak létre a hidrogén ezen aggregált formájának felhasználásával (lásd például "DeepC" vagy "BMW H2R"). A tervek közelsége miatt az LHV berendezések megalkotói csak cseppfolyósított földgázt (LNG) használó rendszereket használhatnak, illetve módosíthatnak. Az alacsonyabb térfogati energiasűrűség miatt azonban az égéshez nagyobb térfogatú hidrogénre van szükség, mint a földgázé. Ha a "CNG" helyett folyékony hidrogént használnak a dugattyús motorokban, általában nagyobb térfogatú üzemanyag-rendszerre van szükség. Közvetlen befecskendezés esetén a szívócsatorna megnövekedett vesztesége csökkenti a hengerek feltöltését.

A folyékony hidrogént neutronok hűtésére is használják a neutronszórási kísérletekben. A neutron és a hidrogén atommag tömege közel azonos, így a rugalmas ütközés során az energiacsere a leghatékonyabb.

Előnyök

A hidrogén használatának előnye a használat „nulla kibocsátása”. A levegővel való kölcsönhatás terméke a víz.

Akadályok

Egy liter „ZhV” mindössze 0,07 kg. Vagyis az övé fajsúly 70,99 g/l 20 K-en. A folyékony hidrogén kriogén tárolási technológiát igényel, például speciális hőszigetelt tartályokat, és különleges kezelést igényel, ami minden kriogén anyagra jellemző. Ebből a szempontból közel áll a folyékony oxigénhez, de fokozott óvatosságot igényel a tűzveszély miatt. Még szigetelt edényekkel is nehéz a folyékony tartáshoz szükséges alacsony hőmérsékleten tartani (jellemzően napi 1%-os párologtatással). A hidrogénnel való munkavégzés során a szokásos biztonsági óvintézkedéseket is be kell tartani - elég hideg ahhoz, hogy cseppfolyósítsa a levegőt, ami robbanásveszélyes.

Hajtóanyag

A folyékony hidrogén a rakéta-üzemanyagok gyakori összetevője, amelyet hordozórakéták és űrhajók meghajtására használnak. A legtöbb folyadékban rakétamotorok hidrogén, először a fúvóka és más motoralkatrészek regeneratív hűtésére használják, mielőtt oxidálószerrel összekeverik és elégetik, hogy tolóerőt hozzon létre. A H 2 /O 2 komponenseket használó modern motorok hidrogénben túldúsított üzemanyag-keveréket fogyasztanak, ami bizonyos mennyiségű el nem égett hidrogént eredményez a kipufogógázban. Ez amellett, hogy a molekulatömeg csökkentésével növeli a motor fajlagos impulzusát, csökkenti a fúvóka és az égéstér erózióját is.

Az LH más területeken történő felhasználásának akadályai, mint például a kriogén természet és az alacsony sűrűség, szintén korlátozó tényezőt jelentenek ebben az esetben. 2009-től csak egy hordozórakéta (Delta-4 hordozórakéta) létezik, amely teljes egészében hidrogénrakéta. Alapvetően a „ZhV”-t vagy a rakéták felső fokozatain használják, vagy olyan blokkokon, amelyek a rakomány vákuumban történő világűrbe juttatásának jelentős részét végzik. Az ilyen típusú üzemanyagok sűrűségének növelésére irányuló intézkedések egyikeként az iszapszerű hidrogén, azaz a „folyékony hidrogén” félig fagyott formájának alkalmazását javasolják.

Az Univerzumban a leggyakoribb kémiai elem a hidrogén. Ez egyfajta referenciapont, mert a periódusos rendszerben a rendszáma eggyel egyenlő. Az emberiség azt reméli, hogy többet tudhat meg róla, mint az egyik lehetséges közül járművek a jövőben. A hidrogén a legegyszerűbb, legkönnyebb, legelterjedtebb elem, mindenhol sok van belőle - az anyag teljes tömegének hetvenöt százaléka. Minden csillagban jelen van, különösen a gázóriásokban. A csillagfúziós reakciókban betöltött szerepe kulcsfontosságú. Hidrogén nélkül nincs víz, ami azt jelenti, hogy nincs élet. Mindenki emlékszik arra, hogy egy vízmolekula egy oxigénatomot tartalmaz, és benne két atom hidrogén. Ez mindenkinek szól híres képlet H 2 O.

Hogyan használjuk

A hidrogént 1766-ban Henry Cavendish fedezte fel egy fém oxidációs reakciójának elemzése közben. Több éves megfigyelés után rájött, hogy a hidrogén égése során víz képződik. Korábban a tudósok izolálták ezt az elemet, de nem tekintették függetlennek. 1783-ban a hidrogén kapta a hidrogén nevet (a görög „hydro” - víz és a „gen” szóból fordítva - szülést jelent). A vizet termelő elem a hidrogén. Ez egy olyan gáz, amelynek molekulaképlete H2. Ha a hőmérséklet közel van a szobahőmérséklethez és a nyomás normális, akkor ez az elem észrevehetetlen. A hidrogént az emberi érzékszervek nem is észlelhetik – íztelen, színtelen és szagtalan. De nyomás alatt és -252,87 C hőmérsékleten (nagyon hidegen!) ez a gáz cseppfolyósodik. Így tárolódik, mivel gáz formájában sokkal több helyet foglal el. A folyékony hidrogént rakétaüzemanyagként használják.

A hidrogén szilárddá, fémessé válhat, de ehhez ultramagas nyomásra van szükség, és ezt teszik most a legjelentősebb tudósok - fizikusok és vegyészek. Ez az elem már most alternatív üzemanyagként szolgál a közlekedésben. Használata hasonló a belső égésű motor működéséhez: a hidrogén elégetésekor nagy kémiai energiája szabadul fel. Gyakorlatilag kidolgoztak egy módszert az arra épülő üzemanyagcella létrehozására is: oxigénnel kombinálva reakció megy végbe, és ezen keresztül víz és elektromosság keletkezik. Talán hamarosan a közlekedés benzinről hidrogénre „áttér” - sok autógyártó érdeklődik alternatív éghető anyagok létrehozásában, és vannak sikerek. De a tisztán hidrogénmotor még mindig a jövőben van; Az előnyök azonban olyanok, hogy a szilárd hidrogént tartalmazó üzemanyagtartály létrehozása folyamatban van javában, és a tudósok és mérnökök nem vonulnak vissza.

Alapok

Hidrogén (lat.) - hidrogén, a periódusos rendszer első sorszáma, a H. A hidrogénatom tömege 1,0079, ez egy gáz, amelynek normál körülmények között nincs íze, szaga, színe. A kémikusok a tizenhatodik század óta írtak le egy bizonyos gyúlékony gázt, és különböző módon jelölik. De mindenkinél működött ugyanolyan körülmények között – amikor a fém sav hatásának volt kitéve. A hidrogént, még maga Cavendish is, sok éven át egyszerűen „gyúlékony levegőnek” nevezte. Lavoisier csak 1783-ban bizonyította szintézissel és elemzéssel, hogy a víz összetett összetételű, négy évvel később pedig „éghető levegőnek” adta a mai nevét. Ennek a gyökere összetett szó széles körben használják, amikor meg kell nevezni a hidrogénvegyületeket és minden olyan folyamatot, amelyben részt vesz. Például hidrogénezés, hidrid és hasonlók. A Orosz név M. Szolovjov javasolta 1824-ben.

A természetben ennek az elemnek az eloszlása ​​nem egyenlő. A litoszférában és a hidroszférában földkéreg tömege egy százalék, de a hidrogénatomok akár tizenhat százalékot tesznek ki. Víz van a legnagyobb mennyiségben a Földön, és ennek 11,19 tömeg%-a hidrogén. Szinte minden olajat, szént, minden földgázt és agyagot alkotó vegyületben természetesen jelen van. Hidrogén található minden növényi és állati szervezetben - a fehérjék, zsírok, nukleinsavak, szénhidrátok és így tovább. A szabad állapot nem jellemző a hidrogénre, és szinte soha nem fordul elő – a természeti és vulkáni gázokban nagyon kevés van belőle. Nagyon jelentéktelen mennyiségű hidrogén a légkörben 0,0001%, az atomok számát tekintve. De a protonok egész áramlatai képviselik a hidrogént földközeli tér, ez alkotja bolygónk belső sugárzási övét.

Tér

Egyetlen elem sem olyan gyakori a térben, mint a hidrogén. A Nap elemeiben lévő hidrogén térfogata tömegének több mint fele. A legtöbb csillag hidrogént termel plazma formájában. A ködök és a csillagközi közeg különféle gázainak nagy része szintén hidrogénből áll. Jelen van az üstökösökben és számos bolygó légkörében. Természetesen nem tiszta formában - hol szabad H2-ként, hol metán-CH4-ként, hol ammónia-NH3-ként, sőt víz-H2O-ként A CH, NH, SiN, OH, PH és hasonlók nagyon gyakoriak. A hidrogén protonáramként a korpuszkuláris napsugárzás és a kozmikus sugarak része.

A közönséges hidrogénben két stabil izotóp keveréke a könnyű hidrogén (vagy protium 1 H) és a nehéz hidrogén (vagy deutérium - 2 H vagy D). Vannak más izotópok is: radioaktív trícium - 3 H vagy T, egyébként - szupernehéz hidrogén. És nagyon instabil 4 N. A természetben a hidrogénvegyület izotópokat tartalmaz a következő arányban: egy deutériumatomhoz 6800 protiumatom tartozik. A trícium a légkörben nitrogénből képződik, amelyre a kozmikus sugarak neutronjai hatnak, de elenyésző mennyiségben. Mit jelentenek az izotóp tömegszámai? A szám azt jelzi, hogy a protium magnak csak egy protonja van, míg a deutériumnak nemcsak protonja, hanem neutronja is van az atommagban. A trícium magjában már minden protonhoz két neutron tartozik. De a 4H protononként három neutront tartalmaz. Ezért a hidrogénizotópok fizikai és kémiai tulajdonságai nagyon eltérnek az összes többi elem izotópjaitól – a tömegkülönbség túl nagy.

Szerkezet és fizikai tulajdonságok

A hidrogénatom szerkezete a legegyszerűbb az összes többi elemhez képest: egy atommag - egy elektron. Ionizációs potenciál - az atommag elektronhoz való kötésének energiája - 13,595 elektronvolt (eV). Pontosan ennek a szerkezetnek az egyszerűsége miatt alkalmas a hidrogénatom mint modell a kvantummechanikában, amikor bonyolultabb atomok energiaszintjét kell kiszámítani. A H2 molekulában két atom van, amelyeket kémiai kovalens kötéssel kapcsolnak össze. A bomlási energia nagyon magas. Az atomos hidrogén kémiai reakciókban, például cinkben és sósavban képződhet. A hidrogénnel azonban gyakorlatilag nem lép fel kölcsönhatás - a hidrogén atomi állapota nagyon rövid, az atomok azonnal H 2 molekulákká rekombinálódnak.

VEL fizikai pont Szempontból a hidrogén könnyebb, mint az összes ismert anyag – több mint tizennégyszer könnyebb a levegőnél (emlékezzünk a nyaraláskor elrepülő léggömbökre – hidrogén van bennük). Forrni, cseppfolyósodni, megolvadni, megszilárdulni azonban tud, és csak a hélium forr és olvad alacsonyabb hőmérsékleten. Nehéz cseppfolyósítani -240 Celsius fok alatti hőmérsékletre van szüksége. De nagyon magas hővezető képességgel rendelkezik. Vízben szinte oldhatatlan, de jól kölcsönhatásba lép a fémek hidrogénével - szinte mindenben oldódik, legjobban a palládiumban (egy térfogat hidrogén nyolcszázötven térfogatot vesz igénybe). A folyékony hidrogén könnyű és folyékony, és fémekben oldva gyakran tönkreteszi az ötvözeteket a szénnel való kölcsönhatás miatt (például acél), diffúzió és dekarbonizáció következik be.

Kémiai tulajdonságok

A vegyületekben a hidrogén oxidációs állapota (valenciája) többnyire +1, mint a nátrium és mások alkálifémek. Analóguknak tekintik, a periodikus rendszer első csoportjának élén áll. De a fém-hidridekben lévő hidrogénion negatív töltésű, oxidációs állapota -1. Ez az elem is közel áll a halogénekhez, amelyek még szerves vegyületekben is képesek helyettesíteni. Ez azt jelenti, hogy a hidrogén is a periódusos rendszer hetedik csoportjához köthető. Normál körülmények között a hidrogénmolekulák aktivitásukban nem különböznek egymástól, csak a legtöbbtel kombinálódnak aktív nemfémek: jó fluorral, és ha könnyű - klórral. De hevítéskor a hidrogén más lesz - sok elemmel reagál. Az atomi hidrogén a molekuláris hidrogénhez képest kémiailag nagyon aktív, így az oxigénnel kapcsolatban víz képződik, energia és hő egyszerre szabadul fel. Szobahőmérsékleten ez a reakció nagyon lassú, de ötszázötven fok fölé melegítve robbanás következik be.

A hidrogént a fémek redukálására használják, mert eltávolítja az oxigént az oxidjaikból. Fluorral a hidrogén még sötétben és mínusz kétszázötvenkét Celsius-fokon is robbanást okoz. A klór és a bróm csak melegítve vagy megvilágítva gerjeszti a hidrogént, a jódot pedig csak melegítéskor. A hidrogén és a nitrogén ammóniát képez (így készül a legtöbb műtrágya). Melegítéskor nagyon aktívan reagál a kénnel, és hidrogén-szulfidot kapunk. Tellúrral és szelénnel nehéz hidrogénreakciót előidézni, tiszta szénnel viszont nagyon magas hőmérsékleten megy végbe a reakció, és metán keletkezik. A hidrogén a szén-monoxiddal különféle szerves vegyületeket képez, a nyomás, a hőmérséklet, a katalizátorok befolyásolják ezt, és mindez óriási hatással van. gyakorlati jelentősége. És általában a hidrogénnek, valamint vegyületeinek szerepe rendkívül nagy, hiszen ad savas tulajdonságok protikus savak. Számos elemmel hidrogénkötés jön létre, amely befolyásolja mind a szervetlen, mind a szerves vegyületek tulajdonságait.

Átvétel és felhasználás

A hidrogént ipari méretekben állítják elő földgázokból - éghető gázokból, kokszolókemence-gázból és olajfinomító gázokból. Elektrolízissel is előállítható, ahol az áram nem túl drága. A hidrogén előállításának legfontosabb módszere azonban a szénhidrogének, többnyire metán, vízgőzzel való katalitikus kölcsönhatása, ahol konverzió jön létre. Széles körben alkalmazzák a szénhidrogének oxigénnel történő oxidációjának módszerét is. A hidrogén földgázból történő előállítása a legolcsóbb módja. A másik kettő a kokszolókemence-gáz és a finomítói gáz használata – hidrogén szabadul fel, amikor a többi komponens cseppfolyósításra kerül. Könnyebben cseppfolyósíthatók, a hidrogénhez pedig, mint emlékszünk, -252 fokra van szükség.

A hidrogén-peroxid használata nagyon népszerű. Az ezzel az oldattal végzett kezelést nagyon gyakran használják. A H 2 O 2 molekulaképletet valószínűleg nem fogja megnevezni mindazok milliók, akik szőkék akarnak lenni és világosítani szeretnének hajukat, valamint azok, akik szeretik a tisztaságot a konyhában. Leggyakrabban még azok sem veszik észre, hogy hidrogénes kezelést alkalmaznak. De mindenki ismeri a történelmet: 1852 óta a hidrogént hosszú ideig használják a repülésben. A Henry Giffard által feltalált léghajót hidrogén alapján hozták létre. Zeppelinnek hívták őket. A zeppelineket a repülőgépgyártás rohamos fejlődése űzte ki az égből. 1937-ben súlyos baleset történt, amikor a Hindenburg léghajó leégett. Az eset után soha többé nem használtak zeppelint. De a tizennyolcadik század végén a hidrogénnel töltött léggömbök elterjedése széles körben elterjedt. Az ammóniagyártás mellett ma már hidrogénre van szükség metil-alkohol és egyéb alkoholok, benzin, hidrogénezett nehézfűtőolaj, ill. szilárd tüzelőanyag. Nem nélkülözheti a hidrogént hegesztéskor, fémek vágásakor - lehet oxigén-hidrogén és atom-hidrogén. A trícium és a deutérium pedig életet ad az atomenergiának. Ezek, mint emlékszünk, a hidrogén izotópjai.

Neumyvakin

A hidrogén olyan jó kémiai elem, hogy megvannak a maga rajongói. Ivan Pavlovich Neumyvakin az orvostudományok doktora, professzor, állami díj kitüntetettje, és számos címe és kitüntetése van, köztük. A hagyományos orvoslás orvosaként Oroszország legjobb népgyógyászának nevezik. Ő volt az, aki számos módszert és elvet dolgozott ki a repülés közbeni űrhajósok orvosi ellátására. Ő volt az, aki egyedülálló kórházat hozott létre - egy kórházat egy űrhajó fedélzetén. Ugyanakkor a kozmetikai orvoslás állami koordinátora volt. Tér és kozmetika. A hidrogén iránti szenvedélye nem arra irányul, hogy nagy pénzt keressen, mint a hazai gyógyászatban, hanem éppen ellenkezőleg, hogy megtanítsa az embereket, hogyan lehet bármit meggyógyítani szó szerint egy filléres szerrel, további gyógyszertári látogatás nélkül.

Olyan gyógyszerrel támogatja a kezelést, amely szó szerint minden otthonban megtalálható. Ez a hidrogén-peroxid. Bármennyire kritizálhatja Neumyvakint, ő továbbra is ragaszkodik a sajátjához: igen, valóban, szó szerint mindent meg lehet gyógyítani hidrogén-peroxiddal, mert telíti a test belső sejtjeit oxigénnel, elpusztítja a méreganyagokat, normalizálja a savas és lúgos anyagokat. egyensúlyba kerül, és innentől a szövetek regenerálódnak, az egész szervezet megfiatalodik a szervezet. Senki sem látott még hidrogén-peroxiddal gyógyítani, még kevésbé vizsgálta meg, de Neumyvakin azt állítja, hogy ezzel a szerrel teljesen megszabadulhat a vírusos, bakteriális és gombás betegségektől, megelőzheti a daganatok és érelmeszesedés kialakulását, legyőzheti a depressziót, megfiatalíthat. a testet, és soha nem lesz beteg ARVI és megfázás.

Csodaszer

Ivan Pavlovich biztos abban, hogy ennek az egyszerű gyógyszernek a megfelelő használatával és az összes egyszerű utasítás betartásával számos betegséget legyőzhet, beleértve a nagyon súlyosakat is. A lista óriási: a fogágybetegségtől és a mandulagyulladástól a szívinfarktusig, a szélütésig és a cukorbetegségig. Az olyan apróságok, mint a sinusitis vagy az osteochondrosis, eltűnnek az első kezelési alkalmakkor. Még a rákos daganatok is megijednek és menekülnek a hidrogén-peroxid elől, mert serkentik az immunrendszert, aktiválódik a szervezet élete, védekezése.

Még a gyerekeket is lehet így kezelni, csakhogy a terhes nőknek jobb, ha egyelőre tartózkodnak a hidrogén-peroxid fogyasztásától. Szintén nem ajánlott ezt a módszertátültetett szerveket az esetleges szöveti összeférhetetlenség miatt. Az adagolást szigorúan be kell tartani: egy csepptől tízig, naponta egy cseppet hozzáadva. Naponta háromszor (napi harminc csepp háromszázalékos hidrogén-peroxid-oldatból, hú!) fél órával étkezés előtt. Az oldat intravénásan és orvosi felügyelet mellett adható be. Néha a hidrogén-peroxidot más gyógyszerekkel kombinálják a hatékonyabb hatás érdekében. Az oldatot belsőleg csak hígított formában használják - tiszta vízzel.

Külsőleg

Még mielőtt Neumyvakin professzor megalkotta módszerét, a borogatások és öblítések nagyon népszerűek voltak. Mindenki tudja, hogy az alkoholos borogatáshoz hasonlóan a hidrogén-peroxid sem használható tiszta formájában, mert szöveti égési sérüléseket okoz, de a szemölcsöket vagy a gombás fertőzéseket helyben kenik erős oldattal - akár tizenöt százalékig.

Bőrkiütések és fejfájás esetén olyan eljárásokat is végeznek, amelyek hidrogén-peroxidot tartalmaznak. A borogatást két teáskanál háromszázalékos hidrogén-peroxid és ötven milligramm tiszta víz oldatával átitatott pamutkendővel kell elkészíteni. Fedje le az anyagot fóliával, és csavarja be gyapjúval vagy törülközővel. A borogatás reggel és este negyed órától másfél óráig tart a gyógyulásig.

Az orvosok véleménye

Megoszlanak a vélemények a hidrogén-peroxid tulajdonságaitól, ráadásul nem hisznek rajtuk, hanem nevetnek is rajtuk. Az orvosok között vannak olyanok is, akik támogatták Neumyvakint, sőt elméletének kidolgozását is vállalták, de ők kisebbségben vannak. A legtöbb orvos ezt a fajta kezelést nemcsak hatástalannak, hanem gyakran katasztrofálisnak is tartja.

Valójában még nincs egyetlen hivatalosan bizonyított eset sem, amikor egy beteget hidrogén-peroxiddal gyógyítottak meg. Az egészségi állapot romlásáról ugyanakkor nincs információ a módszer alkalmazásával kapcsolatban. De az értékes idő elvész, és az a személy, aki átesett a súlyos betegségek egyikében, és teljes mértékben Neumyvakin csodaszerére támaszkodik, azt kockáztatja, hogy elkésik valódi hagyományos kezelését.

vízzel való kölcsönhatás lúgot képez; c) passzív, inaktív; b) fémekkel kölcsönhatásba lépve sókat képeznek; d) tipikus fémek; 2. Hidrogén előállítására használható fém (alacsony hőmérsékleten vízzel reagáltatva): a) Zn; b) Mg; c) Au; d) Hg; e) K; 3. A savakkal és lúgokkal egyaránt reagálni képes oxidokat és hidroxidokat nevezzük: a) amfoternek b) savas c) bázikusnak 4. Időszakonként balról jobbra a fémes tulajdonságok: a) növekszik b) gyengül c) változatlan marad 5 A VII. csoport melléktermék-elem alcsoportjai: a) klór b) foszfor c) mangán d) francium 6. Az atommag töltését: a) a periódusszám b) a c) csoportszám határozza meg. a 7. sorszám. A 17. és 35. sorszámú elemek atomjainak szerkezete: a) teljes mennyiség elektronok; c) elektronikus szintek száma; d) az elektronok száma az utolsó energiaszinten; b) a neutronok száma; 8. 1s22s2р63s2p4 elektronképletű elem: a) szén; b) kén; c) klór; d) nátrium; 9. A szénatom elektronképlete: a) 1s22s22р3 b) 1s22s2 c) 1s22s22p2 10. Melyik elem atomja a következő utolsó energiaszintű szerkezettel rendelkezik…3s23p5: a) foszfor; b) fluor; c) klór; d) magnézium; 11. A párosítatlan elektronok száma a 19. számú elem elektronhéjában: a) 1; b) 2; c) 3; d) 4; 12. Sorozatszám olyan elem, amelynek atomjai RO3 típusú magasabb oxidot képesek képezni: a) No. 11 (nátrium); b) No. 14 (szilícium); c) 16. szám (kén); 13. Az 1s22s22p63s23p5 elektronképletű elem a következő típusú illékony hidrogénvegyületet képez: a) RH4; b) RH3; c) H2R; d) HR; 14. 3 mol hidrogén térfogata normál körülmények között: a) 22,4 l; b) 44,8 liter; c) 67,2 liter; d) 89,6 liter; e) 112 liter; 15. Negyedik időszak eleme, székhelye oldali alcsoport; Az oxid és a hidroxid amfoter jelleget mutat. Ez az elem oxidot, például RO-t és R(OH)2 hidroxidot képez. a) magnézium b) kalcium c) cink d) szén 16. A szilícium maximális vegyértéke: a) IV b) V c) VI d) VII 17. A szelén minimális vegyértéke (34.): a) I b) II c ) III d ) IV 18. A bennük lévő 1s22s22p63s23p64s1 illetve 1s22s22p3 atomi konfigurációjú elemek két nagyobb oxidjának kölcsönhatásából nyert só molekulatömege: a) 85; b) 111; c) 63; d) 101; e) 164; 19. „X” termék, amely átalakulások eredményeként keletkezik: Al-só Al(OH)3 X a) Al Cl3 b) Al H3 c) Na Al O2 d) Al e) Al2O3 20. Az együtthatók összege a reakcióegyenletben, amelynek diagramja H2S + O2 → SO2 + H2O a) 5; b) 6; c) 7; d) 8; e) 9; 21. Moláris tömeg magnézium-oxid (g/mol-ban): a) 24; b) 36; c) 40; d) 80; e) 82; 22. A 800 g-ot alkotó vas(III)-oxid móljainak száma ennek a kapcsolatnak: a) 1; b) 2; c) 3; d) 4; e) 5; 23. 8 g CH4 metán elégetésekor 401 kJ hő szabadult fel. Számítsa ki a CH4 (g) + 2O2 (g) = CO2 (g) + 2H2O (g) + Q kémiai reakció termikus hatását (Q): a) + 401 kJ; b) + 802 kJ; c) - 802 kJ; d) + 1604 kJ; e) - 1604 kJ; 24. Normál körülmények között 128 g oxigén a következő térfogatot foglalja el: a) 11,2 l; b) 22,4 liter; c) 44,8 liter; d) 67,2 liter; e) 89,6 liter; 25. A hidrogén tömeghányada a SiH4 vegyületben: a) 30%; b) 12,5%; c) 40%; d) 60%; e) 65%; 26. Az EO2 vegyületben az oxigén tömeghányada 50%. Az E elem neve a vegyületben: a) nitrogén; b) titán; c) kén; d) szelén; e) szén; 27. 44,8 liter hidrogénnel reagáló vas(III)-oxid móljainak száma (n.s.): a) 0,67 mol; b) 2 mol; c) 0,3 mol; d) 0,4 mol; e) 5 mol; 28. 44,8 liter hidrogén előállításához szükséges sósav tömege (n.s.) (Mg + 2HCl = MgCl2 + H2): a) 146 g; b) 73 g; c) 292 g; d) 219 g; e) 20 g; 29. Só tömege 400 g 80%-os nátrium-klorid oldatban: a) 146 g; b) 320 g; c) 210 g; d) 32 g; e) 200 g; 30. A kálium-hidroxid és 300 g 65%-os ortofoszforsav-oldat kölcsönhatása során keletkező só tömege: a) 422 g; b) 196 g; c) 360 g; d) 435 g; e) 200 g;

A hidrogén egy H szimbólummal és 1-es rendszámmal ellátott kémiai elem. Körülbelül 1,008 szabványos atomsúlyával a hidrogén a legkönnyebb elem a periódusos rendszerben. Monatomikus formája (H) a leggyakoribb kémiai az Univerzumban, ami a teljes bariontömeg körülbelül 75%-át teszi ki. A csillagok főként plazmaállapotú hidrogénből állnak. A hidrogén leggyakoribb izotópjának, a protiumnak (ezt a nevet ritkán használják, szimbólum 1H) egy protonja van, és nincsenek neutronjai. Az atomi hidrogén széles körben elterjedt megjelenése először a rekombináció korszakában következett be. Szabványos hőmérsékleten és nyomáson a hidrogén színtelen, szagtalan, íztelen, nem mérgező, nem fémes, gyúlékony kétatomos gáz, amelynek molekulaképlete H2. Mivel a hidrogén könnyen képződik kovalens kötések a legtöbb nemfémes elem mellett a legtöbb hidrogén a Földön molekuláris formában, például vízben vagy szerves vegyületekben létezik. A hidrogén különösen fontos szerepet játszik a sav-bázis reakciókban, mivel a legtöbb sav alapú reakció az oldható molekulák közötti protonok cseréjével jár. Az ionos vegyületekben a hidrogén negatív töltésű (azaz anion) formáját öltheti, ahol hidridként ismert, vagy pozitív töltésű (vagyis kation) formában, amelyet a H+ jellel jelölünk. A hidrogénkationról azt írják, hogy egy egyszerű protonból áll, de a valóságban az ionos vegyületekben lévő hidrogénkationok mindig összetettebbek. A hidrogén, mint az egyetlen semleges atom, amelyre a Schrödinger-egyenlet analitikusan megoldható, kulcsszerepet játszott a kvantummechanika fejlődésében. A hidrogéngázt először a 16. század elején állították elő mesterségesen savak fémekkel való reakciójával. 1766-81-ben. Henry Cavendish volt az első, aki felismerte, hogy a hidrogéngáz különálló anyag, és égéskor vizet termel, így kapta a nevét: görögül a hidrogén „víztermelőt” jelent. Ipari termelés A hidrogéntermelés elsősorban a földgáz gőzreformációjával, ritkábban pedig energiaigényesebb módszerekkel, például vízelektrolízissel kapcsolatos. A legtöbb hidrogént a termelési hely közelében használják fel, a két leggyakoribb felhasználás a fosszilis tüzelőanyagok feldolgozása (például hidrokrakkolás) és az ammóniagyártás, főként a műtrágyapiac számára. A hidrogén aggodalomra ad okot a kohászatban, mert sok fémet törékennyé tehet, ami megnehezíti a csővezetékek és a tárolótartályok tervezését.

Tulajdonságok

Égés

A hidrogéngáz (dihidrogén vagy molekuláris hidrogén) egy gyúlékony gáz, amely a levegőben nagyon széles, 4-75 térfogatszázalék koncentrációtartományban ég el. Az égési entalpia 286 kJ/mol:

2 H2 (g) + O2 (g) → 2 H2O (l) + 572 kJ (286 kJ/mol)

A hidrogéngáz a levegővel 4-74%, a klórral pedig 5,95%-os koncentrációban robbanékony elegyet alkot. Robbanásveszélyes reakciókat okozhat szikra, hő ill napfény. A hidrogén öngyulladási hőmérséklete, vagyis az a hőmérséklet, amelyen a levegőben spontán meggyullad, 500 °C (932 °F). A tiszta hidrogén-oxigén lángok ultraibolya sugárzást bocsátanak ki, és magas oxigénkeverékkel szinte láthatatlanok szabad szemmel, amint azt a főmotor halvány csóva bizonyítja. űrrepülőgép az ammónium-perklorát kompozitot használó Space Shuttle Solid Rocket Booster jól látható csóvájához képest. Az égő hidrogénszivárgás észleléséhez lángérzékelőre lehet szükség; az ilyen szivárgások nagyon veszélyesek lehetnek. A hidrogénláng más körülmények között kék színű, és a földgáz kék lángjához hasonlít. A Hindenburg léghajó elsüllyedése a hidrogénégetés hírhedt példája, és az ügyet máig vitatják. Ebben az incidensben a látható narancssárga lángokat a léghajó bőréből származó szénvegyületekkel kombinált hidrogén és oxigén keveréke okozta. A H2 minden oxidáló elemmel reagál. A hidrogén szobahőmérsékleten spontán reakcióba léphet klórral és fluorral, és a megfelelő hidrogén-halogenideket, hidrogén-kloridot és hidrogén-fluoridot képezheti, amelyek szintén potenciálisan veszélyes savak.

Elektron energiaszintek

Az elektron alapállapotú energiaszintje a hidrogénatomban –13,6 eV, ami egy körülbelül 91 nm hullámhosszú ultraibolya fotonnak felel meg. Energiaszintek A hidrogén meglehetősen pontosan kiszámítható az atom Bohr-modelljével, amely az elektront "pálya" protonként képzeli el, analóg módon a föld pályája Nap. Az atomi elektront és a protont azonban elektromágneses erő, míg a bolygókat és az égi objektumokat a gravitáció tartja össze. A szögimpulzus Bohr által a korai kvantummechanikában feltételezett diszkretizálása miatt a Bohr-modellben szereplő elektron csak bizonyos megengedett távolságokat foglalhat el a protontól, és ezért csak bizonyos megengedett energiákat. A hidrogénatom pontosabb leírása egy tisztán kvantummechanikai kezelésből származik, amely a Schrödinger-egyenlet, a Dirac-egyenlet vagy akár a Feynman-féle integrált áramkör segítségével számítja ki egy elektron valószínűségi sűrűségeloszlását a proton körül. A legkifinomultabb feldolgozási módszerek a speciális relativitáselmélet és a vákuumpolarizáció kis hatását eredményezhetik. Kvantumban megmunkálás, az alapállapotú hidrogénatomban lévő elektronnak egyáltalán nincs szögimpulzusa, ami azt mutatja, hogy a "bolygópálya" miben különbözik az elektronok mozgásától.

Elemi molekuláris formák

A kétatomos hidrogénmolekulák két különböző spin-izomerje létezik, amelyek atommagjuk relatív spinjében különböznek egymástól. Ortohidrogén formában a két proton spinjei párhuzamosak és hármas állapotot alkotnak a molekuláris spinnel kvantumszám 1 (1/2 + 1/2); parahidrogén formájában a spinek antipárhuzamosak és szingulettet alkotnak 0 (1/2 1/2) molekuláris spinkvantumszámmal. Normál hőmérsékleten és nyomáson a hidrogéngáz körülbelül 25% para formát és 75% orto formát tartalmaz, más néven "normál formát". Az ortohidrogén és parahidrogén egyensúlyi aránya a hőmérséklettől függ, de mivel az orto-forma gerjesztett állapot és nagyobb energiájú, mint a para-forma, instabil és nem tisztítható. Nagyon alacsony hőmérsékleten az egyensúlyi állapot szinte kizárólag a para formából áll. A tiszta parahidrogén folyadék- és gázfázisának termikus tulajdonságai jelentősen eltérnek a normál formáétól a forgási hőkapacitások különbségei miatt, amelyeket a hidrogén spin-izomerjénél részletesebben tárgyalunk. Az orto/páronkénti megkülönböztetés más hidrogéntartalmú molekuláknál is megtalálható, ill funkcionális csoportok, mint a víz és a metilén, de ennek nincs jelentősége a termikus tulajdonságaik szempontjából. A para és orto H2 közötti nem katalizált interkonverzió a hőmérséklet emelkedésével nő; Így a gyorsan kondenzált H2 nagy mennyiségben tartalmaz nagy energiájú ortogonális formát, amely nagyon lassan alakul át para formává. A kondenzált H2 orto/gőz aránya fontos tényező a folyékony hidrogén előállításában és tárolásában: az orto-ból gőzzé való átalakulás exoterm, és elegendő hőt biztosít a hidrogén folyadék egy részének elpárologtatásához, ami a cseppfolyósított anyag elvesztését eredményezi. Orto-para konverziós katalizátorok, például vas-oxid, aktív szén, platinizált azbeszt, ritkaföldfémek uránvegyületeket, króm-oxidot vagy néhány nikkelvegyületet használnak a hidrogénhűtésben.

Fázisok

Hidrogén gáz

Folyékony hidrogén

Iszap hidrogén

Szilárd hidrogén

Fémes hidrogén

Kapcsolatok

Kovalens és szerves vegyületek

Míg a H2 nem túl reakcióképes normál körülmények között, a legtöbb elemmel vegyületet képez. A hidrogén vegyületeket képezhet elektronegatívabb elemekkel, például halogénekkel (pl. F, Cl, Br, I) vagy oxigénnel; ezekben a vegyületekben a hidrogén részlegesen elfogad pozitív töltés. Fluorral, oxigénnel vagy nitrogénnel való kötéskor a hidrogén nem kovalens kötés formájában vehet részt közepes erősségű más hasonló molekulák hidrogénével, a hidrogénkötésnek nevezett jelenséget, amely számos biológiai molekula stabilitása szempontjából kritikus. A hidrogén kevésbé elektronegatív elemekkel, például fémekkel és metalloidokkal is alkot vegyületeket, ahol részleges negatív töltést vesz fel. Ezeket a vegyületeket gyakran hidrideknek nevezik. A hidrogén a szénnel nagyon sokféle vegyületet képez, amelyeket szénhidrogéneknek neveznek, és még sokféle heteroatomos vegyületet, amelyeket az élőlényekkel való közös kapcsolatuk miatt szerves vegyületeknek neveznek. Tulajdonságaik tanulmányozása a szerves kémia tárgya, az élő szervezetekkel összefüggésben végzett vizsgálatukat biokémiának nevezik. Egyes definíciók szerint a „szerves” vegyületeknek csak szenet kell tartalmazniuk. A legtöbb azonban hidrogént is tartalmaz, és mivel ez a vegyületcsoport a szén-hidrogén kötés adja a legtöbb specifikus jellemzőt. kémiai jellemzők, a kémiában a "szerves" szó egyes definícióiban szén-hidrogén kötésekre van szükség. Több millió szénhidrogén ismert, és általában bonyolult szintetikus utakon jönnek létre, amelyek ritkán tartalmaznak elemi hidrogént.

Hidridok

A hidrogénvegyületeket gyakran hidrideknek nevezik. A „hidrid” kifejezés azt feltételezi, hogy a H atom negatív vagy anionos karaktert öltött, H-nek jelölve, és akkor használatos, ha a hidrogén egy elektropozitívabb elemmel alkot vegyületet. A Gilbert N. Lewis által 1916-ban az 1. és 2. csoport sótartalmú hidridjeihez javasolt hidrid-anion létezését Moers 1920-ban olvadt lítium-hidrid (LiH) elektrolízisével mutatta ki, sztöchiometrikus mennyiségű hidrogént termelve az anód. Az 1. és 2. csoportba tartozó fémektől eltérő hidridek esetében a kifejezés félrevezető, tekintettel a hidrogén alacsony elektronegativitására. Kivétel a 2. csoportba tartozó hidridek alól a BeH2, amely polimer. A lítium-alumínium-hidridben az AlH-4 anion hidridcentrumai szilárdan kapcsolódnak az Al(III)-hoz. Bár a hidridek szinte minden főcsoportelemben képződhetnek, a lehetséges vegyületek száma és kombinációja igen eltérő; például több mint 100 bináris borán-hidrid és csak egy bináris alumínium-hidrid ismeretes. A bináris indium-hidridet még nem azonosították, bár nagy komplexek léteznek. IN szervetlen kémia A hidridek híd ligandumként is szolgálhatnak, amelyek két fémközpontot kapcsolnak össze egy koordinációs komplexben. Ez a funkció különösen jellemző a 13. csoportba tartozó elemekre, különösen a boránokra (bór-hidridekre) és az alumíniumkomplexekre, valamint a klaszterezett karboránokra.

Protonok és savak

A hidrogén oxidációja eltávolítja az elektronját, és H+ keletkezik, amely nem tartalmaz elektronokat, és egy mag, amely általában egyetlen protonból áll. Ezért a H+-t gyakran protonnak nevezik. Ez a faj központi szerepet játszik a savakkal kapcsolatos vitákban. A Bronsted-Lowry elmélet szerint a savak protondonorok, a bázisok pedig proton akceptorok. A csupasz proton, a H+, nem létezhet sem oldatban, sem ionos kristályokban, mert ellenállhatatlanul vonzódik más atomokhoz vagy elektronokkal rendelkező molekulákhoz. A plazmához kapcsolódó magas hőmérséklettől eltekintve az ilyen protonok nem távolíthatók el az atomok és molekulák elektronfelhőiből, és hozzájuk kötődnek. A "proton" kifejezést azonban néha metaforikusan használják más fajokhoz ily módon kapcsolódó pozitív töltésű vagy kationos hidrogénre, és mint ilyen, "H+"-ként említik, anélkül, hogy bármiféle utalás lenne arra, hogy az egyes protonok fajként szabadon léteznének. A csupasz "szolvatált proton" oldatban való megjelenésének elkerülése érdekében a savas vizes oldatok néha úgy gondolják, hogy egy kevésbé valószínűtlen fiktív fajt, az úgynevezett "hidronium-iont" (H3O+) tartalmaznak. Az ilyen szolvatált hidrogénkationokat azonban még ebben az esetben is reálisabban érzékelik szervezett klaszterekként, amelyek H9O+4-hez közeli fajokat alkotnak. Más oxónium-ionok akkor fordulnak elő, ha a víz savas oldatban van más oldószerekkel. A Földön való egzotikus megjelenése ellenére az Univerzumban az egyik leggyakoribb ion a H+3, amely protonált molekuláris hidrogén vagy trihidrogénkation néven ismert.

Izotópok

A hidrogénnek három természetben előforduló izotópja van, ezek 1H, 2H és 3H. Más, nagyon instabil magokat (4H-7H) szintetizáltak a laboratóriumban, de a természetben nem figyelték meg. Az 1H a hidrogén legnagyobb mennyiségben előforduló izotópja, több mint 99,98%-kal. Mivel ennek az izotópnak a magja csak egy protonból áll, a leíró, de ritkán használt formális nevet a protium kapta. 2H, egyéb stabil izotóp A hidrogént deutériumnak nevezik, és egy protont és egy neutront tartalmaz az atommagban. Úgy gondolják, hogy az Univerzumban található összes deutérium az Ősrobbanás során keletkezett, és attól kezdve egészen mostanáig létezik. A deutérium nem radioaktív elem, és nem jelent jelentős toxicitási kockázatot. A normál hidrogén helyett deutériumot tartalmazó molekulákkal dúsított vizet nehézvíznek nevezzük. A deutériumot és vegyületeit nem radioaktív nyomjelzőként használják kémiai kísérletekés oldószerekben az 1H-NMR spektroszkópiához. A nehézvizet neutronmoderátorként és hűtőfolyadékként használják az atomreaktorokban. A deutérium a kereskedelemben is potenciális üzemanyag magfúzió. A 3H trícium néven ismert, és egy protont és két neutront tartalmaz az atommagban. Radioaktív, béta-bomlás útján hélium-3-ra bomlik, felezési ideje 12,32 év. Annyira radioaktív, hogy világító festékben is használható, így például világító számlappal rendelkező órák készítésekor is hasznos lehet. Az üveg megakadályozza a kis mennyiségű sugárzás kijutását. Kis mennyiségű trícium képződik a természetben, amikor a kozmikus sugarak kölcsönhatásba lépnek a légköri gázokkal; trícium is szabadult fel az atomfegyver-kísérletek során. A magfúziós reakciókban az izotópgeokémia indikátoraként és speciális, saját meghajtású világítóberendezésekben használják. A tríciumot kémiai és biológiai jelölési kísérletekben is használták radioaktív nyomjelzőként. A hidrogén az egyetlen elem, amely rendelkezik különböző nevek izotópjai miatt, amelyeket ma már széles körben használnak. A radioaktivitás korai tanulmányozása során különböző súlyos radioaktív izotópok tulajdonneveket adtak, de ilyen neveket a deutérium és trícium kivételével már nem használnak. A D és T szimbólumot (a 2H és a 3H helyett) néha a deutériumra és a tríciumra használják, de a protium P megfelelő szimbólumát már használják a foszforra, ezért nem áll rendelkezésre a protium esetében. A Tiszta és Alkalmazott Kémia Nemzetközi Szövetsége a nómenklatúra irányelveiben megengedi a D, T, 2H és 3H szimbólumok bármelyikének használatát, bár a 2H és a 3H a preferált. Az antimuonból és elektronból álló egzotikus muónium atomot (Mu szimbólum) néha a hidrogén könnyű radioizotópjának is tekintik az antimuon és az elektron közötti tömegkülönbség miatt, amelyet 1960-ban fedeztek fel. A müon élettartama alatt, 2,2 μs, a müónium beépülhet olyan vegyületekbe, mint a müónium-klorid (MuCl) vagy a nátrium-müonid (NaMu), hasonlóan a hidrogén-kloridhoz, illetve a nátrium-hidridhez.

Történet

Megnyitás és használat

1671-ben Robert Boyle felfedezte és leírta a vasreszelék és a híg savak közötti reakciót, amely hidrogéngázt termel. 1766-ban Henry Cavendish ismerte fel először a hidrogéngázt különálló anyagként, és a gázt „gyúlékony levegőnek” nevezte fém-sav reakciója miatt. Elképzelte, hogy a "gyúlékony levegő" gyakorlatilag azonos a "phlogiszton" nevű hipotetikus anyaggal, és 1781-ben ismét felfedezte, hogy a gáz égéskor vizet termel. Úgy tartják, hogy ő volt az, aki felfedezte a hidrogént mint elemet. 1783-ban Antoine Lavoisier adta az elemnek a hidrogén nevet (a görög ὑδρο-hydro jelentése "víz" és -γενής gének jelentése "teremtő"), amikor ő és Laplace reprodukálták Cavendish adatait, miszerint a hidrogén elégetése vizet termel. Lavoisier hidrogént állított elő tömegmegőrző kísérleteihez úgy, hogy gőzáramot fémvassal reagált egy tűzzel melegített izzólámpán keresztül. A vas anaerob oxidációja víz protonjaival magas hőmérsékleten vázlatosan ábrázolható a következő reakciók sorozatával:

Fe + H2O → FeO + H2

2 Fe + 3 H2O → Fe2O3 + 3 H2

3 Fe + 4 H2O → Fe3O4 + 4 H2

Sok fém, például a cirkónium, hasonló reakcióba megy át vízzel, és hidrogén keletkezik. A hidrogént először James Dewar cseppfolyósította 1898-ban regeneratív hűtéssel és találmányával, a vákuumlombikkal. IN jövőre szilárd hidrogént termelt. A deutériumot 1931 decemberében fedezte fel Harold Urey, a tríciumot 1934-ben Ernest Rutherford, Mark Oliphant és Paul Harteck állította elő. Nehéz víz, amely helyett deutériumból áll közönséges hidrogén, Urey csoportja fedezte fel 1932-ben. François Isaac de Rivaz 1806-ban megépítette az első Rivaz motort, egy hidrogénnel és oxigénnel hajtott belsőégésű motort. Edward Daniel Clark 1819-ben találta fel a hidrogéngáz csövet. A Döbereiner kovakőt (az első teljes értékű öngyújtót) 1823-ban találták fel. Az első hidrogénballont Jacques Charles találta fel 1783-ban. A hidrogén biztosította a légi közlekedés első megbízható formáját, miután Henri Giffard 1852-ben feltalálta az első hidrogénüzemű léghajót. A német gróf Ferdinand von Zeppelin hirdette a hidrogénnel a levegőbe hajtott merev léghajók ötletét, amelyeket később Zeppelineknek neveztek el; ezek közül az első 1900-ban repült először. A menetrend szerinti járatok 1910-ben indultak, és az első világháború kitöréséig, 1914 augusztusában 35 000 utast szállítottak nagyobb incidens nélkül. A háború alatt a hidrogén léghajókat megfigyelő platformként és bombázóként használták. Az első megállás nélküli transzatlanti repülést az R34-es brit léghajó hajtotta végre 1919-ben. Az 1920-as években újraindult a rendszeres személyszállítás, és az Egyesült Államokban a héliumtartalékok felfedezése várhatóan javítani fogja az utazási biztonságot, de az Egyesült Államok kormánya nem volt hajlandó a gázt erre a célra eladni, így a H2-t használták a Hindenburg léghajóban, amely megsemmisült. egy milánói tűzvészben New Yorkban - Jersey, 1937. május 6. Az esetet közvetítették élő rádióban és videón is. Széles körben azt feltételezték, hogy a gyulladás oka hidrogénszivárgás volt, de a későbbi vizsgálatok azt mutatják, hogy az aluminizált szövetburkolatot statikus elektromosság gyulladt meg. Ekkorra azonban a hidrogén emelőgáz hírneve már megsérült. Ugyanebben az évben az első hidrogénhűtéses turbógenerátor, hidrogéngázzal hűtőfolyadékként a forgórészben és az állórészben, 1937-ben állt szolgálatba Daytonban, Ohio államban, a Dayton Power & Light Co. által; A hidrogéngáz hővezető képessége miatt ma a legelterjedtebb gáz ezen a területen. A nikkel-hidrogén akkumulátort először 1977-ben használták az US Navigation Technology Satellite-2 (NTS-2) fedélzetén. ISS, Mars Odyssey és Mars Global Surveyor nikkel-hidrogén akkumulátorokkal felszerelve. A pályája sötét részén, Űrtávcső A Hubble-t nikkel-hidrogén akkumulátorok is hajtják, amelyeket végül 2009 májusában cseréltek le, több mint 19 évvel az indulás után és 13 évvel a tervezésük után.

Szerep a kvantumelméletben

Egyszerű atomszerkezete miatt, amely csak egy protonból és egy elektronból áll, a hidrogénatom a belőle létrehozott vagy általa elnyelt fény spektrumával együtt központi szerepet játszott az atomszerkezet-elmélet fejlődésében. Ezenkívül a hidrogénmolekula és a megfelelő H+2 kation megfelelő egyszerűségének tanulmányozása a természet megértéséhez vezetett. kémiai kötés, amely röviddel a hidrogénatom kvantummechanikában történt fizikai kezelése után következett, az egyik első (de akkor még nem érthető) kvantumhatás a hidrogénnel végzett Maxwell megfigyelése volt, fél évszázaddal a teljes kvantum előtt. mechanikai elmélet. Maxwell megjegyezte, hogy a H2 fajlagos hőkapacitása visszafordíthatatlanul szobahőmérséklet alá hagyja a kétatomos gázt, és egyre jobban kezd hasonlítani a kétatomos gáz fajlagos hőkapacitásához kriogén hőmérsékletek. A kvantumelmélet szerint ez a viselkedés a (kvantált) forgási energiaszintek térközéből adódik, amelyek a H2-ben kis tömege miatt különösen nagy távolságra helyezkednek el. Ezek a nagy távolságú szintek megakadályozzák a hőenergia egyenlő felosztását forgó mozgás hidrogénben alacsony hőmérsékleten. Diatómagázok, amelyek többből állnak nehéz atomok, nem rendelkeznek ilyen szélesen elhelyezkedő szintekkel, és nem mutatnak ugyanazt a hatást. Az antihidrogén a hidrogén antianyagi analógja. Egy antiprotonból és egy pozitronból áll. Az antihidrogén az egyetlen olyan típusú antianyag atom, amelyet 2015 óta állítottak elő.

A természetben lenni

A hidrogén a legelterjedtebb kémiai elem az univerzumban, a normál anyag tömegének 75%-át és az atomok számának több mint 90%-át teszi ki. (A világegyetem tömegének nagy része azonban nem ennek a kémiai elemnek a formájában van jelen, hanem úgy gondolják, hogy még fel nem ismert tömegformái vannak, mint például a sötét anyag és sötét energia.) Ez az elem nagy bőségben található a csillagokban és a gázóriásokban. A H2 molekulafelhők a csillagkeletkezéshez kapcsolódnak. A hidrogén létfontosságú szerepet játszik a csillagok energiaellátásában a proton-proton reakció és a CNO ciklus magfúziója révén. Az egész világon a hidrogén elsősorban atomi és plazmaállapotban fordul elő, tulajdonságai teljesen eltérnek a molekuláris hidrogénétől. Plazmaként a hidrogén elektronja és protonja nem kötődik egymáshoz, ami nagyon magas elektromos vezetőképességet és magas emissziót eredményez (a Napból és más csillagokból származó fényt termel). A töltött részecskéket erősen befolyásolják a mágneses és elektromos mezők. Például be napszél kölcsönhatásba lépnek a Föld magnetoszférájával, Birkeland áramlatokat és hajnal. A hidrogén semleges atomi állapotban létezik a csillagközi közegben. Úgy gondolják, hogy a bomló Lyman-alfa rendszerekben található nagy mennyiségű semleges hidrogén uralja az Univerzum kozmológiai barionsűrűségét z = 4 vöröseltolódásig. Normál körülmények között a Földön az elemi hidrogén kétatomos gázként, H2ként létezik. A hidrogéngáz azonban nagyon ritka a föld légköre(1 ppm térfogatban) köszönhetően annak könnyű súly, lehetővé téve, hogy könnyebben legyőzze a Föld gravitációját, mint a nehezebb gázok. A hidrogén azonban a harmadik legelterjedtebb elem a Föld felszínén, elsősorban formában kémiai vegyületek, mint a szénhidrogének és a víz. A hidrogéngázt egyes baktériumok és algák állítják elő, és a fuvola természetes összetevője, akárcsak a metán, amely egyre fontosabb hidrogénforrás. A protonált molekuláris hidrogénnek (H+3) nevezett molekulaforma a csillagközi közegben található, ahol a kozmikus sugarakból származó molekuláris hidrogén ionizációja révén jön létre. Ezt a töltött iont a Jupiter bolygó felső légkörében is megfigyelték. Az ion viszonylag stabil a környezetben alacsony hőmérséklete és sűrűsége miatt. A H+3 az egyik legnagyobb mennyiségben előforduló ion az Univerzumban, és jelentős szerepet játszik a csillagközi közeg kémiájában. A semleges háromatomos hidrogén H3 csak gerjesztett formában létezhet és instabil. Éppen ellenkezőleg, pozitív molekuláris ion A hidrogén (H+2) ritka molekula az Univerzumban.

Hidrogén termelés

A H2-t kémiai és biológiai laboratóriumokban állítják elő, gyakran más reakciók melléktermékeként; az iparban telítetlen szubsztrátok hidrogénezésére; és a természetben a redukáló ekvivalensek kiszorításának eszközeként a biokémiai reakciókban.

Gőzreformálás

A hidrogént többféleképpen is elő lehet állítani, de a leggazdaságosabban fontos folyamatokat ide tartozik a hidrogén eltávolítása a szénhidrogénekből, mivel 2000-ben a hidrogéntermelés mintegy 95%-a gőzreformálásból származott. A kereskedelemben általában nagy mennyiségű hidrogént állítanak elő földgáz gőzreformálásával. Magas hőmérsékleten (1000-1400 K, 700-1100 °C vagy 1300-2000 °F) a gőz (vízgőz) metánnal reagál, szén-monoxidot és H2-t képezve.

CH4 + H2O → CO + 3 H2

Ez a reakció akkor működik a legjobban, ha alacsony nyomások, de ennek ellenére nagy nyomáson is elvégezhető (2,0 MPa, 20 atm vagy 600 higanyhüvelyk). Ennek az az oka, hogy a nagynyomású H2 a legnépszerűbb termék, és a túlnyomásos melegítőrendszerek jobban működnek magasabb nyomáson. A termékek keverékét "szintgáznak" nevezik, mivel gyakran közvetlenül metanol és rokon vegyületek előállítására használják. A metántól eltérő szénhidrogének különböző termékarányú szintézisgázok előállítására használhatók. Ennek a nagymértékben optimalizált technológiának az egyik komplikációja a koksz vagy szén képződése:

CH4 → C + 2 H2

Ezért a gőzreformálás általában többlet H2O-t használ fel. További hidrogén nyerhető ki a gőzből szén-monoxiddal vízgáz kiszorítási reakcióval, különösen vas-oxid katalizátor alkalmazásával. Ez a reakció a szén-dioxid gyakori ipari forrása is:

CO + H2O → CO2 + H2

Más fontos módszerek H2 esetében a szénhidrogének részleges oxidációja:

2 CH4 + O2 → 2 CO + 4 H2

És egy szénreakció, amely a fent leírt nyírási reakció előzményeként szolgálhat:

C + H2O → CO + H2

Néha a hidrogént ugyanabban az ipari folyamatban állítják elő és fogyasztják elválasztás nélkül. Az ammónia előállítására szolgáló Haber-eljárásban a hidrogént földgázból állítják elő. A sóoldat elektrolízise klór előállítására melléktermékként hidrogént is termel.

Fémsav

A laboratóriumban a H2-t általában úgy állítják elő, hogy híg, nem oxidáló savakat reagáltatnak bizonyos reaktív fémekkel, például cinkkel egy Kipp-készülékkel.

Zn + 2 H + → Zn2 + + H2

Az alumínium bázissal kezelve H2-t is termelhet:

2 Al + 6 H2O + 2 OH- → 2 Al (OH) -4 + 3 H2

A víz elektrolízise a hidrogén előállításának egyszerű módja. A vízen kisfeszültségű áram folyik át, és az anódon oxigéngáz, míg a katódon hidrogéngáz keletkezik. A katód általában platinából vagy más inert fémből készül, amikor hidrogént állítanak elő tárolás céljából. Ha azonban a gázt helyben kell elégetni, az oxigén jelenléte kívánatos az égés elősegítésére, ezért mindkét elektróda inert fémekből készül. (Például a vas oxidálódik, és ezért csökkenti a termelődő oxigén mennyiségét). Az elméleti maximális hatásfok (a termelt hidrogén energiaértékéhez viszonyított felhasznált villamos energia) 80-94% tartományban van.

2 H2O (L) → 2 H2 (g) + O2 (g)

Az alumínium és gallium ötvözete granulátum formájában vízhez adva hidrogén előállítására használható. Ez az eljárás alumínium-oxidot is termel, de a drága gallium, amely megakadályozza, hogy oxidréteg képződjön a pelleteken, újra felhasználható. Ennek jelentős potenciális következményei vannak a hidrogéngazdaságra nézve, mivel a hidrogén helyben előállítható, és nem kell szállítani.

Termokémiai tulajdonságok

Több mint 200 termokémiai ciklus használható a víz elválasztására, ezek közül körülbelül egy tucat ciklus, például a vas-oxid ciklus, a cérium(IV)-oxid ciklus, a cink-cink-oxid ciklus, a kén-jód ciklus, a rézciklus, valamint a klór és a hibrid ciklus A kénciklus kutatás és tesztelés alatt áll, hogy hidrogént és oxigént állítsanak elő vízből és hőből elektromos áram nélkül. Számos laboratórium (köztük Franciaországban, Németországban, Görögországban, Japánban és az USA-ban) fejleszt termokémiai módszereket hidrogén előállítására napenergiaés vizet.

Anaerob korrózió

Anaerob körülmények között a vas- és acélötvözeteket a víz protonjai lassan oxidálják, miközben molekuláris hidrogénné (H2) redukálódnak. A vas anaerob korróziója először vas-hidroxid (zöldrozsda) képződéséhez vezet, és így írható le. következő reakció: Fe + 2 H2O → Fe (OH) 2 + H2. A vas-hidroxidot (Fe (OH) 2) viszont anaerob körülmények között a víz protonjai oxidálhatják magnetitté és molekuláris hidrogénné. Ezt a folyamatot a Shikorra reakció írja le: 3 Fe (OH) 2 → Fe3O4 + 2 H2O + H2 vas-hidroxid → magnézium + víz + hidrogén. A jól kristályosodott magnetit (Fe3O4) termodinamikailag stabilabb, mint a vas-hidroxid (Fe (OH) 2). Ez a folyamat a vas és acél anaerob korróziója során következik be anoxikus talajvízben, valamint a talajvízszint alatti talaj helyreállítása során.

Földtani eredet: szerpentinizációs reakció

Oxigén hiányában (O2) mélyen geológiai viszonyok, a Föld légkörétől távol uralkodó hidrogén (H2) a fayalit kristályrácsában (Fe2SiO4, olivin-vas végpont) jelenlévő vas-szilikát (Fe2 +) víz protonjai (H+) általi szerpentinizációs folyamat során keletkezik. . A megfelelő reakció, amely magnetit (Fe3O4), kvarc (SiO2) és hidrogén (H2) képződéséhez vezet: 3Fe2SiO4 + 2 H2O → 2 Fe3O4 + 3 SiO2 + 3 H2 fayalit + víz → magnetit + kvarc + hidrogén. Ez a reakció nagyon hasonlít a vas-hidroxid vízzel érintkezve végzett anaerob oxidációja során megfigyelt Shikorra-reakcióhoz.

Képződés transzformátorokban

Az összes közül veszélyes gázok teljesítménytranszformátorokban keletkezik, a hidrogén a leggyakoribb és a legtöbb hiba esetén keletkezik; így a hidrogéntermelés korai jele komoly problémákat V életciklus transzformátor.

Alkalmazások

Fogyasztás különböző folyamatokban

A kőolaj- és vegyiparban nagy mennyiségű H2-re van szükség. A H2 legnagyobb felhasználása a fosszilis tüzelőanyagok feldolgozása („korszerűsítése”) és az ammónia előállítása. A petrolkémiai üzemekben a H2-t hidrodealkilezésben, hidrogénező kénmentesítésben és hidrokrakkolásban használják. A H2-nek számos más fontos felhasználási területe is van. A H2-t hidrogénezőszerként használják, különösen a telítetlen zsírok és olajok telítettségi szintjének növelésére (például a margarinban), valamint a metanol előállításában. A sósav előállítása során hidrogénforrás is. A hidrogént fémércek redukálószereként is használják. A hidrogén nagyon jól oldódik számos ritkaföldfémben és átmenetifémben, és oldódik nanokristályos és amorf fémekben is. A hidrogén oldhatósága fémekben a kristályrács helyi torzulásaitól vagy szennyeződéseitől függ. Ez akkor lehet hasznos, ha a hidrogént forró palládiumkorongokon keresztül tisztítják, de a gáz nagy oldhatósága kohászati ​​probléma, amely számos fém rideggé válásához járul hozzá, ami megnehezíti a csővezetékek és a tárolótartályok tervezését. A H2 reagensként való felhasználása mellett széles körű alkalmazás a fizikában és a technikában. Védőgázként használják hegesztési technikákban, például atomhidrogénes hegesztésben. A H2-t forgórész hűtőközegként használják erőművek elektromos generátoraiban, mivel az összes gáz közül a legmagasabb hővezető képességgel rendelkezik. A folyékony H2-t kriogénkutatásban használják, beleértve a szupravezetési kutatásokat is. Mivel a H2 könnyebb a levegőnél, és a levegő sűrűségének valamivel több, mint 1/14-e, egykor széles körben használták léggömbökben és léghajókban emelőgázként. Az újabb alkalmazásokban a hidrogént önmagában vagy nitrogénnel keverve (néha formálógáznak nevezik) nyomjelző gázként használják az azonnali szivárgásérzékeléshez. A hidrogént az autóiparban, a vegyiparban, az energiaiparban, a repülőgépiparban és a távközlésben használják. A hidrogén megengedett élelmiszer-adalékanyag(E 949), amely lehetővé teszi a szivárgásvizsgálatot élelmiszeripari termékek, többek között antioxidáns tulajdonságokkal. A hidrogén ritka izotópjainak speciális felhasználása is van. A deutériumot (hidrogén-2) alkalmazzák maghasadás lassú neutronok moderátoraként és magfúziós reakciókban. A deutériumvegyületeket a kémia és a biológia területén használják a reakciók izotóphatásainak tanulmányozására. A nukleáris reaktorokban előállított tríciumot (hidrogén-3) hidrogénbombák gyártásához, a biológiai tudományokban izotópnyomjelzőként, világító festékekben pedig sugárforrásként használják. Az egyensúlyi hidrogén hárompontos hőmérséklete a meghatározó fix pont az ITS-90 hőmérsékleti skálán, 13,8033 kelvin.

Hűtőközeg

A hidrogént általában az erőművekben használják hűtőfolyadékként a generátorokban, mivel számos kedvező tulajdonsága a könnyű kétatomos molekuláinak közvetlen következménye. Ezek közé tartozik az alacsony sűrűség, alacsony viszkozitás, valamint bármely gáz közül a legnagyobb fajlagos hőkapacitás és hővezető képesség.

Energiahordozó

A hidrogén nem energiaforrás, kivéve a deutériumot vagy tríciumot használó kereskedelmi fúziós erőművek hipotetikus kontextusát, amely technológia jelenleg még messze van a kidolgozástól. A nap energiája a hidrogén magfúziójából származik, de ezt a folyamatot nehéz megvalósítani a Földön. A szoláris, biológiai vagy elektromos forrásokból származó elemi hidrogén előállítása több energiát igényel, mint amennyit elégetésekor elfogyasztunk, így ezekben az esetekben a hidrogén az akkumulátorhoz hasonlóan energiahordozóként működik. A hidrogén nyerhető fosszilis forrásokból (például metánból), de ezek a források kimeríthetetlenek. Mind a folyékony hidrogén, mind a sűrített hidrogéngáz térfogategységenkénti energiasűrűsége bármely gyakorlatilag elérhető nyomáson lényegesen kisebb, mint a hagyományos energiaforrásoké, bár a tüzelőanyag egységnyi tömegére jutó energiasűrűség nagyobb. Az elemi hidrogént azonban széles körben vitatták az energetikai kontextusban, mint egy lehetséges jövőbeli, az egész gazdaságra kiterjedő energiahordozót. Például a szén-dioxid-lekötés, majd a szén-dioxid leválasztása és tárolása elvégezhető a fosszilis tüzelőanyagokból történő H2-termelés helyén. A közlekedésben használt hidrogén viszonylag tisztán ég, némi NOx-kibocsátással, de szén-dioxid-kibocsátással nem. A hidrogéngazdaságra való teljes átálláshoz kapcsolódó infrastrukturális költségek azonban jelentősek lesznek. Az üzemanyagcellák hatékonyabban képesek a hidrogént és oxigént közvetlenül elektromos árammá alakítani, mint a belső égésű motorok.

Félvezető ipar

A hidrogént az amorf szilícium és az amorf szén lelógó kötéseinek telítésére használják, ami segít stabilizálni az anyag tulajdonságait. Potenciális elektrondonor különféle oxidanyagokban, köztük ZnO, SnO2, CdO, MgO, ZrO2, HfO2, La2O3, Y2O3, TiO2, SrTiO3, LaAlO3, SiO2, Al2O3, ZrSiO4, HfSiO4 és SrZrO3.

Biológiai reakciók

A H2 bizonyos anaerob anyagcsere terméke, és számos mikroorganizmus termeli, általában vas- vagy nikkeltartalmú enzimek, úgynevezett hidrogenázok által katalizált reakciók révén. Ezek az enzimek reverzibilis redox-reakciót katalizálnak a H2 és összetevői – két proton és két elektron – között. A hidrogéngáz keletkezése úgy történik, hogy a piruvát fermentációja során keletkező redukáló egyenértékeket vízbe juttatják. Az élőlények hidrogéntermelésének és felhasználásának természetes ciklusát hidrogénciklusnak nevezzük. A vízfelhasadás, az a folyamat, amelynek során a víz protonokra, elektronokra és oxigénre bomlik, fényreakciók során minden fotoszintetikus szervezetben megtörténik. Néhány ilyen organizmus, köztük a Chlamydomonas Reinhardtii alga és a cianobaktériumok, a sötét reakciók második szakaszát fejlesztették ki, amelyben a protonok és elektronok H2-gázzá redukálódnak a kloroplasztiszban található speciális hidrogenázok hatására. Kísérleteket tettek a cianobaktérium-hidrázok genetikai módosítására, hogy még oxigén jelenlétében is hatékonyan szintetizálják a H2-gázt. Erőfeszítések történtek genetikailag módosított algák bioreaktorban történő felhasználásával is.