A hidrogén elemek kémiája. Hidrogén
Nézzük meg, mi az a hidrogén. Ennek a nemfémnek a kémiai tulajdonságait és előállítását az iskolai szervetlen kémia tanfolyamon tanulják. Ez az elem vezeti Mengyelejev periódusos rendszerét, ezért részletes leírást érdemel.
Rövid információ egy elem megnyitásáról
Mielőtt megvizsgálnánk a hidrogén fizikai és kémiai tulajdonságait, nézzük meg, hogyan találták meg ezt a fontos elemet.
A tizenhatodik és tizenhetedik században dolgozó kémikusok írásaikban többször is megemlítették azt a gyúlékony gázt, amely akkor szabadul fel, amikor a savak aktív fémekkel érintkeznek. A tizennyolcadik század második felében G. Cavendishnek sikerült összegyűjtenie és elemeznie ezt a gázt, így „éghető gáznak” nevezte el.
A hidrogén fizikai és kémiai tulajdonságait akkoriban nem vizsgálták. A. Lavoisier csak a tizennyolcadik század végén tudta elemzéssel megállapítani, hogy ez a gáz víz elemzésével nyerhető. Kicsit később az új elemet hidrogénnek kezdte nevezni, ami lefordítva azt jelenti: „víz szülése”. A hidrogén modern orosz nevét M. F. Szolovjovnak köszönheti.
A természetben lenni
A hidrogén kémiai tulajdonságait csak a természetben való előfordulása alapján lehet elemezni. Ez az elem jelen van a hidro- és litoszférában, valamint része az ásványoknak is: természetes és kapcsolódó gáz, tőzeg, olaj, szén, olajpala. Nehéz elképzelni egy felnőttet, aki ne tudná, hogy a hidrogén a víz összetevője.
Ezenkívül ez a nemfém megtalálható az állati testekben nukleinsavak, fehérjék, szénhidrátok és zsírok formájában. Bolygónkon ez az elem szabad formában meglehetősen ritkán található meg, talán csak természetes és vulkáni gázban.
Plazma formájában a hidrogén a csillagok és a Nap tömegének körülbelül a felét teszi ki, emellett a csillagközi gáz része. Például szabad formában, valamint metán és ammónia formájában ez a nemfém jelen van az üstökösökben, sőt néhány bolygón is.
Fizikai tulajdonságok
Mielőtt megvizsgálnánk a hidrogén kémiai tulajdonságait, meg kell jegyeznünk, hogy normál körülmények között a levegőnél könnyebb gáz halmazállapotú anyag, számos izotópos formával rendelkezik. Vízben szinte oldhatatlan és magas hővezető képességgel rendelkezik. A Protium, amelynek tömegszáma 1, a legkönnyebb formájának tekinthető. A radioaktív tulajdonságokkal rendelkező trícium a természetben a légköri nitrogénből képződik, amikor a neuronok UV-sugárzásnak teszik ki.
A molekula szerkezetének jellemzői
A hidrogén kémiai tulajdonságainak és a rá jellemző reakcióknak a vizsgálatához térjünk ki szerkezetének jellemzőire. Ez a kétatomos molekula kovalens, nem poláris kémiai kötést tartalmaz. Az atomos hidrogén képződése az aktív fémek savas oldatokkal való kölcsönhatása révén lehetséges. De ebben a formában ez a nemfém csak rövid ideig létezhet, szinte azonnal újraegyesül molekuláris formává.
Kémiai tulajdonságok
Tekintsük a hidrogén kémiai tulajdonságait. A legtöbb vegyületben, amelyet ez a kémiai elem képez, +1 oxidációs állapotot mutat, ami hasonló az aktív (alkáli) fémekhez. A hidrogén fő kémiai tulajdonságai, amelyek fémként jellemzik:
- oxigénnel való kölcsönhatás víz képződése érdekében;
- reakció halogénekkel, amelyet hidrogén-halogenid képződés kísér;
- kénnel kombinálva hidrogén-szulfidot állítanak elő.
Az alábbiakban a hidrogén kémiai tulajdonságait jellemző reakciók egyenlete látható. Kérjük, vegye figyelembe, hogy nem fémként (-1 oxidációs állapotú) csak aktív fémekkel reagál, és ezekkel megfelelő hidrideket képez.
A hidrogén normál hőmérsékleten inaktívan reagál más anyagokkal, így a legtöbb reakció csak előmelegítés után megy végbe.
Lazítsunk részletesebben a Mengyelejev-féle periodikus kémiai elemrendszert vezető elem néhány kémiai kölcsönhatásán.
A vízképződés reakciója 285,937 kJ energia felszabadulásával jár. Magas hőmérsékleten (több mint 550 Celsius fok) ezt a folyamatot erős robbanás kíséri.
A hidrogéngáz azon kémiai tulajdonságai közül, amelyek jelentős ipari alkalmazást találtak, a fém-oxidokkal való kölcsönhatása érdekes. A modern iparban katalitikus hidrogénezéssel dolgozzák fel a fém-oxidokat, például tiszta fémet izolálnak a vaskőből (vegyes vas-oxid). Ez a módszer lehetővé teszi a fémhulladék hatékony újrahasznosítását.
Az ammóniaszintézis, amely a hidrogén és a levegő nitrogénjének kölcsönhatását foglalja magában, a modern vegyiparban is keresett. Ennek a kémiai kölcsönhatásnak a feltételei között megjegyezzük a nyomást és a hőmérsékletet.
Következtetés
Ez a hidrogén, amely normál körülmények között alacsony aktivitású kémiai anyag. A hőmérséklet emelkedésével aktivitása jelentősen megnő. Ez az anyag igényes a szerves szintézisben. Például a hidrogénezés a ketonokat szekunder alkoholokká redukálhatja, az aldehideket pedig primer alkoholokká alakíthatja. Ezenkívül hidrogénezéssel az etilén és acetilén osztályba tartozó telítetlen szénhidrogéneket metánsorozat telített vegyületeivé lehet alakítani. A hidrogén joggal tekinthető egyszerű anyagnak, amely keresett a modern vegyiparban.
Mengyelejev kémiai elemek periódusos rendszerében az első helyet foglalja el, és a H szimbólum jelöli.
Olvassa el a cikket és menjen a webhelyre www.h2miraclewater-russia.ru további információkért a hidrogénes készülékekről és a hidrogénes vízről.
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 legnagyobb mennyiségben előforduló vegyi anyag az Univerzumban, a teljes bariontömeg körülbelül 75%-át teszi ki. A csillagok főleg 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 képez kovalens kötést a legtöbb nemfémes elemmel, 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 és fémek 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. Az ipari hidrogéntermelés elsősorban a földgáz gőzzel történő átalakítását, és ritkábban energiaigényesebb eljárásokat, például vízelektrolízist foglal magában. 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 robbanásveszélyes keveréket képez. A robbanásveszélyes reakciókat szikra, hő vagy napfény okozhatja. 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 Space Shuttle főhajtóművének halvány csóvája is bizonyítja a Space Shuttle Solid Rocket Booster jól látható csóvájához képest, amely ammónium-perklorát kompozit. 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. A hidrogén energiaszintjeit meglehetősen pontosan ki lehet számítani az atom Bohr-modelljével, amely az elektront a Föld Nap körüli pályájával analóg "pálya" protonként képzeli el. 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 produkálják. A kvantummegmunkálás során az alapállapotú hidrogénatom elektronjának 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. Az ortohidrogén formában a két proton spinjei párhuzamosak, és egy hármas állapotot alkotnak, amelynek molekuláris spinkvantumszáma 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/pár megkülönböztetés más hidrogéntartalmú molekulákban vagy funkciós csoportokban is előfordul, mint például a víz és a metilén, de ennek csekély jelentősége van 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. Az orto-para konverziós katalizátorokat, például vas-oxidot, aktív szenet, platinizált azbesztet, ritkaföldfémeket, uránvegyületeket, króm-oxidot vagy egyes nikkelvegyületeket hidrogénhűtéssel használnak.
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 részleges pozitív töltést vesz fel. Ha fluorhoz, oxigénhez vagy nitrogénhez kötődik, a hidrogén közepes erősségű, nem kovalens kötést tud kialakítani más hasonló molekulák hidrogénjével, ezt a jelenséget hidrogénkötésnek nevezik, ami 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 vizsgálata a szerves kémia tárgya, az élő szervezetekkel összefüggésben végzett vizsgálatukat biokémia néven ismerik. Egyes definíciók szerint a „szerves” vegyületeknek csak szenet kell tartalmazniuk. A legtöbb azonban hidrogént is tartalmaz, és mivel a szén-hidrogén kötés adja ennek a vegyületcsoportnak a legtöbb specifikus kémiai jellemzőit, 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. A 2. csoportba tartozó hidridek alól kivételt képez a BeH2, amely polimer. A lítium-alumínium-hidridben az AlH-4 anion az Al(III)-hoz szilárdan kapcsolódó hidridközpontokat hordoz. 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. A szervetlen kémiában a hidridek áthidaló 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. Földi 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. A 2H, a hidrogén másik stabil izotópja deutérium néven ismert, és magjában egy protont és egy neutront tartalmaz. Úgy tartják, hogy az Univerzumban található összes deutérium az Ősrobbanás során keletkezett, és attól az időtől 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 kísérletekben és oldószerekben az 1H-NMR spektroszkópiához. A nehézvizet neutronmoderátorként és hűtőfolyadékként használják az atomreaktorokban. A deutérium a kereskedelmi nukleáris fúzió lehetséges üzemanyaga is. 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 ellátott 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 olyan elem, amelynek manapság széles körben használt izotópjai eltérő elnevezéssel rendelkeznek. A radioaktivitás korai tanulmányozása során a különféle nehéz radioaktív izotópok saját elnevezést kaptak, de a deutérium és a trícium kivételével már nem használnak ilyen elnevezéseket. 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. Elmélete szerint 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. A következő évben szilárd hidrogént termelt. A deutériumot 1931 decemberében fedezte fel Harold Urey, a tríciumot 1934-ben Ernest Rutherford, Mark Oliphant és Paul Harteck állította elő. A közönséges hidrogén helyett deutériumból álló nehézvizet Urey csoportja fedezte fel 1932-ben. François Isaac de Rivaz 1806-ban építette meg 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 a rádió élőben közvetítette, és filmfelvétel is készült. 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. Az ISS, a Mars Odyssey és a Mars Global Surveyor nikkel-hidrogén akkumulátorokkal van felszerelve. Pályájának sötét részén a Hubble Űrteleszkópot is nikkel-hidrogén akkumulátorok hajtják, amelyeket végül 2009 májusában cseréltek le, több mint 19 évvel a kilövés 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 vizsgálata a kémiai kötés természetének megértéséhez vezetett, amit gyorsan követett a hidrogénatom fizikai kezelése a kvantummechanikában a közepén. 2020. Az egyik első kvantumhatás, amelyet akkoriban egyértelműen megfigyeltek (de nem értettek meg), Maxwell hidrogénnel végzett megfigyelése volt fél évszázaddal a teljes kvantummechanikai elmélet megjelenése előtt. Maxwell megjegyezte, hogy a H2 fajhője visszafordíthatatlanul távozik a kétatomos gázból szobahőmérséklet alatt, és egyre jobban kezd hasonlítani az egyatomos gáz fajhőjére kriogén hőmérsékleten. 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 távolságban elhelyezkedő szintek megakadályozzák, hogy a hőenergia egyenlően oszlik fel a hidrogénben alacsony hőmérsékleten lévő forgó mozgásra. A nehezebb atomokból álló kovaföldgázok szintjei nincsenek ilyen nagy távolságban, és nem mutatnak azonos 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 a sötét energia.) Ez az elem nagy mennyiségben megtalálható a csillagokban. és gázóriások. 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 a napszélben kölcsönhatásba lépnek a Föld magnetoszférájával, Birkeland-áramlatokat és az aurórát létrehozva. 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 atmoszférájában (1 ppm térfogat), könnyű súlya miatt, ami lehetővé teszi, hogy könnyebben legyőzze a Föld gravitációját, mint a nehezebb gázok. A hidrogén azonban a harmadik legnagyobb mennyiségben előforduló elem a Föld felszínén, elsősorban kémiai vegyületek, például szénhidrogének és víz formájában létezik. 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 H3 hidrogén csak gerjesztett formában létezhet és instabil. Ezzel szemben a pozitív molekuláris hidrogénion (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 gazdaságilag a legfontosabb folyamatok 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 jobban működik alacsony nyomáson, de ennek ellenére nagy nyomáson is végrehajtható (2,0 MPa, 20 atm vagy 600 hüvelyk higany). 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 rendkívül 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
A H2 további fontos módszerei közé tartozik 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 víz hasítására, 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 kénciklust kutatják és tesztelik annak érdekében, hogy hidrogént és oxigént állítsanak elő vízből és hőből elektromos áram használata nélkül. Számos laboratórium (köztük Franciaországban, Németországban, Görögországban, Japánban és az USA-ban) fejleszt termokémiai módszereket hidrogén napenergiából és vízből történő előállítására.
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 a következő reakcióval írható le: 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 (O2) hiányában a Föld légkörétől távol uralkodó mélygeológiai körülmények között hidrogén (H2) keletkezik a szerpentinizálódási folyamat során, a vas-szilikát (Fe2 +) víz protonjai (H+) által anaerob oxidáció útján. fayalit kristályrácsa (Fe2SiO4, ásványi olivin -mirigy). 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 Shikorra reakcióhoz, amelyet a vas-hidroxid vízzel érintkezve anaerob oxidációja során figyeltek meg.
Képződés transzformátorokban
Az erősáramú transzformátorokban keletkező veszélyes gázok közül a hidrogén a legelterjedtebb, és a hibák többségében keletkezik; Így a hidrogénképződés a transzformátor életciklusában jelentkező komoly problémák korai jele.
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 felhasználása 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. Reagensként való felhasználása mellett a H2 széleskörű felhasználási területe van a fizika és a technológia területén. Védőgázként használják hegesztési technikákban, például atomhidrogén-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 egy jóváhagyott élelmiszer-adalékanyag (E 949), amely egyéb antioxidáns tulajdonságok mellett lehetővé teszi az élelmiszerek szivárgásvizsgálatát. A hidrogén ritka izotópjainak speciális felhasználása is van. A deutériumot (hidrogén-2) a maghasadási alkalmazásokban lassú neutronmoderátorként és magfúziós reakciókban használják. 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 korántsem kiforrott. 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 előállítható fosszilis forrásokból (például metánból), de ezek a források kimeríthetők. Mind a folyékony hidrogén, mind a sűrített hidrogéngáz térfogategységenkénti energiasűrűsége bármilyen megvalósítható nyomáson lényegesen kisebb, mint a hagyományos energiaforrásoké, bár az egységnyi tüzelőanyag tömegére eső 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.
HIDROGÉN (latin Hydrogenium), H, a periódusos rendszer rövid formájának VII. csoportjának (a hosszú alak 1. csoportjának) kémiai eleme; rendszám 1, atomtömeg 1,00794; nem fém. A természetben két stabil izotóp található: a protium 1H (99,985 tömeg%) és a deutérium D, vagyis a 2H (0,015%). A mesterségesen előállított radioaktív trícium 3 H, vagy T (ß-bomlás, T 1/2 12,26 év) a természetben elenyésző mennyiségben képződik a légkör felső rétegeiben a kozmikus sugárzás főként N és O kölcsönhatása következtében. Mesterségesen nyert rendkívül instabil radioaktív izotópok 4 H, 5 H, 6 H.
Történelmi információk. A hidrogént először 1766-ban G. Cavendish tanulmányozta, és ő „gyúlékony levegőnek” nevezte. 1787-ben A. Lavoisier kimutatta, hogy ez a gáz égéskor vizet képez, felvette a kémiai elemek listájára, és javasolta a hidrogén elnevezést (a görög?δωρ - víz és γενν?ω - szülésre).
Elterjedtség a természetben. A légköri levegő hidrogéntartalma 3,5-10 tömeg%, a földkéregben 1%. A hidrogén fő tározója a Földön a víz (11,19 tömeg% hidrogén). A hidrogén egy biogén elem, és olyan vegyületek része, amelyek szenet, olajat, természetes éghető gázokat, sok ásványt stb. alkotnak. A Föld-közeli űrben a hidrogén protonok áramlása formájában alkotja a Föld belső sugárzási övét. A hidrogén a legelterjedtebb elem az űrben; plazma formájában a Nap és a csillagok tömegének mintegy 70%-át teszi ki, a csillagközi közeg és a gázködök nagy része, számos bolygó légkörében jelen van H 2, CH 4 formájában, NH 3, H 2 O stb.
Tulajdonságok. A hidrogénatom elektronhéjának konfigurációja 1s 1; vegyületekben +1 és -1 oxidációs állapotot mutat. Pauling elektronegativitás 2,1; sugarak (pm): atom 46, kovalens 30, van der Waals 120; ionizációs energia Н°→ Н + 1312,0 kJ/mol. A hidrogén szabad állapotban kétatomos H 2 molekulát alkot, a magok közötti távolság 76 pm, a disszociációs energia 432,1 kJ/mol (0 K). A magspinek relatív orientációjától függően vannak ortohidrogének (párhuzamos spinek) és parahidrogének (antiparallel spinek), amelyek mágneses, optikai és termikus tulajdonságaikban különböznek, és általában 3:1 arányban vannak jelen; a parahidrogén ortohidrogénné való átalakulásához 1418 J/mol energiára van szükség.
A hidrogén színtelen, íztelen és szagtalan gáz; t PL -259,19 °C, t KIP -252,77 °C. A hidrogén az összes gáz közül a legkönnyebb és leginkább hővezető: 273 K-en a sűrűsége 0,0899 kg/m 3, a hővezető képessége 0,1815 W/(m K). Vízben oldhatatlan; jól oldódik számos fémben (legjobban Pd-ben - akár 850 térfogatszázalékig); diffundál számos anyagon (pl. acélon). Levegőben ég és robbanásveszélyes keverékeket képez. A szilárd hidrogén hatszögletű rácsban kristályosodik; 10 4 MPa feletti nyomáson fázisátalakulás lehetséges az atomokból felépülő és fémes tulajdonságokkal rendelkező szerkezet - az ún. fémes hidrogén - kialakulásával.
A hidrogén sok elemmel vegyületet képez. Oxigénnel vizet képez (550 °C feletti hőmérsékleten a reakciót robbanás kíséri), nitrogénnel - ammóniával, halogénekkel - hidrogén-halogenidekkel, fémekkel, intermetallikus vegyületekkel, valamint sok nemfémmel (pl. kalkogén) - hidridek, szénnel - szénhidrogének. A CO-val való reakcióknak gyakorlati jelentősége van (lásd Szintézisgáz). A hidrogén sok fém oxidjait és halogenidjeit fémekké redukálja, a telítetlen szénhidrogéneket pedig telítettké (lásd Hidrogénezés). A hidrogénatom magja - a H + proton - határozza meg a vegyületek savas tulajdonságait. Vizes oldatokban a H + egy vízmolekulával H 3 O + hidroniumiont képez. A különféle vegyületek molekuláiban a hidrogén hajlamos hidrogénkötéseket kialakítani sok elektronegatív elemmel.
Alkalmazás. A hidrogéngázt ammónia, sósav, metanol és magasabb szénatomszámú alkoholok, szintetikus folyékony üzemanyagok stb. ipari szintézisében használják zsírok és más szerves vegyületek hidrogénezésére; olajfinomításban - olajfrakciók hidrogénezésére és hidrokrakkolására; a kohászatban - fémek (például W, Mo, Re oxidjaiból és fluoridjaiból) nyerése, védő környezet létrehozása fémek és ötvözetek feldolgozásakor; kvarcüveg termékek hidrogén-oxigén lángot használó gyártásánál, tűzálló acélok és ötvözetek atomhidrogén-hegesztésére stb., ballonok emelőgázaként. A folyékony hidrogén üzemanyag a rakéta- és űrtechnológiában; hűtőközegként is használják.
A főbb termelési módokról, valamint a hidrogén energiahordozóként való tárolásáról, szállításáról és felhasználásáról a Hidrogénenergia című témakörben olvashat.
Megvilágított. nézd meg az Art. Hidrogén energia.
MINSKI TECHNOLÓGIAI ÉS KÖNNYŰIPARI TERVEZÉSI FŐISKOLA
Absztrakt
tudományág: kémia
Téma: „A hidrogén és vegyületei”
Készítette: 1. éves hallgató 343 csoport
Viskup Elena
Ellenőrizve: Alyabyeva N.V.
Minszk 2009
A hidrogénatom szerkezete a periódusos rendszerben
Oxidációs állapotok
Elterjedtség a természetben
A hidrogén mint egyszerű anyag
Hidrogénvegyületek
Hivatkozások
A hidrogénatom szerkezete a periódusos rendszerben
A periódusos rendszer első eleme (1. periódus, 1. sorszám). Nincs teljes analógiája más kémiai elemekkel, és nem tartozik egyik csoportba sem, ezért a táblázatokban feltételesen az IA és/vagy a VIIA csoportba kerül.
A hidrogénatom az összes elem atomja közül a legkisebb és legkönnyebb. Az atom elektronképlete 1s 1. Egy elem szabad állapotú létezésének szokásos formája a kétatomos molekula.
Oxidációs állapotok
A több elektronegatív elemet tartalmazó vegyületek hidrogénatomja oxidációs állapota +1, például HF, H 2 O stb. A fém-hidrideket tartalmazó vegyületekben pedig a hidrogénatom oxidációs állapota -1, például NaH, CaH 2 stb. Elektronegativitási értéke köztes a tipikus fémek és a nemfémek között. Képes katalitikusan redukálni sok szerves vegyületet szerves oldószerekben, például ecetsavban vagy alkoholban: telítetlen vegyületeket telítettekké, egyes nátriumvegyületeket ammóniává vagy aminokká.
Elterjedtség a természetben
A természetes hidrogén két stabil izotópból áll - protium 1 H, deutérium 2 H és trícium 3 H. A deutériumot egyébként D-nek, a tríciumot pedig T-nek jelölik. Különféle kombinációk lehetségesek, például NT, HD, TD, H 2, D 2 , T2. A hidrogén a természetben gyakrabban fordul elő különféle vegyületek formájában, kénnel (H 2 S), oxigénnel (víz formájában), szénnel, nitrogénnel és klórral. Ritkábban foszfort, jódot, brómot és egyéb elemeket tartalmazó vegyületek formájában. Része minden növényi és állati szervezetnek, olajnak, fosszilis szénnek, földgáznak, számos ásványnak és kőzetnek. Szabad állapotban nagyon ritkán található meg kis mennyiségben - vulkáni gázokban és szerves maradványok bomlástermékeiben. A hidrogén a legnagyobb mennyiségben előforduló elem az Univerzumban (körülbelül 75%). Alkotórésze a Napnak és a legtöbb csillagnak, valamint a Jupiter és a Szaturnusz bolygóknak, amelyek főként hidrogénből állnak. Egyes bolygókon a hidrogén szilárd formában is létezhet.
A hidrogén mint egyszerű anyag
A hidrogénmolekula két atomból áll, amelyeket kovalens nempoláris kötés köt össze. Fizikai tulajdonságok- szín és szag nélküli gáz. Más gázoknál gyorsabban terjed az űrben, kis pórusokon halad át, magas hőmérsékleten viszonylag könnyen behatol az acélba és más anyagokba. Magas hővezető képességgel rendelkezik.
Kémiai tulajdonságok. Normál állapotában alacsony hőmérsékleten inaktív, melegítés nélkül (fény jelenlétében) reagál fluorral és klórral.
H 2 + F 2 2HF H 2 +Cl 2 hv 2HClAktívabban lép kölcsönhatásba a nem fémekkel, mint a fémekkel.
Különféle anyagokkal való kölcsönhatás során oxidáló és redukáló tulajdonságokat is mutathat.
Hidrogénvegyületek
Az egyik hidrogénvegyület a halogének. Akkor keletkeznek, amikor a hidrogén a VIIA csoport elemeivel egyesül. A HF, HCl, HBr és HI színtelen gázok, vízben jól oldódnak.
Cl 2 + H 2 OHClO + HCl; HClO-klóros vízMivel a HBr és a HI tipikus redukálószerek, nem állíthatók elő olyan cserereakcióval, mint a HCl.
CaF 2 + H 2 SO 4 = CaSO 4 + 2HF
A víz a természetben a leggyakoribb hidrogénvegyület.
2H 2 + O 2 = 2H 2 O
Nincs se színe, se íze, se szaga. Nagyon gyenge elektrolit, de aktívan reagál számos fémmel és nemfémmel, bázikus és savas oxidokkal.
2H 2O + 2Na = 2NaOH + H2
H 2 O + BaO = Ba(OH) 2
3H 2 O + P 2 O 5 = 2H 3 PO 4
A nehézvíz (D 2 O) a víz izotópos változata. Az anyagok oldhatósága nehézvízben lényegesen kisebb, mint a közönséges vízben. A nehézvíz mérgező, mert lelassítja az élő szervezetek biológiai folyamatait. A víz ismételt elektrolízise során felhalmozódik az elektrolízis maradékában. Atomreaktorokban hűtőfolyadékként és neutronmoderátorként használják.
A hidridek a hidrogén kölcsönhatása fémekkel (magas hőmérsékleten) vagy nemfémekkel, amelyek kevésbé elektronegatívak, mint a hidrogén.
Si + 2H 2 = SiH 4
Magát a hidrogént a 16. század első felében fedezték fel. Paracelsus. 1776-ban G. Cavendish először vizsgálta tulajdonságait 1783-1787-ben, A. Lavoisier kimutatta, hogy a hidrogén a víz része, felvette a kémiai elemek listájára, és javasolta a „hidrogén” nevet.
Hivatkozások
1. M.B. Volovics, O.F. Kabardin, R.A. Lidin, L. Yu. Alikberova, V.S. Rokhlov, V.B. Pyatunin, Yu.A. Simagin, S.V. Simonovich/Schoolchilds’s Handbook/Moszkva „AST-PRESS BOOK” 2003.
2. I.L. Knunyats / Chemical Encyclopedia / Moszkva „Szovjet Enciklopédia” 1988
3. I.E. Shimanovich / Chemistry 11 / Minsk „People's Asveta” 2008
4. F. Cotton, J. Wilkinson / Modern szervetlen kémia / Moszkva „Mir” 1969
Előző cikk: Mekkora a fénysebesség Következő cikk: Harmonikus rezgések Az oszcillációs frekvencia fizikai képlete