HIDROGÉN: ELŐZMÉNYEK, SZERKEZET, TULAJDONSÁGOK ÉS FELHASZNÁLÁSOK - KÉMIA - 2026

A hidrogén kémiai elem, amelyet a H szimbólum reprezentál. Az atom a legkisebb, és az az, amely elindítja a periódusos táblázatot, függetlenül attól, hogy hol van elhelyezve. Ez egy színtelen gáz alkotja kétatomos H ₂ molekulák, nem elszigetelt H-atomok; mint a nemesgázokkal, többek között Ő, Ne, Ar.

Az összes elem közül talán a leginkább emblematikus és kiemelkedő, nemcsak földi vagy drasztikus körülményei miatt, hanem vegyületeinek óriási bősége és változatossága miatt is. A hidrogén gáz, bár tűz nélkül inert, gyúlékony és veszélyes; miközben a vizet, H ₂ O, az univerzális és az élet oldószert.

Piros hengerek hidrogén tárolására. Forrás: Famartin

Önmagában a hidrogén nem mutat megfigyelésre méltó vizuális sajátosságokat, csupán gáz, amelyet hengerekben vagy piros palackokban tárolnak. Tulajdonságai és az összes elemhez való kötődési képessége miatt azonban a hidrogén különleges. És mindez annak ellenére, hogy csak egy vegyérték-elektrontal rendelkezik.

Ha a hidrogént nem tárolnák a megfelelő hengerekben, akkor az eljutna az űrbe, miközben nagy része reagál az emelkedésre. És bár annak nagyon alacsony koncentrációja van a levegőben, amelyet belélegzünk, a Földön kívül és az Univerzum többi részén, ez a legszélesebb elem, amelyet a csillagokban találunk, és építési egységének tekintjük.

A Földön viszont teljes tömegének körülbelül 10% -át képviseli. Annak elképzelése érdekében, hogy ez mit jelent, figyelembe kell venni, hogy a bolygó felszínét gyakorlatilag óceánok borítják, és hogy hidrogén megtalálható ásványokban, kőolajban és bármilyen szerves vegyületben, amellett, hogy az összes élő lény része.

A szénhez hasonlóan minden biomolekula (szénhidrátok, fehérjék, enzimek, DNS stb.) Hidrogénatomokkal rendelkezik. Ezért számos forrásból kinyerhető vagy előállítható; azonban kevés képviseli az igazán jövedelmező termelési módszereket.

Történelem

Azonosítás és név

Bár 1671-ben Robert Boyle szemtanúja volt egy olyan gáznak, amely akkor képződött, amikor a vasszálak savakkal reagáltak, Henry Cavendish, a brit tudós 1766-ban azonosította új anyagként; a "gyúlékony levegő".

Cavendish úgy találta, hogy amikor ez állítólag gyúlékony levegő ég, víz keletkezik. Munkája és eredményei alapján a francia kémikus, Antoine Lavoisier 1783-ban nevezte hidrogénnek ezt a gázt. Etiológiai szempontból jelentése a görög szavakból származik, amelyek a „víz” és a „gének”: vizet képeznek.

Elektrolízis és üzemanyag

Nem sokkal azután, 1800-ban, William Nicholson és Sir Anthony Carlisle amerikai tudósok felfedezték, hogy a víz bomlik hidrogénné és oxigénné; megtalálták a víz elektrolízisét. Később, 1838-ban, Christian Friedrich Schoenbein, a svájci kémikus bevezette az ötlet, hogy a hidrogénégetést kihasználják villamosenergia-előállítás céljából.

A hidrogén népszerűsége olyan volt, hogy még Jules Verne író a titokzatos sziget (1874) című könyvében a jövő üzemanyagaként említette.

Elkülönítés

1899-ben a skót vegyész, James Dewar volt az első, aki elkülönítette a hidrogént cseppfolyósított gázként, és ő maga volt az, aki eléggé képes lehűteni, hogy szilárd fázisában eljuthasson.

Két csatorna

Ettől a ponttól kezdve a hidrogén története két csatornát mutat. Egyrészt fejlesztése az üzemanyagok és az akkumulátorok területén; másrészt az atom szerkezetének megértése, és az, hogy hogyan ábrázolja azt az elemet, amely megnyitotta az ajtót a kvantumfizika számára.

Felépítés és elektronikus konfiguráció

Diatomi hidrogén molekula. Forrás: Benjah-bmm27

A hidrogénatomok nagyon kicsik és csak egy elektrontal rendelkeznek, hogy kovalens kötéseket képezzenek. Amikor két ilyen atomokon, hogy kiváltja egy kétatomos molekula, H ₂; ez molekuláris hidrogéngáz (felső kép). Minden fehér gömb egy adott H atomnak felel meg, a globális gömb pedig a molekuláris pályáknak.

Így, hidrogén valójában áll nagyon kicsi H ₂ molekulák, amelyek kölcsönhatásba keresztül London szórási erők, mivel hiányzik a dipólus momentum, mert Homonukleáris. Ezért nagyon "nyugtalanok" és gyorsan terjednek az űrben, mivel nincs elég erős intermolekuláris erő, hogy lelassítsák őket.

A hidrogén elektronkonfigurációja egyszerűen 1s ¹. Ez az 1s-es pálya a híres Schrödinger-egyenlet hidrogénatomra történő megoldásának eredménye. A H2- _ben két 1s-es orbitál átfedésben van, és két molekuláris orbitálássá alakul: az egyik kötés és a másik anti-kötés, a molekuláris orbitális elmélet (TOM) szerint.

Ezek a pályák lehetővé teszik, vagy megmagyarázni a létezését az ionok H ₂ ⁺ vagy H ₂ ^-; azonban, hidrogén-kémia határozza normál körülmények között a H ₂ vagy H ⁺ vagy H ^- ionok.

Oxidációs számok

A hidrogén elektronkonfigurációjából (1s ¹) nagyon könnyű megjósolni annak lehetséges oxidációs számát; természetesen szem előtt tartva, hogy a nagyobb energiájú 2s-os keringő nem áll rendelkezésre kémiai kötések számára. Így a bazális állapotban, a hidrogén oxidációs száma 0, H ⁰.

Ha elveszíti egyetlen elektronját, akkor az 1s-es pálya üres marad, és a hidrogénkation vagy -ion, H ⁺, nagy mozgékonysággal alakul ki szinte bármilyen folyékony közegben; főleg a víz. Ebben az esetben az oxidációs száma +1.

És amikor az ellenkezője történik, azaz ha elektronot nyer, akkor az orbitálison két elektron lesz és 1s ² lesz. Ezután az oxidációs szám -1-re változik, és megfelel a hidrid-anionnak, H ^-. Érdemes megjegyezni, hogy H ^- izoelektronikus a nemesgáz héliumához, He; vagyis mindkét fajban azonos számú elektron van.

Összefoglalva, az oxidációs számok hidrogén következők: +1, 0 és -1 és a molekula a H ₂ rendelkezik, mint amelyek két hidrogénatom H ⁰.

fázisai

A hidrogén előnyös fázisa, legalább földi körülmények között, a gáznemű, a korábban kitett okok miatt. Ha azonban a hőmérséklet -200 ° C-ra csökken, vagy ha a nyomás több százezer-szor növekszik a légköri nyomásnál, akkor a hidrogén kondenzálódhat, vagy kristályosodhat folyékony vagy szilárd fázissá.

Ilyen körülmények között, H ₂ molekula lehet igazítani a különböző módon, hogy meghatározza a szerkezeti minták. A londoni szórási erők mostantól nagy irányultságúvá válnak, és ezért megjelennek a H ₂ párok által elfogadott geometriák vagy szimmetriák.

Például, két pár H ₂, azt, hogy egyenlő az írás (H ₂) ₂ meghatároz egy szimmetrikus vagy aszimmetrikus négyzet. Eközben három H ₂, vagy (H ₂) ₃ pár határozza meg egy hatszög, nagyon hasonló a szén grafit kristályok. Valójában ez a hatszögletű fázis a szilárd hidrogén fő vagy legstabilabb fázisa.

De mi lenne, ha a szilárd anyagot nem molekulák, hanem H-atomok alkotnák? Akkor foglalkozunk a fémes hidrogénnel. Ezek a H-atomok, emlékeztetve a fehér gömböket, meghatározzák mind a folyadékfázist, mind a fém szilárd anyagot.

Tulajdonságok

Fizikai megjelenés

A hidrogén színtelen, szagtalan és íztelen gáz. Ezért a szivárgás robbanásveszélyt jelent.

Forráspont

-253 ° C

Olvadáspont

-259 ° C

Lobbanáspont és stabilitás

Gyakorlatilag bármilyen hőmérsékleten felrobban, ha szikra vagy hőforrás van a gáz közelében, még a napfény is meggyújthatja a hidrogént. Mindaddig, amíg jól tárolják, gyengén reaktív gáz.

Sűrűség

0,082 g / l Ez 14-szer könnyebb, mint a levegő.

Oldhatóság

1,62 mg / L, 21 ° C-on, vízben. Általában véve oldhatatlan a legtöbb folyadékban.

Gőznyomás

1,24 · 10 ⁶ Hgmm 25 ° C-on. Ez az érték elképzelést ad arról, hogy a hidrogén palackok mennyire legyenek zárva, hogy megakadályozzák a gáz eljutását.

Öngyulladási hőmérséklet

560v ° C

elektronegativitás

2.20 a Pauling skálán.

Az égés hője

-285,8 kJ / mol.

A párolgás hője

0,90 kJ / mol.

A fúziós hő

0,117 kJ / mol.

Izotóp

A „normális” hidrogénatom jelentése Protium, ¹ H, ami akár körülbelül 99,985% hidrogén. A másik két izotóp ezen elem jelentése deutériumatom, ² H, és a trícium, ³ H. Ezek abban különböznek a neutronok száma; a deutériumnak egy neutronja van, míg a tríciumnak két.

Spin-izomerek

Kétféle a molekuláris hidrogén, H ₂: orto- és para-. Az elsőben a H atomok (a proton) két spinje azonos irányba van orientálva (párhuzamosak); míg a másodikban a két spin ellentétes irányban van (párhuzamosak).

A hidrogén-para a stabilabb a két izomer közül; De a hőmérséklet emelkedésével az orto: para arány 3: 1 lesz, ami azt jelenti, hogy a hidrogén-orto izomer dominál a másikkal szemben. Nagyon alacsony hőmérsékleteken (távolról közel az abszolút nullához, 20 K) tiszta hidrogén-para mintákat lehet kapni.

Elnevezéstan

A hidrogénre utaló nómenklatúra az egyik legegyszerűbb; bár ez nem azonos a szervetlen vagy szerves vegyületekkel. H ₂ nevezhetjük a következő neveken kívül „hidrogén”:

-Molekuláris hidrogén

-dihidrogén

-Diatóm hidrogén molekula.

A H ⁺ -ion nevük proton vagy hidrogén-ion; és ha ez egy vizes közegben, H ₃ O ⁺, oxónium kation. Míg a H ^- ion van a hidrid anion.

A hidrogénatom

A hidrogénatom, amelyet Bohr bolygó modellje képvisel. Forrás: Pixabay.

A hidrogénatom a legegyszerűbb az összes, és általában képviseletében a fenti képen: egy magot egyetlen proton (az ¹ H), körülvéve egy elektron, hogy felhívja a pályáját. A periódusos rendszer többi elemének összes atompályáját ezen atomra építették és becsülték meg.

Az atomok jelenlegi megértésének hűségesebb ábrázolása lenne egy olyan gömb reprezentációja, amelynek perifériáját az elektron és az elektron valószínűségi felhője határozza meg (annak 1s körüli pályája).

Hol található és gyártás

A csillagmező: kimeríthetetlen hidrogénforrás. Forrás: Pixabay.

A hidrogén, bár talán kisebb mértékben a szénhez képest, az a kémiai elem, amelyről kétségkívül mindenütt jelen lehet; a levegőben, és a tenger, az óceánok és a testünk kitöltő víz részét képezi nyersolajban és ásványi anyagokban, valamint olyan szerves vegyületekben, amelyek életre kelnek.

Csak soványítsa be a vegyületek bármely könyvtárát, hogy hidrogénatomokat találjon benne.

A kérdés nem annyira, hogy mennyit, hanem hogy mennyiben jelen. Például, a molekula H ₂ olyan illékony és reaktív a előfordulása a napfény, ami nagyon alacsony a légkörben; ezért reagál más elemekhez való csatlakozásra és így stabilitást nyer.

Míg magasabb a kozmoszban, a hidrogén elsősorban semleges atomként található, Valójában a hidrogént, annak fémes és kondenzált fázisában, a csillagok építőkövének tekintik. Mivel mérhetetlen mennyiségben vannak ezek, és robusztussága és óriási méretei miatt ezt az elemet teszik a leggazdagabbá az egész univerzumban. Becslések szerint az ismert anyag 75% -a hidrogénatomoknak felel meg.

természetes

Az űrben lazán lévő hidrogénatomok gyűjtése nem praktikus, és elérhetetlen módon kivonja őket a Nap perifériáiról vagy ködéből. A Földön, ahol a körülményei kényszerítik ezt az elemet H _2- ként létezni, természetes vagy geológiai folyamatok útján előállíthatók.

Például a hidrogénnek megvan a saját természetes ciklusa, amelyben bizonyos baktériumok, mikrobák és algák fotokémiai reakciók révén képesek előállítani azt. A természetes folyamatok méretezése és ezzel párhuzamosan magában foglalja a bioreaktorok alkalmazását is, ahol a baktériumok táplálkoznak a szénhidrogénekkel, hogy felszabadítsák a benne levő hidrogént.

Az élő dolgok szintén hidrogéntermelők, de kevésbé. Ha nem ez lenne a helyzet, akkor nem lehet megmagyarázni, hogy ez miként képezi a szélgáz gáznemű összetevőit; amelyek túlzottan tűzveszélyesnek bizonyultak.

Végül érdemes megemlíteni, hogy anaerob körülmények között (oxigén nélkül), például a föld alatti rétegekben az ásványok lassan reagálhatnak vízzel hidrogén előállítására. Fayelita reakciója ezt bizonyítja:

3Fe ₂ SiO ₄ + 2 H ₂ O → 2 Fe ₃ O ₄ + 3 SiO ₂ + 3 H ₂

Ipari

Bár a biohidrogén ezen gáz ipari méretekben történő előállításának alternatívája, a leggyakrabban alkalmazott módszerek a hidrogén "eltávolítását" jelentik az azt tartalmazó vegyületekből úgy, hogy atomjai egyesüljenek és H ₂ -et képezzenek.

A gyártás legkevésbé környezetbarát módszerei a koksz (vagy faszén) reagáltatása túlhevített gőzzel:

C (s) + H ₂ O (g) → CO (g) + H ₂ (g)

Hasonlóképpen, földgázt is használtak erre a célra:

CH ₄ (g) + H ₂ O (g) → CO (g) + 3H ₂ (g)

Mivel a koksz vagy földgáz mennyisége hatalmas, nyereséges hidrogén előállítása a két reakció egyikével.

A hidrogén előállításának másik módja az, hogy elektromos kisülést alkalmaznak a vízre, hogy elemi részekre bonthassák (elektrolízis):

2 H ₂ O (l) → 2 H ₂ (g) + O ₂ (g)

A laboratóriumban

A molekuláris hidrogén kis mennyiségben elkészíthető bármely laboratóriumban. Ehhez az aktív fémet reagáltatni kell egy erős savval, akár főzőpohárban, akár egy kémcsőben. A megfigyelhető buborékképződés a hidrogénképződés egyértelmű jele, amelyet a következő általános egyenlet képvisel:

M (s) + nH ⁺ (aq) → M ^{n +} (aq) + H ₂ (g)

Ahol n a fém valenciája. Például a magnézium reagál a H ⁺ -gal H ₂ előállítására:

Mg (s) + 2H ⁺ (aq) → Mg ²⁺ (aq) + H ₂ (g)

reakciók

redox

Az oxidációs számok önmagukban első pillantást adnak arra, hogy a hidrogén hogyan vesz részt a kémiai reakciókban. A H ₂ reakció során is változatlan marad, vagy osztva H ⁺ vagy H ^- ionokat attól függően, melyik faj ez kötődik; ha ezek többé-kevésbé elektronegatívak.

H ₂ nem nagyon reakcióképes miatt az ereje kovalens kötés, HH; ez azonban nem feltétlenül akadályozza a reakciót és vegyületek képződését a periódusos rendszer szinte valamennyi elemével.

A legismertebb reakció az oxigén-gáz reakciójával a vízgőzök előállításához:

H ₂ (g) + O ₂ (g) → 2H ₂ O (g)

És ilyen az affinitása az oxigén, hogy kialakítja a stabil vízmolekula, hogy akkor is reagálhat vele, mint egy O ^2- anion bizonyos fém-oxidok:

H ₂ (g) + CuO (k) → Cu (k) + H ₂ O (l)

Az ezüst-oxid ugyanolyan reakcióval reagál vagy "redukálódik":

H ₂ (g) + AgO (k) → Ag (s) + H ₂ O (l)

Ezek a hidrogénreakciók megfelelnek a redox típusnak. Vagyis redukció-oxidáció. A hidrogén oxidálódik mind oxigén, mind a fémek kevésbé reakcióképes fém-oxidjai jelenlétében; például réz, ezüst, volfrám, higany és arany.

Abszorpció

Egyes fémek képesek abszorbeálni a hidrogén gázt fémhidridek előállításához, amelyeket ötvözetnek tekintnek. Például az átmeneti fémek, például a palládium jelentős mennyiségű H2-t abszorbeálnak , hasonlóak a fém szivacsokhoz.

Ugyanez történik a bonyolultabb fémötvözetekkel. Ilyen módon a hidrogént nem hengerein keresztül lehet tárolni.

Kiegészítés

A szerves molekulák "abszorbeálhatják" a hidrogént különböző molekuláris mechanizmusokon és / vagy kölcsönhatásokon keresztül.

A fémek, H ₂ molekulák vannak körülvéve fématomok belül kristályok; míg a szerves molekulákban a HH-kötés más kovalens kötéseket képez. Hivatalosabban: a hidrogént nem abszorbeálják, hanem hozzáadják a szerkezethez.

A klasszikus példa hozzáadásával H ₂ a kettős vagy hármas kötést alkének vagy alkinek, rendre:

C = C + H ₂ → Hágai Konferencia

C = C + H ₂ = HC = CH

Ezeket a reakciókat hidrogénezésnek is nevezik.

Hidrid képződés

A hidrogén közvetlenül reagál az elemekkel, és hidrideknek nevezett kémiai vegyületek családját képezi. Elsősorban kétféle típusúak: sós és molekuláris.

Hasonlóképpen vannak a fémhidrid, amelyek a már említett fémötvözetekből állnak, amikor ezek a fémek hidrogéngázt abszorbeálnak; és a polimer EH kötések hálózataival vagy láncaival, ahol E a kémiai elemet jelöli.

Sóoldat

Sóoldatban hidridek, hidrogén-részt vesz az ionos kötés, mint a hidrid anion, H ^-. Ahhoz, hogy ez létrejöjjön, az elemnek szükségszerűen kevésbé elektronegatívnak lennie; egyébként nem adná ki elektronjait hidrogénnek.

Ezért a sóhidrid csak akkor képződik, ha a hidrogén reakcióba lép az erősen elektropozitív fémekkel, például az alkáliföldfémekkel és az alkáliföldfémekkel.

Például a hidrogén reagál fémes nátriummal, hogy nátrium-hidridet kapjon:

2Na (s) + H ₂ (g) → 2NaH (s)

Vagy báriummal bárium-hidrid előállításához:

Ba (s) + H ₂ (g) → BaH ₂ (s)

Molekuláris

A molekuláris hidridek még jobban ismertek, mint az ionosok. HX hidrogén-halogenideknek is hívják őket, ha a hidrogén halogénnel reagál:

Cl ₂ (g) + H ₂ (g) → 2HCI (g)

Itt a hidrogén H ⁺ -ként vesz részt a kovalens kötésben; mivel a két atom közötti elektronegativitások közötti különbségek nem nagyon nagyok.

Maga a víz oxigén-hidridnek (vagy hidrogén-oxidnak) tekinthető, amelynek képződési reakcióját már tárgyaltuk. A kénnel való reakció nagyon hasonló, hogy hidrogén-szulfidot állítson elő, egy büdös gázt:

S (s) + H ₂ (g) → H ₂ S (g)

Az összes molekuláris hidrid közül a leghíresebb (és talán a legnehezebben szintetizálható) az ammónia:

N ₂ (g) + 3H ₂ (g) → 2NH ₃ (g)

Alkalmazások

Az előző szakaszban a hidrogén egyik fő felhasználásáról már szó volt: szerves vagy szerves szintézis alapanyagaként. Ennek a gáznak a vezérlése általában nem más célja, mint hogy reagáltatva más vegyületeket hozzon létre, kivéve azokat, amelyekből kivonták.

Nyersanyag

- Ez egyike az ammónia szintézisében alkalmazott reagenseknek, amelynek viszont végtelen ipari felhasználása van, kezdve a műtrágyák előállításával, akár a gyógyszerek nitrogéntartalmához szükséges anyagként.

- Szén-monoxiddal való reakcióra szánják, és így tömegesen előállítják a metanolt, egy olyan reagenst, amely nagyon fontos a bioüzemanyagokban.

Redukálószer

- Ez redukálószer bizonyos fém-oxidokhoz, így felhasználható a kohászati ​​redukcióban (a réz és más fémek esetében már kifejtették).

- Csökkentse a zsírok vagy olajok mennyiségét a margarin előállításához.

Olajipar

Az olajiparban a hidrogént használják a nyersolaj "hidrogénezésére" a finomítási folyamatok során.

Például arra törekszik, hogy a nagy és nehéz molekulákat kis molekulákká fragmentálja, nagyobb piaci kereslettel (hidrokrakkolás); engedje el a petroporfirin ketrecekbe befogott fémeket (hidrodemetallizálás); távolítsa kénatom H ₂ S (hidrokéntelenítés); vagy csökkentheti a kettős kötéseket paraffinban gazdag keverékek létrehozására.

Üzemanyag

Maga a hidrogén kiváló üzemanyag rakétákhoz vagy űrhajókhoz, mivel kis mennyiségű oxigénre reagálva hatalmas mennyiségű hőt vagy energiát bocsát ki.

Kisebb léptékben ezt a reakciót hidrogéncellák vagy elemek elkészítésére használják. Ezek a cellák azonban nehézségekbe ütköznek, mivel nem tudják megfelelően tárolni ezt a gázt; valamint a fosszilis tüzelőanyagok égetésétől való teljesen függetlenség kihívása.

Pozitív szempontból az üzemanyagként használt hidrogén csak vizet szabadít fel; a légkör és az ökoszisztéma szennyezésének eszközeit jelentő gázok helyett.

Irodalom

1. Shiver és Atkins. (2008). Szervetlen kémia. (Negyedik kiadás). Mc Graw Hill.
2. Hanyu Liu, Li Zhu, Wenwen Cui és Yanming Ma. (Nd). Szilárd hidrogén szobahőmérsékleti struktúrája magas nyomáson. A Superhard Anyagok Állami Kulcslaborja, Jilin Egyetem, Changchun 130012, Kína.
3. Pierre-Marie Robitaille. (2011). Folyékony metál hidrogén: Építőelem a folyékony nap számára. Radiológiai Tanszék, az Ohio Állami Egyetem, 395 W. 12. Ave, Columbus, Ohio 43210, USA.
4. A Bodner-csoport. (Sf). A hidrogén kémiája. Helyreállítva: chemed.chem.purdue.edu
5. Wikipedia. (2019). Hidrogén. Helyreállítva: en.wikipedia.org
6. Hidrogén-Európa. (2017). Hidrogén alkalmazások. Helyreállítva: hydrogeneurope.eu
7. Foist Laura. (2019). Hidrogén: tulajdonságok és előfordulása. Tanulmány. Helyreállítva: study.com
8. Jonas James. (2009. január 4). A hidrogén története. Helyreállítva: altenergymag.com