De hydrogen Det er et kjemisk element som er representert av symbolet H. Atomet er det minste av alle, og det er det periodiske systemet begynner med, uansett hvor det er plassert. Den består av en fargeløs gass sammensatt av diatomiske H-molekylerto, og ikke av isolerte H-atomer; som det skjer med edelgassene Han, Ne, Ar, blant andre.
Av alle elementene er det kanskje det mest emblematiske og enestående, ikke bare for dets egenskaper under terrestriske eller drastiske forhold, men for sin enorme overflod og mangfold av forbindelser. Hydrogen er en gass, selv om det er inert i fravær av brann, brannfarlig og farlig. mens vann, HtoEller er det universelle løsningsmidlet og livet.
I seg selv viser ikke hydrogen noen visuell særegenhet verdig beundring, det er bare en gass som lagres i sylindere eller røde flasker. Imidlertid er det egenskapene og evnen til å binde seg til alle elementene, noe som gjør hydrogen spesielt. Og alt dette, til tross for at det bare har ett valenselektron.
Hvis hydrogenet ikke ble lagret i sine respektive sylindere, ville det rømme ut i rommet mens mye av det reagerer ved oppstigningen. Og selv om den har en veldig lav konsentrasjon i luften vi puster inn, utenfor jorden og i resten av universet, er det det mest utbredte elementet, funnet i stjernene og betraktet dets konstruksjonsenhet..
På jorden representerer den derimot omtrent 10% av den totale massen. For å visualisere hva dette betyr, må det vurderes at overflaten på planeten praktisk talt er dekket av hav, og at hydrogen finnes i mineraler, i råolje og i en hvilken som helst organisk forbindelse, i tillegg til å være en del av alle levende vesener.
I likhet med karbon har alle biomolekyler (karbohydrater, proteiner, enzymer, DNA, etc.) hydrogenatomer. Derfor er det mange kilder for å hente ut eller produsere det; få representerer imidlertid virkelig lønnsomme produksjonsmetoder.
Artikkelindeks
Selv om Robert Boyle i 1671 først var vitne til en gass som ble dannet da jernfilter reagerte med syrer, var det den britiske forskeren Henry Cavendish, i 1766, som identifiserte den som et nytt stoff; den "brennbare luften".
Cavendish fant ut at når denne antatt brennbare luften brant, ble det generert vann. Basert på hans arbeid og resultater ga den franske kjemikeren Antoine Lavoisier denne gassen navnet hydrogen i 1783. Etymologisk kommer dens betydning fra de greske ordene "hydro" og "gener": dannelse av vann.
Kort tid etter, i 1800, oppdaget amerikanske forskere William Nicholson og Sir Anthony Carlisle at vann kan spaltes til hydrogen og oksygen; de hadde funnet elektrolyse av vann. Senere, i 1838, introduserte den sveitsiske kjemikeren Christian Friedrich Schoenbein ideen om å utnytte forbrenningen av hydrogen for å generere elektrisitet.
Populariteten til hydrogen var så stor at selv forfatteren Jules Verne omtalte det som fremtidens drivstoff i sin bok Den mystiske øya (1874).
I 1899 var den skotske kjemikeren James Dewar den første til å isolere hydrogen som flytende gass, og var selv den som var i stand til å avkjøle det nok til å få det i sin faste fase..
Fra dette punktet presenterer hydrogenhistorien to kanaler. På den ene siden utviklingen innen drivstoff og batterier; og på den andre, forståelsen av strukturen til atomet og hvordan det representerte elementet som åpnet dørene for kvantefysikk.
Hydrogenatomer er veldig små og har bare ett elektron for å danne kovalente bindinger. Når to av disse atomene blir sammen, gir de opphav til et diatomisk molekyl, Hto; dette er molekylær hydrogengass (toppbilde). Hver hvite sfære tilsvarer et individuelt H-atom, og den globale sfæren til de molekylære orbitalene.
Så, hydrogen består faktisk av H-molekylerto veldig små som samhandler ved hjelp av spredningskrefter i London, siden de mangler et dipolmoment fordi de er homonukleære. Derfor er de veldig "rastløse" og sprer seg raskt i verdensrommet, da det ikke er intermolekylære krefter som er sterke nok til å bremse dem ned..
Elektronkonfigurasjonen av hydrogen er ganske enkelt 1s1. Denne orbitalen, 1s, er produktet av å løse den berømte Schrödinger-ligningen for hydrogenatomet. I Hto to 1s orbitaler overlapper hverandre for å danne to molekylære orbitaler: en binding og en anti-binding, ifølge molekylær orbital teori (TOM).
Disse orbitalene tillater eller forklarer eksistensen av H-ionerto+ eller Hto-; imidlertid er kjemien til hydrogen definert under normale forhold av Hto eller H-ioner+ eller H-.
Fra elektronkonfigurasjonen for hydrogen, 1s1, dens mulige oksidasjonstall er veldig enkle å forutsi; med tanke på, selvfølgelig, at 2-orbitalen med høyere energi ikke er tilgjengelig for kjemiske bindinger. Således, i basaltilstand, har hydrogen et oksidasjonsnummer på 0, H0.
Hvis den mister sitt eneste elektron, forblir 1s-orbitalen tom og hydrogenionet eller kationen, H, dannes.+, svært mobil i nesten ethvert flytende medium; spesielt vannet. I dette tilfellet er oksidasjonsnummeret +1.
Og når det motsatte skjer, det vil si å få et elektron, vil banen nå ha to elektroner og vil bli 1sto. Da blir oksidasjonstallet -1, og tilsvarer hydridanionet, H-. Det er verdt å merke seg at H- det er isoelektronisk for edelgassen helium, He; det vil si at begge artene har like mange elektroner.
Oppsummert er oksidasjonstallene for hydrogen: +1, 0 og -1 og H-molekyletto teller å ha to hydrogenatomer H0.
Den foretrukne fasen av hydrogen, i det minste under bakken, er den gassformede på grunn av tidligere utsatte årsaker. Imidlertid, når temperaturen synker i størrelsesorden -200 ° C, eller hvis trykket øker hundretusenvis av det atmosfæriske, kan hydrogen kondensere eller krystallisere til henholdsvis en flytende eller fast fase..
Under disse forholdene har molekylene Hto de kan justeres på forskjellige måter for å definere strukturelle mønstre. London-spredningskreftene blir nå svært retningsbestemte, og geometri eller symmetri som er adoptert av par H vises.to.
For eksempel to par Hto, det er like å skrive (Hto)to definere et symmetrisk eller asymmetrisk kvadrat. I mellomtiden tre par Hto, eller (Hto)3 definere en sekskant, omtrent som karbon i grafittkrystaller. Faktisk er denne sekskantede fasen den viktigste eller mest stabile fasen for fast hydrogen..
Men hva om det faste stoffet ikke besto av molekyler, men av H-atomer? Så ville vi håndtere metallisk hydrogen. Disse H-atomene, som husker de hvite kulene, kan definere både en flytende fase og et metallisk fast stoff..
Hydrogen er en fargeløs, luktfri og smakløs gass. Derfor, hvis det er en lekkasje, representerer det en fare for eksplosjon..
-253 ºC.
-259 ºC.
Den eksploderer ved nesten hvilken som helst temperatur hvis det er en gnist eller varmekilde nær gassen, til og med sollys kan antenne hydrogen. Så lenge den er godt lagret, er den imidlertid en dårlig reaktiv gass..
0,082 g / L. Det er 14 ganger lettere enn luft.
1,62 mg / l ved 21 ºC i vann. Generelt er det uoppløselig i de fleste væsker.
1.24 106 mmHg ved 25 ° C. Denne verdien gir en ide om hvor lukkede hydrogensylindrene må være for å forhindre at gass slipper ut.
560vºC.
2.20 på Pauling-skalaen.
-285,8 kJ / mol.
0,90 kJ / mol.
0,117 kJ / mol.
Det "normale" hydrogenatomet er protiumet, 1H, som utgjør omtrent 99,985% av hydrogen. De to andre isotoper for dette elementet er deuterium, toH og tritium, 3H. Disse varierer i antall nøytroner; deuterium har ett nøytron, mens tritium har to.
Det er to typer molekylært hydrogen, Hto: orto og para. I den første er de to spinnene (av protonet) til H-atomene orientert i samme retning (de er parallelle); mens i det andre er de to spinnene i motsatt retning (de er antiparallelle).
Hydrogen-para er den mer stabile av de to isomerer; men med økende temperatur blir orto: para-forholdet 3: 1, noe som betyr at hydrogen-orto-isomeren dominerer over den andre. Ved svært lave temperaturer (eksternt nær absolutt null, 20K), kan det fås rene hydrogenprøver - for.
Nomenklaturen for å referere til hydrogen er en av de enkleste; selv om det ikke er på samme måte for dets uorganiske eller organiske forbindelser. Hto Det kan kalles med følgende navn i tillegg til 'hydrogen':
-Molekylært hydrogen
-Dihydrogen
-Diatomisk hydrogenmolekyl.
For H ion+ navnene deres er proton eller hydrogenion; og hvis det er i et vandig medium, H3ELLER+, hydroniumkation. Mens H ion- er hydridanionet.
Hydrogenatomet er det enkleste av alle og er normalt representert som på bildet ovenfor: en kjerne med et enkelt proton (for 1H), omgitt av et elektron som trekker en bane. Alle atomorbitalene for de andre elementene i det periodiske systemet er konstruert og estimert på dette atomet..
En mer trofast fremstilling av den nåværende forståelsen av atomer vil være den av en sfære hvis periferi er definert av elektronens og den sannsynlige skyen til elektronet (dens 1s-bane).
Hydrogen er, men kanskje i mindre grad sammenlignet med karbon, det kjemiske elementet som uten tvil kan sies å være overalt; i luften, som utgjør en del av vannet som fyller havene, havene og kroppene våre, i råolje og mineraler, så vel som i de organiske forbindelsene som er samlet for å opprette liv.
Det er nok å skumme ethvert bibliotek med forbindelser for å finne hydrogenatomer i dem..
Spørsmålet er ikke så mye hvor mye, men hvordan det er til stede. For eksempel molekylet Hto den er så flyktig og reaktiv under forekomst av solstråler at den er veldig knapp i atmosfæren; derfor reagerer det å bli med andre elementer og dermed oppnå stabilitet.
Mens det er høyere oppe i kosmos, er hydrogen hovedsakelig funnet som nøytrale atomer, H.
Faktisk betraktes hydrogen i sin metalliske og kondenserte fase som byggesteinen til stjerner. Siden det er umåtelige mengder av dem, og på grunn av dets robusthet og kolossale dimensjoner, gjør de dette elementet til det mest utbredte i hele universet. Det anslås at 75% av kjent materiale tilsvarer hydrogenatomer.
Å samle løse hydrogenatomer i rommet høres upraktisk ut og trekke dem ut fra solens periferier, eller tåker, uoppnåelig. På jorden, der forholdene tvinger dette elementet til å eksistere som Hto, kan produseres ved naturlige eller geologiske prosesser.
For eksempel har hydrogen sin egen naturlige syklus der visse bakterier, mikrober og alger kan generere det gjennom fotokjemiske reaksjoner. Skalering av naturlige prosesser og parallelt med disse inkluderer bruk av bioreaktorer, der bakterier spiser på hydrokarboner for å frigjøre hydrogenet i dem.
Levende ting er også hydrogenprodusenter, men i mindre grad. Hvis dette ikke var tilfelle, ville det ikke være mulig å forklare hvordan det utgjør en av gasskomponentene i flatulens; som har vist seg å være brannfarlig.
Til slutt bør det nevnes at mineraler under anaerobe forhold (uten oksygen), for eksempel i underjordiske lag, kan reagere sakte med vann for å produsere hydrogen. Fayelitas reaksjon beviser det:
3FetoJa4 + 2 timertoO → 2 Fe3ELLER4 + 3 SiOto + 3 Hto
Selv om biohydrogen er et alternativ for å generere denne gassen i industriell målestokk, består de mest brukte metodene praktisk talt av å "fjerne" hydrogenet fra forbindelsene som inneholder den, slik at dets atomer forenes og danner Hto.
De minst miljøvennlige metodene for å produsere den består av å reagere koks (eller trekull) med overopphetet damp:
C (s) + HtoO (g) → CO (g) + Hto(g)
På samme måte har naturgass blitt brukt til dette formålet:
CH4(g) + HtoO (g) → CO (g) + 3Hto(g)
Og fordi mengdene med koks eller naturgass er enorme, er det lønnsomt å produsere hydrogen ved en av disse to reaksjonene..
En annen metode for å skaffe hydrogen er å bruke elektrisk utladning på vann for å bryte det ned i dets elementdeler (elektrolyse):
2 timertoO (l) → 2 Hto(g) + Oto(g)
Molekylært hydrogen kan tilberedes i små mengder i ethvert laboratorium. For å gjøre dette må et aktivt metall reageres med en sterk syre, enten i et beger eller i et prøverør. Den observerbare boblingen er et tydelig tegn på hydrogendannelse, representert ved følgende generelle ligning:
M (s) + nH+(ac) → Mn+(ac) + Hto(g)
Hvor n er metallens valens. For eksempel reagerer magnesium med H+ å produsere Hto:
Mg (s) + 2H+(ac) → Mgto+(ac) + Hto(g)
Oksidasjonstallene gir i seg selv et første glimt av hvordan hydrogen deltar i kjemiske reaksjoner. Hto når den reagerer, kan den forbli uendret, eller dele seg i H-ionene+ eller H- avhengig av hvilken art det er knyttet til; hvis de er mer eller mindre elektronegative enn ham.
Hto det er ikke veldig reaktivt på grunn av styrken til dets kovalente binding, H-H; Dette er imidlertid ikke et absolutt hindring for at det skal reagere og danne forbindelser med nesten alle elementene i det periodiske systemet..
Den mest kjente reaksjonen er med oksygengass for å produsere vanndamp:
Hto(g) + Oto(g) → 2HtoO (g)
Og slik er dets affinitet for oksygen til å danne det stabile vannmolekylet at det til og med kan reagere med det som et O-anion.to- i visse metalloksider:
Hto(g) + CuO (s) → Cu (s) + HtoO (l)
Også sølvoksid reagerer eller blir "redusert" ved samme reaksjon:
Hto(g) + AgO (s) → Ag (s) + HtoO (l)
Disse hydrogenreaksjonene tilsvarer redoks-typen. Det vil si reduksjon-oksidasjon. Hydrogen oksyderer både i nærvær av oksygen og av metalloksidene av metaller som er mindre reaktive enn det; for eksempel kobber, sølv, wolfram, kvikksølv og gull.
Noen metaller kan absorbere hydrogengass for å danne metallhydrider, som anses å være legeringer. For eksempel absorberer overgangsmetaller som palladium betydelige mengder Hto, ligner på metalliske svamper.
Det samme skjer med mer komplekse metalllegeringer. På denne måten kan hydrogen lagres på andre måter enn sylindrene..
Organiske molekyler kan også "absorbere" hydrogen gjennom forskjellige molekylære mekanismer og / eller interaksjoner..
For metaller, molekyler Hto de er omgitt av metallatomer i krystallene; mens i organiske molekyler bryter H-H-bindingen for å danne andre kovalente bindinger. I en mer formalisert forstand: hydrogen absorberes ikke, men tilsettes strukturen.
Det klassiske eksemplet er tillegg av Hto til henholdsvis dobbelt- eller trippelbinding av alkenene eller alkynene:
C = C + Hto → H-C-C-H
C≡C + Hto → HC = CH
Disse reaksjonene kalles også hydrogenering..
Hydrogen reagerer direkte med grunnstoffer for å danne en familie av kjemiske forbindelser som kalles hydrider. Det er hovedsakelig av to typer: saltvann og molekylær.
Likeledes er det metallhydrider, som består av metalllegeringene som allerede er nevnt når disse metallene absorberer hydrogengass; og de polymere, med nettverk eller kjeder av lenker E-H, hvor E betegner det kjemiske elementet.
I saltvannshydrider deltar hydrogen i ionebinding som hydridanionet, H-. For at dette skal dannes, må elementet nødvendigvis være mindre elektronegativ; ellers ville den ikke gi opp elektronene til hydrogen.
Derfor dannes saltvannshydrider bare når hydrogen reagerer med svært elektropositive metaller, slik som alkali og jordalkalier..
For eksempel reagerer hydrogen med metallisk natrium for å produsere natriumhydrid:
2Na (s) + Hto(g) → 2NaH (s)
Eller med barium for å produsere bariumhydrid:
Ba (s) + Hto(g) → BaHto(s)
Molekylære hydrider er enda bedre kjent enn ioniske. De kalles også hydrogenhalogenider, HX, når hydrogen reagerer med et halogen:
Clto(g) + Hto(g) → 2HCl (g)
Her deltar hydrogen i den kovalente bindingen som H+; siden forskjellene mellom elektronegativitetene mellom begge atomene ikke er veldig store.
Det samme vannet kan betraktes som et oksygenhydrid (eller hydrogenoksid), hvis dannelsesreaksjon allerede er diskutert. Svært lik er reaksjonen med svovel for å gi hydrogensulfid, en illeluktende gass:
S (s) + Hto(g) → HtoS (g)
Men av alle molekylære hydrider er ammoniakk den mest berømte (og kanskje den vanskeligste å syntetisere):
Nto(g) + 3Hto(g) → 2NH3(g)
I forrige avsnitt ble en av hovedbruken av hydrogen allerede adressert: som et råmateriale for utvikling av syntese, uorganisk eller organisk. Å kontrollere denne gassen har vanligvis ingen andre formål enn å få den til å reagere for å danne andre forbindelser enn de som den ble ekstrahert fra..
- Det er et av reagensene for syntesen av ammoniakk, som igjen har uendelige industrielle anvendelser, og starter med produksjon av gjødsel, til og med som et materiale til nitrogene stoffer..
- Det er ment å reagere med karbonmonoksid og dermed massivt produsere metanol, et reagens som er svært viktig i biodrivstoff..
- Det er et reduksjonsmiddel for visse metalloksider, så det brukes i metallurgisk reduksjon (allerede forklart i tilfelle kobber og andre metaller).
- Reduser fett eller oljer for å produsere margarin.
I oljeindustrien brukes hydrogen til å "hydrobehandle" råolje i raffineringsprosesser..
For eksempel søker den å fragmentere store og tunge molekyler i små molekyler med større etterspørsel i markedet (hydrokraking); frigjøre metallene som er fanget i petroporfyrinburene (hydrodemetallisering); fjern svovelatomer som HtoS (hydroavsvovling); eller redusere dobbeltbindinger for å lage parafinrike blandinger.
Hydrogen i seg selv er et utmerket drivstoff for raketter eller romfartøy, siden små mengder av det frigjør store mengder varme eller energi når det reagerer med oksygen..
I mindre skala brukes denne reaksjonen til utforming av hydrogenceller eller batterier. Imidlertid står disse cellene overfor vanskelighetene med ikke å kunne lagre denne gassen ordentlig; og utfordringen med å bli helt uavhengig av å forbrenne fossile brensler.
På den positive siden frigjør hydrogen som drivstoff bare vann; i stedet for gasser som representerer forurensningsmidler for atmosfæren og økosystemene.
Ingen har kommentert denne artikkelen ennå.