Hidrogenul este acel gaz. Hidrogen - ce este această substanță? Proprietățile chimice și fizice ale hidrogenului

În sistemul periodic, are propria sa poziție specifică, care reflectă proprietățile pe care le prezintă și vorbește despre structura sa electronică. Cu toate acestea, printre toate există un atom special care ocupă două celule simultan. Este situat în două grupe de elemente care sunt complet opuse în proprietățile lor manifestate. Acesta este hidrogen. Aceste caracteristici îl fac unic.

Hidrogenul nu este doar un element, ci și o substanță simplă, precum și o parte integrantă a multor compuși complecși, un element biogen și organogen. Prin urmare, luăm în considerare caracteristicile și proprietățile sale mai detaliat.

Hidrogenul ca element chimic

Hidrogenul este un element din primul grup al subgrupului principal, precum și al șaptelea grup al subgrupului principal în prima perioadă mică. Această perioadă este formată din doar doi atomi: heliu și elementul pe care îl luăm în considerare. Să descriem principalele caracteristici ale poziției hidrogenului în sistemul periodic.

  1. Numărul de serie al hidrogenului este 1, numărul de electroni este același, respectiv numărul de protoni este același. Masa atomică este 1,00795. Există trei izotopi ai acestui element cu numere de masă 1, 2, 3. Cu toate acestea, proprietățile fiecăruia dintre ei sunt foarte diferite, deoarece o creștere a masei chiar și cu unul pentru hidrogen este imediat dublă.
  2. Faptul că conține doar un electron pe exterior îi permite să prezinte cu succes atât proprietăți oxidante, cât și reducătoare. În plus, după donarea unui electron, acesta rămâne un orbital liber, care participă la formarea legăturilor chimice conform mecanismului donor-acceptor.
  3. Hidrogenul este un agent reducător puternic. Prin urmare, primul grup al subgrupului principal este considerat a fi locul său principal, unde conduce cele mai active metale - alcaline.
  4. Cu toate acestea, atunci când interacționează cu agenți reducători puternici, cum ar fi, de exemplu, metale, acesta poate fi, de asemenea, un agent de oxidare, acceptând un electron. Acești compuși se numesc hidruri. Pe această bază, conduce subgrupul de halogeni, cu care este similar.
  5. Datorită masei sale atomice foarte mici, hidrogenul este considerat cel mai ușor element. În plus, densitatea sa este și foarte scăzută, deci este și reperul pentru ușurință.

Astfel, este evident că atomul de hidrogen este un cu totul unic, spre deosebire de toate celelalte elemente. În consecință, proprietățile sale sunt și ele deosebite, iar substanțele simple și complexe formate sunt foarte importante. Să le luăm în considerare mai departe.

substanță simplă

Dacă vorbim despre acest element ca moleculă, atunci trebuie să spunem că este diatomic. Adică hidrogenul (o substanță simplă) este un gaz. Formula sa empirică va fi scrisă ca H 2, iar cea grafică - printr-un singur legătură sigma H-H. Mecanismul de formare a legăturilor dintre atomi este covalent nepolar.

  1. Reformarea cu abur a metanului.
  2. Gazeificarea cărbunelui - procesul presupune încălzirea cărbunelui la 1000 0 C, rezultând formarea hidrogenului și a cărbunelui cu conținut ridicat de carbon.
  3. Electroliză. Această metodă poate fi utilizată numai pentru soluții apoase de diferite săruri, deoarece topiturile nu duc la descărcarea apei la catod.

Metode de laborator pentru producerea hidrogenului:

  1. Hidroliza hidrurilor metalice.
  2. Acțiunea acizilor diluați asupra metalelor active și activitate medie.
  3. Interacțiunea metalelor alcaline și alcalino-pământoase cu apa.

Pentru a colecta hidrogenul rezultat, este necesar să țineți eprubeta întoarsă cu susul în jos. La urma urmei, acest gaz nu poate fi colectat în același mod ca, de exemplu, dioxidul de carbon. Acesta este hidrogen, este mult mai ușor decât aerul. Se volatilizează rapid și explodează atunci când este amestecat cu aer în cantități mari. Prin urmare, tubul trebuie răsturnat. După umplere, acesta trebuie închis cu un dop de cauciuc.

Pentru a verifica puritatea hidrogenului colectat, ar trebui să aduceți un chibrit aprins la gât. Dacă bumbacul este surd și liniștit, atunci gazul este curat, cu impurități minime ale aerului. Dacă este zgomotos și șuieră, este murdar, cu o mare proporție de componente străine.

Domenii de utilizare

Când hidrogenul este ars, se eliberează o cantitate atât de mare de energie (căldură), încât acest gaz este considerat cel mai profitabil combustibil. În plus, este prietenos cu mediul. Cu toate acestea, utilizarea sa în acest domeniu este în prezent limitată. Acest lucru se datorează problemelor neterminate și nerezolvate ale sintetizării hidrogenului pur, care ar fi potrivit pentru utilizare ca combustibil în reactoare, motoare și dispozitive portabile, precum și în cazanele de încălzire rezidențiale.

La urma urmei, metodele de obținere a acestui gaz sunt destul de costisitoare, așa că mai întâi este necesar să se dezvolte o metodă specială de sinteză. Unul care vă va permite să primiți produsul în volum mare si la un cost minim.

Există mai multe domenii principale în care gazul pe care îl luăm în considerare este utilizat.

  1. Sinteze chimice. Pe baza hidrogenării, se obțin săpunuri, margarine și materiale plastice. Cu participarea hidrogenului, se sintetizează metanol și amoniac, precum și alți compuși.
  2. În industria alimentară - ca aditiv E949.
  3. Industria aviației (construcții de rachete, construcții de avioane).
  4. Industria energetică.
  5. Meteorologie.
  6. Combustibil de tip ecologic.

Evident, hidrogenul este la fel de important, pe atât de abundent în natură. Un rol și mai mare îl au diferiții compuși formați de acesta.

Compuși cu hidrogen

Acestea sunt substanțe complexe care conțin atomi de hidrogen. Există mai multe tipuri principale de astfel de substanțe.

  1. Halogenuri de hidrogen. Formula generală este HHal. Printre acestea, o importanță deosebită este clorura de hidrogen. Este un gaz care se dizolvă în apă pentru a forma o soluție de acid clorhidric. Acest acid este utilizat pe scară largă în aproape toate sintezele chimice. Și atât organice cât și anorganice. Clorura de hidrogen este un compus care are formula empirică HCL și este unul dintre cele mai mari ca producție anuală din țara noastră. Halogenurile de hidrogen includ, de asemenea, iodură de hidrogen, fluorură de hidrogen și bromură de hidrogen. Toate formează acizii corespunzători.
  2. Volatile Aproape toate sunt gaze destul de otrăvitoare. De exemplu, hidrogen sulfurat, metan, silan, fosfină și altele. Cu toate acestea, sunt foarte inflamabile.
  3. Hidrurile sunt compuși cu metale. Ele aparțin clasei sărurilor.
  4. Hidroxizi: baze, acizi și compuși amfoteri. Compoziția lor include în mod necesar atomi de hidrogen, unul sau mai mulți. Exemplu: NaOH, K2, H2SO4 şi altele.
  5. Hidroxid de hidrogen. Acest compus este mai bine cunoscut sub numele de apă. Un alt nume pentru oxidul de hidrogen. Formula empirică arată astfel - H 2 O.
  6. Apă oxigenată. Acesta este cel mai puternic agent oxidant, a cărui formulă este H 2 O 2.
  7. Numeroși compuși organici: hidrocarburi, proteine, grăsimi, lipide, vitamine, hormoni, uleiuri esențiale și altele.

Evident, varietatea de compuși ai elementului pe care îl luăm în considerare este foarte mare. Acest lucru confirmă încă o dată importanța sa ridicată pentru natură și om, precum și pentru toate ființele vii.

este cel mai bun solvent

După cum am menționat mai sus, numele comun pentru această substanță este apă. Este format din doi atomi de hidrogen și unul de oxigen, interconectați prin legături polare covalente. Molecula de apă este un dipol, ceea ce explică multe dintre proprietățile sale. În special, faptul că este un solvent universal.

În mediul acvatic au loc aproape toate procesele chimice. Reacțiile interne ale metabolismului plastic și energetic în organismele vii sunt, de asemenea, efectuate cu ajutorul oxidului de hidrogen.

Apa este considerată cea mai importantă substanță de pe planetă. Se știe că niciun organism viu nu poate trăi fără el. Pe Pământ, poate exista în trei stări de agregare:

  • lichid;
  • gaz (abur);
  • solid (gheață).

În funcție de izotopul hidrogenului care face parte din moleculă, există trei tipuri de apă.

  1. Lumină sau protium. Un izotop cu un număr de masă de 1. Formula este H 2 O. Aceasta este forma obișnuită pe care o folosesc toate organismele.
  2. Deuteriu sau greu, formula sa este D 2 O. Contine izotopul 2 H.
  3. Super grele sau tritiu. Formula arată ca T3O, izotopul este 3H.

Rezervele de apă proaspătă protium de pe planetă sunt foarte importante. Deja lipsește în multe țări. Se dezvoltă metode de tratare a apei sărate în vederea obținerii apei de băut.

Peroxidul de hidrogen este un remediu universal

Acest compus, așa cum sa menționat mai sus, este un excelent agent de oxidare. Cu toate acestea, cu reprezentanți puternici se poate comporta și ca un reductor. În plus, are un efect bactericid pronunțat.

Un alt nume pentru acest compus este peroxid. În această formă este utilizat în medicină. O soluție de 3% din hidratul cristalin al compusului în cauză este un medicament medical care este utilizat pentru tratarea rănilor mici în scopul decontaminării acestora. Cu toate acestea, s-a dovedit că în acest caz, vindecarea rănilor crește în timp.

De asemenea, peroxidul de hidrogen este utilizat în combustibilul pentru rachete, în industrie pentru dezinfecție și albire, ca agent de spumare pentru producerea de materiale adecvate (spumă, de exemplu). În plus, peroxidul ajută la curățarea acvariilor, la albirea părului și la albirea dinților. Cu toate acestea, în același timp dăunează țesuturilor, de aceea nu este recomandată de specialiști în acest scop.

Hidrogen

HIDROGEN-A; m. Un element chimic (H), un gaz ușor, incolor și inodor care se combină cu oxigenul pentru a forma apă.

◁ Hidrogen, th, th. conexiuni V. V bacterii. Bomba a V-a(o bombă cu o putere distructivă enormă, al cărei efect exploziv se bazează pe o reacție termonucleară). Hidrogen, th, th.

hidrogen

(lat. Hidrogeniu), un element chimic din grupa VII sistem periodic. În natură, există doi izotopi stabili (protiu și deuteriu) și un izotop radioactiv (tritiu). Molecula este diatomică (H2). Gaz incolor și inodor; densitate 0,0899 g/l, t kip - 252,76°C. Se combină cu multe elemente pentru a forma apă cu oxigen. Cel mai comun element din spațiu; alcătuiește (sub formă de plasmă) mai mult de 70% din masa Soarelui și a stelelor, cea mai mare parte a gazelor mediului interstelar și a nebuloaselor. Atomul de hidrogen face parte din mulți acizi și baze, majoritatea compușilor organici. Se folosesc la producerea amoniacului, acidului clorhidric, pentru hidrogenarea grăsimilor etc., la sudarea și tăierea metalelor. Promițător ca combustibil (vezi. Energia hidrogenului).

HIDROGEN

HIDROGEN (lat. Hidrogeniu), H, un element chimic cu număr atomic 1, masă atomică 1,00794. Simbolul chimic pentru hidrogen, H, este citit în țara noastră ca „cenuşă”, deoarece această literă este pronunțată în franceză.
Hidrogenul natural constă dintr-un amestec de doi nuclizi stabili (cm. NUCLID) cu numere de masă 1,007825 (99,985% în amestec) și 2,0140 (0,015%). În plus, urme de nuclid radioactiv, tritiu, sunt întotdeauna prezente în hidrogenul natural. (cm. TRITIUM) 3 H (timp de înjumătățire T 1/2 12,43 ani). Deoarece nucleul atomului de hidrogen conține doar 1 proton (nu poate fi mai puțin de protoni în nucleul unui atom), se spune uneori că hidrogenul formează limita naturală inferioară a sistemului periodic de elemente al lui D. I. Mendeleev (deși elementul hidrogenul însuși este situat în tabelele din partea superioară). Elementul hidrogen este situat în prima perioadă a tabelului periodic. De asemenea, aparține grupului I (grupa IA a metalelor alcaline (cm. METALE ALCALINE)), și la a 7-a grupă (grupa VIIA de halogeni (cm. HALOGENI)).
Masele atomilor din izotopii de hidrogen diferă foarte mult (de câteva ori). Acest lucru duce la diferențe vizibile în comportamentul lor în procesele fizice (distilare, electroliză etc.) și la anumite diferențe chimice (diferențele de comportament ale izotopilor unui element se numesc efecte izotopice; pentru hidrogen, efectele izotopice sunt cele mai semnificative). Prin urmare, spre deosebire de izotopii tuturor celorlalte elemente, izotopii de hidrogen au simboluri și nume speciale. Hidrogenul cu un număr de masă de 1 se numește hidrogen ușor, sau protium (lat. Protium, din grecescul protos - primul), notat cu simbolul H, iar nucleul său se numește proton (cm. PROTON (particulă elementară)), simbolul r. Hidrogenul cu un număr de masă de 2 se numește hidrogen greu, deuteriu (cm. DEUTERIU)(Latina Deuterium, din greaca deuteros - al doilea), simbolurile 2 H, sau D (a se citi „de”) sunt folosite pentru a-l desemna, nucleul d este deuteronul. Un izotop radioactiv cu un număr de masă de 3 se numește hidrogen supergreu, sau tritiu (lat. Tritum, din grecescul tritos - al treilea), simbolul 2 H sau T (a se citi „cele”), nucleul t este un triton.
Configurația unui singur strat de electroni al unui atom de hidrogen neutru neexcitat 1 s 1 . În compuși, prezintă stări de oxidare +1 și, mai rar, -1 (valență I). Raza atomului de hidrogen neutru este de 0,024 nm. Energia de ionizare a atomului este de 13,595 eV, afinitatea electronilor este de 0,75 eV. Pe scara Pauling, electronegativitatea hidrogenului este 2,20. Hidrogenul este unul dintre nemetale.
În forma sa liberă, este un gaz ușor, inflamabil, fără culoare, miros sau gust.
Istoria descoperirilor
Eliberarea de gaz combustibil în timpul interacțiunii acizilor și metalelor a fost observată în secolele al XVI-lea și al XVII-lea, în zorii formării chimiei ca știință. Celebrul fizician și chimist englez G. Cavendish (cm. Cavendish Henry)în 1766 a investigat acest gaz și l-a numit „aer combustibil”. Când a fost ars, „aerul combustibil” a dat apă, dar aderarea lui Cavendish la teoria flogistului (cm. PHLOGISTON) l-a împiedicat să tragă concluzii corecte. chimistul francez A. Lavoisier (cm. Lavoisier Antoine Laurent)împreună cu inginerul J. Meunier (cm. MEUNIER Jean-Baptiste Marie Charles), folosind gazometre speciale, în 1783 a efectuat sinteza apei, iar apoi analiza acesteia, descompunând vaporii de apă cu fier înroșit. Astfel, a stabilit că „aerul combustibil” face parte din apă și poate fi obținut din aceasta. În 1787, Lavoisier a ajuns la concluzia că „aerul combustibil” este o substanță simplă și, prin urmare, aparține numărului de elemente chimice. I-a dat numele de hidrogen (din grecescul hydor - apa si gennao - da nastere) - "naste apa". Stabilirea compoziției apei a pus capăt „teoriei flogistului”. Denumirea rusă „hidrogen” a fost propusă de chimistul M.F. Solovyov (cm. SOLOVIEV Mihail Fedorovich)în 1824. La începutul secolelor al XVIII-lea și al XIX-lea, s-a constatat că atomul de hidrogen este foarte ușor (în comparație cu atomii altor elemente), iar greutatea (masa) atomului de hidrogen a fost luată ca unitate de comparare. masele atomice ale elementelor. Masei atomului de hidrogen i s-a atribuit o valoare egală cu 1.
Fiind în natură
Hidrogenul reprezintă aproximativ 1% din masa scoarței terestre (locul 10 între toate elementele). În forma sa liberă, hidrogenul practic nu se găsește pe planeta noastră (urmele sale se găsesc în atmosfera superioară), dar este distribuit aproape peste tot pe Pământ în compoziția apei. Elementul hidrogen face parte din compușii organici și anorganici ai organismelor vii, gaz natural, petrol, cărbune. Este conținut, desigur, în compoziția apei (aproximativ 11% în greutate), în diverși hidrați și minerale cristaline naturali, care conțin una sau mai multe hidroxogrupe OH.
Hidrogenul ca element domină universul. Reprezintă aproximativ jumătate din masa Soarelui și a altor stele, este prezent în atmosfera unui număr de planete.
Chitanță
Hidrogenul poate fi obținut în mai multe moduri. În industrie, gazele naturale sunt folosite pentru aceasta, precum și gazele obținute din rafinarea petrolului, cocsificarea și gazeificarea cărbunelui și a altor combustibili. În producția de hidrogen din gaze naturale (componenta principală este metanul), se realizează interacțiunea catalitică a acestuia cu vaporii de apă și oxidarea incompletă cu oxigenul:
CH 4 + H 2 O \u003d CO + 3H 2 și CH 4 + 1/2 O 2 \u003d CO 2 + 2H 2
Separarea hidrogenului de gazul de cocs și gazele de rafinărie se bazează pe lichefierea lor în timpul răcirii profunde și îndepărtarea din amestecul de gaze care sunt mai ușor lichefiate decât hidrogenul. În prezența energiei electrice ieftine, hidrogenul este obținut prin electroliza apei, trecând curent prin soluții alcaline. În condiții de laborator, hidrogenul este ușor de obținut prin interacțiunea metalelor cu acizii, de exemplu, zincul cu acidul clorhidric.
Fizice și Proprietăți chimice
În condiții normale, hidrogenul este un gaz incolor ușor (densitate în condiții normale 0,0899 kg/m 3). Punct de topire -259,15 °C, punctul de fierbere -252,7 °C. Hidrogenul lichid (la punctul de fierbere) are o densitate de 70,8 kg/m 3 și este cel mai ușor lichid. Potențialul electrodului standard H 2 / H - într-o soluție apoasă este luat egal cu 0. Hidrogenul este slab solubil în apă: la 0 ° C, solubilitatea este mai mică de 0,02 cm 3 / ml, dar este foarte solubil în unele metale (fier burete și altele), deosebit de bun - în paladiu metalic (aproximativ 850 volume de hidrogen într-un volum de metal). Căldura de ardere a hidrogenului este de 143,06 MJ/kg.
Există sub formă de molecule diatomice de H 2. Constanta de disociere a H 2 în atomi la 300 K este 2,56 10 -34. Energia de disociere a moleculei de H 2 în atomi este de 436 kJ/mol. Distanța internucleară în molecula de H2 este de 0,07414 nm.
Deoarece nucleul fiecărui atom de H, care face parte din moleculă, are propriul său spin (cm. A ÎNVÂRTI), atunci hidrogenul molecular poate fi sub două forme: sub formă de ortohidrogen (o-H 2) (ambele spini au aceeași orientare) și sub formă de parahidrogen (p-H 2) (spinii au orientări diferite). În condiții normale, hidrogenul normal este un amestec de 75% o-H2 și 25% p-H2. Proprietățile fizice ale p- și o-H 2 diferă ușor unele de altele. Astfel, dacă punctul de fierbere pur o-n 2 20,45 K, apoi p-H 2 pur - 20,26 K. Transformarea o-H 2 în p-H 2 este însoțită de eliberarea a 1418 J/mol de căldură.
S-a argumentat în repetate rânduri în literatura științifică că presiuni mari(peste 10 GPa) și la temperaturi scăzute (aproximativ 10 K și mai jos), hidrogenul solid, care de obicei cristalizează într-o rețea de tip molecular hexagonal, se poate transforma într-o substanță cu proprietăți metalice, eventual chiar supraconductor. Cu toate acestea, încă nu există date clare cu privire la posibilitatea unei astfel de tranziții.
Putere mare legătură chimicăîntre atomi dintr-o moleculă de H 2 (care, de exemplu, folosind metoda orbitalilor moleculari, poate fi explicată prin faptul că în această moleculă perechea de electroni se află în orbital de legătură, iar orbitalul de slăbire nu este populat cu electroni) conduce la faptul că, la temperatura camerei, hidrogenul gazos este inactiv din punct de vedere chimic. Deci, fără încălzire, prin amestecare simplă, hidrogenul reacționează (cu explozie) numai cu fluor gazos:
H 2 + F 2 \u003d 2HF + Q.
Dacă un amestec de hidrogen și clor la temperatura camerei este iradiat cu lumină ultravioletă, atunci se observă o formare imediată de clorură de hidrogen HCl. Reacția hidrogenului cu oxigenul are loc cu o explozie dacă în amestecul acestor gaze se introduce un catalizator, paladiu metalic (sau platină). Când este aprins, un amestec de hidrogen și oxigen (așa-numitul gaz exploziv (cm. GAZ EXPLOZIV)) explodează, iar o explozie poate apărea în amestecuri în care conținutul de hidrogen este de la 5 la 95 procente în volum. Hidrogenul pur în aer sau în oxigen pur arde în liniște cu eliberarea unei cantități mari de căldură:
H 2 + 1 / 2O 2 \u003d H 2 O + 285,75 kJ / mol
Dacă hidrogenul interacționează cu alte nemetale și metale, atunci numai în anumite condiții (încălzire, presiune ridicată, prezența unui catalizator). Astfel, hidrogenul reacţionează reversibil cu azotul la tensiune arterială crescută(20-30 MPa și mai mult) și la o temperatură de 300-400 ° C în prezența unui catalizator - fier:
3H2 + N2 = 2NH3 + Q.
De asemenea, numai atunci când este încălzit, hidrogenul reacţionează cu sulful pentru a forma hidrogen sulfurat H 2 S, cu brom - pentru a forma acid bromhidric HBr, cu iod - pentru a forma hidrogen iodură HI. Hidrogenul reacţionează cu cărbunele (grafitul) formând un amestec de hidrocarburi de diferite compoziţii. Hidrogenul nu interacționează direct cu borul, siliciul și fosforul; compușii acestor elemente cu hidrogen sunt obținuți indirect.
Când este încălzit, hidrogenul este capabil să reacționeze cu metalele alcaline, alcalino-pământoase și magneziul pentru a forma compuși cu caracter de legătură ionică, care conțin hidrogen în starea de oxidare –1. Deci, atunci când calciul este încălzit într-o atmosferă de hidrogen, se formează o hidrură asemănătoare sării cu compoziția CaH2. Hidrura polimerică de aluminiu (AlH 3) x - unul dintre cei mai puternici agenți reducători - este obținută indirect (de exemplu, folosind compuși de organoaluminiu). Cu multe metale de tranziție (de exemplu, zirconiu, hafniu etc.), hidrogenul formează compuși cu compoziție variabilă (soluții solide).
Hidrogenul este capabil să reacționeze nu numai cu multe substanțe simple, ci și cu substanțe complexe. În primul rând, trebuie remarcată capacitatea hidrogenului de a reduce multe metale din oxizii lor (cum ar fi fier, nichel, plumb, wolfram, cupru etc.). Deci, atunci când este încălzit la o temperatură de 400-450 ° C și peste, fierul este redus de hidrogen din oricare dintre oxizii săi, de exemplu:
Fe 2 O 3 + 3H 2 \u003d 2Fe + 3H 2 O.
Trebuie remarcat faptul că numai metalele situate în seria potențialelor standard dincolo de mangan pot fi reduse din oxizi prin hidrogen. Metalele mai active (inclusiv manganul) nu sunt reduse la metal din oxizi.
Hidrogenul este capabil să se adauge la o legătură dublă sau triplă la mulți compuși organici (acestea sunt așa-numitele reacții de hidrogenare). De exemplu, în prezența unui catalizator de nichel, poate fi efectuată hidrogenarea etilenei C2H4 și se formează etan C2H6:
C 2 H 4 + H 2 \u003d C 2 H 6.
Interacțiunea monoxidului de carbon (II) și a hidrogenului în industrie produce metanol:
2H 2 + CO \u003d CH 3 OH.
În compușii în care un atom de hidrogen este conectat la un atom al unui element mai electronegativ E (E = F, Cl, O, N), între molecule se formează legături de hidrogen. (cm. LEGĂTURĂ DE HIDROGEN)(doi atomi de E ai aceluiași sau a două elemente diferite sunt interconectați prin atomul de H: E "... N ... E"", iar toți cei trei atomi sunt situați pe aceeași linie dreaptă). Astfel de legături există între molecule de apă, amoniac, metanol etc. și conduc la o creștere vizibilă a punctelor de fierbere ale acestor substanțe, o creștere a căldurii de evaporare etc.
Aplicație
Hidrogenul este utilizat în sinteza amoniacului NH 3 , acid clorhidric HCl, metanol CH 3 OH, în hidrocracarea (cracarea în atmosferă de hidrogen) a hidrocarburilor naturale, ca agent reducător în producerea anumitor metale. hidrogenare (cm. HIDROGENARE) uleiurile vegetale naturale obțin grăsimi solide - margarină. Hidrogenul lichid este utilizat ca combustibil pentru rachete și, de asemenea, ca lichid de răcire. La sudare se folosește un amestec de oxigen și hidrogen.
La un moment dat s-a sugerat că în viitorul apropiat reacția de ardere a hidrogenului va deveni principala sursă de energie, iar energia cu hidrogen va înlocui sursele tradiționale de energie (cărbune, petrol etc.). În același timp, s-a presupus că pentru producerea hidrogenului pe scară largă ar fi posibilă utilizarea electroliza apei. Electroliza apei este un proces destul de consumator de energie și în prezent este neprofitabilă obținerea hidrogenului prin electroliză la scară industrială. Dar era de așteptat ca electroliza să se bazeze pe utilizarea căldurii la temperatură medie (500-600 ° C), care apare în cantități mari în timpul funcționării centralelor nucleare. Această căldură este de utilizare limitată, iar posibilitatea de a obține hidrogen cu ajutorul ei ar rezolva atât problema ecologiei (când hidrogenul este ars în aer, cantitatea de substanțe dăunătoare mediului formată este minimă), cât și problema utilizării temperaturii medii. căldură. Cu toate acestea, după dezastrul de la Cernobîl, dezvoltarea energie nucleară se coagulează peste tot, astfel încât sursa specificată de energie devine indisponibilă. Prin urmare, perspectivele pentru utilizarea pe scară largă a hidrogenului ca sursă de energie se schimbă încă cel puțin până la mijlocul secolului al XXI-lea.
Caracteristicile circulației
Hidrogenul nu este otrăvitor, dar atunci când îl manipulați, trebuie să luați în considerare în mod constant pericolul ridicat de incendiu și explozie, iar riscul de explozie al hidrogenului este crescut datorită capacității mari a gazului de a difuza chiar și prin unele materiale solide. Înainte de a începe orice operațiune de încălzire într-o atmosferă de hidrogen, trebuie să vă asigurați că este curată (la aprinderea hidrogenului într-o eprubetă întoarsă cu susul în jos, sunetul trebuie să fie plictisitor, nu lătrat).
Rolul biologic
Semnificația biologică a hidrogenului este determinată de faptul că face parte din moleculele de apă și din toate cele mai importante grupuri de compuși naturali, inclusiv proteine, acizi nucleici, lipide, carbohidrați. Aproximativ 10% din masa organismelor vii este hidrogen. Capacitatea hidrogenului de a forma o legătură de hidrogen joacă un rol crucial în menținerea structurii cuaternare spațiale a proteinelor, precum și în implementarea principiului complementarității. (cm. COMPLEMENTAR)în construcția și funcțiile acizilor nucleici (adică în stocarea și implementarea informațiilor genetice), în general, în implementarea „recunoașterii” la nivel molecular. Hidrogenul (ionul H +) participă la cele mai importante procese și reacții dinamice din organism - la oxidarea biologică, care asigură energie celulelor vii, la fotosinteza plantelor, la reacțiile de biosinteză, la fixarea azotului și la fotosinteza bacteriană, la menținerea acidului- echilibrul de bază și homeostazia (cm. homeostazie), în procesele de transport membranar. Astfel, împreună cu oxigenul și carbonul, hidrogenul formează baza structurală și funcțională a fenomenelor vieții.


Dicţionar enciclopedic. 2009 .

Sinonime:

Vedeți ce înseamnă „hidrogen” în alte dicționare:

    Tabelul nuclizilor Informatii generale Nume, simbol Hidrogen 4, 4H Neutroni 3 Protoni 1 Proprietăți nuclizi Masă atomică 4,027810 (110) ... Wikipedia

    Tabelul nuclizilor Informații generale Nume, simbol Hidrogen 5, 5H Neutroni 4 Protoni 1 Proprietățile nuclizilor Masa atomică 5,035310 (110) ... Wikipedia

    Tabelul nuclizilor Informații generale Nume, simbol Hidrogen 6, 6H Neutroni 5 Protoni 1 Proprietățile nuclizilor Masa atomică 6,044940 (280) ... Wikipedia

    Tabelul nuclizilor Informații generale Nume, simbol Hidrogen 7, 7H Neutroni 6 Protoni 1 Proprietățile nuclizilor Masa atomică 7,052750 (1080) ... Wikipedia

Hidrogenul (Hydrogenium) a fost descoperit în prima jumătate a secolului al XVI-lea de către medicul și naturalistul german Paracelsus. În 1776, G. Cavendish (Anglia) și-a stabilit proprietățile și a subliniat diferențele față de alte gaze. Lavoisier a fost primul care a obținut hidrogen din apă și a demonstrat că apa este o combinație chimică de hidrogen și oxigen (1783).

Hidrogenul are trei izotopi: protiu, deuteriu sau D și tritiu sau T. Numerele lor de masă sunt 1, 2 și 3. Protiul și deuteriul sunt stabili, tritiul este radioactiv (timp de înjumătățire 12,5 ani). În compușii naturali, deuteriul și protiul sunt conținute în medie într-un raport de 1:6800 (în funcție de numărul de atomi). Tritiul se găsește în natură în cantități neglijabile.

Nucleul unui atom de hidrogen conține un proton. Nucleele de deuteriu și tritiu includ, pe lângă proton, unul și, respectiv, doi neutroni.

Molecula de hidrogen este formată din doi atomi. Iată câteva proprietăți care caracterizează atomul și molecula de hidrogen:

Energia de ionizare a atomului, eV 13,60

Afinitatea unui atom pentru un electron, eV 0,75

Electronegativitatea relativă 2.1

Raza unui atom, nm 0,046

Distanța internucleară într-o moleculă, nm 0,0741

Etalpia standard de disociere a moleculelor la 436,1

115. Hidrogenul în natură. Obținerea hidrogenului.

Hidrogenul în stare liberă se găsește pe Pământ doar în cantități mici. Uneori este eliberat împreună cu alte gaze în timpul erupțiilor vulcanice, precum și din foraje în timpul extracției petrolului. Dar sub formă de compuși, hidrogenul este foarte comun. Acest lucru se poate vedea deja din faptul că reprezintă o nouă parte din masa de apă. Hidrogenul este un constituent al tuturor organismelor vegetale și animale, petrol, cărbune tare și brun, gaze naturale și o serie de minerale. Ponderea hidrogenului din întreaga masă a scoarței terestre, inclusiv apa și aerul, reprezintă aproximativ 1%. Cu toate acestea, atunci când este recalculat ca procent din numărul total de atomi, conținutul de hidrogen din scoarța terestră este de 17%.

Hidrogenul este cel mai abundent element din spațiu. Reprezintă aproximativ jumătate din masa Soarelui și a majorității celorlalte stele. Este conținut în nebuloasele gazoase, în gazul interstelar și face parte din stele. În interiorul stelelor, nucleele atomilor de hidrogen sunt transformate în nucleele atomilor de heliu. Acest proces continuă cu eliberarea de energie; pentru multe stele, inclusiv Soarele, servește ca sursă principală de energie. Viteza procesului, adică numărul de nuclee de hidrogen care se transformă în nuclee de heliu într-un metru cub într-o secundă, este mică. Prin urmare, cantitatea de energie eliberată pe unitatea de timp pe unitatea de volum este mică. Cu toate acestea, datorită masei enorme a Soarelui, cantitatea totală de energie generată și emisă de Soare este foarte mare. Ea corespunde unei scăderi a masei Soarelui cu aproximativ o secundă.

În industrie, hidrogenul este produs în principal din gaze naturale. Acest gaz, care constă în principal din metan, este amestecat cu vapori de apă și oxigen. Când un amestec de gaze este încălzit în prezența unui catalizator, are loc o reacție, care poate fi reprezentată schematic prin ecuația:

Amestecul de gaze rezultat este separat. Hidrogenul este purificat și fie utilizat la fața locului, fie transportat în butelii de oțel sub presiune.

O metodă industrială importantă pentru producerea hidrogenului este, de asemenea, izolarea acestuia din gazul cuptorului de cocs sau din gazele de rafinare a petrolului. Se realizează prin răcire profundă, în care toate gazele, cu excepția hidrogenului, sunt lichefiate.

În laboratoare, hidrogenul este produs în mare parte prin electroliza soluțiilor apoase. Concentrația acestor soluții este aleasă pentru a se potrivi cu conductivitatea lor electrică maximă. Electrozii sunt de obicei fabricați din tablă de nichel. Acest metal nu se corodează în soluții alcaline, chiar fiind un anod. Dacă este necesar, hidrogenul rezultat este purificat din vapori de apă și urme de oxigen. Dintre celelalte metode de laborator, cea mai comună metodă este extragerea hidrogenului din soluții de acizi sulfuric sau clorhidric prin acțiunea zincului asupra acestora. Reacția este de obicei efectuată într-un aparat Kipp (Fig. 105).

DEFINIȚIE

Hidrogen este primul element din tabelul periodic. Denumire - H din latinescul „hydrogenium”. Situat în prima perioadă, grupa IA. Se referă la nemetale. Sarcina nucleară este 1.

Hidrogenul este unul dintre cele mai comune elemente chimice - cota sa este de aproximativ 1% din masa tuturor celor trei învelișuri ale scoarței terestre (atmosfera, hidrosferă și litosferă), care, atunci când este convertită în procente atomice, dă o cifră de 17,0.

Cantitatea principală a acestui element este în stare legată. Astfel, apa conține aproximativ 11 gr. %, argilă - aproximativ 1,5% etc. Sub formă de compuși cu carbon, hidrogenul face parte din petrol, gaze naturale combustibile și toate organismele.

Hidrogenul este un gaz incolor și inodor (o diagramă a structurii atomului este prezentată în Fig. 1). Punctele sale de topire și de fierbere sunt foarte scăzute (-259 o C și, respectiv, -253 o C). La o temperatură (-240 o C) și sub presiune, hidrogenul este capabil să se lichefieze, iar odată cu evaporarea rapidă a lichidului rezultat, se transformă în stare solidă(cristale transparente). Este ușor solubil în apă - 2:100 în volum. Hidrogenul se caracterizează prin solubilitate în unele metale, de exemplu, în fier.

Orez. 1. Structura atomului de hidrogen.

Greutatea atomică și moleculară a hidrogenului

DEFINIȚIE

Masa atomică relativă elementul este raportul dintre masa unui atom al unui element dat și 1/12 din masa unui atom de carbon.

Masa atomică relativă este adimensională și se notează cu A r (indicele „r” este litera inițială cuvânt englezesc relativă, care în traducere înseamnă „rudă”). Masa atomică relativă a hidrogenului atomic este de 1,008 amu.

Masele moleculelor, la fel ca și masele atomilor, sunt exprimate în unități de masă atomică.

DEFINIȚIE

greutate moleculară substanța se numește masa moleculei, exprimată în unități de masă atomică. Greutatea moleculară relativă substanțele numesc raportul dintre masa unei molecule a unei substanțe date și 1/12 din masa unui atom de carbon, a cărui masă este 12 a.m.u.

Se știe că molecula de hidrogen este diatomică - H 2 . Greutatea moleculară relativă a unei molecule de hidrogen va fi egală cu:

M r (H 2) \u003d 1,008 × 2 \u003d 2,016.

Izotopi ai hidrogenului

Hidrogenul are trei izotopi: protiu 1 H, deuteriu 2 H sau D și tritiu 3 H sau T. Numerele lor de masă sunt 1, 2 și 3. Protiul și deuteriul sunt stabili, tritiul este radioactiv (timp de înjumătățire 12,5 ani). În compușii naturali, deuteriul și protiul sunt conținute în medie într-un raport de 1:6800 (în funcție de numărul de atomi). Tritiul se găsește în natură în cantități neglijabile.

Nucleul atomului de hidrogen 1 H conține un proton. Nucleele de deuteriu și tritiu includ, pe lângă proton, unul și doi neutroni.

Ioni de hidrogen

Atomul de hidrogen poate fie dona singurul său electron pentru a forma un ion pozitiv (care este un proton „gol”) sau poate câștiga un electron, transformându-se într-un ion negativ, care are o configurație electronică de heliu.

Desprinderea completă a unui electron de un atom de hidrogen necesită cheltuirea unei energii de ionizare foarte mari:

H + 315 kcal = H + + e.

Ca urmare, în interacțiunea hidrogenului cu metaloizi nu apar legături ionice, ci doar polare.

Tendința unuia sau altui atom neutru de a atașa un electron în exces este caracterizată de valoarea afinității sale electronice. În hidrogen, este exprimat destul de slab (cu toate acestea, acest lucru nu înseamnă că un astfel de ion de hidrogen nu poate exista):

H + e \u003d H - + 19 kcal.

Moleculă și atom de hidrogen

Molecula de hidrogen este formată din doi atomi - H 2 . Iată câteva proprietăți care caracterizează atomul și molecula de hidrogen:

Exemple de rezolvare a problemelor

EXEMPLUL 1

Exercițiu Demonstrați că există hidruri cu formula generală EN x care conțin 12,5% hidrogen.
Soluţie Calculați masele de hidrogen și elementul necunoscut, luând masa probei ca 100 g:

m(H) = m(EN x)×w(H);

m(H) = 100 × 0,125 = 12,5 g.

m (E) \u003d m (EN x) - m (H);

m (E) \u003d 100 - 12,5 \u003d 87,5 g.

Să găsim cantitatea de substanță hidrogen și un element necunoscut, notând masa molară a acestuia din urmă drept „x” (masa molară a hidrogenului este de 1 g/mol):

Hidrogenul este un element chimic cu simbolul H și numărul atomic 1. Cu o greutate atomică standard de aproximativ 1,008, hidrogenul este cel mai ușor element din tabelul periodic. Forma sa monoatomică (H) este cea mai abundentă substanță chimică din univers, reprezentând aproximativ 75% din masa totală a unui barion. Stelele sunt compuse în mare parte din hidrogen în stare de plasmă. Cel mai comun izotop al hidrogenului, numit protium (acest nume este rar folosit, simbolul 1H), are un proton și nici un neutron. Apariția pe scară largă a hidrogenului atomic a avut loc pentru prima dată în epoca recombinării. La temperaturi și presiuni standard, hidrogenul este un gaz biatomic incolor, inodor, fără gust, netoxic, nemetalic, inflamabil, cu formula moleculară H2. Deoarece hidrogenul formează cu ușurință legături covalente cu majoritatea elementelor nemetalice, cea mai mare parte a hidrogenului de pe Pământ există în forme moleculare, cum ar fi apa sau compuși organici. Hidrogenul joacă un rol deosebit de important în reacțiile acido-bazice deoarece majoritatea reacțiilor pe bază de acid implică schimbul de protoni între moleculele solubile. În compușii ionici, hidrogenul poate lua forma unei sarcini negative (adică, anion) și este cunoscut sub numele de hidrură sau ca specie încărcată pozitiv (adică, cationi), notat cu simbolul H+. Cationul de hidrogen este descris ca fiind alcătuit dintr-un proton simplu, dar cationii efectivi de hidrogen din compușii ionici sunt întotdeauna mai complexi. Fiind singurul atom neutru pentru care ecuația Schrödinger poate fi rezolvată analitic, hidrogenul (și anume, studiul energiei și legării atomului său) a jucat un rol cheie în dezvoltarea mecanicii cuantice. Hidrogenul gazos a fost produs pentru prima dată artificial la începutul secolului al XVI-lea prin reacția acizilor cu metalele. În 1766-81. Henry Cavendish a fost primul care a recunoscut că hidrogenul gazos este o substanță discretă și că produce apă atunci când este ars, de unde și numele: hidrogen în greacă înseamnă „producător de apă”. Producția industrială de hidrogen este asociată în principal cu conversia cu abur a gazului natural și, mai rar, cu metode mai consumatoare de energie, cum ar fi electroliza apei. Majoritatea hidrogenului este folosit în apropierea locului unde este produs, cele două utilizări cele mai comune fiind procesarea combustibililor fosili (de exemplu, hidrocracarea) și producția de amoniac, în principal pentru piața îngrășămintelor. Hidrogenul este o preocupare în metalurgie, deoarece poate fragiliza multe metale, ceea ce face dificilă proiectarea conductelor și a rezervoarelor de stocare.

Proprietăți

Combustie

Hidrogenul gazos (dihidrogen sau hidrogen molecular) este un gaz inflamabil care va arde în aer într-un interval foarte larg de concentrații de la 4% la 75% în volum. Entalpia de ardere este de 286 kJ/mol:

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

Hidrogenul gazos formează amestecuri explozive cu aerul în concentrații de la 4-74% și cu clorul în concentrații de până la 5,95%. Reacțiile explozive pot fi cauzate de scântei, căldură sau lumina soarelui. Temperatura de autoaprindere a hidrogenului, temperatura de aprindere spontană în aer, este de 500 °C (932 °F). Flăcările de hidrogen-oxigen pur emit radiații ultraviolete și, cu un amestec ridicat de oxigen, sunt aproape invizibile cu ochiul liber, așa cum demonstrează pluma slabă a motorului principal al navetei spațiale în comparație cu penarul extrem de vizibil al rachetei de amplificare solide a navetei spațiale, care utilizează un compozit de perclorat de amoniu. Poate fi necesar un detector de flacără pentru a detecta o scurgere de hidrogen care arde; astfel de scurgeri pot fi foarte periculoase. Flacăra de hidrogen în alte condiții este albastră și seamănă cu flacăra albastră a gazului natural. Scufundarea aeronavei „Hindenburg” este un exemplu notoriu de ardere a hidrogenului, iar cazul este încă în discuție. Flacăra portocalie vizibilă din acest incident a fost cauzată de expunerea la un amestec de hidrogen și oxigen combinat cu compuși de carbon din pielea aeronavei. H2 reacționează cu fiecare element oxidant. Hidrogenul poate reacționa spontan la temperatura camerei cu clorul și fluorul pentru a forma halogenuri de hidrogen, acid clorhidric și fluorură de hidrogen corespunzătoare, care sunt, de asemenea, acizi potențial periculoși.

Nivelurile de energie a electronilor

Nivelul de energie al unui electron într-un atom de hidrogen este de -13,6 eV, ceea ce este echivalent cu un foton ultraviolet cu o lungime de undă de aproximativ 91 nm. Nivelurile de energie ale hidrogenului pot fi calculate destul de precis folosind modelul Bohr al atomului, care conceptualizează electronul ca un proton „orbital”, similar cu orbita Soarelui a Pământului. Cu toate acestea, electronul atomic și protonul sunt ținute împreună prin forța electromagnetică, în timp ce planetele și obiectele cerești sunt ținute împreună prin gravitație. Datorită discretizării momentului unghiular postulată la început mecanica cuantică Bohr, electronul din modelul Bohr poate ocupa doar anumite distanțe admisibile față de proton și, prin urmare, doar anumite energii admisibile. O descriere mai precisă a atomului de hidrogen provine dintr-un tratament pur mecanic cuantic care utilizează ecuația Schrödinger, ecuația Dirac sau chiar circuitul integrat Feynman pentru a calcula distribuția probabilității densității unui electron în jurul unui proton. Cele mai complexe metode de procesare vă permit să obțineți efecte mici teorie specială relativitatea și polarizarea în vid. În prelucrarea cuantică, electronul din atomul de hidrogen din starea fundamentală nu are deloc cuplu, ilustrând modul în care o „orbita planetară” diferă de mișcarea unui electron.

Forme moleculare elementare

Există doi izomeri de spin diferiți ai moleculelor de hidrogen diatomic care diferă în spinul relativ al nucleelor ​​lor. În forma ortohidrogenului, spinii celor doi protoni sunt paraleli și formează o stare triplet cu un număr cuantic de spin molecular de 1 (1/2 + 1/2); în forma parahidrogenului, spinurile sunt antiparalele și formează un singlet cu un număr cuantic de spin molecular de 0 (1/2 1/2). La temperatura și presiunea standard, hidrogenul gazos conține aproximativ 25% din forma para și 75% din forma orto, cunoscută și sub numele de „forma normală”. Raportul de echilibru dintre ortohidrogen și parahidrogen depinde de temperatură, dar deoarece forma orto este o stare excitată și are o energie mai mare decât forma para, este instabilă și nu poate fi purificată. La temperaturi foarte scăzute, starea de echilibru constă aproape exclusiv din forma para. Proprietati termice Fazele lichide și gazoase ale parahidrogenului pur diferă semnificativ de proprietățile formei normale datorită diferențelor de capacități termice de rotație, care este discutată mai detaliat în izomerii de spin a hidrogenului. Diferența orto/pereche apare și în alte molecule sau grupări funcționale care conțin hidrogen, cum ar fi apa și metilen, dar acest lucru este de puțină importanță pentru proprietățile lor termice. Interconversia necatalizată între para și orto H2 crește odată cu creșterea temperaturii; astfel, H2 rapid condensat conține cantitati mari formă ortogonală de înaltă energie, care este foarte lent convertită în forma para. Raportul orto/para în H2 condensat este un factor important în prepararea și stocarea hidrogenului lichid: conversia din orto în para este exotermă și oferă suficientă căldură pentru a vaporiza o parte din hidrogenul lichid, având ca rezultat pierderea materialului lichefiat. Catalizatori pentru conversia orto-para, cum ar fi oxidul de fier, Cărbune activ, azbestul platinizat, metalele pământurilor rare, compușii de uraniu, oxidul de crom sau unii compuși de nichel sunt utilizați la răcirea cu hidrogen.

faze

    Hidrogen gazos

    hidrogen lichid

    hidrogen nămol

    hidrogen solid

    hidrogen metalic

Conexiuni

Compuși covalenti și organici

Deși H2 nu este foarte reactiv în condiții standard, formează compuși cu majoritatea elementelor. Hidrogenul poate forma compuși cu elemente mai electronegative, cum ar fi halogeni (de exemplu F, Cl, Br, I) sau oxigen; în acești compuși, hidrogenul capătă o sarcină pozitivă parțială. Atunci când este legat de fluor, oxigen sau azot, hidrogenul poate participa sub forma unei legături necovalente de rezistență medie cu hidrogenul altor molecule similare, un fenomen numit legături de hidrogen, care este critic pentru stabilitatea multor molecule biologice. Hidrogenul formează, de asemenea, compuși cu elemente mai puțin electronegative, cum ar fi metalele și metaloizii, unde primește o sarcină negativă parțială. Acești compuși sunt adesea cunoscuți ca hidruri. Hidrogenul formează o mare varietate de compuși cu carbon, numiți hidrocarburi, și o varietate și mai mare de compuși cu heteroatomi, care, datorită asocierii lor comune cu viețuitoarele, se numesc compuși organici. Studiul proprietăților lor este Chimie organica, iar studiul lor în contextul organismelor vii este cunoscut sub numele de biochimie. După unele definiții, compușii „organici” trebuie să conțină doar carbon. Cu toate acestea, majoritatea conțin și hidrogen și, deoarece legătura carbon-hidrogen este cea care conferă acestei clase de compuși o mare parte din caracteristicile lor chimice specifice, legăturile carbon-hidrogen sunt necesare în unele definiții ale cuvântului „organic” în chimie. Milioane de hidrocarburi sunt cunoscute și sunt de obicei formate din căi sintetice complexe care rareori implică hidrogenul elementar.

hidruri

Compușii cu hidrogen sunt adesea numiți hidruri. Termenul „hidrură” sugerează că atomul de H a căpătat un caracter negativ sau anionic, notat H-, și este utilizat atunci când hidrogenul formează un compus cu un element mai electropozitiv. Existența unui anion hidrură, propus de Gilbert N. Lewis în 1916 pentru hidrurile care conțin sare din grupa 1 și 2, a fost demonstrată de Moers în 1920 prin electroliza hidrurii de litiu (LiH) topit, producând o cantitate stoechiometrică de hidrogen per anod. Pentru hidruri, altele decât metalele din grupa 1 și 2, termenul este înșelător, având în vedere electronegativitatea scăzută a hidrogenului. O excepție din grupul 2 hidruri este BeH2, care este polimeric. În hidrura de litiu-aluminiu, anionul AlH-4 poartă centrii de hidrură atașați ferm de Al(III). Deși hidrurile se pot forma în aproape toate elementele grupului principal, numărul și combinația de compuși posibili variază foarte mult; de exemplu, sunt cunoscute peste 100 de hidruri de boran binare și doar o hidrură de aluminiu binară. Hidrura de indiu binară nu a fost încă identificată, deși există complexe mari. În chimia anorganică, hidrurile pot servi și ca liganzi de legătură care leagă doi centri metalici într-un complex de coordonare. Această funcție este caracteristică în special elementelor din grupa 13, în special în borani (hidruri de bor) și complexe de aluminiu, precum și în carboranii grupați.

Protoni și acizi

Oxidarea hidrogenului îi îndepărtează electronul și dă H+, care nu conține electroni și nici nucleu, care de obicei este format dintr-un singur proton. Acesta este motivul pentru care H+ este adesea denumit proton. Acest punct de vedere este esențial pentru discuția despre acizi. Conform teoriei Bronsted-Lowry, acizii sunt donatori de protoni, iar bazele sunt acceptori de protoni. Protonul gol, H+, nu poate exista în soluție sau în cristale ionice din cauza atracției sale irezistibile față de alți atomi sau molecule cu electroni. Cu excepția temperaturilor ridicate asociate cu plasmele, astfel de protoni nu pot fi îndepărtați din norii de electroni ai atomilor și moleculelor și vor rămâne atașați de ei. Cu toate acestea, termenul „proton” este uneori folosit metaforic pentru a se referi la hidrogenul încărcat pozitiv sau cationic atașat la alte specii în acest mod și, ca atare, este desemnat „H+” fără a însemna că protonii individuali există liber ca specie. Pentru a evita apariția unui „proton solvat” gol în soluție, se crede uneori că soluțiile apoase acide conțin o specie fictivă mai puțin probabilă numită „ion de hidroniu” (H3O+). Cu toate acestea, chiar și în acest caz, astfel de cationi de hidrogen solvat sunt percepuți mai realist ca grupuri organizate care formează specii apropiate de H 9O+4. Alți ioni de oxoniu se găsesc atunci când apa este într-o soluție acidă cu alți solvenți. În ciuda faptului că este exotic pe Pământ, unul dintre cei mai comuni ioni din univers este H+3, cunoscut sub numele de hidrogen molecular protonat sau cationul trihidrogen.

izotopi

Hidrogenul are trei izotopi care apar în mod natural, denumiți 1H, 2H și 3H. Alți nuclei foarte instabili (4H până la 7H) au fost sintetizați în laborator, dar nu au fost observați în natură. 1H este cel mai comun izotop al hidrogenului, cu o abundență de peste 99,98%. Deoarece nucleul acestui izotop este format dintr-un singur proton, i se dă numele formal descriptiv, dar rar folosit protium. 2H, celălalt izotop stabil al hidrogenului, este cunoscut sub numele de deuteriu și conține un proton și un neutron în nucleu. Se crede că tot deuteriul din univers a fost produs în timpul Big Bang-ului și a existat de atunci până în prezent. Deuteriul nu este un element radioactiv și nu prezintă un pericol semnificativ de toxicitate. Apa îmbogățită în molecule care includ deuteriu în loc de hidrogen normal se numește apă grea. Deuteriul și compușii săi sunt utilizați ca etichetă neradioactivă în experimente chimice și în solvenți pentru spectroscopia 1H-RMN. Apa grea este folosită ca moderator de neutroni și lichid de răcire pentru reactoarele nucleare. Deuteriul este, de asemenea, un potențial combustibil pentru fuziunea nucleară comercială. 3H este cunoscut sub numele de tritiu și conține un proton și doi neutroni în nucleu. Este radioactiv, degradându-se în heliu-3 prin descompunere beta, cu un timp de înjumătățire de 12,32 ani. Este atât de radioactiv încât poate fi folosit în vopsea luminoasă, făcându-l util în realizarea de ceasuri cu cadrane luminoase, de exemplu. Sticla previne scăparea unei cantități mici de radiații. O cantitate mică de tritiu este produsă în mod natural prin interacțiunea razelor cosmice cu gazele atmosferice; tritiu a fost, de asemenea, eliberat în timpul testării arme nucleare. Este utilizat în reacțiile de fuziune nucleară ca indicator al geochimiei izotopilor și în dispozitive specializate de iluminat cu autoalimentare. Tritiul a fost, de asemenea, utilizat în experimente de etichetare chimică și biologică ca etichetă radioactivă. Hidrogenul este singurul element care are denumiri diferite pentru izotopii săi care sunt de uz curent astăzi. În timpul studiului timpuriu al radioactivității, s-au administrat diverși izotopi radioactivi grei nume proprii, dar astfel de denumiri nu se mai folosesc, cu excepția deuteriului și a tritiului. Simbolurile D și T (în loc de 2H și 3H) sunt uneori folosite pentru deuteriu și tritiu, dar simbolul corespunzător pentru proțiu P este deja folosit pentru fosfor și, prin urmare, nu este disponibil pentru proțiu. În ghidurile sale de nomenclatură, Uniunea Internațională de Chimie Pură și Aplicată permite utilizarea oricărui simbol din D, T, 2H și 3H, deși sunt preferate 2H și 3H. Atomul exotic muonium (simbolul Mu), constând dintr-un antimuon și un electron, este, de asemenea, considerat uneori un radioizotop ușor de hidrogen datorită diferenței de masă dintre antimuon și electron, care a fost descoperit în 1960. În timpul vieții muonului, 2,2 μs, muoniul poate intra în compuși precum clorura de muonium (MuCl) sau muonura de sodiu (NaMu), în mod similar cu hidrogenul clorhidric și respectiv hidrura de sodiu.

Poveste

Descoperire și utilizare

În 1671, Robert Boyle a descoperit și descris reacția dintre pilitura de fier și acizii diluați care are ca rezultat hidrogenul gazos. În 1766, Henry Cavendish a fost primul care a recunoscut gazul hidrogen ca o substanță discretă, denumind gazul „aer inflamabil” din cauza reacției metal-acid. El a sugerat că „aerul inflamabil” era de fapt identic cu o substanță ipotetică numită „flogiston” și a descoperit din nou în 1781 că gazul producea apă atunci când era ars. Se crede că el a fost cel care a descoperit hidrogenul ca element. În 1783, Antoine Lavoisier a dat elementului denumirea de hidrogen (din grecescul ὑδρο-hydro care înseamnă „apă” și -γενής gene care înseamnă „creator”) când el și Laplace au reprodus datele lui Cavendish că atunci când hidrogenul este ars, se formează apa. Lavoisier a produs hidrogen pentru experimentele sale de conservare a masei prin reacția unui curent de abur cu fier metalic printr-o lampă incandescentă încălzită într-un foc. Oxidarea anaerobă a fierului de către protonii de apă la temperatură ridicată poate fi reprezentată schematic printr-un set de următoarele reacții:

    Fe + H2O → FeO + H2

    2 Fe + 3 H2O → Fe2O3 + 3 H2

    3 Fe + 4 H2O → Fe3O4 + 4 H2

Multe metale, cum ar fi zirconiul, suferă o reacție similară cu apa pentru a produce hidrogen. Hidrogenul a fost pentru prima dată lichefiat de James Dewar în 1898 folosind refrigerarea regenerativă și invenția sa, balonul cu vid. În anul următor, el a produs hidrogen solid. Deuteriul a fost descoperit în decembrie 1931 de Harold Uray, iar tritiul a fost preparat în 1934 de Ernest Rutherford, Mark Oliphant și Paul Harteck. Apa grea, care este formată din deuteriu în loc de hidrogen obișnuit, a fost descoperită de grupul lui Yurey în 1932. François Isaac de Rivaz a construit primul motor Rivaz, motorul combustie interna, propulsat de hidrogen și oxigen, în 1806. Edward Daniel Clark a inventat tubul cu hidrogen gazos în 1819. Oțelul lui Döbereiner (prima brichetă cu drepturi depline) a fost inventat în 1823. Primul balon cu hidrogen a fost inventat de Jacques Charles în 1783. Hidrogenul a oferit ascensiunea primei forme sigure de trafic aerian după inventarea de către Henri Giffard a primei nave dirijabile cu hidrogen în 1852. Contele german Ferdinand von Zeppelin a promovat ideea aeronavelor rigide ridicate în aer de hidrogen, care mai târziu au fost numite Zeppelins; primul dintre acestea a zburat pentru prima dată în 1900. Zborurile regulate au început în 1910 și până la începutul Primului Război Mondial în august 1914 transportaseră 35.000 de pasageri fără incidente majore. În timpul războiului, dirijabilele cu hidrogen au fost folosite ca platforme de observare și bombardiere. Primul zbor transatlantic non-stop a fost realizat de dirijabilul britanic R34 în 1919. Serviciul obișnuit de pasageri a fost reluat în anii 1920, iar descoperirea rezervelor de heliu în Statele Unite trebuia să îmbunătățească siguranța aviației, dar guvernul SUA a refuzat să vândă gaz în acest scop, așa că H2 a fost folosit în dirijabilul Hindenburg, care a fost distrus în Incendiu de la Milano din New Jersey, 6 mai 1937. Incidentul a fost transmis în direct la radio și filmat. S-a presupus pe scară largă că cauza aprinderii a fost o scurgere de hidrogen, totuși studiile ulterioare indică faptul că stratul de țesătură aluminizat a fost aprins de electricitate statică. Dar până în acest moment, reputația hidrogenului ca gaz de ridicare fusese deja deteriorată. În același an, primul turbogenerator răcit cu hidrogen cu hidrogen gazos ca lichid de răcire în rotor și stator a intrat în funcțiune în 1937 în Dayton, Ohio, de către Dayton Power & Light Co.; datorită conductivității termice a hidrogenului gazos, acesta este cel mai frecvent gaz utilizat în acest domeniu astăzi. Bateria cu nichel-hidrogen a fost folosită pentru prima dată în 1977 la bordul satelitului US Navigation Technology Satellite 2 (NTS-2). ISS, Mars Odyssey și Mars Global Surveyor sunt echipate cu baterii cu nichel-hidrogen. În partea întunecată a orbitei sale, telescopul spațial Hubble este alimentat și de baterii cu nichel-hidrogen, care au fost înlocuite în sfârșit în mai 2009, la mai bine de 19 ani de la lansare și la 13 ani după ce au fost proiectate.

Rolul în teoria cuantică

Datorită structurii sale atomice simple de numai un proton și un electron, atomul de hidrogen, împreună cu spectrul de lumină creat din sau absorbit de acesta, a fost esențial pentru dezvoltarea teoriei structurii atomice. În plus, studiul simplității corespunzătoare a moleculei de hidrogen și a cationului H+2 corespunzător a condus la înțelegerea naturii legăturii chimice, care a urmat în curând tratamentul fizic al atomului de hidrogen în mecanica cuantică la mijlocul anului 2020. Unul dintre primele efecte cuantice care a fost observat în mod clar (dar neînțeles la acel moment) a fost observația lui Maxwell care implică hidrogen cu o jumătate de secol înainte să existe o teorie mecanică cuantică completă. Maxwell a notat că căldura specifică H2 se îndepărtează ireversibil de gazul diatomic sub temperatura camerei și începe să semene din ce în ce mai mult cu capacitatea termică specifică a gazului monoatomic la temperaturi criogenice. Conform teoria cuantica, acest comportament rezultă din distanțarea nivelurilor de energie de rotație (cuantificate), care sunt mai ales larg distanțate în H2 datorită masei sale scăzute. Aceste niveluri larg distanțate împiedică o împărțire egală a energiei termice în mișcare de rotație în hidrogen la temperaturi scăzute. Gazele de diatomee, care sunt compuse din atomi mai grei, nu au niveluri atât de distanțate și nu prezintă același efect. Antihidrogenul este analogul antimaterial al hidrogenului. Este format dintr-un antiproton cu un pozitron. Antihidrogenul este singurul tip de atom de antimaterie care a fost produs din 2015.

Fiind în natură

Hidrogenul este cel mai abundent element chimic din univers, alcătuind 75% din masa normală și peste 90% din numărul de atomi. (Totuși, cea mai mare parte a masei universului nu este sub această formă element chimic, dar se crede că are forme de masă încă nedescoperite, cum ar fi materia întunecată și energia întunecată.) Acest element se găsește din abundență în stele și giganții gazosi. Norii moleculari H2 sunt asociați cu formarea stelelor. Hidrogenul joacă un rol vital în aprinderea stelelor prin reacția proton-proton și fuziunea nucleară a ciclului CNO. În întreaga lume, hidrogenul apare în principal în stări atomice și plasmatice cu proprietăți destul de diferite de cele ale hidrogenului molecular. Ca plasmă, electronul și protonul hidrogenului nu sunt legați împreună, rezultând o conductivitate electrică foarte mare și o emisivitate ridicată (generând lumină de la Soare și alte stele). Particulele încărcate sunt puternic afectate de câmpurile magnetice și electrice. De exemplu, în vântul solar, ei interacționează cu magnetosfera Pământului, creând curenți Birkeland și aurora. Hidrogenul se află într-o stare atomică neutră în mediul interstelar. Se crede că cantitatea mare de hidrogen neutru găsită în sistemele evanescente Liman-alfa domină densitatea barionică cosmologică a Universului până la deplasarea spre roșu z = 4. În condiții normale pe Pământ, hidrogenul elementar există ca gaz diatomic, H2. Cu toate acestea, hidrogenul gazos este foarte rar în atmosfera pământului (1 ppm în volum) datorită acestuia greutate redusă, ceea ce îi permite să învingă gravitația Pământului mai ușor decât gazele mai grele. Cu toate acestea, hidrogenul este al treilea element cel mai abundent de pe suprafața Pământului, existând în primul rând sub formă de compuși chimici precum hidrocarburile și apa. Hidrogenul gazos este produs de unele bacterii și alge și este o componentă naturală a flautului, la fel ca metanul, care este o sursă din ce în ce mai importantă de hidrogen. O formă moleculară numită hidrogen molecular protonat (H+3) se găsește în mediul interstelar, unde este generată prin ionizarea hidrogenului molecular din razele cosmice. Acest ion încărcat a fost observat și în atmosfera superioară a planetei Jupiter. Ionul este relativ stabil în mediu inconjurator datorită temperaturii și densității scăzute. H+3 este unul dintre cei mai abundenți ioni din univers și joacă un rol proeminent în chimia mediului interstelar. Hidrogenul triatomic neutru H3 poate exista numai sub formă excitată și este instabil. În schimb, ionul de hidrogen molecular pozitiv (H+2) este o moleculă rară în univers.

Producția de hidrogen

H2 este produs în laboratoare chimice și biologice, adesea ca produs secundar al altor reacții; în industrie pentru hidrogenarea substraturilor nesaturate; iar în natură ca mijloc de înlocuire a echivalenţilor reducători în reacţiile biochimice.

Reformarea cu abur

Hidrogenul poate fi produs în mai multe moduri, dar din punct de vedere economic cele mai importante procese presupun îndepărtarea hidrogenului din hidrocarburi, întrucât aproximativ 95% din producția de hidrogen în anul 2000 provenea din reformarea cu abur. Comercial, volume mari de hidrogen sunt de obicei produse prin reformarea cu abur a gazului natural. La temperaturi mari(1000-1400 K, 700-1100 °C sau 1300-2000 °F) aburul (aburul) reacționează cu metanul pentru a produce monoxid de carbon și H2.

    CH4 + H2O → CO + 3 H2

Această reacție funcționează cel mai bine la presiuni scăzute, dar poate fi efectuată în continuare la presiuni ridicate (2,0 MPa, 20 atm sau 600 inchi de mercur). Acest lucru se datorează faptului că H2 de înaltă presiune este cel mai popular produs, iar sistemele de curățare cu supraîncălzire sub presiune funcționează mai bine la presiuni mai mari. Amestecul de produse este cunoscut sub numele de „gaz de sinteză” deoarece este adesea folosit direct pentru a produce metanol și compuși înrudiți. Hidrocarburile, altele decât metanul, pot fi utilizate pentru a produce gaz de sinteză cu diferite rapoarte de produs. Una dintre numeroasele complicații ale acestei tehnologii extrem de optimizate este formarea de cocs sau carbon:

    CH4 → C + 2H2

Prin urmare, reformarea cu abur utilizează de obicei un exces de H2O. Hidrogenul suplimentar poate fi recuperat din abur folosind monoxid de carbon printr-o reacție de schimbare a gazului de apă, în special folosind un catalizator de oxid de fier. Această reacție este, de asemenea, o sursă industrială comună de dioxid de carbon:

    CO + H2O → CO2 + H2

Alte metode importante pentru H2 includ oxidarea parțială a hidrocarburilor:

    2 CH4 + O2 → 2 CO + 4 H2

Și reacția cărbunelui, care poate servi drept preludiu la reacția de schimbare descrisă mai sus:

    C + H2O → CO + H2

Uneori, hidrogenul este produs și consumat în același proces industrial, fără separare. În procesul Haber pentru producerea amoniacului, hidrogenul este generat din gazul natural. Electroliza soluției de sare pentru a produce clor produce, de asemenea, hidrogen ca produs secundar.

acid metalic

În laborator, H2 este de obicei obținut prin reacția acizilor neoxidanți diluați cu anumite metale reactive, cum ar fi zincul, cu un aparat Kipp.

    Zn + 2 H + → Zn2 + + H2

De asemenea, aluminiul poate produce H2 atunci când este tratat cu baze:

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

Electroliza apei este o modalitate simplă de a produce hidrogen. Un curent de joasă tensiune trece prin apă și oxigenul gazos este generat la anod, în timp ce hidrogenul gazos este generat la catod. De obicei, catodul este fabricat din platină sau alt metal inert în producerea de hidrogen pentru stocare. Dacă, totuși, gazul urmează să fie ars in situ, prezența oxigenului este de dorit pentru a promova arderea și, prin urmare, ambii electrozi vor fi fabricați din metale inerte. (De exemplu, fierul se oxidează și, prin urmare, reduce cantitatea de oxigen eliberată). Eficiența maximă teoretică (electricitatea utilizată în raport cu valoarea energetică a hidrogenului produs) este în intervalul 80-94%.

    2 H2O (L) → 2 H2 (g) + O2 (g)

Un aliaj de aluminiu și galiu sub formă de granule adăugate în apă poate fi folosit pentru a produce hidrogen. Acest proces produce și alumină, dar galiul scump, care împiedică formarea pielii de oxid pe pelete, poate fi reutilizat. Acest lucru are implicații potențiale importante pentru economia hidrogenului, deoarece hidrogenul poate fi produs local și nu trebuie să fie transportat.

Proprietăți termochimice

Există mai mult de 200 de cicluri termochimice care pot fi folosite pentru a separa apa, aproximativ o duzină dintre aceste cicluri, cum ar fi ciclul oxidului de fier, ciclul oxidului de ceriu (IV), ciclul oxidului de ceriu (III), oxidul de zinc-zinc. ciclul, ciclul iodului cu sulf, ciclul cuprului și ciclul hibrid al clorului și al sulfului sunt în curs de cercetare și testare pentru a produce hidrogen și oxigen din apă și căldură fără utilizarea energiei electrice. O serie de laboratoare (inclusiv cele din Franța, Germania, Grecia, Japonia și SUA) dezvoltă metode termochimice pentru producerea hidrogenului din energie solară și apă.

Coroziunea anaerobă

În condiții anaerobe, aliajele de fier și oțel sunt lent oxidate de protonii de apă, în timp ce sunt reduse în hidrogen molecular (H2). Coroziunea anaerobă a fierului duce mai întâi la formarea hidroxidului de fier (rugina verde) și poate fi descrisă prin următoarea reacție: Fe + 2 H2O → Fe (OH) 2 + H2. La rândul său, în condiții anaerobe, hidroxidul de fier (Fe (OH) 2) poate fi oxidat de protonii de apă pentru a forma magnetit și hidrogen molecular. Acest proces este descris de reacția Shikorra: 3 Fe (OH) 2 → Fe3O4 + 2 H2O + H2 hidroxid de fier → magneziu + apă + hidrogen. Magnetita bine cristalizată (Fe3O4) este termodinamic mai stabilă decât hidroxidul de fier (Fe(OH)2). Acest proces are loc în timpul coroziunii anaerobe a fierului și oțelului în medii anoxice. panza freatica iar la refacerea solurilor sub nivelul apei subterane.

Origine geologică: reacție de serpentinizare

În absenţa oxigenului (O2) în adâncime conditii geologice, predominând departe de atmosfera terestră, hidrogenul (H2) se formează în procesul de serpentinizare prin oxidare anaerobă de către protonii de apă (H+) ai silicatului de fier (Fe2 +) prezenți în rețeaua cristalină a fayalitei (Fe2SiO4, minal olivină-fier) . Reacția corespunzătoare care duce la formarea magnetitului (Fe3O4), cuarțului (SiO2) și hidrogenului (H2): 3Fe2SiO4 + 2 H2O → 2 Fe3O4 + 3 SiO2 + 3 H2 fayalită + apă → magnetit + cuarț + hidrogen. Această reacție seamănă foarte mult cu reacția Shikorra observată în oxidarea anaerobă a hidroxidului de fier în contact cu apa.

Formarea în transformatoare

Dintre toate gazele periculoase produse în transformatoarele de putere, hidrogenul este cel mai frecvent și este generat în majoritatea defecțiunilor; astfel, formarea hidrogenului este un semn precoce al unor probleme serioase în ciclul de viață al unui transformator.

Aplicații

Consumul în diverse procese

Sunt necesare cantități mari de H2 în industria petrolului și în industria chimică. Cea mai mare utilizare a H2 este pentru procesarea („modernizarea”) combustibililor fosili și pentru producerea de amoniac. În instalațiile petrochimice, H2 este utilizat în hidrodealchilare, hidrodesulfurare și hidrocracare. H2 are mai multe alte utilizări importante. H2 este utilizat ca agent de hidrogenare, în special pentru a crește nivelul de saturație al grăsimilor și uleiurilor nesaturate (găsete în articole precum margarina) și în producția de metanol. Este, de asemenea, o sursă de hidrogen în producția de acid clorhidric. H2 este, de asemenea, folosit ca agent reducător pentru minereurile metalice. Hidrogenul este foarte solubil în multe pământuri rare și metale de tranziție și este solubil atât în ​​metale nanocristaline cât și amorfe. Solubilitatea hidrogenului în metale depinde de distorsiunile locale sau de impuritățile din rețeaua cristalină. Acest lucru poate fi util atunci când hidrogenul este purificat prin trecerea prin discuri fierbinți de paladiu, dar solubilitatea ridicată a gazului este o problemă metalurgică care fragilizează multe metale, complicând proiectarea conductelor și a rezervoarelor de stocare. Pe lângă faptul că este folosit ca reactiv, H2 are o gamă largă de aplicații în fizică și inginerie. Este folosit ca gaz de protecție în metode de sudare, cum ar fi sudarea atomică cu hidrogen. H2 este folosit ca lichid de răcire a rotorului în generatoarele electrice din centralele electrice, deoarece are cea mai mare conductivitate termică dintre orice gaz. H2 lichid este utilizat în cercetarea criogenică, inclusiv în cercetarea supraconductivității. Deoarece H2 este mai ușor decât aerul, având puțin peste 1/14 din densitatea aerului, a fost odată folosit pe scară largă ca gaz de ridicare în baloane și avioane. În aplicațiile mai noi, hidrogenul este folosit pur sau amestecat cu azot (uneori numit gaz de formare) ca gaz trasor pentru detectarea instantanee a scurgerilor. Hidrogenul este utilizat în industria auto, chimică, energetică, aerospațială și de telecomunicații. Hidrogenul este un aditiv alimentar permis (E 949) care permite testarea scurgerilor de alimente, printre alte proprietăți antioxidante. Izotopii rari ai hidrogenului au, de asemenea, utilizări specifice. Deuteriul (hidrogen-2) este utilizat în aplicațiile de fisiune nucleară ca moderator de neutroni lent și în reacțiile de fuziune nucleară. Compușii de deuteriu sunt utilizați în domeniul chimiei și biologiei în studiul efectelor izotopice ale reacției. Tritiul (hidrogen-3), produs în reactoare nucleare, este folosit la fabricarea bombelor cu hidrogen, ca marker izotop în științele biologice și ca sursă de radiații în vopselele luminoase. Temperatura punctului triplu a hidrogenului de echilibru este punctul fix definitoriu pe scara de temperatură ITS-90 la 13,8033 Kelvin.

Mediu de răcire

Hidrogenul este utilizat în mod obișnuit în centralele electrice ca agent frigorific în generatoare datorită unui număr de proprietăți favorabile care sunt rezultatul direct al moleculelor sale biatomice ușoare. Acestea includ densitatea scăzută, vâscozitatea scăzută și cea mai mare capacitate specifică de căldură și conductivitate termică a oricărui gaz.

Purtător de energie

Hidrogenul nu este o resursă energetică, decât în ​​contextul ipotetic al centralelor comerciale de fuziune care utilizează deuteriu sau tritiu, o tehnologie în prezent departe de a fi matură. Energia Soarelui provine din fuziunea nucleară a hidrogenului, dar acest proces este greu de realizat pe Pământ. Hidrogenul elementar din surse solare, biologice sau electrice necesită mai multă energie pentru a-l produce decât este nevoie pentru a-l arde, așa că în aceste cazuri hidrogenul funcționează ca un purtător de energie, similar unei baterii. Hidrogenul poate fi obținut din surse fosile (cum ar fi metanul), dar aceste surse sunt epuizabile. Densitatea de energie pe unitatea de volum atât a hidrogenului lichid, cât și a hidrogenului gazos comprimat la orice presiune practic realizabilă este semnificativ mai mică decât sursele de energie convenționale, deși densitatea de energie pe unitatea de masă de combustibil este mai mare. Cu toate acestea, hidrogenul elementar a fost discutat pe larg în contextul energetic ca un posibil viitor transportator de energie la nivelul întregii economii. De exemplu, sechestrarea CO2 urmată de captarea și stocarea carbonului ar putea fi realizată la punctul de producere a H2 din combustibili fosili. Hidrogenul folosit în transport va arde relativ curat, cu unele emisii de NOx, dar fără emisii de carbon. Cu toate acestea, costul infrastructurii asociat cu o conversie completă la o economie cu hidrogen va fi substanțial. Pilele de combustie pot transforma hidrogenul și oxigenul direct în electricitate mai eficient decât motoarele cu ardere internă.

industria semiconductoarelor

Hidrogenul este folosit pentru a satura legăturile suspendate ale siliciului amorf și carbonului amorf, ceea ce ajută la stabilizarea proprietăților materialului. Este, de asemenea, un potențial donor de electroni în diferite materiale de oxid, inclusiv ZnO, SnO2, CdO, MgO, ZrO2, HfO2, La2O3, Y2O3, TiO2, SrTiO3, LaAlO3, SiO2, Al2O3, ZrSiO4, HfSiO4 și SrZrO3.

reactii biologice

H2 este un produs al unui metabolism anaerob și este produs de mai multe microorganisme, de obicei prin reacții catalizate de enzime care conțin fier sau nichel numite hidrogenaze. Aceste enzime catalizează o reacție redox reversibilă între H2 și cei doi protoni și doi electroni ai săi. Crearea hidrogenului gazos are loc prin transferul echivalenților reducători produși prin fermentarea piruvatului în apă. Ciclul natural de producere și consum de hidrogen de către organisme se numește ciclul hidrogenului. Diviziunea apei, procesul prin care apa este descompusă în protoni, electroni și oxigen, are loc în reacțiile luminoase în toate organismele fotosintetice. Unele astfel de organisme, inclusiv algele Chlamydomonas Reinhardtii și cianobacteriile, au evoluat într-o a doua etapă în reacții întunecate în care protonii și electronii sunt reduși pentru a forma gaz H2 prin hidrogenaze specializate din cloroplast. Au fost făcute încercări de modificare genetică a hidrazelor cianobacteriene pentru a sintetiza eficient H2 gaz chiar și în prezența oxigenului. De asemenea, s-au făcut eforturi folosind alge modificate genetic într-un bioreactor.