Hidrojen hangi gazdır. Hidrojen - bu madde nedir? Hidrojenin kimyasal ve fiziksel özellikleri

Periyodik sistemde, sergilediği özellikleri yansıtan ve elektronik yapısından söz eden kendine özgü bir konumu vardır. Bununla birlikte, hepsinin arasında, aynı anda iki hücreyi işgal eden özel bir atom vardır. Tezahür özelliklerinde tamamen zıt olan iki element grubunda bulunur. Bu hidrojen. Bu özellikler onu benzersiz kılıyor.

Hidrojen sadece bir element değil, aynı zamanda basit bir madde ve birçok karmaşık bileşiğin ayrılmaz bir parçası, biyojenik ve organojenik bir elementtir. Bu nedenle, özelliklerini ve özelliklerini daha ayrıntılı olarak ele alıyoruz.

Kimyasal bir element olarak hidrojen

Hidrojen, ana alt grubun birinci grubunun ve ilk küçük periyotta ana alt grubun yedinci grubunun bir elementidir. Bu periyot sadece iki atomdan oluşur: helyum ve ele aldığımız element. Periyodik sistemdeki hidrojenin konumunun ana özelliklerini açıklayalım.

  1. Hidrojenin seri numarası 1'dir, sırasıyla elektron sayısı aynıdır, proton sayısı aynıdır. Atom kütlesi 1.00795'tir. Bu elementin kütle numaraları 1, 2, 3 olan üç izotopu vardır. Ancak bunların her birinin özellikleri çok farklıdır, çünkü hidrojen için bir kütle artışı bile hemen iki katına çıkar.
  2. Dış yüzeyinde yalnızca bir elektron içermesi, hem oksitleyici hem de indirgeyici özellikleri başarıyla sergilemesini sağlar. Ek olarak, bir elektron bağışından sonra, verici-alıcı mekanizmasına göre kimyasal bağların oluşumunda yer alan serbest bir yörünge kalır.
  3. Hidrojen güçlü bir indirgeyici ajandır. Bu nedenle, ana alt grubun ilk grubu, en aktif metallere - alkalilere yol açtığı ana yeri olarak kabul edilir.
  4. Bununla birlikte, örneğin metaller gibi güçlü indirgeyici maddelerle etkileşime girdiğinde, bir elektronu kabul eden bir oksitleyici madde de olabilir. Bu bileşiklere hidritler denir. Bu temelde, benzer olduğu halojen alt grubuna başkanlık eder.
  5. Çok küçük atom kütlesi nedeniyle, hidrojen en hafif element olarak kabul edilir. Ayrıca yoğunluğu da çok düşüktür, bu nedenle hafiflik için de bir kriterdir.

Böylece hidrojen atomunun diğer tüm elementlerden farklı olarak tamamen benzersiz olduğu açıktır. Dolayısıyla özellikleri de özeldir ve oluşan basit ve karmaşık maddeler çok önemlidir. Onları daha fazla düşünelim.

basit madde

Bu elementten bir molekül olarak bahsedersek, bunun iki atomlu olduğunu söylemeliyiz. Yani hidrojen (basit bir madde) bir gazdır. Ampirik formülü H 2 olarak yazılacak ve grafik bir - tek bir sigma bağı. Atomlar arasındaki bağ oluşum mekanizması polar olmayan kovalenttir.

  1. Metanın buhar reformu.
  2. Kömür gazlaştırma - süreç, kömürün 1000 0 C'ye ısıtılmasını içerir, bu da hidrojen ve yüksek karbonlu kömür oluşumuyla sonuçlanır.
  3. Elektroliz. Eriyikler katotta su deşarjına yol açmadığından, bu yöntem sadece çeşitli tuzların sulu çözeltileri için kullanılabilir.

Hidrojen üretmek için laboratuvar yöntemleri:

  1. Metal hidritlerin hidrolizi.
  2. Seyreltik asitlerin aktif metaller üzerindeki etkisi ve orta aktivite.
  3. Alkali ve toprak alkali metallerin su ile etkileşimi.

Ortaya çıkan hidrojeni toplamak için test tüpünü ters çevirmek gerekir. Ne de olsa bu gaz, örneğin karbondioksit ile aynı şekilde toplanamıyor. Bu hidrojen, havadan çok daha hafif. Hızla buharlaşır ve büyük miktarlarda hava ile karıştığında patlar. Bu nedenle tüp ters çevrilmelidir. Doldurulduktan sonra lastik tıpa ile kapatılmalıdır.

Toplanan hidrojenin saflığını kontrol etmek için boynunuza yanan bir kibrit getirmelisiniz. Pamuk sağır ve sessizse, gaz temizdir ve minimum hava kirliliği vardır. Yüksek ve ıslık çalıyorsa, büyük oranda yabancı bileşen içeren kirlidir.

kullanım alanları

Hidrojen yandığında, o kadar büyük miktarda enerji (ısı) açığa çıkar ki, bu gaz en karlı yakıt olarak kabul edilir. Ayrıca çevre dostudur. Ancak şu anda bu alandaki kullanımı sınırlıdır. Bunun nedeni, reaktörlerde, motorlarda ve taşınabilir cihazların yanı sıra konut ısıtma kazanlarında yakıt olarak kullanılmaya uygun saf hidrojenin sentezlenmesiyle ilgili yanlış tasarlanmış ve çözülmemiş problemlerdir.

Sonuçta, bu gazı elde etme yöntemleri oldukça pahalıdır, bu nedenle önce özel bir sentez yöntemi geliştirmek gerekir. Ürünü almanızı sağlayacak bir büyük hacimli ve minimum maliyetle.

Düşündüğümüz gazın kullanıldığı birkaç ana alan var.

  1. Kimyasal sentezler. Hidrojenasyona dayalı olarak sabunlar, margarinler ve plastikler elde edilir. Hidrojenin katılımıyla metanol ve amonyak ve diğer bileşikler sentezlenir.
  2. Gıda endüstrisinde - katkı maddesi olarak E949.
  3. Havacılık endüstrisi (roket yapımı, uçak yapımı).
  4. Enerji endüstrisi.
  5. Meteoroloji.
  6. Çevre dostu tipte yakıt.

Açıkçası, hidrojen doğada bol olduğu kadar önemlidir. Oluşturduğu çeşitli bileşikler daha da büyük bir rol oynar.

hidrojen bileşikleri

Bunlar hidrojen atomları içeren karmaşık maddelerdir. Bu tür maddelerin birkaç ana türü vardır.

  1. hidrojen halojenürler. Genel formül HHal'dir. Aralarında özellikle önemli olan hidrojen klorürdür. Hidroklorik asit çözeltisi oluşturmak için suda çözünen bir gazdır. Bu asit, hemen hemen tüm kimyasal sentezlerde yaygın olarak kullanılmaktadır. Ve hem organik hem de inorganik. Hidrojen klorür, ampirik formül HCL'ye sahip bir bileşiktir ve ülkemizde yıllık üretimi bakımından en büyüklerinden biridir. Hidrojen halojenürler ayrıca hidrojen iyodür, hidrojen florür ve hidrojen bromür içerir. Hepsi karşılık gelen asitleri oluşturur.
  2. Uçucu Hemen hepsi oldukça zehirli gazlardır. Örneğin, hidrojen sülfit, metan, silan, fosfin ve diğerleri. Ancak çok yanıcıdırlar.
  3. Hidritler metallerle bileşiklerdir. Tuz sınıfına aittirler.
  4. Hidroksitler: bazlar, asitler ve amfoterik bileşikler. Bileşimleri zorunlu olarak bir veya daha fazla hidrojen atomu içerir. Örnek: NaOH, K2 , H2S04 ve diğerleri.
  5. hidrojen hidroksit. Bu bileşik daha çok su olarak bilinir. Hidrojen oksidin diğer adı. Ampirik formül şöyle görünür - H 2 O.
  6. Hidrojen peroksit. Bu, formülü H 2 O 2 olan en güçlü oksitleyici maddedir.
  7. Çok sayıda organik bileşik: hidrokarbonlar, proteinler, yağlar, lipitler, vitaminler, hormonlar, uçucu yağlar ve diğerleri.

Açıkçası, ele aldığımız elementin bileşiklerinin çeşitliliği çok fazladır. Bu, tüm canlılar için olduğu kadar doğa ve insan için de yüksek önemini bir kez daha teyit etmektedir.

en iyi çözücüdür

Yukarıda belirtildiği gibi, bu maddenin ortak adı sudur. Birbirine kovalent polar bağlarla bağlı iki hidrojen atomu ve bir oksijenden oluşur. Su molekülü, özelliklerinin çoğunu açıklayan bir dipoldür. Özellikle evrensel bir çözücü olması.

Su ortamında neredeyse tüm kimyasal işlemler gerçekleşir. Canlı organizmalarda plastik ve enerji metabolizmasının iç reaksiyonları da hidrojen oksit yardımıyla gerçekleştirilir.

Su, gezegendeki en önemli madde olarak kabul edilir. Hiçbir canlı organizmanın onsuz yaşayamayacağı bilinmektedir. Yeryüzünde, üç kümelenme durumunda var olabilir:

  • sıvı;
  • gaz (buhar);
  • katı (buz).

Molekülün bir parçası olan hidrojen izotopuna bağlı olarak üç tür su vardır.

  1. Işık veya protium. Kütle numarası 1 olan bir izotop. Formülü H 2 O'dur. Bu, tüm organizmaların kullandığı olağan biçimdir.
  2. Döteryum veya ağır, formülü D 2 O'dur. İzotop 2 H içerir.
  3. Süper ağır veya trityum. Formül T 3 O'ya benziyor, izotop 3 H'dir.

Gezegendeki taze protium suyu rezervleri çok önemlidir. Birçok ülkede zaten eksik. İçme suyu elde etmek için tuzlu suyu arıtmak için yöntemler geliştirilmektedir.

Hidrojen peroksit evrensel bir çözümdür

Bu bileşik, yukarıda bahsedildiği gibi, mükemmel bir oksitleyici ajandır. Ancak, güçlü temsilciler ile aynı zamanda bir indirgeyici olarak da hareket edebilir. Ek olarak, belirgin bir bakteri yok edici etkiye sahiptir.

Bu bileşik için başka bir isim peroksittir. Bu formda tıpta kullanılır. Söz konusu bileşiğin kristal hidratının %3'lük bir çözeltisi, küçük yaraları dezenfekte etmek amacıyla tedavi etmek için kullanılan tıbbi bir ilaçtır. Ancak bu durumda zamanla yara iyileşmesinin arttığı kanıtlanmıştır.

Hidrojen peroksit ayrıca roket yakıtında, endüstride dezenfeksiyon ve ağartma için, uygun malzemelerin (örneğin köpük) üretimi için köpürtücü bir madde olarak kullanılır. Ek olarak, peroksit akvaryumları temizlemeye, saçları beyazlatmaya ve dişleri beyazlatmaya yardımcı olur. Ancak aynı zamanda dokulara da zarar verdiği için uzmanlar tarafından bu amaçla önerilmemektedir.

Hidrojen

HİDROJEN-a; m. Oksijenle birleşerek suyu oluşturan hafif, renksiz ve kokusuz bir gaz olan kimyasal element (H).

◁ hidrojen, th, th. V bağlantıları. bakteriler. V-inci bomba(patlayıcı etkisi bir termonükleer reaksiyona dayanan, muazzam yıkıcı güce sahip bir bomba). hidrojenli, th, th.

hidrojen

(lat. Hidrojenyum), grup VII'nin kimyasal bir elementi periyodik sistem. Doğada iki kararlı izotop (protium ve döteryum) ve bir radyoaktif izotop (trityum) vardır. Molekül iki atomludur (H 2). Renksiz ve kokusuz gaz; yoğunluk 0,0899 g/l, t kip - 252.76°C. Oksijenli suyu oluşturmak için birçok elementle birleşir. Uzayda en çok bulunan element; yıldızlararası ortam ve bulutsuların gazlarının ana kısmı olan Güneş ve yıldızların kütlesinin% 70'inden fazlasını (plazma şeklinde) oluşturur. Hidrojen atomu birçok asit ve bazın, çoğu organik bileşiğin parçasıdır. Amonyak, hidroklorik asit üretiminde, yağların hidrojenlenmesinde vb. metallerin kaynaklanmasında ve kesilmesinde kullanılırlar. Bir yakıt olarak ümit verici (bkz. Hidrojen enerjisi).

HİDROJEN

HİDROJEN (lat. Hidrojenyum), H, atom numarası 1, atom kütlesi 1.00794 olan bir kimyasal element. Hidrojenin kimyasal simgesi olan H, Fransızca'da bu harfin telaffuz edilmesinden dolayı ülkemizde "kül" olarak okunmaktadır.
Doğal hidrojen, iki kararlı çekirdeğin karışımından oluşur. (santimetre. NÜKLİD) kütle numaraları 1.007825 (karışımda %99.985) ve 2.0140 (%0.015) olan. Ek olarak, eser miktarda radyoaktif çekirdek, trityum, her zaman doğal hidrojende bulunur. (santimetre. trityum) 3 H (yarı ömür T 1/2 12,43 yıl). Bir hidrojen atomunun çekirdeği yalnızca 1 proton içerdiğinden (bir atomun çekirdeğinde daha az proton olamaz), bazen hidrojenin D. I. Mendeleev'in periyodik element sisteminin doğal alt sınırını oluşturduğu söylenir (her ne kadar hidrojen elementi kendisi en üst kısım tablolarında bulunur). Hidrojen elementi periyodik tablonun ilk periyodunda yer alır. Aynı zamanda 1. gruba (alkali metallerin IA grubu) aittir. (santimetre. ALKALİ METALLER)) ve 7. gruba (halojenlerin VIIA grubu) (santimetre. HALOJENS)).
Hidrojen izotoplarındaki atom kütleleri büyük farklılıklar gösterir (birkaç kez). Bu, fiziksel süreçlerdeki (damıtma, elektroliz vb.) Davranışlarında gözle görülür farklılıklara ve belirli kimyasal farklılıklara (bir elementin izotoplarının davranışındaki farklılıklara izotop etkileri denir; hidrojen için izotop etkileri en belirgindir) yol açar. Bu nedenle, diğer tüm elementlerin izotoplarından farklı olarak, hidrojen izotoplarının özel sembolleri ve adları vardır. Kütle numarası 1 olan hidrojene hafif hidrojen veya protium (lat. Protium, Yunan protosundan - ilk), H sembolü ile gösterilir ve çekirdeğine proton denir. (santimetre. PROTON (temel parçacık)), sembol r. Kütle numarası 2 olan hidrojene ağır hidrojen, döteryum denir (santimetre. DÖTERYUM)(Yunanca deuteros'tan Latince Deuterium - ikincisi), onu belirtmek için 2 H veya D ("de" okuyun) sembolleri kullanılır, d çekirdeği döterondur. Kütle numarası 3 olan radyoaktif bir izotop, süper ağır hidrojen veya trityum (lat. Tritum, Yunan tritosundan - üçüncü), sembol 2 H veya T ("bunları" okuyun), çekirdek t bir tritondur.
Nötr, uyarılmamış bir hidrojen atomunun tek bir elektron tabakasının konfigürasyonu 1 s 1 . Bileşiklerde, oksidasyon durumları +1 ve daha az sıklıkla -1 (değerlik I) sergiler. Nötr hidrojen atomunun yarıçapı 0,024 nm'dir. Atomun iyonlaşma enerjisi 13.595 eV, elektron ilgisi 0.75 eV'dir. Pauling ölçeğinde, hidrojenin elektronegatifliği 2.20'dir. Hidrojen metal olmayanlardan biridir.
Serbest halde rengi, kokusu veya tadı olmayan hafif, yanıcı bir gazdır.
keşif geçmişi
Asitlerin ve metallerin etkileşimi sırasında yanıcı gazın salınması, kimyanın bir bilim olarak oluşumunun şafağında 16. ve 17. yüzyıllarda gözlemlendi. Ünlü İngiliz fizikçi ve kimyager G. Cavendish (santimetre. Cavendish Henry) 1766'da bu gazı araştırdı ve "yanıcı hava" olarak adlandırdı. Yandığında, "yanıcı hava" su verdi, ancak Cavendish'in flojiston teorisine bağlılığı (santimetre. FOLOJİSTON) doğru sonuçlara varmasını engelledi. Fransız kimyager A. Lavoisier (santimetre. Lavoisier Antoine Laurent) mühendis J. Meunier ile birlikte (santimetre. MEUNIER Jean-Baptiste Marie Charles), 1783'te özel gazometreler kullanarak suyun sentezini ve ardından su buharını kızgın demir ile ayrıştırarak analizini gerçekleştirdi. Böylece "yanıcı havanın" suyun bir parçası olduğunu ve ondan elde edilebileceğini tespit etti. 1787'de Lavoisier, "yanıcı havanın" basit bir madde olduğu ve bu nedenle kimyasal elementlerin sayısına ait olduğu sonucuna vardı. Ona hidrojen adını verdi (Yunanca hydor'dan - su ve gennao - doğurmak) - "suyu doğurmak." Suyun bileşiminin kurulması, "filojiston teorisi"ne son verdi. Rus adı "hidrojen" kimyager M.F. Solovyov tarafından önerildi. (santimetre. SOLOVIEV Mihail Fedoroviç) 1824'te. 18. ve 19. yüzyılın başında, hidrojen atomunun (diğer elementlerin atomlarına kıyasla) çok hafif olduğu bulundu ve karşılaştırma için hidrojen atomunun ağırlığı (kütlesi) bir birim olarak alındı. elementlerin atomik kütleleri. Hidrojen atomunun kütlesine 1'e eşit bir değer verildi.
Doğada olmak
Hidrojen, yerkabuğunun kütlesinin yaklaşık %1'ini oluşturur (tüm elementler arasında 10. sırada). Hidrojen, gezegenimizde neredeyse hiçbir zaman serbest halde bulunmaz (izleri üst atmosferde bulunur), ancak suyun bileşiminde Dünya'nın hemen hemen her yerine dağılmıştır. Hidrojen elementi, canlı organizmaların, doğal gazın, petrolün, kömürün organik ve inorganik bileşiklerinin bir parçasıdır. Tabii ki, suyun bileşiminde (ağırlıkça yaklaşık %11), bir veya daha fazla OH hidroksi grubu içeren çeşitli doğal kristalli hidratlarda ve minerallerde bulunur.
Bir element olarak hidrojen evrene hakimdir. Güneş'in ve diğer yıldızların kütlesinin yaklaşık yarısını oluşturur, birkaç gezegenin atmosferinde bulunur.
Fiş
Hidrojen birçok yoldan elde edilebilir. Sanayide bunun için doğal gazların yanı sıra petrolün rafine edilmesi, koklaştırılması ve kömür ve diğer yakıtların gazlaştırılmasından elde edilen gazlar kullanılmaktadır. Doğal gazdan hidrojen üretiminde (ana bileşen metandır), su buharı ile katalitik etkileşimi ve oksijen ile eksik oksidasyonu gerçekleştirilir:
CH 4 + H 2 O \u003d CO + 3H 2 ve CH 4 + 1/2 O 2 \u003d CO 2 + 2H 2
Hidrojenin kok gazı ve rafineri gazlarından ayrılması, derin soğutma sırasında sıvılaşmalarına ve hidrojenden daha kolay sıvılaştırılan gazların karışımından uzaklaştırılmasına dayanır. Ucuz elektriğin varlığında, hidrojen, akımı alkali çözeltilerden geçirerek suyun elektroliziyle elde edilir. Laboratuar koşullarında hidrojen, metallerin asitlerle, örneğin çinkonun hidroklorik asitle etkileşimiyle kolayca elde edilir.
Fiziksel ve Kimyasal özellikler
Normal şartlar altında hidrojen hafif (normal şartlar altında yoğunluğu 0,0899 kg/m3) renksiz bir gazdır. Erime noktası -259,15 °C, kaynama noktası -252,7 °C. Sıvı hidrojen (kaynama noktasında) 70,8 kg/m3 yoğunluğa sahiptir ve en hafif sıvıdır. Sulu bir çözeltide standart elektrot potansiyeli H2 / H - 0'a eşit alınır. Hidrojen suda az çözünür: 0 ° C'de çözünürlük 0,02 cm3 / ml'den azdır, ancak bazı metallerde oldukça çözünür (sünger demir ve diğerleri), özellikle iyi - metalik paladyumda (1 hacim metalde yaklaşık 850 hacim hidrojen). Hidrojenin yanma ısısı 143.06 MJ/kg'dır.
İki atomlu H 2 molekülleri şeklinde bulunur. H2'nin 300 K'de atomlara ayrışma sabiti 2.56 · 10-34'tür. H2 molekülünün atomlara ayrışma enerjisi 436 kJ/mol'dür. H2 molekülündeki çekirdekler arası mesafe 0,07414 nm'dir.
Molekülün bir parçası olan her H atomunun çekirdeğinin kendi spini olduğundan (santimetre. DÖNDÜRMEK), o zaman moleküler hidrojen iki formda olabilir: ortohidrojen (o-H2) formunda (her iki dönüş aynı oryantasyona sahiptir) ve parahidrojen formunda (p-H2) (spinler farklı oryantasyonlara sahiptir). Normal koşullar altında normal hidrojen, %75 o-H2 ve %25 p-H2 karışımıdır. p- ve o-H2'nin fiziksel özellikleri birbirinden biraz farklıdır. Yani, saf o-H2'nin kaynama noktası 20.45 K ise, o zaman saf p-n 2 - 20.26 K. o-H2'nin p-H2'ye dönüşümüne 1418 J / mol ısı salınımı eşlik eder.
Bilimsel literatürde defalarca tartışılmıştır. yüksek basınçlar(10 GPa'nın üzerinde) ve düşük sıcaklıklarda (yaklaşık 10 K ve altı), genellikle altıgen moleküler tipte bir kafes içinde kristalleşen katı hidrojen, metalik özelliklere sahip bir maddeye, hatta muhtemelen bir süper iletkene dönüşebilir. Bununla birlikte, böyle bir geçiş olasılığına dair hala kesin bir veri yoktur.
Yüksek güç Kimyasal bağ bir H2 molekülündeki atomlar arasında (örneğin, moleküler orbitaller yöntemi kullanılarak, bu molekülde elektron çiftinin bağ orbitalinde olması ve gevşetme orbitalinin elektronlarla dolu olmamasıyla açıklanabilir) yol açar oda sıcaklığında gaz halindeki hidrojenin kimyasal olarak inaktif olduğu gerçeğine. Bu nedenle, ısıtma olmadan, basit bir karıştırma ile hidrojen (bir patlama ile) yalnızca gaz halindeki flor ile reaksiyona girer:
H2 + F2 \u003d 2HF + Q.
Oda sıcaklığında bir hidrojen ve klor karışımı ultraviyole ışıkla ışınlanırsa, hemen bir hidrojen klorür HCl oluşumu gözlenir. Hidrojenin oksijenle reaksiyonu, bu gazların karışımına bir katalizör, metalik paladyum (veya platin) eklenirse bir patlama ile gerçekleşir. Ateşlendiğinde, bir hidrojen ve oksijen karışımı (sözde patlayıcı gaz (santimetre. PATLAYICI GAZ)) patlar ve hidrojen içeriği hacimce yüzde 5 ila 95 arasında olan karışımlarda bir patlama meydana gelebilir. Havadaki veya saf oksijendeki saf hidrojen, büyük miktarda ısı açığa çıkararak sessizce yanar:
H 2 + 1 / 2O 2 \u003d H 2 O + 285,75 kJ / mol
Hidrojen diğer metal olmayanlar ve metallerle etkileşime girerse, o zaman yalnızca belirli koşullar altında (ısıtma, yüksek basınç, bir katalizörün varlığı). Böylece hidrojen, nitrojen ile tersinir olarak reaksiyona girer. yüksek kan basıncı(20-30 MPa ve daha fazla) ve 300-400 ° C sıcaklıkta bir katalizör - demir varlığında:
3H2 + N2 = 2NH3 + Q.
Ayrıca, yalnızca ısıtıldığında, hidrojen kükürt ile reaksiyona girerek hidrojen sülfür H2S oluşturur, brom ile - hidrojen bromür HBr oluşturmak için, iyot ile - hidrojen iyodür HI oluşturmak için reaksiyona girer. Hidrojen, çeşitli bileşimlerdeki hidrokarbonların bir karışımını oluşturmak için kömür (grafit) ile reaksiyona girer. Hidrojen bor, silisyum ve fosfor ile doğrudan etkileşime girmez, bu elementlerin hidrojen ile bileşikleri dolaylı olarak elde edilir.
Hidrojen ısıtıldığında alkali, toprak alkali metaller ve magnezyum ile reaksiyona girerek -1 oksidasyon durumunda hidrojen içeren iyonik bağ karakterine sahip bileşikler oluşturabilir. Böylece, kalsiyum bir hidrojen atmosferinde ısıtıldığında, CaH2 bileşiminin tuz benzeri bir hidrürü oluşur. En güçlü indirgeyici maddelerden biri olan polimerik alüminyum hidrit (AlH 3) x dolaylı olarak (örneğin, organoalüminyum bileşikleri kullanılarak) elde edilir. Pek çok geçiş metaliyle (örneğin, zirkonyum, hafniyum vb.), hidrojen değişken bileşimli bileşikler (katı çözeltiler) oluşturur.
Hidrojen sadece birçok basit maddeyle değil, aynı zamanda karmaşık maddelerle de reaksiyona girebilir. Her şeyden önce, hidrojenin birçok metali oksitlerinden (demir, nikel, kurşun, tungsten, bakır vb.) İndirgeme yeteneğine dikkat edilmelidir. Böylece, 400-450 ° C ve üzerindeki bir sıcaklığa ısıtıldığında, demir, herhangi bir oksitinden hidrojen ile indirgenir, örneğin:
Fe 2 O 3 + 3H 2 \u003d 2Fe + 3H 2 O.
Yalnızca manganezin ötesinde standart potansiyeller serisinde bulunan metallerin oksitlerden hidrojen tarafından indirgenebileceğine dikkat edilmelidir. Daha aktif metaller (manganez dahil) oksitlerden metale indirgenmez.
Hidrojen, birçok organik bileşiğe ikili veya üçlü bağ ekleme yeteneğine sahiptir (bunlar hidrojenasyon reaksiyonları olarak adlandırılır). Örneğin, bir nikel katalizörünün varlığında, etilen C2H4'ün hidrojenasyonu gerçekleştirilebilir ve etan C2H6 oluşur:
C2H4 + H2 \u003d C2H6.
Endüstride karbon monoksit (II) ve hidrojenin etkileşimi metanol üretir:
2H2 + CO \u003d CH3OH.
Bir hidrojen atomunun daha elektronegatif bir E elementinin (E = F, Cl, O, N) atomuna bağlı olduğu bileşiklerde, moleküller arasında hidrojen bağları oluşur. (santimetre. HİDROJEN BAĞI)(aynı veya iki farklı elementin iki E atomu H atomu aracılığıyla birbirine bağlanır: E "... N ... E"" ve üç atomun tümü aynı düz çizgi üzerinde bulunur). Bu tür bağlar moleküller arasında bulunur. su, amonyak, metanol vb. ve bu maddelerin kaynama noktalarında gözle görülür bir artışa, buharlaşma ısısında bir artışa vb. yol açar.
Başvuru
Hidrojen, amonyak NH3 , hidrojen klorür HCI, metanol CH3OH sentezinde, doğal hidrokarbonların hidrokrakinginde (hidrojen atmosferinde kraking), belirli metallerin üretiminde indirgeyici bir madde olarak kullanılır. hidrojenleme (santimetre. HİDROJENASYON) doğal sebze yağları katı yağ - margarin alın. Sıvı hidrojen roket yakıtı ve ayrıca soğutucu olarak kullanım alanı bulur. Kaynakta oksijen ve hidrojen karışımı kullanılır.
Bir zamanlar, yakın gelecekte ana enerji üretim kaynağının hidrojen yanma reaksiyonu olacağı ve hidrojen enerjisinin geleneksel enerji üretim kaynaklarının (kömür, petrol vb.) Yerini alacağı önerildi. Aynı zamanda, büyük ölçekte hidrojen üretimi için suyun elektrolizinin kullanılmasının mümkün olacağı varsayılmıştır. Su elektrolizi oldukça enerji yoğun bir süreçtir ve şu anda endüstriyel ölçekte elektroliz yoluyla hidrojen elde etmek kârsızdır. Ancak elektrolizin, nükleer santrallerin işletilmesi sırasında büyük miktarlarda ortaya çıkan orta sıcaklıktaki (500-600 °C) ısı kullanımına dayalı olması bekleniyordu. Bu ısının kullanımı sınırlıdır ve onun yardımıyla hidrojen elde etme olasılığı, hem ekoloji sorununu (havada hidrojen yandığında, oluşan çevreye zararlı maddelerin miktarı minimumdur) hem de orta sıcaklıktan yararlanma sorununu çözecektir. sıcaklık. Ancak Çernobil felaketinden sonra gelişme nükleer enerji her yerde pıhtılaşır, böylece belirtilen enerji kaynağı kullanılamaz hale gelir. Bu nedenle, hidrojenin bir enerji kaynağı olarak yaygın kullanımına yönelik beklentiler, en azından 21. yüzyılın ortalarına kadar hala değişmektedir.
Dolaşımın özellikleri
Hidrojen zehirli değildir, ancak kullanılırken yüksek yangın ve patlama tehlikesi sürekli olarak dikkate alınmalıdır ve gazın bazı katı maddelerden bile yüksek yayılma kabiliyeti nedeniyle hidrojenin patlama tehlikesi artar. Hidrojen atmosferinde herhangi bir ısıtma işlemine başlamadan önce, temiz olduğundan emin olmalısınız (ters çevrilmiş bir test tüpünde hidrojeni ateşlerken, ses havlama değil, donuk olmalıdır).
Biyolojik rol
Hidrojenin biyolojik önemi, su moleküllerinin ve proteinler de dahil olmak üzere en önemli doğal bileşik gruplarının bir parçası olması gerçeğiyle belirlenir. nükleik asitler, lipitler, karbonhidratlar. Canlı organizmaların kütlesinin yaklaşık %10'u hidrojendir. Hidrojenin bir hidrojen bağı oluşturma yeteneği, proteinlerin uzamsal dörtlü yapısının korunmasında ve ayrıca tamamlayıcılık ilkesinin uygulanmasında çok önemli bir rol oynar. (santimetre. TAMAMLAYICI) nükleik asitlerin yapımında ve işlevlerinde (yani, genetik bilginin depolanması ve uygulanmasında), genel olarak moleküler düzeyde "tanıma" uygulamasında. Hidrojen (H + iyonu), vücuttaki en önemli dinamik süreçlerde ve reaksiyonlarda - canlı hücrelere enerji sağlayan biyolojik oksidasyonda, bitkilerde fotosentezde, biyosentez reaksiyonlarında, nitrojen fiksasyonunda ve bakteriyel fotosentezde, asidin korunmasında yer alır. -baz dengesi ve homeostaz (santimetre. homeostaz), membran taşıma işlemlerinde. Böylece hidrojen, oksijen ve karbonla birlikte yaşam olgusunun yapısal ve işlevsel temelini oluşturur.


ansiklopedik sözlük. 2009 .

Eş anlamlı:

Diğer sözlüklerde "hidrojen" in ne olduğuna bakın:

    nüklid tablosu Genel bilgiİsim, sembol Hidrojen 4, 4H Nötronlar 3 Protonlar 1 Nüklit özellikler Atom kütlesi 4.027810 (110) ... Wikipedia

    Nüklit tablosu Genel bilgi Ad, sembol Hidrojen 5, 5H Nötronlar 4 Protonlar 1 Nüklit özellikleri Atom kütlesi 5.035310 (110) ... Wikipedia

    Nüklit tablosu Genel bilgi Ad, sembol Hidrojen 6, 6H Nötronlar 5 Protonlar 1 Nüklit özellikleri Atom kütlesi 6.044940 (280) ... Wikipedia

    Nüklit tablosu Genel bilgi Ad, sembol Hidrojen 7, 7H Nötronlar 6 Protonlar 1 Nüklit özellikleri Atom kütlesi 7.052750 (1080) ... Wikipedia

Hidrojen (Hydrogenium), 16. yüzyılın ilk yarısında Alman doktor ve doğa bilimci Paracelsus tarafından keşfedildi. 1776'da G. Cavendish (İngiltere) özelliklerini belirledi ve diğer gazlardan farklılıklarına dikkat çekti. Lavoisier, sudan hidrojen elde eden ilk kişiydi ve suyun hidrojen ve oksijenin kimyasal bir bileşimi olduğunu kanıtladı (1783).

Hidrojenin üç izotopu vardır: protium, döteryum veya D ve trityum veya T. Kütle sayıları 1, 2 ve 3'tür. Protium ve döteryum kararlıdır, trityum radyoaktiftir (yarı ömür 12,5 yıl). Doğal bileşiklerde, döteryum ve protium ortalama olarak 1:6800 oranında (atom sayısına göre) bulunur. Trityum doğada önemsiz miktarlarda bulunur.

Bir hidrojen atomunun çekirdeği bir proton içerir. Döteryum ve trityum çekirdekleri, protona ek olarak sırasıyla bir ve iki nötron içerir.

Hidrojen molekülü iki atomdan oluşur. Hidrojen atomunu ve molekülünü karakterize eden bazı özellikler şunlardır:

Atom iyonlaşma enerjisi, eV 13.60

Bir atomun bir elektrona ilgisi, eV 0.75

Bağıl elektronegatiflik 2.1

Bir atomun yarıçapı, nm 0.046

Bir molekülde çekirdekler arası mesafe, nm 0.0741

436.1'de moleküllerin ayrışmasının standart etalpisi

115. Doğada hidrojen. Hidrojen elde etmek.

Serbest durumdaki hidrojen, Dünya'da yalnızca küçük miktarlarda bulunur. Bazen volkanik patlamalar sırasında diğer gazlarla birlikte ve ayrıca petrol çıkarma sırasında sondaj deliklerinden salınır. Ancak bileşikler biçiminde hidrojen çok yaygındır. Bu, su kütlesinin dokuzda birini oluşturmasından zaten görülebilir. Hidrojen, tüm bitki ve hayvan organizmalarının, petrolün, taş ve linyit kömürünün, doğal gazların ve bir dizi mineralin bir bileşenidir. Su ve hava da dahil olmak üzere yer kabuğunun tüm kütlesindeki hidrojenin payı yaklaşık% 1'dir. Ancak, toplam atom sayısının yüzdesi olarak yeniden hesaplandığında, yer kabuğundaki hidrojen içeriği %17'dir.

Hidrojen uzayda en bol bulunan elementtir. Güneş'in ve diğer birçok yıldızın kütlesinin yaklaşık yarısını oluşturur. Gazlı bulutsularda, yıldızlararası gazda bulunur ve yıldızların bir parçasıdır. Yıldızların içinde hidrojen atomlarının çekirdekleri helyum atomlarının çekirdeklerine dönüşür. Bu süreç, enerjinin serbest bırakılmasıyla devam eder; Güneş de dahil olmak üzere birçok yıldız için ana enerji kaynağı olarak hizmet eder. İşlemin hızı, yani bir saniyede bir metreküpte helyum çekirdeğine dönüşen hidrojen çekirdeği sayısı azdır. Bu nedenle, birim hacim başına birim zamanda salınan enerji miktarı küçüktür. Bununla birlikte, Güneş'in muazzam kütlesi nedeniyle, Güneş tarafından üretilen ve yayılan toplam enerji miktarı çok fazladır. Güneş'in kütlesinde yaklaşık bir saniyelik bir azalmaya karşılık gelir.

Endüstride, hidrojen esas olarak doğal gazdan üretilir. Ağırlıklı olarak metandan oluşan bu gaz, su buharı ve oksijen ile karıştırılır. Bir gaz karışımı bir katalizör varlığında ısıtıldığında, aşağıdaki denklemle şematik olarak gösterilebilen bir reaksiyon meydana gelir:

Ortaya çıkan gaz karışımı ayrıştırılır. Hidrojen saflaştırılır ve sahada kullanılır veya basınçlı çelik silindirlerde taşınır.

Hidrojenin üretilmesi için önemli bir endüstriyel yöntem de kok fırını gazından veya petrol arıtma gazlarından izole edilmesidir. Hidrojen dışındaki tüm gazların sıvılaştırıldığı derin soğutma ile gerçekleştirilir.

Laboratuarlarda hidrojen çoğunlukla sulu çözeltilerin elektrolizi ile üretilir. Bu çözeltilerin konsantrasyonu, maksimum elektriksel iletkenliklerine uyacak şekilde seçilir. Elektrotlar genellikle sac nikelden yapılır. Bu metal, bir anot olsa bile alkali çözeltilerde aşınmaz. Gerekirse, elde edilen hidrojen, su buharından ve eser miktardaki oksijenden arındırılır. Diğer laboratuvar yöntemleri arasında en yaygın olanı, sülfürik veya hidroklorik asitlerin çözeltilerinden çinkonun üzerlerindeki etkisiyle hidrojenin ekstraksiyonudur. Reaksiyon genellikle bir Kipp aparatında gerçekleştirilir (Şekil 105).

TANIM

Hidrojen periyodik tablodaki ilk elementtir. Tanımlama - Latince "hidrojenyum" dan H. Birinci periyotta yer alan IA grubu. Metal olmayanları ifade eder. Nükleer yük 1'dir.

Hidrojen en yaygın kimyasal elementlerden biridir - payı, atomik yüzdelere dönüştürüldüğünde 17.0 rakamı veren yer kabuğunun üç kabuğunun (atmosfer, hidrosfer ve litosfer) kütlesinin yaklaşık% 1'idir.

Bu elementin ana miktarı bağlı durumdadır. Böylece, su yaklaşık 11 ağırlık içerir. %, kil - yaklaşık %1,5, vb. Hidrojen, karbonlu bileşikler halinde petrolün, yanıcı doğal gazların ve tüm organizmaların bir parçasıdır.

Hidrojen renksiz ve kokusuz bir gazdır (atomun yapısının bir diyagramı Şekil 1'de gösterilmektedir). Erime ve kaynama noktaları çok düşüktür (sırasıyla -259 o C ve -253 o C). Hidrojen, -240 o C sıcaklıkta ve basınç altında sıvılaşabilmekte ve oluşan sıvının hızla buharlaşması ile hidrojene dönüşmektedir. katı hal(şeffaf kristaller). Suda az çözünür - hacimce 2:100. Hidrojen, bazı metallerde, örneğin demirde çözünürlük ile karakterize edilir.

Pirinç. 1. Hidrojen atomunun yapısı.

Hidrojenin atomik ve moleküler ağırlığı

TANIM

Göreceli atomik kütle element, belirli bir elementin atomunun kütlesinin, karbon atomunun kütlesinin 1/12'sine oranıdır.

Bağıl atomik kütle boyutsuzdur ve Ar ile gösterilir ("r" alt simgesi ilk harftir) ingilizce kelime göreceli, çeviride "göreceli" anlamına gelir). Atomik hidrojenin bağıl atomik kütlesi 1.008 amu'dur.

Tıpkı atomların kütleleri gibi moleküllerin kütleleri de atomik kütle birimleriyle ifade edilir.

TANIM

moleküler ağırlık madde, atomik kütle birimlerinde ifade edilen molekülün kütlesi olarak adlandırılır. bağıl moleküler ağırlık maddeler, belirli bir maddenin bir molekülünün kütlesinin, kütlesi 12 a.m.u olan bir karbon atomunun kütlesinin 1 / 12'sine oranını çağırır.

Hidrojen molekülünün iki atomlu olduğu bilinmektedir - H 2 . Bir hidrojen molekülünün bağıl moleküler ağırlığı şuna eşit olacaktır:

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

hidrojen izotopları

Hidrojenin üç izotopu vardır: protium 1 H, döteryum 2 H veya D ve trityum 3 H veya T. Kütle sayıları 1, 2 ve 3'tür. Protium ve döteryum kararlıdır, trityum radyoaktiftir (yarı ömür 12,5 yıl). Doğal bileşiklerde, döteryum ve protium ortalama olarak 1:6800 oranında (atom sayısına göre) bulunur. Trityum doğada önemsiz miktarlarda bulunur.

Hidrojen atomunun çekirdeği 1 H bir proton içerir. Döteryum ve trityum çekirdekleri, protona ek olarak bir ve iki nötron içerir.

hidrojen iyonları

Bir hidrojen atomu, pozitif bir iyon ("çıplak" bir proton olan) oluşturmak için tek elektronunu bağışlayabilir veya bir elektron ekleyerek helyum elektron konfigürasyonuna sahip negatif bir iyona dönüşebilir.

Bir elektronun bir hidrojen atomundan tamamen ayrılması, çok büyük bir iyonlaşma enerjisinin harcanmasını gerektirir:

H + 315 kcal = H + + e.

Sonuç olarak, hidrojenin metaloidlerle etkileşiminde iyonik değil, sadece polar bağlar ortaya çıkar.

Nötr bir atomun fazla elektron bağlama eğilimi, elektron ilgisinin değeri ile karakterize edilir. Hidrojende oldukça zayıf bir şekilde ifade edilir (ancak bu, böyle bir hidrojen iyonunun var olamayacağı anlamına gelmez):

H + e \u003d H - + 19 kcal.

Hidrojen molekülü ve atom

Hidrojen molekülü iki atomdan oluşur - H 2 . Hidrojen atomunu ve molekülünü karakterize eden bazı özellikler şunlardır:

Problem çözme örnekleri

ÖRNEK 1

Egzersiz yapmak % 12,5 ​​hidrojen içeren EN x genel formülüne sahip hidritlerin olduğunu kanıtlayın.
Çözüm Numunenin kütlesini 100 g olarak alarak, hidrojen ve bilinmeyen elementin kütlelerini hesaplayın:

m(H) = m(EN x)×w(H);

m(H) = 100 × 0,125 = 12,5 gr.

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

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

Hidrojenin miktarını ve bilinmeyen bir elementi bulalım, ikincisinin molar kütlesini "x" olarak gösterelim (hidrojenin molar kütlesi 1 g / mol'dür):

Hidrojen, sembolü H ve atom numarası 1 olan kimyasal bir elementtir. Standart atom ağırlığı yaklaşık 1.008 olan hidrojen, periyodik tablodaki en hafif elementtir. Tek atomlu formu (H), bir baryonun toplam kütlesinin yaklaşık %75'ini oluşturan evrendeki en bol kimyasaldır. Yıldızlar çoğunlukla plazma halindeki hidrojenden oluşur. Protium adı verilen en yaygın hidrojen izotopu (bu isim nadiren kullanılır, sembol 1H), bir protona sahiptir ve nötron içermez. Atomik hidrojenin yaygın olarak ortaya çıkışı ilk olarak rekombinasyon çağında meydana geldi. Standart sıcaklık ve basınçlarda hidrojen, moleküler formülü H2 olan renksiz, kokusuz, tatsız, toksik olmayan, metalik olmayan, yanıcı iki atomlu bir gazdır. Hidrojen çoğu metalik olmayan elementle kolayca kovalent bağlar oluşturduğundan, Dünya üzerindeki hidrojenin çoğu su veya organik bileşikler gibi moleküler formlarda bulunur. Hidrojen, asit-baz reaksiyonlarında özellikle önemli bir rol oynar, çünkü asit bazlı reaksiyonların çoğu, çözünür moleküller arasında proton değişimini içerir. İyonik bileşiklerde, hidrojen negatif bir yük (yani, anyon) şeklini alabilir ve bir hidrit veya H+ sembolü ile gösterilen pozitif yüklü (yani katyon) bir tür olarak bilinir. Hidrojen katyonunun basit bir protondan oluştuğu anlatılır, ancak iyonik bileşiklerdeki gerçek hidrojen katyonları her zaman daha karmaşıktır. Schrödinger denkleminin analitik olarak çözülebildiği tek nötr atom olan hidrojen (yani, atomunun enerjisi ve bağlanması) kuantum mekaniğinin gelişmesinde önemli bir rol oynamıştır. Hidrojen gazı ilk kez 16. yüzyılın başlarında asitlerin metallerle tepkimeye girmesiyle yapay olarak üretildi. 1766-81'de. Henry Cavendish, hidrojen gazının ayrı bir madde olduğunu ve yandığında su ürettiğini ilk fark eden kişiydi, bu nedenle adı: Yunanca'da hidrojen "su üreticisi" anlamına gelir. Hidrojenin endüstriyel üretimi esas olarak doğal gazın buhar dönüşümüyle ve daha seyrek olarak su elektrolizi gibi daha enerji yoğun yöntemlerle ilişkilidir. Hidrojenin çoğu, üretildiği yerin yakınında kullanılır; en yaygın iki kullanım, fosil yakıt işleme (örn. hidrokraking) ve esas olarak gübre pazarı için amonyak üretimidir. Hidrojen, birçok metali kırılgan hale getirip boru hatları ve depolama tankları tasarlamayı zorlaştırdığı için metalurjide bir endişe kaynağıdır.

Özellikleri

Yanma

Hidrojen gazı (dihidrojen veya moleküler hidrojen), hacimce %4'ten %75'e kadar çok geniş bir konsantrasyon aralığında havada yanabilen yanıcı bir gazdır. Yanma entalpisi 286 kJ/mol'dür:

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

Hidrojen gazı, hava ile %4-74 konsantrasyonlarda ve klor ile %5,95'e kadar konsantrasyonlarda patlayıcı karışımlar oluşturur. Patlayıcı reaksiyonlara kıvılcımlar, ısı veya güneş ışığı neden olabilir. Havadaki kendiliğinden tutuşma sıcaklığı olan hidrojenin kendiliğinden tutuşma sıcaklığı 500 °C'dir (932 °F). Saf hidrojen-oksijen alevleri ultraviyole radyasyon yayar ve yüksek oksijen karışımı ile, Uzay Mekiği ana motorunun soluk dumanının, Uzay Mekiği katı roket iticisinin oldukça görünür dumanına kıyasla kanıtladığı gibi, çıplak gözle neredeyse görünmez. bir amonyum perklorat bileşimi. Yanan hidrojen sızıntısını tespit etmek için bir alev dedektörü gerekebilir; bu tür sızıntılar çok tehlikeli olabilir. Diğer koşullar altında hidrojen alevi mavidir ve doğal gazın mavi alevine benzer. "Hindenburg" hava gemisinin batması, hidrojen yakmanın kötü şöhretli bir örneğidir ve dava hala tartışılmaktadır. Bu olaydaki görünür turuncu alev, zeplin yüzeyindeki karbon bileşikleri ile birleştirilmiş bir hidrojen ve oksijen karışımına maruz kalmadan kaynaklandı. H2 her oksitleyici elementle reaksiyona girer. Hidrojen, aynı zamanda potansiyel olarak tehlikeli asitler olan karşılık gelen hidrojen halojenürleri, hidrojen klorür ve hidrojen florürü oluşturmak için oda sıcaklığında klor ve flor ile kendiliğinden reaksiyona girebilir.

Elektron enerji seviyeleri

Bir hidrojen atomundaki bir elektronun temel durum enerji seviyesi, yaklaşık 91 nm dalga boyuna sahip bir ultraviyole fotonuna eşdeğer olan -13.6 eV'dir. Hidrojenin enerji seviyeleri, elektronu Dünya'nın Güneş'in yörüngesine benzer bir "yörüngesel" proton olarak kavramsallaştıran Bohr atom modeli kullanılarak oldukça doğru bir şekilde hesaplanabilir. Bununla birlikte, atomik elektron ve proton elektromanyetik kuvvet tarafından bir arada tutulurken, gezegenler ve gök cisimleri yerçekimi tarafından bir arada tutulur. Erken dönemde öne sürülen açısal momentumun ayrıklaştırılması nedeniyle Kuantum mekaniği Bohr, Bohr modelindeki elektron, protondan yalnızca belirli izin verilen mesafeleri ve dolayısıyla yalnızca belirli izin verilen enerjileri işgal edebilir. Hidrojen atomunun daha doğru bir tanımı, bir elektronun bir proton etrafındaki olasılık yoğunluk dağılımını hesaplamak için Schrödinger denklemini, Dirac denklemini ve hatta Feynman entegre devresini kullanan tamamen kuantum mekaniksel bir işlemden gelir. En karmaşık işleme yöntemleri, küçük efektler elde etmenizi sağlar özel teori görelilik ve vakum polarizasyonu. Kuantum işlemede, temel durumdaki hidrojen atomundaki elektronun hiçbir torku yoktur, bu da bir "gezegen yörüngesinin" bir elektronun hareketinden nasıl farklı olduğunu gösterir.

Temel moleküler formlar

İki atomlu hidrojen moleküllerinin çekirdeklerinin göreli dönüşünde farklılık gösteren iki farklı spin izomeri vardır. Ortohidrojen formunda, iki protonun spinleri paraleldir ve moleküler spin kuantum sayısı 1 (1/2 + 1/2) olan bir üçlü durum oluşturur; parahidrojen formunda, spinler antiparaleldir ve moleküler spin kuantum sayısı 0 (1/2 1/2) olan bir singlet oluşturur. Standart sıcaklık ve basınçta, hidrojen gazı "normal form" olarak da bilinen paraformun yaklaşık %25'ini ve orto formun %75'ini içerir. Ortohidrojenin parahidrojene denge oranı sıcaklığa bağlıdır, ancak orto formu uyarılmış bir durum olduğundan ve para formundan daha yüksek bir enerjiye sahip olduğundan, kararsızdır ve saflaştırılamaz. Çok düşük sıcaklıklarda, denge durumu neredeyse tamamen paraformdan oluşur. termal özellikler Saf parahidrojenin sıvı ve gaz fazları, hidrojen spin izomerlerinde daha ayrıntılı olarak tartışılan dönme ısı kapasitelerindeki farklılıklar nedeniyle normal form özelliklerinden önemli ölçüde farklıdır. Orto/çift farkı, diğer hidrojen içeren moleküllerde veya su ve metilen gibi fonksiyonel gruplarda da oluşur, ancak bu, bunların termal özellikleri için çok az öneme sahiptir. Para ve orto H2 arasındaki katalizlenmemiş iç dönüşüm artan sıcaklıkla artar; bu nedenle, hızla yoğunlaşan H2 içerir Büyük miktarlarçok yavaş bir şekilde para forma dönüştürülen yüksek enerjili ortogonal form. Yoğunlaştırılmış H2'deki orto/para oranı, sıvı hidrojenin hazırlanmasında ve depolanmasında önemli bir faktördür: ortodan paraya dönüşüm ekzotermiktir ve hidrojen sıvısının bir kısmını buharlaştırmak için yeterli ısı sağlar, bu da sıvılaştırılmış malzemenin kaybına neden olur. Demir oksit gibi orto-para dönüşümü için katalizörler, Aktif karbon, platinize asbest, nadir toprak metalleri, uranyum bileşikleri, krom oksit veya bazı nikel bileşikleri hidrojen soğutmasında kullanılır.

Aşamalar

    Hidrojen gazı

    sıvı hidrojen

    çamur hidrojen

    katı hidrojen

    metalik hidrojen

Bağlantılar

Kovalent ve organik bileşikler

H2 standart koşullar altında çok reaktif olmamakla birlikte çoğu elementle bileşik oluşturur. Hidrojen, halojenler (örn. F, Cl, Br, I) veya oksijen gibi daha elektronegatif elementlerle bileşikler oluşturabilir; bu bileşiklerde, hidrojen kısmi bir pozitif yük alır. Flor, oksijen veya nitrojene bağlandığında hidrojen, diğer benzer moleküllerin hidrojeni ile orta kuvvette kovalent olmayan bir bağ şeklinde katılabilir; bu, birçok biyolojik molekülün kararlılığı için kritik olan hidrojen bağı adı verilen bir olgudur. Hidrojen ayrıca, kısmi bir negatif yük aldığı metaller ve metaloidler gibi daha az elektronegatif elementlere sahip bileşikler oluşturur. Bu bileşikler genellikle hidritler olarak bilinir. Hidrojen, karbon ile hidrokarbon adı verilen çok çeşitli bileşikler ve canlılarla ortak bağları nedeniyle organik bileşikler olarak adlandırılan heteroatomlu bileşiklerden daha da büyük bir çeşitlilik oluşturur. Özelliklerinin incelenmesi, organik Kimya ve canlı organizmalar bağlamında çalışmaları biyokimya olarak bilinir. Bazı tanımlara göre, "organik" bileşikler yalnızca karbon içermelidir. Bununla birlikte, çoğu aynı zamanda hidrojen içerir ve bu bileşikler sınıfına spesifik kimyasal özelliklerinin çoğunu veren karbon-hidrojen bağı olduğundan, kimyada "organik" kelimesinin bazı tanımlarında karbon-hidrojen bağları gereklidir. Milyonlarca hidrokarbon bilinmektedir ve bunlar genellikle nadiren elementel hidrojen içeren karmaşık sentetik yollardan oluşur.

hidritler

Hidrojen bileşikleri genellikle hidritler olarak adlandırılır. "Hidrit" terimi, H atomunun H- olarak adlandırılan negatif veya anyonik bir karakter kazandığını ve hidrojenin daha elektropozitif bir elementle bir bileşik oluşturduğu zaman kullanıldığını gösterir. Gilbert N. Lewis tarafından 1916'da grup 1 ve 2 tuz içeren hidritler için önerilen bir hidrit anyonunun varlığı, Moers tarafından 1920'de erimiş lityum hidritin (LiH) elektroliziyle gösterildi ve anot başına stokiyometrik miktarda hidrojen üretti. Grup 1 ve 2 metalleri dışındaki hidritler için terim, hidrojenin düşük elektronegatifliği göz önüne alındığında yanıltıcıdır. Grup 2 hidritlerdeki bir istisna, polimerik olan BeH2'dir. Lityum alüminyum hidritte, AlH-4 anyonu, Al(III)'e sıkıca bağlı hidrit merkezlerini taşır. Hidritler hemen hemen tüm ana grup elementlerinde oluşabilse de, olası bileşiklerin sayısı ve kombinasyonu büyük ölçüde değişir; örneğin, 100'den fazla ikili boran hidrit ve yalnızca bir ikili alüminyum hidrit bilinmektedir. Büyük kompleksler mevcut olmasına rağmen, ikili indiyum hidrit henüz tanımlanmamıştır. İnorganik kimyada hidritler, bir koordinasyon kompleksinde iki metal merkezi birbirine bağlayan köprü ligandları olarak da hizmet edebilir. Bu işlev, özellikle boranlarda (bor hidritler) ve alüminyum komplekslerinde ve ayrıca kümelenmiş karboranlarda grup 13 elementlerinin karakteristiğidir.

Protonlar ve asitler

Hidrojenin oksidasyonu elektronunu uzaklaştırır ve elektron içermeyen ve çekirdeği olmayan, genellikle tek bir protondan oluşan H+ verir. Bu nedenle H+ genellikle proton olarak adlandırılır. Bu görüş, asit tartışmasının merkezinde yer alır. Bronsted-Lowry teorisine göre asitler proton verici, bazlar proton alıcıdır. Çıplak proton H+, diğer atomlara veya elektronlu moleküllere karşı dayanılmaz çekiciliği nedeniyle çözeltide veya iyonik kristallerde var olamaz. Plazmalarla ilişkili yüksek sıcaklıklar dışında, bu tür protonlar atom ve moleküllerin elektron bulutlarından ayrılamazlar ve onlara bağlı kalırlar. Bununla birlikte, "proton" terimi bazen diğer türlere bu şekilde bağlanan pozitif yüklü veya katyonik hidrojene atıfta bulunmak için mecazi olarak kullanılır ve bu nedenle "H+" olarak adlandırılır ve herhangi bir bireysel protonun bir tür olarak serbestçe var olduğu anlamına gelmez. Solüsyonda çıplak bir "solvatlanmış proton" görünmesini önlemek için, asidik sulu solüsyonların bazen "hidronyum iyonu" (H30+) adı verilen daha az olası hayali bir tür içerdiği düşünülür. Ancak bu durumda bile, bu tür solvatlı hidrojen katyonları daha gerçekçi bir şekilde H 9O+4'e yakın türler oluşturan organize kümeler olarak algılanır. Diğer oksonyum iyonları, su diğer çözücülerle asidik bir çözelti içinde olduğunda bulunur. Dünya üzerinde egzotik olmasına rağmen, evrendeki en yaygın iyonlardan biri, protonlanmış moleküler hidrojen veya trihidrojen katyonu olarak bilinen H+3'tür.

izotoplar

Hidrojen, 1H, 2H ve 3H olarak adlandırılan, doğal olarak oluşan üç izotopa sahiptir. Diğer oldukça kararsız çekirdekler (4H ila 7H) laboratuvarda sentezlendi ancak doğada gözlemlenmedi. 1H, hidrojenin en yaygın izotopudur ve bolluğu %99,98'in üzerindedir. Bu izotopun çekirdeği yalnızca bir protondan oluştuğu için, tanımlayıcı ancak nadiren kullanılan resmi ad protium verilir. Hidrojenin diğer kararlı izotopu olan 2H, döteryum olarak bilinir ve çekirdeğinde bir proton ve bir nötron içerir. Evrendeki tüm döteryumun Big Bang sırasında üretildiğine ve o zamandan bugüne kadar var olduğuna inanılıyor. Döteryum radyoaktif bir element değildir ve önemli bir toksisite tehlikesi oluşturmaz. Normal hidrojen yerine döteryum içeren moleküllerce zenginleştirilmiş suya ağır su denir. Döteryum ve bileşikleri, kimyasal deneylerde ve 1H-NMR spektroskopisi için çözücülerde radyoaktif olmayan bir etiket olarak kullanılır. Ağır su, nükleer reaktörler için bir nötron düzenleyici ve soğutucu olarak kullanılır. Döteryum ayrıca ticari nükleer füzyon için potansiyel bir yakıttır. 3H, trityum olarak bilinir ve çekirdeğinde bir proton ve iki nötron içerir. Radyoaktiftir, 12.32 yıllık yarılanma ömrü ile beta bozunması yoluyla helyum-3'e bozunur. O kadar radyoaktiftir ki parlak boyada kullanılabilir, örneğin parlak kadranlı saatlerin yapımında kullanışlıdır. Cam, az miktarda radyasyonun kaçmasını önler. Kozmik ışınların atmosferik gazlarla etkileşimi ile doğal olarak az miktarda trityum üretilir; test sırasında trityum da serbest bırakıldı nükleer silahlar. İzotop jeokimyasının bir göstergesi olarak nükleer füzyon reaksiyonlarında ve kendi kendine çalışan özel aydınlatma cihazlarında kullanılır. Trityum ayrıca kimyasal ve biyolojik etiketleme deneylerinde radyoaktif bir etiket olarak kullanılmıştır. Hidrojen, günümüzde yaygın olarak kullanılan izotopları farklı isimlerle anılan tek elementtir. Radyoaktivitenin ilk çalışmaları sırasında, çeşitli ağır radyoaktif izotoplar verildi. kendi isimleri, ancak döteryum ve trityum dışında bu tür isimler artık kullanılmamaktadır. D ve T sembolleri (2H ve 3H yerine) bazen döteryum ve trityum için kullanılır, ancak protium P'ye karşılık gelen sembol zaten fosfor için kullanılır ve bu nedenle protium için mevcut değildir. Uluslararası Saf ve Uygulamalı Kimya Birliği terminoloji yönergelerinde D, T, 2H ve 3H sembollerinden herhangi birinin kullanılmasına izin verir, ancak 2H ve 3H tercih edilir. Bir antimüon ve bir elektrondan oluşan egzotik atom müonyum (sembol Mu), 1960 yılında keşfedilen antimüon ve elektron arasındaki kütle farkından dolayı bazen hidrojenin hafif bir radyoizotopu olarak kabul edilir. Müonun ömrü boyunca, 2,2 μs, muonyum, sırasıyla hidrojen klorür ve sodyum hidrite benzer şekilde, muonyum klorür (MuCl) veya sodyum müonit (NaMu) gibi bileşiklere girebilir.

Hikaye

Keşif ve kullanım

1671'de Robert Boyle, demir talaşları ile seyreltik asitler arasındaki hidrojen gazıyla sonuçlanan reaksiyonu keşfetti ve tanımladı. 1766'da Henry Cavendish, hidrojen gazını ayrı bir madde olarak tanıyan ilk kişi oldu ve metal-asit reaksiyonu nedeniyle gaza "yanıcı hava" adını verdi. "Yanıcı havanın" aslında "flojiston" adı verilen varsayımsal bir maddeyle aynı olduğunu öne sürdü ve 1781'de gazın yandığında su ürettiğini yeniden buldu. Bir element olarak hidrojeni keşfedenin o olduğuna inanılıyor. 1783'te Antoine Lavoisier, Cavendish'in hidrojen yandığında suyun oluştuğuna dair verilerini Laplace ile birlikte yeniden ürettiklerinde, elemente hidrojen adını verdi (Yunanca "su" anlamına gelen ὑδρο-hidro ve "yaratıcı" anlamına gelen -γενής genlerinden). Lavoisier, ateşte ısıtılan bir akkor lamba aracılığıyla bir buhar akımını metalik demirle reaksiyona sokarak kütle deneylerinin korunması için hidrojen üretti. Demirin yüksek sıcaklıkta su protonları tarafından anaerobik oksidasyonu, aşağıdaki reaksiyonlardan oluşan bir dizi ile şematik olarak temsil edilebilir:

    Fe + H2O → FeO + H2

    2 Fe + 3 H2O → Fe2O3 + 3 H2

    3 Fe + 4 H2O → Fe3O4 + 4 H2

Zirkonyum gibi birçok metal, hidrojen üretmek için su ile benzer bir reaksiyona girer. Hidrojen ilk olarak 1898'de James Dewar tarafından rejeneratif soğutma ve onun icadı olan termos kullanılarak sıvılaştırıldı. Ertesi yıl katı hidrojen üretti. Döteryum Aralık 1931'de Harold Uray tarafından keşfedildi ve trityum 1934'te Ernest Rutherford, Mark Oliphant ve Paul Harteck tarafından hazırlandı. Sıradan hidrojen yerine döteryumdan oluşan ağır su, 1932'de Yurey'nin grubu tarafından keşfedildi. François Isaac de Rivaz ilk Rivaz motorunu yaptı, motor içten yanma, 1806'da hidrojen ve oksijenle hareket ettirildi. Edward Daniel Clark, 1819'da hidrojen gazı tüpünü icat etti. Döbereiner'in çeliği (ilk tam teşekküllü çakmak) 1823'te icat edildi. İlk hidrojen balonu 1783 yılında Jacques Charles tarafından icat edildi. Hidrojen, Henri Giffard'ın 1852'de hidrojenle kaldırılan ilk hava gemisini icat etmesinden sonra ilk güvenilir hava trafiği biçiminin yükselişini sağladı. Alman Kont Ferdinand von Zeppelin, daha sonra Zeppelinler olarak adlandırılan, hidrojenle havaya kaldırılan sert hava gemileri fikrini destekledi; bunlardan ilki 1900'de ilk kez uçtu. Düzenli tarifeli uçuşlar 1910'da başladı ve Ağustos 1914'te I. Dünya Savaşı'nın patlak vermesiyle büyük bir olay olmadan 35.000 yolcu taşıdılar. Savaş sırasında, hidrojen hava gemileri gözlem platformları ve bombardıman uçakları olarak kullanıldı. İlk kesintisiz transatlantik uçuş, 1919'da İngiliz zeplin R34 tarafından yapıldı. 1920'lerde düzenli yolcu hizmeti yeniden başladı ve Amerika Birleşik Devletleri'nde helyum rezervlerinin keşfedilmesinin havacılık güvenliğini iyileştirmesi gerekiyordu, ancak ABD hükümeti bu amaçla gaz satmayı reddetti, bu nedenle Hindenburg zeplininde H2 kullanıldı. 6 Mayıs 1937'de New Jersey'de Milano yangını. Olay radyodan canlı yayınlandı ve videoya kaydedildi. Tutuşmanın nedeninin bir hidrojen sızıntısı olduğu yaygın olarak kabul edildi, ancak sonraki çalışmalar, alüminize kumaş kaplamanın statik elektrikle tutuştuğunu gösteriyor. Ancak bu zamana kadar, hidrojenin bir kaldırma gazı olarak itibarı çoktan zedelenmişti. Aynı yıl, rotor ve statorda soğutucu olarak hidrojen gazı kullanan ilk hidrojen soğutmalı turbojeneratör, 1937'de Dayton, Ohio'da Dayton Power & Light Co. tarafından faaliyete geçti; Hidrojen gazının termal iletkenliği nedeniyle günümüzde bu alanda kullanılan en yaygın gazdır. Nikel-hidrojen pili ilk olarak 1977'de ABD Navigasyon Teknolojisi Uydusu 2'de (NTS-2) kullanıldı. ISS, Mars Odyssey ve Mars Global Surveyor, nikel-hidrojen pillerle donatılmıştır. Yörüngesinin karanlık kısmında, Hubble Uzay Teleskobu da, lansmanından 19 yıl sonra ve tasarlandıklarından 13 yıl sonra, nihayet Mayıs 2009'da değiştirilen nikel-hidrojen pillerle çalışıyor.

kuantum teorisindeki rolü

Sadece bir proton ve bir elektrondan oluşan basit atomik yapısından dolayı, hidrojen atomu, yarattığı veya absorbe ettiği ışık spektrumuyla birlikte, atomik yapı teorisinin geliştirilmesinde merkezi bir rol oynamıştır. Ek olarak, hidrojen molekülünün ve karşılık gelen H+2 katyonunun karşılık gelen basitliği üzerine yapılan çalışma, kimyasal bağın doğasının anlaşılmasına yol açtı ve bu, kısa süre sonra 2020'nin ortalarında hidrojen atomunun kuantum mekaniğinde fiziksel olarak işlenmesini takip etti. Açıkça gözlemlenen (ancak o zaman anlaşılmayan) ilk kuantum etkilerinden biri, tam bir kuantum mekaniği teorisi ortaya çıkmadan yarım yüzyıl önce Maxwell'in hidrojenle ilgili gözlemiydi. Maxwell'in kaydettiği özısı H2, oda sıcaklığının altında iki atomlu gazdan geri dönüşümsüz olarak ayrılır ve kriyojenik sıcaklıklarda tek atomlu gazın özgül ısı kapasitesine giderek daha fazla benzemeye başlar. Göre kuantum teorisi, bu davranış, düşük kütlesi nedeniyle özellikle H2'de geniş aralıklı olan (kuantize edilmiş) dönme enerji seviyelerinin aralığından kaynaklanır. Bu geniş aralıklı seviyeler, düşük sıcaklıklarda hidrojende termal enerjinin eşit bir şekilde dönme hareketine bölünmesini önler. Daha ağır atomlardan oluşan diyatome gazları, bu kadar geniş aralıklı seviyelere sahip değildir ve aynı etkiyi göstermez. Antihidrojen, hidrojenin antimateryal analoğudur. Pozitronlu bir antiprotondan oluşur. Antihidrojen, 2015 yılı itibariyle elde edilen tek antimadde atomu türüdür.

Doğada olmak

Hidrojen, evrendeki en bol bulunan kimyasal elementtir ve kütle olarak normal maddenin %75'ini ve atom sayısı olarak %90'dan fazlasını oluşturur. (Bununla birlikte, evrenin kütlesinin çoğu bu biçimde değildir. kimyasal element, ancak karanlık madde ve karanlık enerji gibi henüz keşfedilmemiş kütle biçimlerine sahip olduğu düşünülüyor.) Bu element yıldızlarda ve gaz devlerinde bol miktarda bulunur. H2 moleküler bulutları yıldız oluşumu ile ilişkilidir. Hidrojen, CNO döngüsünün proton-proton reaksiyonu ve nükleer füzyonu yoluyla yıldızları döndürmede hayati bir rol oynar. Dünya genelinde hidrojen, moleküler hidrojeninkinden oldukça farklı özelliklere sahip, esasen atomik ve plazma hallerinde bulunur. Bir plazma olarak, hidrojenin elektronu ve protonu birbirine bağlı değildir, bu da çok yüksek elektrik iletkenliği ve yüksek emisyon (Güneş ve diğer yıldızlardan ışık üretir) ile sonuçlanır. Yüklü parçacıklar, manyetik ve elektrik alanlardan güçlü bir şekilde etkilenir. Örneğin, güneş rüzgarında, Dünya'nın manyetosferi ile etkileşime girerek Birkeland akıntıları ve aurora yaratırlar. Hidrojen, yıldızlararası ortamda nötr bir atomik durumdadır. Uçup giden Liman-alfa sistemlerinde bulunan büyük miktardaki nötr hidrojenin, Evrenin kozmolojik baryon yoğunluğuna kırmızıya kayma z = 4'e kadar hakim olduğuna inanılıyor. Dünya üzerindeki normal koşullar altında, elemental hidrojen iki atomlu bir gaz olan H2 olarak bulunur. Ancak, hidrojen gazı, sahip olduğu gaz nedeniyle dünya atmosferinde çok nadir (hacimce 1 ppm) bulunur. hafif, bu da Dünya'nın yerçekiminin daha ağır gazlardan daha kolay üstesinden gelmesini sağlar. Bununla birlikte, hidrojen, öncelikle hidrokarbonlar ve su gibi kimyasal bileşikler formunda bulunan, Dünya yüzeyinde en bol bulunan üçüncü elementtir. Hidrojen gazı, bazı bakteri ve algler tarafından üretilir ve önemi giderek artan bir hidrojen kaynağı olan metan gibi oluğun doğal bir bileşenidir. Kozmik ışınlardan moleküler hidrojenin iyonlaşmasıyla üretildiği yıldızlararası ortamda protonlanmış moleküler hidrojen (H+3) adı verilen bir moleküler form bulunur. Bu yüklü iyon, Jüpiter gezegeninin üst atmosferinde de gözlemlendi. iyon nispeten kararlıdır çevre Düşük sıcaklık ve yoğunluk nedeniyle. H+3, evrende en çok bulunan iyonlardan biridir ve yıldızlararası ortamın kimyasında önemli bir rol oynar. Nötr triatomik hidrojen H3 yalnızca uyarılmış halde bulunabilir ve kararsızdır. Buna karşılık, pozitif moleküler hidrojen iyonu (H+2) evrende ender bulunan bir moleküldür.

hidrojen üretimi

H2 kimyasal ve biyolojik laboratuvarlarda, genellikle diğer reaksiyonların bir yan ürünü olarak üretilir; doymamış substratların hidrojenasyonu için endüstride; ve doğada biyokimyasal reaksiyonlarda indirgeyici eşdeğerlerin yerini almanın bir yolu olarak.

Buhar reformu

Hidrojen birkaç şekilde üretilebilir, ancak ekonomik olarak en önemli işlemler, hidrojenin hidrokarbonlardan çıkarılmasını içerir, çünkü 2000 yılında hidrojen üretiminin yaklaşık %95'i buhar reformasyonundan geldi. Ticari olarak, büyük hacimlerde hidrojen genellikle doğal gazın buharla yeniden biçimlendirilmesiyle üretilir. -de yüksek sıcaklıklar(1000-1400 K, 700-1100 °C veya 1300-2000 °F) buhar (buhar) metan ile reaksiyona girerek karbon monoksit ve H2 üretir.

    CH4 + H2O → CO + 3 H2

Bu reaksiyon en iyi düşük basınçlarda çalışır, ancak yine de yüksek basınçlarda (2.0 MPa, 20 atm veya 600 inç cıva) gerçekleştirilebilir. Bunun nedeni, yüksek basınçlı H2'nin en popüler ürün olması ve basınçlı aşırı ısıyla temizleme sistemlerinin daha yüksek basınçlarda daha iyi performans göstermesidir. Ürün karışımı "sentez gazı" olarak bilinir çünkü genellikle doğrudan metanol ve ilgili bileşikleri üretmek için kullanılır. Metan dışındaki hidrokarbonlar, çeşitli ürün oranlarına sahip sentez gazı üretmek için kullanılabilir. Bu son derece optimize edilmiş teknolojinin birçok komplikasyonundan biri, kok veya karbon oluşumudur:

    CH4 → C + 2 H2

Bu nedenle, buhar reformasyonu genellikle aşırı H2O kullanır. Ek hidrojen, özellikle bir demir oksit katalizörü kullanılarak bir su gazı kaydırma reaksiyonu yoluyla karbon monoksit kullanılarak buhardan geri kazanılabilir. Bu reaksiyon aynı zamanda yaygın bir endüstriyel karbondioksit kaynağıdır:

    CO + H2O → CO2 + H2

H2 için diğer önemli yöntemler, hidrokarbonların kısmi oksidasyonunu içerir:

    2 CH4 + O2 → 2 CO + 4 H2

Ve yukarıda açıklanan geçiş reaksiyonunun başlangıcı olarak hizmet edebilen kömür reaksiyonu:

    C + H2O → CO + H2

Bazen hidrojen aynı endüstriyel süreçte ayrılmadan üretilir ve tüketilir. Amonyak üretimine yönelik Haber sürecinde doğalgazdan hidrojen elde ediliyor. Klor üretmek için tuz çözeltisi elektrolizi ayrıca bir yan ürün olarak hidrojen üretir.

metalik asit

Laboratuarda H2 genellikle seyreltik oksitleyici olmayan asitlerin çinko gibi belirli reaktif metallerle bir Kipp aparatı ile reaksiyona sokulmasıyla yapılır.

    Zn + 2 H + → Zn2 + + H2

Alüminyum ayrıca bazlarla işlendiğinde H2 üretebilir:

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

Su elektrolizi, hidrojen üretmenin basit bir yoludur. Su içinden düşük voltajlı bir akım akar ve anotta oksijen gazı üretilirken katotta hidrojen gazı üretilir. Tipik olarak katot, depolama için hidrojen üretiminde platin veya başka bir inert metalden yapılır. Bununla birlikte, gaz yerinde yakılacaksa, yanmayı desteklemek için oksijenin mevcudiyeti arzu edilir ve bu nedenle her iki elektrot da inert metallerden yapılacaktır. (Örneğin demir oksitlenir ve bu nedenle salınan oksijen miktarını azaltır). Teorik maksimum verim (üretilen hidrojenin enerji değerine göre kullanılan elektrik) %80-94 aralığındadır.

    2 H2O (L) → 2 H2 (g) + O2 (g)

Hidrojen üretmek için suya eklenen granüller şeklindeki bir alüminyum ve galyum alaşımı kullanılabilir. Bu işlem aynı zamanda alümina üretir, ancak peletler üzerinde oksit tabakasının oluşmasını önleyen pahalı galyum yeniden kullanılabilir. Hidrojen yerel olarak üretilebildiğinden ve taşınması gerekmediğinden, bunun hidrojen ekonomisi için önemli potansiyel sonuçları vardır.

Termokimyasal özellikler

Suyu ayırmak için kullanılabilecek 200'den fazla termokimyasal döngü vardır, bu döngülerden yaklaşık bir düzinesi demir oksit döngüsü, seryum (IV) oksit döngüsü, seryum (III) oksit döngüsü, çinko-çinko oksit gibi döngüsü, kükürt iyot döngüsü, bakır döngüsü ve klor ve kükürt hibrit döngüsü, elektrik kullanmadan su ve ısıdan hidrojen ve oksijen üretmek için araştırma ve test aşamasındadır. Bazı laboratuvarlar (Fransa, Almanya, Yunanistan, Japonya ve ABD'dekiler dahil) güneş enerjisi ve sudan hidrojen üretmek için termokimyasal yöntemler geliştirmektedir.

anaerobik korozyon

Anaerobik koşullar altında, demir ve çelik alaşımları moleküler hidrojen (H2) içinde indirgenirken su protonları tarafından yavaşça oksitlenir. Demirin anaerobik korozyonu, önce demir hidroksit (yeşil pas) oluşumuna yol açar ve aşağıdaki reaksiyonla açıklanabilir: Fe + 2 H2O → Fe (OH) 2 + H2. Buna karşılık, anaerobik koşullar altında, demir hidroksit (Fe (OH) 2), manyetit ve moleküler hidrojen oluşturmak için su protonları tarafından oksitlenebilir. Bu işlem Shikorra reaksiyonu ile açıklanır: 3 Fe (OH) 2 → Fe3O4 + 2 H2O + H2 demir hidroksit → magnezyum + su + hidrojen. İyi kristalleşmiş manyetit (Fe3O4), termodinamik olarak demir hidroksitten (Fe(OH)2) daha kararlıdır. Bu işlem, anoksik koşullarda demir ve çeliğin anaerobik korozyonu sırasında meydana gelir. yeraltı suyu ve yeraltı suyu seviyesinin altındaki toprakları eski haline getirirken.

Jeolojik köken: serpantinleşme reaksiyonu

Derinlerde oksijen (O2) yokluğunda jeolojik koşullar, Dünya atmosferinden uzakta hakim olan hidrojen (H2), fayalitin (Fe2SiO4, olivin-demir minal) kristal kafesinde bulunan demir silikatın (Fe2 +) su protonları (H+) tarafından anaerobik oksidasyonla serpantinleşme sürecinde oluşur. . Manyetit (Fe3O4), kuvars (SiO2) ve hidrojen (H2) oluşumuna yol açan karşılık gelen reaksiyon: 3Fe2SiO4 + 2 H2O → 2 Fe3O4 + 3 SiO2 + 3 H2 fayalit + su → manyetit + kuvars + hidrojen. Bu reaksiyon, su ile temas halindeki demir hidroksitin anaerobik oksidasyonunda gözlenen Shikorra reaksiyonuna çok benzer.

Transformatörlerde oluşum

Güç trafolarında üretilen tüm tehlikeli gazlar arasında hidrojen en yaygın olanıdır ve arızaların çoğunda üretilir; bu nedenle hidrojen oluşumu, bir transformatörün yaşam döngüsündeki ciddi sorunların erken bir işaretidir.

Uygulamalar

Çeşitli işlemlerde tüketim

Petrol ve kimya endüstrilerinde büyük miktarlarda H2'ye ihtiyaç vardır. H2'nin en büyük kullanımı, fosil yakıtların işlenmesi ("iyileştirilmesi") ve amonyak üretimi içindir. Petrokimya tesislerinde H2, hidrodealkilasyon, hidrodesülfürizasyon ve hidrokrakingde kullanılır. H2'nin birkaç başka önemli kullanımı vardır. H2, özellikle doymamış katı ve sıvı yağların (margarin gibi maddelerde bulunur) doygunluk seviyesini artırmak için ve metanol üretiminde hidrojenleme maddesi olarak kullanılır. Ayrıca hidroklorik asit üretiminde hidrojen kaynağıdır. H2 ayrıca metal cevherleri için bir indirgeyici ajan olarak kullanılır. Hidrojen, birçok nadir toprak ve geçiş metalinde oldukça çözünür ve hem nanokristalin hem de amorf metallerde çözünür. Hidrojenin metallerdeki çözünürlüğü, kristal kafesteki yerel bozulmalara veya safsızlıklara bağlıdır. Bu, hidrojen sıcak paladyum disklerinden geçirilerek saflaştırıldığında yararlı olabilir, ancak gazın yüksek çözünürlüğü, birçok metali kırılganlaştıran, boru hatlarının ve depolama tanklarının tasarımını karmaşıklaştıran metalurjik bir sorundur. Bir reaktif olarak kullanılmasına ek olarak H2, fizik ve mühendislikte geniş bir uygulama yelpazesine sahiptir. Atomik hidrojen kaynağı gibi kaynak yöntemlerinde koruyucu gaz olarak kullanılır. H2, herhangi bir gazın en yüksek termal iletkenliğine sahip olduğu için enerji santrallerindeki elektrik jeneratörlerinde rotor soğutma sıvısı olarak kullanılır. Sıvı H2, süperiletkenlik araştırmaları da dahil olmak üzere kriyojenik araştırmalarda kullanılır. H2 havadan daha hafif olduğundan ve havanın yoğunluğunun 1/14'ünden biraz fazla olduğundan, bir zamanlar balonlarda ve hava gemilerinde kaldırma gazı olarak yaygın bir şekilde kullanılıyordu. Daha yeni uygulamalarda, anında kaçak tespiti için izleyici gaz olarak hidrojen saf veya nitrojenle (bazen şekillendirme gazı olarak adlandırılır) karıştırılarak kullanılır. Hidrojen otomotiv, kimya, enerji, havacılık ve telekomünikasyon endüstrilerinde kullanılmaktadır. Hidrojen, izin verilen bir gıda katkı maddesidir (E 949), diğer antioksidan özelliklerinin yanı sıra gıda sızıntı testine olanak tanır. Nadir hidrojen izotoplarının da özel uygulamaları vardır. Döteryum (hidrojen-2), nükleer fisyon uygulamalarında yavaş bir nötron moderatörü olarak ve nükleer füzyon reaksiyonlarında kullanılır. Döteryum bileşikleri, reaksiyonun izotop etkilerinin incelenmesinde kimya ve biyoloji alanında kullanılmaktadır. Nükleer reaktörlerde üretilen trityum (hidrojen-3), hidrojen bombalarının yapımında, biyolojik bilimlerde izotop belirteci olarak ve parlak boyalarda radyasyon kaynağı olarak kullanılır. Denge hidrojeninin üçlü nokta sıcaklığı, 13.8033 Kelvin'de ITS-90 sıcaklık ölçeğinde tanımlayıcı sabit noktadır.

soğutma ortamı

Hidrojen, hafif iki atomlu moleküllerinin doğrudan bir sonucu olan bir dizi olumlu özelliğinden dolayı enerji santrallerinde jeneratörlerde bir soğutucu olarak yaygın olarak kullanılır. Bunlar, herhangi bir gazın düşük yoğunluğunu, düşük viskozitesini ve en yüksek özgül ısı kapasitesini ve termal iletkenliğini içerir.

Enerji taşıyıcısı

Hidrojen, şu anda olgunlaşmaktan uzak bir teknoloji olan döteryum veya trityum kullanan ticari füzyon enerji santrallerinin varsayımsal bağlamı dışında bir enerji kaynağı değildir. Güneş'in enerjisi, hidrojenin nükleer füzyonundan gelir, ancak bu işlemi Dünya'da gerçekleştirmek zordur. Güneş, biyolojik veya elektrik kaynaklarından elde edilen elemental hidrojen, onu üretmek için yakmak için gerekenden daha fazla enerji gerektirir, bu nedenle bu durumlarda hidrojen, bir pile benzer şekilde bir enerji taşıyıcısı olarak işlev görür. Hidrojen fosil kaynaklardan (metan gibi) elde edilebilir, ancak bu kaynaklar tükenebilir. Hem sıvı hidrojenin hem de sıkıştırılmış gaz halindeki hidrojenin birim hacmi başına enerji yoğunluğu, yakıtın birim kütlesi başına enerji yoğunluğu daha yüksek olmasına rağmen, pratik olarak elde edilebilen herhangi bir basınçta, geleneksel enerji kaynaklarından önemli ölçüde daha düşüktür. Bununla birlikte, elemental hidrojen, enerji bağlamında, gelecekteki ekonomi çapında olası bir enerji taşıyıcısı olarak geniş çapta tartışılmıştır. Örneğin, fosil yakıtlardan H2 üretimi noktasında CO2 tutma ve ardından karbon tutma ve depolama yapılabilir. Ulaşımda kullanılan hidrojen, bir miktar NOx emisyonu ile ancak karbon emisyonu olmaksızın nispeten temiz bir şekilde yanacaktır. Bununla birlikte, bir hidrojen ekonomisine tam dönüşümle ilgili altyapı maliyeti önemli olacaktır. Yakıt hücreleri, hidrojen ve oksijeni içten yanmalı motorlardan daha verimli bir şekilde doğrudan elektriğe çevirebilir.

yarı iletken endüstrisi

Hidrojen, malzemenin özelliklerini stabilize etmeye yardımcı olan amorf silikon ve amorf karbonun sarkan bağlarını doyurmak için kullanılır. Ayrıca ZnO, SnO2, CdO, MgO, ZrO2, HfO2, La2O3, Y2O3, TiO2, SrTiO3, LaAlO3, SiO2, Al2O3, ZrSiO4, HfSiO4 ve SrZrO3 gibi çeşitli oksit malzemelerde potansiyel bir elektron donörüdür.

biyolojik reaksiyonlar

H2, bazı anaerobik metabolizma türlerinin bir ürünüdür ve birkaç mikroorganizma tarafından, genellikle hidrojenaz adı verilen demir veya nikel içeren enzimlerin katalize ettiği reaksiyonlar yoluyla üretilir. Bu enzimler, H2 ile onun iki protonu ve iki elektron bileşeni arasında tersinir bir redoks reaksiyonunu katalize eder. Hidrojen gazının oluşumu, piruvatın fermantasyonu ile üretilen indirgeyici eşdeğerlerin suya aktarılmasıyla gerçekleşir. Organizmalar tarafından hidrojen üretiminin ve tüketiminin doğal döngüsüne hidrojen döngüsü denir. Suyun kendisini oluşturan protonlara, elektronlara ve oksijene ayrıldığı süreç olan su parçalanması, tüm fotosentetik organizmalarda hafif reaksiyonlarda meydana gelir. Algler Chlamydomonas Reinhardtii ve siyanobakteriler de dahil olmak üzere bu tür bazı organizmalar, kloroplasttaki özel hidrojenazlar tarafından protonların ve elektronların H2 gazı oluşturmak üzere indirgendiği karanlık reaksiyonlarda ikinci bir aşama geliştirmiştir. Oksijen varlığında bile H2 gazını verimli bir şekilde sentezlemek için siyanobakteriyel hidrazları genetik olarak değiştirmek için girişimlerde bulunulmuştur. Bir biyoreaktörde genetiği değiştirilmiş algler kullanılarak da çaba gösterilmiştir.