A hidrogén elem - a periódusos rendszer online
- Elem be
Periódusos táblázat - Általános eleminformációk
- Általános csoportinformációk
- Atomi tulajdonságok
- Módosítások/fizikai tulajdonságok
- Ionizálás
- termodinamika
- Oxidáció és redukció
- Sav-bázis viselkedés
- A tömeges cselekvés törvénye
- Izotópok
- terjesztés
- sztori
- linkek
1, hidrogén (H)
A hidrogén elem:
A hidrogén természetes képződése (nukleoszintézis): A hidrogén messze a leggyakoribb elem az univerzumban. Közvetlenül az Ősrobbanás után minden anyag hidrogénből állt (néhány hélium mellett), míg a nehezebb elemek csak a csillagokon belüli magfúziós folyamatok és életük végén bekövetkezett szupernóva-robbanásuk eredményeként jöttek létre. Ennek megfelelően a hidrogén aránya az univerzum története során a hélium rovására folytatódik.
A hidrogénatomoknak természetesen három típusa van (= izotópja):
Itt van ez Protium (normál vagy könnyű hidrogén, 1 H) a hidrogénatom leggyakoribb típusa.
deutérium (más néven "nehéz hidrogén", 0,015% -ot tartalmazott a természetes izotóp keverékben, 2 H), másrészt, csakúgy, mint a hélium-3 vagy a lítium- és berillium-izotópok, a szupernóva-robbanások eredményeként inkább nagyobb atommagok töredékei kifejezi azt a tényt, hogy nem használják széles körben. A négy izotóp egyike, amely páratlan számú neutron és proton mellett egyaránt stabil.
Ezenkívül a természetes izotópkeverék 10-15% -a még mindig létezik a természetben Trícium (más néven "szuper nehéz hidrogénnek", 3 H), amelyet nitrogénatomokat eltaláló szabad neutronok alkotnak, amelyek a kozmikus sugárzás eredményeként magasabb légköri rétegekben keletkeznek:
Trícium képződése nitrogénből és szabad neutronokból:
| 14 N + 1 n → 12 C + 3 H + 4,015 MeV |
A trícium radioaktív, és a béta sugarak (szabad elektronok) kibocsátásával 12,3 év felezési idővel bomlik le hélium-3-ra.
Hidrogén előfordulása: Az univerzum még mindig 75% -ban hidrogén. Ez az arány azonban lassan, de folyamatosan növekszik, különösen a hélium, az oxigén és a neon javára.
A hidrogén a kilencedik leggyakoribb elem a földön. Így nagymértékben kimerült a Napon (90%) és az univerzumban való előfordulásához képest. Ez annak a ténynek köszönhető, hogy a föld kialakulásakor az eredetileg jelen lévő hidrogénnek csak egy kis része tudott kémiailag megkötődni más elemekkel (főleg oxigénnel), és túlnyomó többségük viszonylag rövid idő alatt elemi hidrogénként diffundálódott a szabad térbe. Ugyanezen okból a kémiailag inert nemesgázok földi előfordulásukban is kimerültek az univerzumban tapasztalható bőséghez képest (az argon kivételével lásd ott).
A hidrogén legfontosabb vegyülete az oxidja, a víz (H2O). Ez a földfelszín 72% -át lefedi. A hidrogén második leggyakoribb előfordulása kétségtelenül a természet szerves vegyületeiben van, amelyek túlnyomórészt szén, hidrogén és oxigén elemekből állnak. Ezenkívül a metán (mint a legegyszerűbb szénhidrogén, CH4), mint fosszilis energiaforrás (földgáz) fontos szerepet játszik. A rothadó folyamatok során hidrogénvegyületek is keletkeznek: A korhadt tojás szagú hidrogén-szulfid (H2) rendkívül mérgező gáz, amely a fehérjék rothadásakor keletkezik. A jellegzetes csípős szagú ammónia a hidrogén nitrogénvegyülete (NH3), amelyet vizes oldatként használnak a háztartásban tisztítószerként. Ammónia akkor is termelődik, amikor a növényi vagy állati maradványok lebomlanak.
| Fontos hidrogénlerakódások | ||
Víz [1] H2O. | Kőolajminta [2] CnH2n + 2, n = 5-10 | Napfelszín [3] |
Hidrogéntermelés: Szén gázosítása: Az elemi hidrogént úgy kapják meg, hogy forró gőzt vezetnek az izzó kokszon. Innen származik Vízáttörés. Az elsődlegesen képződött szén-monoxid (CO) további vízzel hidrogénné alakul, nikkel (III) -oxiddal vagy króm (III) -oxiddal katalizálva, szén-dioxid képződésével. A szintézisgázt szódával vagy kálium-oldattal mossuk, majd réz (I) -klorid-oldattal mossuk, a CO2 és a CO eltávolítható. A szénben lévő kénből képződő hidrogén-szulfidot is elválasztják.
C + H20 + 175,3 kJ/mol → CO + H2; Vízgáz-előállítás
CO + H2O + 2,8 kJ → CO2 + H2; Vízgáz tolási reakció
C + 2 H20 + 178,1 kJ → CO2 + 2 H2; Általános válasz
Elektrokémiailag vízből: A hidrogén hatékonyan nyerhető vízből elektrolízissel is. Mivel a tiszta víz belső vezetőképessége nagyon alacsony, erre megfelelő elektrolitokat használnak. Különösen alkalmasnak bizonyult a 25% -os kálium-hidroxid-oldatok 70-90 ° C hőmérsékleten történő elektrolízise, amelyeket 0,15-0,5 A/cm2 áramsűrűséggel és 1,9 V feszültséggel elektrolizáltak. Ennek a képviseletnek a hatékonysága 80%. A katódnál a negatív töltésű katódon káliumionok ürülnek, majd elemi káliumot képeznek. Ez azonnal reagál a vízzel, kálium-hidroxidot és hidrogént képezve, amely felemelkedik és megfogható. Az anódnál a hidroxid-ionok a pozitív töltésű anódon ürülve hidroxilgyököket képeznek, amelyek azonnal reagálnak hidrogén-peroxidra. Ez azonban víz és oxigén után azonnal lebomlik. Az oxigént el lehet terelni és összegyűjteni, mint a hidrogént.
| Víz elektrolízise (híg KOH oldat): | |
| Katód: | |
Nemesfémek savval történő átalakítása: Laboratóriumi méretekben az alapfémek savakkal történő reakciója révén. Például a hidrogént cinkből vagy alumíniumból nyerhetjük sósav alkalmazásával a Kipp készülékben.
A metán reprezentációja (gőzreformálás): Itt a metánt (vagy bármely más alkánt) és a gőzt 900 ° C hőmérsékleten átalakítják nikkel fölött, mint katalizátort, és az összes megkötött hidrogént reduktív módon lehet előállítani. A szén-monoxid melléktermékként keletkezik.
Kalcium-bromidból és vízből. Az első lépésben a kalcium-bromidot 750 ° C-on vízzel reagáltatva kalcium-oxidot és hidrogén-bromidot képeznek. A kapott hidrogén-bromid 100 ° C-on higany-bromiddá és elemi hidrogénné alakul. A higany-bromid ezután a kalcium-oxiddal tovább reagálva kalcium-bromidot és higany-oxidot képez. Ez a keverék hevítve visszanyeri a higanyt, oxigént szabadítva fel. Végül a higanynak és a kalcium-bromidnak csak katalitikus hatása van.
4 HBr + 2 Hg -100 ° C → 2 HgBr2 + 2 H2
2 HgBr2 + 2 CaO -25 ° C → 2 HgO + 2 CaBr2
Vas (II) -kloriddal és klórral történő katalizálás alatt történő ábrázolás: Ehhez a vas (II) -kloridot először vízzel reagáltatják, amely vas (II, III) -oxidot, hidrogén-kloridot és elemi hidrogént hoz létre. A vas (II, III) -oxidot ezután klórral és sósavval tovább reagáltatják vas (III) -kloriddal, vízzel és oxigénnel. Az utolsó lépésben a képződött vas (III) -klorid hőbomlik, ezáltal a vas (II) -klorid és a klór is visszaképződik, ami szintén fontos a reakció szempontjából.
A nátrium-hidrid ismételt szintetizálásával és lebontásával: A nátrium-hidrid vízben hidrogént szabadít fel; mol mol NaH-ra két mól H2 jut. Ha ezután a hidrogént kvantitatív módon újra nátriummal átalakítjuk, akkor 1 mol hidrogénre 2 mol nátrium-hidridet kapunk. A hidrogén mennyiségét minden alkalommal megduplázhatjuk ismételt átalakítással, melléktermékként maró nátriumot használva.
A hidrogén kémia: A hidrogén mindig vegyületeiben fordul elő oxidációs állapotban +1 (összehasonlítva több elektronegatív partnerrel, nem fém) vagy -1 (összehasonlítva több elektropozitív partnerrel, fém).
Mivel a hidrogén atomhéjában csak egyetlen elektron van, nem képezhet pozitív ionokat, mivel ez szabad protonok megjelenését jelentené. Ezért az erősen elektronegatív atomokkal vagy molekulákkal rendelkező vegyületek mindig erősen poláros atomvegyületek. Ez az oxigénnel, fluorral és nitrogénnel alkotott hidrogénvegyületeket érinti, amelyek a magas EN-különbség miatt erős dipólusokkal rendelkeznek, és így hidrogénhidakat képeznek egymással. Ennek eredményeként az ammónia (NH3, hidrogén-nitrid), a víz (H2O, hidrogén-oxid) és a hidrogén-fluorid (HF) jóval magasabb olvadáspontú és forrásponttal rendelkezik, mint amire molekulatömegüktől elvárható lenne.
Kevésbé erősen elektronegatív elemekkel (foszfor, szén, kén, klór, bróm, jód) a hidrogén alacsony olvadáspontú és forrásban lévő vegyületeket képez, amelyekben kissé pozitívan polarizált.
A még erősebben elektropozitív elemekhez képest kovalens felépítésű hidridek képződnek, amelyekben a hidrogénnek meglehetősen negatív a részleges töltése. Ezek a vegyületek illékonyak vagy erősen polimerek.
Az alkáli- és alkáliföldfémekhez, valamint az európiumhoz, az itterbiumhoz és a nobeliumhoz képest sószerű hidridek keletkeznek, amelyekben "valódi" H - anionok vannak.
Az ötvözetszerű kovalens felépítésű hidridek a legtöbb más fémmel képződnek, amelyekben a hidrogén negatív formális töltéssel rendelkezik.
A hidrogén nem képez vegyületeket a nemesgázokkal.
A hidrogénvegyületeket részletesebben a megfelelő elemoldalakon írjuk le.
A hidrogén és vegyületeinek fizikai jellemzői: Mivel a protonnal rendelkező hidrogén a legegyszerűbb atom és biatomi, ezért minden elem közül a legkönnyebb.
A hidrogén (mint a hélium) szinte ideális gázként viselkedik.
Hidrogén és vegyületeinek használata:
- Hidrogén mint üzemanyag: Mivel az elemi hidrogén oxigénnel égve víz képződik, egyre fontosabb, mint környezetbarát üzemanyag.
- Hegesztőgáz: Az oxigénnel együtt az égés során 3000 ° C hőmérséklet érhető el, ezért hegesztő gázként használják bizonyos magas hőmérsékletű alkalmazásokhoz.
- Szénhidrát: A földgáz- és olajkészletek növekvő szűkösségével a szénhidrát-hidrogénezés egyre fontosabbá válik. Ebben a folyamatban a szén átalakul szénhidrogénné magasabb hőmérséklet és nyomás, valamint hidrogénnel végzett katalizátorok alkalmazásával.
Fontos hidrogénvegyületek használata:
- víz Alapvető biológiai jelentősége mellett a technológia és a kémia legfontosabb anyaga is. Sok reakció vizes közegben megy végbe.
- ásványi olaj még mindig a szerves szintézisek legfontosabb kiindulási anyaga számos termék előállításához (lásd még a szenet).
Dagad: [1] Saját kép. Ez a kép szabadon felhasználható a Creative Commons licenc feltételei szerint. Ha használja, kérjük, tegyen egy linket a weboldalamra.
[2] Kép forrása: Wikimedia Commons. Szerző: Markus Schweiss. A képet a Creative Commons licenc feltételei szerint adják ki.
[3] Kép forrása: NASA. A kép, mint egy amerikai ügynökség munkája, nyilvánosan elérhető, hacsak másképp nem szerepel.