Hidrogén

A Wikipédiából, a szabad lexikonból.

HidrogénHélium
 
H

Li  
 
 

Általános
Név, vegyjel, rendszám Hidrogén, H, 1
Kategória nemfémek
Csoport, periódus, mező 1 (IA), 1, s
Sűrűség, keménység 0,0899 kg/m3, —
Megjelenés színtelen
Atomi jellemzők
Relatív atomtömeg 1,00794 u
Atomsugár (számított) 25 (53) pm
Kovalens sugár 37 pm
van der Waals sugár 120 pm
Elektronszerkezet 1s1
e- energiaszintenként 1
Oxidációs állapotok (oxid) 1 (amfoter)
Kristályszerkezet hexagonális
Fizikai jellemzők
Halmazállapot légnemű
Olvadáspont 14,025 K= -259,13°C
Forráspont 20,268 K= -252,88°C
Moláris térfogat 11,42 ·10-3 m3/mol
Párolgáshő 0,44936 kJ/mol
Olvadáshő 0,05868 kJ/mol
Gőznyomás 209 Pa 23 K-en
Hangsebesség 1270 m/s 298,15 K-en
Egyéb
Elektronegativitás 2,2 (Pauling skála)
Fajlagos hőkapacitás 14304 J/(kg·K)
Elektromos vezetőképesség __ 106/m Ω
Hővezetési képesség 0,1815 W/(m·K)
Ionizációs potenciál 1312 kJ/mol
Legstabilabb izotópok
izo T.E. fel. idő B.m. B.E. (MeV) B.t.
1H 99,985% stabil H, 0 neutronnal
2H 0,015% stabil H, 1 neutronnal
3H {mest} 12,33 év β 0,019 3He
4H {mest} ismeretlen n 2,910 3H
A táblázatban SI mértékegységek szerepelnek.

Ahol lehetséges, az adatok normálállapotra vonatkoznak.
Az ezektől való eltérést egyértelműen jelezzük.

A hidrogén (latinul: hydrogenium) a periódusos rendszer első kémiai eleme. Vegyjele H, rendszáma 1. Normálállapotban színtelen, szagtalan, nemfémes, egy vegyértékű, igen gyúlékony kétatomos gáz. Nagyon jó hővezető. A hidrogén a legkönnyebb, és a világegyetemben leggyakrabban előforduló elem is egyben. A Földön is jelentős mennyiségben előfordul, leginkább vegyületeiben: a vízben, minden szerves vegyületben és minden élőlényben jelen van. A fősorozatbeli csillagokat nagyrészt plazmaállapotú hidrogén alkotja. Felhasználják ammónia előállításához, alternatív üzemanyagként, és újabban üzemanyagcellákban.

Laboratóriumi előállítása általában savak fémmel (pl: cink) való reagáltatásával történik. Ipari mennyiségű hidrogént többnyire földgáz bontásával állítanak elő. A víz elektrolízise egyszerű, de nem túl hatékony módszer.

Tartalomjegyzék

[szerkesztés] Története

A hidrogént (franciául „vízképző”, görög hudôr=víz és gennen=képezni) különálló elemként elsőként Henry Cavendish fedezte fel 1776-ban. Nevét Antoine Lavoisier adta.

[szerkesztés] Fizikai tulajdonságai

A hidrogén a legkönnyebb kémiai elem, leggyakoribb izotópját csak egy-egy proton és elektron alkotja. Normálállapotban kétatomos gázt – H2 – alkot. Mivel a molekulának nincsenek polarizálható elektronjai, ezért a közöttük kialakuló diszperziós hatás és ezzel együtt a kohézió is rendkívül kicsi. Ezért igen alacsony, mindössze 20,27 K a forráspontja, olvadáspontja pedig 14,02 K. Igen nagy nyomáson, például gázóriások belsejében, a hidrogén molekulái elveszítik önállóságukat és folyékony fémet alkotnak (fémes hidrogén). Az űrben található igen alacsony nyomáson általában atomos formában található meg, egyszerűen azért mert nem találkoznak egymással a hidrogénatomok; a csillagok keletkezésekor az első lépés a H2-felhők kialakulása.

Fontos szerepe van az univerzum energiaellátásában a proton-proton reakción és a szén-nitrogén cikluson keresztül.

[szerkesztés] Felhasználása

Az iparnak nagy mennyiségű hidrogénre van szüksége az ammónia előállításához (Haber-féle ammóniaszintézis), zsírok és olajok hidrogénezéséhez, és metilalkohol (metanol) gyártásához. Egyéb felhasználási területei:

  • sósavgyártás, hegesztés, fémek redukciója
  • rakétaüzemanyag
  • folyékony hidrogént használnak kriogenikai kutatásokban, pl. a szuperfolyékonyság vizsgálatában
  • Mivel 14 és félszer könnyebb a levegőnél, valamikor léghajók töltőgázaként is használták - túlzott veszélyessége miatt azonban ezzel felhagytak.
  • A deutériumot, a hidrogén egyik izotópját (hidrogén-2) maghasadás során moderátorként alkalmazzák, fúziós kísérletekben szintén használják.
  • A tríciumot (hidrogén-3) nukleáris reaktorokban állítják elő, hidrogénbomba gyártásához használható. Ezentúl biológiai kutatásokban jelölő izotóp lehet, illetve fényes festékekben a világító komponens.

Elégethető belső égésű motorokban is, a Chrysler-BMW-nek vannak ilyen járművei.

[szerkesztés] Vegyületei

A hidrogén a legtöbb kémiai elemmel képes vegyületet alkotni. Elektronegativitása 2,2-es, a nemfémek közül a legkisebb. Mivel csak egy elektronnal rendelkezik és elektronhéja két elektronnal telítődik (1s2), a hidrogénatom egy elektron felvételével vagy leadásával egyaránt ionná alakulhat. Ha elektront vesz fel, negatív töltésű hidridionná (H-) alakul. Kis ionizációs energiájú elemekkel (alkálifémekkel, alkáliföldfémekkel) olyan ionvegyületekké egyesülhet, amelyeknek a kristályrácsa pozitív töltésű fémionokból és negatív töltésű hidridionokból áll. Ezeket a vegyületeket sószerű hidrideknek nevezzük. Ha elektront ad le, általában kovalens kötést alkot, mivel önmagában a H+-ion egy csupasz proton lenne és könnyen elektronokat vonzana magához.

Égése során robbanásszerű reakció során víz keletkezik (H2O). A deutérium-oxidot (D2O) nehézvíznek is nevezik. A szénnel nagyszámú vegyületet alkot. Mivel ezek a vegyületek az élőlényekhez köthetők, szerves vegyületeknek nevezik őket – a velük foglalkozó tudományágat pedig szerves kémiának.

[szerkesztés] A hidrogén biner vegyületei (hidridek)

  • kovalens hidridek (jellemzően a p-mező elemeivel):
IV. A V. A VI. A VII. A
CH4 NH3 H2O (HF)x
SiH4 PH3 H2S HCl
GeH4 AsH3 H2Se HBr
SnH4 SbH3 H2Te HI
  • polimer hidridek:
    • bórral (boránok): BxHy, ahol x maximum ~25
    • szénnel (szénhidrogének): CxHy, ahol x-nek elvileg nincs felső határa
    • szilíciummal (szilánok): SixHy, ahol x maximum ~8
    • germániummal (germánok): GexHy, ahol x maximum ~5
  • ionrácsos (sószerű) hidridek (jellemzően az alkáli- és alkáliföldfémekkel):
I. A II. A
LiH BeH2
NaH CaH2
KH MgH2
RbH SrH2
CsH BaH2
  • fémes (intersticiális) hidridek (jellemzően a d-mező és f-mező elemeivel):
III. B IV. B V. B VI. B VII. B VIII. B I. B II. B
ScH2 TiH2 VH
VH2
CrH x x CuH ZnH
YH2
YH3
ZrH2 NbH
NbH2
x x PdHx (x<1) x x
LaH2
LaH3
HfH2 TaH x x x x x
  • komplex hidridek: [BH4]-, [AlH4]-

[szerkesztés] Formái

Kvantumfizikai szempontból kétféle hidrogén-molekula (H2) különböztethető meg (magspin-izomerek):

  • ortohidrogén:
    • a két proton spinje azonos irányú (paralel)
    • az eredő magspinmomentum: S=1 → Bose-Einstein-statisztika
    • 0 K-en 0 %-os az előfordulása
    • 300 K-en 75 %-os az előfordulása
  • parahidrogén:
    • a két proton spinje ellentétes irányú (antiparalel)
    • az eredő magspinmomentum: S=0 → Bose-Einstein-statisztika
    • 0 K-en 100 %-os az előfordulása
    • 300 K-en 25 %-os az előfordulása

[szerkesztés] Izotópjai

A hidrogén leggyakoribb izotópja: 1H. Ennek a stabil izotópnak az atommagja egyetlen protonból áll; innen jön a prócium, a 1H ritkán használt neve.

A másik stabil izotóp a deutérium, 2H, aminek magjában egy neutron is található. A deutérium az összes hidrogén kb. 0,0184-0,0082%-át adja.

A harmadik hidrogénizotóp a radioaktív trícium, 3H. A trícium atommagja két neutront tartalmaz a proton mellett.

A hidrogén az egyetlen kémiai elem aminek az izotópjait külön elnevezték. A deutérium és a trícium jelölésére használják még a D és T betűket (a 2H illetve 3H helyett), bár ez nem hivatalos jelölés.