Készítette: Tóth Krisztián. Web: http://krissz.hu

Hidrogén

1
1.00797
1
H
1s1
Hidrogén
Alapadatok
Név, vegyjel, rendszám hidrogén, H, 1
Elemi sorozat nemfémek
Csoport, periódus, mező 1, 1, s
Megjelenés színtelen
Atomtömeg 1,00794 g/mol
Elektronszerkezet 1s1
Elektronok héjanként 1
Fizikai tulajdonságok
Halmazállapot gáz
Sűrűség (0 °C, 101,3 kPa)
0,0899 kg/m³[1]
Sűrűség (folyadék) az o.p.-on - g/cm³
Olvadáspont 14,025 K
(-259,13 °C, -434,45 °F)
Forráspont 20,268 K
(-252,88 °C, -423,17 °F)
Olvadáshő 0,05868 kJ/mol
Párolgáshő 0,44936 kJ/mol
Moláris hőkapacitás (25 °C) 28,836 J/(mol·K)
Atomi tulajdonságok
Kristályszerkezet hexagonális
Oxidációs állapotok 1, -1
(amfoter oxid)
Elektronegativitás 2,20 (Pauling-skála)
Ionizációs energia 1.: 1312 kJ/mol
Atomsugár 25 pm
Atomsugár (számított) 53 pm
Kovalens sugár 37 pm
Van der Waals-sugár 120 pm
Egyéb jellemzők
Hővezetési tényező (300 K) 180,5 W/(m·K)
Hangsebesség (gáz, 27 °C) 1310 m/s
CAS-szám 1333-74-0

A Hidrogén bővebb leírása

A hidrogén (régies, magyarosított elnevezése köneny vagy gyulany, latinul: hydrogenium) a periódusos rendszer első kémiai eleme. A hidrogénatom vegyjele H, rendszáma 1. A hidrogén valójában igen ritkán fordul elő önálló atomként, legtöbbször kétatomos molekulákat alkot, melyek képlete H2. Normálállapotban színtelen, szagtalan, íztelen, nemfémes, egy vegyértékű, igen gyúlékony gáz. Nagyon jó hővezető. Vízben igen kis mértékben oldódik, nagyon jól oldódik egyes fémekben (palládium, platina, nikkel). A hidrogén a legkönnyebb és egyben a világegyetemben leggyakrabban előforduló elem. A Földön leginkább vegyületeivel találkozhatunk: jelen van a vízben, szinte minden szerves vegyületben és minden élőlényben. A fősorozatbeli csillagok nagyrészt plazma halmazállapotú hidrogénből állnak, amit apránként héliummá égetnek el. A többi kozmikus testre általánosan igaz, hogy minél nagyobb, annál több benne a hidrogén: a kisebb égitestek gravitációs mezeje nem képes az igen kis sűrűségű hidrogéngázt légkörében huzamosan megtartani.

Laboratóriumi előállítása során erős savakat reagáltatnak valamilyen negatív standardpotenciálú fémmel, például cinkkel. Ipari mennyiségű hidrogént többnyire földgáz és vízgőz reakciójával állítanak elő. A víz elektrolízise a hidrogén előállításának egyszerű, de energia-, így költségigényes módja.

Története

A hidrogént először Robert Boyle állította elő 1671-ben. Henry Cavendish fedezte fel 1766-ban, hogy önálló elem. „Vízképzőt” jelentő nevét Antoine Lavoisier alkotta szóképzéssel a görög hüdór (ὕδωρ = ’víz’) + gennó (γεννώ = ’nemzeni’) szavakból. A deutériumot 1931-ben Harold Urey amerikai kémikus fedezte fel. 1839-ben sir William Robert Grove brit tudósnak sikerült a vizet elektromos árammal hidrogénre és oxigénre bontania.

A kétatomos hidrogénmolekula modellje

Fizikai tulajdonságai

A hidrogén a legegyszerűbb atomszerkezetű kémiai elem, leggyakoribb izotópja, a prócium csak egy protonból és egy elektronból áll.

Normálállapotban kétatomos gáz, képlete H2. A normálállapotú levegőnél sűrűsége 14,5-ször kisebb.

Mivel a hidrogénmolekuláknak nincsenek polarizálható elektronjaik, ezért a közöttük kialakuló diszperziós kölcsönhatás erőssége, így a kohézió is rendkívül kicsi. Ezért a hidrogénnek 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 fémmé állnak össze (fémes hidrogén). Az űrben található igen alacsony nyomáson általában atomos formában létezik – egyszerűen azért, mert a hidrogénatomok nem találkoznak egymással; 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.

1 mól hidrogénatom tömege 1,00794 gramm. Egyetlen hidrogénatom tömeg kb. 0,00000000000000000000000166 g. (1,66×10−24g) Egy hidrogénatom tömege annyiad része egy grammnak, mint tíz kilogramm a Föld tömegének.

Kémiai tulajdonságai

A hidrogén gyúlékony anyag, vízzé ég el.

2H2+ O2 → 2H2O

A hidrogéngáz és az oxigéngáz keveréke durranógázt alkot. Ha meggyújtjuk, csattanó hanggal felrobban. (TILOS oxigént és hidrogént tartalmazó tartályok egymás melletti tárolása a robbanásveszély miatt!) A tiszta hidrogén csendesen ég.

A hidrogén jó redukálószer. A réz-oxidtól elvonja az oxigént.

CuO + H2 → Cu + H2O

Ugyanakkor a legkisebb elektronegativitású fémekkel ionkötésű hidrideket képez, tehát ekkor oxidálószer:

Ca + H2 → CaH2

Előállítása

  • Laboratóriumi előállítás: cinkre sósavat öntünk. Ekkor cink-klorid és hidrogén keletkezik.
Zn + 2HCl = ZnCl2 + H2
  • Előállítható alkálifém és víz reakciójával is:
2Na + 2H2O = 2NaOH + H2

A fenti reakció nagyon heves, ezért lehetőleg lelassítják (például az alkálifémet amalgám formájában használjak, vagy víz helyett kevésbé aktív etil-alkoholt használnak).

  • A hidrogén a víz elektromos bontásával is előállítható (elektrolízissel). A hidrogén a katódon válik ki.
2H2O = O2 + 2H2
  • Ipari előállítás: metán és vízgőz reakciója. Ekkor szén-monoxid és hidrogén keletkezik.
CH4 + H2O = CO + 3H2
  • Másik lehetséges előállítási mód, hogy izzó vascsövön vízgőzt vezetnek át:
3Fe + 4H2O = Fe3O4 + 4H2

Felhasználása

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

  • sósavgyártás, hegesztés, fémek redukciója
  • rakétaüzemanyag
  • folyékony hidrogént használnak kriogenikai kutatásokban, például a szuperfolyékonyság vizsgálatában
  • Mivel 14 és félszer könnyebb a levegőnél, valamikor léghajók töltőgázaként is használták – gyúlékonysága miatt azonban ezzel felhagytak.
  • A deutériumot, a hidrogén egyik izotópját (2H) maghasadás során moderátorként alkalmazzák, fúziós kísérletekben szintén használják.
  • A tríciumot (3H) 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. Újabban alternatív üzemanyagként az üzemanyagcellákban használják.

Vegyületei

A hidrogén a legtöbb kémiai elemmel képes vegyülni. Elektronegativitása 2,2-es, a nemfémek közül a legkisebb. Mivel csak egy elektronja van és elektronhéja két elektronnal telítődik (1s2), a hidrogénatom egy elektron felvételével vagy leadásával is 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.

Robbanásszerű égése miatt a hidrogén és az oxigén keverékét durranógáznak hívják. A reakció terméke a víz (H2O). A deutérium-oxidot (D2O) nehézvíznek nevezik. A szénnel rengeteg, különféle szerkezetű vegyületet alkot; ezek a szénhidrogének. Mivel az élőlények zömmel a szén és a hidrogén (oxigénnel, nitrogénnel, foszforral stb. közös) vegyületeiből állnak, ezeket szerves vegyületeknek nevezik, a velük foglalkozó tudományágat pedig szerves kémiának.

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 MgH2
KH CaH2
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]-

Típusai kvantumfizikai szempontból

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

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%-a. A hidrogén és a deutérium egyaránt az ősrobbanásban keletkezett; a fúziós reakciók eredményeként mennyiségük azóta folyamatosan csökken.

A harmadik hidrogénizotóp a radioaktív trícium, 3H. A trícium atommagja két neutront tartalmaz a proton mellett. A földön a trícium a kozmikus sugárzás eredményeként keletkezik a légkörben, illetve a felszínen, ezért kiválóan alkalmas a beszivárgott és a felszín alatt messzire vándorolt vizek korának (a beszivárgás idejének) meghatározására.

A hidrogén az egyetlen olyan kémiai elem, aminek az izotópjait nemcsak külön elnevezték, de külön vegyjelet is adtak nekik – bár ez nem hivatalos. A deutériumot gyakran a D, a tríciumot a T betűvel jelölik (a 2H illetve 3H helyett).