HIDROGEN: ISTORIC, STRUCTURĂ, PROPRIETĂȚI ȘI UTILIZĂRI - CHIMIE - 2024

Hidrogenul este un element chimic care este reprezentat de H. simbolul Atomul este cea mai mică dintre toate și este cel care pornește din tabelul periodic, indiferent unde este poziționat. Acesta constă dintr - un gaz incolor formată din diatomice H ₂ molecule , nu atomii de H izolate; ca și în cazul gazelor nobile El, Ne, Ar, printre altele.

Dintre toate elementele, este poate cel mai emblematic și remarcabil, nu numai pentru proprietățile sale în condiții terestre sau drastice, ci și pentru imensa abundență și varietatea compușilor săi. Hidrogenul este un gaz, deși inert în absența focului, inflamabil și periculos; în timp ce apa, H ₂ O, este solventul universal și viață.

Cilindrii roșii folosiți pentru depozitarea hidrogenului. Sursa: Famartin

În sine, hidrogenul nu prezintă nicio particularitate vizuală demnă de admirație, fiind pur și simplu un gaz care este depozitat în butelii sau sticle roșii. Cu toate acestea, proprietățile și capacitatea sa de a se lega cu toate elementele, ceea ce face ca hidrogenul să fie special. Și toate acestea, în ciuda faptului că are un singur electron de valență.

Dacă hidrogenul nu ar fi păstrat în cilindrii respectivi, acesta ar scăpa în spațiu în timp ce o mare parte din acesta reacționează la urcare. Și deși are o concentrație foarte scăzută în aerul pe care îl respirăm, în afara Pământului și în restul Universului, este elementul cel mai abundent, găsit în stele și considerat unitatea sa de construcție.

Pe Pământ, în schimb, reprezintă aproximativ 10% din masa sa totală. Pentru a vizualiza ce înseamnă acest lucru, trebuie considerat că suprafața planetei este practic acoperită de oceane și că hidrogenul se găsește în minerale, în țiței și în orice compus organic, pe lângă faptul că face parte din toate ființele vii.

Ca și carbonul, toate biomoleculele (carbohidrați, proteine, enzime, ADN etc.) au atomi de hidrogen. Prin urmare, există multe surse pentru a o extrage sau produce; cu toate acestea, puțini reprezintă metode de producție cu adevărat profitabile.

Istorie

Identificare și nume

Deși în 1671, Robert Boyle a fost martorul pentru prima dată al unui gaz care a fost format atunci când filajele de fier au reacționat cu acizi, în 1766, savantul britanic Henry Cavendish, a identificat-o ca o substanță nouă; „aerul inflamabil”.

Cavendish a descoperit că atunci când acest aer presupus a fi inflamabil a ars, a fost generată apă. Pe baza lucrărilor și rezultatelor sale, chimistul francez Antoine Lavoisier a dat acestui gaz numele de hidrogen în 1783. Etimologic sensul său derivă din cuvintele grecești „hidro” și „gene”: formarea apei.

Electroliză și combustibil

La scurt timp, în 1800, oamenii de știință americani William Nicholson și Sir Anthony Carlisle au descoperit că apa se poate descompune în hidrogen și oxigen; găsiseră electroliza apei. Mai târziu, în 1838, chimistul elvețian Christian Friedrich Schoenbein a introdus ideea de a profita de arderea hidrogenului pentru a genera electricitate.

Popularitatea hidrogenului a fost astfel încât chiar și scriitorul Jules Verne l-a referit la acesta drept un combustibil al viitorului în cartea sa Insula misterioasă (1874).

Izolare

În 1899, chimistul scoțian James Dewar a fost primul care a izolat hidrogenul ca un gaz lichefiat, el fiind el însuși cel care a fost capabil să-l răcească suficient pentru a-l obține în faza solidă.

Două canale

Din acest moment, istoria hidrogenului prezintă două canale. Pe de o parte, dezvoltarea sa în domeniul combustibililor și bateriilor; iar pe de altă parte, înțelegerea structurii atomului său și modul în care a reprezentat elementul care a deschis ușile fizicii cuantice.

Structura și configurația electronică

Molecula de hidrogen diatomic. Sursa: Benjah-bmm27

Atomii de hidrogen sunt foarte mici și au un singur electron pentru a forma legături covalente. Când doi dintre acești atomi se alăture, ele dau naștere la o moleculă diatomice, H ₂ ; acesta este gaz hidrogen molecular (imaginea de sus). Fiecare sferă albă corespunde unui atom de H individual, iar sferei globale orbitalelor moleculare.

Astfel, hidrogenul constă de fapt din molecule H ₂ foarte mici care interacționează prin forțele de împrăștiere londoneze, deoarece le lipsește un moment dipol, deoarece sunt homonucleare. Prin urmare, sunt foarte „neliniștiți” și difuzează rapid în spațiu, deoarece nu există forțe intermoleculare suficient de puternice pentru a le încetini.

Configurația electronilor de hidrogen este pur și simplu 1s ¹ . Acest orbital, 1s, este produsul rezolvării faimoasei ecuații Schrödinger pentru atomul de hidrogen. În H2 _, două orbitale de 1 s se suprapun pentru a forma două orbitale moleculare: una de legătură și cealaltă anti-legătură, în conformitate cu teoria orbitală moleculară (TOM).

Aceste orbitale permit sau explică existența ionilor H ₂ ⁺ sau H ₂ ^- ; cu toate acestea, chimia de hidrogen este definit în condiții normale de către H ₂ sau H ⁺ sau H ^- ioni .

Numere de oxidare

Din configurația electronilor pentru hidrogen, 1s ¹ , este foarte ușor să prezicem posibilele sale numere de oxidare; ținând cont, desigur, că orbitalul cu energie mai mare nu este disponibil pentru legăturile chimice. Astfel, în stare bazală, hidrogenul are un număr de oxidare de 0, H ⁰ .

Dacă își pierde singurul electron, orbitalul 1s rămâne gol și cationul sau ionul de hidrogen, H ⁺ , este format cu o mare mobilitate în aproape orice mediu lichid; mai ales apa. În acest caz, numărul său de oxidare este +1.

Și când se întâmplă contrariul, adică obținerea unui electron, orbitalul va avea acum doi electroni și va deveni 1s ² . Apoi numărul de oxidare devine -1 și corespunde anionului de hidrură, H ^- . De remarcat faptul că H ^- este izoelectronic la heliul cu gaze nobile, He; adică ambele specii au același număr de electroni.

In rezumat, numerele de oxidare pentru hidrogen sunt: 1, 0 și -1 și molecula de H ₂ are ca având doi atomi de hidrogen H ⁰ .

faze

Faza preferată a hidrogenului, cel puțin în condiții terestre, este cea gazoasă, din motivele expuse anterior. Cu toate acestea, când temperaturile scad de ordinul -200 ° C sau dacă presiunea crește de sute de mii de ori decât atmosferica, hidrogenul se poate condensa sau cristaliza într-o fază lichidă sau, respectiv, solidă.

În aceste condiții, H ₂ molecule pot fi aliniate în diferite moduri de a defini modele structurale. Forțele de imprastiere Londra devin acum geometrii direcționale și , prin urmare , sau simetrii adoptate de H ₂ apar perechi .

De exemplu, două perechi H ₂ , este acela că egal cu scrierea (H ₂ ) ₂ definește un pătrat simetric sau asimetric. Intre timp, trei H ₂ , sau (H ₂ ) ₃ perechi definesc un hexagon, foarte asemănătoare cu cele de carbon din cristale de grafit. De fapt, această fază hexagonală este faza principală sau cea mai stabilă pentru hidrogenul solid.

Dar dacă solidul nu este format din molecule, ci din atomi de H? Apoi ne vom ocupa de hidrogenul metalic. Acești atomi H, amintind sferele albe, pot defini atât o fază lichidă, cât și un solid metalic.

Proprietăți

Aspectul fizic

Hidrogenul este un gaz incolor, inodor și fără gust. Prin urmare, existența unei scurgeri reprezintă un risc de explozie.

Punct de fierbere

-253 ° C.

Punct de topire

-259 ° C.

Punct de aprindere și stabilitate

Acesta explodează la aproape orice temperatură dacă există o scânteie sau o sursă de căldură aproape de gaz, chiar și lumina solară poate aprinde hidrogen. Cu toate acestea, atâta timp cât este bine depozitat, este un gaz slab reactiv.

Densitate

0,082 g / L. Este de 14 ori mai ușoară decât aerul.

Solubilitate

1,62 mg / L la 21 ºC în apă. Este, în general, insolubil în majoritatea lichidelor.

Presiunea de vapori

1,24 · 10 ⁶ mmHg la 25 ° C. Această valoare oferă o idee despre cât de închise trebuie să fie buteliile de hidrogen pentru a preveni scurgerea gazului.

temperatură de autoaprindere

560v ° C.

electronegativitate

2.20 pe scara Pauling.

Căldura de ardere

-285,8 kJ / mol.

Căldură de vaporizare

0,90 kJ / mol.

Căldură de fuziune

0,117 kJ / mol.

izotopi

Atomul de hidrogen „normal” este protiul, ¹ H, care reprezintă aproximativ 99.985% din hidrogen. Celelalte două izotopi pentru acest element sunt deuteriu, ² H și tritiu, ³ H. Acestea diferă în ceea ce privește numărul de neutroni; deuteriu are un neutron, în timp ce tritiul are doi.

Izomerii de rotație

Există două tipuri de hidrogen molecular, H ₂ : orto și para. În primul, cele două rotiri (ale protonului) atomilor H sunt orientate în aceeași direcție (sunt paralele); în timp ce în cel de-al doilea, cele două rotiri sunt în direcții opuse (sunt antiparalele).

Hidrogenul-para este mai stabil dintre cei doi izomeri; Dar, pe măsură ce temperatura crește, raportul orto: para devine 3: 1, ceea ce înseamnă că predomină izomerul hidrogen-orto peste celălalt. La temperaturi foarte mici (de la distanță aproape de zero absolut, 20K), se pot obține probe de hidrogen pur pentru para.

Nomenclatură

Nomenclatura de referire la hidrogen este una dintre cele mai simple; deși nu este același mod pentru compușii săi anorganici sau organici. H ₂ poate fi apelat prin următoarele denumiri , în plus față de „hidrogen“:

-Hidrogen molecular

-Dihydrogen

-Molecula de hidrogen de tip diaomic.

Pentru ionul H ⁺ numele lor sunt proton sau ion hidrogen; și dacă este într - un mediu apos, H ₃ O ⁺ , cation hidroniu. In timp ce H ^- ion este anionul hidrură.

Atomul de hidrogen

Atomul de hidrogen reprezentat de modelul planetar al lui Bohr. Sursa: Pixabay.

Atomul de hidrogen este cel mai simplu dintre toate și este în mod normal reprezentat ca în imaginea de mai sus: un nucleu cu un singur proton (timp de ¹ H), înconjurat de un electron care atrage o orbită. Toate orbitalele atomice pentru celelalte elemente ale tabelului periodic au fost construite și estimate pe acest atom.

O reprezentare mai fidelă înțelegerii actuale a atomilor ar fi cea a unei sfere a cărei periferie este definită de electronul și norul probabilistic al electronului (orbitalul său 1).

Unde găsiți și produceți

Un câmp de stele: sursă inepuizabilă de hidrogen. Sursa: Pixabay.

Hidrogenul este, deși poate într-o măsură mai mică comparativ cu carbonul, elementul chimic despre care se poate spune, fără îndoială, că este peste tot; în aer, care face parte din apa care umple mările, oceanele și corpurile noastre, în petrol brut și minerale, precum și în compușii organici care sunt asamblați pentru a provoca viața.

Doar dezactivați orice bibliotecă de compuși pentru a găsi atomi de hidrogen în ei.

Întrebarea nu este atât cât de mult, ci cum este prezentă. De exemplu, molecula H ₂ este atât de volatilă și reactivă în incidența luminii solare, care este foarte scăzută în atmosferă; prin urmare, reacționează pentru a se alătura altor elemente și, astfel, obține stabilitate.

Deși este mai ridicat în cosmos, hidrogenul se găsește predominant ca atomi neutri, H.

De fapt, hidrogenul este considerat, în faza sa metalică și condensată, ca unitatea de construcție a stelelor. Deoarece există cantități incomensurabile din acestea și, datorită robustetei și dimensiunilor colosale, acestea fac din acest element cel mai abundent din întregul univers. Se estimează că 75% din materia cunoscută corespunde atomilor de hidrogen.

natural

Colectarea atomilor liberi de hidrogen în spațiu sună nepractic și extragerea lor din periferiile Soarelui, sau nebuloase, neatinse. Pe Pământ, unde condițiile sale forța acest element să existe ca H ₂ , aceasta poate fi produsă prin procese naturale sau geologice.

De exemplu, hidrogenul are propriul ciclu natural în care anumite bacterii, microbi și alge îl pot genera prin reacții fotochimice. Scalificarea proceselor naturale și paralel cu acestea include utilizarea bioreactorilor, în care bacteriile se hrănesc cu hidrocarburi pentru a elibera hidrogenul conținut în ele.

Lucrurile vii sunt și producători de hidrogen, dar într-o măsură mai mică. Dacă nu, nu ar fi posibil să se explice cum constituie una dintre componentele gazoase ale flatulenței; care s-au dovedit excesiv de inflamabile.

În cele din urmă, trebuie menționat că în condiții anaerobe (fără oxigen), de exemplu în straturile subterane, mineralele pot reacționa lent cu apa pentru a produce hidrogen. Reacția lui Fayelita o dovedește:

3Fe ₂ SiO ₄ + 2 H ₂ O → 2 Fe ₃ O ₄ + 3 SiO ₂ + 3 H ₂

Industrial

Deși biohidrogen este o alternativă pentru a genera acest gaz la scară industrială, metodele cele mai utilizate practic constau „îndepărtarea“ hidrogenul din compușii care îl conțin, astfel încât atomii săi se unească și să formeze H ₂ .

Cele mai puțin prietenoase metode de producere a acesteia sunt prin reacția cocsului (sau a cărbunelui) cu aburul supraîncălzit:

C (s) + H ₂ O (g) → CO (g) + H ₂ (g)

De asemenea, gazul natural a fost utilizat în acest scop:

CH ₄ (g) + H ₂ O (g) → CO (g) + 3H ₂ (g)

Și deoarece cantitățile de cocs sau gaz natural sunt vaste, este profitabil să producă hidrogen prin oricare din aceste două reacții.

O altă metodă de obținere a hidrogenului este de a aplica o descărcare electrică în apă pentru a o descompune în părțile sale elementare (electroliză):

2 H ₂ O (l) → 2 H ₂ (g) + O ₂ (g)

La laborator

Hidrogenul molecular poate fi preparat în cantități mici în orice laborator. Pentru a face acest lucru, un metal activ trebuie să reacționeze cu un acid puternic, fie într-un pahar, fie într-o eprubetă. Balonarea observabilă este un semn clar al formării de hidrogen, reprezentată de următoarea ecuație generală:

M (s) + nH ⁺ (aq) → M ^{n +} (aq) + H ₂ (g)

Unde n este valența metalului. De exemplu, reacționează magneziu cu H ⁺ pentru a produce H ₂ :

Mg (s) + 2H ⁺ (aq) → Mg ²⁺ (aq) + H ₂ (g)

reacţii

redox

Numerele de oxidare oferă singure o primă privire asupra modului în care hidrogenul participă la reacțiile chimice. H ₂ când reacționează poate rămâne neschimbată sau divizat în H ⁺ sau H ^- ionii în funcție de speciile care se leagă cu; dacă sunt mai mult sau mai puțin electronegative decât acesta.

H ₂ nu este foarte reactiv datorită rezistenței legăturii sale covalentă, HH; cu toate acestea, acesta nu este un impediment absolut pentru ca acesta să reacționeze și să formeze compuși cu aproape toate elementele din tabelul periodic.

Cea mai cunoscută reacție a acesteia este cu cea a gazului de oxigen pentru a produce vapori de apă:

H ₂ (g) + O ₂ (g) → 2H ₂ O (g)

Și aceasta este afinitatea sa pentru oxigen pentru a forma molecula de apă stabilă, încât poate reacționa chiar cu acesta ca un anion O- ² în anumiți oxizi metalici:

H ₂ (g) + CuO (s) → Cu (s) + H ₂ O (l)

Oxidul de argint reacționează de asemenea sau este „redus” prin aceeași reacție:

H ₂ (g) + Ago (s) → Ag (s) + H ₂ O (l)

Aceste reacții de hidrogen corespund tipului redox. Adică reducerea-oxidarea. Hidrogenul se oxidează atât în ​​prezența oxigenului, cât și a oxizilor metalici ai metalelor mai puțin reactivi decât acesta; de exemplu, cupru, argint, wolfram, mercur și aur.

Absorbţie

Unele metale pot absorbi hidrogenul gazos pentru a forma hidruri metalice, care sunt considerate a fi aliaje. De exemplu, metalele de tranziție precum paladiul absorb cantități semnificative de H2 _, fiind similare cu bureții metalici.

La fel se întâmplă și cu aliajele metalice mai complexe. În acest fel, hidrogenul poate fi păstrat cu alte mijloace decât cilindrii săi.

Plus

Moleculele organice pot, de asemenea, „absorbi” hidrogenul prin mecanisme și / sau interacțiuni moleculare diferite.

Pentru metale, H ₂ molecule sunt înconjurate de atomi de metal în interiorul cristalelor lor; în timp ce în moleculele organice, legătura HH se rupe pentru a forma alte legături covalente. Într-un sens mai formalizat: hidrogenul nu este absorbit, ci se adaugă la structură.

Exemplul clasic este adăugarea H ₂ la legătura dublă sau triplă de alchene sau alchine, respectiv:

C = C + H ₂ → HCCH

CeC + H ₂ → HC = CH

Aceste reacții se mai numesc hidrogenare.

Formarea hidrurii

Hidrogenul reacționează direct cu elemente pentru a forma o familie de compuși chimici numiți hidruri. Acestea sunt în principal de două tipuri: soluție salină și moleculară.

De asemenea, există hidruri metalice, care constau din aliajele metalice menționate deja atunci când aceste metale absorb hidrogenul gazos; și cele polimerice, cu rețele sau lanțuri de legături EH, unde E denumește elementul chimic.

salin

În hidrurile saline, hidrogenul participă la legarea ionică sub formă de anion hidrură, H ^- . Pentru ca acesta să se formeze, elementul trebuie neapărat să fie mai puțin electronegativ; altfel, nu ar renunța la electronii săi la hidrogen.

Prin urmare, hidrurile de sare sunt formate numai atunci când hidrogenul reacționează cu metale extrem de electropozitive, cum ar fi metalele alcaline și alcaline.

De exemplu, hidrogenul reacționează cu sodiul metalic pentru a produce hidrură de sodiu:

2Na (s) + H ₂ (g) → 2NaH (s)

Sau cu bariu pentru a produce hidrură de bariu:

Ba (s) + H ₂ (g) → bah ₂ (s)

Molecular

Hidrurile moleculare sunt chiar mai cunoscute decât cele ionice. Se mai numesc halogenuri de hidrogen, HX, când hidrogenul reacționează cu un halogen:

Cl ₂ (g) + H ₂ (g) → 2HCI (g)

Aici hidrogenul participă la legătura covalentă ca H ⁺ ; deoarece diferențele dintre electronegativități între ambii atomi nu sunt foarte mari.

Apa în sine poate fi considerată o hidrură de oxigen (sau oxid de hidrogen), a cărei reacție de formare a fost deja discutată. Reacția cu sulf este foarte similară pentru a da hidrogen sulfurat, un gaz mirositor:

S (s) + H ₂ (g) → H ₂ S (g)

Dar dintre toate hidrurile moleculare, cel mai cunoscut (și poate cel mai dificil de sintetizat) este amoniacul:

N ₂ (g) + 3H ₂ (g) → 2NH ₃ (g)

Aplicații

În secțiunea anterioară, una dintre principalele utilizări ale hidrogenului a fost deja abordată: ca materie primă pentru dezvoltarea sintezei, anorganice sau organice. Controlul acestui gaz nu are, de obicei, alt scop decât acela de a-l face să reacționeze pentru a crea compuși, altele decât cele din care a fost extras.

Materii prime

- Este unul dintre reactivii pentru sinteza amoniacului, care la rândul său are aplicații industriale nesfârșite, începând cu producția de îngrășăminte, chiar și ca material pentru substanțele azotate.

- Se intenționează să reacționeze cu monoxidul de carbon și, astfel, să producă masiv metanol, un reactiv care este foarte important în biocombustibili.

Agent de reducere

- Este un agent reducător pentru anumiți oxizi metalici, motiv pentru care este utilizat în reducerea metalurgică (deja explicat în cazul cuprului și al altor metale).

- Reduceți grăsimile sau uleiurile pentru a produce margarină.

Industria petrolului

În industria petrolului, hidrogenul este folosit pentru „hidrotratarea” țițeiului în procesele de rafinare.

De exemplu, se urmărește fragmentarea moleculelor mari și grele în molecule mici, cu o cerere mai mare pe piață (hidrocrație); eliberați metalele prinse în cuștile petroporfirinei (hidrodemetalizare); îndepărtați atomi de sulf ca H ₂ S (hidrodesulfurare); sau reduceți legăturile duble pentru a crea amestecuri bogate în parafină.

Combustibil

Hidrogenul în sine este un combustibil excelent pentru rachete sau nave spațiale, deoarece cantități mici din acesta, atunci când reacționează cu oxigenul, eliberează cantități uriașe de căldură sau energie.

La o scară mai mică, această reacție este utilizată pentru a proiecta celule sau baterii de hidrogen. Cu toate acestea, aceste celule se confruntă cu dificultăți de a nu putea depozita acest gaz în mod corespunzător; și provocarea de a deveni complet independent de arderea combustibililor fosili.

Pe partea pozitivă, hidrogenul utilizat ca combustibil eliberează numai apă; în locul gazelor care reprezintă mijloace de poluare pentru atmosferă și ecosisteme.

Referințe

1. Shiver & Atkins. (2008). Chimie anorganică. (A patra editie). Mc Graw Hill.
2. Hanyu Liu, Li Zhu, Wenwen Cui și Yanming Ma. (Nd). Structuri la temperatura camerei a hidrogenului solid la presiuni mari. Laboratorul cheie de stat al materialelor Superhard, Universitatea Jilin, Changchun 130012, China.
3. Pierre-Marie Robitaille. (2011). Hidrogenul metalic lichid: un bloc de construcții pentru soarele lichid. Departamentul de Radiologie, Universitatea de Stat din Ohio, 395 W. 12th Ave, Columbus, Ohio 43210, SUA.
4. Grupul Bodner. (Sf). Chimia hidrogenului. Recuperat din: chemed.chem.purdue.edu
5. Wikipedia. (2019). Hidrogen. Recuperat de la: en.wikipedia.org
6. Europa de hidrogen. (2017). Aplicații la hidrogen. Recuperat de la: hydrogeneurope.eu
7. Durează Laura. (2019). Hidrogen: proprietăți și apariție. Studiu. Recuperat din: studiu.com
8. Jonas James. (4 ianuarie 2009). Istoria hidrogenului. Recuperat de la: altenergymag.com