Det hydrogen Det er et kemisk element, der er repræsenteret ved symbolet H. Dets atom er det mindste af alle, og det er det periodiske system begynder med, uanset hvor det er placeret. Den består af en farveløs gas sammensat af diatomiske H-molekylerto, og ikke af isolerede H-atomer; som det sker med de ædle gasser blandt andet Han, Ne, Ar.
Af alle elementerne er det måske det mest symbolske og fremragende, ikke kun for dets egenskaber under jordiske eller drastiske forhold, men for dets enorme overflod og mangfoldighed af dets forbindelser. Brint er en gas, selvom det er inert i fravær af brand, brandfarligt og farligt. mens vand, HtoEller er det universelle opløsningsmiddel og levetid.
I sig selv viser brint ikke nogen visuel ejendommelighed, der er beundringsværdig, simpelthen en gas, der opbevares i cylindre eller røde flasker. Det er dog dets egenskaber og evne til at binde med alle grundstoffer, hvilket gør brint specielt. Og alt dette, på trods af at det kun har en valenselektron.
Hvis brint ikke var lagret i dets respektive cylindre, ville det flygte ud i rummet, mens meget af det reagerer ved opstigningen. Og selvom det har en meget lav koncentration i den luft, vi trækker vejret, uden for Jorden og i resten af universet, er det det mest rigelige element, der findes i stjernerne og betragtes som dets konstruktionsenhed..
På jorden repræsenterer den derimod ca. 10% af dens samlede masse. For at visualisere hvad dette betyder, skal det overvejes, at planetens overflade praktisk talt er dækket af oceaner, og at brint findes i mineraler, i råolie og i enhver organisk forbindelse, ud over at være en del af alle levende væsener.
Ligesom kulstof har alle biomolekyler (kulhydrater, proteiner, enzymer, DNA osv.) Hydrogenatomer. Derfor er der mange kilder til at udvinde eller producere det; kun få repræsenterer virkelig rentable produktionsmetoder.
Artikelindeks
Selvom Robert Boyle i 1671 først var vidne til en gas, der blev dannet, da jernfilter reagerede med syrer, var det den britiske videnskabsmand Henry Cavendish i 1766, der identificerede det som et nyt stof; den "brandfarlige luft".
Cavendish fandt ud af, at når denne angiveligt brændbare luft brændte, blev der genereret vand. Baseret på hans arbejde og resultater gav den franske kemiker Antoine Lavoisier denne gas navnet hydrogen i 1783. Etymologisk stammer dens betydning fra de græske ord "hydro" og "gener": dannelse af vand.
Kort efter, i 1800, opdagede amerikanske forskere William Nicholson og Sir Anthony Carlisle, at vand kan nedbrydes til brint og ilt; de havde fundet elektrolyse af vand. Senere, i 1838, introducerede den schweiziske kemiker Christian Friedrich Schoenbein ideen om at drage fordel af forbrændingen af brint til at generere elektricitet.
Brintets popularitet var så stor, at selv forfatteren Jules Verne omtalte det som fremtidens brændstof i sin bog Den mystiske ø (1874).
I 1899 var den skotske kemiker James Dewar den første til at isolere brint som en flydende gas, idet han selv var den, der var i stand til at afkøle det nok til at opnå det i sin faste fase..
Fra dette tidspunkt præsenterer brintens historie to kanaler. På den ene side dens udvikling inden for brændstof og batterier; og på den anden side forståelsen af strukturen i dets atom og hvordan den repræsenterede det element, der åbnede dørene for kvantefysik.
Brintatomer er meget små og har kun en elektron til dannelse af kovalente bindinger. Når to af disse atomer forbinder, giver de anledning til et diatomisk molekyle, Hto; dette er molekylær brintgas (øverste billede). Hver hvide sfære svarer til et individuelt H-atom, og den globale sfære til de molekylære orbitaler.
Så hydrogen består faktisk af H-molekylerto meget lille, der interagerer ved hjælp af Londons spredningskræfter, da de mangler et dipolmoment, fordi de er homonukleære. Derfor er de meget "rastløse" og spredes hurtigt i rummet, da der ikke er intermolekylære kræfter, der er stærke nok til at bremse dem..
Elektronkonfigurationen af brint er simpelthen 1s1. Denne orbital, 1s, er produktet af at løse den berømte Schrödinger-ligning for hydrogenatomet. I Hto to 1s orbitaler overlapper hinanden for at danne to molekylære orbitaler: en binding og en anti-binding ifølge molekylær orbital teori (TOM).
Disse orbitaler tillader eller forklarer eksistensen af H-ionerto+ eller Hto-; imidlertid er hydrogenkemi defineret under normale betingelser af Hto eller H-ioner+ eller H-.
Fra elektronkonfigurationen for brint, 1s1, dens mulige oxidationstal er meget lette at forudsige; når man naturligvis husker, at 2-orbitalen med højere energi ikke er tilgængelig for kemiske bindinger. Således har hydrogen i basaltilstand et oxidationsnummer på 0, H0.
Hvis det mister sin eneste elektron, forbliver 1s orbitalen tom, og hydrogenionen eller kationen, H, dannes.+, meget mobil i næsten ethvert flydende medium; især vandet. I dette tilfælde er dets oxidationsnummer +1.
Og når det modsatte sker, det vil sige at få en elektron, vil orbitalen nu have to elektroner og bliver 1sto. Derefter bliver oxidationstallet -1 og svarer til hydridanionen, H-. Det er værd at bemærke, at H- det er isoelektronisk til ædelgashelium, He; begge arter har det samme antal elektroner.
Sammenfattende er oxidationstallene for hydrogen: +1, 0 og -1 og H-molekyletto tæller at have to hydrogenatomer H0.
Den foretrukne fase af hydrogen, i det mindste under jordbundsforhold, er den gasformige på grund af de tidligere udsatte årsager. Men når temperaturerne falder i størrelsesordenen -200 ºC, eller hvis trykket stiger hundreder af tusinder af gange det atmosfæriske, kan hydrogen kondensere eller krystallisere til henholdsvis en flydende eller fast fase..
Under disse betingelser er molekylerne Hto de kan justeres på forskellige måder for at definere strukturelle mønstre. London-spredningskræfterne bliver nu stærkt retningsbestemte, og derfor vises geometrier eller symmetrier, der er vedtaget af par H.to.
For eksempel to par Hto, det er lig med at skrive (Hto)to definere en symmetrisk eller asymmetrisk firkant. I mellemtiden er tre par Hto, eller (Hto)3 definere en sekskant, ligesom kulstof i grafitkrystaller. Faktisk er denne sekskantede fase den vigtigste eller mest stabile fase for fast hydrogen..
Men hvad nu hvis det faste stof ikke bestod af molekyler, men af H-atomer? Så ville vi beskæftige os med metallisk brint. Disse H-atomer, der minder om de hvide kugler, kan definere både en flydende fase og et metallisk fast stof..
Brint er en farveløs, lugtfri og smagløs gas. Derfor, hvis der er en lækage, udgør det en risiko for eksplosion..
-253 ºC.
-259 ºC.
Det eksploderer ved næsten enhver temperatur, hvis der er en gnist eller varmekilde tæt på gassen, selv sollys kan antænde brint. Men så længe det er godt opbevaret, er det en dårligt reaktiv gas..
0,082 g / L. Det er 14 gange lettere end luft.
1,62 mg / L ved 21 ºC i vand. Det er generelt uopløseligt i de fleste væsker.
1,24 106 mmHg ved 25 ° C. Denne værdi giver en idé om, hvor lukkede brintcylindrene skal være for at forhindre gas i at trænge ud.
560vºC.
2.20 på Pauling-skalaen.
-285,8 kJ / mol.
0,90 kJ / mol.
0,117 kJ / mol.
Det “normale” brintatom er protiumet, 1H, som udgør ca. 99,985% brint. De to andre isotoper for dette element er deuterium, toH og tritium, 3H. Disse adskiller sig i antallet af neutroner; deuterium har en neutron, mens tritium har to.
Der er to typer molekylært brint, Hto: ortho og para. I den første er H-atomernes to spins (af protonen) orienteret i samme retning (de er parallelle); mens i det andet er de to spins i modsatte retninger (de er antiparallelle).
Hydrogen-para er den mere stabile af de to isomerer; men med stigende temperatur bliver ortho: para-forholdet 3: 1, hvilket betyder, at hydrogen-ortho-isomeren dominerer over den anden. Ved meget lave temperaturer (fjernt tæt på absolut nul, 20K) kan der opnås rene brintprøver - f.eks.
Nomenklaturen, der henviser til brint, er en af de enkleste; skønt det ikke er den samme måde for dets uorganiske eller organiske forbindelser. Hto Det kan kaldes med følgende navne ud over 'brint':
-Molekylært brint
-Dihydrogen
-Diatomisk brintmolekyle.
Til H ion+ deres navne er proton eller hydrogenion; og hvis det er i et vandigt medium, H3ELLER+, hydronium kation. Mens H ion- er hydridanionen.
Hydrogenatomet er det enkleste af alle og er normalt repræsenteret som på billedet ovenfor: en kerne med en enkelt proton (til 1H), omgivet af en elektron, der trækker en bane. Alle atomorbitalerne for de andre elementer i det periodiske system er konstrueret og estimeret på dette atom..
En mere trofast repræsentation af den nuværende forståelse af atomer ville være den af en sfære, hvis periferi er defineret af elektronens og den sandsynlige sky af elektronet (dens 1s orbital).
Brint er, skønt måske i mindre grad sammenlignet med kulstof, det kemiske element, der uden tvivl kan siges at være overalt; i luften, der udgør en del af vandet, der fylder havene, havene og vores kroppe, i råolie og mineraler såvel som i de organiske forbindelser, der samles for at skabe liv.
Det er nok at skumme ethvert bibliotek af forbindelser for at finde brintatomer i dem..
Spørgsmålet er ikke så meget, hvor meget, men hvordan det er til stede. For eksempel er molekylet Hto det er så flygtigt og reaktivt under forekomst af solstråler, at det er meget knappe i atmosfæren; derfor reagerer det på at slutte sig til andre elementer og dermed vinde stabilitet.
Mens der er højere op i kosmos, findes hydrogen overvejende som neutrale atomer, H.
Faktisk betragtes brint i sin metalliske og kondenserede fase som byggesten af stjerner. Da der er umådelige mængder af dem, og på grund af dets robusthed og kolossale dimensioner gør de dette element til det mest rigelige i hele universet. Det anslås, at 75% af det kendte materiale svarer til brintatomer.
At samle løse brintatomer i rummet lyder upraktisk og ekstraherer dem fra solens periferier eller tåger, der ikke kan nås. På Jorden, hvor dens forhold tvinger dette element til at eksistere som Hto, kan produceres ved naturlige eller geologiske processer.
For eksempel har brint sin egen naturlige cyklus, hvor visse bakterier, mikrober og alger kan generere det gennem fotokemiske reaktioner. Skalering af naturlige processer og parallelt med disse inkluderer brugen af bioreaktorer, hvor bakterier lever af kulbrinter til frigivelse af brint indeholdt i dem.
Levende ting er også brintproducenter, men i mindre grad. Hvis dette ikke var tilfældet, ville det ikke være muligt at forklare, hvordan det udgør en af gasformige komponenter i luft i maven; der har vist sig for meget at være brandfarlige.
Endelig skal det nævnes, at mineraler under anaerobe forhold (uden ilt), for eksempel i underjordiske lag, kan reagere langsomt med vand for at producere brint. Fayelitas reaktion beviser det:
3FetoJa4 + 2 timertoO → 2 Fe3ELLER4 + 3 SiOto + 3 Hto
Selvom biohydrogen er et alternativ til at generere denne gas i industriel skala, består de mest anvendte metoder praktisk talt i at "fjerne" brintet fra de forbindelser, der indeholder det, så dets atomer forenes og danner Hto.
De mindst miljøvenlige metoder til fremstilling af den består i at reagere koks (eller trækul) med overophedet damp:
C (s) + HtoO (g) → CO (g) + Hto(g)
Ligeledes er naturgas blevet brugt til dette formål:
CH4(g) + HtoO (g) → CO (g) + 3Hto(g)
Og fordi mængden af koks eller naturgas er enorm, er det rentabelt at producere brint ved en af disse to reaktioner..
En anden metode til at opnå brint er at anvende en elektrisk afladning på vand for at nedbryde det i dets elementære dele (elektrolyse):
2 timertoO (l) → 2 Hto(g) + Oto(g)
Molekylært brint kan fremstilles i små mængder i ethvert laboratorium. For at gøre dette skal et aktivt metal omsættes med en stærk syre, enten i et bægerglas eller i et reagensglas. Den observerbare bobling er et tydeligt tegn på brintdannelse, repræsenteret af følgende generelle ligning:
M (s) + nH+(ac) → Mn+(ac) + Hto(g)
Hvor n er metalets valens. For eksempel reagerer magnesium med H+ at producere Hto:
Mg (s) + 2H+(ac) → Mgto+(ac) + Hto(g)
Oxidationstallene i sig selv giver et første glimt af, hvordan brint deltager i kemiske reaktioner. Hto når det reagerer, kan det forblive uændret eller opdele i H-ionerne+ eller H- afhængigt af hvilken art det er forbundet; hvis de er mere eller mindre elektronegative end ham.
Hto det er ikke særlig reaktivt på grund af styrken af dets kovalente binding, H-H; Dette er imidlertid ikke et absolut hindring for det at reagere og danne forbindelser med næsten alle elementerne i det periodiske system..
Dens bedst kendte reaktion er med iltgas til dannelse af vanddampe:
Hto(g) + Oto(g) → 2HtoO (g)
Og sådan er dets affinitet for ilt til at danne det stabile vandmolekyle, at det endda kan reagere med det som en O-anion.to- i visse metaloxider:
Hto(g) + CuO (s) → Cu (s) + HtoO (l)
Også sølvoxid reagerer eller "reduceres" ved den samme reaktion:
Hto(g) + AgO (s) → Ag (s) + HtoO (l)
Disse brintreaktioner svarer til redox-typen. Det vil sige reduktion-oxidation. Brint oxiderer både i nærvær af ilt og metaloxider af metaller, der er mindre reaktive end det; for eksempel kobber, sølv, wolfram, kviksølv og guld.
Nogle metaller kan absorbere brintgas til dannelse af metalhydrider, der betragtes som legeringer. For eksempel absorberer overgangsmetaller såsom palladium betydelige mængder Hto, svarer til metalliske svampe.
Det samme sker med mere komplekse metallegeringer. På denne måde kan brint lagres på anden måde end dets cylindre..
Organiske molekyler kan også "absorbere" brint gennem forskellige molekylære mekanismer og / eller interaktioner..
For metaller, molekyler Hto de er omgivet af de metalliske atomer i deres krystaller; mens i organiske molekyler bryder H-H-bindingen til dannelse af andre kovalente bindinger. I en mere formaliseret forstand: brint absorberes ikke, men føjes til strukturen.
Det klassiske eksempel er tilføjelsen af Hto til henholdsvis dobbelt- eller tredobbeltbinding af alkener eller alkyner:
C = C + Hto → H-C-C-H
C2C + Hto → HC = CH
Disse reaktioner kaldes også hydrogenering..
Brint reagerer direkte med grundstoffer for at danne en familie af kemiske forbindelser kaldet hydrider. Der er hovedsagelig af to typer: saltvand og molekylær.
Ligeledes er der de metalliske hydrider, som består af de allerede nævnte metalliske legeringer, når disse metaller absorberer hydrogengas; og de polymere med netværk eller kæder af forbindelser E-H, hvor E betegner det kemiske element.
I saltvandshydrider deltager hydrogen i ionbinding som hydridanionen, H-. For at dette kan dannes, skal elementet nødvendigvis være mindre elektronegativ; ellers ville det ikke opgive sine elektroner til brint.
Derfor dannes der saltvand, når hydrogen reagerer med meget elektropositive metaller, såsom alkali og jordalkalier..
For eksempel reagerer brint med metallisk natrium for at producere natriumhydrid:
2Na (s) + Hto(g) → 2NaH (s)
Eller med barium til fremstilling af bariumhydrid:
Ba (s) + Hto(g) → BaHto(s)
Molekylære hydrider er endnu bedre kendt end ioniske. De kaldes også hydrogenhalogenider, HX, når hydrogen reagerer med et halogen:
Clto(g) + Hto(g) → 2HCl (g)
Her deltager hydrogen i den kovalente binding som H+; da forskellene mellem elektronegativiteterne mellem begge atomer ikke er særlig store.
Det samme vand kan betragtes som et oxygenhydrid (eller hydrogenoxid), hvis dannelsesreaktion allerede er blevet diskuteret. Meget ens er reaktionen med svovl for at give hydrogensulfid, en ildelugtende gas:
S (s) + Hto(g) → HtoS (g)
Men af alle de molekylære hydrider er ammoniak den mest berømte (og måske den sværeste at syntetisere):
Nto(g) + 3Hto(g) → 2NH3(g)
I det foregående afsnit blev en af de vigtigste anvendelser af brint allerede behandlet: som et råmateriale til udvikling af syntese, uorganisk eller organisk. Kontrol af denne gas har normalt intet andet formål end at få den til at reagere og skabe andre forbindelser end dem, hvorfra den blev ekstraheret..
- Det er et af reagenserne til syntese af ammoniak, som igen har uendelige industrielle anvendelser, begyndende med produktionen af gødning, selv som et materiale til nitrogenatmedicin..
- Det er beregnet til at reagere med kulilte og således massivt producere methanol, et reagens, der er meget vigtigt i biobrændstoffer..
- Det er et reduktionsmiddel for visse metaloxider, så det bruges til metallurgisk reduktion (allerede forklaret i tilfælde af kobber og andre metaller).
- Reducer fedt eller olier for at producere margarine.
I olieindustrien bruges hydrogen til at "hydrobehandle" råolie i raffineringsprocesser..
For eksempel søger den at fragmentere store og tunge molekyler i små molekyler med større efterspørgsel på markedet (hydrokrakning); frigøre metaller fanget i petroporfyrinburene (hydrodemetallisering); fjern svovlatomer som HtoS (hydroafsvovling); eller reducere dobbeltbindinger for at skabe paraffinrige blandinger.
Brint i sig selv er et fremragende brændstof til raketter eller rumfartøjer, da små mængder af det frigiver enorme mængder varme eller energi, når de reagerer med ilt..
I mindre skala bruges denne reaktion til design af brintceller eller batterier. Disse celler har imidlertid vanskelighederne med ikke at være i stand til at lagre denne gas ordentligt; og udfordringen med at blive helt uafhængig af forbrænding af fossile brændstoffer.
På den positive side frigiver brint, der anvendes som brændstof, kun vand; i stedet for gasser, der repræsenterer forureningsmidler for atmosfæren og økosystemerne.
Endnu ingen kommentarer