Hidrogén

A hidrogén a kémiai elem a atomszámú 1, a szimbólum H. a jelen lévő hidrogén a Földön készült szinte teljes egészében az izotóp 1 H (egy proton , nulla neutron ); kb. 0,01% 2 H-t tartalmaz (egy protont, egy neutront). Ez a két izotóp stabil . Egy harmadik instabil 3 H izotóp (egy proton, két neutron) keletkezik nukleáris robbanások során. Ez a három izotópok az úgynevezett „ Protium ”, „ deutérium ” és a „ trícium ” volt.

A hidrogén oxidációs száma 0 ( dihidrogén H 2 vagy fémes hidrogén ), + I ( kémiai vegyületeinek többségében ) és –I ( fémes hidridekben ). A hidrogén egy elektropozitív elem , amelyet gyakran H + vagy H 3 O + állapotban ionizálnak . De kovalens kötéseket is képez , különösen a vízben és a szerves anyagokban .

A hidrogén a Nap fő alkotóeleme és a legtöbb csillag (amelynek energiája ennek a hidrogénnek a termonukleáris fúziójából származik ), valamint a csillagközi vagy galériaközi anyag . Az óriásbolygók fő alkotóeleme , fémes formában a Jupiter és a Szaturnusz szívében , szilárd, folyékony vagy gáznemű hidrogén formájában a legkülső rétegeikben és a többi óriásbolygón. A Földön, főleg jelen formájában a víz folyékony, szilárd ( jég ) vagy gáz ( vízgőz ), de ez is tartalmaz a füst bizonyos vulkánok H forma 2 , és a metán CH 4 .

Ez a gáz először azonosították az Cavendish a 1766 , aki nevezte „gyúlékony levegő”, mert égési sérüléseket vagy felrobban jelenlétében oxigén , ahol alkot vízgőz. Lavoisier ezt a gázt hidrogén névvel jelölte meg, amely a „ hydro- ” előtagból áll, a görög ὕδωρ ( hudôr ) kifejezésből a „víz”, a „ -gene ” utótagból pedig a görög γεννάω ( gennaô ) szóból . ”. Ez a H 2 kémiai képletű gáz , amelynek tudományos neve ma "dihidrogén".

A dihidrogént köznyelvben szinte mindig "hidrogénnek" nevezik.

Bőség

A hidrogén a leggyakoribb elem az Univerzumban : 75 tömeg% és 92% atomszám. Nagy mennyiségben van jelen csillagokban és gázbolygókon; a ködök és a csillagközi gáz fő alkotóeleme is .

A földkéregben a hidrogén csak az atomok 0,22% -át képviseli, messze elmaradva az oxigéntől (47%) és a szilíciumtól (27%). A földi légkörben is ritka , mivel térfogatban csak 0,55 ppm légköri gázokat képvisel. A Földön a leggyakoribb hidrogénforrás a víz , amelynek molekulája két hidrogénatomból és egy oxigénatomból áll ; hidrogén mindenekelőtt a fő alkotórésze (a atomok száma) az összes élő anyag, társított szén minden szerves vegyületek . Például a hidrogén az atomok 63% -át és az emberi test tömegének 10% -át képviseli.

Nagyon alacsony nyomás alatt, hasonlóan az űrben létezőhöz, a hidrogén hajlamos egyéni atomként létezni, mert nem ütközik össze más atomokkal, hogy egyesüljenek. A hidrogénfelhők képezik a csillagképződés folyamatának alapját .

A hidrogénatom

A hidrogén a legegyszerűbb kémiai elem ; A leggyakoribb izotópja amely csupán egyetlen proton és egy elektron . A hidrogén a legkönnyebb atom. Mivel csak egy elektronja van, csak kovalens kötést tud kialakítani : egyértékű atom .

A szilárd hidrogén azonban nagyon magas nyomás alatt fémes lehet . Ezután fémes kötéssel kristályosodik (lásd fémes hidrogén ). Az elemek periódusos táblázatában az alkálifémek oszlopában található . Azonban mivel nincs jelen a Föld ezen állapotában, a kémia területén nem tekinthető fémnek .

A hidrogén befogási keresztmetszete (200 MB termikus neutronokkal és 0,04 MB gyors neutronokkal) elég alacsony ahhoz, hogy a vizet moderátorként és hűtőközegként lehessen használni az atomreaktorokban.

Kvantummechanika

A hidrogénatom a létező legegyszerűbb atom. Ezért az, amelyre a megoldás a Schrödinger-egyenlet , a kvantummechanika , a legegyszerűbb. Ennek az esetnek a vizsgálata alapvető fontosságú, mivel lehetővé tette az atompályák , majd a különféle kémiai kötések magyarázatát a molekuláris pályák elméletével .

A hidrogén az egyetlen elem, amelyre minden izotópnak külön neve van, mert tömegük közötti különbségük (a hidrogénatoméhoz képest) jelentős: egyszeresről kettősre vagy hármasra, ami megmagyarázza, miért, ellentétben az izotópokkal általában , ezek a különbségek befolyásolhatják a deutérium vagy a trícium kémiai tulajdonságait a protiumhoz képest (izotópos hatás). A nehéz hidrogén izotópokat tartalmazó nehézvíz (D 2 O) számos faj esetében mérgező példa (nagy dózis). Valójában az izotópok közötti nagy tömegkülönbség miatt a vizes oldatban lejátszódó reakciók kinetikája jelentősen lelassul.

A hidrogén legjelentősebb izotópjai :

könnyű hidrogén vagy 1 H protium , a leggyakoribb (~ 99,98% természetes hidrogén). A mag egyszerűen protonból áll, ezért nincs neutronja . Ez egy stabil izotóp ;

a deutérium 2 H (vagy D), sokkal kevésbé bőséges (0,0082-0,0184% természetes hidrogén, átlagosan ~ 0,015%). A mag protonból és neutronból áll, ez is stabil izotóp. A Földön főleg deuterált víz HDO ( félnehéz víz) formájában van jelen ;

a trícium 3 H (vagy T) csak kis mennyiségben van jelen természetes hidrogénben (tríciumatom 10 18 hidrogénatom). A mag protonból és két neutronból áll, radioaktív, és elektronemisszióval ( β - radioaktivitás ) 3 He- vé alakul . 2 H és 3 H részt vehetnek a nukleáris fúziós reakciók . A trícium radiotoxicitása akkor tekinthető nagyon alacsonynak, ha HTO ( tríciumozott víz ) formában van jelen, kevésbé ismert és kevésbé érthető, ha szerves formában van jelen (a vizsgálatok ellentmondásos eredményeket mutatnak, vagy protokolljaik szerint nagyon változékonyak) . kísérleti). A természetes környezetben a trícium felveheti a protium helyét a hidrogént tartalmazó molekulákban, beleértve a biológiai molekulákat, sőt a DNS-ben is, ahol ez okozhatja a genetikai információk törését, mutációkat vagy sejtes apoptózist . Mivel a trícium ritka izotóp, koncentrációja a vízben és a szövetekben általában nagyon alacsony (eltekintve az emberi eredetű véletlen szennyeződéstől);

a kvadrium vagy a tetrádium 4 H (vagy Q), a hidrogén legstabilabb izotópja (felezési ideje ultrarövid: 1,39 × 10 −22 másodperc). A neutronok kibocsátásával bomlik le;

hidrogén 7 ( 7 H), a valaha megfigyelt leggazdagabb neutron izotóp. Felezési ideje nagyjából 10 −21 másodperc.

Nukleáris fúzió

Hidrogén, nagy mennyiségben jelen vannak a szívét csillagok, egy energiaforrás révén a nukleáris fúziós reakciók , amelyek egyesítik két mag a hidrogénatomok (két proton ) alkotnak egy atom sejtmagba. Hélium . A két úton Ennek a természetes nukleáris fúzió a proton-proton lánc , a Eddington , és a katalitikus szén-nitrogén-oxigén ciklus , a Bethe és von Weizsäcker .

A hidrogénbombákban vagy a H- bombákban végrehajtott magfúzió a köztes fúziós izotópokra vonatkozik (a hidrogén héliummá alakul át), például a csillagokban lejátszódó izotópokra: a hidrogén nehéz izotópjaira, a hélium 3-ra , a tríciumra stb. De egy H-bombában a nukleáris reakciók csak néhány tíz nanoszekundumig tartanak, ami csak egyetlen lépésben teszi lehetővé a reakciókat. A hidrogén héliummá történő átalakulásának eléréséhez azonban több lépésre van szükség, amelyek közül az első, a proton reakciója nagyon lassú.

2006 óta az ITER projekt célja a „magfúzió, mint új energiaforrás tudományos és műszaki megvalósíthatóságának ” ellenőrzése.

Az egyszerű hidrogén test

Kivéve a rendkívül alacsony (például az intergalaktikus térben ) vagy a rendkívül magas (mint a Jupiter és a Szaturnusz központi részein ) nyomást , az egy testes hidrogént H 2 molekulák ( dihidrogén ) alkotják .

Rendkívül nagy nyomáson a hidrogén úgynevezett "sötét" állapotban van, közbenső a gáz és a fém között. Nem tükrözi a fényt és nem adja át. Ez is nagyon gyenge áramvezetővé válik. Hasonló az alkálifémekhez, amelyek a periódusos rendszer 1. csoportjában találhatók .

Alacsonyabb nyomáson a hidrogén egyatomos gáz .

Izomerizmus

A hidrogén molekula létezik két nukleáris centrifugálás izomer : orto-hidrogén ( párhuzamos forog ), és para-hidrogén (antiparallel forog).

Hidrogéngáz

Under normál hőmérsékleten és nyomáson , mint a legtöbb esetben az érdeklődés a kémia és a földtudományok , a hidrogén molekuláris gázok a képlete H 2, hidrogénatom . A dihidrogén hatalmas " molekuláris felhőket " is képez a galaxisokban , amelyek a csillagképződés forrása .

Nagyon alacsony nyomáson és nagyon magas hőmérsékleten a hidrogén egyatomos gáz (ezért a H képlet), ez különösen a csillagközi vagy az intergalaktikus gáz . E terek hatalmas volta miatt és a gáz nagyon alacsony sűrűsége ellenére az egyatomos hidrogén az univerzum barionos tömegének közel 75% -át teszi ki .

Folyékony hidrogén

Szilárd hidrogén

Szilárd hidrogént úgy kapunk, hogy a hőmérsékletet a hidrogén olvadáspontja alá csökkentjük, amely 14,01 K ( -259,14 ° C ) hőmérsékleten van . A szilárd állapotot először 1899-ben kapta meg James Dewar .

Fémes hidrogén

A fémes hidrogén a hidrogén fázisa , amely nagyon magas nyomásnak és nagyon alacsony hőmérsékletnek van kitéve . Ez a degenerált anyag példája . Egyesek úgy vélik, hogy a fémhidrogén folyékony , még nagyon alacsony hőmérsékleten is ( 400 GPa körüli ) tartományban.

Triatomi hidrogén

A triatomi hidrogén az egyszerű testes hidrogén nagyon instabil allotrop formája , H 3 képlettel.

Kémiai tulajdonságok és vegyületek

Ionok: hidron H + , hidronium H 3 O + és hidrid H -

A hidrogénatom elveszítheti egyetlen elektront, így megkapja a H + iont , amelyet általában protonnak neveznek . Valójában az egyetlen elektront elvesztő atom magjává redukálódik, és a leggyakoribb 1 H izotóp esetében ez a mag csak egy protonból áll. Ez a név nem feltétlenül helyes, ha figyelembe vesszük más izotópok jelenlétét, bár diszkrét (kevesebb, mint 0,02%). A név Hydron általánosabb (azt is mondják hidrogénion , annak ellenére, hogy az összetévesztés lehetősége az anion H - ). Sugara nagyon kicsi: körülbelül 1,5 × 10 -15 m elleni 5 × 10 -11 m- a-atom.

Oldatban a proton nem létezik szabad állapotban, de mindig egy molekula elektronfelhőjéhez kötődik. A vizes oldatot úgy szolvatált vízmolekulák; leegyszerűsíthetjük, tekintve, hogy egy vízmolekula H 2 O fogja megképez egy „hidronium” H 3 O + iont , más néven „oxónium” vagy „hidroxónium”.

A hidrogénatom megszerezhet egy második elektront is, így kapja a H - hidrid iont , amely ugyanolyan stabil elektronikus folyamatot eredményez, mint a héliumatom .

Sav-bázis reakciók

Hidrogén játszik elsődleges szerepet sav-bázis reakció (értelmében a Bronsted-Lowry elmélet ), mivel az utóbbi formailag megfelel a csere, a hidrogénion H + között két faj, az első (a sav ) felszabadító H + által megszakítja a kovalens kötést, és a második (az alap ) megragadja ezt a H + -ot egy új kovalens kötés kialakításával:

{\ begin {mátrix} {\ mbox {AH}} & + & {\ mbox {B}} & = & {\ mbox {A}} ^ {-} & + & {\ mbox {BH}} ^ {+ } \\ {\ mbox {acid1}} && {\ mbox {base2}} && {\ mbox {base1}} && {\ mbox {acid2}} \ end {matrix}}

Hidrogén kötés

A hidrogénkötés egy elektrosztatikus kölcsönhatás az A elektronegatív atomhoz kémiailag kötött hidrogénatom és egy másik B elektronegatív atom között (A és B a szerves kémiában jellemzően O , N vagy F ).

Ez a kötés fontos szerepet játszik a szerves kémia területén, mivel az oxigénatomok, az O, a nitrogén N vagy a fluor fluor képesek hidrogénkötéseket létrehozni, de szervetlen kémiában is, az alkoholok és a fém- alkoholátok között .

Kovalens vegyületek

A hidrogénatom megkötheti egyetlen elektronját , és kovalens kötést képez sok nemfémiás atomgal.

A leghíresebb vegyületek:

A hidrogén molekula H 2 ;
a vízmolekula H 2 O ;
C x H y szénhidrogén molekulák .

A hidrogén minden szerves molekulában jelen van , ahol főleg szén- , oxigén- és nitrogénatomokhoz kötődik .

Hidridek

A hidrogén a legtöbb más elemmel kombinálódik, mivel átlagos elektronegativitása van (2.2), és így vegyületeket képezhet fémes vagy nem fémes elemekkel. A fémekkel képződő vegyületeket " hidrideknek " nevezzük , amelyekben általában oldatban található H - ionok találhatók meg. Nem fémes elemeket tartalmazó vegyületekben a hidrogén kovalens kötéseket képez , mivel a H + -ion erősen hajlamos asszociálni az elektronokkal. A vizes oldatban lévő savakban H 3 O + -ionok képződnek, úgynevezett " hidronium " vagy " oxónium " ionok , a proton és a víz molekula kombinációja .

Agresszió az anyagok felé

A hidrogén sok ötvözetrendszert korrodál, gyengítve őket. Ez katasztrofális kudarcokhoz vezethet, például üzemanyagcellákhoz vagy bizonyos katalitikus folyamatokhoz. Ez komoly problémát jelent a hidrogént előállító vagy használó iparágak számára . Ez még mindig akadályozza a termék gyártását, szállítását, tárolását és széles körű használatát.

Az anyagtudomány a hidrogénhatással szemben ellenállóbb anyagokat kutatja, de ezt a munkát bonyolítja a hidrogén mérésének vagy megfigyelésének nehézsége, és kísérletileg az atomi skálán. Chen és mtsai. sikerült 2017 megfigyeljük a pontos háromdimenziós (3D) eloszlását hidrogénatomok az anyagban egy új megközelítés, hogy atomi próbával tomográfia alapuló deuterizálás , kriogén transzfer és megfelelő adatelemzési algoritmusokat .

Toxicitás, ökotoxicitás

Úgy tűnik, hogy nagyon kevés vizsgálatot végeztek ezeken a témákon, valószínűleg azért, mert az élő szervezetekről úgy gondolják, hogy a természetben nem vannak kitéve hidrogéngáznak. Valóban, mivel ez a gáz nagyon könnyű, gyorsan eloszlik a légkör nagyon magas rétegei felé.

Az emberre gyakorolt toxicitást illetően a hidrogén belégzéssel felszívódhat a szervezetbe. Ipari környezetben vagy nagy szivárgás esetén a gáz (szagtalan) káros koncentrációja a levegőben gyorsan elérhető (és robbanékony keveréket képezhet levegővel, oxigénnel, halogénnel és minden erős oxidálószerrel is, különösen a fém katalizátor, például nikkel vagy platina jelenléte). Nagy koncentrációban a hidrogén a már meglévő tüdőproblémák és anoxia súlyosbodásának teszi ki az embereket, olyan tünetekkel, mint fejfájás, fülzúgás, szédülés, álmosság, eszméletvesztés, émelygés, hányás és depresszió. Minden érzék és egy bőr hosszan tartó expozíció esetén kékes árnyalatot kaphat fulladás előtt.

A hidrogénről (2019) még nem ismert, hogy a mutagenitás, az embriotoxicitás, a teratogenitás vagy a reproduktív toxicitás forrása.

Megjegyzések és hivatkozások

(fr) Ez a cikk részben vagy teljesen kivenni a Wikipedia cikket angolul című „ Solid hidrogén ” ( lásd a szerzők listáját ) .

(en) David R. Lide, CRC Handbook of Chemistry and Physics , CRC Press Inc.,2009, 90 th ed. , 2804 p. , Keménytáblás ( ISBN 978-1-420-09084-0 )
IUPAC bizottsága az izotóp bőségekkel és az atomtömegekkel kapcsolatban: min: 1,00784 max: 1,00811 átlag: 1,007975 ± 0,000135.
(in) Beatriz Cordero Verónica Gómez, Ana E. Platero-Prats, Marc Revés Jorge Echeverría, Eduard Cremades, Flavia és Santiago Barragan Alvarez , " Covalent radius revisited " , Dalton Transactions ,2008, P. 2832 - 2838 ( DOI 10.1039 / b801115j )
Paul Arnaud, Brigitte Jamart, Jacques Bodiguel, Nicolas Brosse, Szerves Kémia 1 st ciklus / License, PCEM, gyógyszertár, Tanfolyamok, MCQ és alkalmazások , Dunod,2004. július 8, 710 p. , Puha kötésű ( ISBN 2100070355 )
(a) ionizációs energiák az atomok és Atomic ionok , a CRC Handbook of Chemistry and Physics , 91 th ed. (2011. évi internetes változat), WM Haynes, szerk., CRC Press / Taylor & Francis, Boca Raton, FL, p. 10-203
(in) " HIDROGEN " a https://cameochemicals.noaa.gov oldalon
Paul Depovere, Az elemek periódusos táblázata . Az Univerzum alapvető csodája , De Boeck Supérieur ,2002, P. 103.
o. 6 Reginald H. Garrett, Charles M. Grisham és B. Lubochinsky ( ford. Bernard Lubochinsky), Biochimie , Párizs, De Boeck Egyetem ,2000, 1292 p. ( ISBN 978-2-7445-0020-6 , OCLC 44.434.958 , nyilatkozat BNF n o FRBNF37106164 )
Azt is láthatjuk, 332 mb termikus neutronokat.
Annabelle Comte, CEA "trícium" radiotoxikológiai lap, 12-2005 verzió.
G. Audi, O. Bersillon, J. Blachot és az AH Wapstra, A NUBASE értékelése a nukleáris és a pusztulás tulajdonságok , Nuclear Physics A , 729, 2003, p. 3, 27 , 128.
GM Ter-Akopian és mtsai. , Hidrogén-4 és Hidrogén-5 a t + t és a t + d transzferreakciókból 57,5 MeV tritonnyalppal tanulmányozva , Nuclear Physics in the 21st Century: International Nuclear Physics Conference INPC 2001 , American Institute of Physics Conference Proceedings, 610 o. 920-924 , DOI : 10.1063 / 1.1470062 .
CNRS, "A hidrogén felfedezése 7, a valaha volt egzotikus nukleáris rendszer" [PDF] , sajtóközlemény, 2007. november 19.
(in) ITER-objektumok , az iter.org webhely.
" A folyékony hidrogén optikai tulajdonságai a vezető állapotba való átmenetkor "
" Hidrogén " , a www.savoirs.essonne.fr oldalon
(in) D. Palmer , " Hidrogén az Univerzumban " , a NASA-n ,1997. szeptember 13.
(en) a globális szilárd hidrogén fúziós és termofizikai tulajdonságai (1972)
(in) levelezés, feljegyzések, notebook és általános tételek James Dewar .
James Dewar , " A megszilárdulása hidrogén ," Annals of Chemistry and Physics , 7 -én sorozat, vol. 18,1899 október, P. 145–150 ( online olvasás )
(a) Ashcroft NW A hidrogén-folyadékok , J. Phys. A , 12, A129-137, 2000.
(a) Bonev, SA, Schwegler, E., Ogitsu, T. és Galli, G., A kvantum folyadék fém-hidrogén-suggéré által az első elvek számítások , Nature , 431, 669, 2004.
(in) C. Bordas , PC Cosby és H. Helm , " A metastabil triatomikus hidrogén élettartamának mérése " , The Journal of Chemical Physics , vol. 93, n o 9,1 st november 1990, P. 6303-6309 ( ISSN 0021-9606 és 1089-7690 , DOI 10.1063 / 1.458999 , online olvasás , hozzáférés : 2016. november 26. ).
Julie Cairney, "Atomok mozgásban - a hidrogén megtalálása", Science , 2017. március 17, vol. 355, n ° 6330, p. 1128-1129 , DOI : 10.1126 / science.aam8616 ( absztrakt ).
(in) Chen és mtsai. , „ Https://www.researchgate.net/publication/316827398_Chen_et_al_2017_STOTEN-supporting_information ” ( Archív • Wikiwix • Archive.is • Google • Mit kell tenni? ) , On ResearchGate , 2017 Stöten-alátámasztó információkat (elérhető június 3, 2017 )
LENNTECH, „Hidrogén - H; A hidrogén kémiai tulajdonságai - A hidrogén egészségügyi hatásai - A hidrogén környezeti hatásai ” , www.lenntech.com (hozzáférés: 2019. január 11.)

Lásd is

Kapcsolódó cikkek

Külső linkek

(en) „ Hidrogén műszaki adatai ” (megtekintés időpontja: 2016. április 23. ) , az egyes izotópok ismert adataival az aloldalakon.
fr ) A hidrogén és izotópjainak különböző képei .
(en) 2001 - A szilárd hidrogén tulajdonságai nagyon alacsony hőmérsékleten .
en) Szilárd hidrogén kísérletek atomi hajtóanyagokhoz .

10.

11.

12.

13.

16.

17.

18.

Hé

Lenni

NEM

Született

N / A

Igen

Azt

Kr. |

Vagy

Ász

Ban ben

Ön

én

Délután

Volt

Tuberkulózis

Olvas

A te

Újra

Csont

Vö

Nem

Vminek

119

120

121

122

123.

124

125

126.

127.

128

129

130

131

132

133

134

135

136

137

138

139

140

141

142

Alkáli fémek	Lúgos föld	Lanthanides	Átmeneti fémek	Szegény fémek	fém- loids	nem fémek	glória gének	nemes gázok	Besorolatlan tételek
		Aktinidák
		Szuperaktinidek