Πού βρίσκεται το υδρογόνο και γιατί χρειάζεται; Τι είδους ουσία είναι το υδρογόνο; Χημικές και φυσικές ιδιότητες του υδρογόνου

• Ονομασία - H (Υδρογόνο);
• Λατινική ονομασία - Hydrogenium;
• Περίοδος - Ι;
• Όμιλος - 1 (Ια);
• Ατομική μάζα - 1,00794;
• Ατομικός αριθμός - 1;
• Ατομική ακτίνα = 53 μ.μ.
• Ομοιοπολική ακτίνα = 32 μ.μ.
• Κατανομή ηλεκτρονίων - 1s 1;
• θερμοκρασία τήξης = -259,14°C;
• σημείο βρασμού = -252,87°C;
• Ηλεκτραρνητικότητα (σύμφωνα με τον Pauling/σύμφωνα με τους Alpred και Rochow) = 2,02/-;
• Κατάσταση οξείδωσης: +1; 0; -1;
• Πυκνότητα (αρ.) = 0,0000899 g/cm 3 ;
• Μοριακός όγκος = 14,1 cm 3 /mol.

Δυαδικές ενώσεις υδρογόνου με οξυγόνο:

Το υδρογόνο («γεννώντας το νερό») ανακαλύφθηκε από τον Άγγλο επιστήμονα G. Cavendish το 1766. Είναι το απλούστερο στοιχείο στη φύση - ένα άτομο υδρογόνου έχει έναν πυρήνα και ένα ηλεκτρόνιο, γι' αυτό πιθανώς το υδρογόνο είναι το πιο άφθονο στοιχείο στο Σύμπαν (που αντιπροσωπεύει περισσότερο από το ήμισυ της μάζας των περισσότερων αστεριών).

Σχετικά με το υδρογόνο μπορούμε να πούμε ότι «το καρούλι είναι μικρό, αλλά ακριβό». Παρά την «απλότητά» του, το υδρογόνο παρέχει ενέργεια σε όλα τα έμβια όντα στη Γη - μια συνεχής θερμοπυρηνική αντίδραση λαμβάνει χώρα στον Ήλιο κατά την οποία σχηματίζεται ένα άτομο ηλίου από τέσσερα άτομα υδρογόνου, αυτή η διαδικασία συνοδεύεται από την απελευθέρωση κολοσσιαίας ποσότητας ενέργειας (για περισσότερες λεπτομέρειες, βλέπε Πυρηνική σύντηξη).

Στον φλοιό της γης κλάσμα μάζαςΤο υδρογόνο είναι μόνο 0,15%. Εν τω μεταξύ, η συντριπτική πλειοψηφία (95%) όλων των γνωστών χημικών ουσιών στη Γη περιέχει ένα ή περισσότερα άτομα υδρογόνου.

Σε ενώσεις με αμέταλλα (HCl, H 2 O, CH 4 ...), το υδρογόνο δίνει το μόνο του ηλεκτρόνιο σε πιο ηλεκτραρνητικά στοιχεία, εμφανίζοντας κατάσταση οξείδωσης +1 (πιο συχνά), σχηματίζοντας μόνο ομοιοπολικούς δεσμούς (βλ. δεσμός).

Σε ενώσεις με μέταλλα (NaH, CaH 2 ...), το υδρογόνο, αντίθετα, δέχεται ένα άλλο ηλεκτρόνιο στο μοναδικό s-τροχιακό του, προσπαθώντας έτσι να ολοκληρώσει το ηλεκτρονικό του στρώμα, εμφανίζοντας μια κατάσταση οξείδωσης -1 (λιγότερο συχνά). σχηματίζοντας συχνά έναν ιοντικό δεσμό (βλ. Ιωνικός δεσμός), επειδή η διαφορά στην ηλεκτραρνητικότητα του ατόμου του υδρογόνου και του ατόμου του μετάλλου μπορεί να είναι αρκετά μεγάλη.

H 2

ΣΕ αέρια κατάστασηΤο υδρογόνο υπάρχει με τη μορφή διατομικών μορίων, σχηματίζοντας έναν μη πολικό ομοιοπολικό δεσμό.

Τα μόρια υδρογόνου έχουν:

• μεγάλη κινητικότητα?
• μεγάλη δύναμη?
• χαμηλή πόλωση.
• μικρό μέγεθος και βάρος.

Ιδιότητες αερίου υδρογόνου:

• το ελαφρύτερο αέριο στη φύση, άχρωμο και άοσμο.
• ελάχιστα διαλυτό στο νερό και σε οργανικούς διαλύτες.
• διαλύεται σε μικρές ποσότητες σε υγρά και στερεά μέταλλα (ιδιαίτερα πλατίνα και παλλάδιο).
• δύσκολο να ρευστοποιηθεί (λόγω της χαμηλής πόλωσής του).
• έχει την υψηλότερη θερμική αγωγιμότητα από όλα τα γνωστά αέρια.
• όταν θερμαίνεται, αντιδρά με πολλά αμέταλλα, παρουσιάζοντας τις ιδιότητες ενός αναγωγικού παράγοντα.
• σε θερμοκρασία δωματίου αντιδρά με φθόριο (συμβαίνει έκρηξη): H 2 + F 2 = 2HF;
• αντιδρά με μέταλλα για να σχηματίσει υδρίδια, εκθέτοντας οξειδωτικές ιδιότητες: H2 + Ca = CaH2;

Στις ενώσεις, το υδρογόνο εμφανίζει τις αναγωγικές του ιδιότητες πολύ πιο έντονα από τις οξειδωτικές του ιδιότητες. Το υδρογόνο είναι ο ισχυρότερος αναγωγικός παράγοντας μετά τον άνθρακα, το αλουμίνιο και το ασβέστιο. Αποκαταστατικές ιδιότητεςΤο υδρογόνο χρησιμοποιείται ευρέως στη βιομηχανία για την παραγωγή μετάλλων και μη μετάλλων ( απλές ουσίες) από οξείδια και γαλλίδια.

Fe 2 O 3 + 3H 2 = 2Fe + 3H 2 O

Αντιδράσεις υδρογόνου με απλές ουσίες

Το υδρογόνο δέχεται ένα ηλεκτρόνιο, παίζοντας ένα ρόλο αναγωγικό μέσο, σε αντιδράσεις:

• Με οξυγόνο(όταν αναφλέγεται ή παρουσία καταλύτη), σε αναλογία 2:1 (υδρογόνο:οξυγόνο) σχηματίζεται εκρηκτικό εκρηκτικό αέριο: 2H 2 0 +O 2 = 2H 2 +1 O+572 kJ
• Με γκρί(όταν θερμαίνεται στους 150°C-300°C): H 2 0 +S ↔ H 2 +1 S
• Με χλώριο(όταν αναφλέγεται ή ακτινοβολείται με ακτίνες UV): H 2 0 +Cl 2 = 2H +1 Cl
• Με φθόριο: H 2 0 +F 2 = 2H +1 F
• Με άζωτο(όταν θερμαίνεται παρουσία καταλυτών ή σε υψηλή πίεση): 3H 2 0 +N 2 ↔ 2NH 3 +1

Το υδρογόνο δίνει ένα ηλεκτρόνιο, παίζοντας ένα ρόλο μέσο οξείδωσης, σε αντιδράσεις με αλκαλικήΚαι αλκαλική γημέταλλα για να σχηματίσουν υδρίδια μετάλλων - ιοντικές ενώσεις που μοιάζουν με άλατα που περιέχουν ιόντα υδριδίου Η - αυτές είναι ασταθείς λευκές κρυσταλλικές ουσίες.

Ca+H 2 = CaH 2 -1 2Na+H 2 0 = 2NaH -1

Δεν είναι τυπικό το υδρογόνο να εμφανίζει κατάσταση οξείδωσης -1. Όταν αντιδρούν με το νερό, τα υδρίδια αποσυντίθενται, μειώνοντας το νερό σε υδρογόνο. Η αντίδραση του υδριδίου του ασβεστίου με το νερό είναι η εξής:

CaH 2 -1 +2H 2 +1 0 = 2H 2 0 +Ca(OH) 2

Αντιδράσεις υδρογόνου με σύνθετες ουσίες

• σε υψηλές θερμοκρασίες, το υδρογόνο μειώνει πολλά οξείδια μετάλλων: ZnO+H 2 = Zn+H 2 O
• Η μεθυλική αλκοόλη λαμβάνεται με την αντίδραση υδρογόνου με μονοξείδιο του άνθρακα (II): 2H 2 +CO → CH 3 OH
• Στις αντιδράσεις υδρογόνωσης, το υδρογόνο αντιδρά με πολλές οργανικές ουσίες.

Οι εξισώσεις των χημικών αντιδράσεων του υδρογόνου και των ενώσεων του αναλύονται λεπτομερέστερα στη σελίδα «Το υδρογόνο και οι ενώσεις του - εξισώσεις χημικών αντιδράσεων που περιλαμβάνουν υδρογόνο».

Εφαρμογές υδρογόνου

• V πυρηνική ενέργειαΧρησιμοποιούνται ισότοπα υδρογόνου - δευτέριο και τρίτιο.
• V χημική βιομηχανίαΤο υδρογόνο χρησιμοποιείται για τη σύνθεση πολλών οργανική ύλη, αμμωνία, υδροχλώριο;
• V βιομηχανία τροφίμωνΤο υδρογόνο χρησιμοποιείται στην παραγωγή στερεών λιπών μέσω της υδρογόνωσης φυτικών ελαίων.
• Για τη συγκόλληση και την κοπή μετάλλων, χρησιμοποιείται η υψηλή θερμοκρασία καύσης του υδρογόνου σε οξυγόνο (2600°C).
• Στην παραγωγή ορισμένων μετάλλων, το υδρογόνο χρησιμοποιείται ως αναγωγικός παράγοντας (βλ. παραπάνω).
• Δεδομένου ότι το υδρογόνο είναι ελαφρύ αέριο, χρησιμοποιείται στην αεροναυπηγική ως πληρωτικό για μπαλόνια, αεροστάτες και αερόπλοια.
• Το υδρογόνο χρησιμοποιείται ως καύσιμο αναμεμειγμένο με CO.

Πρόσφατα, οι επιστήμονες δίνουν μεγάλη προσοχή στην αναζήτηση εναλλακτικών πηγών ανανεώσιμης ενέργειας. Ένα από τα υποσχόμενες κατευθύνσειςείναι η ενέργεια «υδρογόνου», στην οποία το υδρογόνο χρησιμοποιείται ως καύσιμο, το προϊόν της καύσης του οποίου είναι το συνηθισμένο νερό.

Μέθοδοι παραγωγής υδρογόνου

Βιομηχανικές μέθοδοι για την παραγωγή υδρογόνου:

• Μετατροπή μεθανίου (καταλυτική αναγωγή υδρατμών) με υδρατμούς σε υψηλή θερμοκρασία (800°C) σε καταλύτη νικελίου: CH 4 + 2H 2 O = 4H 2 + CO 2;
• μετατροπή μονοξειδίου του άνθρακα με υδρατμούς (t=500°C) σε καταλύτη Fe 2 O 3: CO + H 2 O = CO 2 + H 2 ;
• θερμική αποσύνθεση μεθανίου: CH 4 = C + 2H 2;
• αεριοποίηση στερεών καυσίμων (t=1000°C): C + H 2 O = CO + H 2 ;
• ηλεκτρόλυση νερού (μια πολύ ακριβή μέθοδος που παράγει πολύ καθαρό υδρογόνο): 2H 2 O → 2H 2 + O 2.

Εργαστηριακές μέθοδοι για την παραγωγή υδρογόνου:

• δράση σε μέταλλα (συνήθως ψευδάργυρος) με υδροχλωρικό ή αραιό θειικό οξύ: Zn + 2HCl = ZCl 2 + H 2 ; Zn + H 2 SO 4 = ZnSO 4 + H 2;
• αλληλεπίδραση υδρατμών με ζεστά ρινίσματα σιδήρου: 4H 2 O + 3Fe = Fe 3 O 4 + 4H 2.

Το υδρογόνο (Hydrogenium) ανακαλύφθηκε το πρώτο μισό του 16ου αιώνα από τον Γερμανό γιατρό και φυσιοδίφη Παράκελσο. Το 1776, ο G. Cavendish (Αγγλία) καθιέρωσε τις ιδιότητές του και υπέδειξε τις διαφορές του από άλλα αέρια. Ο Lavoisier ήταν ο πρώτος που έλαβε υδρογόνο από το νερό και απέδειξε ότι το νερό είναι μια χημική ένωση υδρογόνου και οξυγόνου (1783).

Το υδρογόνο έχει τρία ισότοπα: πρωτίου, δευτέριο ή D, και τρίτιο ή Τ. Τους μαζικοί αριθμοίισούνται με 1, 2 και 3. Το πρωτίου και το δευτέριο είναι σταθερά, το τρίτιο είναι ραδιενεργό (χρόνος ημιζωής 12,5 χρόνια). Στις φυσικές ενώσεις, δευτερίου και πρωτίου περιέχονται κατά μέσο όρο σε αναλογία 1:6800 (με βάση τον αριθμό των ατόμων). Το τρίτιο βρίσκεται στη φύση σε αμελητέες ποσότητες.

Ο πυρήνας ενός ατόμου υδρογόνου περιέχει ένα πρωτόνιο. Οι πυρήνες του δευτερίου και του τριτίου περιλαμβάνουν, εκτός από το πρωτόνιο, ένα και δύο νετρόνια, αντίστοιχα.

Το μόριο υδρογόνου αποτελείται από δύο άτομα. Ακολουθούν ορισμένες ιδιότητες που χαρακτηρίζουν το άτομο και το μόριο του υδρογόνου:

Ενέργεια ατομικού ιοντισμού, eV 13,60

Συγγένεια ηλεκτρονίων ατόμου, eV 0,75

Σχετική ηλεκτραρνητικότητα 2.1

Ατομική ακτίνα, nm 0,046

Διαπυρηνική απόσταση σε ένα μόριο, nm 0,0741

Τυπική αιθαλπία μοριακής διάστασης στο 436,1

115. Υδρογόνο στη φύση. Παραγωγή υδρογόνου.

Το υδρογόνο σε ελεύθερη κατάσταση βρίσκεται στη Γη μόνο σε μικρές ποσότητες. Μερικές φορές απελευθερώνεται μαζί με άλλα αέρια κατά τη διάρκεια ηφαιστειακών εκρήξεων, καθώς και από τη γεώτρηση γεωτρήσεων κατά την παραγωγή πετρελαίου. Αλλά με τη μορφή ενώσεων, το υδρογόνο είναι πολύ κοινό. Αυτό φαίνεται από το γεγονός ότι αποτελεί το ένα ένατο της μάζας του νερού. Το υδρογόνο βρίσκεται σε όλους τους φυτικούς και ζωικούς οργανισμούς, το πετρέλαιο, τον άνθρακα και τον καφέ άνθρακα, τα φυσικά αέρια και μια σειρά από μέταλλα. Ποσοστό υδρογόνου από τη συνολική μάζα φλοιό της γης, μετρώντας το νερό και τον αέρα, αντιστοιχεί περίπου στο 1%. Ωστόσο, όταν μετατρέπεται σε ποσοστά του συνολικού αριθμού των ατόμων, η περιεκτικότητα σε υδρογόνο στον φλοιό της γης είναι 17%.

Το υδρογόνο είναι το πιο άφθονο στοιχείο στο σύμπαν. Αντιπροσωπεύει περίπου τη μισή μάζα του Ήλιου και των περισσότερων άλλων αστέρων. Βρίσκεται σε αέρια νεφελώματα, σε διαστρικό αέριο και είναι μέρος των άστρων. Στο εσωτερικό των αστεριών, οι πυρήνες των ατόμων υδρογόνου μετατρέπονται σε πυρήνες ατόμων ηλίου. Αυτή η διαδικασία συμβαίνει με την απελευθέρωση ενέργειας για πολλά αστέρια, συμπεριλαμβανομένου του Ήλιου, χρησιμεύει ως η κύρια πηγή ενέργειας. Η ταχύτητα της διαδικασίας, δηλαδή ο αριθμός των πυρήνων υδρογόνου που μετατρέπονται σε πυρήνες ηλίου σε ένα κυβικό μέτρο σε ένα δευτερόλεπτο, είναι μικρός. Επομένως, η ποσότητα ενέργειας που απελευθερώνεται ανά μονάδα χρόνου ανά μονάδα όγκου είναι μικρή. Ωστόσο, λόγω της τεράστιας μάζας του Ήλιου, η συνολική ποσότητα ενέργειας που παράγεται και εκπέμπεται από τον Ήλιο είναι πολύ μεγάλη. Αυτό αντιστοιχεί σε μείωση της μάζας του Ήλιου κατά περίπου ανά δευτερόλεπτο.

Στη βιομηχανία, το υδρογόνο παράγεται κυρίως από φυσικό αέριο. Αυτό το αέριο, που αποτελείται κυρίως από μεθάνιο, αναμιγνύεται με υδρατμούς και οξυγόνο. Όταν ένα μείγμα αερίων θερμαίνεται παρουσία καταλύτη, λαμβάνει χώρα μια αντίδραση, η οποία μπορεί σχηματικά να αναπαρασταθεί από την εξίσωση:

Το προκύπτον μίγμα αερίων διαχωρίζεται. Το υδρογόνο καθαρίζεται και είτε χρησιμοποιείται στο σημείο παραγωγής είτε μεταφέρεται σε χαλύβδινους κυλίνδρους υπό υψηλή πίεση.

Μια σημαντική βιομηχανική μέθοδος για την παραγωγή υδρογόνου είναι επίσης ο διαχωρισμός του από αέριο φούρνου οπτάνθρακα ή από αέρια διύλισης πετρελαίου. Πραγματοποιείται με βαθιά ψύξη, κατά την οποία όλα τα αέρια εκτός από το υδρογόνο υγροποιούνται.

Στα εργαστήρια, το υδρογόνο παράγεται κυρίως με ηλεκτρόλυση υδατικών διαλυμάτων. Η συγκέντρωση αυτών των διαλυμάτων επιλέγεται ώστε να αντιστοιχεί στη μέγιστη ηλεκτρική τους αγωγιμότητα. Τα ηλεκτρόδια κατασκευάζονται συνήθως από φύλλα νικελίου. Αυτό το μέταλλο δεν διαβρώνεται σε αλκαλικά διαλύματα, ακόμη και ως άνοδος. Εάν είναι απαραίτητο, το υδρογόνο που προκύπτει καθαρίζεται από υδρατμούς και ίχνη οξυγόνου. Μεταξύ άλλων εργαστηριακών μεθόδων, η πιο κοινή μέθοδος είναι ο διαχωρισμός του υδρογόνου από διαλύματα θειικών ή υδροχλωρικών οξέων με τη δράση ψευδαργύρου σε αυτά. Η αντίδραση συνήθως διεξάγεται σε μια συσκευή Kipp (Εικ. 105).

Το πιο κοινό χημικό στοιχείο στο Σύμπαν είναι το υδρογόνο. Αυτό είναι ένα είδος σημείου αναφοράς, γιατί στον περιοδικό πίνακα ο ατομικός του αριθμός είναι ίσος με ένα. Η ανθρωπότητα ελπίζει ότι μπορεί να μάθει περισσότερα για αυτό ως ένα από τα πιο δυνατά οχήματαστο μέλλον. Το υδρογόνο είναι το απλούστερο, ελαφρύτερο, πιο κοινό στοιχείο, υπάρχει πολύ από αυτό παντού - εβδομήντα πέντε τοις εκατό της συνολικής μάζας της ύλης. Είναι παρόν σε οποιοδήποτε αστέρι, ειδικά σε γίγαντες αερίου. Ο ρόλος του στις αντιδράσεις αστρικής σύντηξης είναι βασικός. Χωρίς υδρογόνο δεν υπάρχει νερό, που σημαίνει ότι δεν υπάρχει ζωή. Όλοι θυμούνται ότι ένα μόριο νερού περιέχει ένα άτομο οξυγόνου και δύο άτομα σε αυτό είναι υδρογόνο. Αυτός είναι ο γνωστός τύπος H 2 O.

Πώς το χρησιμοποιούμε

Το υδρογόνο ανακαλύφθηκε το 1766 από τον Henry Cavendish κατά την ανάλυση της αντίδρασης οξείδωσης ενός μετάλλου. Μετά από αρκετά χρόνια παρατηρήσεων, συνειδητοποίησε ότι κατά την καύση του υδρογόνου σχηματίζεται νερό. Προηγουμένως, οι επιστήμονες απομόνωσαν αυτό το στοιχείο, αλλά δεν το θεωρούσαν ανεξάρτητο. Το 1783, το υδρογόνο έλαβε το όνομα υδρογόνο (μεταφρασμένο από το ελληνικό "hydro" - νερό και "gen" - για να γεννήσει). Το στοιχείο που παράγει νερό είναι το υδρογόνο. Αυτό είναι ένα αέριο του οποίου ο μοριακός τύπος είναι Η2. Εάν η θερμοκρασία είναι κοντά στη θερμοκρασία δωματίου και η πίεση είναι κανονική, αυτό το στοιχείο είναι ανεπαίσθητο. Το υδρογόνο μπορεί να μην ανιχνεύεται καν από τις ανθρώπινες αισθήσεις - είναι άγευστο, άχρωμο και άοσμο. Όμως υπό πίεση και σε θερμοκρασία -252,87 C (πολύ κρύο!) αυτό το αέριο υγροποιείται. Έτσι αποθηκεύεται, αφού σε μορφή αερίου πιάνει πολύ περισσότερο χώρο. Το υγρό υδρογόνο χρησιμοποιείται ως καύσιμο πυραύλων.

Το υδρογόνο μπορεί να γίνει στερεό, μεταλλικό, αλλά αυτό απαιτεί εξαιρετικά υψηλή πίεση, και αυτό κάνουν τώρα οι πιο εξέχοντες επιστήμονες -φυσικοί και χημικοί-. Ήδη τώρα αυτό το στοιχείο χρησιμεύει ως εναλλακτικό καύσιμο για τις μεταφορές. Η χρήση του είναι παρόμοια με το πώς λειτουργεί ένας κινητήρας εσωτερικής καύσης: όταν καίγεται υδρογόνο, απελευθερώνεται μεγάλο μέρος του χημική ενέργεια. Έχει επίσης αναπτυχθεί πρακτικά μια μέθοδος για τη δημιουργία κυψέλης καυσίμου που βασίζεται σε αυτό: όταν συνδυάζεται με οξυγόνο, εμφανίζεται μια αντίδραση και μέσω αυτής σχηματίζεται νερό και ηλεκτρισμός. Ίσως, σύντομα οι μεταφορές θα «αλλάξουν» από τη βενζίνη στο υδρογόνο - πολλές αυτοκινητοβιομηχανίες ενδιαφέρονται να δημιουργήσουν εναλλακτικά εύφλεκτα υλικά και υπάρχουν επιτυχίες. Αλλά ένας κινητήρας αμιγώς υδρογόνου είναι ακόμα στο μέλλον, υπάρχουν πολλές δυσκολίες εδώ. Ωστόσο, τα πλεονεκτήματα είναι τέτοια που η δημιουργία δεξαμενής καυσίμου με στερεό υδρογόνο βρίσκεται σε πλήρη εξέλιξη και οι επιστήμονες και οι μηχανικοί δεν πρόκειται να υποχωρήσουν.

Βασικά

Υδρογόνο (λατ.) - υδρογόνο, ο πρώτος σειριακός αριθμός στον περιοδικό πίνακα, ορίζεται Η. Το άτομο υδρογόνου έχει μάζα 1,0079, είναι ένα αέριο που υπό κανονικές συνθήκες δεν έχει γεύση, οσμή, χρώμα. Οι χημικοί από τον δέκατο έκτο αιώνα έχουν περιγράψει ένα συγκεκριμένο εύφλεκτο αέριο, δηλώνοντάς το με διαφορετικούς τρόπους. Αλλά λειτούργησε για όλους κάτω από τις ίδιες συνθήκες - όταν το μέταλλο εκτέθηκε σε οξύ. Το υδρογόνο, ακόμη και από τον ίδιο τον Cavendish, ονομαζόταν απλώς «εύφλεκτος αέρας» για πολλά χρόνια. Μόλις το 1783 ο Lavoisier απέδειξε ότι το νερό έχει πολύπλοκη σύσταση μέσω σύνθεσης και ανάλυσης και τέσσερα χρόνια αργότερα έδωσε στον «καύσιμο αέρα» το σύγχρονο όνομά του. Η ρίζα αυτού σύνθετη λέξηχρησιμοποιείται ευρέως όταν είναι απαραίτητο να ονομαστούν ενώσεις υδρογόνου και τυχόν διεργασίες στις οποίες εμπλέκεται. Για παράδειγμα, υδρογόνωση, υδρίδιο και τα παρόμοια. ΕΝΑ Ρωσικό όνομαπου προτάθηκε το 1824 από τον M. Solovyov.

Στη φύση, η κατανομή αυτού του στοιχείου δεν έχει ίση. Στη λιθόσφαιρα και την υδρόσφαιρα του φλοιού της γης, η μάζα του είναι ένα τοις εκατό, αλλά τα άτομα υδρογόνου είναι έως και δεκαέξι τοις εκατό. Το νερό είναι πιο άφθονο στη Γη και το 11,19% κατά μάζα του είναι υδρογόνο. Είναι επίσης σίγουρα παρούσα σε όλες σχεδόν τις ενώσεις που συνθέτουν το πετρέλαιο, τον άνθρακα, όλα τα φυσικά αέρια και τον άργιλο. Υπάρχει υδρογόνο σε όλους τους οργανισμούς των φυτών και των ζώων - σε πρωτεΐνες, λίπη, νουκλεϊκά οξέα, υδατάνθρακες και ούτω καθεξής. Η ελεύθερη κατάσταση δεν είναι τυπική για το υδρογόνο και σχεδόν ποτέ δεν εμφανίζεται - υπάρχει πολύ λίγο από αυτό σε φυσικά και ηφαιστειακά αέρια. Μια πολύ ασήμαντη ποσότητα υδρογόνου στην ατμόσφαιρα είναι 0,0001%, με τον αριθμό των ατόμων. Αλλά ολόκληρα ρεύματα πρωτονίων αντιπροσωπεύουν το υδρογόνο στο διάστημα κοντά στη Γη, το οποίο αποτελεί την εσωτερική ζώνη ακτινοβολίας του πλανήτη μας.

Χώρος

Κανένα στοιχείο δεν είναι τόσο κοινό στο διάστημα όσο το υδρογόνο. Ο όγκος του υδρογόνου στα στοιχεία του Ήλιου είναι περισσότερο από το ήμισυ της μάζας του. Τα περισσότερα αστέρια παράγουν υδρογόνο με τη μορφή πλάσματος. Ο κύριος όγκος των διαφόρων αερίων των νεφελωμάτων και του διαστρικού μέσου αποτελείται επίσης από υδρογόνο. Είναι παρόν σε κομήτες και στην ατμόσφαιρα ορισμένων πλανητών. Φυσικά, όχι στην καθαρή του μορφή - άλλοτε ως ελεύθερο H2, άλλοτε ως μεθάνιο CH4, άλλοτε ως αμμωνία NH3, ακόμη και ως νερό H2O Πολύ συχνά, βρίσκονται ρίζες CH, NH, SiN, OH, PH και τα παρόμοια. Ως ρεύμα πρωτονίων, το υδρογόνο είναι μέρος της σωματιδιακής ηλιακής ακτινοβολίας και των κοσμικών ακτίνων.

Στο συνηθισμένο υδρογόνο, ένα μείγμα δύο σταθερών ισοτόπων είναι το ελαφρύ υδρογόνο (ή πρωτίου 1 Η) και το βαρύ υδρογόνο (ή το δευτέριο - 2 H ή D). Υπάρχουν και άλλα ισότοπα: ραδιενεργό τρίτιο - 3 Η ή Τ, διαφορετικά - υπερβαρύ υδρογόνο. Και επίσης πολύ ασταθές 4 N. Στη φύση, η ένωση υδρογόνου περιέχει ισότοπα στις ακόλουθες αναλογίες: για ένα άτομο δευτερίου υπάρχουν 6800 άτομα πρωτίου. Το τρίτιο σχηματίζεται στην ατμόσφαιρα από άζωτο, το οποίο επηρεάζεται από τα νετρόνια από τις κοσμικές ακτίνες, αλλά σε αμελητέα ποσότητες. Τι σημαίνουν οι αριθμοί μάζας ισοτόπων; Ο αριθμός δείχνει ότι ο πυρήνας του πρωτίου έχει μόνο ένα πρωτόνιο, ενώ το δευτέριο δεν έχει μόνο ένα πρωτόνιο, αλλά και ένα νετρόνιο στον ατομικό πυρήνα. Το τρίτιο στον πυρήνα του έχει ήδη δύο νετρόνια για κάθε πρωτόνιο. Αλλά το 4 H περιέχει τρία νετρόνια ανά πρωτόνιο. Γι' αυτό φυσικές ιδιότητεςκαι οι χημικές ιδιότητες των ισοτόπων του υδρογόνου είναι πολύ διαφορετικές σε σύγκριση με τα ισότοπα όλων των άλλων στοιχείων - η διαφορά στη μάζα είναι πολύ μεγάλη.

Δομή και φυσικές ιδιότητες

Η δομή του ατόμου του υδρογόνου είναι η πιο απλή σε σύγκριση με όλα τα άλλα στοιχεία: ένας πυρήνας - ένα ηλεκτρόνιο. Δυναμικό ιονισμού - η ενέργεια της δέσμευσης ενός πυρήνα σε ένα ηλεκτρόνιο - 13.595 ηλεκτρον βολτ (eV). Ακριβώς λόγω της απλότητας αυτής της δομής το άτομο υδρογόνου είναι βολικό ως μοντέλο στην κβαντομηχανική όταν είναι απαραίτητο να υπολογιστούν τα ενεργειακά επίπεδα πιο πολύπλοκων ατόμων. Στο μόριο Η2 υπάρχουν δύο άτομα που συνδέονται με έναν χημικό ομοιοπολικό δεσμό. Η ενέργεια αποσύνθεσης είναι πολύ υψηλή. Μπορεί να σχηματιστεί ατομικό υδρογόνο σε χημικές αντιδράσεις, όπως ο ψευδάργυρος και το υδροχλωρικό οξύ. Ωστόσο, πρακτικά δεν υπάρχει αλληλεπίδραση με το υδρογόνο - η ατομική κατάσταση του υδρογόνου είναι πολύ μικρή, τα άτομα ανασυνδυάζονται αμέσως σε μόρια Η2.

Από φυσική άποψη, το υδρογόνο είναι ελαφρύτερο από όλες τις γνωστές ουσίες - περισσότερες από δεκατέσσερις φορές ελαφρύτερο από τον αέρα (θυμηθείτε τα μπαλόνια που πετούν μακριά στις διακοπές - έχουν υδρογόνο μέσα τους). Ωστόσο, μπορεί να βράσει, να υγροποιηθεί, να λιώσει, να στερεοποιηθεί και μόνο το ήλιο βράζει και λιώνει σε χαμηλότερες θερμοκρασίες. Είναι δύσκολο να ρευστοποιηθεί, χρειάζεστε θερμοκρασία κάτω από -240 βαθμούς Κελσίου. Αλλά έχει πολύ υψηλή θερμική αγωγιμότητα. Είναι σχεδόν αδιάλυτο στο νερό, αλλά αλληλεπιδρά καλά με το υδρογόνο των μετάλλων - διαλύεται σχεδόν σε όλα, καλύτερα από όλα στο παλλάδιο (ένας όγκος υδρογόνου παίρνει οκτακόσιους πενήντα όγκους). Το υγρό υδρογόνο είναι ελαφρύ και ρευστό και όταν διαλύεται σε μέταλλα, συχνά καταστρέφει κράματα λόγω αλληλεπίδρασης με τον άνθρακα (χάλυβας, για παράδειγμα), συμβαίνει διάχυση και απανθρακοποίηση.

Χημικές ιδιότητες

Στις ενώσεις, ως επί το πλείστον, το υδρογόνο εμφανίζει κατάσταση οξείδωσης (σθένος) +1, όπως το νάτριο και άλλα αλκαλικά μέταλλα. Θεωρείται ως ανάλογό τους, που βρίσκεται στην κεφαλή της πρώτης ομάδας του περιοδικού συστήματος. Όμως το ιόν υδρογόνου στα υδρίδια μετάλλων είναι αρνητικά φορτισμένο, με κατάσταση οξείδωσης -1. Αυτό το στοιχείο είναι επίσης κοντά στα αλογόνα, τα οποία είναι ακόμη και ικανά να το αντικαταστήσουν σε οργανικές ενώσεις. Αυτό σημαίνει ότι το υδρογόνο μπορεί επίσης να αποδοθεί στην έβδομη ομάδα του περιοδικού συστήματος. Υπό κανονικές συνθήκες, τα μόρια του υδρογόνου δεν διαφέρουν ως προς τη δραστηριότητα, συνδυάζονται μόνο με τα πιο ενεργά αμέταλλα: το φθόριο είναι καλό, και αν είναι ελαφρύ, με το χλώριο. Αλλά όταν θερμαίνεται, το υδρογόνο γίνεται διαφορετικό - αντιδρά με πολλά στοιχεία. Το ατομικό υδρογόνο, σε σύγκριση με το μοριακό υδρογόνο, είναι πολύ χημικά ενεργό, έτσι το νερό σχηματίζεται σε σύνδεση με το οξυγόνο και απελευθερώνεται ταυτόχρονα ενέργεια και θερμότητα. Σε θερμοκρασία δωματίου αυτή η αντίδραση είναι πολύ αργή, αλλά όταν θερμαίνεται πάνω από πεντακόσιους πενήντα βαθμούς, εμφανίζεται μια έκρηξη.

Το υδρογόνο χρησιμοποιείται για τη μείωση των μετάλλων επειδή αφαιρεί το οξυγόνο από τα οξείδια τους. Με το φθόριο, το υδρογόνο σχηματίζει έκρηξη ακόμα και στο σκοτάδι και στους μείον διακόσιους πενήντα δύο βαθμούς Κελσίου. Το χλώριο και το βρώμιο διεγείρουν το υδρογόνο μόνο όταν θερμαίνεται ή φωτίζεται και το ιώδιο μόνο όταν θερμαίνεται. Το υδρογόνο και το άζωτο σχηματίζουν αμμωνία (έτσι παρασκευάζονται τα περισσότερα λιπάσματα). Όταν θερμαίνεται, αντιδρά πολύ ενεργά με το θείο και λαμβάνεται υδρόθειο. Είναι δύσκολο να προκληθεί αντίδραση υδρογόνου με τελλούριο και σελήνιο, αλλά με καθαρό άνθρακα η αντίδραση συμβαίνει σε πολύ υψηλές θερμοκρασίεςκαι παράγεται μεθάνιο. Το υδρογόνο σχηματίζει διάφορες οργανικές ενώσεις με το μονοξείδιο του άνθρακα, η θερμοκρασία, οι καταλύτες επηρεάζουν αυτό, και όλα αυτά έχουν μεγάλη πρακτική σημασία. Γενικά, ο ρόλος του υδρογόνου, καθώς και των ενώσεων του, είναι εξαιρετικά σημαντικός, αφού προσδίδει όξινες ιδιότητες στα πρωτικά οξέα. Ένας δεσμός υδρογόνου σχηματίζεται με πολλά στοιχεία, επηρεάζοντας τις ιδιότητες τόσο των ανόργανων όσο και των οργανικών ενώσεων.

Παραλαβή και χρήση

Το υδρογόνο παράγεται σε βιομηχανική κλίμακα από φυσικά αέρια - εύφλεκτα αέρια, αέριο φούρνου οπτάνθρακα και αέρια διύλισης πετρελαίου. Μπορεί επίσης να παραχθεί με ηλεκτρόλυση όπου η ηλεκτρική ενέργεια δεν είναι πολύ ακριβή. Ωστόσο, η πιο σημαντική μέθοδος για την παραγωγή υδρογόνου είναι η καταλυτική αλληλεπίδραση υδρογονανθράκων, κυρίως μεθανίου, με υδρατμούς, όπου επιτυγχάνεται η μετατροπή. Επίσης χρησιμοποιείται ευρέως η μέθοδος οξείδωσης υδρογονανθράκων με οξυγόνο. Η παραγωγή υδρογόνου από φυσικό αέριο είναι ο φθηνότερος τρόπος. Τα άλλα δύο είναι η χρήση αερίου φούρνου οπτάνθρακα και αερίου διυλιστηρίου - το υδρογόνο απελευθερώνεται όταν τα υπόλοιπα συστατικά υγροποιηθούν. Υγροποιούνται πιο εύκολα, και για το υδρογόνο, όπως θυμόμαστε, χρειάζεστε -252 βαθμούς.

Το υπεροξείδιο του υδρογόνου είναι πολύ δημοφιλές στη χρήση. Η θεραπεία με αυτό το διάλυμα χρησιμοποιείται πολύ συχνά. Ο μοριακός τύπος H 2 O 2 είναι απίθανο να ονομαστεί από όλα εκείνα τα εκατομμύρια ανθρώπων που θέλουν να γίνουν ξανθοί και να φωτίσουν τα μαλλιά τους, καθώς και εκείνοι που αγαπούν την καθαριότητα στην κουζίνα. Ακόμη και εκείνοι που αντιμετωπίζουν τις γρατσουνιές που δέχονται από το παιχνίδι με ένα γατάκι τις περισσότερες φορές δεν συνειδητοποιούν ότι χρησιμοποιούν θεραπεία με υδρογόνο. Αλλά όλοι γνωρίζουν την ιστορία: από το 1852, το υδρογόνο χρησιμοποιείται για μεγάλο χρονικό διάστημα στην αεροναυπηγική. Το αερόπλοιο, που εφευρέθηκε από τον Henry Giffard, δημιουργήθηκε με βάση το υδρογόνο. Τα έλεγαν ζέπελιν. Εκτοπισμένα ζέπελιν από τους ουρανούς ταχεία ανάπτυξηκατασκευή αεροσκαφών. Το 1937, ένα μεγάλο ατύχημα συνέβη όταν το αερόπλοιο Hindenburg κάηκε. Μετά από αυτό το περιστατικό, τα ζέπελιν δεν χρησιμοποιήθηκαν ποτέ ξανά. Αλλά στα τέλη του δέκατου όγδοου αιώνα, η διανομή μπαλονιών γεμάτων με υδρογόνο ήταν ευρέως διαδεδομένη. Εκτός από την παραγωγή αμμωνίας, το υδρογόνο χρειάζεται πλέον για την παραγωγή μεθυλικής αλκοόλης και άλλων αλκοολών, βενζίνης, υδρογονωμένων υγρών βαρέων καυσίμων και στερεών καυσίμων. Δεν μπορείτε να κάνετε χωρίς υδρογόνο κατά τη συγκόλληση, όταν κόβετε μέταλλα - μπορεί να είναι οξυγόνο-υδρογόνο και ατομικό-υδρογόνο. Και το τρίτιο και το δευτέριο δίνουν ζωή στην πυρηνική ενέργεια. Αυτά, όπως θυμόμαστε, είναι ισότοπα του υδρογόνου.

Neumyvakin

Το υδρογόνο είναι τόσο καλό χημικό στοιχείο που έχει τους δικούς του οπαδούς. Ivan Pavlovich Neumyvakin - γιατρός ιατρικές επιστήμες, καθηγητής, βραβευμένος με Κρατικό Βραβείο και έχει πολλούς ακόμη τίτλους και βραβεία, μεταξύ αυτών. Όντας γιατρός παραδοσιακής ιατρικής, ονομάστηκε ο καλύτερος λαϊκός θεραπευτής στη Ρωσία. Ήταν αυτός που ανέπτυξε πολλές μεθόδους και αρχές παροχής ιατρικής φροντίδας στους αστροναύτες κατά την πτήση. Ήταν αυτός που δημιούργησε ένα μοναδικό νοσοκομείο - ένα νοσοκομείο σε ένα διαστημόπλοιο. Παράλληλα, διετέλεσε κρατικός συντονιστής για την κοσμητική ιατρική. Χώρος και καλλυντικά. Το πάθος του για το υδρογόνο δεν στοχεύει στο να βγάλει πολλά χρήματα, όπως συμβαίνει τώρα στην εγχώρια ιατρική, αλλά, αντίθετα, να διδάξει στους ανθρώπους πώς να θεραπεύουν οτιδήποτε κυριολεκτικά με ένα φάρμακο, χωρίς επιπλέον επίσκεψη σε φαρμακείο.

Προωθεί τη θεραπεία με ένα φάρμακο που υπάρχει κυριολεκτικά σε κάθε σπίτι. Αυτό είναι το υπεροξείδιο του υδρογόνου. Μπορείτε να επικρίνετε τον Neumyvakin όσο θέλετε, αυτός θα επιμείνει μόνος του: ναι, πράγματι, κυριολεκτικά όλα μπορούν να θεραπευτούν με υπεροξείδιο του υδρογόνου, επειδή κορεστεί εσωτερικά κύτταρατο σώμα με οξυγόνο, καταστρέφει τις τοξίνες, ομαλοποιεί την όξινη και αλκαλική ισορροπία και από εδώ αναγεννώνται οι ιστοί, αναζωογονείται ολόκληρο το σώμα. Κανείς δεν έχει δει ακόμη κανέναν να έχει θεραπευτεί με υπεροξείδιο του υδρογόνου, πολύ λιγότερο να τον εξέτασε, αλλά ο Neumyvakin ισχυρίζεται ότι χρησιμοποιώντας αυτό το φάρμακο, μπορείτε να απαλλαγείτε εντελώς από ιογενείς, βακτηριακές και μυκητιακές ασθένειες, να αποτρέψετε την ανάπτυξη όγκων και αθηροσκλήρωσης, να νικήσετε την κατάθλιψη, να αναζωογονηθείτε το σώμα και να μην αρρωστήσετε ποτέ ARVI και κρυολογήματα.

Πανάκεια

Ο Ivan Pavlovich είναι σίγουρος ότι με τη σωστή χρήση αυτού του απλού φαρμάκου και ακολουθώντας όλες τις απλές οδηγίες, μπορείτε να ξεπεράσετε πολλές ασθένειες, συμπεριλαμβανομένων πολύ σοβαρών. Ο κατάλογος είναι τεράστιος: από την περιοδοντική νόσο και την αμυγδαλίτιδα μέχρι το έμφραγμα του μυοκαρδίου, τα εγκεφαλικά και τον διαβήτη. Τέτοια μικροπράγματα όπως η ιγμορίτιδα ή η οστεοχονδρωσία εξαφανίζονται από τις πρώτες συνεδρίες θεραπείας. Ακόμα και οι καρκινικοί όγκοι φοβούνται και ξεφεύγουν από το υπεροξείδιο του υδρογόνου, γιατί διεγείρεται το ανοσοποιητικό σύστημα, ενεργοποιείται η ζωή του οργανισμού και η άμυνά του.

Ακόμη και τα παιδιά μπορούν να αντιμετωπιστούν με αυτόν τον τρόπο, εκτός από το ότι είναι καλύτερο για τις έγκυες γυναίκες να απέχουν από την κατανάλωση υπεροξειδίου του υδρογόνου προς το παρόν. Επίσης δεν συνιστάται αυτή τη μέθοδοάτομα με μεταμοσχευμένα όργανα λόγω πιθανής ασυμβατότητας ιστού. Η δοσολογία πρέπει να τηρείται αυστηρά: από μία σταγόνα έως δέκα, προσθέτοντας μία κάθε μέρα. Τρεις φορές την ημέρα (τριάντα σταγόνες διαλύματος τριών τοις εκατό υπεροξειδίου του υδρογόνου την ημέρα, ουάου!) μισή ώρα πριν από τα γεύματα. Το διάλυμα μπορεί να χορηγηθεί ενδοφλεβίως και υπό ιατρική παρακολούθηση. Μερικές φορές το υπεροξείδιο του υδρογόνου συνδυάζεται με άλλα φάρμακα για πιο αποτελεσματικό αποτέλεσμα. Το διάλυμα χρησιμοποιείται εσωτερικά μόνο σε αραιωμένη μορφή - με καθαρό νερό.

Εξωτερικά

Ακόμη και πριν ο καθηγητής Neumyvakin δημιουργήσει τη μέθοδό του, οι κομπρέσες και τα ξεβγάλματα ήταν πολύ δημοφιλή. Όλοι γνωρίζουν ότι, όπως και οι κομπρέσες αλκοόλης, το υπεροξείδιο του υδρογόνου δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί στην καθαρή του μορφή, γιατί θα προκαλέσει εγκαύματα ιστών, αλλά οι μυρμηγκιές ή οι μυκητιάσεις λιπαίνονται τοπικά με ένα ισχυρό διάλυμα - έως και δεκαπέντε τοις εκατό.

Για δερματικά εξανθήματα και πονοκεφάλους, γίνονται επίσης διαδικασίες που περιλαμβάνουν υπεροξείδιο του υδρογόνου. Η κομπρέσα πρέπει να γίνεται χρησιμοποιώντας ένα βαμβακερό ύφασμα εμποτισμένο σε διάλυμα από δύο κουταλάκια του γλυκού 3% υπεροξείδιο του υδρογόνου και πενήντα χιλιοστόγραμμα καθαρού νερού. Καλύψτε το ύφασμα με μεμβράνη και τυλίξτε το με μαλλί ή μια πετσέτα. Η κομπρέσα διαρκεί από ένα τέταρτο της ώρας έως μιάμιση ώρα το πρωί και το βράδυ μέχρι την ανάρρωση.

Η γνώμη των γιατρών

Οι απόψεις διίστανται. Μεταξύ των γιατρών υπάρχουν και εκείνοι που υποστήριξαν τον Neumyvakin και ανέλαβαν ακόμη και την ανάπτυξη της θεωρίας του, αλλά είναι μειοψηφία. Οι περισσότεροι γιατροί θεωρούν αυτό το είδος θεραπείας όχι μόνο αναποτελεσματικό, αλλά και συχνά καταστροφικό.

Πράγματι, δεν υπάρχει ακόμη μία επίσημα αποδεδειγμένη περίπτωση στην οποία ένας ασθενής θεραπεύτηκε με υπεροξείδιο του υδρογόνου. Ταυτόχρονα, δεν υπάρχουν πληροφορίες για επιδείνωση της υγείας σε σχέση με τη χρήση αυτής της μεθόδου. Όμως χάνεται πολύτιμος χρόνος και ένα άτομο που έχει υποστεί μια από τις σοβαρές ασθένειες και βασίζεται πλήρως στην πανάκεια του Neumyvakin κινδυνεύει να καθυστερήσει να ξεκινήσει την πραγματική του παραδοσιακή θεραπεία.

Υδρογόνομαζί με άζωτο, οξυγόνο και άνθρακαανήκει στην ομάδα των λεγόμενων οργανικά στοιχεία.

Από αυτά τα στοιχεία αποτελείται κυρίως το ανθρώπινο σώμα. Η αναλογία του υδρογόνου σε αυτό φτάνει το 10% κατά μάζα και το 50% κατά αριθμό ατόμων ( κάθε δεύτερο άτομο στο σώμα είναι υδρογόνο).

Το υδρογόνο είναι το πιο κοινό στοιχείο στο σύμπαν μας - το μερίδιό του είναι περίπου 75% κατά μάζα και 92% σε αριθμό ατόμων. Σε αντίθεση με το οξυγόνο, το οποίο υπάρχει τόσο στη φύση όσο και στο σώμα σε ελεύθερη μορφή, το υδρογόνο βρίσκεται σχεδόν εξ ολοκλήρου με τη μορφή των ενώσεων του (η κύρια ένωση υδρογόνο - νερό).

Βιολογικός ρόλος του υδρογόνου

Το υδρογόνο ως ξεχωριστό στοιχείο δεν έχει βιολογική αξία. Οι ενώσεις που περιέχει είναι σημαντικές για τον οργανισμό, δηλαδή νερό, πρωτεΐνες, λίπη, υδατάνθρακες, βιταμίνες, βιολογικά δραστικές ουσίες(εξαιρουμένων των ορυκτών) κ.λπ. Η μεγαλύτερη αξία, βέβαια, είναι ο συνδυασμός υδρογόνου και οξυγόνου – νερού, που στην πραγματικότητα είναι το περιβάλλον για την ύπαρξη όλων των κυττάρων του σώματος. Μια άλλη ομάδα σημαντικές συνδέσειςΤο υδρογόνο είναι οξέα - η ικανότητά τους να απελευθερώνουν ιόντα υδρογόνου καθιστά δυνατό τον σχηματισμό του pH του περιβάλλοντος. Μια σημαντική λειτουργία του υδρογόνου είναι επίσης η ικανότητά του να σχηματίζει δεσμούς υδρογόνου, οι οποίοι, για παράδειγμα, σχηματίζουν ενεργές μορφές πρωτεϊνών και τη δίκλωνη δομή του DNA στο διάστημα.

Κύριες πηγές τροφής υδρογόνου

Το υδρογόνο βρίσκεται σχεδόν σε όλες τις τροφικές ουσίες, αλλά το μεγαλύτερο μέρος του εισέρχεται στο σώμα με τη μορφή νερού.

Αιτίες έλλειψης υδρογόνου

Δεν υπάρχει ανεπάρκεια υδρογόνου καθαυτή, μια ανεπάρκεια των ενώσεων του, για παράδειγμα, του νερού, παρατηρείται όταν υπάρχει ανεπαρκής πρόσληψη στο σώμα ή μη αντισταθμισμένη επιταχυνόμενη απέκκριση.

Συνέπειες έλλειψης υδρογόνου

Όπως και στην περίπτωση των αιτιών, παρατηρούνται οι συνέπειες μιας ανεπάρκειας των ενώσεων του, τις περισσότερες φορές του νερού. Σε αυτή την περίπτωση παρατηρούνται τα εξής: αφυδάτωση, δίψα, μειωμένη οσμή των ιστών, ξηροδερμία και βλεννογόνοι, αυξημένη συγκέντρωση στο αίμα, αρτηριακή υπόταση.

Περίσσεια υδρογόνου

Επίσης, δεν υπάρχει περίσσεια υδρογόνου ως τέτοια, είναι δυνατή η υπερβολική παροχή των ενώσεων του. Σε αυτή την περίπτωση, παρατηρείται μια εικόνα χαρακτηριστική μιας συγκεκριμένης ένωσης. Για παράδειγμα, στην περίπτωση περίσσειας νερού (υπερυδάτωση) παρατηρείται συχνότερα πρήξιμο.

Ημερήσια ζήτηση υδρογόνου: μη τυποποιημένη

Το υδρογόνο είναι ένα χημικό στοιχείο με σύμβολο H και ατομικό αριθμό 1. Με τυπικό ατομικό βάρος περίπου 1,008, το υδρογόνο είναι το ελαφρύτερο στοιχείο στον περιοδικό πίνακα. Η μονοατομική του μορφή (Η) είναι η πιο άφθονη χημική ουσία στο Σύμπαν, αντιπροσωπεύοντας περίπου το 75% της συνολικής μάζας του βαρυονίου. Τα αστέρια αποτελούνται κυρίως από υδρογόνο σε κατάσταση πλάσματος. Το πιο κοινό ισότοπο του υδρογόνου, που ονομάζεται πρωτίου (αυτό το όνομα χρησιμοποιείται σπάνια, σύμβολο 1Η), έχει ένα πρωτόνιο και όχι νετρόνια. Η ευρεία εμφάνιση του ατομικού υδρογόνου εμφανίστηκε για πρώτη φορά κατά την εποχή του ανασυνδυασμού. Σε τυπικές θερμοκρασίες και πιέσεις, το υδρογόνο είναι ένα άχρωμο, άοσμο, άγευστο, μη τοξικό, μη μεταλλικό, εύφλεκτο διατομικό αέριο με μοριακό τύπο Η2. Επειδή το υδρογόνο σχηματίζει εύκολα ομοιοπολικούς δεσμούς με τα περισσότερα μη μεταλλικά στοιχεία, το μεγαλύτερο μέρος του υδρογόνου στη Γη υπάρχει σε μοριακές μορφές όπως το νερό ή οργανικές ενώσεις. Το υδρογόνο παίζει ιδιαίτερα σημαντικό ρόλο στις αντιδράσεις οξέος-βάσης, επειδή οι περισσότερες αντιδράσεις με βάση το οξύ περιλαμβάνουν την ανταλλαγή πρωτονίων μεταξύ διαλυτών μορίων. Στις ιοντικές ενώσεις, το υδρογόνο μπορεί να πάρει τη μορφή αρνητικού φορτίου (δηλαδή ανιόντος), όπου είναι γνωστό ως υδρίδιο ή ως θετικά φορτισμένη (δηλαδή κατιόν) μορφή, που συμβολίζεται με το σύμβολο H+. Το κατιόν υδρογόνου περιγράφεται ως αποτελούμενο από ένα απλό πρωτόνιο, αλλά στην πραγματικότητα τα κατιόντα υδρογόνου στις ιοντικές ενώσεις είναι πάντα πιο πολύπλοκα. Ως το μόνο ουδέτερο άτομο για το οποίο η εξίσωση Schrödinger μπορεί να λυθεί αναλυτικά, το υδρογόνο (δηλαδή, η μελέτη της ενέργειας και των δεσμών του ατόμου του) έπαιξε βασικό ρόλο στην ανάπτυξη της κβαντικής μηχανικής. Το αέριο υδρογόνο παρήχθη για πρώτη φορά τεχνητά στις αρχές του 16ου αιώνα με αντίδραση οξέων με μέταλλα. Το 1766-81. Ο Henry Cavendish ήταν ο πρώτος που αναγνώρισε ότι το αέριο υδρογόνο ήταν μια διακριτή ουσία και ότι παρήγαγε νερό όταν καίγονταν, δίνοντάς του το όνομά του: στα ελληνικά, υδρογόνο σημαίνει «παραγωγός νερού». Η βιομηχανική παραγωγή υδρογόνου περιλαμβάνει κυρίως τη μετατροπή ατμού του φυσικού αερίου και, σπανιότερα, πιο ενεργοβόρες μεθόδους όπως η ηλεκτρόλυση νερού. Το μεγαλύτερο μέρος του υδρογόνου χρησιμοποιείται κοντά στο σημείο παραγωγής του, με τις δύο πιο κοινές χρήσεις να είναι η επεξεργασία ορυκτών καυσίμων (όπως η υδρογονοπυρόλυση) και η παραγωγή αμμωνίας, κυρίως για την αγορά λιπασμάτων. Το υδρογόνο είναι μια ανησυχία στη μεταλλουργία επειδή μπορεί να κάνει πολλά μέταλλα εύθραυστα, καθιστώντας δύσκολη τη σχεδίαση αγωγών και δεξαμενών αποθήκευσης.

Σκηνικά θέατρου

Καύση

Το αέριο υδρογόνο (διυδρογόνο ή μοριακό υδρογόνο) είναι ένα εύφλεκτο αέριο που θα καεί στον αέρα σε ένα πολύ ευρύ φάσμα συγκεντρώσεων από 4% έως 75% κατ' όγκο. Η ενθαλπία της καύσης είναι 286 kJ/mol:

2 H2 (g) + O2 (g) → 2 H2O (l) + 572 kJ (286 kJ/mol)

Το αέριο υδρογόνο σχηματίζει εκρηκτικά μείγματα με τον αέρα σε συγκεντρώσεις από 4-74% και με το χλώριο σε συγκεντρώσεις έως και 5,95%. Εκρηκτικές αντιδράσεις μπορεί να προκληθούν από σπινθήρες, θερμότητα ή ηλιακό φως. Η θερμοκρασία αυτοανάφλεξης του υδρογόνου, η θερμοκρασία στην οποία αναφλέγεται αυθόρμητα στον αέρα, είναι 500 °C (932 °F). Οι καθαρές φλόγες υδρογόνου-οξυγόνου εκπέμπουν υπεριώδη ακτινοβολία και με υψηλό μείγμα οξυγόνου είναι σχεδόν αόρατες με γυμνό μάτι, όπως αποδεικνύεται από το αχνό λοφίο της κύριας μηχανής του Διαστημικού Λεωφορείου σε σύγκριση με το εξαιρετικά ορατό λοφίο του Space Shuttle Solid Rocket Booster, το οποίο χρησιμοποιεί ένα σύνθετο υπερχλωρικό αμμώνιο. Ενδέχεται να απαιτείται ανιχνευτής φλόγας για την ανίχνευση διαρροής υδρογόνου. τέτοιες διαρροές μπορεί να είναι πολύ επικίνδυνες. Μια φλόγα υδρογόνου είναι μπλε υπό άλλες συνθήκες και μοιάζει με τη μπλε φλόγα του φυσικού αερίου. Η βύθιση του αερόπλοιου Hindenburg είναι ένα διαβόητο παράδειγμα καύσης υδρογόνου και το θέμα εξακολουθεί να συζητείται. Οι ορατές πορτοκαλί φλόγες σε αυτό το περιστατικό προκλήθηκαν από την έκθεση σε μείγμα υδρογόνου και οξυγόνου σε συνδυασμό με ενώσεις άνθρακα από το δέρμα του αερόπλοιου. Το Η2 αντιδρά με κάθε οξειδωτικό στοιχείο. Το υδρογόνο μπορεί να αντιδράσει αυθόρμητα σε θερμοκρασία δωματίου με χλώριο και φθόριο για να σχηματίσει τα αντίστοιχα υδραλογονίδια, υδροχλώριο και υδροφθόριο, τα οποία είναι επίσης δυνητικά επικίνδυνα οξέα.

Επίπεδα ενέργειας ηλεκτρονίων

Το ενεργειακό επίπεδο θεμελιώδους κατάστασης ενός ηλεκτρονίου σε ένα άτομο υδρογόνου είναι −13,6 eV, το οποίο ισοδυναμεί με ένα υπεριώδες φωτόνιο με μήκος κύματος περίπου 91 nm. Τα ενεργειακά επίπεδα του υδρογόνου μπορούν να υπολογιστούν με μεγάλη ακρίβεια χρησιμοποιώντας το μοντέλο Bohr του ατόμου, το οποίο αντιλαμβάνεται το ηλεκτρόνιο ως ένα «τροχιακό» πρωτόνιο, ανάλογο με την τροχιά της Γης έναντι του Ήλιου. Ωστόσο, το ατομικό ηλεκτρόνιο και το πρωτόνιο συγκρατούνται μεταξύ τους με ηλεκτρομαγνητική δύναμη, ενώ οι πλανήτες και τα ουράνια αντικείμενα συγκρατούνται μαζί με τη βαρύτητα. Λόγω της διακριτοποίησης της γωνιακής ορμής που υποτίθεται στην πρώιμη κβαντική μηχανική από τον Bohr, το ηλεκτρόνιο στο μοντέλο του Bohr μπορεί να καταλάβει μόνο ορισμένες επιτρεπόμενες αποστάσεις από το πρωτόνιο και επομένως μόνο ορισμένες επιτρεπόμενες ενέργειες. Μια πιο ακριβής περιγραφή του ατόμου του υδρογόνου προέρχεται από μια καθαρά κβαντομηχανική επεξεργασία, η οποία χρησιμοποιεί την εξίσωση Schrödinger, την εξίσωση Dirac ή ακόμα και το ολοκληρωμένο κύκλωμα Feynman για τον υπολογισμό της κατανομής πυκνότητας πιθανότητας ενός ηλεκτρονίου γύρω από ένα πρωτόνιο. Πλέον πολύπλοκες μεθόδουςΗ επεξεργασία σάς επιτρέπει να έχετε μικρά εφέ ειδική θεωρίασχετικότητα και πόλωση κενού. Στην κβαντική μηχανική κατεργασία, το ηλεκτρόνιο σε ένα άτομο υδρογόνου στη θεμελιώδη κατάσταση δεν έχει καθόλου ροπή, γεγονός που δείχνει πώς μια «πλανητική τροχιά» είναι διαφορετική από την κίνηση των ηλεκτρονίων.

Στοιχειακές μοριακές μορφές

Υπάρχουν δύο διαφορετικά ισομερή σπιν των διατομικών μορίων υδρογόνου, τα οποία διαφέρουν ως προς το σχετικό σπιν των πυρήνων τους. Στην ορθοϋδρογονική μορφή, τα σπιν των δύο πρωτονίων είναι παράλληλα και σχηματίζουν μια τριπλή κατάσταση με κβαντικό αριθμό μοριακού σπιν 1 (1/2 + 1/2). με τη μορφή παραϋδρογόνου, τα σπιν είναι αντιπαράλληλα και σχηματίζουν ένα μονό με κβαντικό αριθμό μοριακού σπιν 0 (1/2 1/2). Σε τυπική θερμοκρασία και πίεση, το αέριο υδρογόνο περιέχει περίπου 25% παραμορφή και 75% ορθομορφή, γνωστή και ως «κανονική μορφή». Η αναλογία ισορροπίας ορθοϋδρογόνου προς παραϋδρογόνο εξαρτάται από τη θερμοκρασία, αλλά επειδή η ορθομορφή είναι διεγερμένη κατάσταση και έχει μεγαλύτερη ενέργεια από την παρά μορφή, είναι ασταθής και δεν μπορεί να καθαριστεί. Σε πολύ χαμηλές θερμοκρασίες, η κατάσταση ισορροπίας αποτελείται σχεδόν αποκλειστικά από τη μορφή παρα. Θερμικές ιδιότητεςΟι υγρές και αέριες φάσεις του καθαρού παραϋδρογόνου διαφέρουν σημαντικά από τις ιδιότητες της κανονικής μορφής λόγω των διαφορών στις περιστροφικές θερμικές ικανότητες, κάτι που συζητείται λεπτομερέστερα στα ισομερή spin του υδρογόνου. Η διάκριση ορθο/ζευγών εμφανίζεται επίσης σε άλλα μόρια ή λειτουργικές ομάδες που περιέχουν υδρογόνο όπως το νερό και το μεθυλένιο, αλλά αυτό έχει μικρή σημασία για τις θερμικές τους ιδιότητες. Η μη καταλυόμενη αλληλομετατροπή μεταξύ para και ορθο H2 αυξάνεται με την αύξηση της θερμοκρασίας. Έτσι, το ταχέως συμπυκνωμένο H2 περιέχει μεγάλες ποσότητες της ορθογώνιας μορφής υψηλής ενέργειας, η οποία μετατρέπεται πολύ αργά στην παρά μορφή. Ο συντελεστής ορθο/παρά στο συμπυκνωμένο Η2 είναι σημαντικός παράγονταςστην παρασκευή και αποθήκευση υγρού υδρογόνου: η μετατροπή από ορθο σε ατμό είναι εξώθερμη και παρέχει επαρκή θερμότητα για την εξάτμιση μέρους του υγρού υδρογόνου, με αποτέλεσμα την απώλεια υγροποιημένου υλικού. Καταλύτες για ορθο-παρα μετατροπή όπως οξείδιο σιδήρου, ενεργός άνθρακας, επιπλατινοποιημένος αμίαντος, μέταλλα σπάνιων γαιών, ενώσεις ουρανίου, οξείδιο του χρωμίου ή ορισμένες ενώσεις νικελίου χρησιμοποιούνται υπό ψύξη υδρογόνου.

Φάσεις

Αέριο υδρογόνο

Υγρό υδρογόνο

Υδρογόνο λάσπης

Στερεό υδρογόνο

Μεταλλικό υδρογόνο

Συνδέσεις

Ομοιοπολικές και οργανικές ενώσεις

Ενώ το Η2 δεν είναι πολύ αντιδραστικό υπό τυπικές συνθήκες, σχηματίζει ενώσεις με τα περισσότερα στοιχεία. Το υδρογόνο μπορεί να σχηματίσει ενώσεις με στοιχεία που είναι πιο ηλεκτραρνητικά, όπως αλογόνα (π.χ. F, Cl, Br, I) ή οξυγόνο. Σε αυτές τις ενώσεις, το υδρογόνο παίρνει μερικό θετικό φορτίο. Όταν συνδέεται με φθόριο, οξυγόνο ή άζωτο, το υδρογόνο μπορεί να σχηματίσει έναν μη ομοιοπολικό δεσμό μέσης ισχύος με το υδρογόνο άλλων παρόμοιων μορίων, ένα φαινόμενο που ονομάζεται δεσμός υδρογόνου, το οποίο είναι κρίσιμο για τη σταθερότητα πολλών βιολογικών μορίων. Το υδρογόνο σχηματίζει επίσης ενώσεις με λιγότερο ηλεκτραρνητικά στοιχεία όπως μέταλλα και μεταλλοειδή, όπου προσλαμβάνει μερικό αρνητικό φορτίο. Αυτές οι ενώσεις είναι συχνά γνωστές ως υδρίδια. Το υδρογόνο σχηματίζει μια τεράστια ποικιλία ενώσεων με άνθρακα, που ονομάζονται υδρογονάνθρακες, και μια ακόμη μεγαλύτερη ποικιλία ενώσεων με ετεροάτομα, τα οποία, λόγω της κοινής τους σχέσης με τα ζωντανά όντα, ονομάζονται οργανικές ενώσεις. Μελετά τις ιδιότητες τους οργανική χημεία, και η μελέτη τους στο πλαίσιο των ζωντανών οργανισμών είναι γνωστή ως βιοχημεία. Σύμφωνα με ορισμένους ορισμούς, οι «οργανικές» ενώσεις πρέπει να περιέχουν μόνο άνθρακα. Ωστόσο, τα περισσότερα από αυτά περιέχουν επίσης υδρογόνο, και δεδομένου ότι είναι ο δεσμός άνθρακα-υδρογόνου που δίνει σε αυτήν την κατηγορία ενώσεων το μεγαλύτερο μέρος της ιδιαιτερότητάς τους χημικά χαρακτηριστικά, οι δεσμοί άνθρακα-υδρογόνου απαιτούνται σε ορισμένους ορισμούς της λέξης «οργανικό» στη χημεία. Εκατομμύρια υδρογονάνθρακες είναι γνωστοί και συνήθως σχηματίζονται μέσω πολύπλοκων συνθετικών οδών που σπάνια περιλαμβάνουν στοιχειακό υδρογόνο.

Υδρίδια

Οι ενώσεις υδρογόνου ονομάζονται συχνά υδρίδια. Ο όρος "υδρίδιο" προϋποθέτει ότι το άτομο Η έχει λάβει αρνητικό ή ανιονικό χαρακτήρα, που ονομάζεται Η-, και χρησιμοποιείται όταν το υδρογόνο σχηματίζει μια ένωση με ένα πιο ηλεκτροθετικό στοιχείο. Η ύπαρξη ενός ανιόντος υδριδίου, που προτάθηκε από τον Gilbert N. Lewis το 1916 για τα υδρίδια που περιέχουν άλατα των ομάδων 1 και 2, αποδείχθηκε από τον Moers το 1920 με ηλεκτρόλυση λιωμένου υδριδίου λιθίου (LiH), παράγοντας στοιχειομετρική ποσότητα υδρογόνου σε η άνοδος. Για υδρίδια εκτός από μέταλλα της Ομάδας 1 και 2, ο όρος είναι παραπλανητικός δεδομένης της χαμηλής ηλεκτραρνητικότητας του υδρογόνου. Η εξαίρεση στα υδρίδια της ομάδας 2 είναι το BeH2, το οποίο είναι πολυμερές. Στο υδρίδιο λιθίου αργιλίου, το ανιόν AlH-4 φέρει κέντρα υδριδίου σταθερά συνδεδεμένα με το Al(III). Αν και τα υδρίδια μπορούν να σχηματιστούν σχεδόν σε όλα τα κύρια στοιχεία της ομάδας, ο αριθμός και ο συνδυασμός των πιθανών ενώσεων ποικίλλει σημαντικά. Για παράδειγμα, είναι γνωστά περισσότερα από 100 δυαδικά υδρίδια βορανίου και μόνο ένα δυαδικό υδρίδιο αργιλίου. Το δυαδικό υδρίδιο του ινδίου δεν έχει ακόμη αναγνωριστεί, αν και υπάρχουν μεγάλα σύμπλοκα. Στην ανόργανη χημεία, τα υδρίδια μπορούν επίσης να χρησιμεύσουν ως συνδέτες γεφύρωσης που συνδέουν δύο μεταλλικά κέντρα σε ένα σύμπλεγμα συντονισμού. Αυτή η λειτουργία είναι ιδιαίτερα χαρακτηριστική για τα στοιχεία της ομάδας 13, ειδικά στα βοράνια (υδρίδια βορίου) και σύμπλοκα αλουμινίου, καθώς και σε συστάδες καρβορανίων.

Πρωτόνια και οξέα

Η οξείδωση του υδρογόνου αφαιρεί το ηλεκτρόνιό του και παράγει Η+, το οποίο δεν περιέχει ηλεκτρόνια και έναν πυρήνα που συνήθως αποτελείται από ένα μόνο πρωτόνιο. Αυτός είναι ο λόγος που το H+ ονομάζεται συχνά πρωτόνιο. Αυτό το είδος είναι κεντρικό στη συζήτηση των οξέων. Σύμφωνα με τη θεωρία Bronsted-Lowry, τα οξέα είναι δότες πρωτονίων και οι βάσεις είναι δέκτες πρωτονίων. Το γυμνό πρωτόνιο, H+, δεν μπορεί να υπάρχει σε διάλυμα ή σε ιονικούς κρυστάλλους λόγω της ακαταμάχητης έλξης του σε άλλα άτομα ή μόρια με ηλεκτρόνια. Εκτός από τις υψηλές θερμοκρασίες που σχετίζονται με το πλάσμα, τέτοια πρωτόνια δεν μπορούν να αφαιρεθούν από τα νέφη ηλεκτρονίων των ατόμων και των μορίων και θα παραμείνουν προσκολλημένα σε αυτά. Ωστόσο, ο όρος "πρωτόνιο" χρησιμοποιείται μερικές φορές μεταφορικά για να αναφερθεί σε θετικά φορτισμένο ή κατιονικό υδρογόνο που συνδέεται με άλλα είδη με αυτόν τον τρόπο, και ως εκ τούτου αναφέρεται ως "Η+" χωρίς καμία υποψία ότι οποιαδήποτε μεμονωμένα πρωτόνια υπάρχουν ελεύθερα ως είδος. Για να αποφευχθεί η εμφάνιση ενός γυμνού "διαλυτωμένου πρωτονίου" σε διάλυμα, μερικές φορές πιστεύεται ότι είναι όξινο υδατικά διαλύματαπεριέχουν ένα λιγότερο απίθανο πλασματικό είδος που ονομάζεται «ιόν υδρονίου» (H3O+). Ωστόσο, ακόμη και σε αυτήν την περίπτωση, τέτοια διαλυτωμένα κατιόντα υδρογόνου γίνονται πιο ρεαλιστικά αντιληπτά ως οργανωμένα σμήνη που σχηματίζουν είδη κοντά στο H9O+4. Άλλα ιόντα οξωνίου βρίσκονται όταν το νερό βρίσκεται σε όξινο διάλυμα με άλλους διαλύτες. Παρά την εξωτική εμφάνισή του στη Γη, ένα από τα πιο κοινά ιόντα στο Σύμπαν είναι το H+3, γνωστό ως πρωτονιωμένο μοριακό υδρογόνο ή κατιόν τριυδρογόνου.

Ισότοπα

Το υδρογόνο έχει τρία φυσικά ισότοπα, που ονομάζονται 1Η, 2Η και 3Η. Άλλοι, εξαιρετικά ασταθείς πυρήνες (4Η έως 7Η) έχουν συντεθεί στο εργαστήριο αλλά δεν έχουν παρατηρηθεί στη φύση. Το 1Η είναι το πιο άφθονο ισότοπο υδρογόνου με αφθονία πάνω από 99,98%. Επειδή ο πυρήνας αυτού του ισοτόπου αποτελείται από ένα μόνο πρωτόνιο, του δίνεται η περιγραφική αλλά σπάνια χρησιμοποιούμενη επίσημη ονομασία protium. Το 2Η, ένα άλλο σταθερό ισότοπο υδρογόνου, είναι γνωστό ως δευτέριο και περιέχει ένα πρωτόνιο και ένα νετρόνιο στον πυρήνα του. Πιστεύεται ότι όλο το δευτέριο στο Σύμπαν παρήχθη κατά τη διάρκεια μεγάλη έκρηξηκαι υπάρχει από τότε μέχρι τώρα. Το δευτέριο δεν είναι ραδιενεργό στοιχείο και δεν ενέχει σημαντικό κίνδυνο τοξικότητας. Το νερό που είναι εμπλουτισμένο με μόρια που περιλαμβάνουν δευτέριο αντί για κανονικό υδρογόνο ονομάζεται βαρύ νερό. Το δευτέριο και οι ενώσεις του χρησιμοποιούνται ως μη ραδιενεργός ανιχνευτής χημικά πειράματακαι σε διαλύτες για φασματοσκοπία 1H-NMR. Το βαρύ νερό χρησιμοποιείται ως μετριαστής νετρονίων και ως ψυκτικό υγρό για πυρηνικούς αντιδραστήρες. Το δευτέριο είναι επίσης ένα πιθανό καύσιμο για εμπορική πυρηνική σύντηξη. Το 3Η είναι γνωστό ως τρίτιο και περιέχει ένα πρωτόνιο και δύο νετρόνια στον πυρήνα. Είναι ραδιενεργό, διασπάται σε ήλιο-3 μέσω της διάσπασης βήτα με χρόνο ημιζωής 12,32 χρόνια. Είναι τόσο ραδιενεργό που μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε φωτεινές βαφές, καθιστώντας το χρήσιμο στην κατασκευή ρολογιών με φωτεινά καντράν, για παράδειγμα. Το γυαλί εμποδίζει τη διαφυγή μικρών ποσοτήτων ακτινοβολίας. Μικρές ποσότητες τριτίου σχηματίζονται φυσικά όταν οι κοσμικές ακτίνες αλληλεπιδρούν με τα αέρια της ατμόσφαιρας. Τρίτιο απελευθερώθηκε επίσης κατά τη διάρκεια της δοκιμής πυρηνικά όπλα. Χρησιμοποιείται σε αντιδράσεις πυρηνικής σύντηξης ως δείκτης γεωχημείας ισοτόπων και σε εξειδικευμένες συσκευές φωτισμούμε αυτόνομη παροχή ρεύματος. Το τρίτιο έχει επίσης χρησιμοποιηθεί σε πειράματα χημικής και βιολογικής επισήμανσης ως ραδιενεργός ιχνηθέτης. Το υδρογόνο είναι το μόνο στοιχείο που έχει διαφορετικά ονόματα για τα ισότοπά του που χρησιμοποιούνται ευρέως σήμερα. Κατά τη διάρκεια της πρώιμης μελέτης της ραδιενέργειας, σε διάφορα βαρέα ραδιενεργά ισότοπα δόθηκαν τα δικά τους ονόματα, αλλά τέτοιες ονομασίες δεν χρησιμοποιούνται πλέον, με εξαίρεση το δευτέριο και το τρίτιο. Τα σύμβολα D και T (αντί για 2Η και 3Η) χρησιμοποιούνται μερικές φορές για το δευτέριο και το τρίτιο, αλλά το αντίστοιχο σύμβολο για το πρωτίου P χρησιμοποιείται ήδη για το φώσφορο και επομένως δεν είναι διαθέσιμο για το πρωτίου. Στις οδηγίες της για την ονοματολογία, η Διεθνής Ένωση Καθαρής και Εφαρμοσμένης Χημείας επιτρέπει τη χρήση οποιουδήποτε από τα σύμβολα D, T, 2H και 3H, αν και προτιμώνται τα 2H και 3H. Το εξωτικό άτομο μιόνιο (σύμβολο Mu), που αποτελείται από ένα αντιμιόνιο και ένα ηλεκτρόνιο, θεωρείται επίσης μερικές φορές ελαφρύ ραδιοϊσότοπο υδρογόνου λόγω της διαφοράς μάζας μεταξύ του αντιμιονίου και του ηλεκτρονίου, που ανακαλύφθηκε το 1960. Κατά τη διάρκεια ζωής του μιονίου, 2,2 μs, το μιόνιο μπορεί να ενσωματωθεί σε ενώσεις όπως το χλωριούχο μουόνιο (MuCl) ή το μουονίδιο του νατρίου (NaMu), παρόμοια με το υδροχλώριο και το υδρίδιο του νατρίου, αντίστοιχα.

Ιστορία

Άνοιγμα και χρήση

Το 1671, ο Robert Boyle ανακάλυψε και περιέγραψε την αντίδραση μεταξύ των ρινισμάτων σιδήρου και των αραιών οξέων που παράγουν αέριο υδρογόνο. Το 1766, ο Henry Cavendish ήταν ο πρώτος που αναγνώρισε το αέριο υδρογόνο ως μια διακριτή ουσία, αποκαλώντας το αέριο "εύφλεκτο αέρα" λόγω της αντίδρασής του μετάλλου-οξέος. Υπέθεσε τη θεωρία ότι ο "εύφλεκτος αέρας" ήταν ουσιαστικά πανομοιότυπος με μια υποθετική ουσία που ονομάζεται "phlogiston" και ανακάλυψε ξανά το 1781 ότι το αέριο παρήγαγε νερό όταν καιγόταν. Πιστεύεται ότι ήταν αυτός που ανακάλυψε το υδρογόνο ως στοιχείο. Το 1783, ο Antoine Lavoisier έδωσε στο στοιχείο το όνομα υδρογόνο (από τα ελληνικά ὑδρο-hydro που σημαίνει «νερό» και -γενής γονίδια που σημαίνει «δημιουργός») όταν αυτός και ο Laplace αναπαρήγαγαν τα δεδομένα του Cavendish ότι η καύση υδρογόνου παρήγαγε νερό. Ο Λαβουαζιέ παρήγαγε υδρογόνο για τα πειράματά του σχετικά με τη διατήρηση της μάζας αντιδρώντας ένα ρεύμα ατμού με μεταλλικό σίδηρο μέσω ενός λαμπτήρα πυρακτώσεως που θερμαίνεται με φωτιά. Η αναερόβια οξείδωση του σιδήρου από πρωτόνια νερού σε υψηλή θερμοκρασία μπορεί να αναπαρασταθεί σχηματικά από ένα σύνολο από τις ακόλουθες αντιδράσεις:

Fe + H2O → FeO + H2

2 Fe + 3 H2O → Fe2O3 + 3 H2

3 Fe + 4 H2O → Fe3O4 + 4 H2

Πολλά μέταλλα, όπως το ζιρκόνιο, υφίστανται παρόμοια αντίδραση με το νερό για την παραγωγή υδρογόνου. Το υδρογόνο υγροποιήθηκε για πρώτη φορά από τον James Dewar το 1898 χρησιμοποιώντας αναγεννητική ψύξη και την εφεύρεσή του, τη φιάλη κενού. Το επόμενο έτος παρήγαγε στερεό υδρογόνο. Το δευτέριο ανακαλύφθηκε τον Δεκέμβριο του 1931 από τον Harold Urey και το τρίτιο παρασκευάστηκε το 1934 από τους Ernest Rutherford, Mark Oliphant και Paul Harteck. Το βαρύ νερό, το οποίο αποτελείται από δευτέριο αντί για συνηθισμένο υδρογόνο, ανακαλύφθηκε από την ομάδα του Urey το 1932. Ο François Isaac de Rivaz κατασκεύασε τον πρώτο κινητήρα Rivaz, έναν κινητήρα εσωτερικής καύσης που κινείται από υδρογόνο και οξυγόνο, το 1806. Ο Edward Daniel Clark εφηύρε τον σωλήνα αερίου υδρογόνου το 1819. Ο πυριτόλιθος Döbereiner (ο πρώτος πλήρης αναπτήρας) εφευρέθηκε το 1823. Το πρώτο μπαλόνι υδρογόνου εφευρέθηκε από τον Ζακ Σαρλ το 1783. Το υδρογόνο παρείχε την άνοδο της πρώτης αξιόπιστης μορφής αεροπορικού ταξιδιού μετά την εφεύρεση του πρώτου αερόπλοιου με υδρογόνο το 1852 από τον Henri Giffard. Ο Γερμανός κόμης Ferdinand von Zeppelin προώθησε την ιδέα των άκαμπτων αερόπλοιων που προωθούνται στον αέρα με υδρογόνο, τα οποία αργότερα ονομάστηκαν Zeppelins. το πρώτο από αυτά πέταξε για πρώτη φορά το 1900. Οι τακτικές προγραμματισμένες πτήσεις ξεκίνησαν το 1910 και με το ξέσπασμα του Πρώτου Παγκοσμίου Πολέμου τον Αύγουστο του 1914 μετέφεραν 35.000 επιβάτες χωρίς σοβαρά επεισόδια. Κατά τη διάρκεια του πολέμου, τα αερόπλοια υδρογόνου χρησιμοποιήθηκαν ως πλατφόρμες παρατήρησης και βομβαρδιστικά. Η πρώτη υπερατλαντική πτήση χωρίς στάση έγινε από το βρετανικό αερόπλοιο R34 το 1919. Η τακτική εξυπηρέτηση επιβατών ξανάρχισε τη δεκαετία του 1920 και η ανακάλυψη αποθεμάτων ηλίου στις Ηνωμένες Πολιτείες αναμενόταν να βελτιώσει την ασφάλεια των ταξιδιών, αλλά η κυβέρνηση των ΗΠΑ αρνήθηκε να πουλήσει το φυσικό αέριο για αυτόν τον σκοπό, έτσι το H2 χρησιμοποιήθηκε στο αερόπλοιο Hindenburg, το οποίο καταστράφηκε σε μια πυρκαγιά στο Μιλάνο στη Νέα Υόρκη - Τζέρσεϊ 6 Μαΐου 1937. Το περιστατικό μεταδόθηκε ζωντανά από το ραδιόφωνο και μαγνητοσκοπήθηκε. Θεωρήθηκε ευρέως ότι η αιτία της ανάφλεξης ήταν μια διαρροή υδρογόνου, αλλά μεταγενέστερες μελέτες δείχνουν ότι το αλουμινισμένο ύφασμα κάλυμμα αναφλεγόταν από στατικό ηλεκτρισμό. Αλλά εκείνη τη στιγμή, η φήμη του υδρογόνου ως ανυψωτικού αερίου είχε ήδη καταστραφεί. Την ίδια χρονιά, η πρώτη υδρογονοψυκτική στροβιλογεννήτρια, με αέριο υδρογόνο ως ψυκτικό στον ρότορα και τον στάτορα, τέθηκε σε λειτουργία το 1937 στο Dayton του Οχάιο, από την Dayton Power & Light Co.; Λόγω της θερμικής αγωγιμότητας του αερίου υδρογόνου, είναι το πιο κοινό αέριο που χρησιμοποιείται σε αυτό το πεδίο σήμερα. Η μπαταρία νικελίου-υδρογόνου χρησιμοποιήθηκε για πρώτη φορά το 1977 στο US Navigation Technology Satellite-2 (NTS-2). Το ISS, το Mars Odyssey και το Mars Global Surveyor είναι εξοπλισμένα με μπαταρίες νικελίου-υδρογόνου. Στο σκοτεινό τμήμα της τροχιάς του, το διαστημικό τηλεσκόπιο Hubble τροφοδοτείται επίσης από μπαταρίες νικελίου-υδρογόνου, οι οποίες αντικαταστάθηκαν τελικά τον Μάιο του 2009, περισσότερα από 19 χρόνια μετά την εκτόξευση και 13 χρόνια μετά τη σχεδίασή τους.

Ρόλος στην κβαντική θεωρία

Λόγω της απλότητάς του ατομική δομήΑποτελούμενο μόνο από ένα πρωτόνιο και ένα ηλεκτρόνιο, το άτομο του υδρογόνου, μαζί με το φάσμα του φωτός που δημιουργήθηκε ή απορροφήθηκε από αυτό, ήταν κεντρικό στην ανάπτυξη της θεωρίας της ατομικής δομής. Επιπλέον, η μελέτη της αντίστοιχης απλότητας του μορίου του υδρογόνου και του αντίστοιχου κατιόντος Η+2 οδήγησε στην κατανόηση της φύσης χημικός δεσμός, που ακολούθησε λίγο μετά τη φυσική επεξεργασία του ατόμου υδρογόνου στην κβαντική μηχανική στα μέσα του 2020 Ένα από τα πρώτα κβαντικά φαινόμενα που παρατηρήθηκαν ρητά (αλλά δεν ήταν κατανοητά εκείνη την εποχή) ήταν η παρατήρηση του Maxwell που αφορούσε το υδρογόνο, μισό αιώνα πριν από την πλήρη κβαντική. μηχανική θεωρία. Ο Μάξγουελ το σημείωσε ειδική θερμότηταΤο H2 αφήνει μη αναστρέψιμα το διατομικό αέριο κάτω από τη θερμοκρασία δωματίου και αρχίζει να μοιάζει όλο και περισσότερο με την ειδική θερμότητα του μονοατομικού αερίου σε κρυογονικές θερμοκρασίες. Σύμφωνα με την κβαντική θεωρία, αυτή η συμπεριφορά προκύπτει από την απόσταση των (κβαντισμένων) επιπέδων περιστροφικής ενέργειας, τα οποία απέχουν ιδιαίτερα ευρέως στο H2 λόγω της χαμηλής μάζας του. Αυτά τα ευρέως απέχοντα επίπεδα εμποδίζουν την ίση κατανομή της θερμικής ενέργειας σε περιστροφική κίνησησε υδρογόνο σε χαμηλές θερμοκρασίες. Τα αέρια διατόμων, τα οποία αποτελούνται από βαρύτερα άτομα, δεν έχουν τόσο ευρέως απομακρυσμένα επίπεδα και δεν παρουσιάζουν το ίδιο αποτέλεσμα. Το αντιυδρογόνο είναι το αντιυλικό ανάλογο του υδρογόνου. Αποτελείται από ένα αντιπρωτόνιο με ένα ποζιτρόνιο. Το αντιυδρογόνο είναι ο μόνος τύπος ατόμου αντιύλης που έχει παραχθεί από το 2015.

Όντας στη φύση

Το υδρογόνο είναι το πιο άφθονο χημικό στοιχείο στο σύμπαν, καθώς αποτελεί το 75% της κανονικής ύλης κατά μάζα και περισσότερο από το 90% κατά αριθμό ατόμων. (Το μεγαλύτερο μέρος της μάζας του σύμπαντος, ωστόσο, δεν είναι σε αυτή τη μορφή χημικό στοιχείο, και πιστεύεται ότι έχει ακόμη μη ανιχνευμένες μορφές μάζας, όπως η σκοτεινή ύλη και η σκοτεινή ενέργεια.) Αυτό το στοιχείο βρίσκεται σε μεγάλη αφθονία στα αστέρια και στους αέριους γίγαντες. Τα μοριακά νέφη Η2 σχετίζονται με το σχηματισμό άστρων. Το υδρογόνο παίζει ζωτικό ρόλο στην τροφοδοσία των άστρων μέσω της αντίδρασης πρωτονίου-πρωτονίου και της πυρηνικής σύντηξης του κύκλου CNO. Σε όλο τον κόσμο, το υδρογόνο εμφανίζεται κυρίως σε ατομικές καταστάσεις και καταστάσεις πλάσματος με ιδιότητες εντελώς διαφορετικές από αυτές του μοριακού υδρογόνου. Ως πλάσμα, το ηλεκτρόνιο και το πρωτόνιο του υδρογόνου δεν συνδέονται μεταξύ τους, με αποτέλεσμα πολύ υψηλή ηλεκτρική αγωγιμότητα και υψηλή εκπομπή (παράγοντας φως από τον Ήλιο και άλλα αστέρια). Τα φορτισμένα σωματίδια επηρεάζονται έντονα από τα μαγνητικά και ηλεκτρικά πεδία. Για παράδειγμα, σε ηλιακός άνεμοςαλληλεπιδρούν με τη μαγνητόσφαιρα της Γης, δημιουργώντας τα ρεύματα Birkeland και το σέλας. Το υδρογόνο είναι ουδέτερο ατομική κατάστασηστο διαστρικό μέσο. Οι μεγάλες ποσότητες ουδέτερου υδρογόνου που βρίσκονται σε αποσυντιθέμενα συστήματα Lyman-άλφα πιστεύεται ότι κυριαρχούν στην κοσμολογική πυκνότητα βαρυονίου του Σύμπαντος μέχρι την ερυθρή μετατόπιση z = 4. Υπό κανονικές συνθήκες στη Γη, το στοιχειακό υδρογόνο υπάρχει ως διατομικό αέριο, H2. Ωστόσο, το αέριο υδρογόνο είναι πολύ σπάνιο στην ατμόσφαιρα της Γης (1 ppm κατ' όγκο) λόγω του μικρού βάρους του, το οποίο του επιτρέπει να ξεπεράσει τη βαρύτητα της Γης πιο εύκολα από τα βαρύτερα αέρια. Ωστόσο, το υδρογόνο είναι το τρίτο πιο άφθονο στοιχείο στην επιφάνεια της Γης, που υπάρχει κυρίως στη μορφή χημικές ενώσεις, όπως υδρογονάνθρακες και νερό. Το αέριο υδρογόνο παράγεται από ορισμένα βακτήρια και φύκια και είναι φυσικό συστατικό του φλάουτου, όπως και το μεθάνιο, το οποίο είναι μια ολοένα και πιο σημαντική πηγή υδρογόνου. Μια μοριακή μορφή που ονομάζεται πρωτονιωμένο μοριακό υδρογόνο (H+3) βρίσκεται στο διαστρικό μέσο, ​​όπου παράγεται από τον ιονισμό του μοριακού υδρογόνου από τις κοσμικές ακτίνες. Αυτό το φορτισμένο ιόν έχει επίσης παρατηρηθεί στην ανώτερη ατμόσφαιρα του πλανήτη Δία. Το ιόν είναι σχετικά σταθερό σε περιβάλλολόγω χαμηλής θερμοκρασίας και πυκνότητας. Το H+3 είναι ένα από τα πιο άφθονα ιόντα στο Σύμπαν και παίζει σημαντικό ρόλο στη χημεία του διαστρικού μέσου. Το ουδέτερο τριατομικό υδρογόνο Η3 μπορεί να υπάρχει μόνο σε διεγερμένη μορφή και είναι ασταθές. Αντίθετα, το θετικό μοριακό ιόν υδρογόνου (H+2) είναι ένα σπάνιο μόριο στο Σύμπαν.

Παραγωγή υδρογόνου

Το H2 παράγεται σε χημικά και βιολογικά εργαστήρια, συχνά ως υποπροϊόν άλλων αντιδράσεων. στη βιομηχανία για την υδρογόνωση ακόρεστων υποστρωμάτων. και στη φύση ως μέσο μετατόπισης αναγωγικών ισοδυνάμων σε βιοχημικές αντιδράσεις.

Αναμόρφωση ατμού

Το υδρογόνο μπορεί να παραχθεί με διάφορους τρόπους, αλλά οικονομικά οι πιο σημαντικές διεργασίες περιλαμβάνουν την αφαίρεση του υδρογόνου από τους υδρογονάνθρακες, καθώς περίπου το 95% της παραγωγής υδρογόνου το 2000 προήλθε από αναμόρφωση με ατμό. Εμπορικά, μεγάλοι όγκοι υδρογόνου παράγονται συνήθως με αναμόρφωση φυσικού αερίου με ατμό. Σε υψηλές θερμοκρασίες (1000-1400 K, 700-1100 °C ή 1300-2000 °F), ο ατμός (υδροατμός) αντιδρά με το μεθάνιο για την παραγωγή μονοξειδίου του άνθρακα και Η2.

CH4 + H2O → CO + 3 H2

Αυτή η αντίδραση λειτουργεί καλύτερα σε χαμηλές πιέσεις, αλλά, ωστόσο, μπορεί επίσης να πραγματοποιηθεί σε υψηλές πιέσεις (2,0 MPa, 20 atm ή 600 ίντσες υδραργύρου). Αυτό συμβαίνει επειδή το H2 υψηλής πίεσης είναι το πιο δημοφιλές προϊόν και τα συστήματα αποθέρμανσης υπό πίεση λειτουργούν καλύτερα σε υψηλότερες πιέσεις. Το μείγμα των προϊόντων είναι γνωστό ως "σύνθεμα" επειδή χρησιμοποιείται συχνά απευθείας για την παραγωγή μεθανόλης και σχετικών ενώσεων. Οι υδρογονάνθρακες εκτός από το μεθάνιο μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την παραγωγή αερίου σύνθεσης με διάφορες αναλογίες προϊόντος. Μία από τις πολλές επιπλοκές αυτής της εξαιρετικά βελτιστοποιημένης τεχνολογίας είναι ο σχηματισμός οπτάνθρακα ή άνθρακα:

CH4 → C + 2 H2

Επομένως, η αναμόρφωση με ατμό συνήθως χρησιμοποιεί περίσσεια H2O. Επιπρόσθετο υδρογόνο μπορεί να ανακτηθεί από τον ατμό χρησιμοποιώντας μονοξείδιο του άνθρακα μέσω μιας αντίδρασης μετατόπισης αερίου νερού, ειδικά χρησιμοποιώντας έναν καταλύτη οξειδίου του σιδήρου. Αυτή η αντίδραση είναι επίσης μια κοινή βιομηχανική πηγή διοξειδίου του άνθρακα:

CO + H2O → CO2 + H2

Αλλος σημαντικές μεθόδουςγια το H2 περιλαμβάνουν μερική οξείδωση υδρογονανθράκων:

2 CH4 + O2 → 2 CO + 4 H2

Και μια αντίδραση άνθρακα που μπορεί να χρησιμεύσει ως προοίμιο για την αντίδραση διάτμησης που περιγράφεται παραπάνω:

C + H2O → CO + H2

Μερικές φορές το υδρογόνο παράγεται και καταναλώνεται στην ίδια βιομηχανική διαδικασία, χωρίς διαχωρισμό. Στη διαδικασία Haber για την παραγωγή αμμωνίας, το υδρογόνο παράγεται από φυσικό αέριο. Η ηλεκτρόλυση της άλμης για την παραγωγή χλωρίου παράγει επίσης υδρογόνο ως υποπροϊόν.

Μεταλλικό οξύ

Στο εργαστήριο, το Η2 συνήθως παρασκευάζεται με αντίδραση αραιωμένων μη οξειδωτικών οξέων με ορισμένα δραστικά μέταλλα όπως ο ψευδάργυρος με μια συσκευή Kipp.

Zn + 2 H + → Zn2 + + H2

Το αλουμίνιο μπορεί επίσης να παράγει Η2 όταν υποβάλλεται σε επεξεργασία με βάσεις:

2 Al + 6 H2O + 2 OH- → 2 Al (OH) -4 + 3 H2

Η ηλεκτρόλυση του νερού είναι ένας απλός τρόπος παραγωγής υδρογόνου. Ένα ρεύμα χαμηλής τάσης ρέει μέσω του νερού και παράγεται αέριο οξυγόνο στην άνοδο, ενώ αέριο υδρογόνο παράγεται στην κάθοδο. Συνήθως η κάθοδος είναι κατασκευασμένη από πλατίνα ή άλλο αδρανές μέταλλο όταν παράγεται υδρογόνο για αποθήκευση. Εάν, ωστόσο, το αέριο πρόκειται να καεί επί τόπου, η παρουσία οξυγόνου είναι επιθυμητή για την υποβοήθηση της καύσης και επομένως και τα δύο ηλεκτρόδια θα είναι κατασκευασμένα από αδρανή μέταλλα. (Για παράδειγμα, ο σίδηρος οξειδώνεται και επομένως μειώνει την ποσότητα του παραγόμενου οξυγόνου). Η θεωρητική μέγιστη απόδοση (ηλεκτρισμός που χρησιμοποιείται σε σχέση με την ενεργειακή αξία του παραγόμενου υδρογόνου) κυμαίνεται από 80-94%.

2 H2O (L) → 2 H2 (g) + O2 (g)

Ένα κράμα αλουμινίου και γαλλίου με τη μορφή κόκκων που προστίθενται στο νερό μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την παραγωγή υδρογόνου. Αυτή η διαδικασία παράγει επίσης οξείδιο του αλουμινίου, αλλά το ακριβό γάλλιο, το οποίο εμποδίζει το σχηματισμό του δέρματος οξειδίου στα σφαιρίδια, μπορεί να επαναχρησιμοποιηθεί. Αυτό έχει σημαντικές πιθανές επιπτώσεις στην οικονομία του υδρογόνου, καθώς το υδρογόνο μπορεί να παραχθεί τοπικά και δεν χρειάζεται να μεταφερθεί.

Θερμοχημικές ιδιότητες

Υπάρχουν πάνω από 200 θερμοχημικοί κύκλοι που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη διάσπαση του νερού, περίπου δώδεκα από αυτούς τους κύκλους, όπως ο κύκλος οξειδίου του σιδήρου, ο κύκλος οξειδίου του δημητρίου (IV), ο κύκλος οξειδίου ψευδαργύρου, ο κύκλος ιωδίου θείου, ο κύκλος χαλκού και το χλώριο και το υβρίδιο Ο κύκλος του θείου βρίσκονται υπό έρευνα και δοκιμές για την παραγωγή υδρογόνου και οξυγόνου από νερό και θερμότητα χωρίς τη χρήση ηλεκτρικής ενέργειας. Ορισμένα εργαστήρια (συμπεριλαμβανομένων στη Γαλλία, τη Γερμανία, την Ελλάδα, την Ιαπωνία και τις ΗΠΑ) αναπτύσσουν θερμοχημικές μεθόδους για την παραγωγή υδρογόνου από ηλιακή ενέργεια και νερό.

Αναερόβια διάβρωση

Κάτω από αναερόβιες συνθήκες, τα κράματα σιδήρου και χάλυβα οξειδώνονται αργά από πρωτόνια νερού ενώ ανάγονται σε μοριακό υδρογόνο (Η2). Η αναερόβια διάβρωση του σιδήρου οδηγεί πρώτα στο σχηματισμό υδροξειδίου του σιδήρου (πράσινη σκουριά) και μπορεί να περιγραφεί με την ακόλουθη αντίδραση: Fe + 2 H2O → Fe (OH) 2 + H2. Με τη σειρά του, υπό αναερόβιες συνθήκες, το υδροξείδιο του σιδήρου (Fe (OH) 2) μπορεί να οξειδωθεί από πρωτόνια νερού για να σχηματίσει μαγνητίτη και μοριακό υδρογόνο. Αυτή η διαδικασία περιγράφεται από την αντίδραση Shikorra: 3 Fe (OH) 2 → Fe3O4 + 2 H2O + H2 υδροξείδιο του σιδήρου → μαγνήσιο + νερό + υδρογόνο. Ο καλά κρυσταλλωμένος μαγνητίτης (Fe3O4) είναι θερμοδυναμικά πιο σταθερός από το υδροξείδιο του σιδήρου (Fe (OH) 2). Αυτή η διαδικασία συμβαίνει κατά την αναερόβια διάβρωση του σιδήρου και του χάλυβα σε ανοξικά υπόγεια ύδατα και κατά την αποκατάσταση των εδαφών κάτω από τον υδροφόρο ορίζοντα.

Γεωλογική προέλευση: αντίδραση σερπεντινοποίησης

Σε απουσία οξυγόνου (Ο2) στα βαθιά γεωλογικές συνθήκες, που επικρατεί μακριά από την ατμόσφαιρα της Γης, το υδρογόνο (H2) σχηματίζεται κατά τη διαδικασία της σερπεντινοποίησης με αναερόβια οξείδωση από πρωτόνια νερού (H+) πυριτικού σιδήρου (Fe2 +) που υπάρχουν στο κρυσταλλικό πλέγμα του φαγιαλίτη (Fe2SiO4, τελικό σημείο ολιβίνης-σιδήρου ). Η αντίστοιχη αντίδραση που οδηγεί στο σχηματισμό μαγνητίτη (Fe3O4), χαλαζία (SiO2) και υδρογόνου (H2): 3Fe2SiO4 + 2 H2O → 2 Fe3O4 + 3 SiO2 + 3 H2 φαγιαλίτη + νερό → μαγνητίτης + χαλαζίας + υδρογόνο. Αυτή η αντίδραση είναι πολύ παρόμοια με την αντίδραση Shikorra που παρατηρήθηκε κατά την αναερόβια οξείδωση του υδροξειδίου του σιδήρου σε επαφή με το νερό.

Σχηματισμός σε μετασχηματιστές

Από όλα τα επικίνδυνα αέρια που παράγονται στους μετασχηματιστές ισχύος, το υδρογόνο είναι το πιο κοινό και παράγεται στην πλειονότητα των βλαβών. Έτσι, ο σχηματισμός υδρογόνου είναι ένα πρώιμο σημάδι σοβαρών προβλημάτων στον κύκλο ζωής του μετασχηματιστή.

Εφαρμογές

Κατανάλωση σε διάφορες διαδικασίες

Απαιτούνται μεγάλες ποσότητες Η2 στις βιομηχανίες πετρελαίου και χημικών. Οι μεγαλύτερες χρήσεις του Η2 είναι για την επεξεργασία («αναβάθμιση») ορυκτών καυσίμων και για την παραγωγή αμμωνίας. Στα πετροχημικά εργοστάσια, το Η2 χρησιμοποιείται στην υδροαποαλκυλίωση, την υδροαποθείωση και την υδροπυρόλυση. Το H2 έχει πολλές άλλες σημαντικές χρήσεις. Το Η2 χρησιμοποιείται ως παράγοντας υδρογόνωσης, ιδιαίτερα για την αύξηση των επιπέδων κορεσμού των ακόρεστων λιπών και ελαίων (που βρίσκονται σε προϊόντα όπως η μαργαρίνη) και στην παραγωγή μεθανόλης. Είναι επίσης πηγή υδρογόνου για την παραγωγή υδροχλωρικού οξέος. Το Η2 χρησιμοποιείται επίσης ως αναγωγικός παράγοντας για μεταλλεύματα μετάλλων. Το υδρογόνο είναι εξαιρετικά διαλυτό σε πολλές σπάνιες γαίες και μέταλλα μετάπτωσης και είναι διαλυτό τόσο σε νανοκρυσταλλικά όσο και σε άμορφα μέταλλα. Η διαλυτότητα του υδρογόνου στα μέταλλα εξαρτάται από τοπικές παραμορφώσεις ή ακαθαρσίες στο κρυσταλλικό πλέγμα. Αυτό μπορεί να είναι χρήσιμο όταν το υδρογόνο καθαρίζεται περνώντας μέσα από θερμούς δίσκους παλλαδίου, αλλά η υψηλή διαλυτότητα του αερίου είναι ένα μεταλλουργικό πρόβλημα που συμβάλλει στην ευθραυστότητα πολλών μετάλλων, περιπλέκοντας το σχεδιασμό αγωγών και δεξαμενών αποθήκευσης. Εκτός από τη χρήση του ως αντιδραστηρίου, το H2 έχει ευρείες εφαρμογές στη φυσική και την τεχνολογία. Χρησιμοποιείται ως προστατευτικό αέριο σε τεχνικές συγκόλλησης όπως η συγκόλληση με ατομικό υδρογόνο. Το H2 χρησιμοποιείται ως ψυκτικό ρότορα σε ηλεκτρικές γεννήτριες σε σταθμούς ηλεκτροπαραγωγής επειδή έχει την υψηλότερη θερμική αγωγιμότητα από όλα τα αέρια. Το υγρό Η2 χρησιμοποιείται στην κρυογονική έρευνα, συμπεριλαμβανομένης της έρευνας υπεραγωγιμότητας. Επειδή το H2 είναι ελαφρύτερο από τον αέρα, όντας λίγο περισσότερο από το 1/14 της πυκνότητας του αέρα, κάποτε χρησιμοποιήθηκε ευρέως ως ανυψωτικό αέριο σε μπαλόνια και αερόπλοια. Σε νεότερες εφαρμογές, το υδρογόνο χρησιμοποιείται σκέτο ή αναμεμειγμένο με άζωτο (μερικές φορές ονομάζεται αέριο σχηματισμού) ως αέριο ανίχνευσης για άμεση ανίχνευση διαρροών. Το υδρογόνο χρησιμοποιείται στις βιομηχανίες αυτοκινήτων, χημικών, ενέργειας, αεροδιαστημικής και τηλεπικοινωνιών. Το υδρογόνο είναι ένα εγκεκριμένο πρόσθετο τροφίμων (Ε 949) που επιτρέπει τον έλεγχο διαρροής προϊόντα διατροφής, μεταξύ άλλων αντιοξειδωτικών ιδιοτήτων. Τα σπάνια ισότοπα υδρογόνου έχουν επίσης συγκεκριμένες χρήσεις. Το δευτέριο (υδρογόνο-2) χρησιμοποιείται σε εφαρμογές πυρηνικής σχάσης ως αργός συντονιστής νετρονίων και σε αντιδράσεις πυρηνικής σύντηξης. Οι ενώσεις του δευτερίου χρησιμοποιούνται στους τομείς της χημείας και της βιολογίας για τη μελέτη των ισοτοπικών επιδράσεων των αντιδράσεων. Το τρίτιο (υδρογόνο-3), που παράγεται σε πυρηνικούς αντιδραστήρες, χρησιμοποιείται στην κατασκευή βόμβες υδρογόνου, ως ισοτοπικός ιχνηθέτης στις βιολογικές επιστήμες, και ως πηγή ακτινοβολίας σε φωτεινά χρώματα. Η θερμοκρασία τριπλού σημείου του υδρογόνου ισορροπίας είναι το καθοριστικό σταθερό σημείο στην κλίμακα θερμοκρασίας ITS-90 στα 13,8033 Kelvin.

Ψυκτικό μέσο

Το υδρογόνο χρησιμοποιείται συνήθως σε σταθμούς ηλεκτροπαραγωγής ως ψυκτικό στις γεννήτριες λόγω μιας σειράς ευνοϊκών ιδιοτήτων που είναι άμεσο αποτέλεσμα των ελαφρών διατομικών μορίων του. Αυτά περιλαμβάνουν χαμηλή πυκνότητα, χαμηλό ιξώδες και την υψηλότερη ειδική θερμοχωρητικότητα και θερμική αγωγιμότητα όλων των αερίων.

Φορέας ενέργειας

Το υδρογόνο δεν είναι ενεργειακός πόρος, εκτός από το υποθετικό πλαίσιο των εμπορικών σταθμών ηλεκτροπαραγωγής σύντηξης που χρησιμοποιούν δευτέριο ή τρίτιο, μια τεχνολογία που αυτή τη στιγμή απέχει πολύ από την ώριμη. Η ενέργεια του ήλιου προέρχεται από πυρηνική σύντηξη υδρογόνου, αλλά αυτή η διαδικασία είναι δύσκολο να επιτευχθεί στη Γη. Το στοιχειακό υδρογόνο από ηλιακές, βιολογικές ή ηλεκτρικές πηγές απαιτεί περισσότερη ενέργεια για να παραχθεί από ό,τι καταναλώνεται κατά την καύση του, επομένως σε αυτές τις περιπτώσεις το υδρογόνο λειτουργεί ως φορέας ενέργειας, παρόμοια με μια μπαταρία. Το υδρογόνο μπορεί να παραχθεί από ορυκτές πηγές (όπως το μεθάνιο), αλλά αυτές οι πηγές είναι εξαντλητικές. Η ενεργειακή πυκνότητα ανά μονάδα όγκου τόσο του υγρού υδρογόνου όσο και του συμπιεσμένου αερίου υδρογόνου σε οποιαδήποτε πρακτική πίεση είναι σημαντικά μικρότερη από εκείνη των παραδοσιακών πηγών ενέργειας, αν και η ενεργειακή πυκνότητα ανά μονάδα μάζας καυσίμου είναι υψηλότερη. Ωστόσο, το στοιχειακό υδρογόνο έχει συζητηθεί ευρέως στο ενεργειακό πλαίσιο ως πιθανός μελλοντικός φορέας ενέργειας σε ολόκληρη την οικονομία. Για παράδειγμα, η δέσμευση CO2 ακολουθούμενη από δέσμευση και αποθήκευση άνθρακα μπορεί να γίνει στο σημείο παραγωγής Η2 από ορυκτά καύσιμα. Το υδρογόνο που χρησιμοποιείται στις μεταφορές θα καίγεται σχετικά καθαρά, με ορισμένες εκπομπές NOx αλλά όχι εκπομπές άνθρακα. Ωστόσο, το κόστος υποδομής που σχετίζεται με την πλήρη μετατροπή σε οικονομία υδρογόνου θα είναι σημαντικό. Οι κυψέλες καυσίμου μπορούν να μετατρέψουν το υδρογόνο και το οξυγόνο απευθείας σε ηλεκτρική ενέργεια πιο αποτελεσματικά από τους κινητήρες εσωτερικής καύσης.

Βιομηχανία ημιαγωγών

Το υδρογόνο χρησιμοποιείται για τον κορεσμό των κρεμαμένων δεσμών του άμορφου πυριτίου και του άμορφου άνθρακα, γεγονός που βοηθά στη σταθεροποίηση των ιδιοτήτων του υλικού. Είναι επίσης ένας πιθανός δότης ηλεκτρονίων σε διάφορα υλικά οξειδίων, συμπεριλαμβανομένων των ZnO, SnO2, CdO, MgO, ZrO2, HfO2, La2O3, Y2O3, TiO2, SrTiO3, LaAlO3, SiO2, Al2O3, ZrSiO4, HfSiO3 και Sr.

Βιολογικές αντιδράσεις

Το Η2 είναι προϊόν κάποιου αναερόβιου μεταβολισμού και παράγεται από αρκετούς μικροοργανισμούς, συνήθως μέσω αντιδράσεων που καταλύονται από ένζυμα που περιέχουν σίδηρο ή νικέλιο που ονομάζονται υδρογονάσες. Αυτά τα ένζυμα καταλύουν μια αναστρέψιμη αντίδραση οξειδοαναγωγής μεταξύ του Η2 και των συστατικών του - δύο πρωτόνια και δύο ηλεκτρόνια. Η δημιουργία αερίου υδρογόνου συμβαίνει με τη μεταφορά των αναγωγικών ισοδυνάμων που παράγονται από τη ζύμωση του πυροσταφυλικού σε νερό. Ο φυσικός κύκλος παραγωγής και κατανάλωσης υδρογόνου από τους οργανισμούς ονομάζεται κύκλος του υδρογόνου. Η διάσπαση του νερού, η διαδικασία με την οποία το νερό διασπάται στα συστατικά του πρωτόνια, ηλεκτρόνια και οξυγόνο, συμβαίνει σε αντιδράσεις φωτός σε όλους τους φωτοσυνθετικούς οργανισμούς. Μερικοί τέτοιοι οργανισμοί, συμπεριλαμβανομένων των φυκών Chlamydomonas Reinhardtii και των κυανοβακτηρίων, έχουν εξελιχθεί σε ένα δεύτερο στάδιο στις σκοτεινές αντιδράσεις στις οποίες τα πρωτόνια και τα ηλεκτρόνια ανάγεται για να σχηματίσουν αέριο Η2 από εξειδικευμένες υδρογονάσες στον χλωροπλάστε. Έχουν γίνει προσπάθειες να τροποποιηθούν γενετικά οι κυανοβακτηριακές υδράσες για την αποτελεσματική σύνθεση αερίου Η2 ακόμη και παρουσία οξυγόνου. Έχουν γίνει επίσης προσπάθειες χρησιμοποιώντας γενετικά τροποποιημένα φύκια σε βιοαντιδραστήρα.