Introduction to Chemistry
Learning Objective
- Indicate the different kinds of reactions hydrogen may participate in and discuss its basic properties
Key Points
- Hydrogen is the lightest element and will explode at concentrations ranging from 4-75 percent by volume in the presence of sunlight, a flame, or a spark.
- Despite its stability, hydrogen forms many bonds and is present in many different compounds.
- Three naturally occurring isotopes of hydrogen exist: protium, deuterium, and tritium, each with different properties due to the difference in the number of neutrons in the nucleus.
Term
- diatomicConsisting of two atoms
Physical Properties of Hydrogen
Hydrogen is the smallest chemical element because it consists of only one proton in its nucleus. Jelképe H, atomi száma pedig 1. Átlagos atomsúlya 1,0079 amu, így a legkönnyebb elem. A hidrogén a világegyetemben a legnagyobb mennyiségben előforduló kémiai anyag, különösen a csillagokban és a gázóriás bolygókon. Az egyatomos hidrogén azonban ritka a Földön, mivel hajlamos kovalens kötéseket kialakítani a legtöbb elemmel. Normál hőmérsékleten és nyomáson a hidrogén nem mérgező, nem fémes, szagtalan, íztelen, színtelen és jól éghető kétatomos gáz, melynek molekuláris képlete H2. A hidrogén a Földön is elterjedt kémiai vegyületek, például szénhidrogének és víz formájában.
A hidrogénnek egy protonja és egy elektronja van; a leggyakoribb izotóp, a protium (1H) nem rendelkezik neutronokkal. A hidrogén olvadáspontja -259,14 °C, forráspontja pedig -252,87 °C. A hidrogén sűrűsége 0,08988 g/l, tehát kisebb, mint a levegőé. Két különböző oxidációs állapota van, (+1, -1), ami lehetővé teszi, hogy oxidáló és redukáló anyagként is működjön. Kovalens sugara 31,5 pm.
A hidrogén két különböző spinű kétatomos hidrogénizomerben létezik, amelyek atommagjaik relatív spinje alapján különböznek egymástól. Az ortohidrogén formája párhuzamos spinnel, a parahidrogén formája antiparalel spinnel rendelkezik. Standard hőmérsékleten és nyomáson a hidrogéngáz 75 százalékban ortohidrogénből és 25 százalékban parahidrogénből áll. A hidrogén különböző formákban áll rendelkezésre, például sűrített gáznemű hidrogén, folyékony hidrogén és slush-hidrogén (folyékony és szilárd halmazállapotú), valamint szilárd és fémes formában.
A hidrogén kémiai tulajdonságai
A hidrogéngáz (H2) erősen gyúlékony, és a levegőben 4 és 75 térfogatszázalék közötti koncentrációban nagyon széles tartományban ég. A hidrogén égési entalpiája -286 kJ/mol, és a következő egyenlet írja le:
2 H_2(g) + O_2(g) \rightarrow 2 H_2O(l) + 572 kJ (286 kJ/mol H_2)
A hidrogéngáz klórral keverve (5 és 95 százalék között) is robbanhat. Ezek a keverékek szikra, hő vagy akár napfény hatására is felrobbanhatnak. A hidrogén öngyulladási hőmérséklete (az a hőmérséklet, amelyen a spontán égés bekövetkezik) 500 °C. A tiszta hidrogén-oxigén lángok ultraibolya fényt bocsátanak ki, és szabad szemmel nem láthatók. Ezért az égő hidrogénszivárgás észlelése veszélyes, és lángérzékelőt igényel. Mivel a hidrogén a levegőben felhajtóerővel rendelkezik, a hidrogénlángok gyorsan emelkednek, és kevesebb kárt okoznak, mint a szénhidrogéntüzek. A H2 reakcióba lép oxidáló elemekkel, amelyek viszont spontán és heves reakcióba lépnek a klórral és a fluorral, és a megfelelő hidrogénhalogenideket alkotják.
A H2 stabilitása ellenére a legtöbb elemmel képez vegyületeket. A reakciókban való részvétel során a hidrogén részlegesen pozitív töltéssel rendelkezhet, amikor elektronegatívabb elemekkel, például a halogénekkel vagy az oxigénnel reagál, de részlegesen negatív töltéssel rendelkezhet, amikor elektro-pozitívabb elemekkel, például az alkálifémekkel reagál. Amikor a hidrogén fluorral, oxigénnel vagy nitrogénnel kötődik, részt vehet a közepes szilárdságú nemkovalens (molekulák közötti) kötés egy olyan formájában, amelyet hidrogénkötésnek neveznek, és amely számos biológiai molekula stabilitása szempontjából kritikus fontosságú. A fémekkel és metalloidokkal hidrogénkötést mutató vegyületeket hidrideknek nevezzük.
A hidrogén oxidációja során a hidrogén elektronja eltávolodik, és H+ion keletkezik. A H+-t vizes oldatokban gyakran hidróniumionnak (H3O+) nevezik. Ez a faj nélkülözhetetlen a sav-bázis kémiában.
Hidrogénizotópok
A hidrogén a természetben három izotóp formájában létezik, amelyeket 1H, 2H és 3H izotópként jelölünk. Az 1H 99,98 százalékos gyakorisággal fordul elő, és hivatalos neve protium. A 2H deutérium néven ismert, és egy elektront, egy protont és egy neutront tartalmaz (tömegszáma = 2). A deutériumot és vegyületeit nem radioaktív jelölőként használják a kémiai kísérletekben és az 1H-NMR spektroszkópia oldószereiben. A 3H-t tríciumként ismerjük, és egy protont, két neutront és egy elektront tartalmaz (tömegszám = 3). Radioaktív, és béta-bomlással 12,32 év felezési idővel hélium-3-ra bomlik.