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. Il suo simbolo è H, e il suo numero atomico è 1. Ha un peso atomico medio di 1,0079 amu, che lo rende l’elemento più leggero. L’idrogeno è la sostanza chimica più abbondante nell’universo, specialmente nelle stelle e nei pianeti giganti gassosi. Tuttavia, l’idrogeno monoatomico è raro sulla Terra a causa della sua propensione a formare legami covalenti con la maggior parte degli elementi. A temperatura e pressione standard, l’idrogeno è un gas biatomico non tossico, non metallico, inodore, insapore, incolore e altamente combustibile con la formula molecolare H2. L’idrogeno è anche prevalente sulla Terra sotto forma di composti chimici come idrocarburi e acqua.
L’idrogeno ha un protone e un elettrone; l’isotopo più comune, il protio (1H), non ha neutroni. L’idrogeno ha un punto di fusione di -259,14 °C e un punto di ebollizione di -252,87 °C. L’idrogeno ha una densità di 0,08988 g/L, che lo rende meno denso dell’aria. Ha due stati di ossidazione distinti, (+1, -1), che lo rendono capace di agire sia come agente ossidante che riducente. Il suo raggio covalente è 31,5 pm.
L’idrogeno esiste in due diversi isomeri di spin delle molecole biatomiche di idrogeno che differiscono per lo spin relativo dei loro nuclei. La forma ortoidrogeno ha spin paralleli; la forma paraidrogeno ha spin antiparalleli. A temperatura e pressione standard, l’idrogeno gassoso è composto per il 75% da ortoidrogeno e per il 25% da paraidrogeno. L’idrogeno è disponibile in diverse forme, come l’idrogeno gassoso compresso, l’idrogeno liquido e l’idrogeno fuso (composto da liquido e solido), così come forme solide e metalliche.
Proprietà chimiche dell’idrogeno
L’idrogeno gassoso (H2) è altamente infiammabile e brucia in aria in una gamma molto ampia di concentrazioni tra il 4% e il 75% in volume. L’entalpia di combustione per l’idrogeno è -286 kJ/mol, ed è descritta dall’equazione:
2 H_2(g) + O_2(g) \rightarrow 2 H_2O(l) + 572 kJ (286 kJ/mol H_2)
Il gas idrogeno può esplodere anche in una miscela di cloro (dal 5 al 95%). Queste miscele possono esplodere in risposta a una scintilla, al calore o anche alla luce del sole. La temperatura di autoaccensione dell’idrogeno (la temperatura alla quale avviene la combustione spontanea) è di 500 °C. Le fiamme di idrogeno-ossigeno puro emettono luce ultravioletta e sono invisibili a occhio nudo. Come tale, il rilevamento di una perdita di idrogeno in fiamme è pericoloso e richiede un rilevatore di fiamma. Poiché l’idrogeno è galleggiante nell’aria, le fiamme di idrogeno salgono rapidamente e causano meno danni degli incendi di idrocarburi. L’H2 reagisce con elementi ossidanti, che a loro volta reagiscono spontaneamente e violentemente con cloro e fluoro per formare i corrispondenti alogenuri di idrogeno.
L’H2 forma composti con la maggior parte degli elementi nonostante la sua stabilità. Quando partecipa alle reazioni, l’idrogeno può avere una parziale carica positiva quando reagisce con elementi più elettronegativi come gli alogeni o l’ossigeno, ma può avere una parziale carica negativa quando reagisce con elementi più elettropositivi come i metalli alcalini. Quando l’idrogeno si lega con il fluoro, l’ossigeno o l’azoto, può partecipare a una forma di legame non covalente (intermolecolare) di media forza chiamata legame a idrogeno, che è fondamentale per la stabilità di molte molecole biologiche. I composti che hanno un legame a idrogeno con metalli e metalloidi sono conosciuti come idruri.
L’ossidazione dell’idrogeno rimuove il suo elettrone e produce lo ione H+. Spesso, l’H+ nelle soluzioni acquose è indicato come lo ione idronio (H3O+). Questa specie è essenziale nella chimica acido-base.
Isotipi di idrogeno
L’idrogeno esiste naturalmente in tre isotopi, indicati come 1H, 2H e 3H. L’1H si trova al 99,98% di abbondanza e ha il nome formale di protio. 2H è conosciuto come deuterio e contiene un elettrone, un protone e un neutrone (numero di massa = 2). Il deuterio e i suoi composti sono usati come etichette non radioattive negli esperimenti chimici e nei solventi per la spettroscopia 1H-NMR. Il 3H è conosciuto come trizio e contiene un protone, due neutroni e un elettrone (numero di massa = 3). È radioattivo e decade in elio-3 attraverso il decadimento beta con un tempo di dimezzamento di 12,32 anni.