Introduction to Chemistry

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. Jego symbol to H, a liczba atomowa to 1. Jego średnia masa atomowa wynosi 1,0079 amu, co czyni go najlżejszym pierwiastkiem. Wodór jest najobficiej występującym związkiem chemicznym we wszechświecie, zwłaszcza w gwiazdach i planetach gazowych olbrzymach. Jednak monoatomowy wodór jest rzadki na Ziemi ze względu na jego skłonność do tworzenia wiązań kowalencyjnych z większością pierwiastków. W standardowej temperaturze i ciśnieniu wodór jest nietoksycznym, niemetalicznym, bezwonnym, pozbawionym smaku, bezbarwnym i wysoce łatwopalnym gazem dwuatomowym o wzorze cząsteczkowym H2. Wodór występuje również na Ziemi w postaci związków chemicznych, takich jak węglowodory i woda.

Wodór ma jeden proton i jeden elektron; najczęstszy izotop, prot (1H), nie ma neutronów. Wodór ma temperaturę topnienia -259,14 °C i temperaturę wrzenia -252,87 °C. Gęstość wodoru wynosi 0,08988 g/L, co czyni go mniej gęstym niż powietrze. Posiada dwa odmienne stany utlenienia (+1, -1), dzięki czemu może działać zarówno jako czynnik utleniający, jak i redukujący. Jego promień kowalencyjny wynosi 31,5 pm.

Wodór występuje w dwóch różnych spinowych izomerach cząsteczek dwuatomowego wodoru, które różnią się względnym spinem ich jąder. Forma orto-wodorowa ma spiny równoległe; forma parahydrogenowa ma spiny anty-równoległe. W standardowej temperaturze i ciśnieniu gazowy wodór składa się w 75% z orto-wodoru i 25% z parawodoru. Wodór jest dostępny w różnych postaciach, takich jak sprężony wodór gazowy, wodór ciekły, wodór w postaci brei (składający się z cieczy i ciała stałego), a także w postaci stałej i metalicznej.

Właściwości chemiczne wodoru

Gazowy wodór (H2) jest wysoce łatwopalny i pali się w powietrzu w bardzo szerokim zakresie stężeń od 4 do 75% objętości. Entalpia spalania dla wodoru wynosi -286 kJ/mol, i jest opisana równaniem:

2 H_2(g) + O_2(g) \u2002 H_2O(l) + 572 kJ (286 kJ/mol H_2)

Gaz wodorowy może również eksplodować w mieszaninie z chlorem (od 5 do 95 procent). Mieszaniny te mogą eksplodować w odpowiedzi na iskrę, ciepło, a nawet światło słoneczne. Temperatura samozapłonu wodoru (temperatura, w której następuje spontaniczne spalanie) wynosi 500 °C. Płomienie czystego wodoru i tlenu emitują światło ultrafioletowe i są niewidoczne gołym okiem. W związku z tym wykrycie wycieku płonącego wodoru jest niebezpieczne i wymaga zastosowania detektora płomieni. Ponieważ wodór jest wyporny w powietrzu, płomienie wodoru szybko się wznoszą i powodują mniej szkód niż pożary węglowodorów. H2 reaguje z pierwiastkami utleniającymi, które z kolei reagują spontanicznie i gwałtownie z chlorem i fluorem, tworząc odpowiednie halogenki wodoru.

H2 pomimo swojej stabilności tworzy związki z większością pierwiastków. Uczestnicząc w reakcjach, wodór może mieć częściowo ładunek dodatni, gdy reaguje z bardziej elektroujemnymi pierwiastkami, takimi jak fluorowce lub tlen, ale może mieć częściowo ładunek ujemny, gdy reaguje z bardziej elektroujemnymi pierwiastkami, takimi jak metale alkaliczne. Kiedy wodór łączy się z fluorem, tlenem lub azotem, może uczestniczyć w formie średnio silnego wiązania niekowalencyjnego (międzycząsteczkowego) zwanego wiązaniem wodorowym, które jest kluczowe dla stabilności wielu cząsteczek biologicznych. Związki, które mają wiązanie wodorowe z metalami i metaloidami są znane jako wodorki.

Oksydacja wodoru usuwa jego elektron i daje jon H+. Często H+ w roztworach wodnych jest określany jako jon hydroniowy (H3O+). Ten gatunek jest niezbędny w chemii kwasowo-zasadowej.

Izotopy wodoru

Wodór naturalnie występuje jako trzy izotopy, oznaczone jako 1H, 2H i 3H. 1H występuje w 99,98 procentach i ma formalną nazwę protium. 2H znany jest jako deuter i zawiera jeden elektron, jeden proton i jeden neutron (liczba masowa = 2). Deuter i jego związki są używane jako nieradioaktywne etykiety w eksperymentach chemicznych oraz w rozpuszczalnikach do spektroskopii 1H-NMR. 3H jest znany jako tryt i zawiera jeden proton, dwa neutrony i jeden elektron (liczba masowa = 3). Jest radioaktywny i rozpada się do helu-3 poprzez rozpad beta z czasem połowicznego rozpadu 12,32 lat.