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. Simbolul său este H, iar numărul său atomic este 1. Are o greutate atomică medie de 1,0079 amu, ceea ce îl face cel mai ușor element. Hidrogenul este cea mai abundentă substanță chimică din univers, în special în stele și în planetele gigantice gazoase. Cu toate acestea, hidrogenul monoatomic este rar pe Pământ este rar din cauza înclinației sale de a forma legături covalente cu majoritatea elementelor. La temperatura și presiunea standard, hidrogenul este un gaz diatomic netoxic, nemetalic, inodor, insipid, incolor și foarte combustibil, cu formula moleculară H2. De asemenea, hidrogenul este răspândit pe Pământ sub formă de compuși chimici, cum ar fi hidrocarburile și apa.
Hidrogenul are un singur proton și un singur electron; cel mai comun izotop, protiul (1H), nu are neutroni. Hidrogenul are un punct de topire de -259,14 °C și un punct de fierbere de -252,87 °C. Hidrogenul are o densitate de 0,08988 g/l, ceea ce îl face mai puțin dens decât aerul. Are două stări de oxidare distincte, (+1, -1), ceea ce îl face capabil să acționeze atât ca agent oxidant, cât și ca agent reducător. Raza sa covalentă este de 31,5 pm.
Hidrogenul există în doi izomeri de spin diferiți ai moleculelor diatomice de hidrogen care diferă prin spinul relativ al nucleelor lor. Forma ortohidrogen are spini paraleli; forma parahidrogen are spini antiparalele. La temperatura și presiunea standard, hidrogenul gazos este alcătuit din 75 % ortohidrogen și 25 % parahidrogen. Hidrogenul este disponibil în diferite forme, cum ar fi hidrogenul gazos comprimat, hidrogenul lichid și hidrogenul lichid (compus din lichid și solid), precum și în forme solide și metalice.
Proprietățile chimice ale hidrogenului
Hidrogenul gazos (H2) este foarte inflamabil și va arde în aer la o gamă foarte largă de concentrații, între 4 la sută și 75 la sută în volum. Entalpia de combustie a hidrogenului este de -286 kJ/mol și este descrisă de ecuația:
2 H_2(g) + O_2(g) \dreptarrow 2 H_2O(l) + 572 kJ (286 kJ/mol H_2)
Hidrogenul gazos poate exploda, de asemenea, într-un amestec de clor (de la 5 la 95 la sută). Aceste amestecuri pot exploda ca răspuns la o scânteie, la căldură sau chiar la lumina soarelui. Temperatura de autoaprindere a hidrogenului (temperatura la care se va produce combustia spontană) este de 500 °C. Flăcările de hidrogen-oxigen pur emit lumină ultravioletă și sunt invizibile cu ochiul liber. Ca atare, detectarea unei scurgeri de hidrogen în flăcări este periculoasă și necesită un detector de flăcări. Deoarece hidrogenul este plutitor în aer, flăcările de hidrogen urcă rapid și provoacă mai puține pagube decât incendiile de hidrocarburi. H2 reacționează cu elementele oxidante, care, la rândul lor, reacționează spontan și violent cu clorul și fluorul pentru a forma halogenurile de hidrogen corespunzătoare.
H2 formează compuși cu majoritatea elementelor, în ciuda stabilității sale. Atunci când participă la reacții, hidrogenul poate avea o sarcină pozitivă parțială atunci când reacționează cu elemente mai electronegative, cum ar fi halogenii sau oxigenul, dar poate avea o sarcină negativă parțială atunci când reacționează cu elemente mai electropozitive, cum ar fi metalele alcaline. Atunci când hidrogenul se leagă de fluor, oxigen sau azot, poate participa la o formă de legătură necovalentă (intermoleculară) de rezistență medie, numită legătură de hidrogen, care este esențială pentru stabilitatea multor molecule biologice. Compușii care au legături de hidrogen cu metale și metaloizi sunt cunoscuți sub numele de hidruri.
Oxidarea hidrogenului îndepărtează electronul acestuia și produce ionul H+. Adesea, H+ din soluțiile apoase este denumit ionul de hidroniu (H3O+). Această specie este esențială în chimia acido-bazică.
Izotopii hidrogenului
Hidrogenul există în mod natural sub formă de trei izotopi, denumiți 1H, 2H și 3H. 1H apare cu o abundență de 99,98% și are denumirea oficială de protium. 2H este cunoscut sub numele de deuteriu și conține un electron, un proton și un neutron (număr de masă = 2). Deuteriul și compușii săi sunt utilizați ca markere non-radioactive în experimentele chimice și în solvenți pentru spectroscopia 1H-NMR. 3H este cunoscut sub numele de tritiu și conține un proton, doi neutroni și un electron (număr de masă = 3). Este radioactiv și se dezintegrează în heliu-3 prin dezintegrare beta, cu un timp de înjumătățire de 12,32 ani.