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. Dess symbol är H och dess atomnummer är 1. Det har en genomsnittlig atomvikt på 1,0079 amu, vilket gör det till det lättaste grundämnet. Vätgas är det vanligaste kemiska ämnet i universum, särskilt i stjärnor och gasjätteplaneter. Monoatomärt väte är dock sällsynt på jorden är sällsynt på grund av dess benägenhet att bilda kovalenta bindningar med de flesta grundämnen. Vid standardtemperatur och standardtryck är väte en giftfri, icke-metallisk, luktfri, smaklös, färglös och lättantändlig diatomär gas med molekylformeln H2. Vätgas förekommer också på jorden i form av kemiska föreningar som kolväten och vatten.

Vätgas har en proton och en elektron; den vanligaste isotopen, protium (1H), har inga neutroner. Vätgas har en smältpunkt på -259,14 °C och en kokpunkt på -252,87 °C. Vätgas har en densitet på 0,08988 g/L, vilket gör den mindre tät än luft. Den har två olika oxidationstillstånd, (+1, -1), vilket gör att den kan fungera som både oxiderande och reducerande ämne. Dess kovalenta radie är 31,5 pm.

Väte finns i två olika spinnisomerer av diatomiska vätemolekyler som skiljer sig åt genom det relativa spinnet hos deras kärnor. Formen orthoväte har parallella spinn; formen parahydrogen har antiparallella spinn. Vid standardtemperatur och standardtryck består vätgas av 75 procent orthoväte och 25 procent parahydrogen. Vätgas finns i olika former, t.ex. komprimerad gasformig vätgas, flytande vätgas och slush hydrogen (sammansatt av vätska och fast vätska) samt fasta och metalliska former.

Vätgasens kemiska egenskaper

Vätgas (H2) är mycket lättantändlig och brinner i luft vid ett mycket brett koncentrationsintervall mellan 4 och 75 volymprocent. Förbränningsenthalpin för väte är -286 kJ/mol och beskrivs av ekvationen:

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

Vätegas kan också explodera i en blandning av klor (från 5 till 95 procent). Dessa blandningar kan explodera som svar på en gnista, värme eller till och med solljus. Vätgasens självantändningstemperatur (den temperatur vid vilken självantändning sker) är 500 °C. Rena vätgas-oxygenlågor avger ultraviolett ljus och är osynliga för blotta ögat. Därför är det farligt att upptäcka en brinnande vätgasläcka och kräver en flamdetektor. Eftersom vätgas är flytande i luft stiger vätgaslågorna snabbt uppåt och orsakar mindre skada än kolvätebränder. H2 reagerar med oxiderande element, som i sin tur reagerar spontant och våldsamt med klor och fluor för att bilda motsvarande vätehalogenider.

H2 bildar trots sin stabilitet föreningar med de flesta grundämnen. När väte deltar i reaktioner kan det ha en delvis positiv laddning när det reagerar med mer elektronegativa element som halogener eller syre, men det kan ha en delvis negativ laddning när det reagerar med mer elektropositiva element som alkalimetaller. När väte binder med fluor, syre eller kväve kan det delta i en form av icke-kovalent (intermolekylär) bindning av medelhög styrka som kallas vätebindning och som är avgörande för stabiliteten hos många biologiska molekyler. Föreningar som har vätebindning med metaller och metalloider kallas hydrider.

Oxidation av väte tar bort dess elektron och ger H+-jonen. Ofta kallas H+ i vattenlösningar för hydroniumjonen (H3O+). Denna art är viktig i syra-bas-kemi.

Hydrogenisotoper

Hydrogen finns naturligt som tre isotoper, betecknade 1H, 2H och 3H. 1H förekommer till 99,98 procent och har det formella namnet protium. 2H kallas deuterium och innehåller en elektron, en proton och en neutron (masstal = 2). Deuterium och dess föreningar används som icke-radioaktiva märkämnen i kemiska experiment och i lösningsmedel för 1H-NMR-spektroskopi. 3H kallas tritium och innehåller en proton, två neutroner och en elektron (masstal = 3). Det är radioaktivt och sönderfaller till helium-3 genom betasönderfall med en halveringstid på 12,32 år.