Das Wasserstoff Es ist ein chemisches Element, das durch das Symbol H dargestellt wird. Sein Atom ist das kleinste von allen und es ist das, mit dem das Periodensystem beginnt, unabhängig davon, wo es sich befindet. Es besteht aus einem farblosen Gas aus zweiatomigen H-Molekülenzwei, und nicht durch isolierte H-Atome; wie es unter anderem mit den Edelgasen He, Ne, Ar geschieht.
Von allen Elementen ist es vielleicht das emblematischste und herausragendste, nicht nur wegen seiner Eigenschaften unter terrestrischen oder drastischen Bedingungen, sondern auch wegen seiner immensen Fülle und Vielfalt seiner Verbindungen. Wasserstoff ist ein Gas, obwohl es in Abwesenheit von Feuer inert ist, brennbar und gefährlich; während Wasser, H.zweiOder ist das universelle Lösungsmittel und Leben.
Wasserstoff zeigt an sich keine bewundernswerte visuelle Besonderheit, sondern ist lediglich ein Gas, das in Flaschen oder roten Flaschen gespeichert ist. Es sind jedoch seine Eigenschaften und seine Fähigkeit, sich an alle Elemente zu binden, die Wasserstoff zu etwas Besonderem machen. Und das alles trotz der Tatsache, dass es nur ein Valenzelektron hat.
Wenn der Wasserstoff nicht in seinen jeweiligen Zylindern gespeichert würde, würde er in den Weltraum entweichen, während ein Großteil davon beim Aufstieg reagiert. Und obwohl es eine sehr geringe Konzentration in der Luft hat, die wir atmen, außerhalb der Erde und im Rest des Universums, ist es das am häufigsten vorkommende Element, das in den Sternen gefunden wird und als seine Konstruktionseinheit betrachtet wird..
Auf der Erde hingegen macht es etwa 10% seiner Gesamtmasse aus. Um zu visualisieren, was dies bedeutet, muss berücksichtigt werden, dass die Oberfläche des Planeten praktisch mit Ozeanen bedeckt ist und dass Wasserstoff in Mineralien, in Rohöl und in jeder organischen Verbindung enthalten ist und nicht nur Teil aller Lebewesen ist.
Wie Kohlenstoff haben alle Biomoleküle (Kohlenhydrate, Proteine, Enzyme, DNA usw.) Wasserstoffatome. Daher gibt es viele Quellen, um es zu extrahieren oder zu produzieren; Nur wenige stellen jedoch wirklich rentable Produktionsmethoden dar.
Artikelverzeichnis
Obwohl Robert Boyle 1671 erstmals Zeuge eines Gases wurde, das bei der Reaktion von Eisenspänen mit Säuren gebildet wurde, war es der britische Wissenschaftler Henry Cavendish, der es 1766 als neue Substanz identifizierte. die "brennbare Luft".
Cavendish stellte fest, dass beim Verbrennen dieser angeblich brennbaren Luft Wasser erzeugt wurde. Aufgrund seiner Arbeit und seiner Ergebnisse gab der französische Chemiker Antoine Lavoisier diesem Gas 1783 den Namen Wasserstoff. Etymologisch leitet sich seine Bedeutung von den griechischen Wörtern „Hydro“ und „Gene“ ab: Wasserbildung.
Kurz darauf, im Jahr 1800, entdeckten die amerikanischen Wissenschaftler William Nicholson und Sir Anthony Carlisle, dass sich Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zersetzen kann. Sie hatten die Elektrolyse von Wasser gefunden. Später, 1838, brachte der Schweizer Chemiker Christian Friedrich Schönbein die Idee auf, die Verbrennung von Wasserstoff zur Stromerzeugung zu nutzen.
Die Popularität von Wasserstoff war so groß, dass selbst der Schriftsteller Jules Verne ihn in seinem Buch als Treibstoff der Zukunft bezeichnete Die mysteriöse Insel (1874).
1899 isolierte der schottische Chemiker James Dewar als erster Wasserstoff als Flüssiggas und war selbst derjenige, der ihn ausreichend abkühlen konnte, um ihn in seiner festen Phase zu erhalten..
Ab diesem Zeitpunkt weist die Geschichte des Wasserstoffs zwei Kanäle auf. Einerseits seine Entwicklung im Bereich der Kraftstoffe und Batterien; und andererseits das Verständnis der Struktur seines Atoms und wie es das Element darstellt, das die Türen zur Quantenphysik geöffnet hat.
Wasserstoffatome sind sehr klein und haben nur ein Elektron, um kovalente Bindungen zu bilden. Wenn sich zwei dieser Atome verbinden, entsteht ein zweiatomiges Molekül, H.zwei;; Dies ist molekulares Wasserstoffgas (oberes Bild). Jede weiße Kugel entspricht einem einzelnen H-Atom und die globale Kugel den Molekülorbitalen.
Wasserstoff besteht also tatsächlich aus H-Molekülenzwei sehr klein, die mittels Londoner Dispersionskräften interagieren, da ihnen ein Dipolmoment fehlt, weil sie homonuklear sind. Daher sind sie sehr "unruhig" und breiten sich schnell im Weltraum aus, da es keine intermolekularen Kräfte gibt, die stark genug sind, um sie zu verlangsamen..
Die Elektronenkonfiguration von Wasserstoff beträgt einfach 1s1. Dieses Orbital 1s ist das Produkt der Lösung der berühmten Schrödinger-Gleichung für das Wasserstoffatom. In der H.zwei Zwei 1s-Orbitale überlappen sich und bilden zwei Molekülorbitale: ein bindendes und ein anti-bindendes gemäß der Molekülorbitaltheorie (TOM)..
Diese Orbitale erlauben oder erklären die Existenz von H-Ionenzwei+ oder H.zwei-;; Die Chemie von Wasserstoff wird jedoch unter normalen Bedingungen durch H definiertzwei oder H-Ionen+ oder H.-.
Aus der Elektronenkonfiguration für Wasserstoff ergibt sich 1s1, seine möglichen Oxidationszahlen sind sehr leicht vorherzusagen; Bedenken Sie natürlich, dass das energiereichere 2s-Orbital für chemische Bindungen nicht verfügbar ist. Somit hat Wasserstoff im Grundzustand eine Oxidationszahl von 0, H.0.
Wenn es sein einziges Elektron verliert, bleibt das 1s-Orbital leer und das Wasserstoffion oder Kation H wird gebildet.+, sehr beweglich in fast jedem flüssigen Medium; vor allem das Wasser. In diesem Fall beträgt seine Oxidationszahl +1.
Und wenn das Gegenteil passiert, dh ein Elektron gewonnen wird, hat das Orbital nun zwei Elektronen und wird zu 1szwei. Dann wird die Oxidationszahl -1 und entspricht dem Hydridanion H.-. Es ist erwähnenswert, dass die H.- es ist isoelektronisch für das Edelgas Helium, Er; Das heißt, beide Arten haben die gleiche Anzahl von Elektronen.
Zusammenfassend sind die Oxidationszahlen für Wasserstoff: +1, 0 und -1 und das H-Molekülzwei zählt mit zwei Wasserstoffatomen H.0.
Die bevorzugte Phase von Wasserstoff, zumindest unter terrestrischen Bedingungen, ist aus den zuvor exponierten Gründen die gasförmige. Wenn jedoch die Temperaturen in der Größenordnung von -200 ºC abnehmen oder wenn der Druck hunderttausendfach gegenüber dem atmosphärischen Druck ansteigt, kann Wasserstoff zu einer flüssigen bzw. festen Phase kondensieren oder kristallisieren..
Unter diesen Bedingungen sind die Moleküle H.zwei Sie können auf verschiedene Arten ausgerichtet werden, um Strukturmuster zu definieren. Die Londoner Dispersionskräfte werden nun stark gerichtet und daher erscheinen Geometrien oder Symmetrien, die von den Paaren H angenommen werden.zwei.
Zum Beispiel zwei Paare H.zwei, es ist gleich zu schreiben (H.zwei)zwei Definieren Sie ein symmetrisches oder asymmetrisches Quadrat. Inzwischen drei Paare H.zwei, oder (H.zwei)3 Definieren Sie ein Sechseck, ähnlich wie Kohlenstoff in Graphitkristallen. Tatsächlich ist diese hexagonale Phase die Haupt- oder stabilste Phase für festen Wasserstoff..
Was aber, wenn der Feststoff nicht aus Molekülen, sondern aus H-Atomen besteht? Dann würden wir uns mit metallischem Wasserstoff befassen. Diese H-Atome, die an die weißen Kugeln erinnern, können sowohl eine flüssige Phase als auch einen metallischen Feststoff definieren..
Wasserstoff ist ein farbloses, geruchloses und geschmackloses Gas. Wenn daher ein Leck vorliegt, besteht Explosionsgefahr..
-253 ºC.
-259 ºC.
Es explodiert bei praktisch jeder Temperatur, wenn sich in der Nähe des Gases ein Funke oder eine Wärmequelle befindet. Selbst Sonnenlicht kann Wasserstoff entzünden. Solange es jedoch gut gelagert ist, ist es ein schlecht reaktives Gas..
0,082 g / l Es ist 14 mal leichter als Luft.
1,62 mg / l bei 21 ºC in Wasser. Es ist im Allgemeinen in den meisten Flüssigkeiten unlöslich.
1,24 106 mmHg bei 25 ° C. Dieser Wert gibt eine Vorstellung davon, wie geschlossen die Wasserstoffflaschen sein müssen, um das Entweichen von Gas zu verhindern.
560 VºC.
2,20 auf der Pauling-Skala.
-285,8 kJ / mol.
0,90 kJ / mol.
0,117 kJ / mol.
Das "normale" Wasserstoffatom ist das Protium, 1H, das etwa 99,985% Wasserstoff ausmacht. Die anderen beiden Isotope für dieses Element sind Deuterium, zweiH und Tritium, 3H. Diese unterscheiden sich in der Anzahl der Neutronen; Deuterium hat ein Neutron, während Tritium zwei hat.
Es gibt zwei Arten von molekularem Wasserstoff, H.zwei: der ortho und der para. Im ersten Fall sind die beiden Spins (des Protons) der H-Atome in die gleiche Richtung ausgerichtet (sie sind parallel); während in der zweiten sind die beiden Drehungen in entgegengesetzte Richtungen (sie sind antiparallel).
Wasserstoff-para ist das stabilere der beiden Isomere; Mit zunehmender Temperatur wird das Ortho: Para-Verhältnis jedoch 3: 1, was bedeutet, dass das Wasserstoff-Ortho-Isomer das andere überwiegt. Bei sehr niedrigen Temperaturen (entfernt nahe dem absoluten Nullpunkt, 20 K) können reine Wasserstoffproben erhalten werden - z.
Die Nomenklatur für Wasserstoff ist eine der einfachsten; obwohl es nicht der gleiche Weg für seine anorganischen oder organischen Verbindungen ist. Die H.zwei Es kann zusätzlich zu "Wasserstoff" unter folgenden Namen bezeichnet werden:
-Molekularer Wasserstoff
-Dihydrogen
-Diatomares Wasserstoffmolekül.
Für das H-Ion+ ihre Namen sind Protonen oder Wasserstoffionen; und wenn es in einem wässrigen Medium ist, H.3ODER+, Hydroniumkation. Während das H-Ion- ist das Hydridanion.
Das Wasserstoffatom ist das einfachste von allen und wird normalerweise wie im obigen Bild dargestellt: ein Kern mit einem einzelnen Proton (für das 1H), umgeben von einem Elektron, das eine Umlaufbahn zeichnet. Alle Atomorbitale für die anderen Elemente des Periodensystems wurden auf diesem Atom konstruiert und geschätzt..
Eine genauere Darstellung des gegenwärtigen Verständnisses von Atomen wäre die einer Kugel, deren Peripherie durch das Elektron und die probabilistische Wolke des Elektrons (sein 1s-Orbital) definiert wird..
Wasserstoff ist, wenn auch in geringerem Maße als Kohlenstoff, das chemische Element, von dem ohne Zweifel gesagt werden kann, dass es überall ist; in der Luft, die Teil des Wassers ist, das die Meere, Ozeane und unseren Körper füllt, in Rohöl und Mineralien sowie in den organischen Verbindungen, die zusammengesetzt werden, um Leben hervorzubringen.
Es reicht aus, jede Bibliothek von Verbindungen zu überfliegen, um Wasserstoffatome in ihnen zu finden..
Die Frage ist nicht so sehr, wie viel, sondern wie es vorhanden ist. Zum Beispiel das Molekül H.zwei es ist unter dem Einfall von Sonnenstrahlen so flüchtig und reaktiv, dass es in der Atmosphäre sehr selten ist; Daher reagiert es, um andere Elemente zu verbinden und so Stabilität zu erlangen.
Während Wasserstoff höher im Kosmos liegt, wird er überwiegend als neutrale Atome H gefunden.
Tatsächlich wird Wasserstoff in seiner metallischen und kondensierten Phase als Baustein der Sterne betrachtet. Da es unermessliche Mengen davon gibt und aufgrund seiner Robustheit und kolossalen Dimensionen dieses Element das am häufigsten vorkommende im gesamten Universum ist. Es wird geschätzt, dass 75% der bekannten Materie Wasserstoffatomen entsprechen.
Das Sammeln loser Wasserstoffatome im Weltraum klingt unpraktisch und das Extrahieren aus den nicht erreichbaren Peripherien oder Nebeln der Sonne. Auf der Erde, wo seine Bedingungen dieses Element zwingen, als H zu existierenzwei, kann durch natürliche oder geologische Prozesse erzeugt werden.
Beispielsweise hat Wasserstoff einen eigenen natürlichen Kreislauf, in dem bestimmte Bakterien, Mikroben und Algen ihn durch photochemische Reaktionen erzeugen können. Die Skalierung natürlicher Prozesse und parallel dazu umfasst die Verwendung von Bioreaktoren, bei denen sich Bakterien von Kohlenwasserstoffen ernähren, um den darin enthaltenen Wasserstoff freizusetzen.
Lebewesen sind auch Wasserstoffproduzenten, jedoch in geringerem Maße. Wenn dies nicht der Fall wäre, wäre es nicht möglich zu erklären, wie es eine der gasförmigen Komponenten der Blähung darstellt; die sich übermäßig als brennbar erwiesen haben.
Schließlich sollte erwähnt werden, dass Mineralien unter anaeroben Bedingungen (ohne Sauerstoff), beispielsweise in unterirdischen Schichten, langsam mit Wasser unter Bildung von Wasserstoff reagieren können. Fayelitas Reaktion beweist es:
3FezweiJa4 + 2 hzweiO → 2 Fe3ODER4 + 3 SiOzwei + 3 H.zwei
Obwohl Biowasserstoff eine Alternative zur Erzeugung dieses Gases im industriellen Maßstab darstellt, bestehen die am häufigsten verwendeten Methoden praktisch darin, den Wasserstoff aus den Verbindungen, die ihn enthalten, zu „entfernen“, so dass sich seine Atome vereinigen und H bildenzwei.
Die am wenigsten umweltfreundlichen Herstellungsverfahren bestehen darin, Koks (oder Holzkohle) mit überhitztem Dampf zu reagieren:
C (s) + H.zweiO (g) → CO (g) + H.zwei(G)
Ebenso wurde Erdgas zu diesem Zweck verwendet:
CH4(g) + H.zweiO (g) → CO (g) + 3Hzwei(G)
Und weil die Mengen an Koks oder Erdgas sehr groß sind, ist es rentabel, durch eine dieser beiden Reaktionen Wasserstoff zu erzeugen..
Eine andere Methode, um Wasserstoff zu erhalten, besteht darin, Wasser elektrisch zu entladen, um es in seine elementaren Teile zu zerlegen (Elektrolyse):
2 hzweiO (l) → 2 H.zwei(g) + O.zwei(G)
Molekularer Wasserstoff kann in kleinen Mengen in jedem Labor hergestellt werden. Dazu muss ein aktives Metall entweder in einem Becherglas oder in einem Reagenzglas mit einer starken Säure umgesetzt werden. Das beobachtbare Sprudeln ist ein deutliches Zeichen für die Wasserstoffbildung, dargestellt durch die folgende allgemeine Gleichung:
M (s) + nH+(ac) → M.n+(ac) + H.zwei(G)
Wobei n die Wertigkeit des Metalls ist. Beispielsweise reagiert Magnesium mit H.+ zu produzieren H.zwei::
Mg (s) + 2H+(ac) → Mgzwei+(ac) + H.zwei(G)
Die Oxidationszahlen allein bieten einen ersten Einblick in die Beteiligung von Wasserstoff an chemischen Reaktionen. Die H.zwei Wenn es reagiert, kann es unverändert bleiben oder sich in die H-Ionen aufspalten+ oder H.- abhängig davon, mit welcher Art es verbunden ist; wenn sie mehr oder weniger elektronegativ sind als er.
Die H.zwei es ist aufgrund der Stärke seiner kovalenten Bindung H-H nicht sehr reaktiv; Dies ist jedoch kein absolutes Hindernis für die Reaktion und Bildung von Verbindungen mit fast allen Elementen des Periodensystems..
Die bekannteste Reaktion ist die von Sauerstoffgas zur Erzeugung von Wasserdämpfen:
H.zwei(g) + O.zwei(g) → 2HzweiO (g)
Und seine Affinität zu Sauerstoff zur Bildung des stabilen Wassermoleküls ist so groß, dass er sogar als O-Anion damit reagieren kann.zwei- in bestimmten Metalloxiden:
H.zwei(g) + CuO (s) → Cu (s) + H.zweiO (l)
Auch Silberoxid reagiert oder wird durch die gleiche Reaktion "reduziert":
H.zwei(g) + AgO (s) → Ag (s) + H.zweiO (l)
Diese Wasserstoffreaktionen entsprechen dem Redoxtyp. Das heißt, Reduktion-Oxidation. Wasserstoff oxidiert sowohl in Gegenwart von Sauerstoff als auch von Metalloxiden von Metallen, die weniger reaktiv sind als er; Zum Beispiel Kupfer, Silber, Wolfram, Quecksilber und Gold.
Einige Metalle können Wasserstoffgas absorbieren, um Metallhydride zu bilden, die als Legierungen angesehen werden. Beispielsweise absorbieren Übergangsmetalle wie Palladium signifikante Mengen an H.zwei, ähnlich wie metallische Schwämme.
Gleiches gilt für komplexere Metalllegierungen. Auf diese Weise kann Wasserstoff mit anderen Mitteln als seinen Zylindern gespeichert werden..
Organische Moleküle können Wasserstoff auch durch verschiedene molekulare Mechanismen und / oder Wechselwirkungen „absorbieren“..
Für Metalle sind Moleküle H.zwei Sie sind von den Metallatomen in ihren Kristallen umgeben. In organischen Molekülen bricht die H-H-Bindung unter Bildung anderer kovalenter Bindungen. In einem formaleren Sinne: Wasserstoff wird nicht absorbiert, sondern der Struktur hinzugefügt.
Das klassische Beispiel ist die Hinzufügung des H.zwei an die Doppel- oder Dreifachbindung der Alkene bzw. Alkine:
C = C + H.zwei → H-C-C-H
C≡C + H.zwei → HC = CH
Diese Reaktionen werden auch als Hydrierung bezeichnet..
Wasserstoff reagiert direkt mit Elementen und bildet eine Familie chemischer Verbindungen, die als Hydride bezeichnet werden. Es gibt hauptsächlich zwei Arten: Kochsalzlösung und molekulare.
Ebenso gibt es die Metallhydride, die aus den bereits erwähnten Metalllegierungen bestehen, wenn diese Metalle Wasserstoffgas absorbieren; und die polymeren mit Netzwerken oder Ketten von Gliedern E-H, wobei E das chemische Element bezeichnet.
In Salzhydriden ist Wasserstoff als Hydridanion H an der Ionenbindung beteiligt-. Damit sich dies bildet, muss das Element notwendigerweise weniger elektronegativ sein; sonst würde es seine Elektronen nicht an Wasserstoff abgeben.
Daher werden Salzhydride nur gebildet, wenn Wasserstoff mit hoch elektropositiven Metallen wie Alkali und Erdalkalimetallen reagiert..
Beispielsweise reagiert Wasserstoff mit metallischem Natrium unter Bildung von Natriumhydrid:
2Na (s) + H.zwei(g) → 2NaH (s)
Oder mit Barium zur Herstellung von Bariumhydrid:
Ba (s) + H.zwei(g) → BaHzwei(s)
Molekulare Hydride sind noch besser bekannt als ionische. Sie werden auch als Halogenwasserstoff HX bezeichnet, wenn Wasserstoff mit einem Halogen reagiert:
Clzwei(g) + H.zwei(g) → 2HCl (g)
Hier ist Wasserstoff als H an der kovalenten Bindung beteiligt+;; da die Unterschiede zwischen den Elektronegativitäten zwischen beiden Atomen nicht sehr groß sind.
Das gleiche Wasser kann als Sauerstoffhydrid (oder Wasserstoffoxid) betrachtet werden, dessen Bildungsreaktion bereits diskutiert wurde. Sehr ähnlich ist die Reaktion mit Schwefel zu Schwefelwasserstoff, einem übelriechenden Gas:
S (s) + H.zwei(g) → H.zweiS (g)
Aber von allen molekularen Hydriden ist Ammoniak das bekannteste (und vielleicht am schwierigsten zu synthetisierende):
N.zwei(g) + 3Hzwei(g) → 2NH3(G)
Im vorherigen Abschnitt wurde bereits eine der Hauptanwendungen von Wasserstoff angesprochen: als Rohstoff für die Entwicklung der Synthese, anorganisch oder organisch. Die Kontrolle dieses Gases hat normalerweise keinen anderen Zweck, als es reagieren zu lassen, um andere Verbindungen als die zu erzeugen, aus denen es extrahiert wurde..
- Es ist eines der Reagenzien für die Synthese von Ammoniak, das wiederum endlose industrielle Anwendungen hat, angefangen bei der Herstellung von Düngemitteln, sogar als Material zur Stickstoffbildung von Arzneimitteln..
- Es soll mit Kohlenmonoxid reagieren und so massiv Methanol produzieren, ein Reagenz, das in Biokraftstoffen von großer Bedeutung ist..
- Es ist ein Reduktionsmittel für bestimmte Metalloxide und wird daher zur metallurgischen Reduktion verwendet (bereits bei Kupfer und anderen Metallen erläutert)..
- Reduzieren Sie Fette oder Öle, um Margarine zu produzieren.
In der Ölindustrie wird Wasserstoff verwendet, um Rohöl in Raffinerieprozessen mit Wasserstoff zu behandeln..
Zum Beispiel wird versucht, große und schwere Moleküle in kleine Moleküle mit größerer Nachfrage auf dem Markt zu fragmentieren (Hydrocracking); Freisetzung der in den Petroporphyrin-Käfigen eingeschlossenen Metalle (Hydrodemetallisierung); Schwefelatome wie H entfernenzweiS (Hydrodesulfurierung); oder Doppelbindungen reduzieren, um paraffinreiche Gemische zu erzeugen.
Wasserstoff selbst ist ein ausgezeichneter Brennstoff für Raketen oder Raumfahrzeuge, da kleine Mengen davon bei der Reaktion mit Sauerstoff große Mengen an Wärme oder Energie freisetzen.
In kleinerem Maßstab wird diese Reaktion für das Design von Wasserstoffzellen oder -batterien verwendet. Diese Zellen stehen jedoch vor der Schwierigkeit, dieses Gas nicht richtig speichern zu können; und die Herausforderung, völlig unabhängig von der Verbrennung fossiler Brennstoffe zu werden.
Positiv zu vermerken ist, dass als Kraftstoff verwendeter Wasserstoff nur Wasser freisetzt. anstelle von Gasen, die ein Verschmutzungsmittel für die Atmosphäre und die Ökosysteme darstellen.
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