Hidrogén

A Wikipédiából, a szabad lexikonból.

1 - ← hidrogén → He - ↑ H ↓ Li periódusos rendszer
Általános
Név, vegyjel, rendszám	hidrogén, H, 1
Elemi sorozat	nemfémek
Csoport, periódus, mező	1, 1, s
Megjelenés	színtelen
Atomtömeg	1,00794 g/mol
Elektronszerkezet	1s1
Elektronok héjanként	1
Fizikai tulajdonságok
Halmazállapot	gáz
Sűrűség (szobahőm.)	0,0899 g/cm³
Sűrűség a f.p.-on	- g/cm³
Olvadáspont	14,025 K (-259,13 °C, -434,45 °F)
Forráspont	20,268 K (-252,88 °C, -423,17 °F)
Olvadáshő	0,05868 kJ/mol
Párolgáshő	0,44936 kJ/mol
Hőkapacitás	(25 °C) 28.836 J/(mol·K)
Gőznyomás P/Pa 1 10 100 1 k 10 k 100 k at T/K 15 20
Atomi tulajdonságok
Kristályszerkezet	hexagonális
Oxidációs állapotok	1, -1 (amfoter oxid)
Elektronegativitás	2,20 (Pauling-skála)
Ionizációs energia	1.: 1312 kJ/mol
Atomsugár	25 pm
Atomsugár (számított)	53 pm
Kovalens sugár	37 pm
Van der Waals sugár	120 pm
Egyebek
Hővezetőképesség	(300 K) 180.5 mW/(m·K)
Hangsebesség	(gáz, 27 °C) 1310 m/s
CAS szám	1333-74-0
Fontosabb izotópok
Fő cikk: hidrogén izotópjai Izotóp t.e. felezési idő B.m. B.e. (MeV) B.t. 1H 99.985% H stabil 0 neutronnal 2H 0.0115% H stabil 1 neutronnal 3H trace 12.32 év β− 0.019 3He
Hivatkozások

A hidrogén (latinul: hydrogenium) a periódusos rendszer első kémiai eleme. Vegyjele H, rendszáma 1. Normálállapotban színtelen, szagtalan, nemfémes, egy vegyértékű, igen gyúlékony kétatomos gáz. Nagyon jó hővezető. A hidrogén a legkönnyebb, és a világegyetemben leggyakrabban előforduló elem is egyben. A Földön is jelentős mennyiségben előfordul, leginkább vegyületeiben: a vízben, minden szerves vegyületben és minden élőlényben jelen van. A fősorozatbeli csillagokat nagyrészt plazmaállapotú hidrogén alkotja. Felhasználják ammónia előállításához, alternatív üzemanyagként, és újabban üzemanyagcellákban.

Laboratóriumi előállítása általában savak fémmel (pl: cink) való reagáltatásával történik. Ipari mennyiségű hidrogént többnyire földgáz bontásával állítanak elő. A víz elektrolízise egyszerű, de nem túl hatékony módszer.

Tartalomjegyzék 1 Története 2 Fizikai tulajdonságai 3 Felhasználása 4 Vegyületei 4.1 A hidrogén biner vegyületei (hidridek) 5 Formái 6 Izotópjai

[szerkesztés] Története

A hidrogént (franciául „vízképző”, görög hudôr=víz és gennen=képezni) különálló elemként elsőként Henry Cavendish fedezte fel 1776-ban. Nevét Antoine Lavoisier adta.

[szerkesztés] Fizikai tulajdonságai

A hidrogén a legkönnyebb kémiai elem, leggyakoribb izotópját csak egy-egy proton és elektron alkotja. Normálállapotban kétatomos gázt – H₂ – alkot. Mivel a molekulának nincsenek polarizálható elektronjai, ezért a közöttük kialakuló diszperziós hatás és ezzel együtt a kohézió is rendkívül kicsi. Ezért igen alacsony, mindössze 20,27 K a forráspontja, olvadáspontja pedig 14,02 K. Igen nagy nyomáson, például gázóriások belsejében, a hidrogén molekulái elveszítik önállóságukat és folyékony fémet alkotnak (fémes hidrogén). Az űrben található igen alacsony nyomáson általában atomos formában található meg, egyszerűen azért mert nem találkoznak egymással a hidrogénatomok; a csillagok keletkezésekor az első lépés a H₂-felhők kialakulása.

Fontos szerepe van az univerzum energiaellátásában a proton-proton reakción és a szén-nitrogén cikluson keresztül.

[szerkesztés] Felhasználása

Az iparnak nagy mennyiségű hidrogénre van szüksége az ammónia előállításához (Haber-féle ammóniaszintézis), zsírok és olajok hidrogénezéséhez, és metilalkohol (metanol) gyártásához. Egyéb felhasználási területei:

• sósavgyártás, hegesztés, fémek redukciója
• rakétaüzemanyag
• folyékony hidrogént használnak kriogenikai kutatásokban, pl. a szuperfolyékonyság vizsgálatában
• Mivel 14 és félszer könnyebb a levegőnél, valamikor léghajók töltőgázaként is használták – túlzott veszélyessége miatt azonban ezzel felhagytak.
• A deutériumot, a hidrogén egyik izotópját (hidrogén-2) maghasadás során moderátorként alkalmazzák, fúziós kísérletekben szintén használják.
• A tríciumot (hidrogén-3) nukleáris reaktorokban állítják elő, hidrogénbomba gyártásához használható. Ezentúl biológiai kutatásokban jelölő izotóp lehet, illetve fényes festékekben a világító komponens.

Elégethető belső égésű motorokban is, a Chrysler-BMW-nek vannak ilyen járművei.

[szerkesztés] Vegyületei

A hidrogén a legtöbb kémiai elemmel képes vegyületet alkotni. Elektronegativitása 2,2-es, a nemfémek közül a legkisebb. Mivel csak egy elektronnal rendelkezik és elektronhéja két elektronnal telítődik (1s²), a hidrogénatom egy elektron felvételével vagy leadásával egyaránt ionná alakulhat. Ha elektront vesz fel, negatív töltésű hidridionná (H^-) alakul. Kis ionizációs energiájú elemekkel (alkálifémekkel, alkáliföldfémekkel) olyan ionvegyületekké egyesülhet, amelyeknek a kristályrácsa pozitív töltésű fémionokból és negatív töltésű hidridionokból áll. Ezeket a vegyületeket sószerű hidrideknek nevezzük. Ha elektront ad le, általában kovalens kötést alkot, mivel önmagában a H⁺-ion egy csupasz proton lenne és könnyen elektronokat vonzana magához.

Égése során robbanásszerű reakció során víz keletkezik (H₂O). A deutérium-oxidot (D₂O) nehézvíznek is nevezik. A szénnel nagyszámú vegyületet alkot. Mivel ezek a vegyületek az élőlényekhez köthetők, szerves vegyületeknek nevezik őket – a velük foglalkozó tudományágat pedig szerves kémiának.

[szerkesztés] A hidrogén biner vegyületei (hidridek)

• kovalens hidridek (jellemzően a p-mező elemeivel):

IV. A	V. A	VI. A	VII. A
CH4	NH3	H2O	(HF)x
SiH4	PH3	H2S	HCl
GeH4	AsH3	H2Se	HBr
SnH4	SbH3	H2Te	HI

• polimer hidridek:
  • bórral (boránok): B_xH_y, ahol x maximum ~25
  • szénnel (szénhidrogének): C_xH_y, ahol x-nek elvileg nincs felső határa
  • szilíciummal (szilánok): Si_xH_y, ahol x maximum ~8
  • germániummal (germánok): Ge_xH_y, ahol x maximum ~5
• ionrácsos (sószerű) hidridek (jellemzően az alkáli- és alkáliföldfémekkel):

I. A	II. A
LiH	BeH2
NaH	CaH2
KH	MgH2
RbH	SrH2
CsH	BaH2

• fémes (intersticiális) hidridek (jellemzően a d-mező és f-mező elemeivel):

III. B	IV. B	V. B	VI. B	VII. B	VIII. B	I. B	II. B
ScH2	TiH2	VH VH2	CrH	x	x	CuH	ZnH
YH2 YH3	ZrH2	NbH NbH2	x	x	PdHx (x<1)	x	x
LaH2 LaH3	HfH2	TaH	x	x	x	x	x

• komplex hidridek: [BH₄]^-, [AlH₄]^-

[szerkesztés] Formái

Kvantumfizikai szempontból kétféle hidrogén-molekula (H₂) különböztethető meg (magspin-izomerek):

• ortohidrogén:
  • a két proton spinje azonos irányú (paralel)
  • az eredő magspinmomentum: S=1 → Bose-Einstein-statisztika
  • 0 K-en 0%-os az előfordulása
  • 300 K-en 75%-os az előfordulása
• parahidrogén:
  • a két proton spinje ellentétes irányú (antiparalel)
  • az eredő magspinmomentum: S=0 → Bose-Einstein-statisztika
  • 0 K-en 100%-os az előfordulása
  • 300 K-en 25%-os az előfordulása

[szerkesztés] Izotópjai

A hidrogén leggyakoribb izotópja: ¹H. Ennek a stabil izotópnak az atommagja egyetlen protonból áll; innen jön a prócium, a ¹H ritkán használt neve.

A másik stabil izotóp a deutérium, ²H, aminek magjában egy neutron is található. A deutérium az összes hidrogén kb. 0,0184-0,0082%-át adja.

A harmadik hidrogénizotóp a radioaktív trícium, ³H. A trícium atommagja két neutront tartalmaz a proton mellett.

A hidrogén az egyetlen kémiai elem aminek az izotópjait külön elnevezték. A deutérium és a trícium jelölésére használják még a D és T betűket (a ²H illetve ³H helyett), bár ez nem hivatalos jelölés.