Hidrogen
De Viquipèdia
L'hidrogen (del llatí: Hydrogenium) és un element químic amb símbol H i nombre atòmic 1. Forma un gas diatòmic (H2) inodor, incolor i altament inflamable. És l'element més lleuger i el més abundant en l'univers, atès que es troba en quantitats massives en les estrelles. Pot reaccionar amb la majoria d'elements, forma part de l'aigua i de la major part de compostos orgànics. Industrialment, s'utilitza en la producció d´amoníac, com a gas lleuger en aerostàtica i recentment en cèl·lules de combustible d'hidrogen.
Al laboratori, l'hidrogen és preparat fent reaccionar metalls com ara el Zinc amb àcids. La fabricació industrial es basa normalment en la descomposició del gas natural. També es pot obtenir per l'electròlisi de l'aigua; és un mètode simple, però ineficient. Els científics, estan buscant noves maneres de produir-ne. Una d'elles, seria la utilització d'una alga verda. Altres mètodes prometedors inclouen la conversió de derivats de la biomassa com ara la glucosa o el sorbitol, reacció que es pot realitzar a baixa temperatura gràcies a la utilització d'un nou catalitzador.
Taula de continguts |
[edita] Característiques destacades
L'hidrogen és l'element químic més lleuger, i el seu isòtop més comú conté un sol protó i un sol electró.
[edita] Gas hidrogen
A temperatura i pressió estàndard, un àtom d'hidrogen, es combina espontàniament amb un altre àtom d'hidrogen per a formar un gas diatòmic H2, amb un punt d'ebullició de només 20.27° K i un punt de fusió de 14.02° K. Aquestes mòlecules de gas hidrogen estan formades per dos àtoms units mitjançant un enllaç químic simple, aportant cadascun llur electró.
Estructura del gas hidrogen H - H
[edita] Hidrogen metall
Sota pressions extremadament altes, com les que hi ha al centre de les dels planetes gegants (p.e. Júpiter), les molècules perden la seva identitat i l'hidrogen es converteix en un metall líquid. Sota pressions extremadament baixes (com les que es troben a l'espai exterior), l'hidrogen tendeix a existir com a àtoms individuals, ja que no troba altres àtoms als quals unir-se. Els núvols de H2, solen anar associats amb fenòmens de formació d'estrelles.
Aquest element, juga un paper important en els fenòmens energètics de l'univers, a través de la Reacció protó-protó i del Cicle del carboni i nitrògen. Aquests són processos de fusió nuclear, que alliberen grans quantitats d'energia a partir de la combinació de dos àtoms d'hidrogen en un d'Heli.
[edita] Aplicacions
Alguns processos industrials, requereixen de grans quantitats d'hidrogen, com ara el procés de Haber per a la producció d'amoníac, la hidrogenació de greixos i olis, i per a la producció de metanol. L'hidrogen és utilitzat també en la hidrosealquilització, la hidrodessulfuració l'hidrocracking.
Altres usos;
- Producció d'àcid clorhídric, la reducció de menes metàl.liques
- És usat com a combustible per a cohets
- L'hidrogen líquid (a temperatura molt baixa), és usat per a la recerca criogènica, com ara els estudis de superconductivitat
- Com que l'hidrogen és catorze vegades i mitja més lleuger que l'aire era usat per a inflar globus i dirigibles. L'explosió d'un dirigible a Hindenburg va convèncer el públic que el gas era massa perillós per a aquests propòsits.
- El deuteri és utilitzat en reaccions nuclears com a moderador per reduir l'energia dels neutrons. Els compostos de deuteri s'utilitzen en química i biologia per estudiar els efectes dels isòtops en les reaccions i com a marcador químic.
- El triti, produït en reactors nuclears, s'utilitza per a construir bombes d'hidrogen. També és sovint usat com a marcador químic en laboratoris, i com a font de radiació en pintures lluminoses.
- L'hidrogen està començant a ser utilitzat com a combustible en motors de combustió interna. Hom pensa que la cèl·lula de combustible d'hidrogen pot ser una opció de cara al futur com a combustible net.
[edita] Història
L'hidrogen (del francès Hydrogène, que provenia del grec hydor, aigua i gennasin, generar) fou generat per primera vegada per Theophratus Bombastus von Hohenheim (1493–1541), conegut com Paracelsus, mesclant metalls amb àcids. Tot i que no reconegué el gas explosiu que generava com a hidrogen. Al 1671, Robert Boyle describí la reacció entre dues peces de ferro i àcids diluïts, durant la qual es generava hidrogen. El 1776, Henry Cavendish es topà amb l'hidrogen quan experimentava amb àcids i mercuri. Fou el primer a reconèixer l'hidrogen com una substància discreta, classificant-lo com a "inflamable" i descrivint que si es cremava en aire s'obtenia aigua. Tot i que cometé l'error de classificar-lo com un compost de mercuri, i no de l'àcid, fou capaç de descriure acuradament bastantes propietats clau de l'hidrogen.
Més tard Antoine Lavoisier li donaria el nom d'hidrogen i demostrà que l'aigua es composava d'hidrogen i oxigen. En aquell temps s'utilitzava àcid sulfúric i ferro per a generar hidrogen, i una de les primeres utilitzats de l'element fou per a omplir zeppelins. Harold C. Urey descobrí el deuteri, un isòtop de l'hidrogen, destil·lant successivament la mateixa mostra d'aigua. Per aquest descobriment fou guardonat amb el Premi Nobel al 1934, en aquest mateix any, el tercer isòtop de l'hidrogen, el triti fou descobert. Degut a la seva relativament simple estructura, l'hidrogen s'utilitza per a mostrar i modelar com treballa un àtom.
[edita] Abundància i obtenció
L'hidrogen és l'element més abundant, constituïnt el 75% de la massa i el 90% dels àtoms de l'univers. Es troba en abundància en les estrelles i en els planetes gegants gasosos (com ara Júpiter); per contra, en l'atmosfera terrestre es troba només en una proporció d'1ppm en volum.
La font més comú d'hidrogen és l'aigua, formada per dos àtoms d'hidrogen i un d'oxigen (H2O). Altres fonts són la major part dels compostos orgànics, incloent-hi totes les formes de vida conegudes, els combustibles fòssils i el gas natural. El metà, producte de la descomposició orgànica, està adquirint una creixent importància com a font d' hidrogen.
L'hidrogen s'obté de diverses formes:
- Electròlisi de l'aigua; actualment s'investiga la fotòlisi de l'aigua.
- Reformat d'hidrocarburs amb vapor d'aigua.
- Atac de metalls amb hidròxid sòdic o hidròxid potàssic.
- Atac de metalls (Zinc i Alumini) amb àcids (àcid sulfúric o àcid clorhídric).
[edita] Compostos
L'hidrogen té una electronegativitat intermitja (2,2) de manera que pot formar compostos en què siga l'element amb major o menor caràcter metàl·lic. Tant amb els elements metàl·lics dels grups 1 i 2 com amb els no metalls dels grups 15, 16 i 17 forma hidrurs. En els primers és present en forma de H- mentre que en els segons ho fa com a ió H+, per la qual cosa aquests últims tenen caràcter àcid.
Alguns compostos binaris són amoníac (NH3), hidrazina (N2H4), aigua (H2O), aigua oxigenada (H2O2), sulfur d'hidrogen (H2S), etc.
Amb el carboni (element del grup 14) forma una immensa quantitat de compostos, els hidrocarburs i derivats que són l'objecte d'estudi de la química orgànica.
[edita] Formes
En condicions normals, el gas hidrogen és una mescla de dos tipus d'hidrogen diferents en funció de la direcció del spin dels seus electrons i nuclis. Aquestes formes es coneixen com orto- i para-hidrogen. L'hidrogen normal està compost per un 25% de la forma para- i un 75% de la forma orto-, la considerada "normal", encara que no puga obtenir-se en estat pur. Ambdues formes tenen energies lleugerament diferents, la qual cosa provoca que les seues propietats físiques no siguen idèntiques; així per exemple, la forma para- té punts de fusió i ebullició 0,1 K més baixos que la forma orto-.
A pressions molt elevades pren la forma d'hidrogen metàl·lic. Es creu que el nucli del planeta Júpiter estaria format per aquesta mena d'hidrogen.
[edita] Isòtops
L'hidrogen és l'únic element químic que té noms, i símbols químics, distints per als seus diferents isòtops.
- Protí: és l'isòtop més comú de l'hidrogen, el seu nucli atòmic, conté un protó i cap neutró
- Deuteri (D): el seu nucli atòmic, conté un protó i un neutró. El deuteri té una abundància natural compresa entre 0,0184 i el 0,0082% (IUPAC).
- Triti (T): el seu nucli atòmic conté un protó i dos neutrons. És radioactiu.
- Hidrogen-4: Fou sintetitzat bombardejant triti amb nuclis de deuteri a alta velocitat. Decau per emissió de neutrons i té un període de semidesintegració de 9.93696x10-23 segons. L'espín de l'àtom d'hidrogen-4 és de 2-.
- Hidrogen-5: Al 2001, es detectà hidrogen-5 en el bombardeig d'àtoms d'hidrogen amb ions pesats. Decau per emissió de neutrons i té un període de semidesintegració de 8.01930x10-23 segons.
- Hidrogen-6: Decau per triple emissió de neutrons i té un període de semidesintegració de 3.26500-22 segons.
- Hidrogen-7: Fou creat al laboratori RIKEN (article) al Japó, col·lisionant un feix d'àtoms d'heli-8 d'alta energia dirigit a hidrogen criogenitzat d'on es detectà tritons (els nuclis de l'àtom de triti) i neutrons provinents de la desintegració de l'hidrogen-7. El mateix mètode usat per a produir i detectar hidrogen-5.
Símbol del nuclíd |
Z(p) | N(n) | Massa isotòpica (u) | Període de semidesintegració | Spin nuclear |
Composició isotòpica representativa (fracció molar) |
Rang de variació natural (fracció molar) |
---|---|---|---|---|---|---|---|
H-1 | 1 | 0 | 1.00782503207(10) | ESTABLE [>2.8×1023 a] | 1/2+ | 0.999885(70) | 0.999816-0.999974 |
H-2 | 1 | 1 | 2.0141017778(4) | ESTABLE | 1+ | 0.000115(70) | 0.000026-0.000184 |
H-3 | 1 | 2 | 3.0160492777(25) | 12.32(2) a | 1/2+ | ||
H-4 | 1 | 3 | 4.02781(11) | 1.39(10)×10-22 s [4.6(9) MeV] | 2- | ||
H-5 | 1 | 4 | 5.03531(11) | >9.1×10-22 s ? | (1/2+) | ||
H-6 | 1 | 5 | 6.04494(28) | 2.90(70)×10-22 s [1.6(4) MeV] | 2-# | ||
H-7 | 1 | 6 | 7.05275(108)# | 2.3(6)×10-23# s [20(5)# MeV] | 1/2+# |
Els valors marcats amb # són valors esperats, i no han pogut ser comprovats experimentalment. Els spins entre parèntesis no han estat demostrats fermament.
[edita] Precaucions
L'hidrogen és un gas extremadament inflamable. Reacciona violentament amb el fluor i el clor, especialment amb el primer, amb el qual la reacció és tan ràpida i imprevisible que no es pot controlar. L'aigua pesant és tòxica per a la majoria de les espècies, encara que la dosi mortal és molt gran.
[edita] Enllaços externs
- webelements.com (anglès)
- environmentalchemistry.com (anglès)
- És Elemental (anglès)