Storia, struttura, proprietà e usi dell'idrogeno

Lui idrogeno È un elemento chimico rappresentato dal simbolo h. Il suo atomo è il più piccolo di tutti ed è con cui inizia la tavola periodica, indipendentemente da dove sia posizionato. È costituito da un gas incolore composto da molecole diatomiche di H₂, e non per atomi isolati di H; Come con i gas nobili lui, ne, ar, tra gli altri.

Di tutti gli elementi, è forse il più emblematico ed evidenziato, non solo per le sue proprietà in condizioni terrestri o drastiche, ma per la sua immensa abbondanza e varietà dei suoi composti. L'idrogeno è un gas, sebbene inerte in assenza di fuoco, infiammabile e pericoloso; Mentre acqua, h₂Oppure è il solvente universale e la vita.

Cilindri rossi usati per immagazzinare idrogeno. Fonte: Famartin [CC BY-SA 4.0 (https: // creativeCommons.Org/licenze/by-sa/4.0)]

Di per sé, l'idrogeno non mostra una peculiarità visiva che vale la pena ammirare, semplicemente essere un gas che viene immagazzinato in cilindri o hub rossi. Tuttavia, sono le sue proprietà e la capacità di collegarsi a tutti gli elementi, che ritorna a uno speciale idrogeno. E tutto questo, sebbene abbia solo un elettrone da Valencia.

Se l'idrogeno non viene immagazzinato nei rispettivi cilindri, sfuggirebbe allo spazio mentre una grande parte reagisce nell'ascesa. E anche se ha una concentrazione molto bassa nell'aria che respiriamo, fuori dalla terra e nel resto dell'universo, è l'elemento più abbondante, essendo nelle stelle e considerato la sua unità di costruzione.

Sul terra, d'altra parte, rappresenta circa il 10% della sua massa totale. Per visualizzare ciò che ciò significa, si dovrebbe considerare che la superficie del pianeta è praticamente coperta di oceani e che l'idrogeno si trova nei minerali, nell'olio petrolifero e in qualsiasi composto organico, oltre a far parte di tutti gli esseri viventi.

Come il carbonio, tutte le biomolecole (carboidrati, proteine, enzimi, DNA, ecc.) Hanno atomi di idrogeno. Pertanto, ci sono molte fonti da estrarre o produrlo; Tuttavia, pochi rappresentano metodi di produzione davvero redditizi.

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Storia

Identificazione e nome

Sebbene nel 1671 Robert Boyle fu testimone per la prima volta un gas che fu formato quando i file di ferro reagivano con gli acidi, fu lo scienziato britannico Henry Cavendish, nel 1766, che lo identificò come una nuova sostanza; L '"aria infiammabile".

Cavendish ha scoperto che quando questa presunta aria infiammabile bruciava, veniva generata l'acqua. Sulla base del suo lavoro e dei suoi risultati, il chimico francese Antoine Lavoisier diede a questo gas il nome di idrogeno nel 1783. Etimologicamente il suo significato deriva dalle parole greche "Hydro" e "Genes": Water Formator.

Elettrolisi e carburante

Poco dopo, nel 1800, gli scienziati americani William Nicholson e Sir Anthony Carlisle scoprirono che l'acqua può decomporsi in idrogeno e ossigeno; aveva trovato l'elettrolisi dell'acqua. Successivamente, e 1838, il chimico svizzero cristiano Friedrich Schoenbein ha introdotto l'idea di trarre vantaggio dalla combustione dell'idrogeno per generare elettricità.

La popolarità dell'idrogeno era così tanto che persino lo scrittore Julio Verne lo riferiva come un combustibile del futuro nel suo libro L'isola misteriosa (1874).

Isolamento

Nel 1899, il chimico scozzese James Dewar fu il primo a isolare l'idrogeno come gas liquefatto, essendo se stesso che poteva raffreddarlo abbastanza da ottenerlo nella sua fase solida.

Due canali

Da questo punto, la storia dell'idrogeno presenta due canali. Da un lato, il suo sviluppo nel campo di carburanti e batterie; E dall'altro, la comprensione della struttura del suo atomo e di come rappresentava l'elemento che ha aperto le porte alla fisica quantistica.

Struttura elettronica e configurazione

Molecola di idrogeno diatomico. Fonte: Benjah-BMM27 [dominio pubblico]

Gli atomi di idrogeno sono molto piccoli e hanno a malapena un elettrone per formare legami covalenti. Quando due di questi atomi si uniscono, danno origine a una molecola diatomica, H₂; Questo è idrogeno molecolare a gas (immagine superiore). Ogni sfera bianca corrisponde a un singolo atomo H e alla sfera globale agli orbitali molecolari.

Pertanto, l'idrogeno è davvero costituito da molecole H₂ Molto piccolo che interagisce attraverso le forze di dispersione di Londra, dal momento che mancano di un momento dipolo per essere omonucleare. Pertanto, sono molto "irrequieti" e si diffondono rapidamente nello spazio in quanto non ci sono forti forze intermolecolari per rallentarle.

La configurazione di idrogeno elettronico è semplicemente 1s¹. Questo orbitale, 1s, è il prodotto della risoluzione della famosa equazione di Schrödinger per l'atomo idrogenoide. In h₂ Due orbitali 1S si sovrappongono per formare due orbitali molecolari: uno di collegamento e un altro di antienlace, secondo la teoria orbitale molecolare (Tom).

Questi orbitali consentono o spiegano l'esistenza di ioni H₂⁺ o h₂^-; Tuttavia, la chimica dell'idrogeno è definita in condizioni normali da H₂ o gli ioni H⁺ o h^-.

Numeri di ossidazione

Dalla configurazione elettronica per idrogeno, 1s¹, È molto facile prevedere i suoi possibili numeri di ossidazione; Tenendo presente, ovviamente, che i 2 orbitali di maggiore energia non sono disponibili per i collegamenti chimici. Pertanto, nello stato basale l'idrogeno ha un numero di ossidazione di 0, h⁰.

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Se perdi il tuo unico elettrone, l'orbitale 1S è vuoto e si forma il catione o l'idrogeno, h, h, h⁺, di grande mobilità in quasi tutti i mezzi liquidi; Soprattutto acqua. In questo caso il suo numero di ossidazione è +1.

E per quando accade il contrario, cioè vincere un elettrone, l'orbitale avrà ora due elettroni e sarà 1². Quindi il numero di ossidazione è -1 e corrisponde all'anione idruro, h^-. Vale la pena notare che h^- È isolettronico a nobile gas elio, lui; Cioè, entrambe le specie hanno lo stesso numero di elettroni.

In sintesi, i numeri di ossidazione dell'idrogeno sono: +1, 0 e -1 e la molecola H₂ conta come se avessero due atomi di idrogeno H⁰.

Fasi

La fase preferita dell'idrogeno, almeno in condizioni terrestri, è la soda, per le ragioni precedentemente indicate. Tuttavia, quando le temperature diminuiscono nell'ordine di -200 ºC o se la pressione aumenta centinaia di migliaia di volte rispetto all'atmosfera, l'idrogeno può condensare o cristallizzarsi in una fase liquida o solida, rispettivamente.

In queste condizioni le molecole h₂ Possono allinearsi con diversi modi per definire i modelli strutturali. Le forze di dispersione di Londra ora diventano altamente direzionali e, quindi, le geometrie o le simmetrie adottate dai colleghi appaiono₂.

Ad esempio, due Hsses H₂, È come scrivere (h₂)₂ Definire un quadrato simmetrico o asimmetrico. Nel frattempo, tre coppie H₂, o (h₂)₃ Definiscono un esagono, molto simile a quelli del carbonio nei cristalli di grafite. In effetti, questa fase esagonale è la principale o più stabile per l'idrogeno solido.

Ma cosa succede se il solido non fosse composto da molecole ma di H? Allora avremmo avuto a che fare con idrogeno metallico. Questi atomi H, che ricordano le sfere bianche, possono definire sia una fase liquida che un solido metallico.

Proprietà

Aspetto fisico

L'idrogeno è un gas incolore, inodore e insipido. Pertanto, se c'è una perdita rappresenta un rischio di esplosione.

Punto di ebollizione

-253 ºC.

Punto di fusione

-259 ºC.

Punto di accensione e stabilità

Praticamente esplode a qualsiasi temperatura se c'è una scintilla o una fonte di calore vicino al gas, anche la luce solare può sparare idrogeno. Tuttavia, fintanto che è ben immagazzinato, è un po 'di gas reattivo.

Densità

0,082 g/l. È 14 volte più leggero dell'aria.

Solubilità

1,62 mg/L a 21 ºC in acqua. È, in termini generali, insolubile nella maggior parte dei liquidi.

Pressione del vapore

1.24 · 10⁶ MMHG a 25 ºC. Questo valore dà un'idea di quanto devono essere chiuse i cilindri di idrogeno per impedire alla fuga di gas.

Temperatura di autorezione

560VºC.

Elettronegatività

2.20 sulla scala Pauling.

Calore a combustione

-285,8 kJ/mol.

Calore di vaporizzazione

0,90 kJ/mol.

Calore di fusione

0,117 kJ/mol.

Isotopi

L'atomo di idrogeno "normale" è il protio, ¹H, che costituisce circa il 99,985% di idrogeno. Gli altri due isotopi per questo elemento sono il deuterio, ²H e il trizio, ³H. Questi differiscono nel numero di neutroni; Il deuterio ha un neutrone, mentre il trizio ne ha due.

Isomeri delle spine

Esistono due tipi di idrogeno molecolare, h₂: Orto e per. Nel primo i due giri (del protone) degli atomi H sono orientati verso la stessa direzione (sono paralleli); Mentre nel secondo, i due giri sono in direzioni opposte (sono antiparalleli).

L'idrogeno-per è il più stabile dei due isomeri; Ma aumentando la temperatura, la relazione orto: diventare 3: 1, il che significa che l'isomero dell'organo idrogeno predomina sopra l'altro. A temperature molto basse (a distanza vicina allo zero assoluto, 20k), idrogeno puro.

Nomenclatura

La nomenclatura per fare riferimento all'idrogeno è una delle più semplici; Sebbene non sia allo stesso modo per i loro composti inorganici o organici. Il h₂ Può essere chiamato con i seguenti nomi oltre a "idrogeno":

-Idrogeno molecolare

-Diidrogeno

-Molecola di idrogeno diatomico.

Per ioni h⁺ I loro nomi sono ioni protonici o idrogeno; E se è in mezzo acquoso, h₃O⁺, Catione di idronio. Mentre ioni h^- È l'anione idruro.

L'atomo di idrogeno

L'atomo di idrogeno rappresentato attraverso il modello planetario di Bohr. Fonte: Pixabay.

L'atomo di idrogeno è il più semplice di tutti ed è di solito rappresentato come nell'immagine superiore: un nucleo con un protone solo (per il ¹H), circondato da un elettrone che disegna un'orbita. Su questo atomo sono stati costruiti e stimati tutti gli orbitali atomici per gli altri elementi della tavola periodica.

Una rappresentazione più fedele all'attuale comprensione degli atomi sarebbe quella di una sfera la cui periferia è definita dalla nuvola elettronica e probabilistica dell'elettrone (il suo orbitale 1S).

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Dov'è e produzione

Un campo di stelle: fonte inesauribile di idrogeno. Fonte: Pixabay.

L'idrogeno è, sebbene forse in misura minore rispetto al carbonio, l'elemento chimico che si può dire senza dubbio che è ovunque; Nell'aria, oltre all'acqua che riempie i mari, gli oceani e i nostri corpi, nel greggio e nei minerali del petrolio, nonché nei composti organici che sono assemblati per originare la vita.

È sufficiente guardare superficialmente qualsiasi libreria composta per trovare atomi di idrogeno in essi.

La domanda non risiede così tanto quanto ma come è presente. Ad esempio, la molecola M₂ È così volatile e reattivo sotto l'incidenza dei raggi solari, che è molto scarso nell'atmosfera; Pertanto, reagisce per unirsi ad altri elementi e quindi ottenere stabilità.

Mentre sopra, nel cosmo, l'idrogeno è prevalentemente come atomi neutri, H.

In effetti, l'idrogeno è considerato, nella sua fase metallica e condensata, come l'unità di costruzione di stelle. Quando ci sono quantità incommensurabili di esse e, a causa della loro robustezza e dimensioni colossali, rendono questo elemento il più abbondante dell'intero universo. Si stima che il 75% della materia nota corrisponda agli atomi di idrogeno.

Naturale

Raccogli gli atomi di idrogeni sciolti nello spazio suona invariato e estraggendoli dalle periferie del sole, o del nebuloso, irraggiungibile. Sulla terra, dove le sue condizioni costringono questo elemento ad esistere come h₂, Può verificarsi attraverso processi naturali o geologici.

Ad esempio, l'idrogeno ha il suo ciclo naturale in cui alcuni batteri, microbi e alghe possono generarlo attraverso reazioni fotochimiche. L'escalation di processi naturali e parallelismi con questi include l'uso di bioreattori, in cui i batteri si nutrono di idrocarburi per rilasciare idrogeno contenuto in essi.

Gli esseri viventi sono anche produttori di idrogeno, ma in misura minore. In tal caso, non si potrebbe spiegare come costituisce uno dei componenti gassosi della flatulenza; che hanno dimostrato eccessivamente che sono infiammabili.

Infine, vale la pena ricordare che in condizioni anaerobiche (senza ossigeno), ad esempio negli strati sotterranei, i minerali possono lentamente reagire con l'acqua per produrre idrogeno. La reazione di Fayelita lo dimostra:

3fe₂Sio₄ + 2 h₂O → 2 Faith₃O₄ + 3 Sio₂ + 3 h₂

Industriale

Mentre il bioidrogeno è un'alternativa per generare questo gas su scale industriali, i metodi più usati sono praticamente "per" togliere "l'idrogeno ai composti che lo contengono, in modo che i loro atomi si uniscano e formino l'H₂.

I metodi minimi ambientali per produrre consistono nel reagire la coca cola (o il carbone) con vapore acqueo surriscaldato:

C (s) + H₂O (g) → CO (g) + H₂(G)

Allo stesso modo, il gas naturale è stato usato per questo scopo:

Cap₄(g) + H₂O (g) → CO (G) + 3H₂(G)

E poiché le quantità di coke o gas naturale sono vaste, è redditizio produrre idrogeno da una di queste due reazioni.

Un altro metodo per ottenere l'idrogeno è applicare una scossa elettrica all'acqua per decomporsi nelle sue parti elementari (elettrolisi):

2 h₂O (l) → 2 h₂(g) + o₂(G)

In laboratorio

In qualsiasi laboratorio, l'idrogeno molecolare può essere preparato in piccole quantità. Per fare questo, un metallo attivo dovrebbe essere reagito con un acido forte, in un becher o in un tubo di prova. La bolla osservabile è un chiaro segno di formazione di idrogeno, rappresentato dalla seguente equazione generale:

M (s) + nh⁺(AC) → M^N+(AC) + H₂(G)

Dove n è il valencia in metallo. Pertanto, ad esempio, il magnesio reagisce con H⁺ Per produrre h₂:

Mg (s) + 2h⁺(AC) → Mg²⁺(AC) + H₂(G)

Reazioni

Rédox

I numeri di ossidazione stessi offrono un primo approccio a come l'idrogeno partecipa alle reazioni chimiche. Il h₂ Quando reagisce, può rimanere invariato o dividere sugli ioni H⁺ o h^- a seconda di quale specie collega; Se sono più o meno elettronegativi di lui.

Il h₂ È poco reattivo a causa della forza del suo legame covalente, H-H; Tuttavia, questo non è un impedimento assoluto per reagire e formare composti con quasi tutti gli elementi della tabella periodica.

La sua reazione più nota è con quella del gas di ossigeno per produrre vapori idrici:

H₂(g) + o₂(g) → 2h₂O (g)

Ed è una tale affinità per l'ossigeno formare la molecola d'acqua stabile, che può persino reagire con essa come anione o^2- In alcuni ossidi metallici:

H₂(G) + CuO (S) → Cu (S) + H₂O (l)

Anche l'ossido d'argento reagisce o "si riduce" con la stessa reazione:

H₂(g) + agosto (s) → Ag (s) + H₂O (l)

Queste reazioni di idrogeno corrispondono a quelle di tipo Rédox. Cioè, ossidazione della riduzione. L'idrogeno ossida sia in presenza di ossido di ossigeno che di metallo di metalli meno reattivi di lui; Ad esempio, rame, argento, tungsteno, mercurio e oro.

Assorbimento

Alcuni metalli possono assorbire l'idrogeno gassoso per formare idrori metallici, che sono considerati come se fossero leghe. Ad esempio, i metalli di transizione come il paladio assorbono notevoli quantità di H_2, Essere simili alle spugne metalliche.

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Lo stesso accade con leghe di metallo più complesse. In questo modo l'idrogeno può essere immagazzinato con altri mezzi oltre ai suoi cilindri.

Aggiunta

Le molecole organiche possono anche "assorbire" l'idrogeno attraverso meccanismi molecolari e/o interazioni diverse.

Per i metalli, molecole H₂ Sono circondati da atomi di metallo all'interno dei loro cristalli; Mentre nelle molecole organiche, il legame H-H è rotto per formare altri legami covalenti. In un senso più formalizzato: l'idrogeno non viene assorbito, ma viene aggiunto alla struttura.

L'esempio classico è l'aggiunta di H₂ per raddoppiare o triplo il collegamento di alcheni o alcine, rispettivamente:

C = c + h₂  → H-C-C-H

C tutto H₂ → HC = CH

A queste reazioni viene anche somministrato il nome di idrogenazione.

Formazione di Hydros

L'idrogeno reagisce direttamente agli elementi per formare una famiglia di composti chimici chiamati idro. Esistono principalmente due tipi: Salinos e molecolari.

Ci sono anche idrori metallici, che consistono in leghe metalliche già menzionate quando questi metalli assorbono l'idrogeno gassoso; e il polimerico, con reti o catene di legami E-H, dove indica l'elemento chimico.

Salinos

Negli idrori salini, l'idrogeno partecipa al legame ionico come l'anione dell'idruro, H^-. Affinché ciò si formi, l'elemento deve essere necessariamente meno elettronegativo; Altrimenti, non rinuncerebbe ai suoi elettroni all'idrogeno.

Pertanto, gli idrosi salini si formano solo quando l'idrogeno reagisce con metalli molto elettropositivi, come alcalini e alcalini.

Ad esempio, l'idrogeno reagisce con sodio metallico per produrre idruro di sodio:

2NA (S) + H₂(g) → 2nah (s)

O con bario per produrre idruro di bario:

Ba (s) + H₂(g) → bah₂(S)

Molecolare

Gli idruri molecolari sono ancora meglio conosciuti degli ionici. Ricevono anche il nome di idrogeno alogenuro, HX, quando l'idrogeno reagisce con un alogeno:

Cl₂(g) + H₂(g) → 2HCL (G)

Qui l'idrogeno partecipa al legame covalente come h⁺; Dal momento che le differenze tra le elettronegatività tra i due atomi non sono molto grandi.

La stessa acqua può essere considerata come un idruro di ossigeno (o ossido di idrogeno), la cui reazione di formazione era già esposta. Molto simile è la reazione con lo zolfo per dare idrogeno solforato, un gas puzzolente:

S (s) + h₂(g) → H₂S (G)

Ma di tutti gli idrori molecolari il più famoso (e forse il più difficile da sintetizzare) è l'ammoniaca:

N₂(g) + 3h₂(g) → 2nh₃(G)

Applicazioni

Nella sezione precedente, uno dei principali usi dell'idrogeno era già stato affrontato: come materia prima per lo sviluppo di sintesi, inorganica o organica. Il controllo di questo gas di solito ha un altro scopo che farne reagire per creare altri composti diversi da quelli che sono stati estratti.

Materia prima

- È uno dei reagenti per la sintesi di ammoniaca, che a sua volta ha infinite applicazioni industriali, a partire dall'elaborazione dei fertilizzanti, fino a come materiale per i farmaci azotati.

- Ha lo scopo di reagire con il monossido di carbonio e quindi produrre metanolo, un reagente ricco di biocarburanti.

Agente riducente

- È un agente riducente di alcuni ossidi metallici, quindi viene utilizzato nella riduzione metallurgica (già spiegata nel caso di rame e altri metalli).

- Ridurre grassi o oli per produrre margarina.

Industria petrolifera

Nell'industria petrolifera, l'idrogeno viene utilizzato per "idrotrar" il greggio petrolifero nei processi di raffinatezza.

Ad esempio, cerca di frammento di molecole grandi e pesanti nelle piccole molecole e con una maggiore domanda sul mercato (idrocracheo); Metalli di rilascio intrappolati in gabbie petroporfirina (idrodesmetalizzazione); Eliminare gli atomi di zolfo come H₂S (idrodesulfurizzazione); o ridurre i doppi collegamenti per creare miscele ricche nei paraffini.

Carburante

L'idrogeno stesso è un carburante eccellente per razzi o veicoli spaziali, poiché piccole quantità di esso reagiscono con ossigeno, rilasciano enormi quantità di calore o energia.

Su una scala più piccola, questa reazione viene utilizzata per la progettazione di cellule o batterie a idrogeno. Tuttavia, queste cellule affrontano le difficoltà di non essere in grado di conservare correttamente questo gas; e la sfida di completamente indipendente dal bruciare combustibili fossili.

Sul lato positivo, usato come combustibile, l'idrogeno rilascia solo acqua; Invece di gas che rappresentano mezzi di inquinamento per l'atmosfera e gli ecosistemi.

Riferimenti

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