Rieth József: Anyagvilág - Háttérismeret

Hidrogén

Tartalomjegyzékhez Világképem <  Leptonidőszak     

A hidrogén (régies, magyarosított elnevezése köneny vagy gyulany, latinul: hydrogenium) a periódusos rendszer első kémiai eleme. A hidrogénatom vegyjele H, rendszáma 1. A hidrogén valójában igen ritkán fordul elő önálló atomként, legtöbbször kétatomos molekulákat alkot, melyek képlete H2. Normálállapotban színtelen, szagtalan, íztelen, nemfémes, egy vegyértékű, igen gyúlékony gáz. Nagyon jó hővezető. Vízben igen kis mértékben oldódik, nagyon jól oldódik egyes fémekben (palládium, platina, nikkel). A hidrogén a legkönnyebb és egyben a világegyetemben leggyakrabban előforduló elem. A Földön leginkább vegyületeivel találkozhatunk: jelen van a vízben, szinte minden szerves vegyületben és minden élőlényben. A fősorozatbeli csillagok nagyrészt plazma halmazállapotú hidrogénből állnak, amit apránként héliummá égetnek el. A többi kozmikus testre általánosan igaz, hogy minél nagyobb, annál több benne a hidrogén: a kisebb égitestek gravitációs mezeje nem képes az igen kis sűrűségű hidrogéngázt légkörében huzamosan megtartani.

A hidrogén a legegyszerűbb atomszerkezetű kémiai elem, leggyakoribb izotópja, a prócium csak egy protonból és egy elektronból áll.

Normálállapotban kétatomos gáz, képlete H2. A normálállapotú levegőnél sűrűsége 14,5-ször kisebb.

Mivel a hidrogénmolekuláknak nincsenek polarizálható elektronjaik, ezért a közöttük kialakuló diszperziós kölcsönhatás erőssége, így a kohézió is rendkívül kicsi. Ezért a hidrogénnek 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 fémmé állnak össze (fémes hidrogén). Az űrben található igen alacsony nyomáson általában atomos formában létezik – egyszerűen azért, mert a hidrogénatomok nem találkoznak egymással; 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.

1 mól hidrogénatom tömege 1,00794 gramm. Egyetlen hidrogénatom tömeg kb. 0,00000000000000000000000166 g. (1,66×10−24g) Egy hidrogénatom tömege annyiad része egy grammnak, mint tíz kilogramm a Föld tömegének.

Adatai

Általános    

Név, vegyjel, rendszám                hidrogén, H, 1

Atomtömeg                                 1,00794 g/mol

Elektronszerkezet                        1s1

Elektronok héjanként                   1

Fizikai tulajdonságok

Halmazállapot                             gáz

Sűrűség (0 °C, 101,3 kPa)            0,0899 kg/m³[1]

Sűrűség (folyadék) az o.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

Moláris hőkapacitás (25 °C)         28,836 J/(mol·K)

Gőznyomás P/Pa                       10 k      100 k

                  T/K                          15         20

 

 

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

Hővezetési tényező (300 K)         180,5 W/(m·K)

Hangsebesség (gáz, 27 °C)         1310 m/s

CAS-szám                                 1333-74-0

 

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              nyomokban       12,32 év         β−        0,019            3He

Vegyületei

A hidrogén a legtöbb kémiai elemmel képes vegyülni. Elektronegativitása 2,2-es, a nemfémek közül a legkisebb. Mivel csak egy elektronja van és elektronhéja két elektronnal telítődik (1s2), a hidrogénatom egy elektron felvételével vagy leadásával is 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.

Robbanásszerű égése miatt a hidrogén és az oxigén keverékét durranógáznak hívják. A reakció terméke a víz (H2O). A deutérium-oxidot (D2O) nehézvíznek nevezik. A szénnel rengeteg, különféle szerkezetű vegyületet alkot; ezek a szénhidrogének. Mivel az élőlények zömmel a szén és a hidrogén (oxigénnel, nitrogénnel, foszforral stb. közös) vegyületeiből állnak, ezeket szerves vegyületeknek nevezik, a velük foglalkozó tudományágat pedig szerves kémiának.

Típusai kvantumfizikai szempontból

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

Izotópjai

Az izotóp
jele
Z(p) N(n)  
Az izotóp tömege (u)
 
felezési idő magspin jellemző
izotóp-
összetétel
(móltört)
természetes
ingadozás
(móltört)
gerjesztési energia
1H 1 0 1,00782503207(10) STABIL [>2.8·1023 év] 1/2+ 0,999885(70) 0,999816–0,999974
²H 1 1 2,0141017778(4) STABIL 1+ 0,000115(70) 0,000026–0,000184
³H 1 2 3,0160492777(25) 12,32(2) év 1/2+    
4H 1 3 4,02781(11) 1,39(10)·10-22 s [4,6(9) MeV] 2-    
5H 1 4 5,03531(11) >9,1·10-22 s ? (1/2+)    
6H 1 5 6,04494(28) 2,90(70)·10-22 s [1,6(4) MeV] 2-#    
7H 1 6 7,05275(108)# 2,3(6)·10-23# s [20(5)# MeV] 1/2+#  

A hidrogén leggyakoribb izotópja: 1H. Ennek a stabil izotópnak az atommagja egyetlen protonból áll; innen jön a prócium, a 1H ritkán használt neve. Gyakorisága több mint 99,98%. A stabil izotópok közül az egyetlen, amelyben nincs neutron.

A másik stabil izotóp a deutérium, 2H, aminek magjában egy neutron is található. A  az összes hidrogén kb. 0,0026–0,0184%-a: az alacsonyabb érték a gázállapotú hidrogén-előfordulásokra jellemző, a nagyobb dúsulások (0,015% vagy 150 ppm) az óceáni víznél tipikusak. A deutérium nem radioaktív, és nem jelent súlyos mérgezési veszélyt. A (normál hidrogén helyett) deutériumot tartalmazó molekulákban feldúsult vizet nehézvíznek nevezzük. A deutériumot és vegyületeit nem radioaktív nyomjelzőként használják kémiai kísérletekben, valamint 1H-NMR vizsgálatok oldószereiben. A nehézvizet nukleáris reaktorokban neutronlassítónak és hűtőközegként használják. A deutérium a szabályozott magfúzió egyik lehetséges fűtőanyaga. A hidrogén és a deutérium egyaránt az ősrobbanásban keletkezett; a fúziós reakciók eredményeként mennyiségük azóta folyamatosan csökken.

A harmadik hidrogénizotóp a radioaktív trícium, 3H. A trícium atommagja két neutront tartalmaz a proton mellett. Radioaktív, β- bomlással 12,32 év felezési idővel hélium-3-má bomlik. A trícium kis mennyiségben megtalálható a természetben, a légköri gázok és a kozmikus sugárzás kölcsönhatásában keletkezik. A nukleáris fegyverkísérletek során is szóródott ki trícium. Felhasználják a termonukleáris fúziós fegyverekben, geokémiai izotópos nyomjelzőként . A tríciumot régebben rutinszerűen alkalmazták kémiai és biológiai nyomjelzéses vizsgálatokban radioaktív nyomjelzőként (ezirányú felhasználása ma már kevésbé gyakori). A D-T magfúzió fő üzemanyaga a trícium és a deutérium. A nagy hőmérsékleten lejátszódó reakció során a magok ütköznek és összeolvadnak, a végtermék magok és a kiindulási állapot közötti tömegkülönbség pedig energia formájában felszabadul. Kiválóan alkalmas a beszivárgott és a felszín alatt messzire vándorolt vizek korának (a beszivárgás idejének) meghatározására.

A 4H a hidrogén rendkívül instabil izotópja. Magja egy protonból és három neutronból áll. Mesterségesen állították elő, trícium céltárgy gyorsított deutérium magokkal történő bombázásával. Ebben a kísérletben a trícium magok befogták a gyorsan mozgó deutérium magok neutronját. A hidrogén-4 jelenlétére a kibocsátott protonok detektálásával következtettek. Atomtömege 4,02781 ± 0,00011. Neutronkibocsátással bomlik, felezési ideje (1,39 ± 0,10)·10-22 másodperc.

A 5H a hidrogén rendkívül instabil izotópja. Magja egy protonból és négy neutronból áll. Mesterségesen állították elő trícium gyorsan mozgó trícium magokkal történő bombázásával. Ebben a kísérletben az egyik trícium befogja a másik mag neutronjait, így egy protonból és négy neutronból álló mag keletkezik. A fennmaradó proton detektálható, ebből lehet következtetni a hidrogén-5 jelenlétére. Ez a mag két neutron kibocsátásával bomlik, felezési ideje legalább 9,1·10-22 másodperc.

A 6H három neutron kibocsátásával bomlik. Felezési ideje 3·10-22 másodperc. 1 protonból és 5 neutronból áll

A 7H egy protont és hat neutront tartalmaz. Elsőként 2003-ban állították elő, amikor hidrogént bombáztak hélium-8-cal. A reakció során a hélium-8 átadta neutronjait a hidrogénmagnak.

A hidrogén az egyetlen olyan kémiai elem, aminek az izotópjait nemcsak külön elnevezték, de külön vegyjelet is adtak nekik – bár ez nem hivatalos. A deutériumot gyakran a D, a tríciumot a T betűvel jelölik (a 2H illetve 3H helyett).

Hidrogénszerű egzotikus atomok

Pozitrónium (Ps vagy e+e-) A pozitrónium egy pozitronból (az elektron pozitívan töltött antirészecskéjéből) és egy elektronból álló egzotikus atom. A részecske-antirészecske pár annihilációja során 2 vagy több gamma fotonra bomlik.

Müonium (Mu vagy µ+e-) A müonium részecske egy antimüonból (a müon pozitívan töltött antirészecskéjéből) és egy elektronból álló egzotikus atom, a Mu vagy µ+e- szimbólummal jelölik. A müon 2 µs élettartama alatt a  vegyületbe léphet, mint pl. a müonium-klorid (MuCl) vagy nátrium-müonid (NaMu).

Tartalomjegyzékhez Világképem <  Leptonidőszak     

----------------------

http://hu.wikipedia.org/wiki/Hidrog%C3%A9n