Hidr??geno

Hidr??geno
1 H
- ↑ H ↓ Li Tabla peri??dica - ← → hidr??geno helio
Apariencia
gas incoloro P??rpura resplandor en su estado de plasma Las l??neas espectrales de hidr??geno
Propiedades generales
Nombre, s??mbolo, n??mero	hidr??geno, H, 1
Pronunciaci??n	/ h aɪ d r ə dʒ ə n / HY--drə jən
Categor??a Elemento	no metal
Grupo, per??odo, bloque	1 , 1, s
Peso at??mico est??ndar	1,008 (1)
Configuraci??n electr??nica	1s 1 1
Historia
Descubrimiento	Henry Cavendish (1766)
Nombrado por	Antoine Lavoisier (1783)
Propiedades f??sicas
Color	incoloro
Fase	gas
Densidad	(0 ?? C, 101,325 kPa) 0,08988 g / L
L??quido densidad en mp	0,07 (0,0763 s??lido) g ?? cm -3
L??quido densidad en pb	0,07099 g ?? cm -3
Punto de fusion	14.01 K , -259.14 ?? C, -434.45 ?? F
Punto de ebullicion	20.28 K, -252.87 ?? C, -423.17 ?? F
Punto Triple	13,8033 K (-259 ?? C), 7,042 kPa
Punto cr??tico	32,97 K, 1.293 MPa
Calor de fusi??n	(H 2) 0.117 kJ ?? mol -1
El calor de vaporizaci??n	(H 2) 0.904 kJ ?? mol -1
Capacidad calor??fica molar	(H 2) 28.836 J ?? mol -1 ?? K -1
Presi??n del vapor
P (Pa) 1 10 100 1 k 10 k 100 k en T (K) 15 20
Propiedades at??micas
Estados de oxidaci??n	1, -1 (??xido anf??tero)
Electronegatividad	2,20 (escala de Pauling)
Energ??as de ionizaci??n	Primero: 1312,0 kJ ?? mol -1
Radio covalente	31 ?? 17:00
Van der Waals radio	120 pm
Miscel??nea
Estructura cristalina	hexagonal
Ordenamiento magn??tico	diamagn??tico
Conductividad t??rmica	0,1805 W ?? m -1 ?? K -1
Velocidad del sonido	(Gas, 27 ?? C) 1310 m ?? s -1
N??mero de registro del CAS	1333-74-0
La mayor??a de los is??topos estables
Art??culo principal: Los is??topos de hidr??geno
iso N / A media vida DM DE ( MeV) DP 1 H 99.985% 1 H es estable con 0 neutrones 2 H 0,015% 2 H es estable con 1 neutrones 3 H rastro 12.32 y β - 0.01861 3 ??l

El hidr??geno es un elemento qu??mico con s??mbolo H y n??mero at??mico 1. Con un peso at??mico de 1.007 9 4 u (1.007 8 25 u por hidr??geno-1 ), el hidr??geno es el elemento m??s ligero y su forma monoat??mico (H ₁₎ es el m??s sustancia qu??mica abundante, constituyendo aproximadamente el 75% del universo de masa bari??nica. No- remanentes estrellas se componen principalmente de hidr??geno en su plasma estado.

En temperatura y presi??n est??ndar, el hidr??geno es una incoloro, inodoro, ins??pido, no t??xico, no met??lico, altamente combustible diat??mico gas con la f??rmula molecular H _2. De origen natural hidr??geno at??mico es raro en la Tierra porque el hidr??geno forma f??cilmente compuestos covalentes con la mayor??a de los elementos no met??licos y est?? presente en la mol??cula de agua y en la mayor??a de los compuestos org??nicos . El hidr??geno juega un papel particularmente importante en la qu??mica ??cido-base con muchas reacciones de intercambio de protones entre mol??culas solubles.

En compuestos i??nicos, puede tomar una carga negativa (un ani??n conocido como hidruro y escrito como H ^-), o como una carga positiva H ⁺ especies. Este ??ltimo cati??n se escribe como aunque compuesto de un prot??n desnudo, pero en realidad, cationes de hidr??geno en compuestos i??nicos siempre ocurren como especies m??s complejas.

El m??s com??n de is??topos de hidr??geno es protium (nombre rara vez se utiliza, s??mbolo ¹ H) con un ??nico prot??n y ning??n neutrones . Como es conocido el ??tomo m??s simple, el ??tomo de hidr??geno ha sido de uso te??rico. Por ejemplo, como el ??nico ??tomo neutro con una soluci??n anal??tica a la Ecuaci??n de Schr??dinger, el estudio de la energ??tica y la uni??n del ??tomo de hidr??geno juega un papel clave en el desarrollo de la mec??nica cu??ntica .

El gas hidr??geno primero fue producido artificialmente a principios del siglo 16, a trav??s de la mezcla de metales con ??cidos fuertes. En 1766-1781, Henry Cavendish fue el primero en reconocer que el gas hidr??geno era una sustancia discreta, y que produce agua cuando se quema, una propiedad que m??s tarde le dio su nombre: en griego, significa hidr??geno "de agua antigua".

La producci??n industrial es principalmente del reformado con vapor de gas natural, y menos a menudo de m??s alto consumo energ??tico los m??todos de producci??n de hidr??geno como el electr??lisis del agua. La mayor parte de hidr??geno se emplea cerca de su lugar de producci??n, con los dos usos m??s grande es el combustible f??sil de procesamiento (por ejemplo, hidrocraqueo) y amoniaco producci??n, principalmente para el mercado de fertilizantes.

El hidr??geno es una preocupaci??n en la metalurgia , ya que puede fragilizar muchos metales, lo que complica el dise??o de tuber??as y tanques de almacenamiento.

Propiedades

Combusti??n

La Transbordador espacial Motor principal quemado de hidr??geno con el ox??geno, produciendo una llama casi invisible a plena potencia.

El gas hidr??geno (dihidr??geno o hidr??geno molecular) es altamente inflamable y se quema en el aire a una gama muy amplia de concentraciones de entre 4% y 75% en volumen. La entalp??a de combusti??n de hidr??geno es -286 kJ / mol:

2 H ₂ (g) + O ₂ (g) → 2 H ₂ O (l) + 572 kJ (286 kJ / mol)

El hidr??geno gas forma mezclas explosivas con el aire si es 4-74% concentrado y con cloro si es 5-95% concentrado. Las mezclas estallan espont??neamente por chispa, calor o la luz solar. El hidr??geno temperatura de autoignici??n, la temperatura de ignici??n espont??nea en el aire, es de 500 ?? C (932 ?? F). Llamas puras de hidr??geno-ox??geno emiten luz ultravioleta y la luz son casi invisibles a simple vista, como se ilustra por el penacho d??bil de la Transbordador espacial Motor principal en comparaci??n con el penacho muy visible de un El transbordador espacial cohete s??lido. La detecci??n de una fuga de hidr??geno quema puede requerir una detector de llama; tales filtraciones pueden ser muy peligrosos. La destrucci??n de la aeronave Hindenburg fue un ejemplo infame de combusti??n de hidr??geno; la causa es objeto de debate, pero las llamas visibles fueron el resultado de una rica mezcla de hidr??geno con el ox??geno que produce una llama visible.

H ₂ reacciona con cada elemento oxidante. El hidr??geno puede reaccionar de forma espont??nea y violentamente a temperatura ambiente con cloro y fl??or para formar los correspondientes haluros de hidr??geno, cloruro de hidr??geno y fluoruro de hidr??geno, que tambi??n son potencialmente peligrosos ??cidos .

Los niveles de energ??a de electrones

Representaci??n de un ??tomo de hidr??geno con tama??o de protones central de muestra, y el di??metro at??mico muestra como aproximadamente el doble de la Radio de Bohr modelo (imagen no a escala).

La estado fundamental nivel de energ??a del electr??n en un ??tomo de hidr??geno es -13,6 eV, que es equivalente a una radiaci??n ultravioleta de fotones de m??s o menos 92 longitud de onda nm.

Los niveles de energ??a de hidr??geno se pueden calcular con bastante precisi??n por medio de la Modelo at??mico de Bohr, que conceptualiza el electr??n como "??rbita" del prot??n en analog??a a la ??rbita del Sol de la Tierra Sin embargo, la fuerza electromagn??tica atrae electrones y protones entre s??, mientras que los planetas y objetos celestes se atraen entre s?? por la gravedad . Debido a la discretizaci??n de momento angular postulado a principios de la mec??nica cu??ntica de Bohr, el electr??n en el modelo de Bohr s??lo puede ocupar ciertas distancias permitido desde el prot??n, y por lo tanto s??lo ciertas energ??as permitidas.

Una descripci??n m??s precisa del ??tomo de hidr??geno proviene de un tratamiento mec??nico puramente cu??ntica que utiliza el Ecuaci??n de Schr??dinger o la Feynman Integral de caminos para calcular el densidad de probabilidad del electr??n alrededor del prot??n. Los tratamientos m??s complicados permiten a los peque??os efectos de la relatividad especial y polarizaci??n del vac??o. En el tratamiento de la mec??nica cu??ntica, el electr??n en un ??tomo de hidr??geno estado fundamental no tiene momento angular en absoluto- una ilustraci??n de cu??n diferente es la concepci??n "??rbita planetaria" del movimiento de los electrones difiere de la realidad.

Formas moleculares elementales

Primeras pistas observados en hidr??geno l??quido c??mara de burbujas en el Bevatr??n

Existen dos diferentes is??meros de rotaci??n de las mol??culas diat??micas de hidr??geno que se diferencian por la relaci??n giro de sus n??cleos. En el forma orthohydrogen, los espines de los dos protones son paralelas y forman un estado triplete con un n??mero cu??ntico de esp??n molecular de 1 (?? + ??); en el forman parahidr??geno los giros son antiparalelas y forman una camiseta con un n??mero cu??ntico de esp??n molecular de 0 (??-??). A temperatura y presi??n est??ndar, gas de hidr??geno contiene aproximadamente 25% de la forma para y 75% de la forma orto, tambi??n conocido como la "forma normal". La relaci??n de equilibrio de orthohydrogen a parahidr??geno depende de la temperatura, pero debido a la forma orto es una estado excitado y tiene una energ??a m??s alta que la forma de p??rrafo, es inestable y no se puede purificar. A temperaturas muy bajas, el estado de equilibrio se compone casi exclusivamente de la forma p??rr. Las propiedades t??rmicas de l??quidos y de fase gaseosa de parahidr??geno puro difieren significativamente de los de la forma normal debido a las diferencias en las capacidades calor??ficas de rotaci??n, como se discute con m??s detalle en Spin is??meros de hidr??geno. El / para distinci??n orto tambi??n se produce en otras mol??culas que contienen hidr??geno o grupos funcionales, tales como el agua y metileno, pero es de poca importancia por sus propiedades t??rmicas.

La interconversi??n no catalizada entre para y orto H ₂ aumenta con el aumento de la temperatura; H as?? condensado r??pidamente ₂ contiene grandes cantidades de la forma orto de alta energ??a que se convierte en la forma p??rr muy lentamente. La relaci??n orto / para condensada en H ₂ es una consideraci??n importante en la preparaci??n y el almacenamiento de hidr??geno l??quido: la conversi??n del orto al p??rrafo es exot??rmica y produce suficiente calor para evaporar parte del l??quido de hidr??geno, lo que lleva a la p??rdida de material licuado. Catalizadores para la interconversi??n orto-para, tales como ??xido f??rrico, carbono, amianto platinado, metales de tierras raras, compuestos de uranio activados, ??xido de cromo, o algunos compuestos de n??quel, se utilizan durante el enfriamiento de hidr??geno.

Fases

• Hidr??geno comprimido
• El hidr??geno l??quido
• Hidr??geno Slush
• Hidr??geno s??lido
• Hidr??geno met??lico

Compuestos

Covalente y compuestos org??nicos

Mientras H ₂ no es muy reactivo en condiciones est??ndar, lo hace forman compuestos con la mayor??a de los elementos. El hidr??geno puede formar compuestos con elementos que son m??s electronegativo, tales como hal??genos (por ejemplo, F, Cl, Br, I), o de ox??geno ; en estos compuestos de hidr??geno adquiere una carga positiva parcial. Cuando unido a fl??or , ox??geno , o nitr??geno , el hidr??geno puede participar en una forma de medio de resistencia de uni??n no covalente llamado el enlace de hidr??geno, que es cr??tica para la estabilidad de muchas mol??culas biol??gicas. El hidr??geno tambi??n forma compuestos con elementos electronegativos menos, tales como los metales y metaloides, en la que se adquiere una carga negativa parcial. Estos compuestos son a menudo conocido como hidruros.

El hidr??geno forma una amplia gama de compuestos con carbono llamado hidrocarburos, y una gama a??n m??s vasto con hetero??tomos que, debido a su asociaci??n con los seres vivos en general, est??n llamados compuestos org??nicos . El estudio de sus propiedades se conoce como qu??mica org??nica y su estudio en el contexto de que viven los organismos se conoce como la bioqu??mica . Seg??n algunas definiciones, compuestos "org??nicos" s??lo son necesarios para contener carbono. Sin embargo, la mayor??a de ellos tambi??n contienen hidr??geno, y porque es el enlace carbono-hidr??geno que da a esta clase de compuestos la mayor??a de sus caracter??sticas qu??micas particulares, se requieren enlaces carbono-hidr??geno en algunas definiciones de la palabra "org??nico" en qu??mica. Millones de hidrocarburos son conocidos, y est??n formados generalmente por rutas sint??ticas complicadas, que rara vez implican hidr??geno elemental.

Hidruros

Los compuestos de hidr??geno se llaman a menudo hidruros, un t??rmino que se utiliza bastante flojo. El t??rmino "hidruro" sugiere que el ??tomo de H ha adquirido un car??cter negativo o ani??nico, denotado H ^-, y se utiliza cuando el hidr??geno forma un compuesto con una mayor elemento electropositivo. La existencia del ani??n hidruro, sugerida por Gilbert N. Lewis en 1916 para el grupo I y II hidruros salinos, fue demostrada por Moers en 1920 por la electr??lisis del fundido hidruro de litio (LIH), produciendo una estequiometr??a de la cantidad de hidr??geno en el ??nodo. Para hidruros distintos grupos I y II metales, el t??rmino es bastante enga??osa, considerando la baja electronegatividad del hidr??geno. Una excepci??n en el grupo hidruros II es BeH _2, que es polim??rico. En hidruro de litio y aluminio , el AlH -
4 ani??n lleva centros hydridic firmemente unidos al Al (III).

Aunque los hidruros pueden formarse con casi todos los elementos de los grupos principales, el n??mero y la combinaci??n de posibles compuestos var??a mucho; por ejemplo, hay m??s de 100 hidruros borano binarios conocidos, pero s??lo un hidruro de aluminio y binario. Binary indio hidruro a??n no ha sido identificado, aunque existen complejos m??s grandes.

En la qu??mica inorg??nica , hidruros tambi??n pueden servir como ligandos puente que unen dos centros met??licos en un complejo de coordinaci??n. Esta funci??n es particularmente com??n en grupo de 13 elementos, especialmente en boranos ( boro hidruros) y de aluminio complejos, as?? como en cl??ster carboranos.

Los protones y los ??cidos

La oxidaci??n de hidr??geno elimina su electr??n y da H ^+, que no contiene electrones y un n??cleo que generalmente se compone de un prot??n. Es por eso que H ⁺ es a menudo llamado un prot??n. Esta especie es fundamental para la discusi??n de los ??cidos . Bajo la Bronsted-Lowry teor??a, ??cidos son donantes de protones, mientras que las bases son aceptores de protones.

Un prot??n desnudo, H ^+, no puede existir en soluci??n o en cristales i??nicos, a causa de su atracci??n imparable a otros ??tomos o mol??culas con electrones. Excepto a las altas temperaturas asociadas con plasmas, tales protones no pueden ser retirados de la nubes de electrones de los ??tomos y las mol??culas, y permanecer??n unidos a ellos. Sin embargo, el t??rmino "prot??n" se usa en ocasiones como metaf??ricamente para referirse a carga positiva o cati??nico hidr??geno unido a otras especies de esta manera, y como tal se denota "H ^+" sin que ello suponga que existen protones individuales libremente como especie .

Para evitar la implicaci??n de los desnudos "prot??n solvatado" en soluci??n, las soluciones acuosas ??cidas a veces se considera que contienen una especie ficticios menos improbables, denominan el " ion hidronio "(H ₃ O ^+). Sin embargo, incluso en este caso, se considera que tales cationes hidr??geno solvatados m??s realista f??sicamente a organizarse en grupos que forman las especies m??s cerca de ₉ H O +
4. Otros iones de oxonio se encuentran cuando el agua est?? en soluci??n con otros disolventes.

Aunque ex??tico en la Tierra, uno de los iones m??s comunes en el universo es el H +
3 de iones, conocido como hidr??geno molecular protonado o el cati??n trihidr??geno.

Is??topos

Descarga de hidr??geno (espectro) tubo

Descarga de deuterio (espectro) tubo

Protium, el m??s com??n de is??topos de hidr??geno, tiene un prot??n y un electr??n. ??nico entre todos los is??topos estables, que no tiene neutrones (v??ase diprot??n para una discusi??n de por qu?? no existen otros).

El hidr??geno tiene tres is??topos naturales, denota ¹ H, ² H y ³ H. Otros n??cleos, altamente inestables ⁽⁴ H a ⁷ H) han sido sintetizados en el laboratorio pero no observado en la naturaleza.

• ¹ H es el is??topo m??s com??n de hidr??geno con una abundancia de m??s de 99,98%. Debido a que el n??cleo de este is??topo se compone de un solo prot??n, se le da el descriptivo pero rara vez usado el nombre protium formal.
• ² H, el otro is??topo del hidr??geno estable, es conocido como deuterio y contiene un prot??n y un neutr??n en su n??cleo. Esencialmente todos deuterio en el universo se cree que se han producido en el momento del Big Bang , y ha perdurado desde entonces. El deuterio no es radiactivo, y no representa un peligro de toxicidad significativa. Agua enriquecida en mol??culas que incluyen deuterio en lugar de hidr??geno normal se llama agua pesada. Deuterio y sus compuestos se utilizan como una etiqueta no radiactivo en experimentos qu??micos y en disolventes para ¹ H - espectroscop??a de RMN . El agua pesada se utiliza como una moderador de neutrones y refrigerante para reactores nucleares. El deuterio es tambi??n un combustible potencial para comercial fusi??n nuclear.
• ³ H se conoce como tritio y contiene un prot??n y dos neutrones en su n??cleo. Es radiactivos, decayendo en helio-3 a trav??s desintegraci??n beta con una vida media de 12,32 a??os. Es tan radiactivo que puede ser utilizado en pintura luminosa, por lo que es ??til en cosas tales como relojes. El vidrio evita que la peque??a cantidad de radiaci??n de salir. Peque??as cantidades de tritio producen de forma natural debido a la interacci??n de los rayos c??smicos con los gases atmosf??ricos; tritio tambi??n se ha lanzado durante pruebas de armas nucleares. Se utiliza en reacciones de fusi??n nuclear, como un trazador en geoqu??mica de is??topos, y especializada en dispositivos de iluminaci??n con alimentaci??n propia. El tritio tambi??n se ha utilizado en experimentos qu??micos y biol??gicos de etiquetado como radioetiqueta.

El hidr??geno es el ??nico elemento que tiene diferentes nombres para sus is??topos de uso com??n hoy en d??a. Durante el estudio temprano de la radiactividad, varios is??topos radiactivos pesados les dio su propio nombre, pero esos nombres ya no se utilizan, a excepci??n de deuterio y tritio. Los s??mbolos D y T (en lugar de ² H y ³ H) se utilizan a veces para el deuterio y el tritio, pero el s??mbolo correspondiente para protium, P, ya est?? en uso para el f??sforo y por lo tanto no est?? disponible para protium. En sus nomenclatura directrices, el Uni??n Internacional de Qu??mica Pura y Aplicada permite que cualquiera de D, T, H ^2, H ³ y para ser utilizado, aunque se prefieren ² y H ³ H.

Historia

Descubrimiento y uso

En 1671, Robert Boyle descubri?? y describi?? la reacci??n entre el hierro limaduras y diluir ??cidos , lo que resulta en la producci??n de gas hidr??geno. En 1766, Henry Cavendish fue el primero en reconocer gas de hidr??geno como una sustancia discreta, nombrando el gas a partir de una reacci??n de metal-??cido "aire inflamable". Se especula que el "aire inflamable" era de hecho id??ntica a la sustancia hipot??tica llamada " flogisto "y tambi??n la constataci??n en 1781 que el gas produce agua cuando se quema. Por lo general se le da cr??dito por su descubrimiento como un elemento. En 1783, Antoine Lavoisier dio al elemento el nombre de hidr??geno (del griego que significa hidro ὕδρω genes de agua y γενῆς intencionados creador) cuando ??l y Laplace reproducida hallazgo de Cavendish que el agua se produce cuando se quema el hidr??geno.

Antoine-Laurent de Lavoisier

Lavoisier produce hidr??geno por sus famosos experimentos sobre la conservaci??n de la masa mediante la reacci??n de un flujo de vapor met??lico con hierro a trav??s de un tubo de hierro incandescente calentado en un incendio. La oxidaci??n anaerobia de hierro por los protones de agua a alta temperatura se puede representar esquem??ticamente por el conjunto de las siguientes reacciones:

Fe + _H2O → FeO + H ₂

2 Fe + 3 H ₂ O → Fe ₂ O ₃ + 3 H ₂

3 Fe + 4 H ₂ O → Fe ₃ O ₄ + 4 H ₂

Muchos metales tales como zirconio se someten a una reacci??n similar con agua que conduce a la producci??n de hidr??geno.

El hidr??geno se licuado por primera vez por James Dewar en 1898 mediante el uso de refrigeraci??n regenerativa y su invento, el frasco de vac??o. Produjo hidr??geno s??lido el pr??ximo a??o. El deuterio se descubri?? en diciembre de 1931 por Harold Urey, y tritio fue preparado en 1934 por Ernest Rutherford , Marcos Oliphant, y Paul Harteck. El agua pesada, que consta de deuterio en lugar de hidr??geno regular, fue descubierto por el grupo de Urey en 1932. Fran??ois Isaac de Rivaz construy?? el primer motor de combusti??n interna alimentado por una mezcla de hidr??geno y ox??geno en 1806. Edward Daniel Clarke invent?? el soplete de gas de hidr??geno en 1819. El L??mpara de D??bereiner y centro de atenci??n fueron inventados en 1823.

La primera lleno de hidr??geno globo fue inventado por Jacques Charles en 1783. El hidr??geno proporciona la elevaci??n de la primera forma fiable de los viajes a??reos despu??s de la invenci??n 1852 del primer dirigible hidr??geno levantado por Henri Giffard. Conde alem??n Ferdinand von Zeppelin promovi?? la idea de dirigibles r??gidos levantadas por el hidr??geno que luego se llam?? Zepelines; la primera de las cuales ten??a su primer vuelo en 1900. vuelos programados regularmente se inici?? en 1910 y por el estallido de la Primera Guerra Mundial en agosto de 1914, que hab??a llevado a 35.000 pasajeros sin un incidente grave. Dirigibles hidr??geno levantado fueron utilizados como plataformas de observaci??n y bombarderos durante la guerra.

El primer cruce transatl??ntico sin escalas fue hecho por el dirigible brit??nico R34 en 1919. El servicio regular de pasajeros se reanud?? en la d??cada de 1920 y el descubrimiento de helio reservas en Estados Unidos prometi?? una mayor seguridad, pero el gobierno de Estados Unidos se neg?? a vender el gas para este prop??sito. Por lo tanto, H ₂ fue utilizado en el Dirigible Hindenburg, que fue destruida en un incendio en pleno vuelo sobre Nueva Jersey, el 6 de mayo de 1937. El incidente fue transmitido en vivo por la radio y la film??. La ignici??n de fugas de hidr??geno est?? ampliamente asumido que la causa, pero las investigaciones posteriores se refiri?? a la ignici??n de la aluminizado revestimiento de tela por electricidad est??tica. Pero el da??o a la reputaci??n de hidr??geno como gas ascensional, ya estaba hecho.

En el mismo a??o la primera turbogenerador hidr??geno refrigerado entr?? en servicio con hidr??geno gaseoso como refrigerante en el rotor y el estator en 1937 en Dayton, Ohio, por la Dayton Power & Light Co, debido a la conductividad t??rmica del gas de hidr??geno este es el tipo m??s com??n en su campo hoy en d??a.

La pila de hidr??geno de n??quel se utiliz?? por primera vez en 1977 a bordo de la tecnolog??a de navegaci??n de la Marina estadounidense sat??lite-2 (NTS-2). Por ejemplo, el ISS , Mars Odyssey y la Mars Global Surveyor est??n equipados con bater??as de n??quel-hidr??geno. En la parte oscura de su ??rbita, el telescopio espacial Hubble tambi??n es alimentado por bater??as de n??quel-hidr??geno, que finalmente fueron sustituidos en mayo de 2009 m??s de 19 a??os despu??s de su lanzamiento, y 13 a??os m??s de su vida de dise??o.

Papel en la teor??a cu??ntica

Hidr??geno l??neas espectro de emisi??n en el rango visible. Estos son los cuatro l??neas visibles de la Serie de Balmer

Debido a su estructura at??mica relativamente simple, que consiste s??lo de un prot??n y un electr??n, la ??tomo de hidr??geno, junto con el espectro de la luz producida a partir de ella o absorbida por ella, ha sido central en el desarrollo de la teor??a de la at??mica estructura. Adem??s, la simplicidad correspondiente de la mol??cula de hidr??geno y el cati??n correspondiente H ₂ ⁺ permiti?? comprensi??n m??s completa de la naturaleza del enlace qu??mico , que se produjo poco despu??s de que el tratamiento mec??nico cu??ntico del ??tomo de hidr??geno se hab??a desarrollado a mediados de la d??cada de 1920.

Uno de los primeros efectos cu??nticos a hacerse notar expl??citamente (pero no entendieron en ese momento) era una observaci??n Maxwell implica hidr??geno, medio siglo antes de la plena teor??a mec??nica cu??ntica lleg??. Maxwell observ?? que el capacidad de calor espec??fico de H ₂ se aparta inexplicablemente de la de una gas diat??mico debajo de la temperatura ambiente y se empieza a parecerse cada vez m??s que de un gas monoat??mico a temperaturas criog??nicas. Seg??n la teor??a cu??ntica, este comportamiento surge de la separaci??n de los (cuantificados) los niveles de energ??a de rotaci??n, que son particularmente amplia espaciados en H ₂ debido a su baja masa. Estos niveles ampliamente espaciados inhiben igual partici??n de la energ??a t??rmica en movimiento de rotaci??n en hidr??geno a bajas temperaturas. Los gases diat??micas compuestas de ??tomos m??s pesados no tienen tales niveles muy separados y no presentan el mismo efecto.

Presencia natural

NGC 604, un gigante regi??n de hidr??geno ionizado en el Galaxia del Tri??ngulo

El hidr??geno, como H at??mico, es el m??s abundante elemento qu??mico en el universo, lo que representa el 75% de la materia normal por masa y m??s del 90% en n??mero de ??tomos (la mayor??a de la masa del universo, sin embargo, no es en la forma de tipo qu??mico-elemento de la materia, sino m??s bien se postula que se produzca como formas no detectados todav??a-de masa tales como la materia oscura y la energ??a oscura). Este elemento se encuentra en gran abundancia en las estrellas y los gigantes gaseosos planetas. Las nubes moleculares de H ₂ se asocian con la formaci??n de estrellas. El hidr??geno juega un papel vital en la alimentaci??n de estrellas a trav??s de reacci??n prot??n-prot??n y Ciclo CNO fusi??n nuclear.

En todo el universo, el hidr??geno se encuentra principalmente en las at??micas y plasma estados cuyas propiedades son muy diferentes de hidr??geno molecular. Como plasma, electrones y protones de hidr??geno no est??n unidos entre s??, dando lugar a muy alta conductividad el??ctrica y alta emisividad (que produce la luz del Sol y otras estrellas). Las part??culas cargadas son altamente influenciados por los campos magn??ticos y el??ctricos. Por ejemplo, en el viento solar interact??an con la de la Tierra magnetosfera dando lugar a Corrientes y la Birkeland aurora. El hidr??geno se encuentra en el estado at??mico neutral en el medio interestelar. La gran cantidad de hidr??geno neutro se encuentra en los sistemas Lyman-alfa amortiguadas se piensa que dominar la densidad bari??nica cosmol??gica del Universo hasta desplazamiento al rojo z = 4.

En condiciones normales de la Tierra, existe hidr??geno elemental como gas diat??mico, H ₂ (para datos ver tabla). Sin embargo, el gas de hidr??geno es muy raro en la atm??sfera de la Tierra (1 ppm en volumen) debido a su peso ligero, lo que le permite escapar de la gravedad de la Tierra con m??s facilidad que los gases m??s pesados. Sin embargo, el hidr??geno es el tercer elemento m??s abundante en la superficie de la Tierra, principalmente en la forma de compuestos qu??micos tales como hidrocarburos y agua. El gas hidr??geno es producido por algunas bacterias y algas y es un componente natural de flatos, como es el metano , en s?? misma una fuente de hidr??geno de importancia creciente.

Una forma molecular llamada hidr??geno molecular protonado (H ⁺ ₃₎ se encuentra en el medio interestelar, donde se genera por la ionizaci??n de hidr??geno molecular a partir de los rayos c??smicos. Este ion cargado tambi??n se ha observado en la atm??sfera superior del planeta J??piter . El ion es relativamente estable en el entorno del espacio exterior debido a la baja temperatura y densidad. H ₃ ⁺ es uno de los iones m??s abundantes en el Universo, y desempe??a un papel notable en la qu??mica del medio interestelar. Neutral triat??mica hidr??geno H ₃ s??lo puede existir en una forma emocionada y es inestable. Por el contrario, el positivo i??n molecular de hidr??geno (H ₂ ⁺⁾ es una mol??cula rara en el universo.

Producci??n

H ₂ se produce en los laboratorios de qu??mica y biolog??a, a menudo como un subproducto de otras reacciones; en la industria para la hidrogenaci??n de sustratos insaturados; y en la naturaleza como un medio de expulsi??n reducci??n de los equivalentes en las reacciones bioqu??micas.

Laboratorio

En el laboratorio, H ₂ se prepara normalmente mediante la reacci??n de diluido ??cidos no oxidantes en algunos metales reactivos tales como zinc con Aparato de Kipp.

Zn + 2 H ⁺ → Zn2 ⁺ + H ₂

De aluminio tambi??n puede producir H ₂ tras el tratamiento con bases:

2 Al + 6 _H2O + 2 OH ^- → 2 Al (OH) -
4 + 3 H ₂

La electr??lisis del agua es un m??todo simple de producir hidr??geno. Una corriente de bajo voltaje se ejecuta a trav??s del agua, y las formas de ox??geno gaseoso en el ??nodo mientras que las formas de hidr??geno gaseosos en el c??todo. T??picamente, el c??todo est?? hecho de platino u otro metal inerte cuando la producci??n de hidr??geno para el almacenamiento. Si, sin embargo, el gas es para ser quemados en el lugar, el ox??geno es deseable para ayudar a la combusti??n, y as?? ambos electrodos se har??a a partir de metales inertes. (Hierro, por ejemplo, ser??a oxidar, y por lo tanto disminuir la cantidad de ox??geno que se desprende.) La eficiencia m??xima te??rica (electricidad utilizada vs. valor energ??tico del hidr??geno producido) est?? en el intervalo 80-94%.

2 _H2O (l) → 2 H ₂ (g) + _O2 (g)

En 2007, se descubri?? que una aleaci??n de aluminio y galio en forma de gr??nulos a??adi?? a agua podr??a ser utilizado para generar hidr??geno. El proceso tambi??n crea al??mina , pero el galio caros, lo que impide la formaci??n de una piel de ??xido sobre los gr??nulos, se puede volver a utilizar. Esto tiene importantes implicaciones potenciales para la econom??a del hidr??geno, como el hidr??geno puede ser producido en el lugar y no tiene que ser transportado.

Industrial

El hidr??geno se puede preparar de varias maneras diferentes, pero econ??micamente los procesos m??s importantes implican la eliminaci??n de hidr??geno a partir de hidrocarburos. Hidr??geno a granel comercial usualmente es producida por la reformado con vapor de gas natural . A altas temperaturas (1000-1400 K, 700-1100 ?? C o 1300-2000 ?? F), el vapor (vapor de agua) reacciona con metano para producir mon??xido de carbono y H _2.

CH ₄ + _H2O → CO + 3 H ₂

Esta reacci??n es favorecida a bajas presiones, pero, no obstante, se lleva a cabo a altas presiones (2,0 MPa, 20 atm o 600 inHg). Esto se debe a alta presi??n H ₂ es el producto m??s comercializable y Sistemas de purificaci??n de adsorci??n por cambio de presi??n (PSA) funcionan mejor a presiones m??s altas. La mezcla de productos se conoce como " gas de s??ntesis ", ya que a menudo se utiliza directamente para la producci??n de metanol y compuestos relacionados. Hidrocarburos distintos del metano se pueden utilizar para producir gas de s??ntesis con relaciones variables de productos. Una de las muchas complicaciones a esta tecnolog??a altamente optimizado es la formaci??n de coque o de carbono:

CH ₄ → C + 2 H ₂

En consecuencia, el reformado con vapor t??picamente emplea un exceso de H ₂ O. Hidr??geno adicional se puede recuperar a partir del vapor mediante el uso de mon??xido de carbono a trav??s de la reacci??n de desplazamiento del gas de agua, especialmente con una catalizador de ??xido de hierro. Esta reacci??n es tambi??n una fuente industrial com??n de di??xido de carbono :

CO + _H2O → CO ₂ + H ₂

Otros m??todos importantes para la producci??n de H ₂ incluyen la oxidaci??n parcial de hidrocarburos:

2 CH ₄ + O ₂ → 2 CO + 4 H ₂

y la reacci??n del carb??n, que puede servir como preludio a la reacci??n de desplazamiento arriba:

C H ₂ O + → CO + _H2

El hidr??geno es a veces produce y se consume en el mismo proceso industrial, sin separarse. En el Haber proceso para la producci??n de amon??aco, el hidr??geno se genera a partir de gas natural. electr??lisis de salmuera para producir cloro tambi??n produce hidr??geno como un coproducto.

Termoqu??mica

Hay m??s de 200 ciclos termoqu??micos que pueden ser utilizados para divisi??n de agua, alrededor de una docena de estos ciclos, como el ciclo de ??xido de hierro, ciclo (IV) ??xido de cerio (III) ??xido de cerio, ciclo de zinc-??xido de zinc, ciclo de azufre yodo, cobre-cloro ciclo y ciclo del azufre h??brido est??n bajo investigaci??n y en la prueba de fase para producir hidr??geno y ox??geno a partir de agua y calor sin el uso de electricidad. Varios laboratorios (incluso en Francia, Alemania, Grecia, Jap??n y EE.UU.) est??n desarrollando m??todos termoqu??micos para producir hidr??geno a partir de energ??a solar y el agua.

Corrosi??n anaerobia

En condiciones anaer??bicas, hierro y aleaciones de acero se oxidan lentamente por los protones de agua de forma concomitante reducido en hidr??geno molecular (H _2). La la corrosi??n anaerobia de hierro conduce primero a la formaci??n de hidr??xido ferroso (??xido verde) y se puede describir mediante la siguiente reacci??n:

Fe + 2 H ₂ O → Fe (OH) ₂ + H ₂

A su vez, en condiciones anaer??bicas, la hidr??xido ferroso (Fe (OH) ₂₎ puede ser oxidado por los protones de agua para formar magnetita y el hidr??geno molecular. Este proceso se describe por el Reacci??n Schikorr:

3 Fe (OH) ₃ O ₄ + 2 ₂ → Fe H ₂ O + H ₂

hidr??xido ferroso → magnetita + agua + hidr??geno

La magnetita bien cristalizado (Fe ₃ O ₄₎ es termodin??micamente m??s estable que el hidr??xido ferroso (Fe (OH) _2).

Este proceso ocurre durante la corrosi??n anaerobia de hierro y acero en libre de ox??geno las aguas subterr??neas y en la reducci??n de los suelos por debajo de la mesa de agua.

Ocurrencia geol??gica: la reacci??n serpentinizaci??n

En ausencia de ox??geno atmosf??rico (O _2), en condiciones geol??gicas profundas que prevalecen lejos de atm??sfera de la Tierra, el hidr??geno (H ₂₎ se produce durante el proceso de serpentinizaci??n por la oxidaci??n anaerobia de los protones del agua (H ⁺⁾ de la ferroso (Fe2 ⁺⁾ silicato presente en la red cristalina de la fayalita (Fe ₂ SiO _4, el olivino hierro endmember). La reacci??n correspondiente que conduce a la formaci??n de magnetita (Fe ₃ O _4), cuarzo (SiO ₂₎ e hidr??geno (H ₂₎ es la siguiente:

3 Fe ₂ SiO ₄ + 2 H ₂ O 2 → Fe ₃ O ₄ + 3 _SiO2 + 3 H ₂

fayalita + agua → magnetita + cuarzo + hidr??geno

Esta reacci??n se asemeja mucho a la Schikorr observ?? reacci??n en la oxidaci??n anaerobia de la hidr??xido ferroso en contacto con el agua.

Formaci??n en transformadores

De todos los gases formados en el poder de fallo transformadores, el hidr??geno es el m??s com??n y se genera bajo la mayor??a de condiciones de fallo; por lo tanto, la formaci??n de hidr??geno es una indicaci??n temprana de graves problemas en el ciclo de vida del transformador.

Aplicaciones

El consumo en los procesos

Se necesitan grandes cantidades de H ₂ en las industrias del petr??leo y qu??micos. La mayor aplicaci??n de H ₂ es para el tratamiento ("mejora") de los combustibles f??siles, y en la producci??n de amoniaco . Los consumidores principales de H ₂ en la planta petroqu??mica incluyen hidrodesalquilaci??n, hidrodesulfuraci??n, y hidrocraqueo. H ₂ tiene varios otros usos importantes. H ₂ se utiliza como un agente de hidrogenaci??n, en particular en aumentar el nivel de saturaci??n de grasas insaturadas y aceites (que se encuentra en art??culos tales como la margarina), y en la producci??n de metanol . Igualmente, es la fuente de hidr??geno en la fabricaci??n de ??cido clorh??drico . H ₂ tambi??n se utiliza como una agente del reductor met??lico minerales.

El hidr??geno es altamente soluble en muchos tierras raras y metales de transici??n y es soluble tanto en nanocristalino y metales amorfos. El hidr??geno solubilidad de los metales est?? influenciada por distorsiones locales o impurezas en el red cristalina.Estas propiedades pueden ser útiles cuando el hidrógeno se purifica por paso a través calientesde paladiodiscos, pero la alta solubilidad del gas es un problema metalúrgico, contribuyendo a lafragilización de muchos metales, lo que complica el diseño de tuberías y tanques de almacenamiento.

Aparte de su uso como un reactivo, H ₂ tiene amplias aplicaciones en la física y la ingeniería. Se utiliza como una gas de protección en soldadura métodos tales como la soldadura de hidrógeno atómico. H ₂ se utiliza como el refrigerante rotor en generadores eléctricos en estaciones de energía, debido a que tiene la más alta conductividad térmica de cualquier gas. H líquido ₂ se utiliza en la investigación criogénico, incluyendo la superconductividad estudios. Debido a que H ₂ es más ligero que el aire, que tiene un poco más que ¹ / ₁₅ de la densidad del aire, una vez que se usa ampliamente como un gas de elevación en globos y dirigibles .

En las aplicaciones más recientes, el hidrógeno se utiliza puro o mezclado con nitrógeno (a veces llamado gas de formación) como gas indicador para la detección de fugas minutos. Las aplicaciones se pueden encontrar en las industrias automotriz, química, generación de energía, aeroespacial y de telecomunicaciones. El hidrógeno es un aditivo alimentario autorizado (E 949), que permite realizar pruebas de fugas paquete de alimentos, entre otras propiedades anti-oxidantes.

Isótopos raros de hidrógeno también cada uno tiene aplicaciones específicas.El deuterio se utiliza (hidrógeno-2) enaplicaciones de fisión nuclear como unmoderador para ralentizarlos neutrones, y en reacciones de fusi??n nuclear.compuestos de deuterio tener aplicaciones en la química y la biología en los estudios de reacciónefectos isotópicos.tritio (hidrógeno-3 ), producido enreactores nucleares, se utiliza en la producción debombas de hidrógeno, como una etiqueta isotópica en las ciencias biológicas, y como unafuente de radiación en pinturas luminosas.

La la temperatura del punto triple del hidrógeno equilibrio es un punto fijo que define en laescala de temperatura ITS-90 a 13,8033grados Kelvin.

Refrigerante

El hidrógeno se utiliza comúnmente en las centrales eléctricas como refrigerante en los generadores debido a una serie de propiedades favorables que son un resultado directo de sus moléculas diatómicas de luz. Estos incluyen baja densidad , de baja viscosidad, y la más alta calor espec??fico y conductividad térmica de todos los gases.

Portador de energía

El hidrógeno no es una fuente de energía, excepto en el contexto hipotético de comerciales centrales de energía de fusión nuclear utilizando deuterio o tritio, una tecnología actualmente lejos de desarrollo. La energía del Sol proviene de la fusión nuclear del hidrógeno, pero este proceso es difícil de lograr de forma controlada en la Tierra. Hidrógeno elemental de fuentes solares, biológicas o eléctricas requieren más energía para hacer que se obtiene mediante la quema, por lo que en estos casos las funciones de hidrógeno como portador de energía, como una batería. El hidrógeno se puede obtener a partir de fuentes fósiles (tales como metano), pero estas fuentes son insostenibles.

La densidad de energía por unidad de volumen de ambos hidrógeno líquido y gas de hidrógeno comprimido a cualquier presión practicable es significativamente menor que la de las fuentes de combustible tradicionales, aunque la densidad de energía por unidad de combustible masa es mayor. Sin embargo, el hidrógeno elemental ha sido ampliamente discutido en el contexto de la energía, como un posible futuro portador de energía a escala de toda la economía. Por ejemplo, CO ₂ secuestro seguido de la captura y almacenamiento de carbono podría llevarse a cabo en el punto de H ₂ de producción a partir de combustibles fósiles. El hidrógeno utilizado en el transporte ardería relativamente limpia, con algunas NO _X emisiones, pero sin emisiones de carbono. Sin embargo, los costos de infraestructura asociados con la conversión completa a una economía del hidrógeno serían sustanciales.

Industria de semiconductores

El hidrógeno se emplea para saturar ("") colgando enlaces rotos de silicio amorfo y carbono amorfo que ayuda a la estabilización de las propiedades del material. Es también un potencial donante de electrones en varios materiales, incluyendo óxido de ZnO, SnO $ ₂ , CdO, MgO, ZrO $ ₂ , HfO $ ₂ , La ₂ O ₃ , Y ₂ O ₃ , TiO $ ₂ , SrTiO ₃ , Laalo ₃ , SiO ₂ , Al ₂ O ₃ , ZrSiO ₄ , HfSiO ₄ , y SrZrO ₃ .

Reacciones biológicas

H ₂ es un producto de algunos tipos de metabolismo anaeróbico y es producido por varios microorganismos, por lo general a través de reacciones catalizadas por hierro - o níquel -Con enzimas llamadas hidrogenasas. Estas enzimas catalizan la reversible reacción redox entre H ₂ y su componente de dos protones y dos electrones. Creación de gas hidrógeno se produce en la transferencia de equivalentes reductores producidos durante piruvato fermentación al agua.

División del agua, en la que el agua se descompone en sus protones de componentes, los electrones y oxígeno, se produce en las reacciones ligeras en todos fotosintéticos organismos. Algunos de estos organismos, incluyendo el alga Chlamydomonas reinhardtii y cianobacterias, han evolucionado un segundo paso en las oscuras reacciones en las que los protones y los electrones se reduce para formar H ₂ gas por hidrogenasas especializados en el cloroplasto. Se han realizado esfuerzos para modificar genéticamente hidrogenasas cianobacterias para sintetizar eficientemente H ₂ gas incluso en presencia de oxígeno. También se han emprendido esfuerzos con modificado genéticamente alga en un biorreactor.

Seguridad y precauciones

El hidrógeno plantea una serie de riesgos para la seguridad de las personas, de los posibles detonaciones y los incendios cuando se mezcla con el aire de ser un asfixiante en su puro oxígeno forma exento. Además, el hidrógeno líquido es un fluido criogénico y presenta peligros (tales como congelación) asociados con líquidos muy fríos. El hidrógeno se disuelve en muchos metales, y, además de escape, puede tener efectos adversos sobre ellos, tales como la fragilización por hidrógeno, dando lugar a grietas y explosiones. Fuga de gas de hidrógeno en el aire externo puede arder espontáneamente. Por otra parte, el fuego de hidrógeno, mientras que ser extremadamente caliente, es casi invisible, y por lo tanto puede conducir a quemaduras accidentales.

Incluso la interpretación de los datos de hidrógeno (incluidos los datos de seguridad) es confundida por una serie de fenómenos. Muchas de las propiedades físicas y químicas de hidrógeno dependen de la relación de parahidrógeno / orthohydrogen (se tarda a menudo días o semanas a una temperatura dada para alcanzar la relación de equilibrio, para el que se da generalmente los datos). Parámetros de detonación hidrógeno, tal como presión de detonación y la temperatura crítica, dependen fuertemente de la geometría del recipiente.