Hidrogén – definíció, tulajdonságok és előfordulás
Ismerd meg a hidrogént: a periódusos rendszer legkönnyebb elemét, tulajdonságait, izotópjait és földi valamint csillagászati előfordulását tömören és érthetően.
A hidrogén a H jelű kémiai elem, amelynek atomi száma 1. A Standard atomtömege 1,008, ami azt jelenti, hogy a legkönnyebb elem a periódusos rendszerben. A hidrogén a leggyakoribb kémiai elem az Univerzumban, a bariónikus tömeg körülbelül 75%-a hidrogén. A csillagok nagyrészt hidrogénből állnak. A hidrogén leggyakoribb izotópjának atommagjában egy proton található, amely körül egy elektron kering.
Normál hőmérsékleten és nyomáson a hidrogénnek nincs színe, szaga, íze, nem mérgező, nem fém és nagyon könnyen ég. Szabaddá válva kétatomos molekulákat alkot, azaz általában önmagához kötődik, és így H 2 formában fordul elő.
Általános tulajdonságok
A hidrogén gáz halmazállapotú standard körülmények között; moláris tömege kb. 2,016 g/mol (H2). Olvadáspontja körülbelül -259,16 °C, forráspontja pedig -252,87 °C. Sűrűsége gázként nagyon kicsi (kb. 0,0899 g/L 0 °C-on és 1 atm nyomáson), ezért könnyen felfelé száll a levegőben, és kisméretű molekulája miatt gyorsan diffundál. A H–H kötés kötési energiája nagy (kb. 436 kJ/mol), ezért a molekula stabil, ugyanakkor reakciókban könnyen szerepet vállal.
A hidrogén jellemzően redukálószer: sok szervetlen és szerves anyaggal reagál, hidrogénezési folyamatokban (például telítetlen kötéseket telít) vesz részt. Oxigénnel robbanásszerűen reagálva vizet képez (2 H2 + O2 → 2 H2O). Kémiai reakciókban fontos szerepet játszik savas közegben proton (H+) formájában.
Izotópok
A hidrogénnek több izotópja ismert. A leggyakoribb a protium (¹H), amelynek magja egyetlen protonból áll és egy elektron kering körülötte. A nehezebb stabil izotóp a deutérium (²H vagy D), amely magában egy proton és egy neutron található; deutériumból áll például a nehézvíz (D2O). A tritium (³H vagy T) egy radioaktív izotóp, amelyet nukleáris folyamatokban használnak és a természetben kis mennyiségben fordul elő.
Előfordulás a Földön és az Univerzumban
A hidrogén a világegyetem legelterjedtebb eleme: a csillagok és a csillagközi anyag nagy részét képezi. A Földön azonban a hidrogén túlnyomó többsége vegyületekben található meg (vízben, szerves vegyületekben, ásványokban), mivel a szabad H2 könnyen kiszökne a légkörből. Vízben és szénhidrogénekben megkötve rendkívül fontos az anyag- és energiafolyamatokban.
Előállítás és felhasználás
Iparilag leggyakrabban földgázból végzett gőzreformálással (steam methane reforming, SMR) állítják elő, de elterjedt a szén gázosítása és ipari mellékfolyamatokból való kivonása is. Az elektrolízis – különösen megújuló energiával működtetett elektrolízis – környezetbarát módja a hidrogén előállításának; ezt gyakran „zöld hidrogénnek” nevezik.
A hidrogént számos iparág használja: ammónia-előállítás (Haber–Bosch eljárás), kőolajfinomítás, metanolgyártás, zsírok és olajok hidrogénezése, valamint üzemanyagként üzemanyagcellákban. Folyékony hidrogént használnak rakétaüzemanyagként a világűrkutatásban, valamint potenciális hajtóanyagként a közlekedés zöldítése terén.
A hidrogént különböző módszerekkel lehet tárolni és szállítani: sűrítve palackokban, cseppfolyósítva nagyon alacsony hőmérsékleten, fémhidridekben megkötve, vagy kémiai hordozók (például ammónia, folyékony szerves hidrogénhordozók – LOHC) formájában.
Biztonság és környezet
A hidrogén nagy gyulladási tartománnyal rendelkezik, és alacsony gyújtási energiára gyullad, ezért szivárgás esetén különösen veszélyes. Színtelen és szagtalan volta miatt szivárgást nehéz észrevenni; ezért ipari alkalmazásoknál érzékelők, szellőzés és megfelelő biztonsági berendezések szükségesek. A hidrogén fémeket rideggé tehet (hidrogénridegülés), ami anyagválasztási és tervezési szempontból fontos.
Környezeti szempontból a hidrogén önmagában nem bocsát ki szén-dioxidot használat közben (pl. üzemanyagcellában vízzé ég), de előállításának CO2-kibocsátása nagyban függ az alkalmazott technológiától. A megújuló energiával előállított „zöld hidrogén” kulcsfontosságú lehet az energiaátmenetben és a szén-dioxid-kibocsátás csökkentésében.
Történeti érdekesség
A hidrogént először a 18. században vizsgálták részletesen: Henry Cavendish 1766-ban leírta a gázt, majd Antoine Lavoisier nevezte el „hidrogène” (vízképző) néven, mivel elégetve vizet kapott.
A hidrogén ezért egyszerre alapvető kémiai elem, stratégiai ipari nyersanyag és ígéretes tiszta energiahordozó, amely várhatóan fontos szerepet játszik a jövő energiarendszereiben.
Hidrogén a természetben
A Földön a hidrogén tiszta formában általában gáz. A hidrogén a vízmolekulák egyik alkotóeleme is. A hidrogén azért fontos, mert ez az üzemanyag hajtja a Napot és más csillagokat. A hidrogén az egész világegyetem mintegy 74%-át teszi ki. Az elemek periódusos rendszerében a hidrogén szimbóluma a H.
A tiszta hidrogén általában két, egymással összekapcsolt hidrogénatomból áll. A tudósok ezeket kétatomos molekuláknak nevezik. A hidrogén a legtöbb más elemmel keveredve kémiai reakcióba lép. Nincs színe vagy szaga.
A tiszta hidrogén nagyon ritka a Föld légkörében. A természetben általában vízben található. A hidrogén minden élőlényben is megtalálható, az élőlények szerves vegyületeinek részeként. Ezenkívül a hidrogénatomok szénatomokkal szénhidrogénekké egyesülhetnek. A kőolaj és más fosszilis tüzelőanyagok ezekből a szénhidrogénekből állnak, és általában az emberi felhasználásra szánt energia előállítására használják őket.
A hidrogénnek három izotópja van; a többit deutériumnak és tríciumnak nevezik. A hagyományos hidrogénhez hasonlóan mindkettőnek csak egy protonja és egy elektronja van, de a deutériumnak egy neutronja is van, a tríciumnak pedig kettő. Ezek a hidrogéntípusok fontosak az atomenergiában és a szerves kémiai reakciókban.
Néhány egyéb tény a hidrogénről:
- Szobahőmérsékleten gáz
- Szilárd állapotban úgy viselkedik, mint egy fém.
- Ez a világegyetem legkönnyebb eleme.
- Ez a leggyakoribb elem az Univerzumban.
- Ég vagy felrobban, ha lánggal érintkezik.
- lilán világít, amikor plazmaállapotban van.
A hidrogén története
A hidrogént először 1671-ben Robert Boyle választotta szét. Henry Cavendish 1776-ban külön elemként azonosította, és felfedezte, hogy elégetésével víz keletkezik.
Antoine Lavoisier adta a hidrogén nevét a görög víz szóból, a υδορ (ejtsd: /HEEW-dor/) és a gennen szóból, ami azt jelenti, hogy "létrehozni", mivel az oxigénnel való kémiai reakció során vizet képez.
A hidrogén felhasználása
Fő felhasználási területei a kőolajipar és az ammónia előállítása a Haber-eljárással. Egy részét a vegyiparban máshol is felhasználják. Egy kis részét üzemanyagként használják, például űrhajók rakétáiban. Az emberek által használt hidrogén nagy része a földgáz és a gőz kémiai reakciójából származik.
Nukleáris fúzió
A magfúzió nagyon erős energiaforrás. Az atomok összeolvadásából hélium és energia keletkezik, pontosan úgy, ahogyan az egy csillagban, például a Napban, vagy egy hidrogénbombában történik. Ehhez nagy mennyiségű energiára van szükség, hogy beinduljon, és egyelőre nem könnyű megvalósítani. Nagy előnye a mai atomerőművekben használt maghasadással szemben, hogy kevesebb nukleáris hulladék keletkezik, és nem használ olyan mérgező és ritka üzemanyagot, mint az urán. A Napon másodpercenként több mint 600 millió tonna hidrogén megy át fúziónak.
Hidrogén elégetése
A víz elektrolízise során a víz hidrogénre és oxigénre bomlik, elektromos áram felhasználásával. Az égő hidrogén oxigénmolekulákkal egyesülve gőzt (tiszta vízgőz) képez. Az üzemanyagcella a hidrogént oxigénmolekulával egyesíti, és egy elektront szabadít fel elektromosság formájában. Ezen okok miatt sokan úgy vélik, hogy a hidrogénenergia előbb-utóbb felváltja majd a többi szintetikus üzemanyagot.
A hidrogén üzemanyagként is felhasználható üzemanyagcellában, vagy elégethető gőzturbinák vagy belsőégésű motorok hőtermeléséhez. A hidrogén számos forrásból - például szénből, földgázból vagy villamos energiából - előállítható, és ezért értékes kiegészítője az elektromos hálózatnak; ugyanolyan szerepet tölt be, mint a földgáz. Ilyen hálózatot és infrastruktúrát üzemanyagcellás járművekkel jelenleg számos ország tervez, köztük Japán, Korea és számos európai ország. Ez lehetővé teszi, hogy ezek az országok kevesebb kőolajat vásároljanak, ami gazdasági előnyt jelent. A másik előny, hogy az üzemanyagcellában vagy belsőégésű motorban elégetve, mint a hidrogénautókban, a motor nem okoz szennyezést. Csak víz és kis mennyiségű nitrogén-oxidok keletkeznek.
Kérdések és válaszok
K: Mi a hidrogén szimbóluma?
V: A hidrogén szimbóluma a H.
K: Mi a hidrogén atomi száma?
V: A hidrogén atomszáma 1.
K: Mennyi a hidrogén standard atomtömege?
V: A hidrogén standard atomtömege 1,008, így a periódusos rendszer legkönnyebb eleme.
K: A hidrogén a normál anyag mekkora részét teszi ki (tömeg szerint)?
V: A hidrogén a normál (bariónikus) anyag 75%-át teszi ki (tömeg szerint).
K: A hidrogén gyakori kémiai elem az Univerzumban?
V: Igen, a hidrogén a leggyakoribb kémiai elem az Univerzumban.
K: Hány protonja és elektronja van a hidrogén leggyakoribb izotópjának?
V: A hidrogén leggyakoribb izotópjának egy protonja van, amely körül egy elektron kering.
K: A csillagok többnyire hidrogénből állnak?
V: Igen, a legtöbb csillag nagyrészt hidrogénből áll.
Keres