Hidrógeno. Propiedades físicas y químicas, preparación. Hidrógeno en la naturaleza (0,9% en la corteza terrestre)

El hidrógeno es una sustancia inorgánica, el primer y más ligero elemento de la tabla periódica. Se designa con la letra H (hidrogenio), traducida del griego como "dar a luz al agua".

Hay tres átomos de hidrógeno estables en la naturaleza:
. protio: la versión estándar de un átomo, que consta de un protón y un electrón;
. deuterio: consta de un protón, un neutrón y un electrón;
. El tritio tiene un protón y dos neutrones en el núcleo.

Hay bastante hidrógeno en la Tierra. Según el número de átomos, es aproximadamente el 17%. Sólo hay más oxígeno: alrededor del 52%. Y esto ocurre sólo en la corteza terrestre y la atmósfera; los científicos no saben cuánto se encuentra en el manto y el núcleo del planeta. En la Tierra, el hidrógeno se encuentra predominantemente en estado ligado. Forma parte del agua, de todas las células vivas, del gas natural, del petróleo, del carbón y de algunas rocas y minerales. En estado libre, se puede encontrar en gases volcánicos y en productos de descomposición orgánica.

Propiedades

El gas más ligero. No tiene color, sabor ni olor. Es poco soluble en agua, bueno, en etanol, en muchos metales, por ejemplo, en hierro, titanio, paladio, se pueden disolver 850 volúmenes de H2 en un volumen de paladio. No se disuelve en plata. Conduce el calor mejor que todos los gases. Cuando se enfría fuertemente, se transforma en un líquido incoloro, fluido y muy móvil, y luego en una sustancia sólida parecida a la nieve. Curiosamente, el elemento conserva su estado líquido en un rango de temperatura muy estrecho: de -252,76 a -259,2 °C. Se supone que el hidrógeno sólido a presiones gigantescas de cientos de miles de atmósferas adquirirá propiedades metálicas. A altas temperaturas, la sustancia penetra a través de los poros más pequeños de metales y aleaciones.

El hidrógeno es un elemento biogénico importante. Forma agua, que se encuentra en todos los tejidos vivos, aminoácidos y ácidos nucleicos, proteínas, lípidos, grasas y carbohidratos.

Desde el punto de vista de la química, el hidrógeno tiene una característica única: se clasifica inmediatamente en dos grupos de la tabla periódica: metales alcalinos y halógenos. Como metal alcalino, presenta fuertes propiedades reductoras. Reacciona con flúor en condiciones normales, con cloro (bajo la influencia de la luz y con otros no metales) solo cuando se calienta o en presencia de catalizadores. Reacciona con oxígeno, nitrógeno, azufre, carbono, halógenos, monóxido de carbono, etc. Forma compuestos tan importantes como amoniaco, sulfuro de hidrógeno, hidrocarburos, alcoholes, fluoruro de hidrógeno (ácido fluorhídrico) y cloruro de hidrógeno (ácido clorhídrico). Al interactuar con óxidos y haluros metálicos, los reduce a metales; esta propiedad se utiliza en metalurgia.

Como halógeno, el H2 exhibe propiedades oxidantes cuando interactúa con metales.

El Universo contiene un 88,6% de hidrógeno. En su mayor parte está contenido en estrellas y gas interestelar.

Debido a su ligereza, las moléculas de materia se mueven a velocidades enormes, comparables a la segunda velocidad cósmica. Gracias a esto, su conductividad térmica supera la conductividad térmica del aire en 7,3 veces. Desde las partes superiores de la atmósfera, las moléculas de H2 vuelan fácilmente al espacio. Así, nuestro planeta pierde 3 kg de hidrógeno cada segundo.

Precauciones de seguridad

El hidrógeno no es tóxico, pero es inflamable y explosivo. Una mezcla con aire (gas explosivo) explota fácilmente con la más mínima chispa. El propio hidrógeno arde. Esto debe tenerse en cuenta al obtenerlo para necesidades de laboratorio o al realizar experimentos en los que se libera hidrógeno.

Derramar hidrógeno líquido sobre la piel puede provocar congelación grave.

Solicitud

En la industria química, el H2 se utiliza para producir amoníaco, alcoholes, ácido clorhídrico, jabón, polímeros, combustibles artificiales y muchas sustancias orgánicas.
. En la industria de refinación de petróleo, para la producción de diversos derivados del petróleo y sus residuos (combustible diesel, aceites lubricantes, gasolina, gases licuados, etc.); para la purificación de productos petrolíferos, aceites lubricantes.
. En la industria alimentaria: en la producción de margarinas duras por hidrogenación a partir de aceites vegetales; Se utiliza como gas para envasar algunos productos (aditivo E949).
. En metalurgia en los procesos de producción de metales y aleaciones. Para corte y soldadura con hidrógeno atómico (la temperatura de la llama alcanza +4000 °C) y oxígeno-hidrógeno (hasta +2800 °C) de aceros y aleaciones resistentes al calor.
. En meteorología se llenan globos y globos con la sustancia.
. Como combustible para cohetes.
. Como refrigerante para grandes generadores eléctricos.
. En la industria del vidrio para fundir vidrio de cuarzo en una llama de alta temperatura.
. En cromatografía de gases; para llenar cámaras de burbujas (H2 líquido).
. Como refrigerante en bombas de vacío criogénicas.
. El deuterio y el tritio se utilizan en energía nuclear y aplicaciones militares.

El hidrógeno (H) es un elemento químico muy ligero, con un contenido del 0,9% en peso en la corteza terrestre y del 11,19% en el agua.

Características del hidrógeno

Es el primero entre los gases en ligereza. En condiciones normales es insípido, incoloro y absolutamente inodoro. Cuando entra en la termosfera, sale volando al espacio debido a su bajo peso.

En todo el universo es el elemento químico más numeroso (75% de la masa total de sustancias). Tanto es así que muchas estrellas del espacio exterior están formadas enteramente por él. Por ejemplo, el sol. Su componente principal es el hidrógeno. Y el calor y la luz son el resultado de la liberación de energía cuando los núcleos de un material se fusionan. También en el espacio hay nubes enteras de sus moléculas de distintos tamaños, densidades y temperaturas.

Propiedades físicas

Las altas temperaturas y presiones cambian significativamente sus cualidades, pero en condiciones normales:

Tiene una alta conductividad térmica en comparación con otros gases,

No tóxico y poco soluble en agua,

Con una densidad de 0,0899 g/l a 0°C y 1 atm.,

Se vuelve líquido a una temperatura de -252,8°C.

Se vuelve duro a -259,1°C.

Calor específico de combustión 120.9.106 J/kg.

Requiere alta presión y temperaturas muy bajas para convertirse en líquido o sólido. En estado licuado es fluido y ligero.

Propiedades químicas

Bajo presión y al enfriarse (-252,87 grados C), el hidrógeno adquiere un estado líquido, que es más ligero que cualquier análogo. Ocupa menos espacio que en forma gaseosa.

Es un no metal típico. En los laboratorios, se produce haciendo reaccionar metales (como el zinc o el hierro) con ácidos diluidos. En condiciones normales es inactivo y reacciona sólo con no metales activos. El hidrógeno puede separar el oxígeno de los óxidos y reducir los metales de los compuestos. Él y sus mezclas forman enlaces de hidrógeno con ciertos elementos.

El gas es muy soluble en etanol y en muchos metales, especialmente paladio. La plata no lo disuelve. El hidrógeno se puede oxidar durante la combustión en oxígeno o aire y al interactuar con halógenos.

Cuando se combina con el oxígeno, se forma agua. Si la temperatura es normal, la reacción avanza lentamente; si es superior a 550°C, explota (se convierte en gas detonante).

Encontrar hidrógeno en la naturaleza

Aunque hay mucho hidrógeno en nuestro planeta, no es fácil encontrarlo en su forma pura. Se puede encontrar un poco durante las erupciones volcánicas, durante la producción de petróleo y donde se descompone la materia orgánica.

Más de la mitad de la cantidad total está en la composición con agua. También forma parte de la estructura del petróleo, diversas arcillas, gases inflamables, animales y plantas (su presencia en cada célula viva es del 50% del número de átomos).

Ciclo del hidrógeno en la naturaleza.

Cada año, una cantidad colosal (miles de millones de toneladas) de residuos vegetales se descompone en los cuerpos de agua y en el suelo, y esta descomposición libera una enorme masa de hidrógeno a la atmósfera. También se libera durante cualquier fermentación provocada por bacterias, combustión y, junto con el oxígeno, participa en el ciclo del agua.

Aplicaciones de hidrógeno

El elemento es utilizado activamente por la humanidad en sus actividades, por lo que hemos aprendido a obtenerlo a escala industrial para:

Meteorología, producción química;

Producción de margarina;

Como combustible para cohetes (hidrógeno líquido);

Industria de energía eléctrica para enfriar generadores eléctricos;

Soldadura y corte de metales.

Se utiliza mucho hidrógeno en la producción de gasolina sintética (para mejorar la calidad del combustible de baja calidad), amoníaco, cloruro de hidrógeno, alcoholes y otros materiales. La energía nuclear utiliza activamente sus isótopos.

El medicamento "peróxido de hidrógeno" se usa ampliamente en la metalurgia, la industria electrónica, la producción de pulpa y papel, para blanquear telas de lino y algodón, para la producción de tintes para el cabello y cosméticos, polímeros y en medicina para el tratamiento de heridas.

La naturaleza "explosiva" de este gas puede convertirse en un arma letal: una bomba de hidrógeno. Su explosión va acompañada de la liberación de una gran cantidad de sustancias radiactivas y es destructiva para todos los seres vivos.

El contacto del hidrógeno líquido y la piel puede provocar congelación grave y dolorosa.

HIDRÓGENO
norte (lat. hidrogeno),
El elemento químico gaseoso más ligero es miembro del subgrupo IA de la tabla periódica de elementos, a veces se clasifica como subgrupo VIIA. En la atmósfera terrestre, el hidrógeno existe en estado libre sólo durante una fracción de minuto; su cantidad es de 1 a 2 partes por 1.500.000 partes de aire; Suele liberarse junto con otros gases durante las erupciones volcánicas, en los pozos petroleros y en lugares donde se descomponen grandes cantidades de materia orgánica. El hidrógeno se combina con el carbono y/o el oxígeno en materia orgánica como carbohidratos, hidrocarburos, grasas y proteínas animales. En la hidrosfera, el hidrógeno forma parte del agua, el compuesto más común en la Tierra. En rocas, suelos, suelos y otras partes de la corteza terrestre, el hidrógeno se combina con el oxígeno para formar agua y el ion hidróxido OH-. El hidrógeno constituye el 16% de todos los átomos de la corteza terrestre, pero sólo alrededor del 1% en masa, ya que es 16 veces más ligero que el oxígeno. La masa del Sol y de las estrellas está formada en un 70% por plasma de hidrógeno: es el elemento más común en el espacio. La concentración de hidrógeno en la atmósfera terrestre aumenta con la altitud debido a su baja densidad y su capacidad para ascender a grandes altitudes. Los meteoritos que se encuentran en la superficie de la Tierra contienen entre 6 y 10 átomos de hidrógeno por cada 100 átomos de silicio.
Información histórica. Otro médico y naturalista alemán Paracelso en el siglo XVI. estableció la inflamabilidad del hidrógeno. En 1700 N. Lemery descubrió que el gas liberado por la acción del ácido sulfúrico sobre el hierro explota en el aire. El hidrógeno como elemento fue identificado por G. Cavendish en 1766 y lo llamó "aire combustible", y en 1781 demostró que el agua es producto de su interacción con el oxígeno. El latín hidrogeno, que proviene de la combinación griega “dar a luz al agua”, fue asignado a este elemento por A. Lavoisier.
Características generales del hidrógeno. El hidrógeno es el primer elemento de la tabla periódica de elementos; su átomo consta de un protón y un electrón que giran a su alrededor
(ver también SISTEMA PERIÓDICO DE ELEMENTOS).
Uno de cada 5000 átomos de hidrógeno se distingue por la presencia de un neutrón en el núcleo, lo que aumenta la masa del núcleo de 1 a 2. Este isótopo de hidrógeno se llama deuterio 21H o 21D. Otro isótopo de hidrógeno más raro contiene dos neutrones en el núcleo y se llama tritio 31H o 31T. El tritio es radiactivo y se desintegra para liberar helio y electrones. Los núcleos de diferentes isótopos de hidrógeno difieren en el espín de sus protones. El hidrógeno se puede obtener a) por la acción de un metal activo sobre el agua, b) por la acción de ácidos sobre ciertos metales, c) por la acción de bases sobre el silicio y algunos metales anfóteros, d) por la acción de vapor sobrecalentado sobre carbón y metano, así como sobre hierro, e) por descomposición electrolítica del agua y descomposición térmica de hidrocarburos. La actividad química del hidrógeno está determinada por su capacidad para donar un electrón a otro átomo o compartirlo casi por igual con otros elementos al formar un enlace químico, o para unir un electrón de otro elemento en un compuesto químico llamado hidruro. El hidrógeno producido por la industria se utiliza en grandes cantidades para la síntesis de amoníaco, ácido nítrico e hidruros metálicos. La industria alimentaria utiliza hidrógeno para hidrogenar (hidrogenar) aceites vegetales líquidos en grasas sólidas (como la margarina). Durante la hidrogenación, los aceites orgánicos saturados que contienen dobles enlaces entre átomos de carbono se convierten en aceites saturados que tienen enlaces simples carbono-carbono. El hidrógeno líquido de alta pureza (99,9998%) se utiliza en cohetes espaciales como combustible altamente eficiente.
Propiedades físicas. El hidrógeno requiere temperaturas muy bajas y alta presión para licuarse y solidificarse (ver tabla de propiedades). En condiciones normales, el hidrógeno es un gas incoloro, inodoro e insípido, muy ligero: 1 litro de hidrógeno a 0° C y presión atmosférica tiene una masa de 0,08987 g (cf. la densidad del aire y del helio 1,2929 y 0,1785 g/l, respectivamente (por lo tanto, un globo lleno de helio y que tenga la misma sustentación que un globo lleno de hidrógeno debería tener un 8% más de volumen). La tabla muestra algunas propiedades físicas y termodinámicas del hidrógeno. PROPIEDADES DEL HIDRÓGENO ORDINARIO
(a 273,16 K, o 0 ° C)
Número atómico 1 Masa atómica 11H 1,00797 Densidad, g/l

a presión normal 0,08987 a 2,5*10 5 atm 0,66 a 2,7*10 18 atm 1,12*10 7

Radio covalente, 0,74 Punto de fusión, °C -259,14 Punto de ebullición, °C -252,5 Temperatura crítica, °C -239,92 (33,24 K) Presión crítica, atm 12,8 (12,80 K) Capacidad calorífica, J/(molK) 28,8 (H2) Solubilidad

en agua, volumen/100 volúmenes de H2O (en condiciones estándar) 2,148 en benceno, ml/g (35,2° C, 150,2 atm) 11,77 en amoniaco, ml/g (25° C) a 50 atm 4,47 a 1000 atm 79,25

Estados de oxidación -1, +1
La estructura del átomo. Un átomo de hidrógeno ordinario (protio) consta de dos partículas fundamentales (protón y electrón) y tiene una masa atómica de 1. Debido a la enorme velocidad del electrón (2,25 km/s o 7*1015 rpm) y su onda corpuscular dualista En la naturaleza, es imposible determinar con precisión la coordenada (posición) del electrón en un momento dado, pero existen algunas áreas de alta probabilidad de encontrar el electrón y determinan el tamaño del átomo. La mayoría de las propiedades químicas y físicas del hidrógeno, especialmente aquellas relacionadas con la excitación (absorción de energía), se predicen matemáticamente con precisión (ver ESPECTROSCOPIA). El hidrógeno es similar a los metales alcalinos en que todos estos elementos son capaces de donar un electrón a un átomo aceptor para formar un enlace químico, que puede variar desde parcialmente iónico (compartir un electrón) hasta covalente (compartir un par de electrones). Con un fuerte aceptor de electrones, el hidrógeno forma un ion H+ positivo, es decir, protón. Puede haber 2 electrones en la órbita electrónica de un átomo de hidrógeno, por lo que el hidrógeno también es capaz de aceptar un electrón, formando un ion negativo H-, un ion hidruro, y esto hace que el hidrógeno sea similar a los halógenos, que se caracterizan por aceptar un electrón. para formar un ion haluro negativo como Cl-. El dualismo del hidrógeno se refleja en el hecho de que en la tabla periódica de elementos se ubica en el subgrupo IA (metales alcalinos) y, a veces, en el subgrupo VIIA (halógenos) (ver también QUÍMICA).
Propiedades químicas. Las propiedades químicas del hidrógeno están determinadas por su único electrón. La cantidad de energía necesaria para eliminar este electrón es mayor que la que puede proporcionar cualquier agente oxidante químico conocido. Por tanto, el enlace químico del hidrógeno con otros átomos es más cercano al covalente que al iónico. Un enlace puramente covalente se produce cuando se forma una molécula de hidrógeno: H + H H2
Cuando se forma un mol (es decir, 2 g) de H2, se liberan 434 kJ. Incluso a 3.000 K, el grado de disociación del hidrógeno es muy pequeño e igual al 9,03%, a 5.000 K alcanza el 94%, y sólo a 10.000 K la disociación se completa. Cuando se forman dos moles (36 g) de agua a partir de hidrógeno atómico y oxígeno (4H + O2 -> 2H2O), se liberan más de 1250 kJ y la temperatura alcanza los 3000-4000 ° C, mientras que durante la combustión del hidrógeno molecular (2H2 + O2 -> 2H2O) solo 285,8 kJ y la temperatura de la llama alcanza solo 2500 ° C. A temperatura ambiente, el hidrógeno es menos reactivo. Para iniciar la mayoría de las reacciones, se debe romper o debilitar un enlace H-H fuerte, con lo que se gasta mucha energía. La velocidad de las reacciones del hidrógeno aumenta con el uso de un catalizador (metales del grupo del platino, óxidos de metales de transición o pesados) y métodos de excitación de la molécula (luz, descarga eléctrica, arco eléctrico, altas temperaturas). En tales condiciones, el hidrógeno reacciona con casi cualquier elemento excepto con los gases nobles. Los elementos reactivos alcalinos y alcalinotérreos (como el litio y el calcio) reaccionan con el hidrógeno, donando electrones y formando compuestos llamados hidruros de sal (2Li + H2 -> 2LiH; Ca + H2 -> CaH2).
En general, los hidruros son compuestos que contienen hidrógeno. La amplia variedad de propiedades de estos compuestos (dependiendo del átomo unido al hidrógeno) se explica por la capacidad del hidrógeno de exhibir una carga de -1 a casi +1. Esto se manifiesta claramente en la similitud entre LiH y CaH2 y sales como NaCl y CaCl2. En los hidruros, se considera que el hidrógeno tiene carga negativa (H-); dicho ion es un agente reductor en un medio acuoso ácido: 2H- H2 + 2e- + 2,25B. El ion H- es capaz de reducir el protón del agua H+ a gas hidrógeno: H- + H2O (r) H2 + OH-.
Los compuestos de hidrógeno con boro (borohidruros) representan una clase inusual de sustancias llamadas boranos. Su representante más simple es el BH3, que existe sólo en la forma estable del diborano B2H6. Los compuestos con una gran cantidad de átomos de boro se preparan de diferentes formas. Se conocen, por ejemplo, el tetraborano B4H10, el pentaborano estable B5H9 y el pentaborano inestable B5H11, el hexaborano B6H10 y el decaborano B10H14. El diborano se puede obtener a partir de H2 y BCl3 a través del compuesto intermedio B2H5Cl, que a 0 °C se desproporciona con respecto a B2H6, así como mediante la reacción de LiH o hidruro de litio y aluminio LiAlH4 con BCl3. En el hidruro de litio y aluminio (un compuesto complejo, un hidruro de sal), cuatro átomos de hidrógeno forman enlaces covalentes con Al, pero hay un enlace iónico entre Li+ y []-. Otro ejemplo de ion que contiene hidrógeno es el ion borohidruro BH4-. A continuación se muestra una clasificación aproximada de los hidruros según sus propiedades según la posición de los elementos en la tabla periódica de elementos. Los hidruros de metales de transición se denominan metálicos o intermedios y, a menudo, no forman compuestos estequiométricos, es decir. la proporción de átomos de hidrógeno a metal no se expresa como un número entero, por ejemplo, hidruro de vanadio VH0,6 e hidruro de torio ThH3,1. Los metales del grupo del platino (Ru, Rh, Pd, Os, Ir y Pt) absorben activamente hidrógeno y sirven como catalizadores eficaces para reacciones de hidrogenación (por ejemplo, hidrogenación de aceites líquidos para formar grasas, conversión de nitrógeno en amoníaco, síntesis de metanol CH3OH a partir de CO). Los hidruros de Be, Mg, Al y los subgrupos Cu, Zn, Ga son polares y térmicamente inestables.

Los no metales forman hidruros volátiles de fórmula general MHx (x es un número entero) con un punto de ebullición relativamente bajo y una presión de vapor alta. Estos hidruros se diferencian significativamente de los hidruros salinos, en los que el hidrógeno tiene una carga más negativa. En los hidruros volátiles (por ejemplo, los hidrocarburos), predomina el enlace covalente entre los no metales y el hidrógeno. A medida que aumenta el carácter no metálico, se forman compuestos con enlaces parcialmente iónicos, por ejemplo H+Cl-, (H2)2+O2-, N3-(H3)3+. A continuación se dan algunos ejemplos de la formación de varios hidruros (el calor de formación de los hidruros se indica entre paréntesis):

Isomería e isótopos del hidrógeno. Los átomos de los isótopos de hidrógeno no son iguales. El hidrógeno ordinario, el protio, es siempre un protón alrededor del cual gira un electrón, ubicado a una gran distancia del protón (en relación con el tamaño del protón). Ambas partículas tienen espín, por lo que los átomos de hidrógeno pueden diferir en el espín del electrón, el espín del protón o ambos. Los átomos de hidrógeno que difieren en el espín del protón o del electrón se llaman isómeros. La combinación de dos átomos con espines paralelos da como resultado la formación de una molécula de “ortohidrógeno”, y aquellos con espines opuestos de protones dan como resultado una molécula de “parahidrógeno”. Químicamente, ambas moléculas son idénticas. El ortohidrógeno tiene un momento magnético muy débil. A temperatura ambiente o elevada, ambos isómeros, ortohidrógeno y parahidrógeno, suelen estar en equilibrio en una proporción de 3:1. Cuando se enfría a 20 K (-253° C), el contenido de parahidrógeno aumenta al 99%, ya que es más estable. Cuando se licua mediante métodos de purificación industrial, la ortoforma se transforma en paraforma con la liberación de calor, lo que provoca la pérdida de hidrógeno por evaporación. La tasa de conversión de ortoformo a paraform aumenta en presencia de un catalizador, como carbón, óxido de níquel, óxido de cromo soportado sobre alúmina. El protio es un elemento inusual porque no tiene neutrones en su núcleo. Si aparece un neutrón en el núcleo, ese hidrógeno se llama deuterio 21D. Los elementos que tienen la misma cantidad de protones y electrones y diferente cantidad de neutrones se llaman isótopos. El hidrógeno natural contiene una pequeña proporción de HD y D2. De manera similar, el agua natural contiene bajas concentraciones (menos del 0,1%) de DOH y D2O. El agua pesada D2O, que tiene una masa mayor que la del H2O, difiere en propiedades físicas y químicas, por ejemplo, la densidad del agua ordinaria es de 0,9982 g/ml (20° C) y la del agua pesada es de 1,105 g/ml. , el punto de fusión del agua ordinaria es 0, 0 ° C y el del agua pesada es 3,82 ° C, el punto de ebullición es 100 ° C y 101,42 ° C, respectivamente. Las reacciones que involucran D2O se desarrollan a menor velocidad (por ejemplo, la electrólisis del agua natural). que contiene una mezcla de D2O con la adición de NaOH alcalino). La velocidad de descomposición electrolítica del óxido de protio H2O es mayor que la del D2O (teniendo en cuenta el aumento constante en la proporción de D2O sometido a electrólisis). Debido a las propiedades similares del protio y el deuterio, es posible sustituir el protio por deuterio. Este tipo de conexiones se denominan etiquetas. Mezclando compuestos de deuterio con sustancias ordinarias que contienen hidrógeno, es posible estudiar las vías, la naturaleza y el mecanismo de muchas reacciones. Este método se utiliza para estudiar reacciones biológicas y bioquímicas, como los procesos de digestión. Un tercer isótopo de hidrógeno, el tritio (31T), se encuentra naturalmente en pequeñas cantidades. A diferencia del deuterio estable, el tritio es radiactivo y tiene una vida media de 12,26 años. El tritio se descompone en helio (32He) liberando una partícula b (electrón). El tritio y las tritidas metálicas se utilizan para producir energía nuclear; por ejemplo, en una bomba de hidrógeno se produce la siguiente reacción de fusión termonuclear: 21H + 31H -> 42He + 10n + 17,6 MeV
Producción de hidrógeno. A menudo, el uso posterior del hidrógeno está determinado por la naturaleza de la producción misma. En algunos casos, por ejemplo en la síntesis de amoníaco, pequeñas cantidades de nitrógeno en el hidrógeno de partida, por supuesto, no son una impureza dañina. Una mezcla de monóxido de carbono (II) tampoco será un problema si se utiliza hidrógeno como agente reductor. 1. La mayor producción de hidrógeno se basa en la conversión catalítica de hidrocarburos con vapor según el esquema CnH2n + 2 + nH2O (r) nCO + (2n + 1)H2 y CnH2n + 2 + 2nH2O (r) nCO2 + (3n + 1)H2. La temperatura del proceso depende de la composición del catalizador. Se sabe que la temperatura de reacción con propano se puede reducir a 370 °C utilizando bauxita como catalizador. Hasta el 95% del CO producido en este caso se consume en una reacción adicional con vapor de agua: H2O + CO -> CO2 + H2
2. El método del gas agua representa una parte importante de la producción total de hidrógeno. La esencia del método es la reacción del vapor de agua con el coque para formar una mezcla de CO y H2. La reacción es endotérmica (DH° = 121,8 kJ/mol) y se lleva a cabo a 1.000 ºC. El coque calentado se trata con vapor; La mezcla de gases purificados liberada contiene algo de hidrógeno, un gran porcentaje de CO y una pequeña mezcla de CO2. Para aumentar el rendimiento de H2, el monóxido de CO se elimina mediante un tratamiento adicional con vapor a 370°C, lo que produce más CO2. El dióxido de carbono es bastante fácil de eliminar haciendo pasar la mezcla de gases a través de un depurador rociado con agua a contracorriente. 3. Electrólisis. En el proceso electrolítico, el hidrógeno es en realidad un subproducto de la producción del principal producto, el cloro álcali (NaOH). La electrólisis se realiza en un ambiente acuoso ligeramente alcalino a 80° C y un voltaje de aproximadamente 2 V, utilizando un cátodo de hierro y un ánodo de níquel:

4. Método hierro-vapor, en el que se pasa vapor a 500-1000 ° C sobre hierro: 3Fe + 4H2O Fe3O4 + 4H2 + 160,67 kJ. El hidrógeno producido mediante este método se utiliza habitualmente para hidrogenar grasas y aceites. La composición del óxido de hierro depende de la temperatura del proceso; en nC + (n + 1)H2
6. El siguiente volumen de producción más grande es el método de vapor de metanol: CH3OH + H2O -> 3H2 + CO2. La reacción es endotérmica y se lleva a cabo a HIDRÓGENO 260°C en reactores de acero convencionales a presiones de hasta 20 atm. 7. Descomposición catalítica del amoniaco: 2NH3 -> La reacción es reversible. Cuando las necesidades de hidrógeno son pequeñas, este proceso no resulta económico. También existen diversos métodos para producir hidrógeno que, aunque no tienen gran importancia industrial, en algunos casos pueden ser los más ventajosos económicamente. El hidrógeno muy puro se obtiene mediante hidrólisis de hidruros de metales alcalinos purificados; en este caso, se forma mucho hidrógeno a partir de una pequeña cantidad de hidruro: LiH + H2O -> LiOH + H2
(Este método es conveniente cuando se utiliza directamente el hidrógeno resultante). Cuando los ácidos interactúan con metales activos, también se libera hidrógeno, pero generalmente está contaminado con vapor ácido u otro producto gaseoso, por ejemplo, fosfina PH3, sulfuro de hidrógeno H2S, arsina AsH3. . Los metales más activos, al reaccionar con el agua, desplazan el hidrógeno y forman una solución alcalina: 2H2O + 2Na -> H2 + 2NaOH Un método de laboratorio común para obtener H2 en el aparato Kipp es hacer reaccionar zinc con ácido clorhídrico o sulfúrico:
Zn + 2HCl -> ZnCl2 + H2. Los hidruros de metales alcalinotérreos (por ejemplo, CaH2), los hidruros de sales complejas (por ejemplo, LiAlH4 o NaBH4) y algunos borohidruros (por ejemplo, B2H6) liberan hidrógeno al reaccionar con agua o durante la disociación térmica. El lignito y el vapor a altas temperaturas también reaccionan para liberar hidrógeno.
Purificación de hidrógeno. El grado de pureza requerido del hidrógeno está determinado por su campo de aplicación. Las impurezas de dióxido de carbono se eliminan mediante congelación o licuefacción (por ejemplo, haciendo pasar la mezcla gaseosa a través de nitrógeno líquido). La misma impureza se puede eliminar completamente burbujeando agua. El CO se puede eliminar mediante conversión catalítica a CH4 o CO2 o mediante licuefacción mediante tratamiento con nitrógeno líquido. Las impurezas de oxígeno que se forman durante el proceso de electrólisis se eliminan en forma de agua tras una descarga de chispa.
Aplicación de hidrógeno. El hidrógeno se utiliza principalmente en la industria química para la producción de cloruro de hidrógeno, amoníaco, metanol y otros compuestos orgánicos. Se utiliza en la hidrogenación de aceites, así como de carbón y petróleo (para convertir combustibles de baja calidad en combustibles de alta calidad). En metalurgia, algunos metales no ferrosos se reducen de sus óxidos utilizando hidrógeno. El hidrógeno se utiliza para enfriar potentes generadores eléctricos. Los isótopos de hidrógeno se utilizan en la energía nuclear. La llama de hidrógeno-oxígeno se utiliza para cortar y soldar metales.
LITERATURA
Nekrasov B.V. Fundamentos de química general. M., 1973 Hidrógeno líquido. M., 1980 Hidrógeno en metales. M., 1981

Enciclopedia de Collier. - Sociedad Abierta. 2000 .

Sinónimos:

Vea qué es "HIDRÓGENO" en otros diccionarios:

Tabla de nucleidos Información general Nombre, símbolo Hidrógeno 4, 4H Neutrones 3 Protones 1 Propiedades del nucleido Masa atómica 4.027810(110) ... Wikipedia

Tabla de nucleidos Información general Nombre, símbolo Hidrógeno 5, 5H Neutrones 4 Protones 1 Propiedades del nucleido Masa atómica 5.035310(110) ... Wikipedia

Tabla de nucleidos Información general Nombre, símbolo Hidrógeno 6, 6H Neutrones 5 Protones 1 Propiedades del nucleido Masa atómica 6.044940(280) ... Wikipedia

Tabla de nucleidos Información general Nombre, símbolo Hidrógeno 7, 7H Neutrones 6 Protones 1 Propiedades del nucleido Masa atómica 7.052750 (1080) ... Wikipedia

Líquido

Hidrógeno(lat. hidrogenio; indicado por el símbolo h) es el primer elemento de la tabla periódica de elementos. Ampliamente distribuido en la naturaleza. El catión (y núcleo) del isótopo más común del hidrógeno, 1 H, es el protón. Las propiedades del núcleo 1 H permiten utilizar ampliamente la espectroscopia de RMN en el análisis de sustancias orgánicas.

Tres isótopos de hidrógeno tienen sus propios nombres: 1 H - protio (H), 2 H - deuterio (D) y 3 H - tritio (radiactivo) (T).

La sustancia simple hidrógeno, H 2, es un gas ligero e incoloro. Cuando se mezcla con aire u oxígeno, es inflamable y explosivo. No tóxico. Soluble en etanol y en varios metales: hierro, níquel, paladio, platino.

Historia

La liberación de gases inflamables durante la interacción de ácidos y metales se observó en los siglos XVI y XVII en los albores de la formación de la química como ciencia. Mikhail Vasilyevich Lomonosov también señaló directamente su aislamiento, pero ya era definitivamente consciente de que no se trataba de flogisto. El físico y químico inglés Henry Cavendish examinó este gas en 1766 y lo llamó “aire combustible”. Cuando se quemaba, el "aire combustible" producía agua, pero la adhesión de Cavendish a la teoría del flogisto le impidió sacar las conclusiones correctas. El químico francés Antoine Lavoisier, junto con el ingeniero J. Meunier, utilizando gasómetros especiales, llevaron a cabo en 1783 la síntesis de agua y luego su análisis, descomponiendo el vapor de agua con hierro caliente. Así, estableció que el “aire combustible” forma parte del agua y se puede obtener de ella.

Origen del nombre

Lavoisier le dio al hidrógeno el nombre de hidrogène: "dar a luz al agua". El nombre ruso "hidrógeno" fue propuesto por el químico M. F. Solovyov en 1824, por analogía con el "oxígeno" de Slomonosov.

Predominio

El hidrógeno es el elemento más abundante en el Universo. Representa aproximadamente el 92% de todos los átomos (el 8% son átomos de helio, la proporción de todos los demás elementos combinados es inferior al 0,1%). Por tanto, el hidrógeno es el principal constituyente de las estrellas y del gas interestelar. En condiciones de temperaturas estelares (por ejemplo, la temperatura de la superficie del Sol es ~ 6000 °C), el hidrógeno existe en forma de plasma en el espacio interestelar, este elemento existe en forma de moléculas, átomos e iones individuales y puede formarse; Nubes moleculares que varían significativamente en tamaño, densidad y temperatura.

La corteza terrestre y los organismos vivos.

La fracción masiva de hidrógeno en la corteza terrestre es del 1%: es el décimo elemento más abundante. Sin embargo, su papel en la naturaleza no está determinado por la masa, sino por el número de átomos, cuya proporción entre otros elementos es del 17% (el segundo lugar después del oxígeno, cuya proporción de átomos es ~ 52%). Por tanto, la importancia del hidrógeno en los procesos químicos que tienen lugar en la Tierra es casi tan grande como la del oxígeno. A diferencia del oxígeno, que existe en la Tierra tanto en estado ligado como libre, casi todo el hidrógeno en la Tierra se encuentra en forma de compuestos; La atmósfera contiene sólo una cantidad muy pequeña de hidrógeno en forma de sustancia simple (0,00005% en volumen).

El hidrógeno forma parte de casi todas las sustancias orgánicas y está presente en todas las células vivas. En las células vivas, el hidrógeno representa casi el 50% del número de átomos.

Recibo

Los métodos industriales para producir sustancias simples dependen de la forma en que se encuentre el elemento correspondiente en la naturaleza, es decir, cuál puede ser la materia prima para su producción. Por tanto, el oxígeno, que está disponible en estado libre, se obtiene físicamente, mediante separación del aire líquido. Casi todo el hidrógeno se encuentra en forma de compuestos, por lo que se utilizan métodos químicos para obtenerlo. En particular, se pueden utilizar reacciones de descomposición. Una forma de producir hidrógeno es mediante la descomposición del agua mediante corriente eléctrica.

El principal método industrial para producir hidrógeno es la reacción del metano, que forma parte del gas natural, con agua. Se realiza a alta temperatura (es fácil comprobar que al pasar metano incluso a través de agua hirviendo no se produce ninguna reacción):

CH4 + 2H2O = CO2 + 4H2 −165 kJ

En el laboratorio, para obtener sustancias simples, no necesariamente se utilizan materias primas naturales, sino que se eligen aquellas materias primas a partir de las cuales es más fácil aislar la sustancia requerida. Por ejemplo, en el laboratorio el oxígeno no se obtiene del aire. Lo mismo se aplica a la producción de hidrógeno. Uno de los métodos de laboratorio para producir hidrógeno, que a veces se utiliza en la industria, es la descomposición del agua mediante corriente eléctrica.

Normalmente, el hidrógeno se produce en el laboratorio haciendo reaccionar zinc con ácido clorhídrico.

en la industria

1.Electrólisis de soluciones salinas acuosas:

2NaCl + 2H 2 O → H 2 + 2NaOH + Cl 2

2.Pasar vapor de agua sobre coque caliente a una temperatura de aproximadamente 1000 °C:

¿H2O+C? H2+CO

3. De gas natural.

Conversión de vapor:

CH4 + H2O? CO + 3H 2 (1000 °C)

Oxidación catalítica con oxígeno:

2CH4 + O2 ? 2CO + 4H2

4. Craqueo y reformado de hidrocarburos durante el refinado de petróleo.

en el laboratorio

1.El efecto de los ácidos diluidos sobre los metales. Para llevar a cabo esta reacción, se utilizan con mayor frecuencia zinc y ácido clorhídrico diluido:

Zn + 2HCl → ZnCl 2 + H 2

2.Interacción del calcio con el agua:

Ca + 2H 2 O → Ca (OH) 2 + H 2

3.Hidrólisis de hidruros:

NaH + H2O → NaOH + H2

4.El efecto de los álcalis sobre el zinc o el aluminio:

2Al + 2NaOH + 6H2O → 2Na + 3H2

Zn + 2KOH + 2H 2 O → K 2 + H 2

5.Usando electrólisis. Durante la electrólisis de soluciones acuosas de álcalis o ácidos, se libera hidrógeno en el cátodo, por ejemplo:

2H 3 O + + 2e − → H 2 + 2H 2 O

Propiedades físicas

El hidrógeno puede existir en dos formas (modificaciones): en forma de orto y parahidrógeno. En una molécula de ortohidrógeno oh-H 2 (pf −259,10 °C, pb −252,56 °C) los espines nucleares están dirigidos de manera idéntica (paralelos), y para el parahidrógeno pag-H 2 (punto de fusión −259,32 °C, punto de ebullición −252,89 °C) - opuestos entre sí (antiparalelos). Mezcla de equilibrio oh-H 2 y pag-H 2 a una temperatura dada se llama hidrógeno de equilibrio mi-H2.

Las modificaciones de hidrógeno se pueden separar mediante adsorción sobre carbón activo a la temperatura del nitrógeno líquido. A temperaturas muy bajas, el equilibrio entre ortohidrógeno y parahidrógeno se desplaza casi por completo hacia este último. A 80 K la proporción de formas es aproximadamente 1:1. Cuando se calienta, el parahidrógeno desorbido se convierte en ortohidrógeno hasta que se forma una mezcla que está en equilibrio a temperatura ambiente (orto-para: 75:25). Sin un catalizador, la transformación se produce lentamente (en las condiciones del medio interestelar, con tiempos característicos hasta cosmológicos), lo que permite estudiar las propiedades de las modificaciones individuales.

El hidrógeno es el gas más ligero, es 14,5 veces más ligero que el aire. Evidentemente, cuanto menor sea la masa de las moléculas, mayor será su velocidad a la misma temperatura. Al ser las moléculas más ligeras, las moléculas de hidrógeno se mueven más rápido que las moléculas de cualquier otro gas y, por tanto, pueden transferir calor más rápidamente de un cuerpo a otro. De ello se deduce que el hidrógeno tiene la mayor conductividad térmica entre las sustancias gaseosas. Su conductividad térmica es aproximadamente siete veces mayor que la conductividad térmica del aire.

La molécula de hidrógeno es diatómica: H2. En condiciones normales es un gas incoloro, inodoro e insípido. Densidad 0,08987 g/l (nº), punto de ebullición −252,76 °C, calor específico de combustión 120,9×10 6 J/kg, ligeramente soluble en agua - 18,8 ml/l. El hidrógeno es muy soluble en muchos metales (Ni, Pt, Pd, etc.), especialmente en paladio (850 volúmenes por 1 volumen de Pd). La solubilidad del hidrógeno en los metales está relacionada con su capacidad para difundirse a través de ellos; La difusión a través de una aleación de carbono (por ejemplo, acero) a veces va acompañada de la destrucción de la aleación debido a la interacción del hidrógeno con el carbono (la llamada descarbonización). Prácticamente insoluble en plata.

Hidrógeno líquido existe en un rango de temperatura muy estrecho de -252,76 a -259,2 °C. Es un líquido incoloro, muy ligero (densidad a −253 °C 0,0708 g/cm3) y fluido (viscosidad a −253 °C 13,8 spuaz). Los parámetros críticos del hidrógeno son muy bajos: temperatura −240,2 °C y presión 12,8 atm. Esto explica las dificultades para licuar el hidrógeno. En estado líquido, el hidrógeno en equilibrio se compone de 99,79% para-H2 y 0,21% de orto-H2.

Hidrógeno sólido, punto de fusión −259,2 °C, densidad 0,0807 g/cm 3 (a −262 °C) - masa similar a la nieve, cristales hexagonales, grupo espacial P6/mmc, parámetros de la celda a=3,75 do=6,12. A alta presión, el hidrógeno se transforma en un estado metálico.

Isótopos

El hidrógeno se presenta en forma de tres isótopos, que tienen nombres individuales: 1 H - protio (H), 2 H - deuterio (D), 3 H - tritio (radiactivo) (T).

El protio y el deuterio son isótopos estables con números másicos 1 y 2. Su contenido en la naturaleza es 99,9885 ± 0,0070% y 0,0115 ± 0,0070%, respectivamente. Esta relación puede variar ligeramente según la fuente y el método de producción de hidrógeno.

El isótopo de hidrógeno 3H (tritio) es inestable. Su vida media es de 12,32 años. El tritio se produce naturalmente en cantidades muy pequeñas.

La literatura también proporciona datos sobre isótopos de hidrógeno con números de masa de 4 - 7 y vidas medias de 10 -22 - 10 -23 s.

El hidrógeno natural está formado por moléculas de H 2 y HD (hidrógeno deuterio) en una proporción de 3200:1. El contenido de deuterio puro, hidrógeno D 2 es aún menor. La relación de las concentraciones de HD y D2 es de aproximadamente 6400:1.

De todos los isótopos de elementos químicos, las propiedades físicas y químicas de los isótopos de hidrógeno son las que más difieren entre sí. Esto se debe al mayor cambio relativo en las masas atómicas.

	Temperatura fusión, k	Temperatura hirviendo, k	Triple punto, K/kPa	Crítico punto, K/kPa	Densidad líquido/gas, kg/m³

El deuterio y el tritio también tienen modificaciones orto y para: pag-D2, oh-D2, pag-T 2, oh-T2. El heteroisótopo del hidrógeno (HD, HT, DT) no tiene modificaciones orto ni para.

Propiedades químicas

Fracción de moléculas de hidrógeno disociadas.

Las moléculas de hidrógeno H2 son bastante fuertes y para que el hidrógeno reaccione se debe gastar mucha energía:

H2 = 2H − 432 kJ

Por lo tanto, a temperaturas normales, el hidrógeno reacciona sólo con metales muy activos, como el calcio, formando hidruro de calcio:

Ca + H 2 = CaH 2

y con el único no metal: el flúor, que forma fluoruro de hidrógeno:

El hidrógeno reacciona con la mayoría de los metales y no metales a temperaturas elevadas o bajo otras influencias, por ejemplo, la iluminación:

O 2 + 2H 2 = 2H 2 O

Puede “quitarle” oxígeno a algunos óxidos, por ejemplo:

CuO + H2 = Cu + H2O

La ecuación escrita refleja las propiedades reductoras del hidrógeno.

norte 2 + 3H 2 → 2NH 3

Forma haluros de hidrógeno con halógenos:

F 2 + H 2 → 2HF, la reacción ocurre explosivamente en la oscuridad y a cualquier temperatura,

Cl 2 + H 2 → 2HCl, la reacción procede de forma explosiva, solo a la luz.

Interactúa con el hollín a altas temperaturas:

C + 2H 2 → CH 4

Interacción con metales alcalinos y alcalinotérreos.

Al interactuar con metales activos, el hidrógeno forma hidruros:

2Na + H 2 → 2NaH

Ca + H 2 → CaH 2

Mg + H2 → MgH2

hidruros- sustancias sólidas, parecidas a las sales, que se hidrolizan fácilmente:

CaH2 + 2H2O → Ca(OH)2 + 2H2

Interacción con óxidos metálicos (generalmente elementos d)

Los óxidos se reducen a metales:

CuO + H2 → Cu + H2O

Fe2O3 + 3H2 → 2Fe + 3H2O

WO 3 + 3H 2 → W + 3H 2 O

Hidrogenación de compuestos orgánicos.

El hidrógeno molecular se utiliza ampliamente en la síntesis orgánica para la reducción de compuestos orgánicos. Estos procesos se llaman reacciones de hidrogenación. Estas reacciones se llevan a cabo en presencia de un catalizador a presión y temperatura elevadas. El catalizador puede ser homogéneo (por ejemplo, Wilkinson Catalyst) o heterogéneo (por ejemplo, níquel Raney, paladio sobre carbono).

Así, en particular, durante la hidrogenación catalítica de compuestos insaturados como alquenos y alquinos, se forman compuestos saturados: los alcanos.

Geoquímica del hidrógeno.

El hidrógeno libre H2 es relativamente raro en los gases terrestres, pero en forma de agua desempeña un papel extremadamente importante en los procesos geoquímicos.

El hidrógeno puede estar presente en minerales en forma de ion amonio, ion hidroxilo y agua cristalina.

En la atmósfera, el hidrógeno se produce continuamente como resultado de la descomposición del agua por la radiación solar. Al tener una masa pequeña, las moléculas de hidrógeno tienen una alta velocidad de difusión (cercana a la segunda velocidad cósmica) y, cuando ingresan a las capas superiores de la atmósfera, pueden volar al espacio exterior.

Características del tratamiento

El hidrógeno, cuando se mezcla con aire, forma una mezcla explosiva, el llamado gas detonante. Este gas es más explosivo cuando la proporción de volumen de hidrógeno y oxígeno es de 2:1, o de hidrógeno y aire es de aproximadamente 2:5, ya que el aire contiene aproximadamente un 21% de oxígeno. El hidrógeno también supone un riesgo de incendio. El hidrógeno líquido puede provocar quemaduras graves si entra en contacto con la piel.

Se producen concentraciones explosivas de hidrógeno y oxígeno del 4% al 96% en volumen. Cuando se mezcla con aire del 4% al 75(74)% en volumen.

Economía

El coste del hidrógeno para grandes suministros mayoristas oscila entre 2 y 5 dólares por kg.

Solicitud

El hidrógeno atómico se utiliza para la soldadura con hidrógeno atómico.

Industria química

• En la producción de amoniaco, metanol, jabón y plásticos.
• En la producción de margarina a partir de aceites vegetales líquidos.
• Registrado como suplemento dietético. E949(gas de embalaje)

Industria alimentaria

Industria de la aviación

El hidrógeno es muy ligero y siempre se eleva en el aire. Érase una vez los dirigibles y los globos que se llenaban de hidrógeno. Pero en los años 30. Siglo XX Hubo varios desastres durante los cuales dirigibles explotaron y se quemaron. Hoy en día, los dirigibles se llenan de helio, a pesar de su coste significativamente mayor.

Combustible

El hidrógeno se utiliza como combustible para cohetes.

Se están realizando investigaciones sobre el uso del hidrógeno como combustible para automóviles y camiones. Los motores de hidrógeno no contaminan el medio ambiente y sólo emiten vapor de agua.

Las pilas de combustible de hidrógeno y oxígeno utilizan hidrógeno para convertir directamente la energía de una reacción química en energía eléctrica.

"Hidrógeno líquido"(“LH”) es el estado líquido del hidrógeno, con una baja densidad específica de 0,07 g/cm³ y propiedades criogénicas con un punto de congelación de 14,01 K (−259,14 °C) y un punto de ebullición de 20,28 K (−252,87 °C). ). Es un líquido incoloro e inodoro, que al mezclarse con aire se clasifica como explosivo con un rango de inflamabilidad del 4-75%. La relación de espín de los isómeros en el hidrógeno líquido es: 99,79% - parahidrógeno; 0,21% - ortohidrógeno. El coeficiente de expansión del hidrógeno al cambiar su estado de agregación a gaseoso es de 848:1 a 20°C.

Como ocurre con cualquier otro gas, la licuefacción del hidrógeno provoca una disminución de su volumen. Después de la licuación, el líquido líquido se almacena bajo presión en recipientes aislados térmicamente. Hidrógeno líquido Hidrógeno líquido, LH2, LH 2) se utiliza activamente en la industria, como forma de almacenamiento de gas, y en la industria espacial, como combustible para cohetes.

Historia

El primer uso documentado de refrigeración artificial fue realizado por el científico inglés William Cullen en 1756, Gaspard Monge fue el primero en obtener un estado líquido de óxido de azufre en 1784, Michael Faraday fue el primero en obtener amoníaco licuado, el inventor estadounidense Oliver Evans fue el primero en desarrollar un compresor de refrigeración en 1805, Jacob Perkins fue el primero en patentar una máquina de refrigeración en 1834 y John Gorey fue el primero en patentar un acondicionador de aire en los Estados Unidos en 1851. Werner Siemens propuso el concepto de refrigeración regenerativa en 1857, Karl Linde patentó un equipo para producir aire líquido mediante un "efecto de expansión Joule-Thomson" en cascada y refrigeración regenerativa en 1876. En 1885, el físico y químico polaco Zygmunt Wroblewski publicó la temperatura crítica del hidrógeno de 33 K y la presión crítica de 13,3 atm. y punto de ebullición a 23 K. El hidrógeno fue licuado por primera vez por James Dewar en 1898 mediante enfriamiento regenerativo y su invento, el matraz Dewar. La primera síntesis de un isómero estable del hidrógeno líquido, el parahidrógeno, fue llevada a cabo por Paul Harteck y Carl Bonhoeffer en 1929.

Isómeros de espín del hidrógeno

El hidrógeno a temperatura ambiente se compone principalmente de un isómero de espín, el ortohidrógeno. Después de la producción, el hidrógeno líquido se encuentra en un estado metaestable y debe convertirse a la forma de parahidrógeno para evitar la reacción exotérmica explosiva que se produce cuando cambia a bajas temperaturas. La conversión a la fase de parahidrógeno generalmente se logra utilizando catalizadores como óxido de hierro, óxido de cromo, carbón activado, amianto recubierto de platino, metales de tierras raras o mediante el uso de aditivos de uranio o níquel.

Uso

El hidrógeno líquido se puede utilizar como forma de almacenamiento de combustible para motores de combustión interna y pilas de combustible. A partir de esta forma agregada de hidrógeno se han creado varios submarinos (proyectos "212A" y "214", Alemania) y conceptos de transporte de hidrógeno (véase, por ejemplo, "DeepC" o "BMW H2R"). Debido a la proximidad de los diseños, los creadores de equipos LHV pueden utilizar o sólo modificar sistemas que utilicen gas natural licuado (GNL). Sin embargo, debido a la menor densidad de energía volumétrica, la combustión requiere un mayor volumen de hidrógeno que el gas natural. Si en los motores de pistón se utiliza hidrógeno líquido en lugar de "GNC", normalmente se requiere un sistema de combustible más voluminoso. Con la inyección directa, las mayores pérdidas en el tracto de admisión reducen el llenado de los cilindros.

El hidrógeno líquido también se utiliza para enfriar neutrones en experimentos de dispersión de neutrones. Las masas del neutrón y del núcleo de hidrógeno son casi iguales, por lo que el intercambio de energía durante una colisión elástica es más eficaz.

Ventajas

La ventaja de utilizar hidrógeno son las “cero emisiones” de su uso. El producto de su interacción con el aire es el agua.

Obstáculos

Un litro de “ZhV” pesa sólo 0,07 kg. Es decir, su peso específico es de 70,99 g/l a 20 K. El hidrógeno líquido requiere tecnología de almacenamiento criogénico, como contenedores especiales con aislamiento térmico, y requiere un manejo especial, típico de todos los materiales criogénicos. En este aspecto es similar al oxígeno líquido, pero requiere mayor precaución debido al riesgo de incendio. Incluso con contenedores aislados, es difícil mantenerlo a las bajas temperaturas necesarias para mantenerlo líquido (normalmente se evapora a una velocidad del 1% por día). Al manipularlo, también es necesario seguir las precauciones de seguridad habituales cuando se trabaja con hidrógeno: está lo suficientemente frío como para licuar el aire, que es explosivo.

Propulsor

El hidrógeno líquido es un componente común de los combustibles para cohetes, que se utiliza para propulsar vehículos de lanzamiento y naves espaciales. En la mayoría de los motores de cohetes de hidrógeno líquido, se utiliza primero para enfriar de forma regenerativa la boquilla y otras piezas del motor antes de mezclarlo con un oxidante y quemarlo para producir empuje. Los motores modernos que utilizan componentes de H 2 /O 2 consumen una mezcla de combustible excesivamente enriquecida en hidrógeno, lo que provoca una cierta cantidad de hidrógeno sin quemar en el escape. Además de aumentar el impulso específico del motor mediante la reducción del peso molecular, esto también reduce la erosión de la boquilla y de la cámara de combustión.

Los obstáculos para el uso de LH en otras áreas, como la naturaleza criogénica y la baja densidad, también son un factor limitante para su uso en este caso. En 2009, sólo existe un vehículo de lanzamiento (vehículo de lanzamiento Delta-4), que es íntegramente un cohete de hidrógeno. Básicamente, el "ZHV" se utiliza en las etapas superiores de los cohetes o en bloques que realizan una parte importante del trabajo de lanzamiento de la carga útil al espacio en el vacío. Como una de las medidas para aumentar la densidad de este tipo de combustible, se propone utilizar hidrógeno en forma de lodo, es decir, una forma semicongelada de “hidrógeno líquido”.

El elemento químico más común en el Universo es el hidrógeno. Este es una especie de punto de referencia, porque en la tabla periódica su número atómico es igual a uno. La humanidad espera poder aprender más sobre él como uno de los vehículos más posibles en el futuro. El hidrógeno es el elemento más simple, ligero y común; hay mucho en todas partes: el setenta y cinco por ciento de la masa total de materia. Está presente en cualquier estrella, especialmente en los gigantes gaseosos. Su papel en las reacciones de fusión estelar es clave. Sin hidrógeno no hay agua, lo que significa que no hay vida. Todo el mundo recuerda que una molécula de agua contiene un átomo de oxígeno y dos átomos son hidrógeno. Esta es la conocida fórmula H 2 O.

como lo usamos

El hidrógeno fue descubierto en 1766 por Henry Cavendish mientras analizaba la reacción de oxidación de un metal. Después de varios años de observaciones, se dio cuenta de que durante la combustión del hidrógeno se forma agua. Anteriormente, los científicos aislaron este elemento, pero no lo consideraron independiente. En 1783, el hidrógeno recibió el nombre de hidrógeno (traducido del griego "hidro" - agua y "gen" - dar a luz). El elemento que produce agua es el hidrógeno. Este es un gas cuya fórmula molecular es H 2. Si la temperatura es cercana a la temperatura ambiente y la presión es normal, este elemento es imperceptible. Es posible que el hidrógeno ni siquiera sea detectado por los sentidos humanos: es insípido, incoloro e inodoro. Pero bajo presión y a una temperatura de -252,87 C (¡muy fría!) este gas se licua. Así se almacena, ya que en forma de gas ocupa mucho más espacio. El hidrógeno líquido se utiliza como combustible para cohetes.

El hidrógeno puede volverse sólido, metálico, pero esto requiere una presión ultra alta, y esto es lo que están haciendo ahora los científicos más destacados, físicos y químicos. Este elemento ya sirve como combustible alternativo para el transporte. Su uso es similar al funcionamiento de un motor de combustión interna: cuando se quema hidrógeno, se libera gran parte de su energía química. También se ha desarrollado prácticamente un método para crear una pila de combustible basada en ella: cuando se combina con oxígeno, se produce una reacción y, a través de ella, se forman agua y electricidad. Quizás pronto el transporte “cambie” de gasolina a hidrógeno: muchos fabricantes de automóviles están interesados ​​en crear materiales combustibles alternativos y se están logrando éxitos. Pero un motor puramente de hidrógeno todavía está en el futuro; esto plantea muchas dificultades. Sin embargo, las ventajas son tales que la creación de un tanque de combustible con hidrógeno sólido está en pleno apogeo y los científicos e ingenieros no van a dar marcha atrás.

Lo esencial

Hidrogenio (lat.): el hidrógeno, el primer número de serie en la tabla periódica, se denomina H. El átomo de hidrógeno tiene una masa de 1,0079, es un gas que en condiciones normales no tiene sabor, olor ni color. Los químicos desde el siglo XVI han descrito cierto gas inflamable, denotándolo de diferentes maneras. Pero funcionó para todos en las mismas condiciones: cuando el metal estuvo expuesto al ácido. El hidrógeno, incluso por el propio Cavendish, fue llamado simplemente “aire inflamable” durante muchos años. Sólo en 1783 Lavoisier demostró mediante síntesis y análisis que el agua tiene una composición compleja, y cuatro años más tarde le dio al “aire combustible” su nombre moderno. La raíz de esta palabra compuesta es muy utilizada a la hora de nombrar los compuestos de hidrógeno y cualquier proceso en el que esté implicado. Por ejemplo, hidrogenación, hidruro y similares. Y el nombre ruso fue propuesto en 1824 por M. Solovyov.

En la naturaleza, la distribución de este elemento no tiene igual. En la litosfera y la hidrosfera de la corteza terrestre, su masa es del uno por ciento, pero los átomos de hidrógeno llegan al dieciséis por ciento. El agua es más abundante en la Tierra y el 11,19% de su masa es hidrógeno. Ciertamente, también está presente en casi todos los compuestos que componen el petróleo, el carbón, todos los gases naturales y la arcilla. Hay hidrógeno en todos los organismos vegetales y animales: como parte de proteínas, grasas, ácidos nucleicos, carbohidratos, etc. El estado libre no es típico del hidrógeno y casi nunca ocurre; hay muy poco en los gases naturales y volcánicos. Una cantidad muy insignificante de hidrógeno en la atmósfera es del 0,0001%, en número de átomos. Pero corrientes enteras de protones representan hidrógeno en el espacio cercano a la Tierra, que forma el cinturón de radiación interno de nuestro planeta.

Espacio

Ningún elemento es tan común en el espacio como el hidrógeno. El volumen de hidrógeno en los elementos del Sol es más de la mitad de su masa. La mayoría de las estrellas producen hidrógeno en forma de plasma. La mayor parte de los diversos gases de las nebulosas y del medio interestelar también se compone de hidrógeno. Está presente en los cometas y en la atmósfera de varios planetas. Por supuesto, no en forma pura, a veces como H2 libre, a veces como metano CH4, a veces como amoníaco NH3, incluso como agua H2O. Muy a menudo se encuentran radicales CH, NH, SiN, OH, PH y similares. Como corriente de protones, el hidrógeno forma parte de la radiación solar corpuscular y de los rayos cósmicos.

En el hidrógeno ordinario, una mezcla de dos isótopos estables es hidrógeno ligero (o protio 1 H) e hidrógeno pesado (o deuterio - 2 H o D). Hay otros isótopos: tritio radiactivo - 3 H o T, en caso contrario - hidrógeno superpesado. Y también el 4 N, muy inestable. En la naturaleza, el compuesto de hidrógeno contiene isótopos en las siguientes proporciones: por cada átomo de deuterio hay 6800 átomos de protio. El tritio se forma en la atmósfera a partir del nitrógeno, que se ve afectado por los neutrones de los rayos cósmicos, pero en cantidades insignificantes. ¿Qué significan los números de masa de los isótopos? El número indica que el núcleo de protio tiene solo un protón, mientras que el deuterio no solo tiene un protón, sino también un neutrón en el núcleo atómico. El tritio en su núcleo ya tiene dos neutrones por cada protón. Pero el 4 H contiene tres neutrones por protón. Por lo tanto, las propiedades físicas y químicas de los isótopos de hidrógeno son muy diferentes en comparación con los isótopos de todos los demás elementos: la diferencia de masa es demasiado grande.

Estructura y propiedades físicas.

La estructura del átomo de hidrógeno es la más simple en comparación con todos los demás elementos: un núcleo, un electrón. Potencial de ionización: la energía de unir un núcleo a un electrón: 13,595 electronvoltios (eV). Precisamente por la simplicidad de esta estructura, el átomo de hidrógeno resulta conveniente como modelo en mecánica cuántica cuando es necesario calcular los niveles de energía de átomos más complejos. En la molécula de H2 hay dos átomos que están conectados por un enlace covalente químico. La energía de descomposición es muy alta. El hidrógeno atómico se puede formar en reacciones químicas como el zinc y el ácido clorhídrico. Sin embargo, prácticamente no se produce ninguna interacción con el hidrógeno: el estado atómico del hidrógeno es muy corto, los átomos se recombinan inmediatamente en moléculas de H 2.

Desde un punto de vista físico, el hidrógeno es más ligero que todas las sustancias conocidas: más de catorce veces más ligero que el aire (recuerde los globos que vuelan durante las vacaciones: contienen hidrógeno en su interior). Sin embargo, puede hervir, licuarse, derretirse, solidificarse y sólo el helio hierve y se derrite a temperaturas más bajas. Es difícil de licuar; se necesita una temperatura inferior a -240 grados centígrados. Pero tiene una conductividad térmica muy alta. Es casi insoluble en agua, pero interactúa bien con el hidrógeno de los metales: se disuelve en casi todos, lo mejor de todo en paladio (se necesitan ochocientos cincuenta volúmenes para un volumen de hidrógeno). El hidrógeno líquido es ligero y fluido, y cuando se disuelve en metales, a menudo destruye las aleaciones debido a la interacción con el carbono (acero, por ejemplo), se produce difusión y descarbonización.

Propiedades químicas

En los compuestos, en su mayor parte, el hidrógeno muestra un estado de oxidación (valencia) de +1, al igual que el sodio y otros metales alcalinos. Se considera su análogo y se sitúa a la cabeza del primer grupo del sistema periódico. Pero el ion hidrógeno en los hidruros metálicos tiene carga negativa y un estado de oxidación de -1. Este elemento también está cerca de los halógenos, que incluso son capaces de sustituirlo en compuestos orgánicos. Esto significa que el hidrógeno también puede pertenecer al séptimo grupo del sistema periódico. En condiciones normales, las moléculas de hidrógeno no difieren en actividad y se combinan solo con los no metales más activos: el flúor es bueno y, si es ligero, con el cloro. Pero cuando se calienta, el hidrógeno se vuelve diferente: reacciona con muchos elementos. El hidrógeno atómico, en comparación con el hidrógeno molecular, es muy activo químicamente, por lo que se forma agua en combinación con oxígeno y se libera energía y calor al mismo tiempo. A temperatura ambiente esta reacción es muy lenta, pero cuando se calienta por encima de quinientos cincuenta grados se produce una explosión.

El hidrógeno se utiliza para reducir metales porque elimina el oxígeno de sus óxidos. Con el flúor, el hidrógeno explota incluso en la oscuridad y a -252 grados centígrados. El cloro y el bromo excitan el hidrógeno solo cuando se calientan o iluminan, y el yodo solo cuando se calienta. El hidrógeno y el nitrógeno forman amoníaco (así es como se elaboran la mayoría de los fertilizantes). Cuando se calienta, reacciona muy activamente con el azufre y se obtiene sulfuro de hidrógeno. Con el teluro y el selenio es difícil provocar una reacción de hidrógeno, pero con el carbono puro la reacción se produce a temperaturas muy altas y se obtiene metano. El hidrógeno forma diversos compuestos orgánicos con el monóxido de carbono; la presión, la temperatura, los catalizadores influyen en esto, y todo esto es de gran importancia práctica. En general, el papel del hidrógeno, así como de sus compuestos, es sumamente importante, ya que confiere propiedades ácidas a los ácidos próticos. Se forma un enlace de hidrógeno con muchos elementos, lo que afecta las propiedades de los compuestos orgánicos y inorgánicos.

Recepción y uso

El hidrógeno se produce a escala industrial a partir de gases naturales: gases combustibles, gas de hornos de coque y gases de refinación de petróleo. También se puede producir mediante electrólisis, donde la electricidad no es demasiado cara. Sin embargo, el método más importante para producir hidrógeno es la interacción catalítica de hidrocarburos, principalmente metano, con vapor de agua, donde se obtiene la conversión. También se utiliza ampliamente el método de oxidación de hidrocarburos con oxígeno. Producir hidrógeno a partir de gas natural es la forma más económica. Los otros dos son el uso de gas de horno de coque y gas de refinería: el hidrógeno se libera cuando los componentes restantes se licuan. Se licuan más fácilmente y, para el hidrógeno, como recordamos, se necesitan -252 grados.

El peróxido de hidrógeno es de uso muy popular. El tratamiento con esta solución se utiliza con mucha frecuencia. Es poco probable que la fórmula molecular H 2 O 2 sea nombrada por todos esos millones de personas que quieren ser rubias y aclararse el cabello, así como por aquellos que aman la limpieza en la cocina. Incluso aquellos que tratan los rasguños recibidos al jugar con un gatito a menudo no se dan cuenta de que están utilizando un tratamiento con hidrógeno. Pero todo el mundo conoce la historia: desde 1852, el hidrógeno se utiliza desde hace mucho tiempo en la aeronáutica. El dirigible, inventado por Henry Giffard, fue creado a base de hidrógeno. Fueron llamados zepelines. Los zepelines fueron expulsados ​​de los cielos por el rápido desarrollo de la fabricación de aviones. En 1937 se produjo un grave accidente cuando se quemó el dirigible Hindenburg. Después de este incidente, los zepelines nunca más se volvieron a utilizar. Pero a finales del siglo XVIII se generalizó la distribución de globos llenos de hidrógeno. Además de la producción de amoníaco, ahora se necesita hidrógeno para la producción de alcohol metílico y otros alcoholes, gasolina, combustibles líquidos pesados ​​hidrogenados y combustibles sólidos. No se puede prescindir del hidrógeno al soldar o al cortar metales; puede ser oxígeno-hidrógeno e hidrógeno atómico. Y el tritio y el deuterio dan vida a la energía nuclear. Estos, como recordamos, son isótopos de hidrógeno.

Neumyvakin

El hidrógeno es un elemento químico tan bueno que tiene sus propios fans. Ivan Pavlovich Neumyvakin es doctor en ciencias médicas, profesor, ganador del Premio Estatal y tiene muchos más títulos y premios, entre ellos. Como doctor en medicina tradicional, es nombrado el mejor curandero de Rusia. Fue él quien desarrolló muchos métodos y principios para brindar atención médica a los astronautas en vuelo. Fue él quien creó un hospital único: un hospital a bordo de una nave espacial. Al mismo tiempo, fue coordinador estatal de medicina estética. Espacio y cosmética. Su pasión por el hidrógeno no tiene como objetivo ganar mucho dinero, como ocurre ahora en la medicina doméstica, sino, por el contrario, enseñar a la gente a curar cualquier cosa literalmente con un remedio de un centavo, sin una visita adicional a la farmacia.

Promueve el tratamiento con un fármaco que está presente literalmente en todos los hogares. Este es el peróxido de hidrógeno. Puedes criticar a Neumyvakin tanto como quieras, él seguirá insistiendo por su cuenta: sí, de hecho, literalmente todo se puede curar con peróxido de hidrógeno, porque satura las células internas del cuerpo con oxígeno, destruye toxinas, normaliza los ácidos y los alcalinos. equilibrio, y a partir de aquí se regeneran los tejidos, todo el cuerpo es organismo rejuvenecido. Nadie ha visto todavía a nadie curarse con peróxido de hidrógeno, y mucho menos los ha examinado, pero Neumyvakin afirma que con este remedio es posible deshacerse por completo de enfermedades virales, bacterianas y fúngicas, prevenir el desarrollo de tumores y aterosclerosis, vencer la depresión y rejuvenecer. el cuerpo y nunca enfermarse de ARVI y resfriados.

Panacea

Ivan Pavlovich está seguro de que con el uso adecuado de este sencillo medicamento y siguiendo todas las sencillas instrucciones se pueden superar muchas enfermedades, incluidas las muy graves. La lista es enorme: desde la enfermedad periodontal y la amigdalitis hasta el infarto de miocardio, los accidentes cerebrovasculares y la diabetes. Pequeñas cosas como la sinusitis o la osteocondrosis desaparecen desde las primeras sesiones de tratamiento. Incluso los tumores cancerosos se asustan y huyen del peróxido de hidrógeno, porque se estimula el sistema inmunológico, se activa la vida del cuerpo y sus defensas.

Incluso los niños pueden ser tratados de esta manera, excepto que es mejor que las mujeres embarazadas se abstengan por ahora de consumir peróxido de hidrógeno. Este método tampoco se recomienda para personas con trasplantes de órganos debido a una posible incompatibilidad de tejidos. Se debe observar estrictamente la dosis: de una gota a diez, añadiendo una cada día. Tres veces al día (treinta gotas de una solución de peróxido de hidrógeno al tres por ciento por día, ¡guau!) Media hora antes de las comidas. La solución se puede administrar por vía intravenosa y bajo supervisión médica. A veces, el peróxido de hidrógeno se combina con otros medicamentos para obtener un efecto más eficaz. La solución se usa internamente solo en forma diluida, con agua limpia.

Externamente

Incluso antes de que el profesor Neumyvakin creara su método, las compresas y los enjuagues eran muy populares. Todo el mundo sabe que, al igual que las compresas de alcohol, el peróxido de hidrógeno no se puede utilizar en su forma pura, ya que provocará quemaduras en los tejidos, pero las verrugas o las infecciones por hongos se lubrican localmente con una solución fuerte, hasta un quince por ciento.

Para las erupciones cutáneas y los dolores de cabeza, también se realizan procedimientos que implican peróxido de hidrógeno. La compresa debe hacerse con un paño de algodón empapado en una solución de dos cucharaditas de peróxido de hidrógeno al tres por ciento y cincuenta miligramos de agua limpia. Cubre la tela con film y envuélvela con lana o una toalla. La compresa dura desde un cuarto de hora hasta una hora y media por la mañana y por la noche hasta la recuperación.

opinión de los doctores

Las opiniones están divididas; no todo el mundo está encantado con las propiedades del peróxido de hidrógeno, es más, no sólo no las creen, sino que se ríen de ellas. Entre los médicos también hay quienes apoyaron a Neumyvakin e incluso se dedicaron al desarrollo de su teoría, pero son una minoría. La mayoría de los médicos consideran que este tipo de tratamiento no sólo es ineficaz, sino también, a menudo, desastroso.

De hecho, todavía no existe ni un solo caso oficialmente probado en el que un paciente se haya curado con peróxido de hidrógeno. Al mismo tiempo, no hay información sobre el deterioro de la salud debido al uso de este método. Pero se pierde un tiempo precioso, y una persona que ha sufrido una de las enfermedades graves y confía completamente en la panacea de Neumyvakin corre el riesgo de llegar tarde al inicio de su verdadero tratamiento tradicional.