Hidrogenul Hidrogenul a fost descoperit de faimosul fizician englez Henry Cavendish, care era “cel mai bogat dintre invatati si cel mai invatat dintre bogati”,dupa cum spunea unul dintre contemporanii sai. Putem adauga ca era si cel mai meticulos dintre 57435yho59nxk8v oamenii de stiinta.Se spune ca atunci cand Cavendish la o carte din propia-i biblioteca intotdeauna isi punea in locul ei cartea de vizita. Cel mai linistit dintre savanti,devotat in intregime hx435y7559nxxk cercetarii stiintifice,intotdeauna absorbit de stiinta, avea reputatia unui pustnic excentric. Ori acestea erau tocmai calitatile care faceau posibila deacoperirii noului gaz,hidrogenul.El a facut descoperirea in 1766,iar in 1783 profesorul francez Charles a facut sa zboare primul balon cu hidrogen. Hidrogenul a fost si pentru chimisti a descoperire pretioasa.El I-a ajutat sa descifreze structura acizilorsi bazelor,aceste foarte importante clase de compusi chimici. Hidrogenul se gaseste in paturile inferioare ale atmosferei ,in apa, hidrocarburi si gaze naturale. Este un constituent al materiei vii. Hidrogenul furnizeaza mai multi compusi decat oricare alt element. In cromosfera soarelui se gaseste hidrogen atomic la fel ca si in stelele albe. Stelele reci contin in atmosfera lor hidrogen molecular. Hidrogenul se obtine usor prin actiunea acizilor diluati asupra zincului sau fierului ori prin electroliza apei. Industrial se obtine prin cracarea hidrocarburilor, prin reactia apei cu carbune si prin alte procedee dintre care amintim : Legatura hidrogenului cu apa
Deuteriul(2D) izotopul greu , stabil al hidrogenului , se obtine din apa grea (D2O) prin procedee ca : electroliza , descompunere cu metale . Avand masa dubla in comparatie cu izotopul obisnuit (1H) , diferenta relativa intre masele celor doi izotopi influenteaza proprietatile fizice , la deuteriu observandu-se variatii ale densitatii , punctelor de topire si de fierbere , caldurii latente , vitezei de difuziune . Asemenea deosebirii (efecte izotopice) stau la baza metodelor de separare a izotopului greu de cel usor . Totodata , moleculele izotopice continand deuteriu in structura lor , avand viteze mai mici , dau nastere la procese chimice mai lente . Pe baza acestor comportari , deuteriul se utilizeaza ca atom marcat stabil , in reactii de schimb izotopic la studiul unor mecanisme de reactie , in probleme de structura si altele , avand aplicatii in chimie , biologie , hidrologie , geologie , agricultura .Tritiul (3T) izotopul cel mai greu al hidrogenului este radioactiv , avand timpul de injumatatire de 12,26 ani . Pe langa formarea lui permanenta in natura , asa cum s-a aratat , el se obtine si pe cale artificiala , iradiind sarurile de litiu cu neutroni in pila nucleara , pe baza reactiei 6Li(n,a )3T . Tritiul se utilizeaza ca atom marcat radioactiv al hidrogenului in cercetari radiochimice sau ca sursa de radiatii b . Se combina direct cu halogenii , rezultand hidracizi de tipul HX, intensitatea reactiei scazand de la fluor la iod .Cu oxigenul nu se combina la rece decat in prezenta catalizatorilor de platina sau paladiu . In schimb reactia este lenta intre 180–300° C si exploziva intre 550 – 840° C . Peste250° C reactioneaza cu sulful
Na + H2O NaOH + 2 H2
3Fe + 4H2O Fe3O4 + 4H2 (570° C)
P4 +16H2O 4H3PO4 + 20H2 (400° C – 600° C ; in prezenta
unui catalizator)
Zn + 2HCl ZnCl2 + H2
Zn + 2NaOH + 2H2O Na2[Zn(OH)4] + H2
C + 2H2O CO2 + 2H2 (550° C ;in prezenta unui catalizator)
H2O H2 + O2 (electroliza)
CH4 + 2H2O CO2 + 4H2 (conversie)
Hidrogenul se fabrica mai ales din amestecul de hidrocarburi care se inlatura la cracarea petrolului brut. Trecand amestecul peste bauxita la 397° C, sulful se transforma in H2S care se retine intr-un scuber
cu hidroxid. Vaporii impreuna cu aburul trec peste un catalizator de nichel la 927° C. Are loc reactia, de exemplu:
C3H6 + 3H2O 3CO + 6H2
Se adauga vapori de apa gazelor care ies din furnal spre a reduce temperatura la 397° C , cand are loc reactia :
3CO + 3H2O 3H2 + 3CO2
Trecand gazele printr-un scruber cu etanolamina se retine CO2 :
2HO – CH2 – CH2 – NH2 + H2O + CO2 (HO – CH2 - CH2NH)2CO3 + 2H2
din care se recupereaza CO2 prin incalzire la 117° C. Sunt necesare
cateva etape pentru a indeparta in intregime oxidul de carbon.
Cantitati mari de hidrogen se obtin prin rafinarea hidrocarburilor pentru a mari cifra octanica a produsilor.
Atomul de hidrogen, al primului element din sistemul periodic, are cea mai simpla configuratie electronica, cu electronul distinctiv in orbitalul 1s.
Hidrogenul molecular (H2) in conditii normale este un gaz diatomic cu distantele intre nuclee H - H = 0,037 nm.
In stare gazoasa, hidrogenul este incolor, inodor, insipid, fiind cel mai usor dintre toate gazele (densitatea= 0,06952 g/cm) si anume de 14,38 de ori mai usor decat aerul. Avand o masa moleculara mica, hidrogenul prezinta cea mai mare putere de difuziune dintre toate gazele si o conductibilitate termica si electrica deosebita, prima fiind de 6,5 ori mai mare decat a aerului. La temperaturi inalte este absorbit in cantitate mare de catre metale, si anume de 19 ori de catre fier, si de 875 ori, propriul sau volum, de catre paladiu. Foarte stabila, molecula de hidrogen se disociaza la temperaturi inalte, in arc electric, trecand in hidro-
gen atomic.
Amintim cateva constante fizice ale hidrogenului :
Masa atomica…………………………………………………………………1,008
Raza coalenta, nm..………………………………………………………0,037
Raza ionica , nm…………………………………………………………….0,208
Volumul atomic , cm /atom-g……………………………………14,1
Potential de ionizare , eV…………………………………………..13,59
Afinitatea pentru electroni , eV………………………………….0,715
Electronegativitatea(Pauling)…………………………………….2,1
Densitatea - g/l……………………………………………………………..0,0899
• g/cm ……………………………………………………….0,06952
Punctul de topire , ° C………………………………………………-259,23
Punctul de fierbere , ° C…………………………………………..-252,77
Temperatura critica , ° C………………………………………….-239,9
Caldura de formare a H2 la 0° K , KJ/mol……………….430
Caldura de sublimare la 1396° C , KJ/mol…………..1029,10
Caldura de vaporizare , KJ/mol……………………………..904,33
Solubilitatea in apa la 18° C , vol./1 vol. apa…………….0,0185
Moment electric ……………………………………………………………0
Susceptibilitatea magnetica , x/10 c.g.s. ……………….-1,97
Reteaua cristalina(solid)……………………………………………cubica
Putin solubil in apa , coeficientul de absorbtie fiind de circa 0,0193 intre 0 – 20 ° C , este ceva mai solubil in alcool , benzen . Se lichefiaza foarte greu la –252,77 ° C fiind al doilea dupa He , gazul cel mai greu
de lichefiat . La –259.23 ° C se solidifica intr-o masa incolora , transparenta , cristalizata in sistemul hexagonal . Se cunosc trei izotopi ai hidrogenului : 1H , 2H , 3H . Penultimul si ultimul se mai numesc deuteriu si tritiu . Ei sunt putin abundenti in hidrogenul natural (1,6/10 si respectiv 10 ). Desi masa lor este de doua si de trei ori mai mare decat a hidrogenului , caz neobisnuit , proprietatile chimice sunt aceleasi , cu exceptia vitezei si a constantelor de echilibru ale reactiilor .
Hidrogenul atomic (H) rezulta cu greu in cantitati mici prin descarcari electrice sau disociere termica a hidrogenului molecular .Hidrogenul in stare nascanda este denumit hidrogenul rezultat in momentul formarii intr-o reactie chimica , de exemplu din Zn +• HCL . El prezinta o reactivitate superioara celui molecular , datorita existentei de atomi de hidrogen , in momentul reducerii ionilor de hidrogen , care inca nu s-au unit in molecule de H2 .Daca la temperatura obisnuita hidrogenul gazos este putin reactiv , in conditii speciale de temperatura , catalizatori , iradieri cu lumina U.V. , reactioneaza cu numeroase elemente si combinatii ale acestora , formand hidruri .Caracteristic pentru el este tendinta de a forma
ioni pozitivi (H ) , negativi(H ) si de a se lega covalent .
si seleniul , iar peste 400° C cu telurul . Reactia cu azotul are loc numai la
temperaturi si presiuni ridicate , in prezenta de catalizatori . Cu monoxidul de carbon , in anumite conditii , formeaza metanol , metan sau etan .
La cald reactioneaza cu majoritatea metalelor , rezultand hidruri metalice.
Hidrogenul este un excelent reducator al oxizilor , sulfurilor si halogenurilor metalice.
Combinatiile pe care le formeaza hidrogenul cu elementele
chimice , in general , hidrurile , si cu elementele cu caracter metalic , in
special , ocupa un loc deosebit de important in chimia elementelor respective . Acest lucru este justificat de urmatoarele :
• cu exceptia gazelor rare , hidrogenul se combina cu
toate elementele chimice in conditii care variaza in limite foarte mari de
la un element la altul;
• hidrurile reprezinta combinatiile cele mai simple ale elementelor chimice;
• hidrurile se caracterizeaza printr-o serie de proprietati
specifice , dintre care trebuie mentionata , in primul rand , varietatea
mare de tipuri structurale;
• studiul structurii unor hidruri a condus la largirea si
imbogatirea notiunii de legatura chimica;
• hidrurile unor elemente cunosc multiple aplicatii practice.
Caracterul specific pe care aceasta clasa de combinatii il
prezinta este determinat in cea mai mare masura de particularitatile , in
special electronice , ale atomului de hidrogen dintre care pot fi mentionate :
• prezenta unui singur orbital atomic 1s pe care hidrogenul
il poate folosi in formarea de legaturi cu celelalte elemente ;
• absenta unor nivele electronice interioare in structura
electronica a hidrogenului ;
• incapacitatea hidrogenului de a functiona ca donor ,
respectiv acceptor ;
• din cauza volumului extrem de mic al protonului , numarul
de coordinatie al hidrogenului nu poate depasi valoarea doi ;
• capacitatea hidrogenului de a participa la interactia chimica , atat prin cedare cat si prin acceptare de electroni , ca si proprietatea acestuia de a participa la formarea de legaturi policentrice ;
• pe baza electronegativitatii lui (2,1 in scala Pauling) este
de asteptat ca hidrogenul sa formeze combinatii de acelasi tip ca si borul
respectiv carbonul (ala caror electronegativitati sunt 2,0 respectiv 2,5 in
aceeasi scala).
In functie de natura lor hidrurile binare pot fi clasificate in urmatoarele categorii : hidruri ionice , hidruri metalice , hidruri cu legaturi multicentrice, hidruri moleculare covalente , hidruri complexe .
HIDRURI IONICE. Acestea sunt combinatii de tipul sarurilor care contin in retea ionul hidrura si ioni metalici . Exemple: LiH , CsH , BaH2 ,
EuH2 .
HIDRURI METALICE . Au aspectul metalelor . Sunt de obicei interstitiale nestoechiometrice cu formule care depind de metodele de preparare . Sunt mai fragile decat metalele respective , sunt conductori sau semiconductori si legatura lor chimica este partial ionica si partial metalica .
HIDRURI CU LEGATURI MULTICENTRICE . Legatura este predominant covalenta . Electronii de valenta sunt insuficienti pentru a se lega toti atomii prin legaturi bielectronice bielectrice. Exemple :BenH2n , AlnH3n ,B2H6 .
HIDRURI MOLECULARE COVALENTE . Sunt compusi gazosi sau lichide volatile . Elementele grupelor IV A – VII A formeaza astfel de hidruri . Exemple : Si2H6 , SnH4 , SbH3 , H2Te .
HIDRURI COMPLEXE . Combinatiile respective pot fi privite , cel putin formal , continand ionul H coordonat la ionii metalici . Exemple :Na(BH)4 , Li(AlH4) , Li(GaH4) .
Clasificarea de mai sus nu este rigida . Astfel , de pilda , se poate argumenta incadrarea MgH2 in clasa hidrurilor inice , metalice sau a celor cu legaturi multicentrice . Unele hidruri ale lantanidelor sunt metalice cand au compozitia LnH2 dar devin predominant ionice cand au compozitia LnH3 .
Importante cantitati de hidrogen sunt folosite in sinteza amoniacului , a hidracizilor , la hidrogenarea catalitica a grasimilor si a altor combinatii organice .
Hidrogenul are importante aplicatii in domeniul energetic , fiind un component de baza al unor combustibili gazosi . Principalele procese catalitice in care se foloseste hidrogenul sunt procesul Haber pentru sinteza NH3 , hidrogenarea CO cu obtinerea metanolului , hidrogenarea uleiurilor vegetale nesaturate la grasimi
saturate si procesul oxo adica hidroformilarea alchenelor la aldehide si alcooli cu amestec de hidrogen si CO in prezenta unui catalizator de cobalt .
Hidrogenul se mai utilizeaza si la indepartarea sulfului , azotului si oxigenului din substantele organice in prezenta unor catalizatori :C4H4S + 4H2 C4H10 + H2S ;C6H5OH + H2 C6H6 + H2O.
