Hydrogen

Den hydrogen er den grunnstoff av ordenstall 1, av symbolet H. det hydrogen som er tilstede på jorden består nesten utelukkende av det isotop- 1 H (en proton , null nøytron ); det inneholder 0,01 vekt% av 2- H (en proton, en nøytron). Disse to isotoper er stabile . En tredje 3 H isotop (en proton, to nøytroner), ustabil , produseres i atomeksplosjoner. Disse tre isotoper kalles henholdsvis " protium ", " deuterium " og " tritium ".

Hydrogen kan ha oksidasjons tallene 0 ( dihydrogen- H to eller metallisk hydrogen ), + I (i de fleste av sine kjemiske forbindelser ) og -I (i metalliske hydrider ). Hydrogen er et elektropositivt element , ofte ionisert i tilstanden H + eller H 3 O + . Men det danner også kovalente bindinger , spesielt i vann og organisk materiale .

Hydrogen er hovedbestanddelen av solen og de fleste stjerner (hvis energi kommer fra den termonukleære fusjonen av dette hydrogenet), og interstellar eller intergalaktisk materie . Det er en hovedkomponent av gigantiske planeter , i metallisk form i hjertet av Jupiter og Saturn , og i form av fast, flytende eller gassformig hydrogen i deres ytterste lag og i de andre gigantiske planetene. På jorden, er det hovedsakelig til stede i form av vann væske, fast stoff ( is ) eller gass ( vanndamp ), men det er også inneholdt i gasser i visse vulkaner danne H 2 og metan CH 4 .

Denne gassen ble først identifisert av Cavendish i 1766 , som kalte den "brannfarlig luft" fordi den brenner eller eksploderer i nærvær av oksygen , der den danner vanndamp. Lavoisier betegnet denne gassen med navnet hydrogen, som består av prefikset "hydro-", fra gresk ὕδωρ ( hudôr ) som betyr "vann", og suffikset "-gene", fra gresk γεννάω ( gennaô ), "for å generere ”. Dette er den gassen med den kjemiske formel H 2 , det vitenskapelige navn som nå er "dihydrogen".

Dihydrogen kalles nesten alltid "hydrogen" på vanlig språk.

Overflod

Hydrogen er det vanligste elementet i universet : 75% av massen og 92% av antall atomer. Den er tilstede i store mengder i stjerner og gassplaneter; det er også hovedkomponenten i tåker og interstellær gass .

I jordskorpen representerer hydrogen bare 0,22% av atomene, langt etter oksygen (47%) og silisium (27%). Det er også sjeldent i jordatmosfæren , siden det bare representerer 0,55 ppm atmosfæriske gasser i volum . På jorden er vann den vanligste kilden til hydrogen , hvis molekyl består av to hydrogenatomer og ett oksygenatom ; hydrogen er fremfor alt hovedbestanddelen (i antall atomer) av alt levende materiale, assosiert med karbon i alle organiske forbindelser . For eksempel representerer hydrogen 63% av atomene og 10% av massen til menneskekroppen.

Under veldig lave trykk, som de som finnes i rommet , har hydrogen en tendens til å eksistere som individuelle atomer fordi det ikke kolliderer med andre atomer for å kombinere. De hydrogen skyene ligger til grunn av prosessen med stjernedannelse .

Hydrogenatomet

Hydrogen er det enkleste kjemiske elementet ; dens vanligste isotop består bare av en proton og en elektron . Hydrogen er det letteste atomet. Siden det bare har ett elektron, kan det bare danne en kovalent binding : det er et ensidig atom .

Fast hydrogen kan imidlertid være metallisk når det er under veldig høyt trykk . Den krystalliserer deretter med en metallbinding (se metallisk hydrogen ). I det periodiske elementet finnes det i kolonnen av alkalimetaller . Men ikke å være til stede i denne tilstanden på jorden, regnes det ikke som et metall i kjemi .

Den hydrogen fange tverrsnitt (200 mb med termiske nøytroner og 0,04 mb med hurtige nøytroner) er lav nok til å tillate bruk av vann som moderator og kjølemiddel i kjernereaktorer.

Kvantemekanikk

Hydrogenatomet er det enkleste atomet som eksisterer. Det er derfor løsningen på Schrödinger-ligningen , i kvantemekanikk , er den enkleste. Studiet av denne saken er grunnleggende, siden det gjorde det mulig å forklare atomorbitaler , og deretter de forskjellige kjemiske bindingene med teorien om molekylære orbitaler .

Hydrogen er det eneste elementet som hver isotop har et spesifikt navn for, fordi deres forskjell i masse (sammenlignet med hydrogenatomets) er betydelig: fra enkelt til dobbelt eller tredobbelt, noe som forklarer hvorfor, i motsetning til hva som gjelder for isotoper generelt kan disse forskjellene påvirke de kjemiske egenskapene til deuterium eller tritium i forhold til protium (isotopisk effekt). Den tungtvann (D 2 O), som inneholder tunge isotoper av hydrogen, er giftig eksempel (høy dose) for mange arter. Faktisk, på grunn av den store forskjellen i masse mellom isotopene, blir kinetikken til reaksjoner i vandig løsning betydelig redusert.

De mest bemerkelsesverdige isotoper av hydrogen er:

lett hydrogen eller protium 1 H, den mest utbredte (~ 99,98% naturlig hydrogen). Kjernen består ganske enkelt av en proton og har derfor ikke et nøytron . Det er en stabil isotop ;

den deuterium 2 H (eller D), mye mindre rikelig (0,0082 til 0,0184% av naturlig hydrogen, ~ 0,015% i gjennomsnitt). Kjernen består av en proton og en nøytron, den er også en stabil isotop. På jorden er det hovedsakelig til stede i form av deuterert vann HDO (semi-tungt vann);

den tritium 3 H (eller T) som er tilstede bare i små mengder i naturlig hydrogen (tritium atom 10 18 hydrogenatomer). Kjernen består av en proton og to nøytroner, den er radioaktiv og transformeres til 3 He ved emisjon av et elektron ( β - radioaktivitet ). 2 H og 3 H kan delta i kjernefusjonsreaksjoner . Den strålingsgiftighet av tritium er ansett for å være meget lav når det er til stede i MTO ( tritiert vann ) form, det er mindre kjent og mindre godt forstått når det er til stede i organisk form (studiene liggende motstridende resultater, eller svært variabel i henhold til deres protokoller eksperimentell). I det naturlige miljøet kan tritium ta plassen til protium i molekyler som inneholder hydrogen, inkludert i biologiske molekyler og til og med i DNA der det kan være årsaken til brudd i genetisk informasjon, mutasjoner eller cellulær apoptose . Ettersom tritium er en sjelden isotop, er konsentrasjonen i vann og vev generelt veldig lav (bortsett fra utilsiktet forurensning av menneskelig opprinnelse);

den quadrium eller tetradium 4 H (eller Q), den mest ustabile isotop av hydrogen (halveringstiden er ultra: 1,39 x 10 -22 sekunder). Den nedbrytes ved utslipp av nøytroner;

hydrogen 7 ( 7 H), den rikeste isotopen i nøytroner som noensinne er observert. Halveringstiden er i størrelsesorden 10 −21 sekunder.

Kjernefysisk fusjon

Hydrogen, som er til stede i store mengder i stjernenes hjerter, er en energikilde gjennom kjernefusjonsreaksjoner , som kombinerer to kjerner av hydrogenatomer (to protoner ) for å danne en atomkjerne. Helium . De to banene for denne naturlige kjernefysiske fusjonen er proton-protonkjeden , fra Eddington , og den katalytiske karbon-nitrogen-oksygen-syklusen , fra Bethe og von Weizsäcker .

Kjernefusjon utført i hydrogenbomber eller H-bomber gjelder mellomliggende isotoper av fusjon (hydrogen blir til helium), slik som det som foregår i stjerner: tunge isotoper av hydrogen, helium 3 , tritium, etc. Men i en H-bombe varer kjernefysiske reaksjoner bare noen få titalls nanosekunder, som bare tillater reaksjoner i et enkelt trinn. For å oppnå transformasjonen av hydrogen til helium er det imidlertid nødvendig med flere trinn, hvorav den første, reaksjonen til et proton, er veldig langsom.

Siden 2006 har ITER- prosjektet hatt som mål å verifisere "vitenskapelig og teknisk gjennomførbarhet av kjernefusjon som en ny energikilde ".

Det enkle hydrogenlegemet

Bortsett fra ved ekstremt lav (som i intergalaktiske plass ) eller meget høy (som i de sentrale delene av Jupiter og Saturn ) trykk , den eneste legeme er hydrogen består av H- 2 -molekyler ( dihydrogenfosfat ).

Ved ekstremt høyt trykk er hydrogen i en såkalt "mørk" tilstand, mellom mellom en gass og et metall. Det reflekterer ikke lys og overfører det ikke. Det blir også en veldig svak leder av elektrisitet. Det ligner på alkalimetallene som følger i gruppe 1 i det periodiske systemet .

Ved lavere trykk er hydrogen en monoatomisk gass .

Isomerisme

Den hydrogen -molekylet eksisterer i to kjernespinn isomerer : orto-hydrogen ( parallelle spinn ) og para-hydrogen (antiparallell spinn).

Hydrogengass

Under normale temperatur- og trykkforhold , som i de fleste tilstander av interesse i kjemi og Earth Sciences , er hydrogen, en molekylær gass med formelen H 2, hydrogen . Dihydrogen danner også enorme " molekylære skyer " i galakser , som er kilden til stjernedannelse .

Ved veldig lavt trykk og veldig høy temperatur er hydrogen en monoatomisk gass (derfor med formel H), dette er særlig tilfellet med interstellar eller intergalaktisk gass . På grunn av den uendelighet av disse mellomrom, og til tross for den meget lave tetthet av gassen, utgjør monoatomic hydrogen nesten 75% av den baryonic massen av universet .

Flytende hydrogen

Fast hydrogen

Fast hydrogen oppnås ved å senke temperaturen under smeltepunktet for hydrogen, lokalisert ved 14,01 K ( -259,14 ° C ). Fast tilstand ble først oppnådd i 1899 av James Dewar .

Metallisk hydrogen

Metallisk hydrogen er en fase av hydrogen som oppstår når den utsettes for veldig høyt trykk og veldig lave temperaturer . Dette er et eksempel på utartet materie . Noen mener at det er en rekke trykk (rundt 400 GPa ) der metallisk hydrogen er flytende , selv ved svært lave temperaturer.

Triatomisk hydrogen

Triatomic hydrogen er en meget ustabil allotropiske form av den enkle legeme hydrogen, med formelen H 3.

Kjemiske egenskaper og forbindelser

Ioner hydron H + , hydronium H 3 O + og hydrid H -

Hydrogenatomet kan miste sitt enkeltelektron for å gi H + -ionet , ofte referert til som protonet . Faktisk er det atom som har mistet sin eneste elektron redusert til sin kjerne, og i tilfellet med de mest tallrike isotopen 1 H, denne kjernen består bare av ett proton. Dette navnet er ikke helt korrekt hvis vi tar hensyn til tilstedeværelsen, om enn diskret (mindre enn 0,02%), av andre isotoper. Navnet hydron er mer generelt (vi sier også hydrogenion , til tross for mulig forveksling med anionet H - ). Radiusen er veldig liten: ca. 1,5 × 10 −15 m mot 5 × 10 −11 m for atomet.

I løsning eksisterer ikke protonen i fri tilstand, men er alltid bundet til et molekylets elektronsky. I vandig løsning blir det solvat av vannmolekyler; vi kan forenkle med tanke på at det blir fanget opp av et vannmolekyl H 2 O, Danner en “hydronium” H 3 O + ion , også kalt “oksonium” eller “hydroksonium”.

Hydrogenatomet kan også tilegne seg et andre elektron for å gi " hydrid " -ionet H - , noe som gir det samme stabile elektroniske prosesjon som heliumatomet .

Syre-base reaksjoner

Hydrogen spiller en primordial rolle i en syre-basereaksjon (i betydningen av Brønsted-Lowry-teorien ) siden sistnevnte formelt tilsvarer utvekslingen av et hydrogenion H + mellom to arter, den første ( syren ) frigjør H + ved bryte en kovalent binding, og den andre ( basen ) fanger denne H + ved å danne en ny kovalent binding:

{\ begin {matrix} {\ mbox {AH}} & + & {\ mbox {B}} & = & {\ mbox {A}} ^ {-} & + & {\ mbox {BH}} ^ {+ } \\ {\ mbox {acid1}} && {\ mbox {base2}} && {\ mbox {base1}} && {\ mbox {acid2}} \ end {matrix}}

Hydrogenbinding

Den hydrogen-binding er en elektrostatisk interaksjon mellom et hydrogenatom kjemisk bundet til en elektronegativ atom A, og en annen elektronegativt atom B (A og B som typisk er O , N eller F i organisk kjemi).

Denne bindingen spiller en viktig rolle i organisk kjemi, siden oksygenatomene O, nitrogen N eller fluor F er i stand til å danne hydrogenbindinger, men også i uorganisk kjemi, mellom alkoholer og metallalkoholater .

Kovalente forbindelser

Hydrogenatomet kan engasjere sitt eneste elektron for å danne en kovalent binding med mange ikke-metalliske atomer.

De mest kjente forbindelsene er:

den hydrogenmolekylet H 2 ;
den vannmolekylet H 2 O ;
C x H y hydrokarbonmolekyler .

Hydrogen er også til stede i alle organiske molekyler , hvor det hovedsakelig er bundet til karbon , oksygen og nitrogenatomer .

Hydrider

Hydrogen kombineres med de fleste andre grunnstoffer fordi det har en gjennomsnittlig elektronegativitet (2.2) og dermed kan danne forbindelser med metalliske eller ikke-metalliske elementer. Forbindelsene som det dannes med metaller kalles " hydrider ", der det finnes som H - ioner som vanligvis finnes i oppløsning. I forbindelser med ikke-metalliske elementer danner hydrogen kovalente bindinger , fordi H + -ionen har en sterk tendens til å assosiere seg med elektroner. I syrer i vandig oppløsning, H 3 O + -ioner dannes, kalles " hydronium " eller " oksonium " ioner , slik at kombinasjonen av proton og et vannmolekyl .

Aggresjon mot materialer

Hydrogen tærer på mange legeringssystemer ved å svekke dem. Dette kan føre til katastrofale feil, for eksempel av brenselceller eller visse katalytiske prosesser. Dette er et alvorlig problem for næringer som produserer eller bruker hydrogen. Det er fortsatt en hindring for produksjon, transport, lagring og bred bruk av dette produktet.

Den materialvitenskap forskning mer bestandige materialer til hydrogen sprøhet, men dette arbeidet er komplisert av vanskelighetene med å måle eller observere hydrogen og eksperimentelt på atomært skala. Chen et al. lyktes i 2017 i å observere den nøyaktige tre-dimensjonale (3D) fordeling av hydrogenatomer i stoff ved anvendelse av en ny tilnærming for å atom probe tomografi på grunnlag av deuterization , kryogen overføring og hensiktsmessige dataanalysealgoritmer

Toksisitet, økotoksisitet

Svært få studier ser ut til å ha blitt utført på disse fagene, muligens fordi levende organismer ikke antas å være utsatt for hydrogengass i naturen. Faktisk, da denne gassen er veldig lett, spres den raskt mot de veldig høye lagene i atmosfæren.

Når det gjelder toksisitet for mennesker, kan hydrogen absorberes i kroppen ved innånding. I et industrielt miljø eller i nærvær av en stor lekkasje kan en skadelig konsentrasjon av denne gassen (luktfri) i luften raskt nås (og også danne en eksplosiv blanding med luft, oksygen, halogener og all kraftig oksidasjonsmiddel, spesielt i tilstedeværelse av en metallisk katalysator slik som nikkel eller platina). Ved høye konsentrasjoner utsetter hydrogen mennesker for forverrede eksisterende lungeproblemer og anoksi, med symptomer som hodepine, ringe i ørene, svimmelhet, døsighet, bevissthetstap, kvalme, oppkast og depresjon. Alle sanser ” og en hud som kan få en blåaktig fargetone før kvelning hvis eksponeringen er langvarig.

Hydrogen er ennå ikke (2019) kjent for å være en kilde til mutagenisitet, embryotoksisitet, teratogenisitet eller reproduksjonstoksisitet.

Merknader og referanser

(fr) Denne artikkelen er delvis eller helt hentet fra Wikipedia-artikkelen på engelsk med tittelen " Solid hydrogen " ( se listen over forfattere ) .

(en) David R. Lide, CRC Handbook of Chemistry and Physics , CRC Press Inc,2009, 90 th ed. , 2804 s. , Innbundet ( ISBN 978-1-420-09084-0 )
IUPAC Commission on Isotopic Abundances and Atomic Weights gir: min: 1.00784 maks: 1.00811 gjennomsnitt: 1.007975 ± 0.000135.
(i) Beatriz Cordero Verónica Gómez, Ana E. Platero-Prats, Marc Revés Jorge Echeverría, Eduard Cremades, Flavia og Santiago Barragan Alvarez , " Covalent radii revisited " , Dalton Transactions ,2008, s. 2832 - 2838 ( DOI 10.1039 / b801115j )
Paul Arnaud, Brigitte JAMART, Jacques Bodiguel, Nicolas Brosse, Organisk kjemi 1 st syklus / License, PCEM, farmasi, Kurs, MCQ og applikasjoner , DUNOD,8. juli 2004, 710 s. , Myk omslag ( ISBN 2100070355 )
(in) Ionization Energies of Atoms and Atomic Ions , i CRC Handbook of Chemistry and Physics , 91 th ed. (Internett-versjon 2011), WM Haynes, red., CRC Press / Taylor & Francis, Boca Raton, FL., S. 10-203
(in) " HYDROGEN " på https://cameochemicals.noaa.gov
Paul Depovere, elementets periodiske system . Universets fundamentale under , De Boeck Supérieur ,2002, s. 103.
p. 6 Reginald H. Garrett, Charles M. Grisham og B. Lubochinsky ( overs. Bernard Lubochinsky), Biochimie , Paris, De Boeck University ,2000, 1292 s. ( ISBN 978-2-7445-0020-6 , OCLC 44434958 , merknad BnF n o FRBNF37106164 )
Vi finner også 332 mb i termiske nøytroner.
Annabelle Comte, CEA "tritium" radiotoksikologisk ark, versjon 12-2005.
G. Audi, O. Bersillon, J. Blachot og AH Wapstra, The NUBASE evaluering av nukleære og fallegenskaper , Nuclear Physics A , 729, 2003, s. 3, 27 , 128.
GM Ter-Akopian et al. , Hydrogen-4 og Hydrogen-5 fra t + t og t + d overføringsreaksjoner studert med en 57,5-MeV tritonstråle , Nuclear Physics in the 21st Century: International Nuclear Physics Conference INPC 2001 , American Institute of Physics Conference Proceedings, 610, s. 920-924 , DOI : 10.1063 / 1.1470062 .
CNRS, "Oppdagelse av hydrogen 7, det mest eksotiske kjernefysiske systemet noensinne observert" [PDF] , pressemelding 19. november 2007
(in) ITER-mål , iter.org-nettstedet.
" Optiske egenskaper for flytende hydrogen ved overgang til en ledende stat "
" Hydrogen " , på www.savoirs.essonne.fr
(in) D. Palmer , " Hydrogen in the Universe " , på NASA ,13. september 1997.
(en) kjennetegn ved fusjon og termofysiske egenskaper til fast hydrogen global (1972)
(in) Korrespondanse, notater, notatbøker og generelle artikler fra James Dewar .
James Dewar , " On størkningen av hydrogen ," Annals of Chemistry and Physics , 7 th serie, vol. 18,Oktober 1899, s. 145-150 ( les online )
(in) Ashcroft NW Hydrogenvæskene , J. Phys. A , 12, A129-137, 2000.
(in) Bonev, SA, Schwegler, E., Ogitsu, T. og Galli, G., A quantum fluid of metallic hydrogen suggéré by firstincip calculations , Nature , 431, 669, 2004.
(i) C. Bordas , PC Cosby og H. roret , " Måling av levetiden for metastabile triatomic hydrogen " , The Journal of Chemical Physics , vol. 93, n o 9,1 st november 1990, s. 6303-6309 ( ISSN 0021-9606 og 1089-7690 , DOI 10.1063 / 1.458999 , lest online , åpnet 26. november 2016 ).
Julie Cairney, "Atoms on the move - finding the hydrogen" ', Science , 17. mars 2017, vol. 355, n o 6330, s. 1128-1129 , DOI : 10.1126 / science.aam8616 ( abstrakt ).
(i) Chen et al. , “ Https://www.researchgate.net/publication/316827398_Chen_et_al_2017_STOTEN-supporting_information ” ( Arkiv • Wikiwix • Archive.is • Google • Hva skal jeg gjøre? ) , On ResearchGate , 2017 stoten-støttende informasjon (åpnet 3. juni 2017 )
LENNTECH, “Hydrogen - H; Kjemiske egenskaper til hydrogen - Helseeffekter av hydrogen - Miljøeffekter av hydrogen ” , på www.lenntech.com (åpnet 11. januar 2019)

Se også

Relaterte artikler

Eksterne linker

(no) “ Tekniske data for hydrogen ” (konsultert 23. april 2016 ) , med de kjente dataene for hver isotop på undersider.
( fr ) Bilder av hydrogen og dets isotoper i forskjellige former .
(no) 2001 - Egenskaper av fast hydrogen ved svært lave temperaturer .
(en) Faste hydrogeneksperimenter for atomdrivmidler .

1. 3

Hei

Være

IKKE

Født

Ikke relevant

Den

Eller

Ess

Jeg

Dette

Hadde

Lese

Din

Bein

På

Kunne

Nei

119

120

121

122

123

124

125

126

127

128

129

130

131

132

133

134

135

136

137

138

139

140

141

142

Alkali- metaller	Alkalisk jord	Lanthanides	Overgangs metaller	Dårlige metaller	metall loids	Ikke- metaller	halogen gener	Noble gasser	Varer uklassifisert
		Actinides
		Superaktinider