Hydrog??ne
?? propos de ce ??coles s??lection Wikipedia
Cette s??lection ??coles a ??t?? choisi par SOS Enfants pour les ??coles dans le monde en d??veloppement ne ont pas acc??s ?? Internet. Il est disponible en t??l??chargement intranet. Cliquez ici pour en savoir plus sur le parrainage d'enfants.
Hydrog??ne | |||||||||||||||||||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
1 H | |||||||||||||||||||||||||
| |||||||||||||||||||||||||
Apparence | |||||||||||||||||||||||||
gaz incolore Lueur pourpre dans son ??tat de plasma Raies spectrales de l'hydrog??ne | |||||||||||||||||||||||||
Propri??t??s g??n??rales | |||||||||||||||||||||||||
Nom, symbole, nombre | un atome d'hydrog??ne, H, 1 | ||||||||||||||||||||||||
Prononciation | / h aɪ r?? r ə dʒ ə n / -Jən de HY | ||||||||||||||||||||||||
??l??ment Cat??gorie | non m??talliques | ||||||||||||||||||||||||
Groupe, p??riode, bloc | 1 , 1, s | ||||||||||||||||||||||||
Poids atomique standard | 1,008 (1) | ||||||||||||||||||||||||
Configuration ??lectronique | 1s une 1 | ||||||||||||||||||||||||
Histoire | |||||||||||||||||||||||||
D??couverte | Henry Cavendish (1766) | ||||||||||||||||||||||||
Nomm?? par | Antoine Lavoisier (1783) | ||||||||||||||||||||||||
Propri??t??s physiques | |||||||||||||||||||||||||
Couleur | incolore | ||||||||||||||||||||||||
Phase | gaz | ||||||||||||||||||||||||
Densit?? | (0 ?? C, 101,325 kPa) 0,08988 g / L | ||||||||||||||||||||||||
Liquid densit?? au mp | 0,07 (0,0763 solide) g ?? cm -3 | ||||||||||||||||||||||||
Liquid densit?? ?? BP | 0,07099 g ?? cm -3 | ||||||||||||||||||||||||
Point de fusion | 14,01 K , -259,14 ?? C, -434,45 ?? F | ||||||||||||||||||||||||
Point d'??bullition | 20,28 K, -252,87 ?? C, -423,17 ?? F | ||||||||||||||||||||||||
Point triple | 13,8033 K (-259 ?? C), 7,042 kPa | ||||||||||||||||||||||||
Point critique | 32,97 K, 1,293 MPa | ||||||||||||||||||||||||
La chaleur de fusion | (H 2) 0,117 kJ ?? mol -1 | ||||||||||||||||||||||||
Chaleur de vaporisation | (H 2) 0,904 kJ ?? mol -1 | ||||||||||||||||||||||||
Capacit?? thermique molaire | (H 2) 28,836 J ?? mol -1 ?? K -1 | ||||||||||||||||||||||||
La pression de vapeur | |||||||||||||||||||||||||
| |||||||||||||||||||||||||
Propri??t??s atomiques | |||||||||||||||||||||||||
??tats d'oxydation | 1, -1 (Oxyde amphot??re) | ||||||||||||||||||||||||
??lectron??gativit?? | 2,20 (??chelle de Pauling) | ||||||||||||||||||||||||
??nergies d'ionisation | 1er: 1312,0 kJ ?? mol -1 | ||||||||||||||||||||||||
Rayon covalente | 31 ?? 17 heures | ||||||||||||||||||||||||
Rayon de Van der Waals | 120 h | ||||||||||||||||||||||||
Miscellan??es | |||||||||||||||||||||||||
Crystal structure | hexagonal | ||||||||||||||||||||||||
Ordre magn??tique | diamagn??tique | ||||||||||||||||||||||||
Conductivit?? thermique | 0,1805 W ?? m -1 ?? K -1 | ||||||||||||||||||||||||
Vitesse du son | (Gaz, 27 ?? C) 1310 m ?? s -1 | ||||||||||||||||||||||||
Num??ro de registre CAS | 1333-74-0 | ||||||||||||||||||||||||
La plupart des isotopes stables | |||||||||||||||||||||||||
Article d??taill??: Isotopes de l'hydrog??ne | |||||||||||||||||||||||||
| |||||||||||||||||||||||||
L'hydrog??ne est un ??l??ment chimique avec symbole H et de num??ro atomique 1. Avec un poids atomique de 1,007 9 4 u (1,007 8 25 u pour l'hydrog??ne-1 ), l'hydrog??ne est l'??l??ment le plus l??ger et sa forme monoatomique (H 1) est le plus substance chimique abondante, constituant environ 75% de l'Univers de masse baryonique. Non- r??siduelles ??toiles sont principalement compos??s d'hydrog??ne dans son plasma ??tat.
?? temp??rature et pression normales, est un atome d'hydrog??ne incolore, inodore, insipide, non-toxique, non m??tallique hautement combustible diatomic gaz avec le formule mol??culaire H 2. Naturellement de l'hydrog??ne atomique est rare sur la Terre parce que l'hydrog??ne forme facilement compos??s covalentes avec la plupart des ??l??ments non m??talliques et est pr??sent dans la mol??cule d'eau et dans la plupart des compos??s organiques . L'hydrog??ne joue un r??le particuli??rement important dans la chimie acide-base avec de nombreuses r??actions ??change de protons entre les mol??cules solubles.
En compos??s ioniques, il peut prendre une charge n??gative (un anion connu comme un et ??crit comme l'hydrure H -), ou comme une charge positive esp??ce H +. Cette derni??re cation est ??crit comme compos?? d'un proton nu, mais en r??alit??, les cations d'hydrog??ne dans compos??s ioniques se produisent toujours des esp??ces plus complexes.
Le plus commun des isotopes de l'hydrog??ne est protium (nom rarement utilis??, symbole 1 H) avec un seul proton et aucun neutrons . Comme l'atome le plus simple connu, le un atome d'hydrog??ne a ??t?? de l'utilisation th??orique. Par exemple, en tant que seul atome neutre avec une solution analytique pour la ??quation de Schr??dinger, l'??tude de l'??nerg??tique et la liaison de l'atome d'hydrog??ne a jou?? un r??le cl?? dans le d??veloppement de la m??canique quantique .
Le gaz hydrog??ne a ??t?? produit artificiellement dans le d??but du 16??me si??cle, par le m??lange des m??taux avec des acides forts. En 1766-1781, Henry Cavendish ??tait le premier ?? reconna??tre que le gaz d'hydrog??ne ??tait une substance discr??te, et qu'il produit de l'eau lorsqu'il est br??l??, une propri??t?? qui plus tard, il a donn?? son nom: en grec, l'hydrog??ne signifie ??eau-ancien".
La production industrielle est principalement de reformage ?? la vapeur du gaz naturel, et moins souvent de plus forte intensit?? ??nerg??tique des m??thodes de production d'hydrog??ne comme le ??lectrolyse de l'eau. La plupart hydrog??ne est utilis?? ?? proximit?? de son site de production, avec les deux plus grandes utilisations ??tant combustibles fossiles traitement (par exemple, hydrocraquage) et l'ammoniac production, principalement pour le march?? des engrais.
L'hydrog??ne est une pr??occupation dans la m??tallurgie comme il peut fragiliser de nombreux m??taux, ce qui complique la conception des pipelines et des r??servoirs de stockage.
Propri??t??s
Combustion
L'hydrog??ne gazeux (dihydrog??ne ou de l'hydrog??ne mol??culaire) est hautement inflammable et br??lera dans l'air ?? une tr??s large gamme de concentrations entre 4% et 75% en volume. Le enthalpie de combustion ?? l'hydrog??ne est -286 kJ / mol:
- 2 H 2 (g) + O 2 (g) → 2 H 2 O (l) + 572 kJ (286 kJ / mole)
formes de gaz d'hydrog??ne des m??langes explosifs avec l'air si elle est de 4 ?? 74% avec du chlore concentr?? et si elle est 5-95% concentr??. Les m??langes explosent spontan??ment par ??tincelle, chaleur ou au soleil. L'hydrog??ne temp??rature d'auto-allumage, la temp??rature de combustion spontan??e dans l'air, est de 500 ?? C (932 ?? F). Pures flammes hydrog??ne-oxyg??ne ??mettent ultraviolet lumi??re et sont presque invisibles ?? l'??il nu, comme illustr?? par le faible panache de la Navette spatiale Moteur principal par rapport au panache tr??s visible d'un Navette spatiale Rocket Booster solide. La d??tection d'une fuite d'hydrog??ne br??lant peut n??cessiter une d??tecteur de flamme; telles fuites peuvent ??tre tr??s dangereux. Le la destruction du dirigeable Hindenburg ??tait un exemple tristement c??l??bre de la combustion de l'hydrog??ne; la cause est d??battue, mais les flammes visibles ??taient le r??sultat d'un m??lange riche en hydrog??ne ?? l'oxyg??ne qui produit une flamme visible.
H 2 r??agit avec chaque ??l??ment oxydant. L'hydrog??ne peut r??agir spontan??ment et violemment ?? temp??rature ambiante avec du chlore et du fluor pour former les halog??nures d'hydrog??ne correspondant, du chlorure d'hydrog??ne et le fluorure d'hydrog??ne, qui sont ??galement potentiellement dangereux acides .
Les niveaux d'??nergie d'??lectrons
Le ??tat fondamental niveau de l'??lectron dans un atome d'hydrog??ne de l'??nergie est -13,6 eV, ce qui ??quivaut ?? un rayonnement ultraviolet photon d'environ 92 longueur d'onde nm.
Les niveaux d'hydrog??ne d'??nergie peuvent ??tre calcul??es en utilisant assez fid??lement la Mod??le de Bohr de l'atome, qui conceptualise l'??lectron comme "orbite" du proton par analogie avec l'orbite de la Terre du Soleil Cependant, la force ??lectromagn??tique attire les ??lectrons et de protons ?? l'autre, tandis que les plan??tes et les objets c??lestes sont attir??s les uns aux autres par gravit?? . En raison de la discr??tisation de moment angulaire postul?? au d??but de la m??canique quantique par Bohr, l'??lectron dans le mod??le de Bohr ne peut occuper certaines distances possibles ?? partir du proton, et donc que certaines ??nergies autoris??s.
Une description plus pr??cise de l'atome d'hydrog??ne provient d'un traitement m??canique purement quantique qui utilise le ??quation de Schr??dinger ou Feynman Int??grale de chemin pour calculer le densit?? de probabilit?? de l'??lectron autour du proton. Les traitements les plus complexes permettent pour les petits effets de la relativit?? restreinte et polarisation du vide. Dans le traitement de la m??canique quantique, l'??lectron dans un atome d'hydrog??ne ?? l'??tat du sol n'a pas de moment angulaire au All illustre ?? quel point le "orbite plan??taire" conception de mouvement des ??lectrons diff??re de la r??alit??.
Formes mol??culaires ??l??mentaires
Il existe deux diff??rentes isom??res de spin de l'hydrog??ne des mol??cules diatomiques qui diff??rent par le rapport rotation de leurs noyaux. Dans le orthohydrog??ne forme, les spins des deux protons sont parall??les et forment un ??tat triplet avec un nombre quantique de spin mol??culaire de 1 (?? + ??); dans le former parahydrog??ne les spins sont antiparall??les et forment un maillot avec un nombre quantique de spin mol??culaire de 0 (??-??). ?? temp??rature et pression standard, de l'hydrog??ne gazeux contient environ 25% de la forme para et 75% de la forme ortho, aussi connu comme la "forme normale". Le ratio d'??quilibre de orthohydrog??ne ?? parahydrog??ne d??pend de la temp??rature, mais parce que la forme est un ortho ??tat excit?? et a une ??nergie plus ??lev??e que la forme de para, il est instable et ne peut ??tre purifi??. ?? tr??s basse temp??rature, l'??tat d'??quilibre est compos?? presque exclusivement de la forme para. Les liquides et en phase gazeuse propri??t??s thermiques de parahydrog??ne pur diff??rent consid??rablement de celles de la forme normale en raison des diff??rences dans les capacit??s de chaleur de rotation, comme nous le verrons plus en d??tail dans isom??res de spin d'hydrog??ne. L'ortho / para distinction se produit ??galement dans d'autres mol??cules contenant de l'hydrog??ne ou des groupes fonctionnels, tels que l'eau et m??thyl??ne, mais est de peu d'importance pour leurs propri??t??s thermiques.
L'interconversion non catalys??e entre para et ortho H 2 augmente avec la temp??rature; H ainsi condens?? rapidement 2 contient de grandes quantit??s de la forme de l'ortho-haute ??nergie qui convertit la forme para tr??s lentement. Le rapport ortho / para de H 2 condens??e est une consid??ration importante dans la pr??paration et le stockage de l'hydrog??ne liquide: la conversion du para est ortho par rapport ?? exothermique et produit suffisamment de chaleur pour ??vaporer une partie du liquide d'hydrog??ne, conduisant ?? une perte de mati??re liqu??fi??e. Catalyseurs pour l'interconversion ortho-para, tels que l'oxyde ferrique, carbone platin??, l'amiante, les m??taux des terres rares, des compos??s d'uranium activ??s, l'oxyde de chrome, ou des compos??s de nickel, sont utilis??s pendant le refroidissement de l'hydrog??ne.
Phases
- Hydrog??ne comprim??
- L'hydrog??ne liquide
- Hydrog??ne p??teux
- Un atome d'hydrog??ne massif
- Hydrog??ne m??tallique
Compos??s
Covalente des compos??s organiques et
Alors que H 2 ne est pas tr??s r??actif dans des conditions standard, elle forment des compos??s avec la plupart des ??l??ments. L'hydrog??ne peut former des compos??s avec des ??l??ments qui sont plus ??lectron??gatif, tel que des halog??nes (par exemple, F, Cl, Br, I), ou l'oxyg??ne ; dans ces compos??s donneurs d'hydrog??ne prend une charge positive partielle. Lorsque li?? ?? un atome de fluor , de l'oxyg??ne ou de l'azote , de l'hydrog??ne peut participer ?? une forme de moyenne force liaison non covalente appel??e une liaison hydrog??ne, qui est essentielle ?? la stabilit?? de beaucoup de mol??cules biologiques. L'hydrog??ne se forme ??galement des compos??s avec des ??l??ments ??lectron??gatifs moins, comme les m??taux et m??tallo??des, dans lequel il prend une charge n??gative partielle. Ces compos??s sont souvent appel??s hydrures.
L'hydrog??ne forme une vaste gamme de compos??s avec le carbone appel?? hydrocarbures, et une gamme encore plus vaste avec h??t??roatomes que, en raison de leur association g??n??rale avec les choses de la vie, sont appel??s compos??s organiques . L'??tude de leurs propri??t??s est connu comme la chimie organique et leur ??tude dans le contexte de la vie organismes est connu comme la biochimie . Selon certaines d??finitions, compos??s "organiques" ne sont tenus de contenir du carbone. Cependant, la plupart d'entre eux contiennent ??galement de l'hydrog??ne, et parce que ce est la liaison carbone-hydrog??ne, qui donne ?? cette classe de compos??s la plupart de ses caract??ristiques chimiques particuli??res, liaisons carbone-hydrog??ne sont n??cessaires dans certaines d??finitions du mot ??biologique?? en chimie. Des millions de les hydrocarbures sont connus, et ils sont habituellement form??s par des voies de synth??se complexes, qui impliquent rarement hydrog??ne ??l??mentaire.
Hydrures
Compos??s d'hydrog??ne sont souvent appel??s hydrures, un terme qui est utilis?? assez l??che. Le terme ??hydrure?? indique que l'atome de H a acquis un caract??re n??gatif ou anionique, not??e H -, et est utilis?? lors de l'hydrog??ne forme un compos?? avec une plus ??l??ment ??lectropositif. L'existence de l'anion hydrure, sugg??r??e par Gilbert Lewis en 1916 pour le groupe I et II hydrures de type sel, a ??t?? d??montr??e par Moers en 1920 par l'??lectrolyse fondu de l'hydrure de lithium (LiH), produisant un la quantit?? stoechiom??trique d'hydrog??ne ?? l'anode. Pour hydrures autres que m??taux du groupe I et II, le terme est assez trompeuse, compte tenu du faible ??lectron??gativit?? d'hydrog??ne. Une exception dans le groupe des hydrures II est BeH 2, qui est polym??re. Dans l'hydrure de lithium aluminium , le AlH -
4 anion porte centres hydrur??s fermement attach??es ?? l'Al (III).
Bien que les hydrures peuvent ??tre form??s avec presque tous les ??l??ments de groupe principal, le nombre et la combinaison de compos??s possibles varient consid??rablement; par exemple, il ya plus de 100 hydrures de borane binaires connus, mais seulement un hydrure d'aluminium binaire. Binary indium hydrure n'a pas encore ??t?? identifi??, bien que de plus grands complexes existent.
En chimie inorganique , les hydrures peuvent ??galement servir de ligands de pontage qui pointent deux centres m??talliques dans un complexe de coordination. Cette fonction est particuli??rement fr??quente dans groupe 13 ??l??ments, en particulier dans boranes ( bore hydrures) et aluminium complexes, ainsi que dans cluster carboranes.
Les protons et les acides
L'oxydation de l'hydrog??ne et supprime son ??lectron donne H +, qui ne contient pas d'??lectrons et un noyau qui est g??n??ralement compos?? d'un proton. Ce est pourquoi H + est souvent appel?? un proton. Cette esp??ce est au centre de la discussion des acides . Sous le La th??orie de Bronsted-Lowry, acides sont donneurs de protons, tandis que les bases sont accepteurs de protons.
Un proton nu, H +, ne peut pas exister en solution ou en cristaux ioniques, en raison de son attraction irr??sistible ?? d'autres atomes ou des mol??cules avec des ??lectrons. Sauf ?? des temp??ratures ??lev??es associ??es ?? des plasmas, ces protons ne peuvent pas ??tre retir??s de la nuages d'??lectrons des atomes et des mol??cules, et restera attach?? ?? eux. Cependant, le terme ??protons?? est parfois utilis?? de fa??on impr??cise et m??taphorique pour d??signer charg?? positivement ou cationique hydrog??ne attach?? ?? d'autres esp??ces de cette fa??on, et comme tel est not??e ??H +?? sans aucune implication que les protons simples existent librement comme une esp??ce .
Pour ??viter l'implication de la nu "proton solvat??" en solution, les solutions aqueuses acides sont parfois consid??r??s comme contenant une esp??ce fictifs moins improbables, appel??s le " ion hydronium "(H 3 O +). Cependant, m??me dans ce cas, ces cations hydrog??ne solvat??es sont pens??s de fa??on plus r??aliste physiquement ??tre organis??s en groupes qui forment esp??ces pr??s de 9 H O +
4. Autres ions oxonium se trouvent quand l'eau est en solution avec d'autres solvants.
Bien exotique sur Terre, l'un des ions les plus courants dans l'univers est le H +
3 ions, connu sous le nom hydrog??ne mol??culaire proton?? ou le cation trihydrogen.
Isotopes
L'hydrog??ne a trois isotopes naturels, not??e 1 H, 2 H et 3 H. D'autres noyaux, tr??s instables (4 H ?? 7 H) ont ??t?? synth??tis??s en laboratoire mais pas observ?? dans la nature.
- 1 H est isotope de l'hydrog??ne le plus commun avec une abondance de plus de 99,98%. Parce que le noyau de cet isotope est constitu?? d'un seul proton, on lui donne le descriptif, mais rarement utilis?? nom officiel protium.
- 2 H, l'autre isotope stable de l'hydrog??ne, est connu sous le nom deut??rium et contient un proton et un neutron dans son noyau. Essentiellement, tous deut??rium dans l'univers est pens?? pour avoir ??t?? produite au moment du Big Bang , et a endur?? depuis ce temps. Le deut??rium est pas radioactif, et ne repr??sente pas un risque de toxicit?? significative. L'eau enrichie en deut??rium qui comprennent des mol??cules d'hydrog??ne ?? la place normale est appel??e eau lourde. Deut??rium et ses compos??s sont utilis??s comme un marqueur non radioactif dans des exp??riences chimiques et dans des solvants pendant 1 h - spectroscopie RMN . L'eau lourde est utilis??e comme mod??rateur de neutrons et de refroidissement pour les r??acteurs nucl??aires. Le deut??rium est aussi un carburant potentiel commercial la fusion nucl??aire.
- 3 H est connu que tritium et contient un proton et deux neutrons dans son noyau. Il est radioactif, se d??sint??grant en h??lium-3 par d??sint??gration b??ta avec une demi-vie de 12,32 ann??es. Il est si radioactif qui peut ??tre utilis?? dans peinture lumineuse, ce qui est utile dans des choses telles que les montres. Le verre emp??che la petite quantit?? de rayonnement de sortir. De petites quantit??s de tritium pr??sents naturellement en raison de l'interaction des rayons cosmiques avec les gaz atmosph??riques; tritium a ??galement ??t?? lib??r?? au cours de essais d'armes nucl??aires. Il est utilis?? dans les r??actions de fusion nucl??aire, en tant que traceur dans g??ochimie isotopique, et sp??cialis??e dans appareils autoaliment??s ??clairage. Le tritium est ??galement utilis?? dans les exp??riences de marquage chimiques et biologiques en tant que radioactif.
L'hydrog??ne est le seul ??l??ment qui a des noms diff??rents pour ses isotopes ?? usage commun aujourd'hui. Au cours de la premi??re ??tude de la radioactivit??, les diff??rents isotopes radioactifs lourds ont re??u leur nom, mais ces noms ne sont plus utilis??s, sauf pour le deut??rium et le tritium. Les symboles D et T (au lieu de 2 H et 3 H) sont parfois utilis??s pour le deut??rium et le tritium, mais le symbole correspondant pour protium, P, est d??j?? utilis?? pour le phosphore et ne est donc pas disponible pour protium. Dans ses nomenclature des lignes directrices, le Union internationale de chimie pure et appliqu??e permet tout de D, T, H 2, H 3 et ?? utiliser, bien que 2 H 3 et H, sont pr??f??r??s.
Histoire
D??couverte et utilisation
En 1671, Robert Boyle d??couvert et d??crit la r??action entre le fer et diluer les d??p??ts acides , ce qui r??sulte en la production d'hydrog??ne gazeux. En 1766, Henry Cavendish ??tait le premier ?? reconna??tre le gaz d'hydrog??ne comme une substance discr??te, en nommant le gaz ?? partir d'une r??action acide-m??tal "air inflammable". Il a sp??cul?? que ??air inflammable?? ??tait en fait identique ?? la substance hypoth??tique appel?? " phlogistique ??et autre conclusion en 1781 que le gaz produit de l'eau lorsqu'il est br??l??. Il est habituellement donn?? cr??dit pour sa d??couverte comme un ??l??ment. En 1783, Antoine Lavoisier a donn?? l'??l??ment le nom hydrog??ne (du grec ὕδρω hydro-dire les g??nes d'eau et γενῆς intentionn??s cr??ateur) quand lui et Laplace reproduit la conclusion de Cavendish que l'eau est produite lorsque l'hydrog??ne est br??l??.
Lavoisier produit l'hydrog??ne pour ses c??l??bres exp??riences sur la conservation de masse par r??action d'un flux de vapeur avec m??tallique de fer ?? travers un tube de fer ?? incandescence chauff?? dans un incendie. Oxydation ana??robie de fer par les protons de l'eau ?? haute temp??rature peut ??tre sch??matiquement repr??sent?? par l'ensemble des r??actions suivantes:
- Fe + H 2 O → FeO + H 2
- 2 Fe + 3 H 2 O → Fe 2 O 3 + 3 H 2
- 3 Fe + 4 H 2 O → Fe 3 O 4 + 4 H 2
De nombreux m??taux tels que le zirconium subissent une r??action similaire avec de l'eau conduisant ?? la production d'hydrog??ne.
L'hydrog??ne ??tait liqu??fi?? pour la premi??re fois par James Dewar en 1898 en utilisant refroidissement r??g??n??ratif et son invention, le fiole ?? vide. Il produit hydrog??ne solide l'ann??e suivante. Le deut??rium a ??t?? d??couvert en D??cembre 1931 par Harold Urey, et tritium a ??t?? pr??par?? en 1934 par Ernest Rutherford , Mark Oliphant, et Paul Harteck. L'eau lourde, qui se compose de deut??rium dans la place de l'hydrog??ne r??guli??re, a ??t?? d??couvert par le groupe de Urey en 1932. Fran??ois Isaac de Rivaz a construit le premier moteur ?? combustion interne aliment?? par un m??lange d'hydrog??ne et d'oxyg??ne en 1806. Edward Daniel Clarke a invent?? la sarbacane de gaz d'hydrog??ne en 1819. Le Briquet D??bereiner et projecteurs ont ??t?? invent??s en 1823.
La premi??re hydrog??ne remplis ballon a ??t?? invent?? par Jacques Charles en 1783. hydrog??ne fourni l'ascenseur pour la premi??re forme fiable de l'air-Voyage 1852 suite ?? l'invention du premier dirigeable ?? hydrog??ne soulev?? par Henri Giffard. Comte allemand Ferdinand von Zeppelin a promu l'id??e de dirigeables rigides lev??e par hydrog??ne qui plus tard ont ??t?? appel?? Zeppelins; dont la premi??re a eu son premier vol en 1900. Vols r??guliers a commenc?? en 1910 et par le d??clenchement de la Premi??re Guerre mondiale en Ao??t 1914, ils avaient r??alis?? 35 000 passagers sans incident grave. dirigeables ?? hydrog??ne lev?? ont ??t?? utilis??s comme plates-formes d'observation et des bombardiers pendant la guerre.
La premi??re travers??e de l'Atlantique sans escale a ??t?? faite par le dirigeable britannique R34 en 1919. service r??gulier de passagers repris dans les ann??es 1920 et la d??couverte de l'h??lium r??serves aux Etats-Unis ont promis une s??curit?? accrue, mais le gouvernement am??ricain a refus?? de vendre le gaz ?? cet effet. Par cons??quent, H 2 a ??t?? utilis?? dans la Hindenburg dirigeable, qui a ??t?? d??truit dans un incendie vol au-dessus New Jersey le 6 mai 1937. L'incident a ??t?? diffus?? en direct ?? la radio et film??. Inflammation d'une fuite d'hydrog??ne est largement suppos?? ??tre la cause, mais les enqu??tes ult??rieures a soulign?? l'allumage de la aluminis?? rev??tement de tissus par ??lectricit?? statique. Mais les dommages ?? la r??putation de l'hydrog??ne comme gaz de gonflage ??tait d??j?? fait.
Dans la m??me ann??e le premier turbog??n??rateur d'hydrog??ne refroidi est entr?? en service avec de l'hydrog??ne gazeux comme liquide de refroidissement dans le rotor et le stator en 1937 ?? Dayton, Ohio, par le Power & Light Co Dayton, en raison de la conductivit?? thermique de gaz d'hydrog??ne ce est le type le plus commun dans son domaine aujourd'hui.
Le la batterie nickel-hydrog??ne a ??t?? utilis?? pour la premi??re fois en 1977 ?? bord de la technologie de navigation du satellite-2 de l'US Navy (NTS-2). Par exemple, l' ISS , Mars Odyssey et de la Mars Global Surveyor sont ??quip??s de batteries nickel-hydrog??ne. Dans la partie sombre de son orbite, le t??lescope spatial Hubble est ??galement aliment?? par des batteries nickel-hydrog??ne, qui ont finalement ??t?? remplac??s en mai 2009, plus de 19 ans apr??s son lancement, et 13 ans au cours de leur dur??e de vie.
R??le dans la th??orie quantique
En raison de sa structure atomique relativement simple, ne comportant que l'un proton et un ??lectron, la atome d'hydrog??ne, ainsi que le spectre de la lumi??re produite ?? partir de ce ou absorb?? par celui-ci, est au centre de l'??laboration de la th??orie de atomique structure. En outre, la simplicit?? correspondant de la mol??cule d'hydrog??ne et le cation correspondant H 2 + a permis une compr??hension plus approfondie de la nature de la liaison chimique , qui a suivi peu de temps apr??s le traitement m??canique quantique de l'atome d'hydrog??ne a ??t?? d??velopp?? au milieu des ann??es 1920.
Un des premiers effets quantiques ?? explicitement remarqu?? (mais pas compris ?? l'??poque) ??tait une observation Maxwell impliquant l'hydrog??ne, un demi-si??cle avant la pleine th??orie quantique m??canique arriv??. Observer que la Maxwell la capacit?? thermique sp??cifique de H 2 se ??carte inexplicable de celle d'un gaz diatomique dessous de la temp??rature ambiante et on commence ?? ressembler de plus en plus celui d'un gaz monoatomique ?? des temp??ratures cryog??niques. Selon la th??orie quantique, ce comportement r??sulte de l'??cartement des (quantifi??es) les niveaux d'??nergie de rotation, qui sont particuli??rement large-espac??s dans H 2 en raison de sa faible masse. Ces niveaux largement espac??s inhibent partage ??gal de l'??nergie de la chaleur en mouvement de rotation dans l'hydrog??ne ?? basse temp??rature. Gaz diatomiques compos??es d'atomes plus lourds ne ont pas de tels niveaux largement espac??es et ne pr??sentent pas le m??me effet.
Occurrence naturelle
L'hydrog??ne, sous forme de H atomique, est la plus abondant ??l??ment chimique dans l'univers, constituant 75% du la mati??re normale par la masse et plus de 90% en nombre d'atomes (plus de la masse de l'univers, cependant, ne est pas sous la forme de produits chimiques de type ??l??ment question, mais plut??t de se produire est postul?? formes encore-non d??tect??s de masse tels que mati??re noire et ??nergie sombre). Cet ??l??ment se trouve en abondance dans les ??toiles et les g??antes gazeuses plan??tes. Les nuages mol??culaires de H 2 sont associ??s ?? la formation des ??toiles. L'hydrog??ne joue un r??le essentiel dans la mise sous tension ??toiles gr??ce r??action proton-proton et Cycle CNO la fusion nucl??aire.
Tout au long de l'univers, l'hydrog??ne se trouve principalement dans les atomiques et plasma Etats dont les propri??t??s sont tout ?? fait diff??rent de l'hydrog??ne mol??culaire. Comme un plasma, l'??lectron et du proton de l'hydrog??ne ne sont pas li??s entre eux, ce qui entra??ne une conductivit?? ??lectrique tr??s haute et haute ??missivit?? (production de la lumi??re du Soleil et d'autres ??toiles). Les particules charg??es sont fortement influenc??s par les champs magn??tiques et ??lectriques. Par exemple, dans le vent solaire dont ils interagissent avec la Terre magn??tosph??re donnant lieu ?? Courants de Birkeland et la aurora. L'hydrog??ne se trouve dans l'??tat atomique neutre dans le milieu interstellaire. La grande quantit?? d'hydrog??ne neutre trouv??s dans les syst??mes Lyman-alpha amorties est pens?? pour dominer la densit?? baryonique cosmologique de l' Univers jusqu'?? redshift z = 4.
Dans les conditions ordinaires de la Terre, l'hydrog??ne ??l??mentaire existe que le gaz diatomique, H 2 (voir les donn??es de la table). Cependant, le gaz d'hydrog??ne est tr??s rare dans l'atmosph??re de la Terre (une ppm par volume) en raison de son poids l??ger, ce qui lui permet de ??chapper ?? la gravit?? terrestre plus facilement que les gaz plus lourds. Cependant, l'hydrog??ne est le troisi??me ??l??ment le plus abondant sur la surface de la Terre, la plupart du temps sous la forme de compos??s chimiques tels que hydrocarbures et de l'eau. De l'hydrog??ne gazeux est produit par des bact??ries et des algues et est un composant naturel de flatulences, comme ce est le m??thane , elle-m??me une source d'importance croissante d'hydrog??ne.
Une forme mol??culaire appel?? hydrog??ne mol??culaire proton??e (H + 3) se trouve dans le milieu interstellaire, o?? il est g??n??r?? par l'ionisation de l'hydrog??ne mol??culaire ?? partir de les rayons cosmiques. Ce ion charg?? a ??galement ??t?? observ?? dans la haute atmosph??re de la plan??te Jupiter . L'ion est relativement stable dans l'environnement de l'espace en raison de la basse temp??rature et de la densit??. H 3 + est l'un des ions les plus abondants dans l'Univers, et il joue un r??le notable dans la chimie du milieu interstellaire. Neutre triatomique hydrog??ne H 3 ne peut exister que sous une forme excit?? et est instable. En revanche, le positif ion mol??culaire de l'hydrog??ne (H 2 +) est une mol??cule rare dans l'univers.
Production
H 2 est produit dans la chimie et de biologie, souvent comme un sous-produit d'autres r??actions; dans l'industrie pour l' hydrog??nation de substrats insatur??s; et dans la nature en tant que moyens d'expulsion r??duire ??quivalents dans les r??actions biochimiques.
Laboratoire
Dans le laboratoire, H 2 est habituellement pr??par?? par la r??action d'dilu??e acides non oxydant sur certains m??taux r??actifs tels que le zinc avec L'appareil de Kipp.
- Zn + 2 H + → Zn 2+ + H 2
Aluminium peut ??galement produire H 2 lors d'un traitement avec des bases:
- 2 Al + 6 H 2 O + 2 OH - → 2 Al (OH) -
4 + 3 H 2
Le ??lectrolyse de l'eau est une m??thode simple de production d'hydrog??ne. Un courant de faible tension est ex??cut??e ?? travers l'eau, et les formes de l'oxyg??ne gazeux ?? la anode tandis que les formes de l'hydrog??ne gazeux ?? la cathode. Typiquement, la cathode est faite de platine ou autre m??tal inerte lors de la production de l'hydrog??ne pour le stockage. Si, cependant, le gaz doit ??tre br??l?? sur place, l'oxyg??ne est souhaitable pour aider la combustion, et donc les deux ??lectrodes serait faite ?? partir de m??taux inertes. (Fer, par exemple, serait se oxyder, et ainsi diminuer la quantit?? d'oxyg??ne qui se d??gage.) L'efficacit?? th??orique maximale (de l'??lectricit?? utilis??e par rapport ?? la valeur ??nerg??tique de l'hydrog??ne produit) est de l'ordre de 80 ?? 94%.
- 2 H 2 O (l) → 2 H 2 (g) + O 2 (g)
En 2007, il a ??t?? d??couvert que l'alliage d'aluminium et de gallium sous forme de granul??s ajout?? ?? l'eau pourrait ??tre utilis??e pour produire de l'hydrog??ne. Le proc??d?? cr??e aussi de l'alumine , mais le gallium co??teux, ce qui emp??che la formation d'une pellicule d'oxyde sur les pastilles, peut ??tre r??utilis??. Ceci a des implications potentielles importantes pour une ??conomie de l'hydrog??ne, que l'hydrog??ne peut ??tre produit sur place et n'a pas besoin d'??tre transport??s.
Industriel
L'hydrog??ne peut ??tre pr??par?? de plusieurs mani??res diff??rentes, mais ??conomiquement processus les plus importants impliquent l'??limination de l'hydrog??ne ?? partir d'hydrocarbures. L'hydrog??ne en vrac commerciale est g??n??ralement produit par la reformage ?? la vapeur du gaz naturel . A des temp??ratures ??lev??es (1000-1400 K, 700-1100 ou 1300-2000 ?? C ?? F), la vapeur (vapeur d'eau) r??agit avec le m??thane pour donner du monoxyde de carbone et de H 2.
- CH 4 + H 2 O → CO + 3 H 2
Cette r??action est favoris??e ?? basse pression, mais est n??anmoins men?? ?? des pressions ??lev??es (2,0 MPa, 20 atm ou 600 inHg). Ce est parce que haute pression H 2 est le produit le plus commercialisable et Pressure Swing Adsorption (PSA) syst??mes de purification fonctionnent mieux ?? des pressions sup??rieures. Le m??lange de produit est connu comme " gaz de synth??se ", car elle est souvent utilis??e directement pour la production de m??thanol et de compos??s apparent??s. Les hydrocarbures autres que le m??thane peuvent ??tre utilis??es pour produire du gaz de synth??se avec des rapports variables de produits. L'une des nombreuses complications ?? cette technologie hautement optimis?? est la formation de coke ou de carbone:
- CH 4 → C + 2 H 2
Par cons??quent, reformage ?? la vapeur g??n??ralement emploie un exc??s de H 2 O. Hydrog??ne suppl??mentaire peut ??tre r??cup??r?? ?? partir de la vapeur par utilisation d'oxyde de carbone ?? travers le r??action de d??placement du gaz ?? l'eau, surtout avec un catalyseur d'oxyde de fer. Cette r??action est ??galement une source industrielle commune de dioxyde de carbone :
- CO + H 2 O → CO 2 + H 2
Autres m??thodes importantes pour H 2 production comprennent l'oxydation partielle d'hydrocarbures:
- 2 CH 4 + O 2 → 2 CO + 4 H 2
et la r??action de charbon, qui peut servir de pr??lude ?? la r??action de d??placement ci-dessus:
- C + H 2 O → CO + H 2
L'hydrog??ne est parfois produite et consomm??e dans le m??me processus industriel, sans ??tre s??par??s. Dans le Proc??d?? Haber pour la la production de l'ammoniac, de l'hydrog??ne est g??n??r?? ?? partir du gaz naturel. L'??lectrolyse de de la saumure pour donner du chlore produit ??galement de l'hydrog??ne en tant que co-produit.
Thermochimique
Il existe plus de 200 cycles thermochimiques qui peuvent ??tre utilis??s pour d??composition de l'eau, autour d'une douzaine de ces cycles comme le cycle de l'oxyde de fer, cycle de c??rium (IV) oxyde de c??rium (III) de l'oxyde, cycle de zinc-oxyde de zinc, cycle de soufre-iode, cuivre-chlore et le cycle cycle du soufre hybride sont l'objet de recherches et en essai de phase pour produire de l'hydrog??ne et l'oxyg??ne de l'eau et de la chaleur sans utiliser l'??lectricit??. Un certain nombre de laboratoires (y compris en France, Allemagne, Gr??ce, Japon et Etats-Unis) sont au point des m??thodes thermochimiques de production d'hydrog??ne ?? partir de l'??nergie solaire et de l'eau.
Corrosion ana??robie
Dans des conditions ana??robies, le fer et les alliages d'acier sont lentement oxyd??s par les protons de l'eau de fa??on concomitante r??duit ?? l'hydrog??ne mol??culaire (H 2). Le corrosion ana??robie de fer conduit d'abord ?? la formation de hydroxyde ferreux (rouille verte) et peut ??tre d??crite par la r??action suivante:
- Fe + 2 H 2 O → Fe (OH) 2 + H 2
A son tour, dans des conditions ana??robies, la l'hydroxyde ferreux (Fe (OH) 2) peut ??tre oxyd?? par les protons de l'eau pour former la magn??tite et de l'hydrog??ne mol??culaire. Ce proc??d?? est d??crit par la Schikorr r??action:
- 3 Fe (OH) 2 → Fe 3 O 4 + H 2 O 2 + H 2
- hydroxyde ferreux → magn??tite + eau + hydrog??ne
La magnetite ainsi cristallis?? (Fe 3 O 4) est thermodynamiquement plus stable que l'hydroxyde ferreux (Fe (OH) 2).
Ce processus se produit au cours de la corrosion ana??robie de fer et de l'acier en sans oxyg??ne et l'eau souterraine dans la r??duction de sols en dessous de la nappe phr??atique.
Occurrence g??ologique: la r??action de serpentinisation
En l'absence d'oxyg??ne atmosph??rique (O 2), dans des conditions qui pr??valent en couches g??ologiques profondes loin de l'atmosph??re terrestre, de l'hydrog??ne (H 2) est produit au cours du processus de serpentinisation par l'oxydation ana??robie par les protons de l'eau (H +) de la ferreux (Fe 2+) de silicate pr??sente dans le r??seau cristallin du fayalite (Fe 2 SiO 4, le olivine fer poles). La r??action correspondant conduisant ?? la formation de la magn??tite (Fe 3 O 4), le quartz (SiO 2) et d'hydrog??ne (H 2) est le suivant:
- 3 Fe 2 SiO 4 + 2 H 2 O → 2 Fe 3 O 4 + 3 SiO 2 + 3 H 2
- fayalite + eau → magn??tite + quartz + hydrog??ne
Cette r??action ressemble ??troitement ?? la r??action de Schikorr observ?? dans l'oxydation ana??robie de la hydroxyde ferreux en contact avec de l'eau.
Formation dans les transformateurs
De tous les gaz de d??faut form??s au pouvoir transformateurs, de l'hydrog??ne est le plus courant et est g??n??r??e sous la plupart des conditions de d??faut; Ainsi, la formation d'hydrog??ne est une indication pr??coce de probl??mes graves dans le cycle de vie du transformateur.
Applications
Consommation dans les processus
De grandes quantit??s de H 2 sont n??cessaires dans les industries p??troli??res et chimiques. L'application la plus importante de H 2 est de traitement ("mise ?? jour") de combustibles fossiles, et dans la production de l'ammoniac . Les principaux consommateurs de H 2 dans l'usine p??trochimique comprennent hydrod??salkylation, hydrod??sulfuration, et hydrocraquage. H 2 a plusieurs autres utilisations importantes. H 2 est utilis?? comme un agent d'hydrog??nation, en particulier en augmentant le niveau de saturation des graisses insatur??es et huiles (trouv?? dans des articles tels que la margarine), et dans la production de methanol . Il est de m??me la source d'hydrog??ne dans la fabrication de l'acide chlorhydrique . H 2 est ??galement utilis?? en tant que l'agent de r??duction m??tallique minerais.
L'hydrog??ne est tr??s soluble dans de nombreux terre rares et m??taux de transition et est soluble ?? la fois dans et nanocristallin m??taux amorphes. Hydrog??ne solubilit?? dans les m??taux est influenc??e par des distorsions locales ou impuret??s dans le r??seau cristallin.Ces propriétés peuvent être utiles lorsque l'hydrogène est purifié par passage à travers chaudespalladiumdisques, mais forte solubilité du gaz est un problème métallurgique, de contribuer à lafragilisation de nombreux métaux, ce qui complique la conception des pipelines et des réservoirs de stockage.
En dehors de son utilisation en tant que réactif, H 2 a de larges applications en physique et en ingénierie. Il est utilis?? en tant que gaz de protection en soudage des méthodes telles que le soudage d'hydrogène atomique. H 2 est utilisé comme liquide de refroidissement du rotor en générateurs électriques à des centrales électriques, car il a la plus grande conductivité thermique de tout gaz. Liquid H 2 est utilisé dans la recherche cryogénique, y compris la supraconductivité études. Parce que H 2 est plus léger que l'air, ayant un peu plus de 1 / 15 de la densité de l'air, il a été autrefois largement utilisé comme gaz de levage dans des ballons et dirigeables .
Dans les applications plus récentes, l'hydrogène est utilisé pur ou en mélange avec de l'azote (parfois appelé gaz de formation) en tant que gaz traceur pour la détection des fuites minute. Les applications peuvent être trouvés dans les industries automobile, chimique, production d'électricité, de l'aérospatiale et des télécommunications. L'hydrogène est un additif alimentaire autorisé (E 949) qui permet les tests de fuite de l'emballage alimentaire, entre autres propriétés anti-oxydant.
Isotopes rares de l'hydrogène sont également dotées d'applications spécifiques.deutérium (hydrogène-2) est utilisé dansdes applications de la fission nucléaire commemodérateur pour ralentirles neutrons, et les r??actions de fusion nucl??aire.de composés de deutérium avoir des applications dans la chimie et de la biologie dans les études de réactioneffets isotopiques.tritium (hydrogène-3 ), produit dansles réacteurs nucléaires, est utilisé dans la production debombes à hydrogène, comme un marqueur isotopique dans les sciences biologiques, et en tant quesource de rayonnement lumineux dans les peintures.
Le triple température du point d'équilibre de l'hydrogène est un point fixe sur la définitionéchelle de température ITS-90 à 13,8033kelvins.
Liquide de refroidissement
L'hydrogène est couramment utilisé dans les centrales électriques comme liquide de refroidissement dans les générateurs en raison d'un certain nombre de propriétés favorables qui sont une conséquence directe de ses molécules diatomiques lumière. Ceux-ci comprennent une faible densité , une faible viscosité, et la plus élevée chaleur sp??cifique et conductivité thermique de tous les gaz.
support de l'énergie
L'hydrogène est pas une ressource d'énergie, sauf dans le contexte hypothétique commerciales centrales de fusion nucléaire à l'aide de deutérium ou tritium, une technologie actuellement loin de développement. L'énergie du Soleil provient de la fusion nucléaire de l'hydrogène, mais ce processus est difficile à réaliser de manière contrôlée sur la Terre. Hydrogène élémentaire à partir de sources solaires, biologiques, ou électriques nécessitent plus d'énergie pour faire que ce qui est obtenue par la combustion, donc dans ces fonctions cas de l'hydrogène comme vecteur d'énergie, comme une batterie. L'hydrogène peut être obtenu à partir de sources fossiles (comme le méthane), mais ces sources ne sont pas viables.
Le la densité d'énergie par unité de volume à la fois de l'hydrogène liquide et l'hydrogène gazeux comprimé à une pression possible est significativement inférieure à celle des sources de carburant traditionnelles, bien que la densité d'énergie par unité de carburant de masse est plus élevé. Néanmoins, l'hydrogène élémentaire a été largement discuté dans le contexte de l'énergie, comme un possible futur support de l'énergie à l'échelle de l'économie. Par exemple, CO 2 séquestration suivie de la capture et du stockage du carbone pourrait être menée au point de H 2 production à partir de combustibles fossiles. L'hydrogène utilisé dans les transports brûlerait relativement propre, avec quelques NO X émissions, mais sans émissions de carbone. Toutefois, les coûts d'infrastructure associés à la conversion complète vers une économie de l'hydrogène seraient considérables.
industrie des semi-conducteurs
Hydrogène est utilisé pour saturer cassées ("pendantes") des obligations de silicium amorphe et carbone amorphe qui permet de stabilisation des propriétés des matériaux. Il est également un potentiel donneur d'électrons dans divers matériaux d'oxydes, notamment ZnO, SnO 2 , CdO, MgO, ZrO 2 , HfO 2 , La 2 O 3 , Y 2 O 3 , TiO 2 , SrTiO 3 , LaAlO 3 , SiO 2 , Al 2 O 3 , ZrSiO 4 , HfSiO 4 , et SrZrO 3 .
Réactions biologiques
H 2 est un produit de certains types de métabolisme anaérobie et est produite par plusieurs micro-organismes, le plus souvent par des réactions catalysées par le fer - ou nickel contenant enzymes appel??s hydrogénases. Ces enzymes catalysent l'réversible réaction d'oxydoréduction entre H 2 et ses composants deux protons et deux électrons. Création d'hydrogène gazeux se produit dans le transfert des équivalents réducteurs produits au cours de pyruvate fermentation à l'eau.
séparation de l'eau, dans lequel de l'eau est décomposée en ses composants protons, les électrons, et de l'oxygène, se produit dans les réactions claires dans toutes les photosynthétiques organismes. Certains de ces organismes, y compris l'algue Chlamydomonas reinhardtii et les cyanobactéries, ont évolué dans une deuxième étape, les réactions sombres, dans lequel les protons et les électrons sont réduits pour former H 2 en gaz hydrogénases spécialisés dans le chloroplaste. Des efforts ont été entrepris pour modifier génétiquement des hydrogénases de cyanobactéries pour synthétiser efficacement H 2 gaz, même en présence d'oxygène. Des efforts ont également été entrepris avec génétiquement modifié algue dans un bioréacteur.
Sécurité et précautions
Hydrogène pose un certain nombre de dangers pour la sécurité humaine, de potentiels détonations et les feux lorsqu'il est mélangé avec l'air d'être un asphyxiant dans son pur oxygène forme exempt. En outre, l'hydrogène liquide est un cryogène et présente des dangers (tels que des gelures) associés avec des liquides très froids. L'hydrogène se dissout dans de nombreux métaux, et, en plus de fuite, peuvent avoir des effets néfastes sur les, telles que la fragilisation par l'hydrogène, ce qui conduit à des fissures et des explosions. Hydrogène fuite de gaz dans l'air extérieur peut enflammer spontanément. En outre, le feu d'hydrogène, tout en étant extrêmement chaud, est presque invisible, et peut donc conduire à des brûlures accidentelles.
Même l'interprétation des données d'hydrogène (y compris les données de sécurité) est confondu par un certain nombre de phénomènes. De nombreuses propriétés physiques et chimiques de l'hydrogène dépend du rapport parahydrogène / de orthohydrogène (il faut souvent des jours ou des semaines à une température donnée pour atteindre le rapport d'équilibre, pour laquelle les données sont généralement mentionné). paramètres de détonation de l'hydrogène, tels que la pression et la température critique de détonation, dépendent fortement de la géométrie du récipient.