Histoire de l'hydrogène, structure, propriétés et utilisations

Il hydrogène C'est un élément chimique qui est représenté par le symbole H. Son atome est le plus petit de tous et c'est avec lequel commence le tableau périodique, peu importe où il est positionné. Il se compose d'un gaz incolore composé de molécules diatomiques de H₂, et non pour les atomes isolés de H; Comme avec les gaz nobles, il, NE, AR, entre autres.

De tous les éléments, c'est peut-être le plus emblématique et le plus mis en évidence, non seulement pour ses propriétés dans des conditions terrestres ou drastiques, mais pour son immense abondance et variété de ses composés. L'hydrogène est un gaz, bien que inerte en l'absence de feu, inflammable et dangereux; Pendant que l'eau, H₂Ou, c'est le solvant et la vie universels.

Cylindres rouges utilisés pour stocker l'hydrogène. Source: Famartin [CC BY-SA 4.0 (https: // CreativeCommons.Org / licences / by-sa / 4.0)]

En soi, l'hydrogène ne montre aucune particularité visuelle qui vaut la peine d'être admirée, étant simplement un gaz qui est stocké dans des cylindres rouges ou des centres. Cependant, ce sont ses propriétés et leur capacité à être liées à tous les éléments, qui reviennent à l'hydrogène spécial. Et tout cela, bien qu'il ait seulement un électron de Valence.

Si l'hydrogène n'est pas stocké dans leurs cylindres respectifs, il échapperait à l'espace tandis qu'une grande partie réagit dans l'ascension. Et même s'il a une très faible concentration dans l'air que nous respirons, en dehors de la terre et dans le reste de l'univers, c'est l'élément le plus abondant, étant dans les étoiles et considéré comme son unité de construction.

Sur terre, en revanche, il représente environ 10% de sa masse totale. Pour visualiser ce que cela signifie, il faut considérer que la surface de la planète est pratiquement recouverte d'océans et que l'hydrogène se trouve dans les minéraux, dans l'huile d'huile et dans tout composé organique, en plus de faire partie de tous les êtres vivants.

Comme le carbone, toutes les biomolécules (glucides, protéines, enzymes, ADN, etc.) Ils ont des atomes d'hydrogène. Par conséquent, il existe de nombreuses sources pour l'extraire ou la produire; Cependant, peu représentent des méthodes de production vraiment rentables.

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Histoire

Identification et nom

Bien qu'en 1671, Robert Boyle soit témoin pour la première fois qu'un gaz qui s'est formé lorsque les fichiers de fer réagissent avec les acides, était le scientifique britannique Henry Cavendish, en 1766, qui l'a identifié comme une nouvelle substance; "L'air inflammable".

Cavendish a découvert que lorsque cet air inflammable présumé brûlait, de l'eau a été générée. Sur la base de ses travaux et de ses résultats, le chimiste français Antoine Lavoisier a donné à ce gaz le nom de l'hydrogène en 1783. Etymologiquement, sa signification dérive des mots grecs «hydro» et «gènes»: Formateur d'eau.

Électrolyse et carburant

Peu de temps après, en 1800, les scientifiques américains William Nicholson et Sir Anthony Carlisle ont découvert que l'eau peut se décomposer en hydrogène et en oxygène; avait trouvé l'électrolyse d'eau. Par la suite, E 1838, le chimiste suisse Christian Friedrich Schoenbein a présenté l'idée de profiter de la combustion d'hydrogène pour produire de l'électricité.

La popularité de l'hydrogène était tellement que même l'écrivain Julio Verne l'a qualifié de carburant de l'avenir dans son livre L'île mystérieuse (1874).

Isolement

En 1899, le chimiste écossais James Dewar a été le premier à isoler l'hydrogène comme gaz liquéfié, étant lui-même qui pouvait le refroidir suffisamment pour l'obtenir dans sa phase solide.

Deux canaux

À partir de ce moment, l'histoire de l'hydrogène présente deux canaux. D'une part, son développement dans le domaine des carburants et des batteries; Et de l'autre, la compréhension de la structure de son atome et de la façon dont il représentait l'élément qui a ouvert les portes à la physique quantique.

Structure et configuration électroniques

Molécule d'hydrogène diatomique. Source: Benjah-Bmm27 [domaine public]

Les atomes d'hydrogène sont très petits et ont à peine un électron pour former des liaisons covalentes. Lorsque deux de ces atomes se réunissent, ils donnent naissance à une molécule diatomique, H₂; C'est l'hydrogène moléculaire à gaz (image supérieure). Chaque sphère blanche correspond à un atome H individuel et à la sphère globale aux orbitales moléculaires.

Ainsi, l'hydrogène se compose vraiment de molécules H₂ Très petit qui interagit à travers les forces de dispersion de Londres, car ils manquent d'un moment dipolaire pour être homonucléaire. Par conséquent, ils sont très "agités" et se propagent rapidement dans l'espace car il n'y a pas de forces intermoléculaires fortes pour les ralentir.

La configuration électronique de l'hydrogène est simplement 1¹. Cette orbitale, 1S, est le produit de la résolution de la célèbre équation de Schrödinger pour l'atome hydrogénoïde. En h₂ Selon la théorie des orbitales moléculaires (Tom), deux orbitales 1.

Ces orbitales permettent ou expliquent l'existence d'ions₂⁺ ou h₂^-; Cependant, la chimie de l'hydrogène est définie dans des conditions normales par H₂ ou les ions h⁺ ou h^-.

Nombres d'oxydation

À partir de la configuration électronique pour l'hydrogène, 1¹, Il est très facile de prédire ses éventuels nombres d'oxydation; Étant donné, bien sûr, que les 2 orbitaux de plus grande énergie ne sont pas disponibles pour les liens chimiques. Ainsi, à l'état basal, l'hydrogène a un nombre d'oxydation de 0, H⁰.

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Si vous perdez votre seul électron, l'orbital 1s est vide et le cation ou l'ion hydrogène se forme, h⁺, d'une grande mobilité dans presque tous les moyens liquides; en particulier l'eau. Dans ce cas, son numéro d'oxydation est +1.

Et car lorsque l'inverse se produit, c'est-à-dire en gagnant un électron, l'orbital aura désormais deux électrons et sera 1². Alors le nombre d'oxydation est -1 et correspond à l'anion hydrure, H^-. Il convient de noter que H^- Il est isoléctronique à l'hélium de gaz noble, il; c'est-à-dire que les deux espèces ont le même nombre d'électrons.

En résumé, les nombres d'oxydation de l'hydrogène sont: +1, 0 et -1 et la molécule H₂ compte comme s'ils avaient deux atomes d'hydrogène h⁰.

Phases

La phase préférée de l'hydrogène, au moins dans des conditions terrestres, est le soda, pour les raisons précédemment énoncées. Cependant, lorsque les températures diminuent dans l'ordre de -200 ºC, ou si la pression augmente des centaines de milliers de fois que l'atmosphère, l'hydrogène peut se condenser ou se cristalliser en phase liquide ou solide, respectivement.

Dans ces conditions, les molécules H₂ Ils peuvent s'aligner sur différentes façons de définir les modèles structurels. Les forces de dispersion de Londres deviennent désormais hautement directionnelles et, par conséquent, les géométries ou les symétries adoptées par les pairs apparaissent₂.

Par exemple, deux hSSE H₂, C'est comme écrire (h₂)₂ définir un carré symétrique ou asymétrique. Pendant ce temps, trois paires h₂, ou (h₂)₃ Ils définissent un hexagone, très similaire à ceux du carbone en cristaux de graphite. En fait, cette phase hexagonale est la principale ou la plus stable pour l'hydrogène solide.

Mais que se passe-t-il si le solide était composé non pas des molécules mais de H? Ensuite, nous traitons de l'hydrogène métallique. Ces atomes H, se souvenant des sphères blanches, peuvent définir à la fois une phase liquide et un solide métallique.

Propriétés

Apparence physique

L'hydrogène est un gaz incolore, inodore et insipide. Par conséquent, s'il y a une fuite représente un risque d'explosion.

Point d'ébullition

-253 ºC.

Point de fusion

-259 ºC.

Point d'allumage et stabilité

En pratique, il explose à n'importe quelle température s'il y a une étincelle ou une source de chaleur près du gaz, même la lumière du soleil peut tirer de l'hydrogène. Cependant, tant qu'il est bien stocké, c'est un peu de gaz réactif.

Densité

0,082 g / L. Est 14 fois plus léger que l'air.

Solubilité

1,62 mg / L à 21 ºC dans l'eau. C'est, en termes généraux, insoluble dans la plupart des liquides.

La pression de vapeur

1,24 · 10⁶ mmhg à 25 ºC. Cette valeur donne une idée de la fermeture des cylindres à hydrogène pour empêcher le gaz de s'échapper.

Température d'auto-direction

560VºC.

Électronégativité

2.20 sur l'échelle Pauling.

Chaleur de combustion

-285,8 kJ / mol.

Chaleur de vaporisation

0,90 kJ / mol.

Chaleur de fusion

0,117 kJ / mol.

Isotopes

L'atome d'hydrogène "normal" est la protio, ¹H, qui représente environ 99,985% de l'hydrogène. Les deux autres isotopes de cet élément sont le deutérium, ²H, et le tritium, ³H. Ceux-ci diffèrent dans le nombre de neutrons; Le deutérium a un neutron, tandis que le tritio en a deux.

Isomères d'épines

Il existe deux types d'hydrogène moléculaire, H₂: Ortho et pour. Dans les premiers, les deux spins (du proton) des atomes H sont orientées vers la même direction (elles sont parallèles); Tandis que dans le second, les deux tours sont dans des directions opposées (elles sont antiparallèles).

L'hydrogène-FOR est le plus stable des deux isomères; Mais en augmentant la température, la relation ortho: pour devenir 3: 1, ce qui signifie que l'isomère d'organes d'hydrogène prédomine au-dessus de l'autre. À très basses températures (à distance près du zéro absolu, 20k), l'hydrogène pur.

Nomenclature

La nomenclature pour désigner l'hydrogène est l'une des plus simples; Bien que ce ne soit pas la même manière pour leurs composés inorganiques ou organiques. Le H₂ Il peut être appelé avec les noms suivants en plus de «l'hydrogène»:

-Hydrogène moléculaire

-Dihydrogène

-Molécule d'hydrogène diatomique.

Pour ion h⁺ Leurs noms sont un proton ou un ion hydrogène; Et s'il est en milieu aqueux, h₃SOIT⁺, Cation hydronium. Tandis que ion h^- C'est l'anion hydrure.

L'atome d'hydrogène

L'atome d'hydrogène représenté par le modèle planétaire de Bohr. Source: Pixabay.

L'atome d'hydrogène est le plus simple de tous et est généralement représenté comme dans l'image supérieure: un noyau avec un proton solitaire (pour le ¹H), entouré d'un électron qui tire une orbite. Sur cet atome, toutes les orbitales atomiques pour les autres éléments du tableau périodique ont été construits et estimés.

Une représentation plus fidèle à la compréhension actuelle des atomes serait celle d'une sphère dont la périphérie est définie par le nuage électronique et probabiliste de l'électron (son orbital 1s).

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Où est et la production

Un champ d'étoiles: source inépuisable d'hydrogène. Source: Pixabay.

L'hydrogène est, bien que peut-être dans une moindre mesure par rapport au carbone, l'élément chimique qui peut être dit sans aucun doute partout; Dans l'air, en plus de l'eau qui remplit les mers, les océans et notre corps, dans le brut et les minéraux pétroliers, ainsi que dans les composés organiques assemblés pour créer la vie.

Il suffit de regarder superficiellement toute librairie composée pour y trouver des atomes d'hydrogène.

La question ne réside pas dans quelle mesure mais comment elle est présente. Par exemple, la molécule M₂ Il est si volatil et réactif sous l'incidence des rayons solaires, qui est très rare dans l'atmosphère; Par conséquent, il réagit pour rejoindre d'autres éléments et ainsi gagner de la stabilité.

Tandis que ci-dessus, dans le cosmos, l'hydrogène est principalement comme des atomes neutres, H.

En fait, l'hydrogène est considéré, dans sa phase métallique et condensée, comme l'unité de construction étoile. Lorsqu'il y a des quantités incommensurables et, en raison de leur robustesse et de leurs dimensions colossales, ils font de cet élément le plus abondant de l'univers entier. On estime que 75% de la matière connue correspond aux atomes d'hydrogène.

Naturel

Collectez les atomes d'hydrogènes en vrac dans l'espace semble immuable et les extraire des périphéries du soleil, ou du nébuleux, inaccessible. Sur terre, où ses conditions obligent cet élément à exister comme h₂, Il peut se produire par des processus naturels ou géologiques.

Par exemple, l'hydrogène a son propre cycle naturel dans lequel certaines bactéries, microbes et algues peuvent le générer par des réactions photochimiques. L'escalade des processus naturels et des parallèles à ceux-ci comprend l'utilisation de bioréacteurs, où les bactéries se nourrissent d'hydrocarbures pour libérer de l'hydrogène contenu.

Les êtres vivants sont également des producteurs d'hydrogène, mais dans une moindre mesure. Si c'est le cas, il ne pourrait pas expliquer comment constitue l'une des composantes gazeuses de la flatulence; qui ont démontré excessivement qu'ils sont inflammables.

Enfin, il convient de mentionner que dans des conditions anaérobies (sans oxygène), par exemple dans les couches souterraines, les minéraux peuvent lentement réagir avec l'eau pour produire de l'hydrogène. La réaction de Fayelita le démontre:

3fe₂Sio₄ + 2 h₂O → 2 Foi₃SOIT₄ + 3 sio₂ + 3 h₂

Industriel

Alors que le biohydrogène est une alternative pour générer ce gaz à des échelles industrielles, les méthodes les plus utilisées sont pratiquement "pour" retirer "l'hydrogène aux composés qui le contiennent, afin que leurs atomes se réunissent et forment le H₂.

Les méthodes les moins environnementales pour la produire consistent à réagir le coke (ou charbon de bois) avec une vapeur d'eau surchauffée:

C (s) + h₂O (g) → co (g) + h₂(g)

De même, le gaz naturel a été utilisé à cette fin:

Ch₄(g) + h₂O (g) → CO (G) + 3H₂(g)

Et parce que les quantités de coke ou de gaz naturel sont vastes, il est rentable de produire de l'hydrogène par l'une de ces deux réactions.

Une autre méthode pour obtenir de l'hydrogène consiste à appliquer un choc électrique à l'eau pour le décomposer dans ses pièces élémentaires (électrolyse):

2 h₂Ou (l) → 2 h₂(g) + ou₂(g)

Dans le laboratoire

Dans n'importe quel laboratoire, l'hydrogène moléculaire peut être préparé en petites quantités. Pour ce faire, un métal actif doit être réagi avec un acide fort, soit dans un bécher ou dans un tube à essai. La bulle observable est un signe clair de formation d'hydrogène, représentée par l'équation générale suivante:

M (S) + NH⁺(AC) → Mⁿ⁺(AC) + H₂(g)

Où n est le métal Valence. Ainsi, par exemple, le magnésium réagit avec H⁺ Pour produire H₂:

Mg (s) + 2h⁺(Ac) → mg²⁺(AC) + H₂(g)

Réactions

Rédox

Les nombres d'oxydation offrent eux-mêmes une première approche de la façon dont l'hydrogène participe aux réactions chimiques. Le H₂ Lors de la réaction, il peut rester inchangé ou diviser sur les ions H⁺ ou h^- en fonction de l'espèce qu'il relie; S'ils sont plus ou moins électronégatifs que lui.

Le H₂ Il est peu réactif en raison de la résistance de sa liaison covalente, H-H; Cependant, ce n'est pas un obstacle absolu pour réagir et former des composés avec presque tous les éléments du tableau périodique.

Sa réaction la plus connue est avec celle de l'oxygène gazeux pour produire des vapeurs d'eau:

H₂(g) + ou₂(g) → 2h₂O (g)

Et c'est une telle affinité pour l'oxygène de former la molécule d'eau stable, qui peut même réagir avec elle comme anion ou^2- Dans certains oxydes métalliques:

H₂(g) + cuo (s) → cu (s) + h₂Ou (l)

L'oxyde d'argent réagit également ou "réduit" par la même réaction:

H₂(g) + août (s) → ag (s) + h₂Ou (l)

Ces réactions d'hydrogène correspondent à celles de type rédox. C'est-à-dire la réduction-oxydation. L'hydrogène s'oxyde à la fois en présence d'oxygène et d'oxydes métalliques de métaux moins réactifs que lui; Par exemple, le cuivre, l'argent, le tungstène, le mercure et l'or.

Absorption

Certains métaux peuvent absorber l'hydrogène gazeux pour former des hydrors métalliques, qui sont considérés comme s'ils étaient des alliages. Par exemple, les métaux de transition tels que le paladium absorbent des quantités notoires de H_2, être similaire aux éponges métalliques.

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La même chose se produit avec des alliages métalliques plus complexes. De cette façon, l'hydrogène peut être stocké par d'autres moyens en plus de ses cylindres.

Ajout

Les molécules organiques peuvent également «absorber» l'hydrogène par des mécanismes moléculaires et / ou différentes interactions.

Pour les métaux, les molécules H₂ Ils sont entourés d'atomes métalliques à l'intérieur de leurs cristaux; Pendant que dans les molécules organiques, la liaison H-H est brisée pour former d'autres liaisons covalentes. Dans un sens plus formalisé: l'hydrogène n'est pas absorbé, mais est ajouté à la structure.

L'exemple classique est l'ajout de H₂ Double ou triple lien des alcènes ou des alkines, respectivement:

C = C + H₂  → H-C-C-H

C≡C + H₂ → HC = ch

Ces réactions sont également données sur l'hydrogénation.

Formation d'hydros

L'hydrogène réagit directement aux éléments pour former une famille de composés chimiques appelés hydros. Il existe principalement deux types: les salinos et moléculaire.

Il existe également des hydrors métalliques, qui sont constitués des alliages métalliques déjà mentionnés lorsque ces métaux absorbent l'hydrogène gazeux; et le polymère, avec des réseaux ou des chaînes de liaisons E-H, où il désigne l'élément chimique.

Salinos

Dans les hydrors saline, l'hydrogène participe à la liaison ionique comme l'anion hydrure, H^-. Pour que cela se forme, l'élément doit nécessairement être moins électronégatif; Sinon, il n'abandonnerait pas ses électrons à l'hydrogène.

Par conséquent, les hydros salins ne sont formés que lorsque l'hydrogène réagit avec des métaux très électropositifs, tels que alcalin et alcaliners.

Par exemple, l'hydrogène réagit avec du sodium métallique pour produire de l'hydrure de sodium:

2NA (s) + H₂(g) → 2NAH (s)

Ou avec le baryum pour produire de l'hydrure de baryum:

Ba (s) + h₂(g) → Bah₂(S)

Moléculaire

Les hydrures moléculaires sont encore mieux connus que ioniques. Ils reçoivent également le nom d'hydrogène halogogenuros, HX, lorsque l'hydrogène réagit avec un halogène:

CL₂(g) + h₂(g) → 2hcl (g)

Ici, l'hydrogène participe à la liaison covalente comme h⁺; Depuis, les différences entre les électronégativités entre les deux atomes ne sont pas très importantes.

La même eau peut être considérée comme un hydrure d'oxygène (ou oxyde d'hydrogène), dont la réaction de formation était déjà exposée. La réaction avec le soufre pour donner du sulfure d'hydrogène, un gaz malodorant:

S (s) + h₂(g) → H₂S (G)

Mais de toutes les hydrors moléculaires les plus célèbres (et peut-être les plus difficiles à synthétiser) est l'ammoniac:

N₂(g) + 3h₂(g) → 2NH₃(g)

Applications

Dans la section précédente, l'une des principales utilisations de l'hydrogène était déjà abordée: en tant que matière première pour le développement de la synthèse, inorganique ou organique. Le contrôle de ce gaz a généralement un autre but que de le réagir pour créer d'autres composés différents de ceux qui ont été extraits.

Matière première

- C'est l'un des réactifs de la synthèse de l'ammoniac, qui à son tour a des applications industrielles sans fin, à commencer par l'élaboration des engrais, jusqu'à ce que le matériau des médicaments azotés.

- Il est destiné à réagir avec le monoxyde de carbone et ainsi produire du méthanol, un réactif élevé en biocarburants.

Agent réducteur

- Il s'agit d'un agent réducteur de certains oxydes métalliques, il est donc utilisé en réduction métallurgique (déjà expliqué dans le cas du cuivre et d'autres métaux).

- Réduire les graisses ou les huiles pour produire de la margarine.

Industrie pétrolière

Dans l'industrie pétrolière, l'hydrogène est utilisé pour «hydrotratar» le brut pétrolier dans les processus de raffinement.

Par exemple, il cherche à fragmenter les molécules grandes et lourdes dans les petites molécules et avec une plus grande demande sur le marché (Hydrocracheus); libérer les métaux piégés dans des cages de pétroporphirine (hydrodésmétalisation); éliminer les atomes de soufre comme h₂S (hydrodesulfurisation); ou réduire les doubles liens pour créer des mélanges riches en paraffines.

Carburant

L'hydrogène lui-même est un excellent carburant pour les roquettes ou les vaisseaux spatiaux, car de petites quantités réagissent avec l'oxygène, ils libèrent d'énormes quantités de chaleur ou d'énergie.

À plus petite échelle, cette réaction est utilisée pour la conception de cellules ou de batteries d'hydrogène. Cependant, ces cellules sont confrontées aux difficultés de ne pas pouvoir stocker correctement ce gaz; et le défi de complètement indépendant de la combustion de combustibles fossiles.

Du côté positif, utilisé comme carburant, l'hydrogène ne libère que l'eau; au lieu de gaz qui représentent des moyens de pollution pour l'atmosphère et les écosystèmes.

Les références

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