Ekzistas tri nature troveblajizotopoj de hidrogeno. El ĉiuj elementoj plej videblas ĉe hidrogeno – kvankam nur malgranda – diferenco inter la izotopoj pri iliaj kemiaj reagemoj. Tiu diferenco devenas de la kompare granda pezdiferenco:deŭterio estas dufoje pli peza,tricio trifoje pli peza ol hidrogeno. Tia diferenco inter izotopoj estas nur 25 % ĉe la sekva elemento laŭ pezo,heliumo.Lastatempe oni sukcesis montri la mallongan ekziston de kvar aliaj kernoj (4H,5H,6H kaj7H)[2].Tiuj kernoj tamen ĉiuj havas ege mallongan vivodaŭron (< 10−21 s).
En la jaro1955 aperis en la satira romano"La muso, kiu kriegis" (angle: „The Mouse That Roared“) la terminoQuadium por4H en la fikcia armiloQ-bombo .
Hidrogeno estis malkovrita en la jaro1766 de la britakemiisto kajfizikistoHenry Cavendish, kiam li eksperimentis prihidrargo kajacidoj. Kiam li kunigis la du substancojn, estiĝis malgrandaj gasbobeloj en la miksaĵo. Tiujn li ne sukcesis identigi kiel unu el la konataj gasoj. Kvankam li erare supozis, ke hidrogeno estu parto de hidrargo (anstataŭ parto de la acido), li bone priskribis la ecojn de la gaso.
Pli detala analizo estis farita deAntoine Laurent de Lavoisier, kiu donis ĝian nomon al hidrogeno.La franca kemiisto malkovris la gason en la jaro1787 sendepende de Cavendish, kiam li volis montri per eksperimento, ke ĉe kemiaj reakcioj ne perdiĝas aŭ kreiĝasmaso. Li konduktisakvovaporon en fermitan sistemon super ardaj ferpecoj kaj kondensigis ĝin aliloke. Li rimarkis, ke la maso de la akvo estis malpli granda ol la originala kvanto kaj ke estiĝis gaso, kies maso kune kun la pligrandiĝanta maso de la fero respondis ekzakte al laperdita akvokvanto. Lia eksperimento estis do sukcesa.
Lavoisier plie ekzamenis la estiĝintan gason kaj realigis la eksperimenton nomatan nuntempeteston de oksihidrogeno, kiu bruligis la gason. Li tial nomis ĝinbrulema aero. Kiam post aliaj eksperimentoj evidentiĝis ke ankaŭ el la gaso eblas krei akvon, li nomis ĝin hidro-geno, el la greka:hydro = akvo; kajgenes = kreanta. La vorto signifas doakvokreanto.
H2 estas relative nereakcia. La termodinamika bazo de ĉi tiu malalta reakciemo estas la tre forta H–H-ligo, kun liga disociiga energio de 435.7 kJ/mol.[3] Ĝi ja formas kunordigajn kompleksojn nomitajn dihidrogenaj kompleksoj. Ĉi tiuj specioj provizas komprenojn pri la fruaj paŝoj en la interagoj de hidrogeno kun metalaj kataliziloj. Laŭ neŭtrona difrakto, la metalo kaj du H-atomoj formas triangulon en ĉi tiuj kompleksoj. La H-H-ligo restas sendifekta sed estas plilongigita. Ili estas acidaj.[4]
Kvankam ekzota en la Tero, la jono H2+ estas ofta en la universo. Ĝi estas triangula specio, kiel la menciitaj dihidrogenaj kompleksoj. Ĝi estas konata kiel protonigita molekula hidrogeno aŭ trihidrogena katjono.[5]
Hidrogeno reakcias kunkloro por produktiHCl kaj kunbromo por produkti Hidrogena bromido (HBr) pere deĉena reakcio. Tiu reakcio postulas iniciaton. Ekzemple en la kazo de Br2, la diatoma molekulo estas rompita en atomoj, Br2 + (UV radiado)-> 2Br•. Propagado de reakcioj konsumas hidrogenajn molekulojn kaj produktas HBr, same kiel atomojn de Br kaj de H:
La aldono de H2 al nesaturitaj organikaj kombinaĵoj, kielalkenoj kajalkinoj, nomiĝashidratigo. Eĉ se la reakcio estas energie favora, ĝi ne okazas eĉ je pli altaj temperaturoj. Ĉeestantekatalizilo, kiel fajne dividitaplateno aŭnikelo, la reakcio okazas je ĉambra temperaturo.[7]:477
Hidrogeno povas ekzisti kaj en +1 kaj en −1oksidiĝaj statoj, formante kombinaĵojn perjona kajkovalenta ligo. Ĝi estas parto de vasta gamo da substancoj, inkluzive de akvo,hidrokarbonidoj kaj multaj aliajorganikaj kombinaĵoj.[8] La H+-jono — ofte nomata protono pro ĝia ununura protono kaj foresto de elektronoj — estas centra al acido-baza kemio, kvankam la protono ne moviĝas libere. En la kadro de Brønsted-Lowry, acidoj estas difinitaj per sia kapablo donaci H+-jonojn al bazoj.[9]
Hidrogeno formas grandan varion de kombinaĵoj kunkarbono konataj kiel hidrokarbonidoj, kaj eĉ pli grandan diversecon kun aliaj elementoj (heteroatomoj), kaŭzante la larĝan klason de organikaj kombinaĵoj ofte asociitaj kun vivantaj organismoj.[8]
Hidrogenaj kombinaĵoj kun hidrogeno en la oksidiĝa stato −1 estas konataj kiel hidridoj, kiuj kutime formiĝas inter hidrogeno kaj metaloj. La hidridoj povas esti jonaj (ankaŭ konataj kiel salaj), kovalentaj, ne metalaj. Per varmigo, H2 reakcias efike kun la alkalaj kaj teralkalaj metaloj por doni la jonajn hidridojn de la formuloj MH₁ kaj MH2, respektive. Ĉi tiuj salsimilaj kristalaj kombinaĵoj havas altajn fandopunktojn kaj ĉiuj reakcias kun akvo por liberigi hidrogenon. Kovalentaj hidridoj estas boranoj kaj polimera aluminia hidrido.Transiraj metaloj formas metalajn hidridojn per kontinua dissolvo de hidrogeno en la metalon.[10] Bonkonata hidrido estas litia aluminia hidrido, la [AlH4]−anjono portas hidridajn centrojn firme ligitajn al la Al(III).[11] Eble la plej vasta serio de hidridoj estas la boranoj, kombinaĵoj konsistantaj nur elboro kaj hidrogeno.[12]
Hidridoj povas ligi al ĉi tiuj elektropozitivaj elementoj ne nur kiel fina ligando sed ankaŭ kiel pontligantoj. En diborano (B2H6), kvar H-oj estas finaj kaj du pontas inter la du B-atomoj.[13]
Pli detalaj informoj troveblas en artikoloHidrogena ligo.
Kiam ligite al pli elektronegativa elemento, precipefluoro,oksigeno aŭnitrogeno, hidrogeno povas partopreni en formo de mezforta nekovalenta ligado kun alia elektronegativa elemento kun sola paro kiel oksigeno aŭ nitrogeno, fenomeno nomata hidrogena ligado, kiu estas kritika por la stabileco de multaj biologiaj molekuloj.[14]:375[15] Hidrogena ligado ŝanĝas molekulstrukturojn,viskozecon,solveblecon, same kiel fando- kaj bol-punktojn kaj eĉ proteinajn falddinamikojn.[16]
"A-T baza paro" en DNA ilustranta kiel hidrogenaj ligoj estas kritikaj por lagenetika kodo. La desegnaĵo ilustras, ke en multaj kemiaj bildigoj, C-H ligoj ne ĉiam estas montritaj eksplicite, kio estas indiko de ilia disvastigeco.
En akvo, hidrogena ligado ludas gravan rolon en reakcia termodinamiko. Hidrogena ligo povas ŝanĝiĝi al protona translokigo. Laŭ la acido-baza teorio de Brønsted-Lowry, acidoj estas protondonantoj, dum bazoj estas protonricevantoj.[17]:{{{1}}} Nuda protono, H+, esence ne povas ekzisti en io ajn krom vakuo. Alie ĝi ligiĝas al aliaj atomoj, jonoj aŭ molekuloj. Eĉ specioj tiel inertaj kielmetano povas esti protonigitaj. La termino "protono" estas uzata loze kaj metafore por rilati al solvataj H+ sen ia ajn implico, ke iuj unuopaj protonoj ekzistas libere kiel specio. Por eviti la implicon de la nuda protono en solvaĵo, acidaj akvaj solvaĵoj estas foje konsiderataj kiel enhavantaj la "hidronian jonon" ([H3O]+) aŭ eĉ pli precize, [H9O4]+.[18] Aliaj oksoniaj jonoj troviĝas kiam akvo estas en acida solvaĵo kun aliaj solviloj.[19]
La koncentriĝo de ĉi tiuj solvataj protonoj determinas lapH de solvaĵo, logaritma skalo kiu reflektas ĝian acidecon aŭ bazecon. Pli malaltaj pH-valoroj indikas pli altajn koncentriĝojn de hidroniaj jonoj, respondantaj al pli acidaj kondiĉoj.[20]
Hidrogeno estas la plej ofta kemia elemento de la Suno kaj de la grandaj gasplanedojJupitero,Saturno,Urano kajNeptuno, kiuj entenas pli ol 99,99 % de la maso de lasunsistemo.Hidrogeno reprezentas 75 % de la tuta maso, tio estas 93 % de ĉiuj atomoj de la sunsistemo.
En la tuta universo oni supozas, ne kalkulantemalluman materion, ankoraŭ pli grandan procentaĵon de hidrogeno.
Saturno kun siaj ringoj el glacio kaj polvo. La planedo mem konsistas ĉefe el hidrogeno kajheliumo.
Jam baldaŭ post la estiĝo de la universo protonoj kajneŭtronoj ekzistis en grandega nombro. Pro la altaj temperaturoj ambaŭ kuniĝis al malpezaj atomkernoj, kiel2H kaj4He. La plej multaj protonoj tamen restis neŝanĝitaj kaj iĝis la ontaj1H-kernoj.
Post ĉirkaŭ 380.000 jaroj la radiaddenseco de la universo tiom malpligrandiĝis, ke hidrogenatomoj formiĝis per nura kuniĝo de kernoj kun la elektronoj, sen ke fotono disigu ilin tuj.
Malvarmiĝante la universo ebligis la kreadon de nuboj el hidrogena gaso sub la influo degravito. Tiuj nuboj densiĝis algalaksioj kaj ene de ili alproto-steloj.Sub la kreskanta premo de la gravito fine estiĝisnuklea fuzio, kiu fandis hidrogenon al heliumo. Tiel estiĝis la unuajsteloj kaj inter ili laSuno.
Steloj konsistas ĉefe el hidrogenaplasmo. Fuzio de hidrogeno1H okazas ĉefe tra la ŝtupojdeŭterio2H kajTricio3H alHeliumo4He.La liberiĝanta energio estas la energifontoj de la stelo. La hidrogeno en nia Suno reprezentas la plej grandan parton de la tuta maso de nia sunsistemo.
Sed ankaŭ la pezaj gasplanedoj konsistas ĉefe el hidrogeno, kio plialtigas la procentaĵon de la maso de tiu elemento en la sunsistemo.Pro altega premo en grandaj profundoj de la grandaj gasplanedoj Jupitero kaj Saturno, ĝi povas ekzisti enmetala formo. Tia formo respondecas, verŝajne pro la elektra kondukteblo, pri la estiĝo deplanedaj magnetokampoj.
Ekster nia sunsistemo hidrogeno troveblas en gigantaj gasnuboj. En la HI-regionoj la elemento ekzistas ne-jonigita kaj molekula.
Jonigitaj gasnuboj kun atoma hidrogeno estas nomataj HII-regionoj. En tiuj regionoj grandaj steloj elradias grandajn kvantojn de jonigitaj radioj.
Sur laTero la masa procentaĵo estas multe pli malalta. Rilate al la tuta maso de la Tero, la procentaĵo de hidrogeno estas ĉirkaŭ 0,12 kaj rilate al la terkrusto ĉirkaŭ 2,9.Krome tera hidrogeno, kontraŭe al universa hidrogeno ekzistas ĉefe enkombinaĵoj kaj nur malofte en pura formo, kiel nemiksita gaso. La plej konata kaj plej ofta kombinaĵo estasakvo. Krome ekzistas aliaj gravaj surteraj hidrogen-kombinaĵoj kiaj ekzempletergasoj (metano, ...) kajnafto.Ankaŭ pli ol la duono de ĉiuj ĝis nun konatajmineraloj entenas hidrogenon.[21]
Hidrogeno estas ofte nomata laenergiportanto de la estonteco, kiu kaŭzos nenian damaĝan ellason, ĉefe ne dekarbondioksido, same kiel venta aŭ suna energio. Tiaĵojn oni konsideru prudente; ili baziĝas parte je la konfuzo inter primara energio kaj energi(trans)portantoj. Certe hidrogena gaso entenas pli da energio en masunuo ol iu ajn alia kemia brulaĵo, tamen necesas produkti hidrogenon energiintense. Tial hidrogeno ne estas energifonto, sed ĝia produktado ebligas stoki alimaniere produktitan energion (ekzemple per vento aŭ suno).
Tamen ankaŭ la problemoj pri stokado kaj transportado estas grandaj.
La stokado de hidrogeno kiel brulaĵo por veturiloj necesigas aparte sekurajn stokujojn, unue el sekurecaj vidpunktoj kaze de akcidentoj, due el ekonomiaj vidpunktoj.
Ekzistas do tri diversaj stokadmanieroj:
la stokado de gasforma hidrogeno en premujoj,
la stokado de likva hidrogeno en Dewar-ujoj,
la stokado de hidrogeno en metalaj hidridoj aŭ en karbonaj nano-tuboj.
Preskaŭ la tutmonda nuna provizo de hidrogena gaso (H2) estas kreita el fosiliaj brulaĵoj.[22][23]:1 Ekzistas multaj metodoj por produkti H2, sed tri dominas komerce: vaporreformado ofte kunligita al akvo-gasa ŝanĝo, parta oksidado de hidrokarbidoj, kaj akva elektrolizo.[24]
Hidrogeno estas ĉefe produktita per vapora metanreformado (VMR), nome la reakcio de akvo kaj metano.[25][26] Tiel, ĉe alta temperaturo (1000–1400 K, 700–1100 °C aŭ 1300–2000 °F), vaporo (akvovaporo) reakcias kun metano por produktikarbonmonooksidon kaj H2.
CH4 + H2O → CO + 3 H2
Produktado de unu tuno da hidrogeno per ĉi tiu procezo elsendas 6,6–9,3 tunojn da karbondioksido.[27] La produktado de tergasa krudmaterialo ankaŭ produktas emisiojn kiel ekzemple eligita kaj fuĝantametano, kiu plue kontribuas al la totala karbona spuro de hidrogeno.[28]
Ĉi tiu reakcio estas favorita ĉe malaltaj premoj; tamen, kondukata ĉe altaj premoj (2.0 MPa, 20 atm aŭ 600 inHg (hidrargocoloj)) ĉar altprema H2 estas la plej vendebla produkto, kaj prem-svingaj adsorbaj purigaj sistemoj funkcias pli bone ĉe pli altaj premoj. La produkta miksaĵo estas konata kiel "sinteza gaso" ĉar ĝi ofte estas uzata rekte por la produktado demetanolo kaj multaj aliaj kombinaĵoj. Hidrokarbonoj krom metano povas esti uzataj por produkti sintezan gason kun ŝanĝiĝantaj produktoproporcioj. Unu el la multaj komplikaĵoj de ĉi tiu tre optimumigita teknologio estas la formado de karbo:
CH4 → C + 2 H2
Tial, vaporreformado tipe uzas troan kvanton da H2O. Plia hidrogeno povas esti reakirita el la vaporo per uzado de karbona monooksido per la akvogasa ŝovreakcio. Ĉi tiu procezo postulasferoksidan katalizilon:[26]
CO + H2O → CO2 + H2
Hidrogeno estas kelkfoje produktita kaj konsumita en la sama industria procezo, ne estante apartigita. En laProcezo Haber por produktado deamoniako, oni generas hidrogenon el tergaso.[29]
Aliaj metodoj por produktado de CO kaj de H2 estas parta oksidado de hidrokarbidoj:[30]
2 CH4 + O2 → 2 CO + 4 H2
Kvankam malpli grava komerce,karbo povas utili kiel antaŭaĵo al la supre menciita ŝanĝoreakcio:[26]
C + H2O → CO + H2
Produktado de unuoj de olefino povas produkti ankaŭ grandajn kvantojn de kromprodukta hidrogeno, precipe el fendado de malpezaj krudmaterialoj kieletano aŭpropano.[31]
Elektrolizo de akvo estas koncepte simpla metodo por produkti hidrogenon.
2 H2O(l) → 2 H2(g) + O2(g)
Komercajelektroliziloj uzasnikel-bazitajn katalizilojn en forte alkala solvaĵo.Plateno estas pli bona katalizilo sed estas multekosta.[32] La hidrogeno kreita per elektrolizo uzante renovigeblan energion estas ofte nomata "verda hidrogeno".[33]
Elektrolizo depeklakvo por produktikloron[34] produktas ankaŭ altpuran hidrogenon kiel kromprodukton, kiu estas uzata por diversaj transformoj kiel ekzemple hidrogenigoj.[35]
Laelektroliza procezo estas pli multekosta ol produkti hidrogenon el metano sen karbona kaptado kaj stokado.[36]
Novigado en hidrogenaj elektroliziloj povus igi grandskalan produktadon de hidrogeno el elektro pli kosto-favora.[37]
Hidrogeno estas en diversformajkemiaj kombinaĵoj grava por ĉiuj konataj vivaĵoj. Unuaranga estas akvo, kiu utilas kiel medio por ĉiaj ĉelprocezoj kaj metabolaj transportoj. Kune kunkarbono,oksigeno kajazoto (kaj malofte ankaŭ aliaj elementoj), hidrogeno estas unu el la eroj de tiajmolekuloj de laorganika kemio, sen kiaj ĉia de ni konata formo de vivo estus tutsimple ne ebla.
↑ Lide, David R., eld. (2006).CRC Handbook of Chemistry and Physics (87a eld.). Boca Raton, Florida: CRC Press.ISBN 0-8493-0487-3.
↑Kubas, Gregory J.. (2001-08-31)Metal Dihydrogen and σ-Bond Complexes: Structure, Theory, and Reactivity,1‑a eldono, Springer.ISBN 0-306-46465-9.
↑ (1989) “The infrared predissociation spectrum of triatomic hydrogen cation (H3+)”,Accounts of Chemical Research22 (6),p. 218–222.doi:10.1021/ar00162a004.
↑Laurence, Christian. (2010)Lewis basicity and affinity scales: data and measurement. Chichester: Wiley.ISBN 978-0-470-68189-3.
↑ Lauermann, Gerhard; Häussinger, Peter; Lohmüller, Reiner; Watson, Allan M. (2013). "Hydrogen, 1. Properties and Occurrence".Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry. pp. 1–15. doi:10.1002/14356007.a13_297.pub3.ISBN 978-3-527-30673-2.
↑ Greenwood, Norman N.; Earnshaw, Alan (1997).Chemistry of the Elements (2a eld.). Butterworth-Heinemann. p. 228.ISBN 978-0-08-037941-8.
↑ (1994) “The hydrides of aluminium, gallium, indium, and thallium: a re-evaluation”,Chemical Society Reviews23 (3),p. 175–184.doi:10.1039/CS9942300175.
↑ (1990) “Infrared spectra of the solvated hydronium ion: vibrational predissociation spectroscopy of mass-selected H3O+•(H2O)n•(H2)m”,Journal of Physical Chemistry94 (9),p. 3416–3427.doi:10.1021/j100372a014.
↑ (1977) “Protonation Equilibria in Water at Several Temperatures of Alcohols, Ethers, Acetone, Dimethyl Sulfide, and Dimethyl Sulfoxide”,Journal of the American Chemical Society99 (21),p. 6983–6986.doi:10.1021/ja00463a035.Bibkodo:1977JAChS..99.6983P.
↑ Housecroft, C. E.; Sharpe, A. G. (2018).Inorganic Chemistry (5a eld.). Prentice Hall. pp. 219, 318–319.ISBN 978-1292134147.
↑ Baade, William F.; Parekh, Uday N.; Raman, Venkat S. (2001). "Hydrogen".Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology. doi:10.1002/0471238961.0825041803262116.a01.pub2.ISBN 9780471484943.
