Hidrogén

Égése

A hidrogéngáz (vagy dihidrogén)^[12] igen gyúlékony, levegővel keveredve nagyon széles tartományban, 4–75 térfogatszázalékos koncentrációhatárok között képes égni.^[13] A hidrogén égésekor felszabaduló entalpia −286 kJ/mol.^[14]

${\displaystyle \mathrm {2\ H_{2}\left(g\right)\ +\ O_{2}\left(g\right)\ {\xrightarrow {-572\ kJ}}\ 2\ H_{2}O\left(f\right)} }$

A hidrogéngáz és oxigéngáz keverékét durranógáznak nevezik, mert kémcsőben meggyújtva durranó hang kíséretében felrobban. A tiszta hidrogén csendesen ég. A hidrogéngáz a levegővel 4–74%-os koncentrációban, klórral 5–95%-os koncentrációban robbanóelegyet képez. Ezen gázelegyek szikra, hő vagy napfény hatására felrobbanhatnak. A hidrogén öngyulladási hőmérséklete (az a hőmérséklet, melyen levegőben spontán meggyullad) 500 °C.^[15] A tiszta hidrogén-oxigén lángok ultraibolya fényt bocsátanak ki, és szabad szemmel szinte láthatatlanok, ahogy azt a bal oldali ábra is illusztrálja. Az égő hidrogén-szivárgások nagyon veszélyesek lehetnek, észlelésük lángdetektorral történhet. A Hindenburg léghajó megsemmisülése hírhedt példája a hidrogén égésének, habár a baleset oka máig vitatott. A hidrogén más körülmények között a szénhidrogénekre emlékeztető kékes lánggal ég,^[16] a balesetről készült képeken látható narancssárga lángokat főként a hajótestet, illetve a borítást alkotó szénvegyületek égése okozta.^[17] Mivel a hidrogén könnyebb a levegőnél, a hidrogénlángok általában gyorsan emelkednek és kevesebb kárt okoznak, mint a szénhidrogén tüzek. A Hindenburg léghajó utasainak kétharmada túlélte a balesetet, számos haláleset a tűz helyett a zuhanás illetve az égő dízel üzemanyag miatt következett be.^[18]

A H₂ minden oxidálószerrel reagál. Szobahőmérsékleten a hidrogén spontán és hevesen reagálhat a klórral és a fluorral a megfelelő hidrogén-halogenid – hidrogén-klorid és a hidrogén-fluorid – keletkezése közben, amelyek egyben potenciálisan veszélyes savak.^[19]

Kémiai tulajdonságai

A hidrogén jó redukálószer. Például vas(II)-szulfiddal is reagál, közben kénhidrogén keletkezik és vas. A hidrogénion, a H⁺ a savion.

Elektron-energiaszintje

A hidrogénatomban lévő alapállapotú elektron energiaszintje −13,6 eV, amely nagyjából egy 92 nm hullámhosszúságú ultraibolya fotonnak felel meg.^[20]

A hidrogén energiaszintjei meglehetősen pontosan kiszámíthatók a Bohr-féle atommodell alapján, amelynek felfogása szerint az elektron a proton körül „kering”, a Föld Nap körüli keringéséhez hasonlóan. Azonban míg a bolygók és az égitestek egymás közötti vonzását a gravitáció okozza, az elektronok és a protonok között az elektromágneses erő hat. A kvantummechanika fejlődésének kezdetén Bohr posztulálta, hogy a perdület csak diszkrét értékeket vehet fel, így a Bohr-modell elektronjai a protontól csak bizonyos megengedett távolságra helyezkedhetnek el, és ezért csak bizonyos megengedett energiájúak lehetnek.^[21]

A hidrogénatom még pontosabb leírása tisztán a kvantummechanikából származik, amely a Schrödinger-egyenletet vagy a Feynman útintegrál formulát használja a proton körüli elektron valószínűségi sűrűségfüggvényének kiszámításához.^[22] A legbonyolultabb modellek a speciális relativitáselmélet és a vákuumpolarizáció kis hatásait is magukban foglalják. A kvantummechanikai felfogásban az alapállapotú hidrogénatom elektronjának egyáltalán nincs perdülete – ez szemlélteti, mennyire eltér a „bolygóként keringő” elektron képe a valóságtól.

Elemi molekulaformái

A hidrogén kétatomos molekulájának két különböző magspinizomerje létezik, amelyek az atommagok relatív spinjében térnek el.^[23] Az ortohidrogénben a két proton spinje azonos irányú, és triplett állapotot alkot, az eredő magspinmomentum: 1 (½ + ½). A parahidrogénben a protonok spinjei ellentétes irányúak, és szingulett állapotot alkotnak, az eredő magspinmomentum: 0 (½ − ½). Standard hőmérsékleten és nyomáson a hidrogéngáz körülbelül 25% para- és 75% ortohidrogénből áll, melyet normál hidrogénnek is neveznek.^[24] Az ortohidrogén és a parahidrogén egyensúlyi aránya függ a hőmérséklettől, de mivel az orto forma egy gerjesztett állapot, és emiatt nagyobb energiájú a para formához képest, ezért instabil, és nem lehet tisztán előállítani. Nagyon alacsony hőmérsékleten az egyensúlyi állapot szinte kizárólag a para formából áll. A tiszta parahidrogén folyadék- és gázfázisainak termikus tulajdonságai – a rotációs hőkapacitásaik különbözősége miatt – jelentősen eltérnek a normál formáétól.^[25] Az orto/para megkülönböztetés más hidrogéntartalmú molekulákban vagy funkciós csoportokban is előfordul, mint például a vízben és a metilénben, de kis jelentőségű azok termikus tulajdonságaira nézve.^[26]

A para- és ortohidrogén közötti nem katalizált átalakulás a hőmérséklettel nő, így a gyorsan kondenzált H₂ nagy mennyiségű, nagy energiájú orto formát tartalmaz, amely nagyon lassan para formává alakul.^[27] A kondenzált H₂-ben lévő orto/para arány alapos megfontolást igényel a folyékony hidrogén előállításakor és tárolásakor: az orto-para átalakulás ugyanis exoterm folyamat, és elegendő hőt termel ahhoz, hogy elpárologtassa a folyékony hidrogén egy részét, így veszteséget okoz. Az orto-para átalakulás katalizátorait, úgymint vas(III)-oxid, aktív szén, platinázott azbeszt, ritkaföldfémek, uránvegyületek, króm(III)-oxid, illetve néhány nikkelvegyület,^[28] felhasználják a hidrogén hűtése közben.^[29]

További fázisai

Fémes hidrogén

Bővebben: Fémes hidrogén

Egy 2016-os kutatásban 3,25 millió bar nyomással nyomtak össze hidrogént, ami ennek következtében halmazállapot-változáson ment keresztül. A hidrogén egy új, szilárd fázist vett fel, amit „V”-fázisnak neveztek. Ebben az állapotban a hidrogénmolekulák külön atomokra bomlottak, és a hidrogénatomok elektronjai a fémekben lévő elektronokhoz hasonló tulajdonságokat kezdtek mutatni, azaz delokalizálódtak.^[30] A hidrogén ilyen átalakulását már 1935-ben megjósolták.^[31][32] A fémes hidrogén – feltételezések szerint – hatalmas mennyiségben van jelen a Jupiter, Szaturnusz, és néhány újonnan felfedezett exobolygó gravitáció által összenyomott belsejében. Továbbá azt is feltételezik, hogy akár szobahőmérsékletig (~290 K) is szupravezető.^[33]

Hidrogéniszap

A hidrogéniszap folyékony és szilárd halmazállapotú hidrogén elegye hármasponti hőmérsékleten. Alacsonyabb a hőmérséklete, de 16-20%-kal nagyobb a sűrűsége, mint a folyékony hidrogéné;^[34] ezért lehetséges jövőbeni rakéta-hajtóanyag. A hidrogéniszap alkalmazásával ugyanis csökkenne az űrhajók üzemanyagtartályának térfogata, és így a jármű üres tömege is.^[35]

Vegyületei

Bővebben: Kategória:Hidrogénvegyületek

Kovalens és szerves vegyületek

Habár a H₂ standard körülmények között nem túlzottan reakcióképes, mégis a legtöbb elemmel vegyületeket képez. A hidrogén a nála nagyobb elektronegativitású elemekkel is alkothat vegyületeket, mint például a halogének (pl. F, Cl, Br, I), vagy az oxigén; ezekben a vegyületekben a hidrogén részlegesen pozitív töltésű.^[36] Amikor fluorhoz, oxigénhez, vagy nitrogénhez kötődik, a hidrogénatomok részt vehetnek egy közepes erősségű, nem kovalens kötés kialakításában, az úgynevezett hidrogénkötésben, amely sok biológiai molekula stabilitása szempontjából kulcsfontosságú.^[37][38] A hidrogén a kisebb elektronegativitású elemekkel – például a fémekkel, félfémekkel – is képez vegyületeket, ezekben részleges negatív töltést vesz fel. Ezeket a vegyületeket gyakran hidrideknek nevezik.^[39]

A hidrogénvegyületek hatalmas sokaságát képezi a szénnel, ezek az úgynevezett szénhidrogének, és még ennél is több, heteroatomot is tartalmazó szénvegyülete ismert. Ezeket – az élő dolgokkal való általános kapcsolatuk miatt – szerves vegyületeknek nevezik,^[40] tulajdonságaik vizsgálatának tudománya a szerves kémia,^[41] illetve ugyanez az élő szervezetek szempontjából a biokémia.^[42] Néhány definíció szerint, a „szerves” vegyületeknek elegendő csupán szenet tartalmazniuk. Azonban, a legtöbb közülük hidrogént is tartalmaz, és mivel ez a szén–hidrogén kötés az, amely az ebbe az osztályba tartozó vegyületek legtöbb különleges kémiai jellemzőjét adja, egyes meghatározások szerint a szén–hidrogén kötések szükségesek a „szerves” kémiához.^[40] Milliónyi szénhidrogén ismert, és ezek többnyire bonyolult, szintetikus úton állíthatók elő, amely eljárások ritkán tartalmaznak elemi hidrogént.

Hidridek

Bővebben: Hidridek

A hidrogén vegyületeit gyakran nevezik hidrideknek; a kifejezés használata meglehetősen tág értelmű. A „hidrid” kifejezés azt sugallja, hogy a H-atom negatív vagy anionos jellegű, amelyek jelölése H^-, és akkor használjuk, amikor a hidrogén nála elektropozitívabb elemmel képez vegyületet. A hidrid anion létezését Gilbert N. Lewis vetette fel 1916-ban, az I. és II. főcsoport sószerű hidridjei számára, és Moers bizonyította 1920-ban lítium-hidrid (LiH) olvadékelektrolízisével, melynek során az anódon sztöchiometrikus mennyiségű hidrogén keletkezett.^[43] Figyelembe véve a hidrogén alacsony elektronegativitását, az I. és II. főcsoporton kívüli fémek esetében a kifejezés meglehetősen megtévesztő. A II. főcsoport hidridjei közül kivétel a BeH₂, amely polimer. A lítium-alumínium-hidridben az AlH−4 anion az Al(III)-hoz erősen kötődő hidridionokból áll.

Habár majdnem mindegyik főcsoport elemeivel képezhetők hidridek, a vegyületek száma és lehetséges kombinációjuk nagyon változó, például ismert több mint száz biner borán-hidrid, de csak egy biner alumínium-hidrid.^[44] Biner indium-hidridet még nem azonosítottak, jóllehet nagyobb komplexek léteznek.^[45]

A szervetlen kémiában a hidridek hídligandumok szerepét tölthetik be két központi fémion között a koordinációs komplexekben. Ez a funkció különösen gyakori a 13. csoport elemei közt, különösen a boránok (bór-hidridek), az alumínium komplexek, valamint a karborán klaszterek esetében.^[46]

Protonok és savak

A hidrogén oxidációjakor az atomból eltávolítódik egy elektron, és H⁺-ion keletkezik, amely nem tartalmaz elektront, és atommagjában általában egy proton található. Ez az oka annak, hogy a hidrogéniont gyakran csak protonnak nevezik. A Brønsted–Lowry-elmélet szerint a savak protondonorok, míg a bázisok protonakceptorok.

A csupasz proton (H⁺) nem létezhet oldatban vagy ionos kristályban, mert erőteljesen vonzza más atomok vagy molekulák elektronjait. Leszámítva a magas hőmérsékleten előforduló plazmaállapotot, az ilyen protonokat nem lehet eltávolítani az atomok és molekulák elektronfelhőitől, ezért azok továbbra is kötődni fognak.

Izotópjai

Bővebben: A hidrogén izotópjai

A hidrogénnek három természetes izotópja van; ezek jelölése ¹H, ²H és ³H. Laboratóriumban egyéb, nagymértékben instabil hidrogénatommagokat (⁴H-től ⁷H-ig) is előállítottak már, de ezeket a természetben nem figyelték meg.^[47][48]

• ¹H: a hidrogén leggyakoribb izotópja, természetes előfordulása több mint 99,98%. Az atommagja egyetlen protonból áll; innen származik a leíró, de ritkán használt neve, a prócium.^[49]
• ²H: a hidrogén másik stabil izotópja, amely deutérium néven is ismert; a földi hidrogénminták 0,0184–0,0026 százalékát alkotja.^[50] Magjában egy proton és egy neutron található. Azt gondolják, hogy lényegében a világegyetemben lévő összes deutérium az ősrobbanásban keletkezett, és azóta is megmaradt. A deutérium nem radioaktív, és nem képvisel jelentős toxicitási veszélyt sem. A normál hidrogén helyett deutériumot tartalmazó vízmolekulákban gazdag vizet nehézvíznek nevezik. A deutériumot és vegyületeit nem-radioaktív jelölőként használják a kémiai kísérletek során és az ¹H-NMR spektroszkópiához alkalmazott oldószerekben.^[51] A nehézvizet atomreaktorokban használják neutronmoderátorként és hűtőközegként. A deutérium mindemellett lehetséges üzemanyaga az erőművi magfúziónak.^[52]
• ³H: másik nevén trícium, atommagjában két neutron és egy proton található. Radioaktív, béta-bomlás révén hélium-3-má alakul, felezési ideje 12,32 év.^[46] Annyira radioaktív, hogy felhasználható világító festékként, így olyan helyen is alkalmazzák, mint például a karóra. Az üveg megakadályozza, hogy a kis mennyiségű sugárzás kijusson.^[53] Kis mennyiségű trícium természetes módon keletkezik a kozmikus sugárzás és a légköri gázok kölcsönhatása révén, illetve trícium szabadult fel a nukleáris fegyverkísérletek során is.^[54] A tríciumot alkalmazzák magfúziós reakciókban,^[55] a geokémiában mint nyomjelző izotóp,^[56] illetve speciális önmegvilágító berendezésekben.^[57] Illetve kémiai és biológiai nyomjelzős kísérletekben mint radioaktív nyomjelző (radiolabel).^[58]

A hidrogén az egyetlen olyan kémiai elem, amely izotópjainak saját elnevezése a mai napig használatban maradt. A radioaktivitás kutatásának kezdetén a különböző nehéz radioaktív izotópok egyedi neveket kaptak, de ezeket az elnevezéseket ma már a deutérium és a trícium kivételével nem használják. A deutériumot gyakran D, a tríciumot pedig gyakran T betűvel jelölik (a ²H illetve ³H helyett), de a próciumnak megfelelő P betű már használatban van a foszfor jelölésére, így ez nem alkalmazható.^[59] Az Elméleti és Alkalmazott Kémia Nemzetközi Uniójának (IUPAC) nevezéktani iránymutatója megengedi a D és T használatát, jóllehet a ²H illetve ³H szimbólumok használatát javasolja.^[60]

Felfedezése és felhasználása

A hidrogént Robert Boyle fedezte fel 1671-ben, és ő írta le azt a vasreszelék és híg savak közti reakciót, amely eredményeképpen hidrogéngáz keletkezett.^[61][62] 1766-ban Henry Cavendish elsőként fedezte fel, hogy a hidrogén önálló elem; majd a gázt a fém-sav reakció nyomán „tűzveszélyes levegőnek” nevezte el. Úgy gondolta, hogy ez a „tűzveszélyes levegő” valójában azonos a hipotetikus, flogiszton nevű anyaggal,^[63][64] és továbbá 1781-ben megállapította, hogy a gáz elégésekor vizet termel. Az elem felfedezését rendszerint neki tulajdonítják.^[65][66] A „vízképzőt” jelentő hidrogén nevet Antoine Lavoisier alkotta szóképzéssel a görög ὕδωρ (hüdór: víz) és a γεννώ (gennó: nemzeni) szavakból 1783-ban,^[67] amikor ő és Laplace reprodukálta Cavendish azon megállapítását, miszerint víz keletkezik, ha a hidrogén elég.^[66]

Lavoisier híres tömegmegmaradásra irányuló kísérleteihez a hidrogént úgy állította elő, hogy tűzzel izzásig hevített vascsövön keresztül reagáltatta a vízgőzt fém vassal. A vas vízben lévő protonok általi, magas hőmérsékletű anaerob oxidációját vázlatosan az alábbi reakciók szemléltetik:

${\displaystyle \mathrm {Fe\ +\ H_{2}O\ \rightarrow \ FeO\ +\ H_{2}} }$

${\displaystyle \mathrm {2\ Fe\ +\ 3\ H_{2}O\ \rightarrow \ Fe_{2}O_{3}\ +\ 3\ H_{2}} }$

${\displaystyle \mathrm {3\ Fe\ +\ 4\ H_{2}O\ \rightarrow \ Fe_{3}O_{4}\ +\ 4\ H_{2}} }$

Számos fém – például a cirkónium – termel hidrogént hasonló vízzel való reakció során.

1800-ban Nicholson és Carlisle a vizet elektromos árammal hidrogénre és oxigénre bontotta.^[68] A hidrogént James Dewar cseppfolyósította az első alkalommal 1898-ban, regeneratív hűtés és saját találmánya, a termosz segítségével.^[66] A következő évben szilárd hidrogént készített.^[66] A deutériumot 1931-ben Harold Urey amerikai kémikus fedezte fel. 1934-ben pedig Ernest Rutherford, Mark Oliphant és Paul Harteck tríciumot készített.^[65] A nehézvizet, melyben a rendes hidrogén helyén deutérium található, Urey csapata fedezte fel 1932-ben.^[66] François Isaac de Rivaz építette meg az első hidrogén és oxigén keverékével működő belső égésű motort 1806-ban. Edward Daniel Clarke 1819-ben feltalálta a hidrogéngáz fúvócsövet. A Döbereiner-lámpát és a rivaldafényt 1823-ban találták fel.^[66]

Az első hidrogénnel töltött léggömböt Jacques Charles találta fel 1783-ban.^[66] A hidrogén biztosította az első megbízható légi jármű, az 1852-es Henri Giffard-féle léghajó felhajtóerejét.^[66] Ferdinand von Zeppelin német báró hidrogénnel feltöltött merev léghajók ötletét vetette fel; később ezek lettek a zeppelinek, első repülésükre 1900-ban került sor.^[66] A menetrendszerű közlekedés 1910-ben kezdődött, és az első világháború 1914. augusztusi kitöréséig 35 000 ember utazott rajtuk súlyosabb incidensek nélkül. A háború alatt a hidrogénnel töltött léghajókat megfigyelő platformokként és bombázásra használták.

Az első non-stop transzatlanti átkelésre a brit R34 léghajóval, 1919-ben került sor. A rendszeres személyszállítási szolgáltatás az 1920-as években folytatódott, és bár az Egyesült Államok héliumtartalékainak felfedezése a biztonság megnövekedését ígérte, az amerikai kormány nem volt hajlandó a gázt erre a célra eladni. Következésképpen H₂-t használtak a Hindenburg zeppelinben is, amely 1937. május 6-án New Jersey felett a levegőben kigyulladt és elpusztult.^[66] Az incidenst élőben közvetítette a rádió, és filmre is vették. Széles körben elterjedt, hogy a tüzet a szivárgó hidrogén öngyulladása okozta, de a későbbi vizsgálatok rámutattak, hogy azt az alumínium-szövet borítás és a statikus elektromosság idézte elő. Mindenesetre a hidrogén hírneve a léghajózás terén teljesen odalett.

Ugyanebben az évben szolgálatba léptek az első hidrogén-hűtésű turbógenerátorok az Ohio állambeli Daytonban a Dayton Power & Light Co. vállalatnál, melyek gáz halmazállapotú hidrogént használtak hűtőközegként a forgórészben és az állórészben. A generátorban hűtés céljára sokkal előnyösebb levegő helyett a hidrogén alkalmazása, mert az jobban (gyorsabban) vezeti el a hőt a generátortól; csökkenti a zajt; és kisebb súrlódást okoz; ezáltal csökkenti a gép veszteségét.^[69]

Első ízben 1977-ben használtak nikkel-hidrogén akkumulátorokat az Egyesült Államok Haditengerészetének navigációs műholdján (NTS-2).^[70] Ilyen akkumulátorokkal van ellátva például az ISS,^[71] a Mars Odyssey,>^[72] és a Mars Global Surveyor is.^[73] Pályájának sötét részén a Hubble űrtávcsövet szintén nikkel-hidrogén akkumulátorok látták el árammal; ezeket végül 2009 májusában több mint 19 évvel a start után, 13 évvel a tervezett élettartam felett lecserélték.

Szerepe a kvantumelméletben

Az egy protonból és egy elektronból álló viszonylag egyszerű atomszerkezete révén, a hidrogénatom illetve az általa elnyelt és kibocsátott fény volt a középpontja az atomszerkezeti elméletek fejlődésének.^[74] Ezenfelül a következésképpen egyszerű hidrogénmolekula, illetve H+2-kation tette lehetővé a kémiai kötés természetének teljesebb megértését, amely röviddel a hidrogénatom kvantummechanikai kezelésének 1920-as évekbeli kifejlődését követte.

Az egyik első explicit módon észlelt (de abban az időben még meg nem értett) kvantum hatás, egy hidrogént is magában foglaló Maxwell-megfigyelés volt; fél évszázaddal a teljes kvantummechanikai elmélet megszületése előtt. Maxwell megfigyelte, hogy a H₂ fajlagos hőkapacitása szobahőmérséklet alatt rejtélyesen eltér a kétatomos gázokétól, és kriogén hőmérsékleten egyre inkább egyatomos gázokéra hasonlít. A kvantumelmélet szerint, ez a viselkedés a (kvantált) rotációs energiaszintek távolságából ered, amelyek különösen szélesek a hidrogénmolekulában, mert annak alacsony a tömege. Ezek az egymástól távol elhelyezkedő szintek az alacsony hőmérsékletű hidrogénben meggátolják a hőenergia azonos felosztását rotációs mozgássá. A nehezebb atomokból álló kétatomos gázok nem rendelkeznek ilyen széles távolságban lévő energiaszintekkel, és nem mutatják ugyanezt a hatást.^[75]

A hidrogén – atomos formájában – a világegyetem leggyakoribb kémiai eleme, a normál anyag tömegének 75%-át, az atomok számának 90%-át alkotja (az univerzum tömegének legnagyobb része ugyanakkor nem kémiai elem típusú anyag, feltételezések szerint a tömeg még nem észlelhető formájában – mint sötét anyag és sötét energia – van jelen).^[76] Ez az elem nagy mennyiségben található meg a csillagokban és a gázóriásokban. A H₂ molekulafelhők a csillagkeletkezéssel hozhatók összefüggésbe. A hidrogén létfontosságú szerepet játszik a csillagok energiaellátásában a proton-proton ciklus és CNO-ciklus magfúziója révén.^[77]

Az egész világegyetemben a hidrogén többnyire atomos és plazmaállapotban található meg, amelyek tulajdonságai meglehetősen eltérnek a molekuláris hidrogénétől. Plazmaállapotban a hidrogén elektronja és protonja nem kapcsolódik össze, ez igen magas elektromos vezetőképességet és magas emissziót (ez adja a Nap és más csillagok fényét) eredményez. A töltött részecskéket a mágneses és elektromos mezők erősen befolyásolják. Például a napszélben kölcsönhatásba lépnek a Föld magnetoszférájával, előidézve a Birkeland-áramokat és a sarki fényt. A hidrogén semleges atomi állapotban található meg a csillagközi anyagban. A csillapított Lyman-alfa rendszerekben található nagy mennyiségű semleges hidrogénről feltételezik, hogy uralja az univerzum kozmológiai barion sűrűségét, egészen z=4 vöröseltolódásig.^[78]

Szokásos körülmények között az elemi hidrogén a Földön kétatomos gázként fordul elő. Azonban kis tömege miatt – ami lehetővé teszi, hogy könnyebben elszökjön a földi gravitációból, mint a nehezebb gázok – a hidrogéngáz nagyon ritka a Föld légkörében (1 ppm). A hidrogén mindemellett a harmadik leggyakoribb elem a Föld felszínén;^[79] többnyire vegyületeiben fordul elő, mint például a szénhidrogének és a víz.^[46] Bizonyos baktériumok és algák is termelnek hidrogéngázt, illetve a bélgáz természetes összetevője, akárcsak a metán, amely maga is egyre növekvő jelentőségű hidrogénforrás.^[80]

A protonált molekuláris hidrogén (H+3) megtalálható a csillagközi anyagban, ahol molekuláris hidrogénből a kozmikus sugárzás ionizációjának hatására keletkezik. Ezt az iont a Jupiter bolygó felső légkörében is megfigyelték. A kis hőmérséklet és sűrűség következtében az ion az űrbéli környezetben viszonylag stabil. A H+3 az egyik legnagyobb mennyiségben előforduló ion a világegyetemben, és jelentős szerepet játszik a csillagközi anyagok kémiájában.^[81] A semleges háromatomos hidrogén (H₃) csak gerjesztett formában létezhet; és ezért instabil.^[82] A dihidrogén kation (H+2) bár előfordul a világűrben, de igen ritkán.^[83]

A hidrogént előállítják kémiai és biológiai laboratóriumokban, gyakran egyéb reakciók melléktermékeként; illetve az iparban a telítetlen szubsztrátok hidrogénezésére.

Laboratóriumban

Laboratóriumban a H₂-t rendszerint híg, nem oxidáló savak és bizonyos reakcióképes fémek – mint például sósav és cink – reagáltatásával állítják elő a Kipp-készülékben.

${\displaystyle \mathrm {Zn\ +\ 2\ HCl\ \rightarrow \ ZnCl_{2}\ +\ H_{2}} }$

Alumínium bázisokkal való reakciója is hidrogént eredményez:

${\displaystyle \mathrm {2\ Al\ +\ 6\ H_{2}O\ +\ 2\ OH^{-}\ \rightarrow \ 2\ Al\left(OH\right)_{4}^{-}\ +\ 3\ H_{2}} }$

Előállítható alkálifémek és víz reakciójával:

${\displaystyle \mathrm {2\ Na\ +\ 2\ H_{2}O\ \rightarrow \ 2\ NaOH\ +\ H_{2}} }$

A fenti reakció nagyon heves, ezért azt le kell lassítani (például az alkálifémet amalgám formában, vagy víz helyett a kevésbé aktív etanolt használva).

A hidrogén előállításának egyszerű módja a víz elektrolízise. A vízbe alacsony feszültségű áramot vezetve, oxigéngáz képződik az anódon, illetve ezzel egyidejűleg hidrogéngáz képződik a katódon. Tárolás céljára előállított hidrogéngáz esetén a katód jellemzően platinából, vagy más inert fémből készül. Ha azonban a gázt helyben elégetik, kívánatos, hogy a keletkezett oxigén segítse az égést, és így akár mindkét elektróda inert fémekből készülhet. (A vas például oxidálódik, és így csökkenti a felhasználható oxigén mennyiségét). Az eljárás elméleti maximális hatásfoka (az előállított hidrogén energetikai értéke szemben a felhasznált villamos energiával) valahol a 80–94% tartományban van.^[84]

${\displaystyle \mathrm {2\ H_{2}O\left(f\right)\ \rightarrow \ 2\ H_{2}\left(g\right)\ +\ O_{2}\left(g\right)} }$

2007-ben felfedezték, hogy egy alumínium-gallium ötvözetet pellet formában vízhez adva, azt hidrogén előállítására lehetne felhasználni. Az eljárás ugyan alumínium-oxidot is létrehoz; de a drága gallium, amely megakadályozza az oxidréteg kialakulását a pelleten, újrafelhasználható. Ez jelentős következményekkel járhat egy hidrogénalapú gazdaságra nézve; például a hidrogén a helyszínen előállítható, és nem kell szállítani.^[85]

Iparban

A hidrogén több különböző módon állítható elő, de gazdasági szempontból a legfontosabb eljárások a szénhidrogénekből nyerik ki a hidrogént. A kereskedelmi ömlesztett hidrogéngázt általában földgáz gőzreformálásával termelik.^[86] Magas hőmérsékleten (1000–1400 K, 700–1100 °C) a vízgőz (vízpára) reagál a metánnal, így szén-monoxid és dihidrogén keletkezik:

${\displaystyle \mathrm {CH_{4}\ +\ H_{2}O\ \rightarrow \ CO\ +\ 3\ H_{2}} }$

Ezt a reakciót kis nyomáson kedvező elvégezni, de nagy nyomáson (2 MPa, 20 atm) is lefolytatják. Ennek az az oka, hogy a nagynyomású H₂ a leginkább piacképes termék, és a nyomásváltoztatásos adszorpciós (pressure swing adsorption – PSA) tisztító rendszerek is jobban működnek nagyobb nyomáson. A keletkezett gázkeverék az úgynevezett „szintézisgáz”, mert gyakran közvetlenül használják fel metanol és hasonló vegyületek előállításához. A metán kivételével a szénhidrogének is felhasználhatóak a szintézisgáz előállítására; változó termelékenységgel. Ezen magasan optimalizált technológia sok komplikációjának egyike a koksz vagy szén képződése:

${\displaystyle \mathrm {CH_{4}\ \rightarrow \ C\ +\ 2\ H_{2}} }$

Következésképpen, a gőzreformálás jellemzően H₂O-feleslegben megy végbe. További hidrogén nyerhető ki a gőzből szén-monoxid felhasználásával, a víz-gáz eltolási reakción (WGS) keresztül, különösen vas-oxid katalizátor jelenlétében. Ez a reakció emellett egy gyakori, ipari szén-dioxid forrás:^[86]

${\displaystyle \mathrm {CO\ +\ H_{2}O\ \rightarrow \ CO_{2}\ +\ H_{2}} }$

Egyéb fontos H₂-termelő eljárás például a szénhidrogének részleges oxidációja;^[87]

${\displaystyle \mathrm {2\ CH_{4}\ +\ O_{2}\ \rightarrow \ 2\ CO\ +\ 4\ H_{2}} }$

és a vízgáz-reakció, amely a fenti eltolási reakciót előzheti meg:^[86]

${\displaystyle \mathrm {C\ +\ H_{2}O\ \rightarrow \ CO\ +\ H_{2}} }$

A hidrogént néha ugyanabban az ipari folyamatban állítják elő és használják fel anélkül, hogy elkülönítenék. Az ammóniát előállító Haber–Bosch-eljárásban a hidrogén földgázból keletkezik.^[88] Telített sósvíz klórtermelő elektrolízisének mellékterméke is hidrogén.^[89]

Termokémiailag

Több mint kétszáz termokémiai ciklus létezik, amely vízbontásra használható; és körülbelül egy tucat ilyen ciklus – például a vas-oxid ciklus; cink cink-oxid ciklus; cérium(IV)-oxid cérium(III)-oxid ciklus; kén-jód ciklus, réz-klór ciklus és a hibrid kénciklus – áll kutatás és tesztelés alatt, hogy vízből és hőből elektromosság nélkül állítson elő hidrogént és oxigént.^[90] Számos laboratórium (többek között Franciaországban, Németországban, Görögországban, Japánban, valamint az Egyesült Államokban) fejleszt termokémiai módszereket a hidrogén előállítására, napenergia és víz felhasználásával.^[91]

Anaerob korrózióval

Anaerob körülmények között, a vas- és acélötvözeteket a víz protonjai lassan oxidálják. A vas anaerob korróziója először vas(II)-hidroxid (zöld rozsda) kialakulásához vezet, és az alábbi reakció írja le:

${\displaystyle \mathrm {Fe\ +\ 2\ H_{2}O\ \rightarrow \ Fe\left(OH\right)_{2}\ +\ H_{2}} }$

Anaerob körülmények között viszont, a vas(II)-hidroxidot (Fe(OH)₂) a víz protonjai magnetitté és molekuláris hidrogénné oxidálhatják. Ezt a folyamatot a Schikorr-reakció írja le:

${\displaystyle \mathrm {3\ Fe\left(OH\right)_{2}\ \rightarrow \ Fe_{3}O_{4}\ +\ 2\ H_{2}O\ +\ H_{2}} }$

A jól kristályosodott magnetit (Fe₃O₄) termodinamikailag stabilabb, mint a vas(II)-hidroxid (Fe(OH)₂). Ez a folyamat a vas és acél anaerob korróziója során történik, az oxigénmentes talajvizekben és a talajvízszint alatti redukáló talajokban.

Geológiailag

A Föld légkörében található oxigéntől (O₂) elzárva, mélygeológiai viszonyok között hidrogén (H₂) keletkezik a szerpentinesedés során, a fayalit (Fe₂SiO₄, az olivin sorozat utolsó, vasban gazdag tagja) kristályrácsában lévő vas (Fe²⁺) szilikátok, vízben lévő protonok (H⁺) általi anaerob oxidációja révén. A megfelelő, magnetit (Fe₃O₄), kvarc (SiO₂) és hidrogén (H₂) létrejöttéhez vezető reakció a következő:

${\displaystyle \mathrm {3\ Fe_{2}SiO_{4}\ +\ 2\ H_{2}O\ \rightarrow \ 2\ Fe_{3}O_{4}\ +\ 3\ SiO_{2}\ +\ 3\ H_{2}} }$

Ez a reakció hasonlít a Schikorr-reakcióban megfigyelt, vízzel érintkező vas(II)-hidroxid anaerob oxidációjára.

Transzformátorokban

A nagy teljesítményű transzformátorok egy részét ásványolajjal hűtik. Ezek meghibásodása esetén gázok képződhetnek, melyek közül a hidrogén a leggyakoribb; ezért a hidrogén képződése a transzformátorban súlyos problémák korai előjele.^[92]

Folyamatok

A kőolaj- és vegyiparnak nagy mennyiségű H₂-re van szüksége. A H₂ legnagyobb alkalmazási területe a fosszilis tüzelőanyagok feldolgozása és az ammóniatermelés. A petrolkémiai üzem legfontosabb hidrogénfogyasztó folyamatai a hidrodealkilezés, a hidrodeszulfurizáció és a hidrokrakkolás. Ezenkívül számos más felhasználási területe van, ezek egyike a hidrogénezés; különösen a telítetlen olajok és zsírok (melyek megtalálhatóak például a margarinban) telítettségének növelésekor, illetve a metanol előállításakor. A sósav előállításakor közvetlenül hidrogénforrásként hasznosítják, illetőleg felhasználják ércek redukálószereként.^[93]

A hidrogén sok ritkaföldfémben és átmenetifémben jól oldódik,^[94] és egyaránt oldódik nanokristályos fémekben és fémüvegben is.^[95] A hidrogén fémekben való oldhatóságára befolyással vannak a kristályrácsban lévő szennyezőanyagok, illetve a helyi torzulások.^[96] Ezek a tulajdonságok akkor lehetnek hasznosnak, ha a hidrogént forró palládiumlemezeken átvezetve tisztítják; de a gáz magas oldhatósága kohászati probléma, mert sok fémet rideggé tesz,^[10] illetve megbonyolítja a csővezetékek és a tartályok, de más gyártmányok tervezését is.^[11]

Eltekintve a reagensként való használatától, a H₂-t széles körben alkalmazzák a fizika és a mérnöki tudományok területén. Védőgázként használják fel egyes fémek hevítésekor (például volfrám), valamint különböző hegesztési eljárásokban, mint például az atomos hidrogén hegesztésben (AHW).^[97][98] A hidrogént felhasználják az erőművekben, az elektromos generátorok forgórészének hűtésére, mert a hővezetési tényezője az összes létező gáz közül a legnagyobb. A folyékony hidrogént felhasználják kriogén kutatásokban, beleértve a szupravezetőképességét vizsgáló tanulmányokat is.^[99] Mivel a hidrogéngáz sűrűsége a levegő ¹⁄₁₅-e, ezért könnyebb a levegőnél, így korábban léghajók és léggömbök töltőgázaként használták fel.^[100]

Napjainkban a tiszta, illetve a nitrogénnel kevert hidrogént (úgynevezett formálógáz) nyomjelző gázként használják szivárgások detektálására. Az alkalmazásai megtalálhatók az autóipar, a vegyipar, a villamosenergia-termelés, az űrkutatás és a távközlés területén.^[101] A hidrogén engedélyezett élelmiszer-adalékanyag (E949), lehetővé teszi az élelmiszer-csomagolások szivárgáspróbáját, illetve antioxidáns tulajdonságokkal bír.^[102]

A hidrogén ritkább izotópjainak mindegyike egyedi alkalmazással rendelkezik. A deutériumot (hidrogén-2) felhasználják a fúziós erőművekben; illetve az urán hasadóanyagú CANDU reaktorokban moderátorként (neutron lassításra) alkalmazzák.^[66] A deutériumvegyületek alkalmazási területei a kémiai és biológiai vizsgálatok, a kinetikus izotóp hatás tanulmányozása.^[103] A tríciumot (hidrogén-3) atomreaktorokban termelik, felhasználják a hidrogénbomba gyártásához,^[104] a biotudományokban izotópos címkézéshez,^[58] illetve mint sugárzó forrás a világító festékekben.^[105]

Az egyensúlyi hidrogén hármaspontjának hőmérséklete meghatározott fix pont az ITS-90 hőmérsékleti skálán; értéke 13,8033 K.^[106]

Hűtőközegként

A hidrogéngázt gyakran alkalmazzák erőművek elektromos generátoraiban a hagyományos léghűtés helyett,^[107][108] mivel számos előnyös tulajdonsága van, amelyek a közvetlen eredményei annak, hogy könnyű, kétatomos molekula. Ezek közé tartozik az alacsony sűrűség és kis viszkozitás, illetve, hogy az összes gáz közül a legmagasabb a fajlagos hőkapacitása és hővezetési tényezője.

Energiahordozóként

Bővebben: Hidrogéngazdaság

A hidrogén nem energiaforrás;^[109] eltekintve a deutériummal vagy tríciummal működő kereskedelmi magfúziós erőművektől, amelyek technológiája jelenleg is fejlesztés alatt áll.^[110] A Nap energiája is a hidrogén fúziójából származik, de ezen folyamat szabályozható megvalósítása földi körülmények között nehéz feladat.^[111] A szoláris, biológiai, vagy elektromos forrásból származó elemi hidrogén előállítása több energiát igényel, mint amennyi az elégetésével nyerhető, így ezekben az esetekben a hidrogén energiatárolóként, ill. energiahordozóként funkcionál; akárcsak egy akkumulátor vagy a folyékony szénhidrogének. A hidrogén fosszilis forrásokból (mint például a metán) is előállítható, de ezek a források nem fenntarthatók.^[109]

A folyékony hidrogén és a sűrített hidrogéngáz egységnyi térfogatra vett energiasűrűsége bármely megvalósítható nyomáson lényegesen kisebb, mint a hagyományos üzemanyagforrásoké; jóllehet az egységnyi tömegre vett energiasűrűsége jóval nagyobb.^[109] Mindazonáltal, az elemi hidrogént már széles körben tárgyalják, mint egy gazdaság-szintű, lehetséges jövőbeli energiahordozót.^[112] Például a CO₂-megkötés, amelyet a szén-dioxid-leválasztás és -tárolás követ, elvégezhető lenne azon a ponton, amikor a H₂ előállítható fosszilis tüzelőanyagokból.^[113] A közlekedésben használt hidrogén elégése viszonylag tiszta; némi NO_x-kibocsátással,^[114] de szén-dioxid-kibocsátás nélkül megy végbe.^[113] Hasonlóan a hidrogén és nitrogén vegyülete, az ammónia is elégethető belső égésű motorokban, azonban szintén NOx képződés mellett. Az infrastruktúra hidrogénalapú gazdaságra való teljes átalakításának költsége azonban jelentős.^[115]

Üzemanyagcellákban

Energiahordozóként legtisztább módon üzemanyagcella (tüzelőanyag-cella) alkalmazásával használható fel, amelyben folyamatos hidrogénellátás mellett szünetmentes elektromos áram nyerhető ki belőle. Ezzel részben helyettesíthető például az elektromos hajtású járművek akkumulátora.

Félvezetőiparban

A hidrogént felhasználják az amorf szilícium és amorf szén szabad kötéseinek telítésére, így stabilizálva az anyagi tulajdonságokat.^[116] Emellett a különböző oxidokban – beleértve: ZnO,^[117][118] SnO₂, CdO, MgO,^[119] ZrO₂, HfO₂, La₂O₃, Y₂O₃, TiO₂, SrTiO₃, LaAlO₃, SiO₂, Al₂O₃, ZrSiO₄, HfSiO₄ és SrZrO₃^[120] – potenciális elektrondonor.

A különféle mikroorganizmusok anaerob anyagcseréjük során végtermékként hidrogént állítanak elő, általában vas- vagy nikkeltartalmú enzimek (úgynevezett hidrogenázok) által katalizált reakciókon keresztül. Ezek az enzimek a H₂ és az azt alkotó két-két proton és elektron közti reverzibilis redoxi-reakciót katalizálják. A hidrogéngáz a piruvát vízzé történő fermentációja során keletkező redukáló komponensek szállításakor jön létre.^[121]

A vízbontás, melynek során a víz összetevőire – protonokra, elektronokra és oxigénre – bomlik, minden fotoszintetizáló szervezetben lejátszódik a fényszakasz során. Néhány ilyen szervezet, köztük a Chlamydomonas reinhardtii algák és a cianobaktériumok kifejlesztettek egy második lépést, a sötétszakaszt, melyben a kloroplasztiszban lévő specializált hidrogenázok redukálják a protonokat és elektronokat, így képezve H₂-gázt.^[122] Erőfeszítések történtek annak érdekében, hogy a géntechnológiával módosított cianobaktérium hidrogenázok hatékonyan szintetizálják a H₂-gázt oxigén jelenlétében is.^[123] Hasonló erőfeszítéseket algákkal is végeztek bioreaktorokban.^[124]

[[Fájl:|222px|bélyegkép|jobbra|]]

A hidrogén az emberi biztonságra nézve veszélyes anyag, levegővel keveredve potenciálisan tűz- és robbanásveszélyes; míg tiszta, oxigénmentes formában fulladást okozhat.^[125] Ezen túlmenően, a folyékony hidrogén kriogén anyag, ennek megfelelően a nagyon hideg folyadékokkal kapcsolatos veszélyeket rejti magában (mint például a fagyási sérülés).^[126] A hidrogén számos fémben oldódik, és azon túlmenően, hogy elszivárog, kedvezőtlen hatással lehet rájuk; ilyen hatás például a hidrogén-elridegedés,^[127] amely repedésekhez és robbanáshoz vezethet.^[128] A külső légtérbe kiszivárgó hidrogéngáz spontán meggyulladhat. Továbbá a hidrogénlángok amellett, hogy nagyon forróak, szinte láthatatlanok, és így véletlen égési sérülésekhez vezethetnek.^[129]

Még a hidrogén adatainak (beleértve a biztonsági adatlapot is) értelmezését is számos jelenség torzítja el. A hidrogén számos fizikai és kémiai tulajdonsága a parahidrogén/ortohidrogén arány függvénye (napokig vagy hetekig is eltart, míg egy adott hőmérsékleten eléri a egyensúlyi arányt, amelyre az adatokat általában megadják). A hidrogén detonációs paraméterei, mint például a kritikus detonációs nyomás és hőmérséklet, erősen függenek a tartály geometriájától.^[125]

A hidrogén a tárolóedény falának legkisebb repedésén keresztül is átszivárog. Az olyan tartályok, amelyek más anyagok számára gáztömör tárolást képesek biztosítani, a hidrogén számára nem biztos, hogy megfelelnek.

Ez a szócikk részben vagy egészben a Hydrogen című angol Wikipédia-szócikk fordításán alapul. Az eredeti cikk szerkesztőit annak laptörténete sorolja fel. Ez a jelzés csupán a megfogalmazás eredetét és a szerzői jogokat jelzi, nem szolgál a cikkben szereplő információk forrásmegjelöléseként.

• Bodonyi Ferenc: Kémiai összefoglaló. Budapest: Műszaki Könyvkiadó. 1987. 39; 301–303. o. ISBN 963-10-7229-0  
• Ammóniával tankolnák a hajókat Archiválva 2020. december 2-i dátummal a Wayback Machine-ben

• a magyar Wikipédia hidrogént tartalmazó vegyületeinek listája külső keresővel

Nézd meg a hidrogén címszót a Wikiszótárban!

• A Wikimédia Commons tartalmaz Hidrogén témájú kategóriát.

• Kategória:Hidrogénvegyületek – a hidrogén vegyületei.
• Kémiai elemek nevének etimológiája
• Hidrogéngazdaság
• Üzemanyagcella