Penyimpanan hidrogen.
Gladysheva Marina Alekseevna, 10A, sekolah No. 75, Chernogolovka. Laporan pada konferensi "Start in Science", MIPT, 2004.
Daya tarik hidrogen sebagai pembawa energi universal ditentukan oleh keramahan lingkungan, fleksibilitas dan efisiensi proses konversi energi yang melibatkan partisipasinya. Teknologi produksi hidrogen multi-skala cukup berkembang dan memiliki basis bahan baku yang hampir tidak terbatas. Namun, kepadatan gas hidrogen yang rendah, suhu pencairan yang rendah, serta bahaya ledakan yang tinggi, ditambah dengan dampak negatif pada sifat bahan struktural, memunculkan masalah dalam pengembangan sistem penyimpanan hidrogen yang efektif dan aman. - inilah permasalahan yang saat ini menghambat pengembangan energi dan teknologi hidrogen.
Sesuai dengan klasifikasi Departemen Energi AS, metode penyimpanan bahan bakar hidrogen dapat dibagi menjadi 2 kelompok:
Kelompok pertama mencakup metode fisik yang menggunakan proses fisik (terutama kompresi atau pencairan) untuk mengubah gas hidrogen menjadi bentuk padat. Hidrogen yang disimpan dengan metode fisik terdiri dari molekul H2 , berinteraksi secara lemah dengan lingkungan penyimpanan. Metode fisik berikut untuk menyimpan hidrogen telah diterapkan saat ini:
Gas hidrogen terkompresi:
tabung gas;
sistem penyimpanan besar yang tidak bergerak, termasuk tangki bawah tanah;
penyimpanan di saluran pipa;
mikrosfer kaca.
Hidrogen cair: wadah kriogenik stasioner dan transportasi.
DI DALAM kimia metode, penyimpanan hidrogen dipastikan melalui proses fisik atau kimia interaksinya dengan bahan tertentu. Metode ini dicirikan oleh interaksi yang kuat antara molekul atau atom hidrogen dengan bahan media penyimpanan. Kelompok metode ini terutama mencakup hal-hal berikut:
Adsorpsi:
zeolit dan senyawa terkait;
karbon aktif;
bahan nano hidrokarbon.
Penyerapan per volume bahan(hidrida logam)
Interaksi kimia:
sendirian;
fullerene dan hidrida organik;
amonia;
besi spons;
paduan reaktif air berdasarkan aluminium dan silikon.
Penyimpanan gas hidrogen bukanlah masalah yang lebih rumit dibandingkan penyimpanan gas alam. Dalam praktiknya, tangki gas, reservoir alami bawah tanah (akuifer, ladang minyak dan gas yang sudah habis), dan fasilitas penyimpanan yang dihasilkan oleh ledakan atom bawah tanah digunakan untuk tujuan ini. Kemungkinan mendasar penyimpanan gas hidrogen di gua garam yang tercipta dengan melarutkan garam dengan air melalui lubang bor telah terbukti.
Untuk menyimpan gas hidrogen pada tekanan hingga 100 MPa, digunakan bejana las dengan dinding dua atau multilapis. Dinding bagian dalam bejana tersebut terbuat dari baja tahan karat austenitik atau bahan lain yang kompatibel dengan hidrogen dalam kondisi tekanan tinggi, lapisan luarnya terbuat dari baja berkekuatan tinggi. Untuk tujuan ini, bejana berdinding tebal mulus yang terbuat dari baja karbon rendah yang dirancang untuk tekanan hingga 40 - 70 MPa juga digunakan.
Penyimpanan gas hidrogen dalam penampung gas dengan kolam air (penampung gas basah), penampung gas piston bertekanan konstan (penampung gas kering), dan penampung gas volume konstan (tangki bertekanan tinggi) telah tersebar luas. Silinder digunakan untuk menyimpan sejumlah kecil hidrogen.
Perlu diingat bahwa tangki bensin basah dan kering (piston) yang dilas tidak memiliki kekencangan yang memadai. Menurut kondisi teknis, kebocoran hidrogen diperbolehkan selama pengoperasian normal tangki gas basah dengan kapasitas hingga 3000 m3 3 – sekitar 1,65%, dan dengan kapasitas mulai 3000 m 3 dan lebih banyak lagi - sekitar 1,1% per hari (berdasarkan volume nominal tangki bensin).
Salah satu cara paling menjanjikan untuk menyimpan hidrogen dalam jumlah besar adalah dengan menyimpannya di akuifer. Kerugian tahunan dengan metode penyimpanan ini berkisar antara 1 hingga 3%. Besarnya kerugian ini dibuktikan dengan pengalaman penyimpanan gas alam.
Gas hidrogen dapat disimpan dan diangkut dalam bejana baja dengan tekanan hingga 20 MPa. Kontainer tersebut dapat diangkut ke tempat konsumsi melalui peron mobil atau kereta api, baik dalam kontainer standar maupun dalam kontainer yang dirancang khusus.
Untuk penyimpanan dan pengangkutan sejumlah kecil hidrogen terkompresi pada suhu dari –50 hingga +60 0 C menggunakan silinder baja mulus dengan kapasitas kecil hingga 12 dm 3 dan kapasitas rata-rata 20 – 50 dm 3 dengan tekanan kerja hingga 20 MPa. Badan katup terbuat dari kuningan. Silindernya dicat hijau tua dan diberi tulisan “Hidrogen” berwarna merah.
Silinder penyimpanan hidrogen cukup sederhana dan kompak. Namun untuk menyimpan 2 kg N 2 diperlukan baut seberat 33 kg. Kemajuan ilmu material memungkinkan pengurangan massa bahan silinder menjadi 20 kg per 1 kg hidrogen, dan di masa depan dimungkinkan untuk menguranginya menjadi 8–10 kg. Sejauh ini, massa hidrogen bila disimpan dalam silinder kira-kira 2–3% dari massa silinder itu sendiri.
Hidrogen dalam jumlah besar dapat disimpan dalam tangki gas bertekanan besar. Tangki bensin biasanya terbuat dari baja karbon. Tekanan kerja di dalamnya biasanya tidak melebihi 10 MPa. Karena kepadatan gas hidrogen yang rendah, menyimpannya dalam wadah seperti itu hanya bermanfaat dalam jumlah yang relatif kecil. Meningkatkan tekanan di atas nilai yang ditentukan, misalnya, hingga ratusan mega Pascal, pertama, menyebabkan kesulitan yang terkait dengan korosi hidrogen pada baja karbon, dan kedua, menyebabkan peningkatan yang signifikan pada biaya wadah tersebut.
Untuk menyimpan hidrogen dalam jumlah yang sangat besar, metode yang hemat biaya adalah dengan menyimpan gas dan akuifer yang sudah habis. Terdapat lebih dari 300 fasilitas penyimpanan gas bawah tanah di Amerika Serikat.
Gas hidrogen dalam jumlah yang sangat besar disimpan di gua garam sedalam 365 m pada tekanan hidrogen 5 MPa, dalam struktur berpori berisi air yang mengandung hingga 20 10 6 m 3 hidrogen.
Pengalaman penyimpanan jangka panjang (lebih dari 10 tahun) di fasilitas penyimpanan gas bawah tanah dari gas yang mengandung 50% hidrogen telah menunjukkan kemungkinan penuh untuk penyimpanannya tanpa kebocoran yang nyata. Lapisan tanah liat yang direndam dalam air dapat menyediakan penyimpanan yang tertutup rapat karena lemahnya pelarutan hidrogen dalam air.
Penyimpanan hidrogen cair
Di antara banyak sifat unik hidrogen yang penting untuk dipertimbangkan ketika menyimpannya dalam bentuk cair, ada satu hal yang sangat penting. Hidrogen dalam wujud cair ditemukan dalam kisaran suhu yang sempit: dari titik didih 20K hingga titik beku 17K, ketika berubah menjadi wujud padat. Jika suhu naik melebihi titik didihnya, hidrogen langsung berubah dari cair menjadi gas.
Untuk mencegah terjadinya panas berlebih, bejana yang berisi hidrogen cair harus didinginkan terlebih dahulu hingga suhu mendekati titik didih hidrogen, baru kemudian dapat diisi dengan hidrogen cair. Untuk melakukan ini, gas pendingin dilewatkan melalui sistem, yang berhubungan dengan tingginya konsumsi hidrogen untuk mendinginkan wadah.
Transisi hidrogen dari cair ke gas dikaitkan dengan kerugian yang tak terhindarkan akibat penguapan. Kandungan biaya dan energi dari gas yang diuapkan cukup signifikan. Oleh karena itu, pengorganisasian penggunaan gas ini dari sudut pandang ekonomi dan keamanan perlu dilakukan. Menurut kondisi pengoperasian bejana kriogenik yang aman, setelah mencapai tekanan operasi maksimum dalam wadah, ruang gas harus minimal 5%.
Ada sejumlah persyaratan untuk tangki penyimpanan hidrogen cair:
desain tangki harus memastikan kekuatan dan keandalan, pengoperasian yang aman dalam jangka panjang;
konsumsi hidrogen cair untuk pendinginan awal fasilitas penyimpanan sebelum diisi dengan hidrogen cair harus minimal;
Tangki penyimpanan harus dilengkapi dengan sarana pengisian cepat hidrogen cair dan pengeluaran cepat produk yang disimpan.
Bagian utama dari sistem penyimpanan hidrogen kriogenik adalah bejana berinsulasi termal, yang massanya kira-kira 4 - 5 kali lebih kecil per 1 kg hidrogen yang disimpan dibandingkan dengan penyimpanan silinder di bawah tekanan tinggi. Dalam sistem penyimpanan kriogenik untuk hidrogen cair, 1 kg hidrogen menyumbang 6–8 kg massa bejana kriogenik, dan dalam hal karakteristik volumetrik, bejana kriogenik sesuai dengan penyimpanan gas hidrogen di bawah tekanan 40 MPa.
Hidrogen cair disimpan dalam jumlah besar di fasilitas penyimpanan khusus dengan volume hingga 5 ribu m3 3 . Fasilitas penyimpanan berbentuk bola besar untuk hidrogen cair dengan volume 2850 m3 3 memiliki diameter dalam bola aluminium 17,4 m 3 .
Penyimpanan dan transportasi hidrogen dalam keadaan terikat secara kimia
Keuntungan menyimpan dan mengangkut hidrogen dalam bentuk amonia, metanol, dan etanol dalam jarak jauh adalah kepadatan kandungan volumetrik hidrogen yang tinggi. Namun, dalam bentuk penyimpanan hidrogen ini, media penyimpanannya digunakan satu kali. Temperatur pencairan amonia adalah 239,76 K, temperatur kritis 405 K, sehingga pada temperatur normal amonia mencair pada tekanan 1,0 MPa dan dapat diangkut melalui pipa dan disimpan dalam bentuk cair. Dasar Rasionya diberikan di bawah ini:
1 m 3 N 2 (g) » 0,66 m 3 NH 3 » 0,75 dm 3 H 2 (l);
1 ton NH 3 » 1975 m 3 N 2 + 658 m 3 N 2 – 3263 MJ;
2NH 3 ?N 2 + 3H 2 – 92 kJ.
Disosiasi untuk penguraian amonia (kerupuk), yang terjadi pada suhu sekitar 1173 - 1073 K dan tekanan atmosfer, menggunakan katalis besi bekas untuk mensintesis amonia. Untuk menghasilkan satu kg hidrogen, dibutuhkan 5,65 kg amonia. Adapun konsumsi panas untuk disosiasi amonia bila menggunakan panas dari luar, panas pembakaran hidrogen yang dihasilkan bisa mencapai 20% lebih tinggi dari panas pembakaran amonia yang digunakan dalam proses dekomposisi. Jika hidrogen yang diperoleh dalam proses tersebut digunakan untuk proses disosiasi, maka efisiensi proses tersebut (perbandingan panas gas yang dihasilkan dengan panas pembakaran amonia yang dikonsumsi) tidak melebihi 60 - 70%.
Hidrogen dari metanol dapat diperoleh melalui dua skema: baik dengan dekomposisi katalitik:
CH3OH? CO+2H 2 – 90 kJ
diikuti dengan konversi katalitik CO atau konversi uap katalitik dalam satu tahap:
H 2 O + CH 3 OH? CO 2 + 3H 2 – 49 kJ.
Biasanya, proses ini menggunakan katalis seng-kromium untuk sintesis metanol. Prosesnya terjadi pada suhu 573 – 673 K. Metanol dapat digunakan sebagai bahan bakar untuk proses konversi. Dalam hal ini, efisiensi proses produksi hidrogen adalah 65–70% (perbandingan panas hidrogen yang dihasilkan dengan panas pembakaran metanol yang dikonsumsi); jika panas untuk proses produksi hidrogen disuplai dari luar, maka panas pembakaran hidrogen yang diperoleh melalui dekomposisi katalitik adalah 22%, dan panas hidrogen yang diperoleh melalui pembentukan uap adalah 15% lebih tinggi daripada panas pembakaran metanol yang dikonsumsi.
Perlu ditambahkan di atas bahwa ketika membuat skema teknologi energi menggunakan limbah panas dan penggunaan hidrogen yang diperoleh dari metanol, amonia atau etanol, efisiensi proses dapat diperoleh lebih tinggi dibandingkan saat menggunakan produk ini sebagai bahan bakar cair sintetis. Jadi, dengan pembakaran langsung metanol dan unit turbin gas, efisiensinya adalah 35%, ketika, karena panasnya gas buang, penguapan dan konversi katalitik metanol dan pembakaran campuran CO + H dilakukan 2 Efisiensi meningkat menjadi 41,30%, dan ketika melakukan reformasi uap dan pembakaran hidrogen yang dihasilkan - hingga 41,9%.
Sistem penyimpanan hidrogen hidrida
Dengan menyimpan hidrogen dalam bentuk hidrida, tidak diperlukan silinder besar dan berat saat menyimpan gas hidrogen terkompresi, atau wadah yang sulit diproduksi dan mahal untuk menyimpan hidrogen cair. Ketika hidrogen disimpan dalam bentuk hidrida, volume sistem berkurang sekitar 3 kali lipat dibandingkan volume penyimpanan dalam silinder. Transportasi hidrogen disederhanakan. Tidak ada biaya untuk konversi dan pencairan hidrogen.
Hidrogen dapat diperoleh dari hidrida logam melalui dua reaksi: hidrolisis dan disosiasi.
Melalui hidrolisis, dimungkinkan untuk memperoleh hidrogen dua kali lebih banyak daripada yang ada dalam hidrida. Namun, proses ini praktis tidak dapat diubah. Metode produksi hidrogen melalui disosiasi termal hidrida memungkinkan terciptanya baterai hidrogen, di mana sedikit perubahan suhu dan tekanan dalam sistem menyebabkan perubahan signifikan dalam kesetimbangan reaksi pembentukan hidrida.
Perangkat stasioner untuk menyimpan hidrogen dalam bentuk hidrida tidak memiliki batasan ketat pada massa dan volume, sehingga faktor pembatas dalam pemilihan hidrida tertentu, kemungkinan besar, adalah biayanya. Untuk beberapa aplikasi, vanadium hidrida mungkin berguna, karena ia terdisosiasi dengan baik pada suhu mendekati 270 K. Magnesium hidrida relatif murah, tetapi memiliki suhu disosiasi yang relatif tinggi yaitu 560 - 570 K dan panas pembentukan yang tinggi. Paduan besi-titanium relatif murah, dan hidridanya terdisosiasi pada suhu 320 - 370 K dengan panas pembentukan yang rendah. Penggunaan hidrida memiliki keuntungan keamanan yang signifikan. Bejana hidrogen hidrida yang rusak menimbulkan bahaya yang jauh lebih kecil dibandingkan tangki hidrogen cair atau bejana bertekanan berisi hidrogen yang rusak.
Saat ini, di Institut Fisika Kimia Akademi Ilmu Pengetahuan Rusia di Chernogolovka, pekerjaan sedang dilakukan untuk membuat baterai hidrogen berdasarkan hidrida logam.
Daftar literatur bekas :
1. Direktori. "Hidrogen. Properti, penerimaan, penyimpanan, transportasi, aplikasi.” Moskow "Kimia" - 1989
2. “Tinjauan metode penyimpanan hidrogen.” Masalah Institut Ilmu Material dari Akademi Ilmu Pengetahuan Nasional Ukraina. http://shp.by.ru/sci/fullerene/rorums/ichms/2003/
/mol (eV)
(menurut Pauling)
zat
| H | 1 |
| 1,00794 | |
| 1 detik 1 | |
| Hidrogen | |
Hidrogen adalah unsur pertama dalam tabel periodik unsur. Tersebar luas di alam. Kation (dan inti) dari isotop hidrogen yang paling umum adalah 1 H—proton. Sifat inti 1 H memungkinkan penggunaan spektroskopi NMR secara luas dalam analisis zat organik.
Sejarah hidrogen
Pelepasan gas yang mudah terbakar selama interaksi asam dan logam diamati pada abad ke-16 dan ke-17 pada awal terbentuknya kimia sebagai ilmu pengetahuan. M.V. Lomonosov dan M.V. secara langsung menunjukkan keterasingannya, tetapi sudah menyadari dengan pasti bahwa ini bukanlah flogiston. Fisikawan dan kimiawan Inggris G. Cavendish meneliti gas ini pada tahun 1766 dan menyebutnya “udara yang mudah terbakar”. Saat dibakar, “udara yang mudah terbakar” menghasilkan air, namun kepatuhan Cavendish pada teori flogiston menghalanginya untuk menarik kesimpulan yang benar. Ahli kimia Perancis A. Lavoisier, bersama dengan insinyur J. Meunier, menggunakan gasometer khusus, pada tahun 1783. melakukan sintesis air, kemudian menganalisisnya, menguraikan uap air dengan besi panas. Oleh karena itu, ia menetapkan bahwa “udara yang mudah terbakar” adalah bagian dari air dan dapat diperoleh darinya.
Asal usul nama hidrogen
Lavoisier memberi hidrogen nama hidrogen (dari ὕδωρ - "air" dan γενναω - "Saya melahirkan") - "melahirkan air." Nama Rusia “hidrogen” diusulkan oleh ahli kimia M.F. Soloviev pada tahun 1824, dengan analogi dengan “oksigen” Lomonosov.
Kelimpahan hidrogen
Di Alam Semesta
Hidrogen adalah unsur paling umum di alam semesta. Ini menyumbang sekitar 92% dari semua atom (8% adalah atom helium, bagian dari gabungan semua unsur lainnya kurang dari 0,1%). Dengan demikian, hidrogen merupakan penyusun utama bintang dan gas antarbintang. Dalam kondisi suhu bintang (misalnya, suhu permukaan Matahari ~6000 °C), hidrogen ada dalam bentuk plasma; di ruang antarbintang, unsur ini ada dalam bentuk molekul individu, atom, dan ion dan dapat terbentuk awan molekuler yang sangat bervariasi dalam ukuran, kepadatan dan suhu.
Kerak bumi dan organisme hidup
Fraksi massa hidrogen di kerak bumi adalah 1%—ini merupakan unsur kesepuluh yang paling melimpah. Namun, perannya di alam tidak ditentukan oleh massa, tetapi oleh jumlah atom, yang persentasenya di antara unsur-unsur lain adalah 17% (tempat kedua setelah oksigen, yang persentase atomnya adalah ~52%). Oleh karena itu, pentingnya hidrogen dalam proses kimia yang terjadi di Bumi hampir sama besarnya dengan oksigen. Berbeda dengan oksigen, yang ada di Bumi dalam keadaan terikat dan bebas, hampir semua hidrogen di Bumi berbentuk senyawa; Hanya sejumlah kecil hidrogen dalam bentuk zat sederhana yang terkandung di atmosfer (0,00005% volume).
Hidrogen adalah bagian dari hampir semua zat organik dan terdapat di semua sel hidup. Dalam sel hidup, hidrogen menyumbang hampir 50% jumlah atom.
Produksi hidrogen
Metode industri untuk memproduksi zat sederhana bergantung pada bentuk di mana unsur yang bersangkutan ditemukan di alam, yaitu bahan mentah untuk produksinya. Jadi, oksigen, yang tersedia dalam keadaan bebas, diperoleh melalui cara fisik—melalui pemisahan dari udara cair. Hampir semua hidrogen berbentuk senyawa, sehingga digunakan metode kimia untuk mendapatkannya. Secara khusus, reaksi dekomposisi dapat digunakan. Salah satu cara untuk menghasilkan hidrogen adalah melalui penguraian air oleh arus listrik.
Metode industri utama untuk memproduksi hidrogen adalah reaksi metana, yang merupakan bagian dari gas alam, dengan air. Ini dilakukan pada suhu tinggi (mudah untuk memverifikasi bahwa ketika metana dilewatkan bahkan melalui air mendidih, tidak ada reaksi yang terjadi):
Di laboratorium, untuk memperoleh zat sederhana tidak harus menggunakan bahan baku alami, tetapi memilih bahan awal yang lebih mudah untuk mengisolasi zat yang diperlukan. Misalnya di laboratorium, oksigen tidak diperoleh dari udara. Hal yang sama berlaku untuk produksi hidrogen. Salah satu metode laboratorium untuk memproduksi hidrogen, yang terkadang digunakan dalam industri, adalah penguraian air oleh arus listrik.
Biasanya, hidrogen diproduksi di laboratorium dengan mereaksikan seng dengan asam klorida.
Produksi hidrogen di industri
1.Elektrolisis larutan garam berair:
2NaCl +2H 2 O → H 2 +2NaOH +Cl 2
2.Melewati uap air di atas kokas panas pada suhu sekitar 1000°C:
H 2 O + ⇄ H 2 +CO
3. Dari gas alam.
Konversi uap:
CH 4 +H 2 O ⇄ CO +3H 2 (1000°C)
Oksidasi katalitik dengan oksigen:
2CH 4 +O 2 ⇄ 2CO +4H 2
4. Cracking dan reforming hidrokarbon selama penyulingan minyak.
Memproduksi hidrogen di laboratorium
1. Pengaruh asam encer pada logam. Untuk melakukan reaksi ini, seng dan asam klorida encer paling sering digunakan:
+2HCl → ZnCl 2 +H 2
2. Interaksi kalsium dengan air : |
+2H 2 O → Ca(OH) 2 +H 2
3. Hidrolisis hidrida:
NaH +H 2 O → NaOH +H 2
4. Pengaruh alkali pada seng atau aluminium:
2 +2NaOH +6H 2 O → 2Na +3H 2
+2KOH +2H 2 O → K 2 +H 2
5.Menggunakan elektrolisis. Selama elektrolisis larutan alkali atau asam dalam air, hidrogen dilepaskan di katoda, misalnya:
2H 3 O + +2e - → H 2 +2H 2 O
Informasi tambahan tentang Hidrogen
Bioreaktor untuk produksi hidrogen
Sifat fisik Hidrogen
Spektrum emisi hidrogen
Spektrum emisi hidrogen
Modifikasi hidrogen dapat dipisahkan dengan adsorpsi pada karbon aktif pada suhu nitrogen cair. Pada suhu yang sangat rendah, kesetimbangan antara ortohidrogen dan parahidrogen hampir sepenuhnya bergeser ke arah yang terakhir. Pada 80 K perbandingan bentuk kira-kira 1:1. Ketika dipanaskan, parahidrogen yang terdesorbsi diubah menjadi ortohidrogen hingga terbentuk campuran yang setimbang pada suhu kamar (orto-para: 75:25). Tanpa katalis, transformasi terjadi secara perlahan (dalam kondisi medium antarbintang - dengan waktu karakteristik hingga waktu kosmologis), yang memungkinkan untuk mempelajari sifat-sifat modifikasi individu.
Hidrogen adalah gas paling ringan, 14,5 kali lebih ringan dari udara. Jelasnya, semakin kecil massa molekul, semakin tinggi kecepatannya pada suhu yang sama. Sebagai molekul paling ringan, molekul hidrogen bergerak lebih cepat daripada molekul gas lainnya sehingga dapat mentransfer panas lebih cepat dari satu benda ke benda lain. Oleh karena itu hidrogen memiliki konduktivitas termal tertinggi di antara zat gas. Konduktivitas termalnya kira-kira tujuh kali lebih tinggi daripada konduktivitas termal udara.
Molekul hidrogen bersifat diatomik - H2. Dalam kondisi normal, gas ini tidak berwarna, tidak berbau, dan tidak berasa. Massa jenis 0,08987 g/l (no.), titik didih −252,76 °C, kalor jenis pembakaran 120,9·10 6 J/kg, sedikit larut dalam air - 18,8 ml/l. Hidrogen sangat larut dalam banyak logam (, , dll.), terutama dalam paladium (850 volume per 1 volume Pd). Kelarutan hidrogen dalam logam berkaitan dengan kemampuannya untuk berdifusi melalui logam; Difusi melalui paduan karbon (misalnya baja) terkadang disertai dengan penghancuran paduan tersebut karena interaksi hidrogen dengan karbon (disebut dekarbonisasi). Praktis tidak larut dalam perak.
Diagram fase hidrogen
Hidrogen cair berada dalam kisaran suhu yang sangat sempit mulai dari −252,76 hingga −259,2 °C. Ini adalah cairan tidak berwarna, sangat ringan (massa jenis pada −253 °C 0,0708 g/cm3) dan cair (viskositas pada −253 °C 13,8 inci). Parameter kritis hidrogen sangat rendah: suhu −240,2 °C dan tekanan 12,8 atm. Hal ini menjelaskan kesulitan dalam mencairkan hidrogen. Dalam keadaan cair, kesetimbangan hidrogen terdiri dari 99,79% para-H 2, 0,21% orto-H 2.
Hidrogen padat, titik leleh −259,2 °C, massa jenis 0,0807 g/cm 3 (pada −262 °C) - massa seperti salju, kristal heksagonal, grup ruang P6/mmc, parameter sel A=3,75 C=6.12. Pada tekanan tinggi, hidrogen berubah menjadi bentuk logam.
Isotop
Hidrogen terjadi dalam bentuk tiga isotop, yang memiliki nama tersendiri: 1 H - protium (H), 2 H - deuterium (D), 3 H - tritium (radioaktif) (T).
Protium dan deuterium merupakan isotop stabil dengan nomor massa 1 dan 2. Kandungannya di alam masing-masing adalah 99,9885 ± 0,0070% dan 0,0115 ± 0,0070%. Rasio ini mungkin sedikit berbeda tergantung pada sumber dan metode produksi hidrogen.
Isotop hidrogen 3H (tritium) tidak stabil. Waktu paruhnya adalah 12,32 tahun. Tritium terjadi secara alami dalam jumlah yang sangat kecil.
Literatur juga menyediakan data tentang isotop hidrogen dengan nomor massa 4–7 dan waktu paruh 10–22–10–23 detik.
Hidrogen alami terdiri dari molekul H2 dan HD (deuterium hidrogen) dengan perbandingan 3200:1. Kandungan deuterium hidrogen D 2 murni bahkan lebih sedikit lagi. Perbandingan konsentrasi HD dan D 2 kira-kira 6400:1.
Dari semua isotop unsur kimia, sifat fisik dan kimia isotop hidrogen paling berbeda satu sama lain. Hal ini disebabkan oleh perubahan massa atom yang relatif terbesar.
| Suhu meleleh, K |
Suhu mendidih, K |
Tiga kali lipat dot, K/kPa |
Kritis dot, K/kPa |
Kepadatan cair/gas, kg/m³ |
|
|---|---|---|---|---|---|
| jam 2 | 13.95 | 20,39 | 13,96 /7,3 | 32,98 /1,31 | 70,811 /1,316 |
| HD | 16,60 | 22,13 | 16,60 /12,8 | 35,91 /1,48 | 114,80 /1,802 |
| HT | 22,92 | 17,63 /17,7 | 37,13 /1,57 | 158,62 /2,310 | |
| D 2 | 18,62 | 23,67 | 18,73 /17,1 | 38,35 /1,67 | 162,50 /2,230 |
| D.T. | 24.38 | 19,71 /19,4 | 39,42 /1,77 | 211,54 /2,694 | |
| T 2 | 25,04 | 20,62 /21,6 | 40,44 /1,85 | 260,17 /3,136 |
Deuterium dan tritium juga memiliki modifikasi orto dan para: P-D 2 , Hai-D 2 , P-T 2, Hai-T 2 . Hidrogen heteroisotop (HD, HT, DT) tidak memiliki modifikasi orto dan para.
Sifat kimia
Molekul hidrogen H2 cukup kuat, dan agar hidrogen dapat bereaksi, banyak energi yang harus dikeluarkan:
N 2 = 2H − 432 kJ
Oleh karena itu, pada suhu biasa, hidrogen hanya bereaksi dengan logam yang sangat aktif, seperti kalsium, membentuk kalsium hidrida:
H 2 =CaH 2
dan dengan satu-satunya non-logam - fluor, membentuk hidrogen fluorida:
F 2 +H 2 =2HF
Hidrogen bereaksi dengan sebagian besar logam dan nonlogam pada suhu tinggi atau pengaruh lain, misalnya pencahayaan:
O 2 +2H 2 =2H 2 O
Ia dapat “mengambil” oksigen dari beberapa oksida, misalnya:
CuO +H 2 = +H 2 O
Persamaan tertulis mencerminkan sifat reduksi hidrogen.
N 2 +3H 2 → 2NH 3
Membentuk hidrogen halida dengan halogen:
F 2 +H 2 → 2HF, reaksi terjadi secara eksplosif dalam gelap dan pada suhu berapa pun, Cl 2 +H 2 → 2HCl, reaksi terjadi secara eksplosif, hanya dalam cahaya.
Ia berinteraksi dengan jelaga di bawah suhu tinggi:
2H 2 → CH 4
Interaksi dengan logam alkali dan alkali tanah
Saat berinteraksi dengan logam aktif, hidrogen membentuk hidrida:
2 +H 2 → 2NaH +H 2 → CaH 2 +H 2 → MgH 2
Hidrida- zat padat seperti garam, mudah terhidrolisis:
CaH 2 +2H 2 O → Ca(OH) 2 +2H 2
Interaksi dengan oksida logam (biasanya unsur d)
Oksida direduksi menjadi logam:
CuO +H 2 → Cu +H 2 O Fe 2 O 3 +3H 2 → 2Fe +3H 2 O WO 3 +3H 2 → W+3H 2 O
Hidrogenasi senyawa organik
Hidrogen molekuler banyak digunakan dalam sintesis organik untuk mereduksi senyawa organik. Proses-proses ini disebut reaksi hidrogenasi. Reaksi-reaksi ini dilakukan dengan adanya katalis pada tekanan dan suhu tinggi. Katalisnya bisa homogen (misalnya Katalis Wilkinson) atau heterogen (misalnya nikel Raney, paladium pada karbon).
Jadi, khususnya, selama hidrogenasi katalitik senyawa tak jenuh seperti alkena dan alkuna, senyawa jenuh terbentuk - alkana.
Geokimia hidrogen
Hidrogen H2 bebas relatif jarang terdapat dalam gas bumi, namun dalam bentuk air ia berperan sangat penting dalam proses geokimia.
Hidrogen dapat terdapat dalam mineral dalam bentuk ion amonium, ion hidroksil, dan air kristal.
Di atmosfer, hidrogen terus diproduksi sebagai hasil penguraian air oleh radiasi matahari. Memiliki massa yang rendah, molekul hidrogen memiliki kecepatan gerak difusi yang tinggi (mendekati kecepatan kosmik kedua) dan ketika memasuki lapisan atas atmosfer, mereka dapat terbang ke luar angkasa.
Fitur pengobatan
Penerapan hidrogen
Atom hidrogen digunakan untuk pengelasan atom hidrogen.
Industri kimia
Dalam produksi amonia, metanol, sabun dan plastik
Industri makanan
Dalam produksi margarin dari minyak nabati cair.
Terdaftar sebagai suplemen makanan E949(kemasan gas)
Industri penerbangan
Hidrogen sangat ringan dan selalu naik di udara. Dahulu kala, kapal udara dan balon diisi dengan hidrogen. Namun di usia 30-an. abad XX Beberapa bencana terjadi ketika kapal udara meledak dan terbakar. Saat ini, kapal udara diisi dengan helium.
Bahan bakar
Hidrogen digunakan sebagai bahan bakar roket. Penelitian sedang dilakukan tentang penggunaan hidrogen sebagai bahan bakar mobil dan truk. Mesin hidrogen tidak mencemari lingkungan dan hanya mengeluarkan uap air.
Sel bahan bakar hidrogen-oksigen menggunakan hidrogen untuk secara langsung mengubah energi reaksi kimia menjadi energi listrik.
Hidrogen, Hidrogenium, H (1)
Hidrogen telah dikenal sebagai udara yang mudah terbakar (flammable) sejak lama. Itu diperoleh dari aksi asam pada logam; pembakaran dan ledakan gas eksplosif diamati oleh Paracelsus, Boyle, Lemery dan ilmuwan lain pada abad 16-18. Dengan tersebarnya teori flogiston, beberapa ahli kimia mencoba menghasilkan hidrogen sebagai “flogiston bebas”. Disertasi Lomonosov “Tentang Kilau Logam” menjelaskan produksi hidrogen melalui aksi “alkohol asam” (misalnya, “alkohol klorida”, yaitu asam klorida) pada besi dan logam lainnya; Ilmuwan Rusia adalah orang pertama (1745) yang mengajukan hipotesis bahwa hidrogen (“uap yang mudah terbakar” - uap inflammabilis) adalah flogiston. Cavendish, yang mempelajari sifat-sifat hidrogen secara mendetail, mengajukan hipotesis serupa pada tahun 1766. Dia menyebut hidrogen “Udara yang mudah terbakar dari logam” dan percaya, seperti semua ahli flogiston, bahwa ketika dilarutkan dalam asam, logam kehilangan flogistonnya. Lavoisier, yang pada tahun 1779 mempelajari komposisi air melalui sintesis dan dekomposisinya, disebut hidrogen Hidrogin (hidrogen), atau Hidrogen (hidrogen), dari bahasa Yunani. gidor - air dan gaynome - saya menghasilkan, melahirkan.
Komisi Tata Nama tahun 1787 mengadopsi kata produksi Hidrogen dari gennao, saya melahirkan. Dalam Tabel Benda Sederhana Lavoisier, hidrogen disebutkan di antara lima (cahaya, panas, oksigen, nitrogen, hidrogen) “benda sederhana yang termasuk dalam ketiga kingdom alam dan yang harus dianggap sebagai elemen benda”; Sebagai sinonim lama untuk nama Hidrogen, Lavoisier menyebut gas yang mudah terbakar (Gaz inflammable), bahan dasar dari gas yang mudah terbakar. Dalam literatur kimia Rusia pada akhir abad ke-18 dan awal abad ke-19. Ada dua macam nama untuk hidrogen: flogistik (gas yang mudah terbakar, udara yang mudah terbakar, udara yang dapat terbakar, udara yang dapat menyala) dan antiphlogistik (pencipta air, makhluk pencipta air, gas penghasil air, gas hidrogen, hidrogen). Kedua kelompok kata tersebut merupakan terjemahan dari nama Perancis untuk hidrogen.
Isotop hidrogen ditemukan pada tahun 30-an abad ini dan dengan cepat menjadi sangat penting dalam sains dan teknologi. Pada akhir tahun 1931, Urey, Brekwedd dan Murphy memeriksa residu setelah penguapan hidrogen cair dalam jangka panjang dan menemukan di dalamnya hidrogen berat dengan berat atom 2. Isotop ini disebut deuterium (D) dari bahasa Yunani - yang lain, kedua . Empat tahun kemudian, isotop hidrogen yang lebih berat, 3H, ditemukan dalam air yang mengalami elektrolisis jangka panjang, yang disebut tritium (Tritium, T), dari bahasa Yunani - ketiga.
HIDROGEN
N (lat. hidrogenium),
unsur kimia berbentuk gas yang paling ringan merupakan anggota subgolongan IA pada tabel periodik unsur, kadang-kadang diklasifikasikan sebagai subgolongan VIIA. Di atmosfer bumi, hidrogen dalam keadaan tidak terikat hanya dalam sepersekian menit; jumlahnya 1-2 bagian per 1.500.000 bagian udara. Biasanya dilepaskan bersama gas lain selama letusan gunung berapi, dari sumur minyak, dan di tempat di mana sejumlah besar bahan organik terurai. Hidrogen bergabung dengan karbon dan/atau oksigen dalam bahan organik seperti karbohidrat, hidrokarbon, lemak, dan protein hewani. Di hidrosfer, hidrogen merupakan bagian dari air, senyawa paling umum di Bumi. Di bebatuan, tanah, tanah, dan bagian lain kerak bumi, hidrogen bergabung dengan oksigen membentuk air dan ion hidroksida OH-. Hidrogen membentuk 16% dari seluruh atom di kerak bumi, tetapi hanya sekitar 1% massanya, karena 16 kali lebih ringan dari oksigen. Massa Matahari dan bintang-bintang adalah 70% plasma hidrogen: ini adalah unsur paling umum di ruang angkasa. Konsentrasi hidrogen di atmosfer bumi meningkat seiring dengan ketinggian karena kepadatannya yang rendah dan kemampuannya untuk naik ke ketinggian. Meteorit yang ditemukan di permukaan bumi mengandung 6-10 atom hidrogen per 100 atom silikon.
Informasi sejarah. Dokter dan naturalis Jerman lainnya Paracelsus di abad ke-16. menetapkan sifat mudah terbakar hidrogen. Pada tahun 1700 N. Lemery menemukan bahwa gas yang dilepaskan akibat aksi asam sulfat pada besi meledak di udara. Hidrogen sebagai suatu unsur diidentifikasi oleh G. Cavendish pada tahun 1766 dan menyebutnya “udara yang mudah terbakar”, dan pada tahun 1781 ia membuktikan bahwa air adalah produk interaksinya dengan oksigen. Hidrogenium Latin, yang berasal dari kombinasi Yunani “melahirkan air”, diberikan kepada unsur ini oleh A. Lavoisier.
Ciri-ciri umum hidrogen. Hidrogen adalah unsur pertama dalam tabel periodik unsur; atomnya terdiri dari satu proton dan satu elektron yang berputar mengelilinginya
(lihat juga SISTEM ELEMEN PERIODIK).
Satu dari 5000 atom hidrogen dibedakan dengan adanya satu neutron di dalam inti, sehingga meningkatkan massa inti dari 1 menjadi 2. Isotop hidrogen ini disebut deuterium 21H atau 21D. Isotop hidrogen lain yang lebih langka mengandung dua neutron di dalam intinya dan disebut tritium 31H atau 31T. Tritium bersifat radioaktif dan meluruh untuk melepaskan helium dan elektron. Inti dari isotop hidrogen yang berbeda berbeda dalam putaran protonnya. Hidrogen dapat diperoleh a) melalui aksi logam aktif pada air, b) melalui aksi asam pada logam tertentu, c) melalui aksi basa pada silikon dan beberapa logam amfoter, d) melalui aksi uap super panas pada batubara dan metana, serta besi, e) melalui dekomposisi elektrolitik air dan dekomposisi termal hidrokarbon. Aktivitas kimia hidrogen ditentukan oleh kemampuannya untuk menyumbangkan elektron ke atom lain atau membaginya hampir sama dengan unsur lain ketika membentuk ikatan kimia, atau untuk mengikat elektron dari unsur lain ke dalam senyawa kimia yang disebut hidrida. Hidrogen yang dihasilkan oleh industri digunakan dalam jumlah besar untuk sintesis amonia, asam nitrat, dan hidrida logam. Industri makanan menggunakan hidrogen untuk menghidrogenasi (menghidrogenasi) minyak nabati cair menjadi lemak padat (seperti margarin). Selama hidrogenasi, minyak organik jenuh yang mengandung ikatan rangkap antar atom karbon diubah menjadi minyak jenuh yang memiliki ikatan karbon-karbon tunggal. Hidrogen cair dengan kemurnian tinggi (99,9998%) digunakan dalam roket luar angkasa sebagai bahan bakar yang sangat efisien.
Sifat fisik. Hidrogen memerlukan suhu yang sangat rendah dan tekanan tinggi untuk mencair dan mengeras (lihat tabel properti). Dalam kondisi normal, hidrogen adalah gas tidak berwarna, tidak berbau dan tidak berasa, sangat ringan: 1 liter hidrogen pada 0° C dan tekanan atmosfer memiliki massa 0,08987 g (lih. massa jenis udara dan helium 1,2929 dan 0,1785 g/l, masing-masing ; oleh karena itu, balon berisi helium dan memiliki daya angkat yang sama dengan balon berisi hidrogen seharusnya memiliki volume 8% lebih banyak). Tabel tersebut menunjukkan beberapa sifat fisik dan termodinamika hidrogen. SIFAT-SIFAT HIDROGEN BIASA
(pada 273,16 K, atau 0 °C)
Nomor atom 1 Massa atom 11H 1,00797 Massa jenis, g/l
pada tekanan normal 0,08987 pada 2,5*10 5 atm 0,66 pada 2,7*10 18 atm 1,12*10 7
Jari-jari kovalen, 0,74 Titik lebur, °C -259,14 Titik didih, °C -252,5 Suhu kritis, °C -239,92 (33,24 K) Tekanan kritis, atm 12,8 (12,80 K) Kapasitas panas, J/(molK) 28,8 (H2) Kelarutan
dalam air, volume/100 volume H2O (dalam kondisi standar) 2,148 dalam benzena, ml/g (35,2° C, 150,2 atm) 11,77 dalam amonia, ml/g (25° C) pada 50 atm 4 ,47 pada 1000 atm 79.25
Keadaan oksidasi -1, +1
Struktur atom. Atom hidrogen biasa (protium) terdiri dari dua partikel fundamental (proton dan elektron) dan memiliki massa atom 1. Karena kecepatan elektron yang sangat besar (2,25 km/s atau 7*1015 rpm) dan gelombang selnya yang dualistik sifatnya, tidak mungkin menentukan secara akurat koordinat (posisi) elektron pada waktu tertentu, tetapi ada beberapa daerah yang kemungkinan besar ditemukannya elektron, dan daerah tersebut menentukan ukuran atom. Sebagian besar sifat kimia dan fisik hidrogen, terutama yang berkaitan dengan eksitasi (penyerapan energi), diprediksi secara akurat secara matematis (lihat SPECTROSCOPY). Hidrogen mirip dengan logam alkali karena semua unsur mampu menyumbangkan elektron ke atom akseptor untuk membentuk ikatan kimia, yang dapat berkisar dari ionik parsial (berbagi elektron) hingga kovalen (berbagi pasangan elektron). Dengan akseptor elektron yang kuat, hidrogen membentuk ion H+ positif, yaitu proton. Mungkin terdapat 2 elektron dalam orbit elektron atom hidrogen, sehingga hidrogen juga mampu menerima elektron, membentuk ion negatif H-, ion hidrida, dan ini membuat hidrogen mirip dengan halogen, yang dicirikan dengan menerima elektron. untuk membentuk ion halida negatif seperti Cl-. Dualisme hidrogen tercermin dalam kenyataan bahwa dalam tabel periodik unsur ia ditempatkan di subkelompok IA (logam alkali), dan kadang-kadang di subkelompok VIIA (halogen) (lihat juga KIMIA).
Sifat kimia. Sifat kimia hidrogen ditentukan oleh elektron tunggalnya. Jumlah energi yang dibutuhkan untuk melepaskan elektron ini lebih besar daripada yang dapat dihasilkan oleh zat pengoksidasi kimia mana pun. Oleh karena itu, ikatan kimia hidrogen dengan atom lain lebih dekat ke kovalen daripada ionik. Ikatan kovalen murni terjadi ketika molekul hidrogen terbentuk: H + H H2
Ketika satu mol (yaitu 2 g) H2 terbentuk, 434 kJ dilepaskan. Bahkan pada 3000 K, derajat disosiasi hidrogen sangat kecil yaitu sebesar 9,03%; pada 5000 K mencapai 94%, dan hanya pada 10.000 K disosiasi menjadi sempurna. Ketika dua mol (36 g) air terbentuk dari atom hidrogen dan oksigen (4H + O2 -> 2H2O), lebih dari 1250 kJ dilepaskan dan suhu mencapai 3000-4000 ° C, sedangkan selama pembakaran molekul hidrogen (2H2 + O2 -> 2H2O) hanya 285,8 kJ dan suhu nyala api hanya mencapai 2500 °C. Pada suhu kamar, hidrogen kurang reaktif. Untuk memulai sebagian besar reaksi, ikatan H-H yang kuat harus diputus atau dilemahkan, sehingga mengeluarkan banyak energi. Laju reaksi hidrogen meningkat dengan penggunaan katalis (logam golongan platinum, oksida logam transisi atau berat) dan metode eksitasi molekul (cahaya, pelepasan listrik, busur listrik, suhu tinggi). Dalam kondisi seperti itu, hidrogen bereaksi dengan hampir semua unsur kecuali gas mulia. Unsur alkali dan alkali tanah yang reaktif (seperti litium dan kalsium) bereaksi dengan hidrogen, menyumbangkan elektron dan membentuk senyawa yang disebut garam hidrida (2Li + H2 -> 2LiH; Ca + H2 -> CaH2).
Secara umum, hidrida adalah senyawa yang mengandung hidrogen. Beragamnya sifat senyawa tersebut (tergantung pada atom yang terikat pada hidrogen) dijelaskan oleh kemampuan hidrogen untuk menunjukkan muatan dari -1 hingga hampir +1. Hal ini terlihat jelas dalam kemiripan antara LiH dan CaH2 serta garam seperti NaCl dan CaCl2. Dalam hidrida, hidrogen dianggap bermuatan negatif (H-); ion tersebut merupakan zat pereduksi dalam media berair asam: 2H- H2 + 2e- + 2.25B. Ion H- mampu mereduksi proton air H+ menjadi gas hidrogen: H- + H2O (r) H2 + OH-.
Senyawa hidrogen dengan boron - borohidrida (borohidrida) - mewakili kelas zat yang tidak biasa yang disebut boran. Perwakilan paling sederhana mereka adalah BH3, yang hanya ada dalam bentuk stabil diboran B2H6. Senyawa dengan sejumlah besar atom boron dibuat dengan cara yang berbeda. Misalnya saja yang diketahui adalah tetraborane B4H10, pentaborane stabil B5H9 dan pentaborane B5H11 tidak stabil, hexaborane B6H10, decaborane B10H14. Diborana dapat diperoleh dari H2 dan BCl3 melalui senyawa antara B2H5Cl, yang pada 0°C tidak proporsional dengan B2H6, serta melalui reaksi LiH atau litium aluminium hidrida LiAlH4 dengan BCl3. Dalam litium aluminium hidrida (senyawa kompleks - garam hidrida), empat atom hidrogen membentuk ikatan kovalen dengan Al, tetapi terdapat ikatan ionik antara Li+ dan []-. Contoh lain ion yang mengandung hidrogen adalah ion borohidrida BH4-. Di bawah ini adalah klasifikasi kasar hidrida menurut sifat-sifatnya menurut kedudukan unsur-unsur dalam tabel periodik unsur. Hidrida logam transisi disebut logam atau perantara dan seringkali tidak membentuk senyawa stoikiometri, mis. perbandingan atom hidrogen terhadap logam tidak dinyatakan sebagai bilangan bulat, misalnya vanadium hidrida VH0.6 dan torium hidrida ThH3.1. Logam golongan platina (Ru, Rh, Pd, Os, Ir dan Pt) aktif menyerap hidrogen dan berfungsi sebagai katalis efektif untuk reaksi hidrogenasi (misalnya, hidrogenasi minyak cair menjadi lemak, konversi nitrogen menjadi amonia, sintesis metanol CH3OH dari BERSAMA). Hidrida Be, Mg, Al dan subkelompok Cu, Zn, Ga bersifat polar dan tidak stabil secara termal.
Nonlogam membentuk hidrida yang mudah menguap dengan rumus umum MHx (x adalah bilangan bulat) dengan titik didih yang relatif rendah dan tekanan uap yang tinggi. Hidrida ini sangat berbeda dengan hidrida garam, dimana hidrogen mempunyai muatan yang lebih negatif. Dalam hidrida yang mudah menguap (misalnya hidrokarbon), ikatan kovalen antara nonlogam dan hidrogen mendominasi. Dengan meningkatnya sifat nonlogam maka akan terbentuk senyawa dengan ikatan ionik parsial, misalnya H+Cl-, (H2)2+O2-, N3-(H3)3+. Beberapa contoh pembentukan berbagai hidrida diberikan di bawah ini (panas pembentukan hidrida ditunjukkan dalam tanda kurung):
Isomerisme dan isotop hidrogen. Atom-atom isotop hidrogen tidak sama. Hidrogen biasa, protium, selalu merupakan proton yang mengelilingi satu elektron, terletak pada jarak yang sangat jauh dari proton (relatif terhadap ukuran proton). Kedua partikel mempunyai spin, sehingga atom hidrogen dapat berbeda dalam spin elektron, spin proton, atau keduanya. Atom hidrogen yang berbeda putaran proton atau elektronnya disebut isomer. Kombinasi dua atom dengan spin paralel menghasilkan pembentukan molekul “ortohidrogen”, dan atom dengan spin proton berlawanan menghasilkan molekul “parahidrogen”. Secara kimia, kedua molekul itu identik. Ortohidrogen memiliki momen magnet yang sangat lemah. Pada suhu kamar atau suhu tinggi, kedua isomer, ortohidrogen dan parahidrogen, biasanya berada dalam kesetimbangan dengan perbandingan 3:1. Ketika didinginkan hingga 20 K (-253°C), kandungan parahidrogen meningkat hingga 99%, karena lebih stabil. Ketika dicairkan dengan metode pemurnian industri, ortoform berubah menjadi paraform dengan pelepasan panas, yang menyebabkan hilangnya hidrogen melalui penguapan. Laju konversi ortoform menjadi paraform meningkat dengan adanya katalis, seperti arang, nikel oksida, kromium oksida yang didukung pada alumina. Protium adalah unsur yang tidak biasa karena tidak memiliki neutron di intinya. Jika sebuah neutron muncul di dalam inti, maka hidrogen tersebut disebut deuterium 21D. Unsur-unsur dengan jumlah proton dan elektron yang sama serta jumlah neutron yang berbeda disebut isotop. Hidrogen alami mengandung sebagian kecil HD dan D2. Demikian pula, air alami mengandung konsentrasi DOH dan D2O yang rendah (kurang dari 0,1%). Air berat D2O yang massanya lebih besar dari H2O memiliki sifat fisika dan kimia yang berbeda, misalnya massa jenis air biasa adalah 0,9982 g/ml (20° C), dan massa jenis air berat adalah 1,105 g/ml. , titik leleh air biasa adalah 0,0 °C, dan air berat - 3,82 °C, titik didih masing-masing 100 °C dan 101,42 °C. Reaksi yang melibatkan D2O berlangsung pada kecepatan yang lebih rendah (misalnya, elektrolisis air alami mengandung campuran D2O dengan penambahan alkali NaOH ). Laju dekomposisi elektrolitik protium oksida H2O lebih besar dibandingkan D2O (dengan mempertimbangkan peningkatan konstan proporsi D2O yang mengalami elektrolisis). Karena sifat protium dan deuterium yang serupa, protium dapat diganti dengan deuterium. Koneksi seperti ini disebut dengan apa yang disebut tag. Dengan mencampurkan senyawa deuterium dengan zat biasa yang mengandung hidrogen, jalur, sifat, dan mekanisme banyak reaksi dapat dipelajari. Metode ini digunakan untuk mempelajari reaksi biologis dan biokimia, seperti proses pencernaan. Isotop hidrogen ketiga, tritium (31T), terdapat secara alami dalam jumlah sedikit. Tidak seperti deuterium stabil, tritium bersifat radioaktif dan memiliki waktu paruh 12,26 tahun. Tritium meluruh menjadi helium (32He) melepaskan partikel b (elektron). Tritium dan logam tritida digunakan untuk menghasilkan energi nuklir; misalnya, dalam bom hidrogen terjadi reaksi fusi termonuklir berikut: 21H + 31H -> 42He + 10n + 17,6 MeV
Produksi hidrogen. Seringkali, penggunaan hidrogen lebih lanjut ditentukan oleh sifat produksi itu sendiri. Dalam beberapa kasus, misalnya dalam sintesis amonia, sejumlah kecil nitrogen dalam hidrogen awal, tentu saja, bukanlah pengotor yang berbahaya. Pencampuran karbon(II) monoksida juga tidak akan menjadi masalah jika hidrogen digunakan sebagai zat pereduksi. 1. Produksi hidrogen terbesar didasarkan pada konversi katalitik hidrokarbon dengan uap menurut skema CnH2n + 2 + nH2O (r) nCO + (2n + 1)H2 dan CnH2n + 2 + 2nH2O (r) nCO2 + (3n + 1)H2. Suhu proses tergantung pada komposisi katalis. Diketahui bahwa suhu reaksi dengan propana dapat diturunkan hingga 370 °C dengan menggunakan bauksit sebagai katalis. Hingga 95% CO yang dihasilkan dalam hal ini dikonsumsi dalam reaksi lebih lanjut dengan uap air: H2O + CO -> CO2 + H2
2. Metode gas air menyumbang sebagian besar produksi hidrogen total. Inti dari metode ini adalah reaksi uap air dengan kokas membentuk campuran CO dan H2. Reaksinya bersifat endotermik (DH° = 121,8 kJ/mol) dan berlangsung pada 1000°C. Kokas yang dipanaskan diolah dengan uap; Campuran gas murni yang dilepaskan mengandung sejumlah hidrogen, sebagian besar CO, dan sedikit campuran CO2. Untuk meningkatkan hasil H2, CO monoksida dihilangkan melalui pengolahan uap lebih lanjut pada suhu 370°C, yang menghasilkan lebih banyak CO2. Karbon dioksida cukup mudah dihilangkan dengan melewatkan campuran gas melalui scrubber yang disemprot dengan air berlawanan arah. 3. Elektrolisis. Dalam proses elektrolitik, hidrogen sebenarnya merupakan produk sampingan dari produksi produk utama, klor alkali (NaOH). Elektrolisis dilakukan dalam lingkungan berair sedikit basa pada suhu 80° C dan tegangan sekitar 2V, menggunakan katoda besi dan anoda nikel:
4. Metode besi-uap, dimana uap pada suhu 500-1000 °C dilewatkan melalui besi: 3Fe + 4H2O Fe3O4 + 4H2 + 160,67 kJ. Hidrogen yang dihasilkan dengan metode ini biasanya digunakan untuk menghidrogenasi lemak dan minyak. Komposisi oksida besi bergantung pada suhu proses; pada nC + (n + 1)H2
6. Volume produksi terbesar berikutnya adalah metode uap metanol: CH3OH + H2O -> 3H2 + CO2. Reaksi bersifat endotermik dan dilakukan pada HIDROGEN 260° C dalam reaktor baja konvensional pada tekanan hingga 20 atm. 7. Dekomposisi katalitik amonia: 2NH3 -> Reaksinya bersifat reversibel. Jika kebutuhan hidrogen sedikit, proses ini tidak ekonomis. Terdapat juga berbagai metode untuk memproduksi hidrogen, yang meskipun tidak terlalu penting bagi industri, dalam beberapa kasus mungkin merupakan metode yang paling menguntungkan secara ekonomi. Hidrogen yang sangat murni diperoleh melalui hidrolisis hidrida logam alkali murni; dalam hal ini, banyak hidrogen terbentuk dari sejumlah kecil hidrida: LiH + H2O -> LiOH + H2
(Metode ini berguna bila hidrogen yang dihasilkan digunakan secara langsung.) Ketika asam berinteraksi dengan logam aktif, hidrogen juga dilepaskan, tetapi biasanya terkontaminasi dengan uap asam atau produk gas lainnya, misalnya fosfin PH3, hidrogen sulfida H2S, arsin AsH3 . Logam paling aktif, bereaksi dengan air, menggantikan hidrogen dan membentuk larutan basa: 2H2O + 2Na -> H2 + 2NaOH Metode laboratorium yang umum untuk memperoleh H2 dalam peralatan Kipp adalah dengan mereaksikan seng dengan asam klorida atau asam sulfat:
Zn + 2HCl -> ZnCl2 + H2. Hidrida logam alkali tanah (misalnya CaH2), hidrida garam kompleks (misalnya LiAlH4 atau NaBH4) dan beberapa borohidrida (misalnya B2H6) melepaskan hidrogen ketika bereaksi dengan air atau selama disosiasi termal. Batubara coklat dan uap pada suhu tinggi juga bereaksi melepaskan hidrogen.
Pemurnian hidrogen. Tingkat kemurnian hidrogen yang dibutuhkan ditentukan oleh bidang penerapannya. Pengotor karbon dioksida dihilangkan dengan pembekuan atau pencairan (misalnya, dengan melewatkan campuran gas melalui nitrogen cair). Pengotor yang sama dapat dihilangkan seluruhnya dengan menggelembungkan air. CO dapat dihilangkan dengan konversi katalitik menjadi CH4 atau CO2 atau dengan pencairan melalui pengolahan dengan nitrogen cair. Pengotor oksigen yang terbentuk selama proses elektrolisis dihilangkan dalam bentuk air setelah pelepasan bunga api.
Penerapan hidrogen. Hidrogen digunakan terutama dalam industri kimia untuk produksi hidrogen klorida, amonia, metanol dan senyawa organik lainnya. Ini digunakan dalam hidrogenasi minyak, serta batu bara dan minyak bumi (untuk mengubah bahan bakar bermutu rendah menjadi bahan bakar berkualitas tinggi). Dalam metalurgi, beberapa logam non-besi direduksi dari oksidanya menggunakan hidrogen. Hidrogen digunakan untuk mendinginkan generator listrik yang bertenaga. Isotop hidrogen digunakan dalam energi nuklir. Api hidrogen-oksigen digunakan untuk memotong dan mengelas logam.
LITERATUR
Nekrasov B.V. Dasar-dasar kimia umum. M., 1973 Hidrogen cair. M., 1980 Hidrogen dalam logam. M., 1981
Ensiklopedia Collier. - Masyarakat Terbuka. 2000 .
Sinonim:Lihat apa itu "HIDROGEN" di kamus lain:
Tabel nuklida Informasi umum Nama, simbol Hidrogen 4, 4H Neutron 3 Proton 1 Sifat nuklida Massa atom 4.027810(110) ... Wikipedia
Tabel nuklida Informasi umum Nama, simbol Hidrogen 5, 5H Neutron 4 Proton 1 Sifat nuklida Massa atom 5.035310(110) ... Wikipedia
Tabel nuklida Informasi umum Nama, simbol Hidrogen 6, 6H Neutron 5 Proton 1 Sifat nuklida Massa atom 6.044940(280) ... Wikipedia
Tabel nuklida Informasi umum Nama, simbol Hidrogen 7, 7H Neutron 6 Proton 1 Sifat nuklida Massa atom 7.052750 (1080) ... Wikipedia
- (Hidrogenium), H, unsur kimia pertama dan paling ringan dalam tabel periodik, massa atom 1,00794; gas, titik didih 252,76°C. Inti atom hidrogen disebut proton. Hidrogen ditemukan dalam air, organisme hidup, minyak, batu bara,... ... Ensiklopedia modern
Hidrogen- (Hidrogenium), H, unsur kimia pertama dan paling ringan dalam tabel periodik, massa atom 1,00794; gas, titik didih 252,76°C. Inti atom hidrogen disebut proton. Hidrogen ditemukan dalam air, organisme hidup, minyak, batu bara,... ... Kamus Ensiklopedis Bergambar
- (simbol H), unsur gas non-logam, pertama kali diisolasi dan diidentifikasi pada tahun 1766 oleh Henry CAVENDISH, yang menyebutnya "udara yang mudah terbakar". Hidrogen tidak berwarna dan tidak berbau; ia diklasifikasikan bersama dengan logam alkali pada bagian pertama... ... Kamus ensiklopedis ilmiah dan teknis
H (lat. hydrogenium; a. hydrogen; n. Wasserstoff; f. hydrogene; i. hidrogeno), kimia. elemen periodik sistem unsur Mendeleev, yang sekaligus diklasifikasikan ke dalam golongan I dan VII, di. N. 1, di. m. B. alami memiliki stabil...... Ensiklopedia Geologi
H2 adalah gas yang tidak berwarna, tidak berbau dan tidak berasa. Massa molar 2,0157 kg/kmol, titik leleh 13,95 K, titik didih 71,07 kg/m3, nilai kalor rendah 114460 kJ/kg, konstanta gas 4,124 J/(kg*K), koefisien stoikiometri 34,25 kg … … Ensiklopedia teknologi
Hidrogen (H) merupakan unsur kimia yang sangat ringan, dengan kandungan 0,9% berat di kerak bumi dan 11,19% di air.
Karakteristik hidrogen
Ini adalah gas pertama yang paling ringan. Dalam kondisi normal, tidak berasa, tidak berwarna, dan sama sekali tidak berbau. Ketika memasuki termosfer, ia terbang ke luar angkasa karena bobotnya yang rendah.
Di seluruh alam semesta, ia adalah unsur kimia yang paling banyak jumlahnya (75% dari total massa zat). Sedemikian rupa sehingga banyak bintang di luar angkasa seluruhnya terbuat dari bahan tersebut. Misalnya saja Matahari. Komponen utamanya adalah hidrogen. Dan panas dan cahaya adalah hasil pelepasan energi ketika inti suatu material bergabung. Juga di luar angkasa terdapat seluruh awan molekulnya dengan berbagai ukuran, kepadatan dan suhu.
Sifat fisik
Suhu dan tekanan tinggi secara signifikan mengubah kualitasnya, tetapi dalam kondisi normal:
Ia memiliki konduktivitas termal yang tinggi jika dibandingkan dengan gas lainnya,
Tidak beracun dan sulit larut dalam air,
Dengan massa jenis 0,0899 g/l pada 0°C dan 1 atm.,
Berubah menjadi cair pada suhu -252,8°C
Menjadi keras pada -259.1°C.,
Kalor jenis pembakaran 120.9.106 J/kg.
Dibutuhkan tekanan tinggi dan suhu yang sangat rendah untuk berubah menjadi cair atau padat. Dalam keadaan cair, ia cair dan ringan.
Sifat kimia
Di bawah tekanan dan pendinginan (-252,87 derajat C), hidrogen memperoleh bentuk cair, yang bobotnya lebih ringan daripada analog mana pun. Dibutuhkan lebih sedikit ruang di dalamnya dibandingkan dalam bentuk gas.
Ini adalah tipikal non-logam. Di laboratorium, logam ini diproduksi dengan mereaksikan logam (seperti seng atau besi) dengan asam encer. Dalam kondisi normal ia tidak aktif dan hanya bereaksi dengan nonlogam aktif. Hidrogen dapat memisahkan oksigen dari oksida, dan mereduksi logam dari senyawanya. Ia dan campurannya membentuk ikatan hidrogen dengan unsur-unsur tertentu.
Gas ini sangat larut dalam etanol dan banyak logam, terutama paladium. Perak tidak melarutkannya. Hidrogen dapat teroksidasi selama pembakaran dalam oksigen atau udara, dan ketika berinteraksi dengan halogen.
Ketika bergabung dengan oksigen, air terbentuk. Jika suhunya normal, maka reaksi berlangsung lambat; jika di atas 550°C akan meledak (berubah menjadi gas yang dapat meledak).
Menemukan hidrogen di alam
Meskipun terdapat banyak hidrogen di planet kita, tidak mudah untuk menemukannya dalam bentuk murni. Sedikit yang dapat ditemukan selama letusan gunung berapi, selama produksi minyak, dan saat bahan organik terurai.
Lebih dari separuh jumlah totalnya mengandung air. Ia juga termasuk dalam struktur minyak, berbagai tanah liat, gas yang mudah terbakar, hewan dan tumbuhan (keberadaannya di setiap sel hidup adalah 50% dari jumlah atom).
Siklus hidrogen di alam
Setiap tahun, sejumlah besar (miliaran ton) sisa tanaman terurai di badan air dan tanah, dan penguraian ini melepaskan sejumlah besar hidrogen ke atmosfer. Ini juga dilepaskan selama fermentasi yang disebabkan oleh bakteri, pembakaran dan, bersama dengan oksigen, berpartisipasi dalam siklus air.
Aplikasi Hidrogen
Unsur tersebut digunakan secara aktif oleh umat manusia dalam aktivitasnya, sehingga kita telah belajar memperolehnya dalam skala industri untuk:
Meteorologi, produksi bahan kimia;
produksi margarin;
Sebagai bahan bakar roket (hidrogen cair);
Industri tenaga listrik untuk mendinginkan generator listrik;
Pengelasan dan pemotongan logam.
Banyak hidrogen digunakan dalam produksi bensin sintetis (untuk meningkatkan kualitas bahan bakar berkualitas rendah), amonia, hidrogen klorida, alkohol, dan bahan lainnya. Energi nuklir secara aktif menggunakan isotopnya.
Obat "hidrogen peroksida" banyak digunakan dalam metalurgi, industri elektronik, produksi pulp dan kertas, untuk memutihkan kain linen dan katun, untuk produksi pewarna rambut dan kosmetik, polimer dan obat-obatan untuk pengobatan luka.
Sifat "eksplosif" dari gas ini dapat menjadi senjata mematikan - bom hidrogen. Ledakannya disertai dengan pelepasan sejumlah besar zat radioaktif dan berdampak buruk bagi semua makhluk hidup.
Kontak antara hidrogen cair dan kulit dapat menyebabkan radang dingin yang parah dan menyakitkan.
Hidrogen memiliki namanya sendiri: H - protium (H), H - deuterium (D) dan H - tritium (radioaktif) (T).
Zat sederhana hidrogen - H 2 - adalah gas ringan yang tidak berwarna. Jika tercampur dengan udara atau oksigen, bahan ini mudah terbakar dan meledak. Tidak beracun. Larut dalam etanol dan sejumlah logam: besi, nikel, paladium, platinum.
Cerita
Bahkan ilmuwan abad pertengahan Paracelsus memperhatikan bahwa ketika asam bekerja pada besi, gelembung-gelembung semacam “udara” dilepaskan. Tapi dia tidak bisa menjelaskan apa itu. Sekarang diketahui bahwa itu adalah hidrogen. “Hidrogen adalah contoh gas,” tulis D.I. Mendeleev, “sekilas, tidak ada bedanya dengan udara... Paracelsus, yang menemukan bahwa aksi logam tertentu pada asam sulfat menghasilkan zat seperti udara, tidak menentukannya perbedaannya dengan udara. Memang benar, hidrogen tidak berwarna dan tidak berbau, sama seperti udara; namun, jika diketahui lebih dekat sifat-sifatnya, gas ini ternyata sangat berbeda dengan udara.”
Ahli kimia Inggris abad ke-18, Henry Cavendish dan Joseph Priestley, yang menemukan kembali hidrogen, adalah orang pertama yang mempelajari sifat-sifatnya. Mereka menemukan bahwa itu adalah gas yang luar biasa ringan – 14 kali lebih ringan dari udara. Jika Anda menggembungkan bola karet dengan itu, bola itu akan terbang. Sifat hidrogen ini sebelumnya digunakan untuk mengisi balon dan kapal udara. Benar, balon udara pertama yang dibuat oleh Montgolfier bersaudara tidak diisi dengan hidrogen, tetapi dengan asap dari pembakaran wol dan jerami. Cara aneh menghasilkan udara panas ini disebabkan oleh fakta bahwa saudara-saudara tersebut tampaknya tidak memahami hukum fisika; mereka secara naif percaya bahwa campuran ini akan membentuk “asap listrik” yang dapat mengangkat balon ringan mereka. Fisikawan Charles, yang mengetahui hukum Archimedes, memutuskan untuk mengisi balon dengan hidrogen; Berbeda dengan balon udara yang diisi udara panas, orang Perancis menyebut balon dengan bahan bakar hidrogen. Balon pertama (tidak membawa muatan apa pun) lepas landas dari Champs de Mars di Paris pada 27 Agustus 1783 dan terbang sejauh 20 km dalam 45 menit.
Pada bulan Desember 1783, Charles didampingi fisikawan François Robert, di hadapan 400 ribu penonton, melakukan penerbangan pertama dengan balon berisi hidrogen. Gay-Lussac (juga bersama dengan fisikawan Jean Baptiste Biot) mencetak rekor ketinggian pada tahun 1804, mencapai 7000 meter.
Tapi hidrogen mudah terbakar. Selain itu, campurannya dengan udara dapat meledak, dan campuran hidrogen dan oksigen bahkan disebut “gas eksplosif”. Pada bulan Mei 1937, kebakaran menghancurkan kapal udara raksasa Jerman Hindenburg dalam beberapa menit - yang mengandung 190.000 meter kubik hidrogen. 35 orang meninggal saat itu. Setelah banyak kecelakaan, hidrogen tidak lagi digunakan dalam aeronautika; digantikan oleh helium atau udara panas.
Ketika hidrogen terbakar, air terbentuk - senyawa hidrogen dan oksigen. Hal ini dibuktikan pada akhir abad ke-18 oleh ahli kimia Perancis Lavoisier. Oleh karena itu nama gas tersebut – “pemberi air”. Lavoisier juga berhasil memperoleh hidrogen dari air. Dia melewatkan uap air melalui tabung besi panas membara yang berisi serbuk besi. Oksigen dari air berikatan erat dengan besi, dan hidrogen dilepaskan dalam bentuk bebas. Sekarang hidrogen juga diperoleh dari air, tetapi dengan cara yang berbeda - menggunakan elektrolisis (lihat DISOSIASI ELEKTROLITIK. ELEKTROLIT)
Sifat hidrogen
Hidrogen adalah unsur kimia paling melimpah di alam semesta. Ia membentuk sekitar setengah massa Matahari dan sebagian besar bintang, dan merupakan elemen utama di ruang antarbintang dan nebula gas. Hidrogen juga tersebar luas di Bumi. Ini dia dalam keadaan terikat – dalam bentuk senyawa. Jadi, air mengandung 11% hidrogen berdasarkan massa, tanah liat - 1,5%. Dalam bentuk senyawa dengan karbon, hidrogen merupakan bagian dari minyak, gas alam, dan semua organisme hidup. Ada sejumlah hidrogen bebas di udara, tetapi jumlahnya sangat sedikit - hanya 0,00005%. Ia memasuki atmosfer dari gunung berapi.
Hidrogen memegang banyak “rekor” lainnya.
Hidrogen cair– cairan paling ringan (massa jenis 0,067 g/cm 3 pada suhu –250°C),
Hidrogen padat– padatan paling ringan (massa jenis 0,076 g/cm3).
atom hidrogen- yang terkecil dari semua atom. Namun, ketika energi radiasi elektromagnetik diserap, elektron terluar suatu atom dapat bergerak semakin jauh dari inti atom. Oleh karena itu, atom hidrogen yang tereksitasi secara teori dapat berukuran berapa pun. Tapi secara praktis? Buku Rekor Dunia Kimia mengatakan bahwa di awan antarbintang, atom hidrogen dengan diameter 0,4 mm diduga ditemukan dalam spektrumnya (tercatat oleh transisi spektral dari orbital 253 ke 252). Atom sebesar ini dapat dilihat dengan mata telanjang! Pada saat yang sama, tautan diberikan ke artikel yang diterbitkan pada tahun 1991 di jurnal paling terkenal di dunia yang didedikasikan untuk pendidikan kimia - Journal of Chemical Education (diterbitkan di AS). Namun, penulis artikel itu salah - dia melebih-lebihkan semua ukuran tepat 100 kali lipat (ini dilaporkan oleh majalah yang sama setahun kemudian). Artinya, atom hidrogen yang terdeteksi memiliki diameter “hanya” 0,004 mm, dan atom tersebut, meskipun “padat”, tidak dapat dilihat dengan mata telanjang - hanya melalui mikroskop. Tentu saja, menurut standar atom, 0,004 mm adalah nilai yang sangat besar, puluhan ribu kali lebih besar dari diameter atom hidrogen yang tidak tereksitasi.
Molekul hidrogen juga sangat kecil. Oleh karena itu, gas ini dengan mudah melewati celah yang paling tipis. Bola karet yang diisi hidrogen “menurunkan berat badan” jauh lebih cepat daripada bola yang diisi udara: molekul hidrogen secara bertahap merembes melalui pori-pori terkecil pada karet.
Jika Anda menghirup hidrogen dan mulai berbicara, frekuensi suara yang dihasilkan akan tiga kali lebih tinggi dari biasanya. Ini cukup untuk membuat suara laki-laki yang rendah sekalipun menjadi sangat tinggi, mengingatkan pada suara Pinokio. Hal ini terjadi karena tinggi nada suara yang dihasilkan oleh peluit, pipa organ, atau alat vokal manusia tidak hanya bergantung pada ukuran dan bahan dindingnya, tetapi juga pada gas yang mengisinya. Semakin tinggi kecepatan suara dalam suatu gas, semakin tinggi pula nadanya. Cepat rambat bunyi bergantung pada massa molekul gas. Molekul hidrogen jauh lebih ringan daripada molekul nitrogen dan oksigen yang menyusun udara, dan suara merambat hampir empat kali lebih cepat di dalam hidrogen daripada di udara. Namun, menghirup hidrogen berisiko: di paru-paru, hidrogen pasti akan bercampur dengan sisa udara dan membentuk campuran yang mudah meledak. Dan jika, saat Anda menghembuskan napas, ada api di dekatnya... Inilah kisah yang menimpa ahli kimia Prancis, direktur Museum Sains Paris, Pilatre de Rosier (1756–1785). Suatu hari dia memutuskan untuk memeriksa apa yang akan terjadi jika dia menghirup hidrogen; Tidak ada seorang pun yang pernah melakukan eksperimen seperti itu sebelum dia. Karena tidak menyadari efek apa pun, ilmuwan memutuskan untuk memastikan apakah hidrogen menembus paru-paru. Dia menghirup gas itu lagi dan kemudian menghembuskannya ke api lilin, berharap melihat kilatan api. Namun, hidrogen di paru-paru peneliti pemberani itu bercampur dengan udara dan terjadi ledakan dahsyat. “Saya pikir semua gigi saya telah copot, beserta akarnya,” tulisnya kemudian, sangat senang dengan pengalaman yang hampir merenggut nyawanya.
Sejarah produksi deuterium dan tritium
Deuterium
Selain hidrogen "biasa" (protium, dari bahasa Yunani proto- pertama), isotop beratnya juga terdapat di alam - deuterium(dari bahasa Latin deuteros - kedua) dan dalam jumlah kecil hidrogen superberat - tritium. Pencarian yang panjang dan dramatis untuk isotop-isotop ini pada awalnya tidak membuahkan hasil karena sensitivitas instrumen yang tidak mencukupi. Pada akhir tahun 1931, sekelompok fisikawan Amerika - G. Urey dan murid-muridnya, F. Brickwedde dan J. Murphy, mengambil 4 liter hidrogen cair dan melakukan distilasi fraksional, hanya menyisakan 1 ml residu, yaitu. mengurangi volume sebanyak 4 ribu kali. Mililiter cairan terakhir setelah penguapannya dipelajari dengan metode spektroskopi. Ahli spektroskopi berpengalaman Yuri memperhatikan garis-garis baru yang sangat lemah dalam spektogram hidrogen yang diperkaya yang tidak ada pada hidrogen biasa. Dalam hal ini, posisi garis-garis dalam spektrum sama persis dengan perhitungan mekanika kuantum nuklida 2H (lihat UNSUR KIMIA).
Setelah penemuan deuterium secara spektroskopi, diusulkan untuk memisahkan isotop hidrogen melalui elektrolisis. Eksperimen menunjukkan bahwa selama elektrolisis air, hidrogen ringan dilepaskan lebih cepat daripada hidrogen berat. Penemuan inilah yang menjadi kunci produksi hidrogen berat. Artikel yang melaporkan penemuan deuterium diterbitkan pada musim semi tahun 1932, dan pada bulan Juli hasil pemisahan isotop secara elektrolitik diterbitkan. Pada tahun 1934, Harold Clayton Urey menerima Hadiah Nobel Kimia atas penemuan hidrogen berat.
Tritium
Pada tanggal 17 Maret 1934, sebuah catatan kecil yang ditandatangani oleh M. L. Oliphant, P. Harteck dan Rutherford diterbitkan di majalah Inggris “Nature” (Nature) (nama keluarga Lord Rutherford tidak memerlukan inisial saat diterbitkan!). Meskipun judul catatannya sederhana: Efek transmutasi yang diperoleh dengan hidrogen berat, catatan ini memberi tahu dunia tentang hasil yang luar biasa - produksi buatan dari isotop hidrogen ketiga - tritium. Pada tahun 1946, seorang ahli terkenal di bidang fisika nuklir, peraih Hadiah Nobel W.F. Libby mengemukakan bahwa tritium terus menerus terbentuk sebagai hasil reaksi nuklir yang terjadi di atmosfer. Namun, tritium di alam sangat sedikit (1 atom 1H per 1018 atom 3H) sehingga hanya terdeteksi oleh radioaktivitas lemah (waktu paruh 12,3 tahun).
Hidrida
Hidrogen membentuk senyawa - hidrida dengan banyak unsur. Tergantung pada unsur kedua, sifat hidrida sangat bervariasi. Unsur yang paling elektropositif (logam alkali dan alkali tanah berat) membentuk apa yang disebut hidrida mirip garam yang bersifat ionik. Mereka diperoleh sebagai hasil reaksi langsung logam dengan hidrogen di bawah tekanan dan suhu tinggi (300–700°C), ketika logam berada dalam keadaan cair. Kisi kristalnya mengandung kation logam dan anion H–hidrida dan dibuat mirip dengan kisi NaCl. Ketika dipanaskan sampai titik leleh, hidrida mirip garam mulai menghantarkan arus listrik, dan, berbeda dengan elektrolisis larutan garam dalam air, hidrogen dilepaskan bukan di katoda, tetapi di anoda bermuatan positif. Hidrida seperti garam bereaksi dengan air untuk melepaskan hidrogen dan membentuk larutan alkali; mereka mudah teroksidasi oleh oksigen dan digunakan sebagai zat pereduksi kuat.
Sejumlah unsur membentuk hidrida kovalen, di antaranya yang paling terkenal adalah hidrida unsur golongan IV–VI, misalnya metana CH 4, amonia NH 3, hidrogen sulfida H 2 S, dll. Hidrida kovalen sangat reaktif dan merupakan zat pereduksi. Beberapa dari hidrida ini tidak stabil dan terurai ketika dipanaskan atau dihidrolisis oleh air. Contohnya termasuk SiH 4, GeH 4, SnH 4. Dari sudut pandang struktural, boron hidrida menarik, misalnya B 2 H 6, B 6 H 10, B 10 H 14, dll., di mana sepasang elektron mengikat bukan dua, seperti biasa, tetapi tiga B– atom H–B. Beberapa hidrida campuran juga diklasifikasikan sebagai kovalen, misalnya litium aluminium hidrida LiAlH 4, yang banyak digunakan dalam kimia organik sebagai zat pereduksi. Germanium, silikon, dan arsenik hidrida digunakan untuk memproduksi bahan semikonduktor dengan kemurnian tinggi.
Hidrida logam transisi sangat beragam sifat dan strukturnya. Seringkali ini adalah senyawa dengan komposisi non-stoikiometri, misalnya TiH 1.7 yang mirip logam, LaH 2.87, dll. Ketika hidrida tersebut terbentuk, hidrogen pertama-tama teradsorpsi pada permukaan logam, kemudian berdisosiasi menjadi atom-atom yang berdifusi jauh ke dalam kisi kristal logam, membentuk senyawa interstisial. Yang paling menarik adalah hidrida senyawa intermetalik, misalnya yang mengandung titanium, nikel, dan unsur tanah jarang. Jumlah atom hidrogen per satuan volume hidrida semacam itu bisa lima kali lebih besar daripada jumlah atom hidrogen cair murni! Sudah pada suhu kamar, paduan logam tersebut mampu dengan cepat menyerap sejumlah besar hidrogen, dan ketika dipanaskan, mereka melepaskannya. Dengan cara ini, “baterai kimia” hidrogen yang dapat dibalik diperoleh, yang, pada prinsipnya, dapat digunakan untuk membuat mesin yang menggunakan bahan bakar hidrogen. Dari hidrida logam transisi lainnya, uranium hidrida dengan komposisi konstan UH 3 menarik, yang berfungsi sebagai sumber senyawa uranium dengan kemurnian tinggi lainnya.
Aplikasi
Hidrogen digunakan terutama untuk menghasilkan amonia, yang diperlukan untuk produksi pupuk dan banyak zat lainnya. Dari minyak nabati cair, menggunakan hidrogen, diperoleh lemak padat yang mirip dengan mentega dan lemak hewani lainnya. Mereka digunakan dalam industri makanan. Produksi produk kaca kuarsa memerlukan suhu yang sangat tinggi. Dan di sini hidrogen dapat diterapkan: pembakar dengan nyala hidrogen-oksigen menghasilkan suhu di atas 2000 derajat, di mana kuarsa mudah meleleh.
Di laboratorium dan industri, reaksi penambahan hidrogen ke berbagai senyawa – hidrogenasi – banyak digunakan. Reaksi yang paling umum adalah hidrogenasi beberapa ikatan karbon-karbon. Jadi, dari asetilena Anda bisa mendapatkan etilen atau (dengan hidrogenasi lengkap) etana, dari benzena - sikloheksana, dari asam oleat tak jenuh cair - asam stearat jenuh padat, dll. Kelas senyawa organik lainnya juga mengalami hidrogenasi, dan terjadi reduksi. Jadi, selama hidrogenasi senyawa karbonil (aldehida, keton, ester), alkohol yang sesuai terbentuk; misalnya, isopropil alkohol diperoleh dari aseton. Ketika senyawa nitro dihidrogenasi, amina yang sesuai terbentuk.
Hidrogenasi dengan molekul hidrogen sering dilakukan dengan adanya katalis. Dalam industri, sebagai suatu peraturan, katalis heterogen digunakan, yang meliputi logam golongan VIII dari tabel periodik unsur - nikel, platinum, rhodium, paladium. Katalis yang paling aktif adalah platina; Ini dapat digunakan untuk menghidrogenasi bahkan senyawa aromatik pada suhu kamar tanpa tekanan. Aktivitas katalis yang lebih murah dapat ditingkatkan dengan melakukan reaksi hidrogenasi di bawah tekanan pada suhu tinggi dalam perangkat khusus - autoklaf. Jadi, untuk hidrogenasi senyawa aromatik pada nikel, diperlukan tekanan hingga 200 atm dan suhu di atas 150°C.
Berbagai metode hidrogenasi non-katalitik juga banyak digunakan dalam praktik laboratorium. Salah satunya adalah aksi hidrogen pada saat pelepasan. “Hidrogen aktif” tersebut dapat diperoleh dengan mereaksikan logam natrium dengan alkohol atau seng gabungan dengan asam klorida. Hidrogenasi dengan hidrida kompleks - natrium borohidrida NaBH 4 dan litium aluminium hidrida LiAlH 4 - telah tersebar luas dalam sintesis organik. Reaksi dilakukan dalam media anhidrat, karena hidrida kompleks langsung terhidrolisis.
Hidrogen digunakan di banyak laboratorium kimia. Itu disimpan di bawah tekanan dalam silinder baja, yang, untuk keamanan, dipasang ke dinding menggunakan klem khusus atau bahkan dibawa ke halaman, dan gas masuk ke laboratorium melalui tabung tipis.
| Unsur dan bahan kimia |
||
|---|---|---|
