Χημικές Αντιδράσεις Υδρογόνου

Το υδρογόνο αποτελείται από ένα ηλεκτρόνιο και ένα πρωτόνιο. Είναι ένα από τα σημαντικά συστατικά του νερού (H20) και όλων των άλλων οργανικών ουσιών που υπάρχουν στη Γη. Ο Κρόνος και ο Δίας αποτελούνται από υδρογόνο, γεγονός που δείχνει ότι αυτό το αέριο είναι απλωμένο. Όπως και άλλα αλκαλικά μέταλλα, περιέχει ένα ηλεκτρόνιο στο κέλυφος σθένους και παράγει το μονοσθενές ιόν H+, αλλά μοιάζει με αλογόνα σε ενέργεια ιονισμού. Το υδρογόνο έχει ένα μόνο θετικά φορτισμένο πρωτόνιο, ένα αρνητικά φορτισμένο ηλεκτρόνιο και ένα, δύο ή τρία νετρόνια στον πυρήνα του.

Τα ισότοπα είναι ξεχωριστές εκδοχές του ίδιου στοιχείου με ποικίλο αριθμό νετρονίων. Η μάζα του ιόντος υδρογόνου επηρεάζεται από τον αριθμό των νετρονίων που υπάρχουν σε αυτό. Το υδρογόνο είναι ένα άοσμο, άγευστο, άχρωμο, μη δηλητηριώδες αέριο που αποτελείται από ένα διατομικό μόριο Η2. Δεδομένου ότι το υδρογόνο σχηματίζει εύκολα ομοιοπολικές ενώσεις με πολλά μη μεταλλικά στοιχεία, το μεγαλύτερο μέρος του υδρογόνου που βρίσκεται στη Γη είναι σε μοριακές μορφές, όπως το νερό ή τα οργανικά μόρια.

Χημική δομή του υδρογόνου

Τα άτομα υδρογόνου αποτελούνται από ένα πρωτόνιο θετικού φορτίου και ένα ηλεκτρόνιο αρνητικού φορτίου και ένα (1), δύο (2) ή τρία (3) νετρόνια στον πυρήνα του υδρογόνου. Η ατομική μάζα ενός ατόμου υδρογόνου καθορίζεται από τον αριθμό των νετρονίων που υπάρχουν στον πυρήνα. Τα ισότοπα του υδρογόνου δεν πρέπει να συγχέονται με τα αλλότροπα του υδρογόνου.

Παρασκευή Υδρογόνου

Το σπάσιμο των χημικών δεσμών απαιτείται για την παραγωγή στοιχειακού υδρογόνου από μόρια. Οι παρακάτω είναι οι πιο δημοφιλείς μέθοδοι παρασκευής υδρογόνου:-

• Η χημική αντίδραση του υδρογόνου
• Η αντίδραση ιοντικών υδριδίων μετάλλων με νερό
• Ηλεκτρόλυση
• Αντίδραση με μέταλλα και οξέα
• Από ατμό και άνθρακα ή υδρογονάνθρακες

Το υδρογόνο είναι χημικά ανενεργό υπό κανονικές συνθήκες. συμμετέχει σε διάφορες χημικές διεργασίες μέσω της διαδικασίας θέρμανσης.

Η σύνθεση της αμμωνίας, ενός λιπάσματος που χρησιμοποιείται για την παραγωγή νιτρικού οξέος, καταναλώνει τα δύο τρίτα του υδρογόνου του κόσμου. Απαιτήθηκαν μεγάλες ποσότητες υδρογόνων στη διαδικασία υδρογόνωσης, που καλύπτεται στο κεφάλαιο της οργανικής χημείας.

Το υδρογόνο είναι ένα μη ρυπογόνο καύσιμο που μπορεί να χρησιμοποιηθεί. Η αλληλεπίδραση μεταξύ υδρογόνου και οξυγόνου είναι άκρως εξώθερμη, παράγοντας 286 kiloJoule της ενέργειας/ mole του H2O. Σε ελεγχόμενη κατάσταση, το υδρογόνο καίγεται χωρίς να εκραγεί. Λόγω της τεράστιας θερμότητας της καύσης υδρογόνου, ο φακός οξυγόνου-υδρογόνου μπορεί να φτάσει σε θερμοκρασίες περίπου 2800 °C. Η έντονη φλόγα αυτού του φακού είναι ιδανική για την κοπή βαριών φύλλων μετάλλου.

Αντιδράσεις Υδρογόνου με Στοιχεία

Το υδρογόνο αντιδρά με μέταλλα της ομάδας 1 και Sr, Ba και Ca όταν θερμαίνεται. Γενικά, οι αντιδράσεις υδρογόνου με αμέταλλα καταλήγουν σε όξινα μόρια υδρογόνου που περιέχουν υδρογόνο σε κατάσταση οξείδωσης 1+. Καθώς αυξάνεται η ηλεκτραρνητικότητα των μη μετάλλων, οι αντιδράσεις μετατρέπονται σε εξαιρετικά πτητικές και εξώθερμες. Όταν θερμαίνεται, το υδρογόνο αντιδρά αποκλειστικά με θείο και άζωτο, αλλά συνδυάζεται έντονα με φθόριο (παράγοντας HF) και, σε ορισμένες περιπτώσεις, χλώριο (παράγοντας HCl).

Εάν το μείγμα οξυγόνου και υδρογόνου αναφλεγεί, θα εκραγεί. Λόγω της ασταθούς φύσης της αντίδρασης, θα πρέπει να δίνεται προσοχή κατά την αντιμετώπιση του υδρογόνου σε περιορισμένους χώρους για να μειωθεί η παραγωγή εκρηκτικού μείγματος. Αν και τα περισσότερα υδρίδια μη μετάλλων είναι όξινα, η αμμωνία και η φωσφίνη (PH3) είναι εξαιρετικά αδύναμα οξέα που χρησιμοποιούνται ως βάσεις.

Αντίδραση υδρογόνου με ενώσεις

Πολλά θερμαινόμενα οξείδια μετάλλων μειώνονται από το υδρογόνο, με αποτέλεσμα τη δημιουργία νερού και μεταλλικών ατμών. Περνώντας αέριο Η πάνω από ζεστό CuO, για παράδειγμα, παράγει νερό και χαλκό. Το υδρογόνο μπορεί επίσης να μειώσει την κατάσταση οξείδωσης των οξειδίων μετάλλων:

H₂ (ζ) + MnO₂ (s) → ΔMnO(s) + H₂ O(g)

Αντίδραση με ενεργό μέταλλο και νερό

2 Na(s) +2 H₂ O(l)  →2  Na+(aq)+2 OH-(aq)+H₂ (ζ)

Αντίδραση με ιοντικό υδρίδιο μετάλλου και νερό

NaH(s) +H₂ O(l)→ Na+(aq)+OH-(aq)+H₂ (ζ)

Χρήσεις υδρογόνου

• Το υδρογόνο χρησιμοποιείται για την παρασκευή αζωτούχων λιπασμάτων.
• Τα ακόρεστα φυτικά έλαια υδρογόνωσης κάνουν το βανασπάτι λίπος.
• Το υδρογόνο χρησιμοποιείται στο σχηματισμό διαφόρων οργανικών χημικών ουσιών, όπως η μεθανόλη.
• Το υδρογόνο είναι μια κρίσιμη ένωση για το σχηματισμό υδροχλωρίου.
• Πολλά οξείδια μετάλλων σε μεταλλουργικές διεργασίες χρησιμοποιούν υδρογόνο για την κατασκευή μετάλλων.
• Χρησιμοποιείται ως καύσιμο πυραύλων σε διαστημικά ερευνητικά κέντρα.