A) Az elem és szerkezete
Előfordulás és jelentőség
A szervetlen kémia az elemekkel és vegyületeikkel (valamint néhány egyszerű szénvegyülettel) foglalkozik; fő feladata az anyagismeret biztosítása. A sort hagyományosan a hidrogénnel kezdjük: ez a periódusos rendszer első eleme, és az egész univerzum tömegének túlnyomó részét adja.
Hol fordul elő?
- Elemi állapotban a Földön csak ritkán: vulkáni gázokban és a légkör magasabb rétegeiben, összesen kb. 0,01%-ban. Kis sűrűsége miatt a szabad H₂ folyamatosan a világűrbe szökik, ezért az alsó légkörben gyakorlatilag nincs.
- Vegyületeiben annál nagyobb mennyiségben: a vízben (H₂O), a szénhidrogénekben és a szén-vegyületekben. Gyakorlatilag minden szerves vegyület fontos építőeleme.
- A világegyetemben elemként a leggyakoribb: a csillagokban (a Napban is) a magfúzió tüzelőanyaga.
A hidrogén izotópjai
A hidrogén minden atommagja egyetlen protont tartalmaz (rendszám = 1), de a neutronok száma eltérhet. Az azonos protonszámú, de eltérő neutronszámú (tehát eltérő tömegszámú) atomok az izotópok. A hidrogénnek három izotópja van — és ez az egyetlen elem, amelynek izotópjai külön nevet és vegyjelet is kaptak.
Egy elem azon atomjai, amelyek magjában a protonszám azonos, de a neutronszám különböző. Kémiai tulajdonságaik gyakorlatilag azonosak, fizikai (tömeggel összefüggő) tulajdonságaik eltérnek.
| Izotóp | Vegyjel | Proton | Neutron | Tömegszám | Előfordulás / jellemző |
|---|---|---|---|---|---|
| Prócium | ¹H | 1 | 0 | 1 | a természetes hidrogén túlnyomó része (~99,98%); stabil |
| Deutérium | ²H, D | 1 | 1 | 2 | kis mennyiségben; tömege ~kétszerese a próciuménak; stabil |
| Trícium | ³H, T | 1 | 2 | 3 | csak nyomokban; radioaktív; a kozmikus sugárzás termeli a légkörben |
A természetes hidrogéngáz ezért valójában a H₂, HD és D₂ molekulák elegye (a D₂ aránya nagyon kicsi). A deutérium kétszer akkora atomtömege miatt vegyületei mérhetően nehezebbek.
A deutériumból képződő víz. Atomreaktorokban neutronlassító (moderátor) anyagként használják, mert a deutérium kevés neutront nyel el, miközben jól lassítja azokat.
Atom- és elektronszerkezet
A hidrogénatomnak egyetlen elektronja van, a 1s pályán: elektronszerkezete 1s¹. Emiatt a hidrogén kétféleképpen is „törekedhet" a stabil nemesgáz-héjra — és ez teszi szokatlanná a helyét a periódusos rendszerben.
- Oxidációs számai: +1 (a leggyakoribb, pl. H₂O, HCl), 0 (elemi H₂) és −1 (fém-hidridekben, pl. NaH).
- Elektronegativitása 2,2 (Pauling-skála) — közepes érték, így a hidrogén nemfémekkel apoláris vagy gyengén poláris kovalens kötést, fémekkel pedig (mint anion) ionos jellegű kötést alakít ki.
- Ionizációs energiája igen nagy (1312 kJ/mol), ezért a szabad H⁺ (csupasz proton) önállóan nem létezik vizes közegben — mindig megkötődik. A stabilizálódás kétféle:
Elektronleadással (egy elektronakceptorhoz, pl. vízhez kötve a protont):
Elektronfelvétellel (kis elektronegativitású fémtől), sószerű hidridet képezve:
A H₂-molekula szerkezete
Az elemi hidrogén kétatomos molekula (H₂). Két, ellentétes spinű elektronnal rendelkező hidrogénatom egyetlen kovalens σ (szigma) kötéssel kapcsolódik össze: a két 1s pálya átfedéséből egy közös, kötő elektronpár jön létre.
A H–H kötés energiája nagy, ezért a molekula stabil. A kötés felszakítása (homolízis, atomokra bontás) sok energiát igényel:
A nagy kötési energia magyarázza, hogy a hidrogén reakciói gyakran nagy aktiválási energiát igényelnek: szobahőmérsékleten a H₂ sokszor tunyán reagál, és gyújtás, melegítés, fény vagy katalizátor kell a beindulásukhoz.
B) Tulajdonságok és reakciók
Fizikai tulajdonságok
| Tulajdonság | A hidrogén (H₂) |
|---|---|
| Szín, szag, íz | színtelen, szagtalan, íztelen gáz |
| Sűrűség | az ismert anyagok között a legkisebb; a levegőnél kb. 14,4-szer könnyebb (M = 2 g/mol vs. levegő ~29 g/mol) |
| Olvadás- és forráspont | rendkívül alacsony (fp. ≈ −253 °C ≈ 20 K), az apoláris molekulák gyenge kölcsönhatása miatt |
| Cseppfolyósíthatóság | a legnehezebben cseppfolyósítható gázok közé tartozik |
| Oldhatóság vízben | alig oldódik → ezért víz alatt felfogható; egyes fémekben (pl. palládium) viszont jól oldódik / megkötődik |
| Diffúzió | kis tömege miatt nagyon gyorsan diffundál (a molekulák négyzetes középsebessége, vrms, 0 °C-on kb. 1845 m/s) |
Kémiai tulajdonságok
A hidrogén éghető gáz, amely a legtöbb reakcióban redukálószerként viselkedik (oxidációs száma 0 → +1, azaz elektront ad le). Csak a nagyon kis elektronegativitású, erősen elektropozitív fémekkel működik oxidálószerként (ekkor H⁻ keletkezik, ox.szám 0 → −1).
Atomos (naszcensz, „születő") hidrogén
A reakcióképtelenség jól mutatja, hogy a kötés ereje a kulcs. Ha közönséges H₂-gázt vezetünk savas kálium-permanganát lila oldatába, nem történik semmi — a H₂ nem reagál. Ha viszont a hidrogén atomos formában, a reakció helyén keletkezik (naszcensz hidrogén, jele „H"), akkor erős redukálószer, és a permanganátot azonnal redukálja (a lila szín eltűnik):
Az atomos hidrogén nagy reakciókészsége abból ered, hogy nem kell előbb a stabilis H₂-molekulát felszakítani — az atomok már „készen állnak" a reakcióra.
Reakciók nemfémekkel
A hidrogén több nemfémmel közvetlenül egyesül. Válassz egy reakciópartnert, és nézd meg a reakciót, a körülményeket és az energiamérleget!
Klórral — a klór-durranógáz
A hidrogén és a klór elegye sötétben eláll, de hevítésre vagy UV-fény hatására hevesen, robbanásszerűen egyesül. Az 1:1 térfogatarányú elegyet klór-durranógáznak nevezzük. A reakció fakó ibolyaszínű (sápadt) lánggal megy végbe:
A termék, a hidrogén-klorid (HCl) színtelen, szúrós szagú gáz; vízben oldva sósavat kapunk.
A reakció láncmechanizmusa
A klórral (és az oxigénnel) lejátszódó reakció gyökös láncreakció. A fény elindítja, majd a folyamat önmagát táplálja:
| Lépés | Folyamat (a klórral) | Mi történik? |
|---|---|---|
| Láncindítás | Cl₂ + hν → 2 Cl· | a fény felszakítja a klórmolekulát — gyökök keletkeznek |
| Láncvivő | Cl· + H₂ → HCl + H· H· + Cl₂ → HCl + Cl· | minden lépés új gyököt termel → a reakció önfenntartó |
| Lánczáró | H· + H· → H₂ Cl· + Cl· → Cl₂ H· + Cl· → HCl | két gyök egyesül → a lánc megszakad |
Nitrogénnel — az ammóniaszintézis
A hidrogén nitrogénnel csak melegítve, nagy nyomáson és katalizátor jelenlétében, egyensúlyra vezető reakcióban egyesül. Ez a Haber–Bosch-féle ammóniaszintézis, a műtrágyaipar alapja:
Telítetlen szerves vegyületekkel
Katalizátor (pl. Ni, Pt) jelenlétében a hidrogén a többszörös kötésekre addícionálódik — ez a hidrogénezés (telítés). Pl. az etén etánná alakul:
Iparilag így telítik a növényi olajok kettős kötéseit (margaringyártás).
A durranógáz-reakció
A hidrogén leglátványosabb reakciója az oxigénnel való egyesülés. A 2 : 1 térfogatarányú hidrogén–oxigén elegy a durranógáz: láng vagy szikra hatására felrobban, és víz keletkezik.
A durranógázpróba (a tisztaság ellenőrzése)
A felfogott hidrogén tisztaságát a durranógázpróbával ellenőrizzük: a gázt kis edényben égő lánghoz tartjuk.
- Éles, sivító/durranó hang → a hidrogén levegővel (oxigénnel) keveredett, még nem tiszta (a robbanás okozza a hangot).
- Halk, pukkanó „puf" hang → a hidrogén már tiszta, biztonságosan felhasználható.
Reakciók fémekkel és fém-oxidokkal
Fém-oxidok redukciója
Magasabb hőmérsékleten a hidrogén sok fém-oxidból kiszorítja az oxigént, azaz a fémet redukálja (a hidrogén oxidálódik vízzé). Klasszikus iskolai kísérlet a réz(II)-oxid redukciója: a fekete por vörös fémrézzé alakul.
Hogy milyen könnyen redukálható egy oxid, az a fém „nemes" jellegétől függ: minél nemesebb a fém, annál kisebb hőmérséklet elég.
| Fém-oxid | Hidrogénnel redukálható? | Megjegyzés |
|---|---|---|
| Ag₂O | igen, már ~100 °C körül | nemes fém oxidja — könnyen redukálható |
| CuO | igen, mérsékelt melegítéssel | iskolai demonstráció (fekete → vörös) |
| WO₃ (volfrám-oxid) | igen, de csak ~1200 °C körül | így állítják elő a tiszta volfrámfémet (izzószál) |
| MgO, Al₂O₃ | nem | a Mg és az Al annyira elektropozitív, hogy oxidjuk hidrogénnel nem bontható |
Hidridek képzése — itt a hidrogén oxidálószer
Az erősen elektropozitív, nagyon negatív standardpotenciálú fémek (alkáli- és alkáliföldfémek) hevítve közvetlenül egyesülnek a hidrogénnel. Ekkor a fém adja le az elektront, a hidrogén veszi fel → H⁻ (hidridion) keletkezik, és sószerű (ionos) hidrid képződik:
Ilyen hidridek pl. a LiH, NaH, CaH₂. Ezekben a hidrogén oxidációs száma −1. A sószerű hidridek vízzel hevesen reagálva hidrogéngázt fejlesztenek (lásd a laboratóriumi előállításnál).
C) Előállítás és felhasználás
Laboratóriumi előállítás
Laborban a hidrogént jellemzően úgy állítjuk elő, hogy valamilyen redukálószerrel kiszorítjuk a +1 oxidációs számú hidrogént savból, vízből vagy lúgból. Próbáld ki az alábbi módszereket!
A felfogás és a tisztaság ellenőrzése
- Felfogás: mivel a hidrogén alig oldódik vízben, vízkiszorítással gyűjthető; kis sűrűsége miatt pedig lefelé fordított edénybe is felfogható (a levegő alatt összegyűlik a tetején).
- Tisztaság: a felfogott gázon durranógázpróbát végzünk (lásd 08. szakasz): éles, sivító hang → még levegővel kevert; halk pukkanás → tiszta.
Nagyipari előállítás
Iparilag a hidrogént tömegesen, olcsó nyersanyagokból (szén, földgáz, víz) állítják elő. A leggyakoribb eljárások:
Vízgáz előállítása (izzó szénre fújt vízgőz)
Izzó (kb. 1000 °C-os) koksz vízgőzzel reagálva vízgázt ad — ez hidrogén és szén-monoxid elegye:
A vízgáz „konvertálása" (CO-átalakítás)
A vízgáz szén-monoxidját további vízgőzzel, ~450 °C-on, vas-oxid katalizátoron tovább alakítják, így még több hidrogén nyerhető (a CO eltávolítása CO₂ formájában):
Földgázból (metán-reformálás vízgőzzel)
A ma legelterjedtebb módszer a metán vízgőzös reformálása (a szintézisgáz előállítása):
Víz elektrolízise
A vizet (kis sav- vagy lúgtartalommal vezetővé téve) elektromos árammal bontják. A katódon hidrogén, az anódon oxigén fejlődik, 2:1 térfogatarányban. A katódfolyamat:
Bruttó folyamat:
Felhasználás és a hidrogénkötés
Hol használjuk a hidrogént?
| Terület | Felhasználás |
|---|---|
| Vegyipar | ammóniaszintézis (N₂ + 3 H₂ → 2 NH₃, műtrágya), metanolszintézis, sósavgyártás |
| Élelmiszeripar | növényi olajok telítése (hidrogénezés) — margaringyártás |
| Kohászat / labor | redukálószer: pl. tiszta volfrám előállítása WO₃-ból, fémoxidok redukciója |
| Hegesztés, vágás | hidrogén-oxigén láng (~2800 °C) fémek vágásához, hegesztéséhez |
| Energetika | rakéta-hajtóanyag (folyékony H₂ + O₂), tüzelőanyag-cella (üzemanyagcella) és üzemanyag — égésterméke csak víz |
| Üzemanyag-előállítás | műbenzin / szintetikus üzemanyagok gyártása |
A hidrogéncella (tüzelőanyag-cella) működése
A tüzelőanyag-cellában a durranógáz-reakció ellenőrzött, robbanás nélküli formában megy végbe, és a felszabaduló energia közvetlenül elektromos árammá alakul. A teljes folyamat ugyanaz, mint az égésé, csak térben szétválasztva:
A hidrogénkötés
A hidrogénatom egy különleges, erős másodrendű kötés kialakításában is részt vesz. A hidrogénkötés akkor jön létre, ha a hidrogén erősen elektronegatív atomhoz (F, O, N) kapcsolódik kovalensen: a kötés erősen poláris lesz, a részlegesen pozitív hidrogén pedig egy szomszédos molekula F/O/N atomjának nemkötő elektronpárjához vonzódik.
Olyan, viszonylag erős másodrendű kötés, amely egy F–H, O–H vagy N–H kötés részlegesen pozitív hidrogénje és egy szomszédos molekula erősen elektronegatív atomjának nemkötő elektronpárja között alakul ki.