Υδρογόνο

Από τη Βικιπαίδεια, την ελεύθερη εγκυκλοπαίδεια

Υδρογόνο → Ήλιο   H ↓ Li       Περιοδικός πίνακας
Γενικά
Όνομα, Σύμβολο, Ατομικός αριθμός	Υδρογόνο, H, 1
Κατάταξη	Αμέταλλα
Ομάδα, Περίοδος, Τομέας	1 (IA), 1 , s
Πυκνότητα, Σκληρότητα	0,0899 kg/m3, ΔΑ
Χρώμα	Άχρωμο
Ατομικά χαρακτηριστικά
Ατομική μάζα	1,00794 amu
Ατομική ακτίνα (υπολ)	25 (53,5) pm
Ομοιοπολική ακτίνα	37 pm
Ακτίνα van der Waals	120 pm
Ηλεκτρονιακή απεικόνιση	1s1
Ηλεκτρόνια ανά ενεργειακή στάθμη	1
Αριθμός οξείδωσης	+1,-1
Κρυσταλλική δομή	εξαγωνική
Φυσικές Ιδιότητες
Κατάσταση ύλης	αέριο
Σημείο τήξεως	14,025 K (−434 °F)
Σημείο ζέσεως	20,268 K (−423 °F)
Μοριακός όγκος	11,42 ×10-6 m3/mol
Θερμότητα εξατμίσεως	0,44936 kJ/mol
Θερμότητα τήξεως	0,05868 kJ/mol
Τάση ατμών	209 Pa στους 23 K
Ταχύτητα ήχου	1270 m/s στους 298,15 K
Διάφορα
Ηλεκτραρνητικότητα	2,2 (Κλίμακα Pauling)
Ειδική θερμοχωρητικότητα	14304 J/(kg*K)
Ηλεκτρική αγωγιμότητα	__ 106/(m·ohm)
Θερμική αγωγιμότητα	0,1815 W/(m*K)
Δυναμικό ιοντισμού	1312 kJ/mol
Σταθερότερα ισότοπα
Ισο Φυσ.Αφθ. ημιζωή DM DE MeV DP 1H 99,985% H είναι σταθερό με 0 νετρόνια 2H 0,015% H είναι σταθερό με 1 νετρόνιο 3H {syn.} 12,33 y β- 0,019 3He
Έγινε χρήση μονάδων SI & Κ.Σ., εκτός εάν σημείωνεται διαφορετικά.

Το χημικό στοιχείο Υδρογόνο (Η) είναι (στις συνηθισμένες συνθήκες) ένα άχρωμο, άοσμο, άγευστο, εξαιρετικά εύφλεκτο΄αμέταλλο διατομικό αέριο, με ατομικό αριθμό 1, ατομική μάζα 1,00794 amu, χημικό τύπο H₂, μοριακή μάζα 2,01588 amu. Είναι επίσης, το ελαφρύτερο χημικό στοιχείο.
Όταν αέριο υδρογόνο καίγεται, σχηματίζεται νερό. Το όνομα του στοιχείου αυτού δόθηκε από το Γάλλο χημικό Antoine Lavoisier και έχει ρίζες τις λέξεις της αρχαίας ελληνικής γλώσσας "ύδωρ" και "γίγνομαι". Πρώτη φορά αναγνωρίστηκε ως ξεχωριστό στοιχείο από τον άγγλο χημικό Henry Cavedish το 1766.
Ένα άτομο υδρογόνου αποτελείται από ένα πρωτόνιο και ένα ηλεκτρόνιο ενώ δύο άτομα ενώνονται μεταξύ τους ώστε να δώσουν ένα μόριο υδρογόνου. Το υδρογόνο είναι το πρώτο στοιχείο στον περιοδικό πίνακα και συμβολίζεται με το σύμβολο Η. Μπορεί να συνδυαστεί χημικά με σχεδόν κάθε άλλο στοιχείο και έτσι μπορεί να δώσει περισσότερες ενώσεις από ότι μπορεί οποιοδήποτε άλλο στοιχείο. Στις ενώσεις αυτές συγκαταλέγονται το νερό και διάφοροι υδρογονάνθρακες όπως το πετρέλαιο και το φυσικό αέριο.
Εξαιτίας της ελαφρότητάς του το υδρογόνο δεν αποτελεί περισσότερο από το 1% της συνολικής μάζας της Γης. Σε καθαρή αέρια μορφή συναντάται σπάνια παρόλο που πολλά ορυκτά και όλοι οι ζωντανοί οργανισμοί περιέχουν ενώσεις του σε πολύ μεγάλο βαθμό. Έτσι το υδρογόνο βρίσκεται στην κερατίνη, στα ένζυμα, στα μόρια του DNA, ενώ βρίσκεται άφθονο στις τροφές υπό μορφή λιπών, πρωτεϊνών και υδατανθράκων.
Βαρύτερα στοιχεία, όπως και το ήλιο (He), προκύπτουν από τη σύντηξη του υδρογόνου. Βάσει αυτής της διαδικασίας πιστεύεται ότι σχηματίστηκε το ίδιο το Σύμπαν, ενώ η ίδια διαδικασία είναι επίσης υπεύθυνη για την έκλυση ενέργειας από τα άστρα, όπως γίνεται στον Ήλιο.

Πίνακας περιεχομένων 1 Φυσικές ιδιότητες 2 Χημικές Ιδιότητες 3 Παρασκευή και χρήσεις 4 Το υδρογόνο ως φορέας ενέργειας 5 Αναφορές

[Επεξεργασία] Φυσικές ιδιότητες

Συγκεκριμένα, στις κανονικές συνθήκες το υδρογόνο έχει πυκνότητα 0,0899 kg/m³ περίπου δέκα φορές μικρότερη από αυτή του αέρα και για αυτό το λόγο δε βρίσκεται σε μεγάλες ποσότητες στην ατμόσφαιρα αφού σε συνδυασμό με τη μικρή του μάζα μπορεί να διαφύγει από τις βαρυτικές δυνάμεις της γης. Με εξαίρεση το ήλιο, το υδρογόνο έχει το χαμηλότερο σημείο βρασμού (20,268 K) και πήξεως (14,025 K). Υδρογόνο σε υγρή φάση επιτεύχθηκε πρώτη φορά από τον Άγγλο χημικό Sir James Dewar το 1898, είναι άχρωμο σε μικρές ποσότητες αλλά ανοιχτό μπλε σε λεπτά δείγματα. Το στερεό υδρογόνο είναι επίσης άχρωμο.

Στη φύση συναντώνται τρία διαφορετικά ισότοπα. Το ισότοπο που αποτελεί το 99,98% των ατόμων υδρογόνου ονομάζεται πρώτιο (¹H) και αποτελείται από ένα πρωτόνιο και ένα ηλεκτρόνιο. Σε ποσοστό 0,02% συναντούμε ένα δεύτερο ισότοπο, το δευτέριο (ή ²D ) το οποίο αποτελείται από ένα πρωτόνιο, ένα νετρόνιο και ένα ηλεκτρόνιο. Το δευτέριο χρησιμοποιείται σε πλήθος επιστημονικών εφαρμογών. Τέλος, το τρίτο ισότοπο ονομάζεται τρίτιο (ή ³Τ) αποτελούμενο από ένα πρωτόνιο, δύο νετρόνια και ένα ηλεκτρόνιο και αντιστοιχεί ένα σε 10000 άτομα υδρογόνου. Το τρίτιο είναι ραδιενεργό με χρόνο ημίσειας ζωής τα 12,4 χρόνια.

Κατά τη κβαντομηχανική προσέγγιση, συνοπτικά, τα πρωτόνια των μορίων υδρογόνου περιβάλλονται από το ηλεκτρονικό νέφος 2 ηλεκτρονίων. Η πυκνότητα πιθανότητας αυτού του νέφους είναι αυξημένη στον χώρο μεταξύ των πρωτονίων έτσι ώστε το καθένα να θωρακίζεται από το ομόσημο φορτίου του άλλου. Η κατάσταση αυτή προκύπτει από άρτια (συμμετρική) κυματοσυνάρτηση να περιγράφει την ηλεκτρονική κατανομή στο μόριο. Όμως η ολική κυματοσυνάρτηση του συστήματος του μορίου του υδρογόνου (ως γινόμενο της χωρικής και αυτής των σπινς) πρέπει να είναι αντισυμμετρική σαν συνέπεια της αρχής του Pauli. Η κυματοσυνάρτηση των σπινς επομένως πρέπει να είναι αντισυμμετρική δηλαδή τα σπινς των ηλεκτρονίων του μορίου να είναι αντιπαράλληλα.

[Επεξεργασία] Χημικές Ιδιότητες

Το αέριο υδρογόνο συνήθως δεν αντιδρά με άλλα χημικά σε θερμοκρασία δωματίου. Αυτό διότι ο δεσμός μεταξύ των ατόμων του είναι εξαιρετικά δυνατός και απαιτεί μεγάλες ποσότητες ενέργειας για να διασπαστεί ώστε τα ξεχωριστά πια άτομα να αντιδράσουν με άλλα στοιχεία ή ενώσεις. Ωστόσο θερμαινόμενο με φλόγα αντιδρά βίαια με το οξυγόνο του αέρα ώστε να δώσει νερό σύμφωνα με την αντίδραση:

Τα άτομα υδρογόνου σχηματίζουν ομοιοπολικούς δεσμούς εκτός μεταξύ τους και με τα άλλα στοιχεία, όπως στις ενώσεις του μεθανίου (CH₄) και του νερού. Οι δεσμοί αυτοί δεν είναι πάντα ισχυροί αλλά σπάνε εύκολα όπως στην περίπτωση των οξέων. Παράδειγμα είναι το αιθανικό οξύ (CH₃COOH), ένα ασθενές οξύ. Διαλυόμενα σε νερό, ο ασθενής δεσμός του υδρογόνου σπάζει, με το υδρογόνο να αφήνει πίσω το ηλεκτρόνιο του και να μετατρέπεται σε ιόν υδρογόνου (H⁺).

Το υδρογόνο επίσης σχηματίζει ιοντικούς δεσμούς όπως για παράδειγμα στο LiH και τα άλλα υδρίδια μετάλλων.

Τέλος, το υδρογόνο μπορεί να σχηματίσει το λεγόμενο δεσμό υδρογόνου (hydrogen bond). Ο δεσμός αυτός γίνεται μόνο μεταξύ υδρογόνου και ενός ηλεκτραρνητικού στοιχίου, όπως: O, S, N, F ή Cl. Η ενέργεια του δεσμού αυτού είναι μικρή. Χαρακτηριστικότερο παράδειγμα αυτού αποτελεί το νερό όπου κάθε μόριο του -σε μη υψηλές θερμοκρασίες- συνδέεται με 4 γειτονικά δημιουργώντας συμπλέγματα πολλών μορίων νερού. Ο δεσμός υδρογόνου κατά ένα μέρος οφείλεται σε δυνάμεις Van Der Waals ενώ έχουμε επιπρόσθεση δυνάμεων καθαρά χημικού δεσμού.

Το υδρογόνο κάτω από πολύ μεγάλη πίεση (1,5 εκατομμύρια ατμόσφαιρες) και θερμοκρασία (3000 K με 5000 K) μπορεί να συμπεριφερθεί και ως μέταλλο, ανακλώντας το φως και άγοντας το ηλεκτρικό ρεύμα.

[Επεξεργασία] Παρασκευή και χρήσεις

Η μη ύπαρξη καθαρού αέριου υδρογόνου, θέτει το πρόβλημα της παρασκευής του. Οι μέθοδοι που χρησιμοποιούνται για την παρασκευή υδρογόνου είναι πολυάριθμοι:

• Από το φυσικό αέριο ή το φωταέριο, με κλασματική διαπίδυση.
• Με την επίδραση νερού σε νάτριο «εν ψυχρώ»:

Η₂O + Na → NaOH + ¹/₂ H₂

• Με την επίδραση αλκοόλης σε νάτριο «εν ψυχρώ»:

CH₃CH₂OH + Na → CH₃CH₂ONa + ¹/₂ H₂

(Η αντίδραση πραγματοποιείται και με άλλες αλκοόλες και με K, οι περισότερες πιο αργά απ' ότι με το νερό, αλλά με αρωματικές όπως η φαινόλη, σε υγρή κατάσταση, ταχύτερα).

• Με την επίδραση υπέρθερμων υδρατμών σε διάπυρο σίδηρο:

4H₂O + 3Fe → Fe₃O₄ + 4H₂

• Με την επίδραση υπέρθερμων υδρατμών σε διάπυρο άνθρακα:

2H₂O + C → CO₂ + 2H₂

• Με την επίδραση νερού σε υδρίδια, όπως το υδρίδιο του λιθίου:

2H₂O + 2LiH → 2LiH + H₂

• Με ηλεκτρόλυση νερού: [Στην πράξη πρόκειται για ηλεκτρόλυση διαλύματος NaOH που αντιστοιχεί έμμεσα σε ηλεκτρόλυση νερού. (Το αποσταγμένο νερό είναι κακός αγωγός του ηλεκτρισμού και δεν περιέχει ιόντα για να γίνει ηλεκτρόλυση) Με την ηλεκτρόλυση διαλύματος NaOH στην κάθοδο λαμβάνεται Na που αντιδρά αμέσως με το γύρω νερό προς σχηματισμό NaOH και H₂. Στην άνοδο παράγεται η ρίζα OH^., η οποία δεν είναι δυνατό να υπάρξει σε ελεύθερη κατάσταση και μετασχηματίζεται σε H₂Ο και O₂]. Η συνολική αντίδραση ανταποκρίνεται στην ακόλουθη στοιχειομετρική εξίσωση:

H₂O → H₂ + ¹/₂ O₂

• Από τα οξέα, με αντικατάσταση του Η από μέταλλο:

H₂SO₄ + Zn → ZnSO₄ + H₂

• Από τις βάσεις με την επίδραση επαμφοτερίζοντων στοιχείων:

3ΚΟΗ + Αl → K₃AlO₃ + ³/₂ H₂

• Από την πυρόλυση του μεθανίου:

CH₄ → C + 2H₂

• Aπό το μεθάνιο με την επίδραση νερού και παρουσία νικελίου ως καταλύτη:

CH₄ + H₂O →^Ni→ CO + 3H₂

• Mε υδρόλυση στους 5000^oC:

2H₂O + ενέργεια → 2H₂ + O₂

Οι μέθοδοι παρασκευής, ενδεικτικά, χωρίζονται σε 4 κατηγορίες: τις αντιδράσεις απλής αντικατάστασης, τις θερμοχημικές, τις ηλεκτρολυτικές και τις φωτολυτικές. Όλες είναι άμεσα ή έμμεσα ενεργοβόρες.

Εν συντομία, αναφέρονται μερικές από τις χρήσεις του

• Το υδρογόνο χρησιμοποιείται από τη βιομηχανία σε μεγάλο ποσοστό για την παρασκευή αμμωνίας, μεθανίου, μεθανόλης, βενζινών και μυρμηκικού οξέος (HCOOH). Αυτά χρησιμοποιούνται στη συνέχεια για την παρασκευή άλλων προϊόντων, όπως εκρηκτικά, λιπάσματα, αντιψυκτικά κτλ.
• Η τεχνολογία τροφίμων χρησιμοποιεί το υδρογόνο για την παρασκευή τεχνητών λιπών με υδρογόνωση ελαίων.
• Το υδρογόνο επίσης χρησιμοποιείται από την επιστήμη της φυσικής με εφαρμογή στη μελέτη των στοιχειωδών σωματιδίων.
• Με τη μορφή υγρού βρίσκει χρήση στη μελέτη της υπεραγωγιμότητας.

[Επεξεργασία] Το υδρογόνο ως φορέας ενέργειας

Το υδρογόνο έχει επιπλέον μία χρήση: Μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως φορέας ενέργειας, δηλαδή μια μορφή ενεργειακού νομίσματος. Μάλιστα αυτή τη στιγμή γίνονται σημαντικές προσπάθειες, κυρίως στα ιδιαίτερα ανεπτυγμένα κράτη, για τη μετατροπή της προσαρμοσμένης στα συμβατικά καύσιμα υποδομής σε υποδομή με βάση το υδρογόνο. Ενδεικτικά, η Ισλανδία, προβλέπει σε μία υποδομή πλήρως βασισμένη στο υδρογόνο μέχρι το 2030-2040, ενώ μέχρι το 2030 στόχος του υπουργείου οικονομίας των ΗΠΑ είναι η αντικατάσταση του 10% της ενεργειακής κατανάλωσης από ενέργεια υδρογόνου.

Χαρακτηριστικό παράδειγμα για το πώς το υδρογόνο μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να παραχθεί ενέργεια είναι οι λεγόμενες κυψέλες καυσίμου (fuel cells), στοιχεία τα οποία χρησιμοποιούνται για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας με βάση υδρογόνο. Περισσότερα για τις κυψέλες καυσίμου αναφέρονται πιο κάτω.

Η τάση κατανάλωσης καυσίμων όλο και λιγότερης περιεκτικότητας σε άνθρακα είναι ιστορικά εμφανής. Το υδρογόνο, απαλλαγμένο από κάθε ποσοστό άνθρακα, μπορεί να προσφέρει αρκετή ενέργεια για καθημερινές χρήσεις, όπως η ηλεκτροδότηση κτιρίων ή η κίνηση μεταφορικών μέσων.

Το ότι υπάρχει ένας σαφής προσανατολισμός προς την κατεύθυνση του υδρογόνου δεν είναι τυχαίο:

• Το υδρογόνο έχει τo υψηλότερο ενεργειακό περιεχόμενο ανά μονάδα βάρους από οποιοδήποτε άλλο γνωστό καύσιμο, 120,7 kJ/gr και περίπου τρεις φορές μεγαλύτερο από αυτό της συμβατικής βενζίνης.
• Κάνει "καθαρή" καύση. Όταν καίγεται με οξυγόνο παράγει μόνο νερό και θερμότητα. Όταν καίγεται με τον ατμοσφαιρικό αέρα, ο οποίος αποτελείται περίπου από 68% άζωτο, παράγονται επίσης μερικά οξείδια του αζώτου, σε αμελητέο ωστόσο βαθμό.
• Για το λόγο ότι κάνει καθαρή καύση δε συμβάλλει στη μόλυνση του περιβάλλοντος. Το ποσό του νερού που παράγεται κατά τη καύση είναι τέτοιο ώστε να θεωρείται επίσης αμελητέο και επομένως μη ικανό να επιφέρει κάποια κλιματολογική αλλαγή δεδομένης ακόμα και μαζικής χρήσης.

Ωστόσο, υπάρχουν και μειονεκτήματα στη χρήση του υδρογόνου ως καυσίμου, τα περισσότερα από τα οποία σχετίζονται με την ελλειπή σημερινή υποδομή και αποτελούν κυρίως τεχνικά προβλήματα τα οποία αναζητούν λύση.

• Ένα πρόβλημα είναι αυτό της αποθήκευσης του. Δεδομένου του ότι το υδρογόνο είναι πολύ ελαφρύ, η συμπίεση μεγάλης ποσότητας σε μικρού μεγέθους δεξαμενή είναι δύσκολη λόγω των υψηλών πιέσεων που χρειάζονται για να επιτευχθεί η υγροποίηση. Ωστόσο στην έκθεση της Φρανκφούρτης του 2001 παρουσιάστηκε μία υδρογονοκίνητη έκδοση του Mini Cooper, στο οποίο για την αποθήκευση του υδρογόνου χρησιμοποιήθηκε ένα νέο ρεζερβουάρ, που καταλαμβάνει τον ίδιο χώρο με ένα αντίστοιχο συμβατικό βενζινοκίνητων οχημάτων.
• Πρόβλημα επίσης αποτελεί η έλλειψη οργανωμένου δικτύου διανομής του. Μία λύση είναι η κατασκευή υπερκαλωδίων. Τα υπερκαλώδια θα μετέφεραν εξαιρετικά υψηλά ηλεκτρικά ρεύματα με σχεδόν μηδενική ηλεκτρική αντίσταση διαμέσου υπεραγώγιμων συρμάτων. Παράλληλα, μέσω των σωληνώσεων τους θα μεταφέροταν υπό υψηλή πίεση και υπέρψυχρο υδρογόνο σε εργοστάσια, σταθμούς ανεφοδιασμού υδρογονοκίνητων οχημάτων και, ίσως κάποια μέρα, σε οικιακούς φούρνους και καλοριφέρ.
• Επίσης υπάρχει το ζήτημα της προέλευσης της ενέργειας που δαπανάται για την παραγωγή του. Αν για παράδειγμα χρησιμοποιηθεί ενέργεια προερχόμενη από ανθρακούχα ορυκτά το συνολικό περιβαντολλογικό όφελος είναι πρακτικά αρνητικό (συνυπολογίζοντας την ενέργεια συμπίεσης/διαχείρισης).

[Επεξεργασία] Αναφορές

• Hy2.gr - Υδρογόνο
• [1]