Wasserstoff ist das chemische Element mit der Atomnummer 1. Es wird durch das Symbol H vertreten. Mit einem durchschnittlichen Atomgewicht (für Wasserstoff 1) ist Wasserstoff das leichteste und reichlichste chemische Element, ungefähr 75 % der chemischen elementaren Masse des Weltalls einsetzend. Nichtrest-Sterne werden aus Wasserstoff in seinem Plasmastaat hauptsächlich zusammengesetzt. Natürlich vorkommender elementarer Wasserstoff ist auf der Erde relativ selten.

Das allgemeinste Isotop von Wasserstoff ist protium (Name selten verwendet, Symbol H) mit einem einzelnen Proton und keinen Neutronen. In ionischen Zusammensetzungen kann es eine negative Anklage (ein Anion bekannt als ein hydride und schriftlich als H), oder als eine positiv beladene Art H nehmen. Der letzte cation wird geschrieben, als ob gelassen eines bloßen Protons, aber in Wirklichkeit kommt Wasserstoff cations in ionischen Zusammensetzungen immer als kompliziertere Arten vor. Wasserstoff bildet Zusammensetzungen mit den meisten Elementen und ist im Wassermolekül und den meisten organischen Zusammensetzungen da. Es spielt eine besonders wichtige Rolle in der Sauer-Grundchemie mit vielen Reaktionen, die Protone zwischen auflösbaren Molekülen austauschen. Als das einfachste bekannte Atom ist das Wasserstoffatom von theoretischem Nutzen gewesen. Zum Beispiel, als das einzige neutrale Atom mit einer analytischen Lösung der Gleichung von Schrödinger haben die Studie des energetics und das Abbinden des Wasserstoffatoms eine Schlüsselrolle in der Entwicklung der Quant-Mechanik gespielt.

Wasserstoffbenzin (jetzt bekannt, H zu sein), wurde zuerst am Anfang des 16. Jahrhunderts über das Mischen von Metallen mit starken Säuren künstlich erzeugt. In 1766-81 war Henry Cavendish erst, um anzuerkennen, dass Wasserstoffbenzin eine getrennte Substanz war, und dass es Wasser, wenn verbrannt, ein Eigentum erzeugt, das ihm später seinen Namen gegeben hat, der in Griechisch "wasserehemalig" bedeutet. Bei der Standardtemperatur und dem Druck ist Wasserstoff ein farbloses, geruchloses, nichtmetallisches, geschmackloses, nichttoxisches, hoch brennbares diatomic Benzin mit der molekularen Formel H.

Industrieproduktion ist hauptsächlich vom Dampfverbessern von Erdgas, und weniger häufig von mehr energieintensiven Wasserstoffproduktionsmethoden wie die Elektrolyse von Wasser. Der grösste Teil von Wasserstoff wird in der Nähe von seiner Produktionsseite mit dem zwei größten Gebrauch verwendet, der Verarbeitung des fossilen Brennstoffs (z.B ist, hydrokrachend) und Ammoniak-Produktion größtenteils für den Dünger-Markt.

Wasserstoff ist eine Sorge in der Metallurgie, weil es embrittle viele Metalle kann, das Design von Rohrleitungen und Lagerungszisternen komplizierend.

Eigenschaften

Verbrennen

Wasserstoffbenzin (dihydrogen oder molekularer Wasserstoff) ist hoch feuergefährlich und wird in Luft an einer sehr breiten Reihe von Konzentrationen zwischen 4 % und 75 % durch das Volumen brennen. Die Verbrennungsenthalpie für Wasserstoff ist 286 kJ/mol:

: 2 H (g) + O (g)  2 HO (l) + 572 kJ (286 kJ/mol)

Wasserstoffbenzin bildet explosive Mischungen mit Luft, wenn es um 4-74 % konzentriert ist und mit dem Chlor, wenn es um 5-95 % konzentriert ist. Die Mischungen explodieren spontan durch den Funken, die Hitze oder das Sonnenlicht. Die Wasserstoffautozünden-Temperatur, die Temperatur des spontanen Zündens in Luft, ist. Reine Wasserstoffsauerstoff-Flammen strahlen ultraviolettes Licht aus und sind fast für das nackte Auge, als unsichtbar

illustriert durch die schwache Wolke von Raumfähre Hauptmotor im Vergleich zur hoch sichtbaren Wolke von Raumfähre Feste Rakete-Boosterrakete. Die Entdeckung einer brennenden Wasserstoffleckstelle kann einen Flamme-Entdecker verlangen; solche Leckstellen können sehr gefährlich sein. Die Zerstörung des Luftschiffs von Hindenburg war ein berüchtigtes Beispiel des Wasserstoffverbrennens; die Ursache wird diskutiert, aber die sichtbaren Flammen waren das Ergebnis von Zündstoffen in der Haut des Schiffs. Weil Wasserstoff in Luft schwimmend ist, neigen Wasserstoffflammen dazu, schnell zu steigen und weniger Schaden zu verursachen, als Kohlenwasserstoff-Feuer. Zwei Drittel der Passagiere von Hindenburg haben das Feuer überlebt, und viele Todesfälle waren stattdessen das Ergebnis von Fällen oder Diesel verbrennend.

H reagiert mit jedem Oxidieren-Element. Wasserstoff kann spontan und gewaltsam bei der Raumtemperatur mit dem Chlor und Fluor reagieren, um die entsprechenden Wasserstoffhalogenide, das Wasserstoffchlorid und das Wasserstofffluorid zu bilden, die auch potenziell gefährliche Säuren sind.

Elektronenergieniveaus

Das Boden-Zustandenergieniveau des Elektrons in einem Wasserstoffatom ist 13.6 eV, der zu einem ultravioletten Foton von ungefähr 92 nm Wellenlänge gleichwertig ist.

Die Energieniveaus von Wasserstoff können ziemlich genau mit dem Modell von Bohr des Atoms berechnet werden, das das Elektron als "das Umkreisen" des Protons in der Analogie zur Bahn der Erde der Sonne begrifflich fasst. Jedoch zieht die elektromagnetische Kraft Elektronen und Protone zu einander an, während Planeten und himmlische Gegenstände von einander durch den Ernst angezogen werden. Wegen des discretization des winkeligen Schwungs, der in der frühen Quant-Mechanik durch Bohr verlangt ist, kann das Elektron im Modell von Bohr nur bestimmte erlaubte Entfernungen vom Proton, und deshalb nur bestimmte erlaubte Energien besetzen.

Eine genauere Beschreibung des Wasserstoffatoms kommt rein Quant mechanische Behandlung her, die die Gleichung von Schrödinger oder den Pfad von Feynman integrierte Formulierung verwendet, um die Wahrscheinlichkeitsdichte des Elektrons um das Proton zu berechnen. Die am meisten komplizierten Behandlungen berücksichtigen die kleinen Effekten der speziellen Relativität und Vakuumpolarisation. Im Quant mechanische Behandlung stellt das Elektron in einem Boden fest, dass Wasserstoffatom keinen winkeligen Schwung überhaupt — eine Illustration dessen hat, wie verschieden sich die "planetarische Bahn" Vorstellung der Elektronbewegung von der Wirklichkeit unterscheidet.

Elementare molekulare Formen

Dort bestehen Sie zwei verschiedene Drehung isomers von Wasserstoff diatomic Moleküle, die sich durch die Verhältnisdrehung ihrer Kerne unterscheiden. In der Orthohydrogen-Form sind die Drehungen der zwei Protone parallel und bilden einen Drilling-Staat mit einer molekularen Drehungsquantenzahl 1 (½ +½); in der Parawasserstoffform sind die Drehungen antiparallel und bilden ein Unterhemd mit einer molekularen Drehungsquantenzahl 0 (½-½). Bei der Standardtemperatur und dem Druck enthält Wasserstoffbenzin ungefähr 25 % der Absatz-Form und 75 % der Ortho-Form, auch bekannt als der "normalen Form". Das Gleichgewicht-Verhältnis von orthohydrogen zu Parawasserstoff hängt von Temperatur ab, aber weil die Ortho-Form ein aufgeregter Staat ist und eine höhere Energie hat als die Absatz-Form, ist es nicht stabil und kann nicht gereinigt werden. Bei sehr niedrigen Temperaturen wird der Gleichgewicht-Staat fast exklusiv der Absatz-Form zusammengesetzt. Die flüssige und Gasphase Thermaleigenschaften von reinem Parawasserstoff unterscheidet sich bedeutsam von denjenigen der normalen Form wegen Unterschiede in Rotationshitzekapazitäten, wie besprochen, mehr völlig in der Drehung isomers von Wasserstoff. Die ortho/para Unterscheidung kommt auch in anderen wasserstoffenthaltenden Molekülen oder funktionellen Gruppen, wie Wasser und Methylen vor, aber ist wenig Bedeutung für ihre Thermaleigenschaften.

Die unkatalysierte Zwischenkonvertierung zwischen Absatz und ortho H nimmt mit der Erhöhung der Temperatur zu; so schnell enthält kondensierter H große Mengen der energiereichen Ortho-Form, die sich zur Absatz-Form sehr langsam umwandelt. Das ortho/para Verhältnis in kondensiertem H ist eine wichtige Rücksicht in der Vorbereitung und Lagerung von flüssigem Wasserstoff: Die Konvertierung von ortho bis Absatz ist exothermic und erzeugt genug Hitze, um etwas von Wasserstoffflüssigkeit zu verdampfen, zu Verlust des verflüssigten Materials führend. Katalysatoren für die Ortho-Absatz-Zwischenkonvertierung, wie Eisenoxyd, haben Kohlenstoff, platinized Asbest, seltene Erdmetalle, Uran-Zusammensetzungen, aktiviert

Chromic-Oxyd oder einige Nickel-Zusammensetzungen, wird während des Wasserstoffabkühlens verwendet.

Phasen

• Komprimierter Wasserstoff
• Flüssiger Wasserstoff
• Schneematsch-Wasserstoff
• Fester Wasserstoff
• Metallischer Wasserstoff

Zusammensetzungen

Covalent und organische Zusammensetzungen

Während H unter Standardbedingungen nicht sehr reaktiv ist, bildet er wirklich Zusammensetzungen mit den meisten Elementen. Wasserstoff kann Zusammensetzungen mit Elementen bilden, die mehr electronegative, wie Halogene (z.B, F, Colorado, Br, I), oder Sauerstoff sind; in diesen Zusammensetzungen übernimmt Wasserstoff eine teilweise positive Anklage. Wenn verpfändet, zum Fluor, Sauerstoff oder Stickstoff, kann Wasserstoff an einer Form der mittleren Kraft noncovalent das Abbinden des genannten Wasserstoffabbindens teilnehmen, das zur Stabilität von vielen biologischen Molekülen kritisch ist. Wasserstoff bildet auch Zusammensetzungen mit weniger electronegative Elementen, wie die Metalle und metalloids, in dem er eine teilweise negative Anklage übernimmt. Diese Zusammensetzungen sind häufig als hydrides bekannt.

Wasserstoff formt sich eine riesengroße Reihe von Zusammensetzungen mit Kohlenstoff hat die Kohlenwasserstoffe und eine noch mehr riesengroße Reihe mit heteroatoms genannt, die, wegen ihrer allgemeinen Vereinigung mit Wesen, organische Zusammensetzungen genannt werden. Die Studie ihrer Eigenschaften ist als organische Chemie bekannt, und ihre Studie im Zusammenhang von lebenden Organismen ist als Biochemie bekannt. Durch einige Definitionen sind "organische" Zusammensetzungen nur erforderlich, Kohlenstoff zu enthalten. Jedoch enthalten die meisten von ihnen auch Wasserstoff, und weil es das mit dem Kohlenstoffwasserstoffband ist, das diese Klasse von Zusammensetzungen die meisten seiner besonderen chemischen Eigenschaften gibt, sind mit dem Kohlenstoffwasserstoffobligationen in einigen Definitionen des in der Chemie "organischen" Wortes erforderlich. Millionen von Kohlenwasserstoffen sind bekannt, und sie werden gewöhnlich durch komplizierte synthetische Pfade gebildet, die selten elementaren Wasserstoff einschließen.

Hydrides

Zusammensetzungen von Wasserstoff werden häufig hydrides, ein Begriff genannt, der ziemlich lose verwendet wird. Der Begriff "hydride" weist darauf hin, dass das H Atom einen negativen oder anionic Charakter erworben hat, H angezeigt hat und verwendet wird, wenn Wasserstoff eine Zusammensetzung mit mehr electropositive Element bildet. Die Existenz des hydride Anions, das von Gilbert N. Lewis 1916 für die Gruppe I und II Salz ähnliche hydrides angedeutet ist, wurde von Moers 1920 mit der Elektrolyse von geschmolzenem Lithium hydride (LiH) demonstriert, der eine Stöchiometrie-Menge von Wasserstoff an der Anode erzeugt hat. Für den hydrides außer der Gruppe I und II Metalle ist der Begriff ziemlich irreführend, die niedrige Elektronegativität von Wasserstoff denkend. Eine Ausnahme in der Gruppe, die II hydrides sind, der polymer ist. In Lithiumaluminium hydride trägt das Anion hydridic dem Al (III) fest beigefügte Zentren.

Obwohl hydrides mit fast allen Hauptgruppe-Elementen gebildet werden kann, ändern sich die Zahl und Kombination von möglichen Zusammensetzungen weit; zum Beispiel gibt es mehr als 100 binäre borane hydrides bekannt, aber nur ein binäres Aluminium hydride. Binäres Indium hydride ist noch nicht identifiziert worden, obwohl größere Komplexe bestehen.

In der anorganischen Chemie kann hydrides auch als Überbrücken ligands dienen, die zwei Metallzentren in einem Koordinationskomplex verbinden. Diese Funktion ist in der Gruppe 13 Elemente, besonders in boranes (Bor hydrides) und Aluminiumkomplexe, sowie in gruppiertem carboranes besonders üblich.

Protone und Säuren

Die Oxydation von Wasserstoff entfernt sein Elektron und gibt H, der keine Elektronen und einen Kern enthält, der gewöhnlich aus einem Proton zusammengesetzt wird. Deshalb wird häufig ein Proton genannt. Diese Art ist zur Diskussion von Säuren zentral. Laut der Theorie von Bronsted-Lowry sind Säuren Protonenspender, während Basen Protonenannehmer sind.

Ein bloßes Proton kann in der Lösung oder in ionischen Kristallen, wegen seiner unaufhaltsamen Anziehungskraft zu anderen Atomen oder Molekülen mit Elektronen nicht bestehen. Außer bei den hohen mit plasmas vereinigten Temperaturen können solche Protone nicht von den Elektronwolken von Atomen und Molekülen entfernt werden, und werden beigefügt ihnen bleiben. Jedoch wird der Begriff 'Proton' manchmal lose und metaphorisch gebraucht, sich auf positiv beladenen oder cationic Wasserstoff zu beziehen, der anderen Arten auf diese Mode beigefügt ist, und weil solcher "" ohne jede Implikation angezeigt wird, dass irgendwelche einzelnen Protone frei als eine Art bestehen.

Um die Implikation des nackten "solvated Proton" in der Lösung, acidic wässrige Lösungen zu vermeiden, werden manchmal betrachtet, eine weniger unwahrscheinliche Romanart, genannt "hydronium Ion" zu enthalten. Jedoch, sogar in diesem Fall, wie man denkt, wird solcher solvated Wasserstoff cations realistischer physisch in Trauben organisiert, die Arten bilden, die daran näher sind. Andere oxonium Ionen werden gefunden, wenn Wasser in der Lösung mit anderen Lösungsmitteln ist.

Obwohl exotisch, auf der Erde ist eines der allgemeinsten Ionen im Weltall das Ion, bekannt als protonated molekularer Wasserstoff oder der trihydrogen cation.

Isotope

Wasserstoff hat drei natürlich vorkommende Isotope, angezeigt, und. Anderer, hoch nicht stabile Kerne, die im Laboratorium sind synthetisiert zu haben, aber in der Natur nicht beobachtet zu haben sein.

• ist das allgemeinste Wasserstoffisotop mit einem Überfluss von mehr als 99.98 %. Weil der Kern dieses Isotops aus nur einem einzelnen Proton besteht, wird es der beschreibende, aber selten verwendete offizielle Name protium gegeben.
• , das andere stabile Wasserstoffisotop, ist als schwerer Wasserstoff bekannt und enthält ein Proton und ein Neutron in seinem Kern. Im Wesentlichen, wie man denkt, ist der ganze schwere Wasserstoff im Weltall zur Zeit des Urknalls erzeugt worden, und hat seit dieser Zeit angedauert. Schwerer Wasserstoff ist nicht radioaktiv, und vertritt keine bedeutende Giftigkeitsgefahr. Wasser hat in Molekülen bereichert, die schweren Wasserstoff statt normalen Wasserstoffs einschließen, wird schweres Wasser genannt. Schwerer Wasserstoff und seine Zusammensetzungen werden als ein nichtradioaktives Etikett in chemischen Experimenten und in Lösungsmitteln für die-NMR Spektroskopie verwendet. Schweres Wasser wird als ein Neutronvorsitzender und Kühlmittel für Kernreaktoren verwendet. Schwerer Wasserstoff ist auch ein potenzieller Brennstoff für die kommerzielle Kernfusion.
• ist als Tritium bekannt und enthält ein Proton und zwei Neutronen in seinem Kern. Es ist radioaktiv, in Helium 3 durch den Beta-Zerfall mit einer Halbwertzeit von 12.32 Jahren verfallend. Es ist so radioaktiv, dass es in Leuchtfarbe verwendet werden kann, es nützlich in solchen Dingen wie Bewachungen machend. Das Glas hält den kleinen Betrag der Radiation davon ab herauszukommen. Kleine Beträge von Tritium kommen natürlich wegen der Wechselwirkung von kosmischen Strahlen mit atmosphärischem Benzin vor; Tritium ist auch während Kernwaffentests veröffentlicht worden. Es wird in Kernfusionsreaktionen als ein Leuchtspurgeschoss in der Isotop-Geochemie verwendet, und in selbstangetriebenen sich entzündenden Geräten spezialisiert. Tritium ist auch in chemischen und biologischen Beschriften-Experimenten als ein radiolabel verwendet worden.

Wasserstoff ist das einzige Element, das verschiedene Namen für seine Isotope in der üblichen Anwendung heute hat. Während der frühen Studie der Radioaktivität wurde verschiedenen schweren radioaktiven Isotopen ihre eigenen Namen gegeben, aber solche Namen, werden abgesehen von schwerem Wasserstoff und Tritium nicht mehr verwendet. Die Symbole D und T (statt und) werden manchmal für schweren Wasserstoff und Tritium verwendet, aber das entsprechende Symbol für protium, P, ist bereits im Gebrauch für Phosphor und ist so für protium nicht verfügbar. In seinen nomenclatural Richtlinien erlaubt die Internationale Vereinigung der Reinen und Angewandten Chemie einigen von D, T, und verwendet zu werden, obwohl und bevorzugt werden.

Geschichte

Entdeckung und Gebrauch

1671 hat Robert Boyle entdeckt und hat die Reaktion zwischen Eisenfeilstaub und verdünnten Säuren beschrieben, der auf die Produktion von Wasserstoffbenzin hinausläuft. 1766 war Henry Cavendish erst, um Wasserstoffbenzin als eine getrennte Substanz anzuerkennen, indem er das Benzin von einer metallsauren Reaktion "feuergefährliche Luft" genannt hat. Er hat nachgesonnen, dass "feuergefährliche Luft" tatsächlich zu genanntem "phlogiston" der hypothetischen Substanz und weiterer Entdeckung 1781 identisch war, dass das Benzin Wasser, wenn verbrannt, erzeugt. Ihm wird gewöhnlich Kredit für seine Entdeckung als ein Element gegeben. 1783 hat Antoine Lavoisier dem Element den Namenwasserstoff gegeben (vom griechischen ὕδρω Wasserdruckprüfungsbedeutungswasser und  Gene, die Schöpfer bedeuten), als er und Laplace die Entdeckung von Cavendish wieder hervorgebracht haben, dass Wasser erzeugt wird, wenn Wasserstoff verbrannt wird.

Lavoisier hat Wasserstoff für seine berühmten Experimente auf der Massenbewahrung erzeugt, indem er einen Fluss des Dampfs mit metallischem Eisen durch eine in einem Feuer geheizte Glüheisentube reagiert hat. Die Oxydation von Anaerobic von Eisen durch die Protone von Wasser bei der hohen Temperatur kann durch den Satz von folgenden Reaktionen schematisch vertreten werden:

: Fe + HO  FeO + H

:2 Fe + 3 HO  FeO + 3 H

:3 Fe + 4 HO  FeO + 4 H

Viele Metalle wie Zirkonium erleben eine ähnliche Reaktion mit Wasser, das zur Produktion von Wasserstoff führt.

Wasserstoff wurde zum ersten Mal von James Dewar 1898 durch das Verwenden des verbessernden Abkühlens und seiner Erfindung, der Thermosflasche verflüssigt. Er hat festen Wasserstoff im nächsten Jahr erzeugt. Schwerer Wasserstoff wurde im Dezember 1931 von Harold Urey entdeckt, und Tritium war 1934 von Ernest Rutherford, Mark Oliphant und Paul Harteck bereit. Schweres Wasser, das aus schwerem Wasserstoff im Platz von regelmäßigem Wasserstoff besteht, wurde von der Gruppe von Urey 1932 entdeckt. François Isaac de Rivaz hat den ersten inneren Verbrennungsmotor gebaut, der durch eine Mischung von Wasserstoff und Sauerstoff 1806 angetrieben ist. Edward Daniel Clarke hat den Wasserstoffgasschweißbrenner 1819 erfunden. Die Lampe und Rampenlicht von Döbereiner wurden 1823 erfunden.

Der erste wasserstoffgefüllte Ballon wurde von Jacques Charles 1783 erfunden. Wasserstoff hat das Heben für die erste zuverlässige Form der Flugreise im Anschluss an die 1852-Erfindung des ersten wasserstoffgehobenen Luftschiffs durch Henri Giffard zur Verfügung gestellt. Deutscher Graf Ferdinand von Zeppelin hat die Idee von starren durch Wasserstoff gehobenen Luftschiffen gefördert, die später Zeppeline genannt wurden; von denen der erste seinen Jungfrau-Flug 1900 hatte. Regelmäßig Linienflüge haben 1910 und durch den Ausbruch des Ersten Weltkriegs im August 1914 angefangen, sie hatten 35,000 Passagiere ohne ein ernstes Ereignis getragen. Wasserstoffgehobene Luftschiffe wurden als Beobachtungsplattformen und Bomber während des Krieges verwendet.

Die erste pausenlose transatlantische Überfahrt wurde durch das britische Luftschiff R34 1919 gemacht. Regelmäßiger Personendienst hat in den 1920er Jahren und die Entdeckung von Helium-Reserven in den Vereinigten Staaten versprochen vergrößerte Sicherheit die Tätigkeit wieder aufgenommen, aber die amerikanische Regierung hat sich geweigert, das Benzin für diesen Zweck zu verkaufen. Deshalb wurde H im Luftschiff von Hindenburg verwendet, das in einem Midair-Feuer über New Jersey am 6. Mai 1937 zerstört wurde. Das Ereignis wurde im Radio direkt übertragen und gefilmt. Wie man weit annimmt, ist Zünden, Wasserstoff durchzulassen, die Ursache, aber spätere Untersuchungen haben zum Zünden des aluminized Stoff-Überzugs durch die statische Elektrizität hingewiesen. Aber der Schaden am Ruf von Wasserstoff als ein sich hebendes Benzin wurde bereits angerichtet.

In demselben Jahr ist der erste wasserstoffabgekühlte turbogenerator in Dienst mit gasartigem Wasserstoff als ein Kühlmittel im Rotor und dem Statoren 1937 an Dayton, Ohio durch Dayton Power & Light Co wegen des Thermalleitvermögens von Wasserstoffbenzin eingetreten das ist der allgemeinste Typ in seinem Feld heute.

Die Nickel-Wasserstoffbatterie wurde zum ersten Mal 1977 an Bord des Navigationstechnologiesatelliten der amerikanischen Marine 2 (NTS-2) verwendet. Zum Beispiel werden der ISS, die Odyssee von Mars und der Mars Globaler Landvermesser mit mit dem Nickelwasserstoffbatterien ausgestattet.

Im dunklen Teil seiner Bahn wird das Hubble Raumfernrohr auch durch mit dem Nickelwasserstoffbatterien angetrieben, die schließlich im Mai 2009, mehr als 19 Jahre nach dem Start, und 13 Jahre über ihr Designleben ersetzt wurden.

Rolle in der Quant-Theorie

Wegen seines relativ einfachen Atombaus, nur aus einem Proton und einem Elektron bestehend, ist das Wasserstoffatom zusammen mit dem Spektrum des Lichtes, das davon erzeugt ist oder davon gefesselt ist, zur Entwicklung der Theorie des Atombaus zentral gewesen. Außerdem haben die entsprechende Einfachheit des Wasserstoffmoleküls und der entsprechende cation H das vollere Verstehen der Natur des chemischen Bandes erlaubt, das gefolgt ist, kurz nach dem Quant war die mechanische Behandlung des Wasserstoffatoms Mitte der 1920er Jahre entwickelt worden.

Einer der ersten Quant-Effekten, ausführlich bemerkt (aber zurzeit nicht verstanden zu werden), war eine Beobachtung von Maxwell, die mit Wasserstoff, ein halbes Jahrhundert vor dem vollen Quant verbunden ist, mechanische Theorie ist angekommen. Maxwell hat bemerkt, dass die spezifische Hitzekapazität von H unerklärlicherweise von diesem von diatomic Benzin unter der Raumtemperatur abweicht und beginnt, diesem von monatomic Benzin bei kälteerzeugenden Temperaturen zunehmend zu ähneln. Gemäß der Quant-Theorie entsteht dieses Verhalten aus dem Abstand der (gequantelten) Rotationsenergieniveaus, die in H wegen seiner niedrigen Masse besonders breit unter Drogeneinfluss sind. Diese Niveaus weit unter Drogeneinfluss hemmen gleiche Teilung der Hitzeenergie in die Rotationsbewegung in Wasserstoff bei niedrigen Temperaturen. Aus schwereren Atomen zusammengesetztes Benzin von Diatomic hat solche Niveaus weit unter Drogeneinfluss nicht und stellt dieselbe Wirkung nicht aus.

Natürliches Ereignis

Wasserstoff, als atomarer H, ist das reichlichste chemische Element im Weltall, 75 % der normalen Sache durch die Masse und mehr als 90 % durch die Zahl von Atomen zusammensetzend (der grösste Teil der Masse des Weltalls, jedoch, ist nicht in der Form der Typ-Sache des chemischen Elements, aber wird eher verlangt, bis jetzt unentdeckte Formen der Masse wie dunkle Sache und dunkle Energie vorzukommen). Dieses Element wird im großen Überfluss in Sternen und den riesigen Gasplaneten gefunden. Molekulare Wolken von H werden mit der Sternbildung vereinigt. Wasserstoff spielt eine Lebensrolle in rasenden Sternen durch die Protonenproton-Reaktion und den CNO Zyklus Kernfusion.

Überall im Weltall wird Wasserstoff größtenteils in den Atom- und Plasmastaaten gefunden, deren Eigenschaften von molekularem Wasserstoff ziemlich verschieden sind. Als ein Plasma werden das Elektron und Proton von Wasserstoff zusammen nicht gebunden, auf sehr hohes elektrisches Leitvermögen und hohes Emissionsvermögen hinauslaufend (das Licht von der Sonne und den anderen Sternen erzeugend). Die beladenen Partikeln sind hoch unter Einfluss magnetischer und elektrischer Felder. Zum Beispiel im Sonnenwind wirken sie mit dem Magnetosphere-Verursachen der Erde von Strömen von Birkeland und der Aurora aufeinander. Wasserstoff wird im neutralen Atomstaat im Interstellaren Medium gefunden. Wie man denkt, beherrscht der große Betrag von neutralem in den gedämpften Lyman-Alpha-Systemen gefundenem Wasserstoff die kosmologische baryonic Dichte des Weltalls bis zur Rotverschiebung z=4.

Unter gewöhnlichen Bedingungen auf der Erde besteht elementarer Wasserstoff als das diatomic Benzin, H (für Daten sieh Tisch). Jedoch ist Wasserstoffbenzin in der Atmosphäre der Erde (1 ppm durch das Volumen) wegen seines leichten Gewichts sehr selten, das ihm ermöglicht, dem Ernst der Erde leichter zu entfliehen, als schwereres Benzin. Jedoch ist Wasserstoff das dritte reichlichste Element auf der Oberfläche der Erde, größtenteils in der Form von chemischen Zusammensetzungen wie Kohlenwasserstoffe und Wasser. Wasserstoffbenzin wird von einigen Bakterien und Algen erzeugt und ist ein natürlicher Bestandteil von flatus, wie Methan, selbst eine Wasserstoffquelle der zunehmenden Wichtigkeit ist.

Eine molekulare Form hat gerufen protonated molekularer Wasserstoff wird im interstellaren Medium (ISMUS) gefunden, wo es durch die Ionisation von molekularem Wasserstoff von kosmischen Strahlen erzeugt wird. Es ist auch in der oberen Atmosphäre des Planeten Jupiter beobachtet worden. Dieses Ion ist in der Umgebung des Weltraumes wegen der niedrigen Temperatur und Dichte relativ stabil. ist eines der reichlichsten Ionen im Weltall, und es spielt eine bemerkenswerte Rolle in der Chemie des interstellaren Mediums.

Neutraler triatomic Wasserstoff H kann nur in einer aufgeregten Form bestehen und ist nicht stabil. Das molekulare Wasserstoffion ist ein seltenes molekulares System im Weltall.

Produktion

H wird in der Chemie und den Biologie-Laboratorien häufig als ein Nebenprodukt anderer Reaktionen erzeugt; in der Industrie für den hydrogenation von ungesättigten Substraten; und in der Natur als ein Mittel, abnehmende Entsprechungen in biochemischen Reaktionen zu vertreiben.

Laboratorium

Im Laboratorium ist H gewöhnlich durch die Reaktion von Säuren auf Metallen wie Zink mit dem Apparat von Kipp bereit.

:Zn + 2  +

Aluminium kann auch nach der Behandlung mit Basen erzeugen:

:2 Al + 6 + 2  2 + 3

Die Elektrolyse von Wasser ist eine einfache Methode, Wasserstoff zu erzeugen. Ein niedriger Stromspannungsstrom wird das Wasser und die gasartigen Sauerstoff-Formen an der Anode durchbohrt, während sich gasartiger Wasserstoff an der Kathode formt. Normalerweise wird die Kathode von Platin oder einem anderen trägen Metall gemacht, wenn man Wasserstoff für die Lagerung erzeugt. Wenn, jedoch, das Benzin vor Ort verbrannt werden soll, ist Sauerstoff wünschenswert, um dem Verbrennen zu helfen, und so würden beide Elektroden von trägen Metallen gemacht. (Eisen würde zum Beispiel oxidieren, und so den Betrag von abgegebenem Sauerstoff vermindern.) Die theoretische maximale Leistungsfähigkeit (Elektrizität, die gegen den energischen Wert von Wasserstoff verwendet ist, erzeugt) ist in der Reihe 80-94 %.

:2 (l)  2 (g) + (g)

2007 wurde es entdeckt, dass eine Legierung von Aluminium und Gallium in der zu Wasser hinzugefügten Kügelchen-Form verwendet werden konnte, um Wasserstoff zu erzeugen. Der Prozess schafft auch Tonerde, aber das teure Gallium, das die Bildung einer Oxydhaut auf den Kügelchen verhindert, kann wiederverwendet werden. Das hat wichtige potenzielle Implikationen für eine Wasserstoffwirtschaft, weil Wasserstoff vor Ort erzeugt werden kann und nicht transportiert zu werden braucht.

Industriell

Wasserstoff kann auf mehrere verschiedene Weisen bereit sein, aber wirtschaftlich sind die wichtigsten Prozesse mit Eliminierung von Wasserstoff von Kohlenwasserstoffen verbunden. Kommerzieller Hauptteil-Wasserstoff wird gewöhnlich durch das Dampfverbessern von Erdgas erzeugt. Bei hohen Temperaturen (1000-1400 K, 700-1100 °C oder 1300-2000 °F), reagiert Dampf (Wasserdampf) mit dem Methan, um Kohlenmonoxid nachzugeben, und.

: +  CO + 3

Diese Reaktion wird am niedrigen Druck bevorzugt, aber wird dennoch am Hochdruck (2.0 MPa, 20 atm oder 600 inHg) geführt. Das ist, weil Hochdruck-das marktfähigste Produkt ist und Reinigungssysteme von Pressure Swing Adsorption (PSA) besser am höheren Druck arbeiten. Die Produktmischung ist als "Synthese-Benzin" bekannt, weil es häufig direkt für die Produktion des Methanols verwendet wird und Zusammensetzungen verbunden hat. Kohlenwasserstoffe außer dem Methan können verwendet werden, um Synthese-Benzin mit unterschiedlichen Produktverhältnissen zu erzeugen. Eine der vielen Komplikationen zu dieser hoch optimierten Technologie ist die Bildung des Colas oder Kohlenstoff:

:  C + 2 H

Folglich verwendet Dampf, der sich normalerweise bessert, ein Übermaß daran. Zusätzlicher Wasserstoff kann vom Dampf durch den Gebrauch des Kohlenmonoxids durch die Wassergasverschiebungsreaktion besonders mit einem Eisenoxid-Katalysator wieder erlangt werden. Diese Reaktion ist auch eine allgemeine Industriequelle des Kohlendioxyds:

:CO +  +

Andere wichtige Methoden für die Produktion schließen teilweise Oxydation von Kohlenwasserstoffen ein:

:2 +  2 CO + 4

und die Kohlenreaktion, die als eine Einleitung der Verschiebungsreaktion oben dienen kann:

:C +  CO +

Wasserstoff wird manchmal erzeugt und in demselben Industrieprozess verbraucht, ohne, getrennt zu werden. Im Prozess von Haber für die Produktion von Ammoniak wird Wasserstoff von Erdgas erzeugt. Die Elektrolyse des Salzwassers, um Chlor nachzugeben, erzeugt auch Wasserstoff als ein Co-Produkt.

Thermochemical

Es gibt mehr als 200 thermochemical Zyklen, die für das Wasseraufspalten, ungefähr ein Dutzend dieser Zyklen wie der Eisenoxid-Zyklus, Cerium (IV) Oxydcerium (III) verwendet werden können, sind Oxydzyklus, Zinkzinkoxyd-Zyklus, Zyklus des Schwefel-Jods, Kupferchlor-Zyklus und hybrider Schwefel-Zyklus unter der Forschung und in der Prüfung der Phase, um Wasserstoff und Sauerstoff von Wasser und Hitze zu erzeugen, ohne Elektrizität zu verwenden. Mehrere Laboratorien (einschließlich in Frankreich, Deutschland, Griechenland, Japan und den USA) entwickeln thermochemical Methoden, Wasserstoff von der Sonnenenergie und Wasser zu erzeugen.

Korrosion von Anaerobic

Unter anaerobic Bedingungen werden Eisen und Stahllegierung durch die Protone von Wasser concomitantly reduziert in molekularem Wasserstoff (H) langsam oxidiert. Die anaerobic Korrosion von Eisen führt zuerst zur Bildung von Eisenhydroxyd (grüner Rost) und kann durch die folgende Reaktion beschrieben werden:

:Fe + 2 HO  Fe (OH) + H

Seinerseits, unter anaerobic Bedingungen, kann das Eisenhydroxyd (Fe (OH)) durch die Protone von Wasser oxidiert werden, um Magneteisenstein und molekularen Wasserstoff zu bilden.

Dieser Prozess wird durch die Reaktion von Schikorr beschrieben:

:3 Fe (OH)  FeO + 2 HO + H

:ferrous-Hydroxyd  Magneteisenstein + Wasser + Wasserstoff

Der gut kristallisierte Magneteisenstein (FeO) ist thermodynamisch stabiler als das Eisenhydroxyd (Fe (OH)).

Dieser Prozess kommt während der anaerobic Korrosion von Eisen und Stahl in Grundwasser ohne Sauerstoff und in abnehmenden Böden unter der Wasserabflussleiste vor.

Geologisches Ereignis: die serpentinization Reaktion

Ohne atmosphärischen Sauerstoff (O), in tiefen geologischen Bedingungen, die weit weg von der Erdatmosphäre vorherrschen, wird Wasserstoff (H) während des Prozesses von serpentinization durch die anaerobic Oxydation durch die Wasserprotone (H) von der (Fe) Eisensilikat-Gegenwart im Kristallgitter des fayalite (FeSiO, das olivine Eisen-Endmember) erzeugt. Die entsprechende Reaktion, die zur Bildung des Magneteisensteins (FeO), Quarz (SiO) und Wasserstoff (H) führt, ist der folgende:

:3 FeSiO + 2 HO  2 FeO + 3 SiO + 3 H

:fayalite + Wasser  Magneteisenstein + Quarz + Wasserstoff

Diese Reaktion ähnelt nah der Reaktion von Schikorr, die in der anaerobic Oxydation von Eisenhydroxyd im Kontakt mit Wasser beobachtet ist.

Anwendungen

Verbrauch in Prozessen

Große Mengen dessen sind in den Erdöl- und chemischen Industrien erforderlich. Die größte Anwendung dessen ist für die Verarbeitung ("Aufrüstung") von fossilen Brennstoffen, und in der Produktion von Ammoniak. Die Schlüsselverbraucher im petrochemischen Werk schließen hydrodealkylation, Hydroentschwefelung und das Hydroknacken ein. hat mehreren anderen wichtigen Nutzen. wird als ein hydrogenating Agent, besonders in der Erhöhung des Niveaus der Sättigung von ungesättigten Fetten und Ölen (gefunden in Sachen wie Margarine), und in der Produktion des Methanols verwendet. Es ist ähnlich die Quelle von Wasserstoff in der Fertigung von Salzsäure. wird auch als ein abnehmender Agent von metallischen Erzen verwendet.

Wasserstoff ist in vielen seltene Erde und Übergang-Metalle hoch auflösbar und ist sowohl in nanocrystalline als auch in amorphen Metallen auflösbar. Die Wasserstofflöslichkeit in Metallen ist unter Einfluss lokaler Verzerrungen oder Unreinheiten im Kristallgitter. Diese Eigenschaften können nützlich sein, wenn Wasserstoff durch den Durchgang durch heiße Palladium-Platten gereinigt wird, aber die hohe Löslichkeit von Benzin ist ein metallurgisches Problem, zum embrittlement von vielen Metallen beitragend, das Design von Rohrleitungen und Lagerungszisternen komplizierend.

Abgesondert von seinem Gebrauch als ein Reaktionspartner, hat breite Anwendungen in der Physik und Technik. Es wird als ein Abschirmungsbenzin in Schweißmethoden wie Atomwasserstoffschweißen verwendet. H wird als das Rotor-Kühlmittel in elektrischen Generatoren an Kraftwerken verwendet, weil es das höchste Thermalleitvermögen jedes Benzins hat. Flüssigkeit H wird in der kälteerzeugenden Forschung einschließlich Supraleitfähigkeitsstudien verwendet. Weil leichter ist als Luft, etwas mehr habend, als der Dichte von Luft, wurde es einmal als ein sich hebendes Benzin in Ballons und Luftschiffen weit verwendet.

In neueren Anwendungen wird Wasserstoff rein oder Misch-mit dem Stickstoff (manchmal genannt das Formen von Benzin) als ein Leuchtspurgeschoss-Benzin für die Minutenleckstelle-Entdeckung verwendet. Anwendungen können in der selbstfahrenden, chemischen, Energieerzeugung, dem Weltraum und den Fernmeldeindustrien gefunden werden. Wasserstoff ist ein autorisierter Nahrungsmittelzusatz (E 949), der Nahrungsmittelpaket-Leckstelle-Prüfung unter anderen Antioxidieren-Eigenschaften erlaubt.

Die selteneren Isotope von Wasserstoff hat auch jeder spezifische Anwendungen. Schwerer Wasserstoff (Wasserstoff 2) wird in Atomspaltungsanwendungen als ein Vorsitzender verwendet, um Neutronen, und in Kernfusionsreaktionen zu verlangsamen. Zusammensetzungen des schweren Wasserstoffs haben Anwendungen in der Chemie und Biologie in Studien von Reaktionsisotop-Effekten. Tritium (Wasserstoff 3), erzeugt in Kernreaktoren, wird in der Produktion von Wasserstoffbomben, als ein Isotopic-Etikett im biosciences, und als eine Strahlenquelle in Leuchtfarben verwendet.

Die dreifache Punkt-Temperatur von Gleichgewicht-Wasserstoff ist gehefteter Punkt eines Definierens auf SEINER 90 Temperaturskala an 13.8033 kelvins.

Kühlmittel

Wasserstoff wird in Kraftwerken als ein Kühlmittel in Generatoren wegen seiner spezifischen Hitzekapazität allgemein verwendet, die beträchtlich höher ist als jedes andere Benzin.

Energietransportunternehmen

Wasserstoff ist nicht eine Energiequelle, außer im hypothetischen Zusammenhang von kommerziellen Kernfusionskraftwerken mit schwerem Wasserstoff oder Tritium, eine von der Entwicklung jetzt weite Technologie. Die Energie der Sonne kommt aus der Kernfusion von Wasserstoff, aber dieser Prozess ist schwierig, kontrollierbar auf der Erde zu erreichen. Der elementare Wasserstoff von elektrischen oder biologischen Sonnenquellen verlangt mehr Energie, es zu machen, als es durch das Brennen davon, so in diesen Fall-Wasserstofffunktionen als ein Energietransportunternehmen wie eine Batterie erhalten wird. Wasserstoff kann bei Fossil-Quellen erhalten werden (wie Methan), aber diese Quellen sind unnachhaltig.

Die Energiedichte pro Einheitsvolumen sowohl von flüssigem Wasserstoff als auch von zusammengepresstem Wasserstoffbenzin an jedem durchführbaren Druck ist bedeutsam weniger als diese von traditionellen Kraftstoffquellen, obwohl die Energiedichte pro Einheitskraftstoffmasse höher ist. Dennoch ist elementarer Wasserstoff im Zusammenhang der Energie als ein mögliches zukünftiges Transportunternehmen der Energie auf einer weiten Wirtschaft Skala weit besprochen worden. Zum Beispiel konnte Ausschluss, der von der Kohlenstoff-Festnahme und Lagerung gefolgt ist, am Punkt der Produktion von fossilen Brennstoffen geführt werden. Im Transport verwendeter Wasserstoff würde relativ sauber, mit einigen KEINEN Emissionen, aber ohne Kohlenstoff-Emissionen brennen. Jedoch würden die Infrastruktur-Kosten, die mit der vollen Konvertierung zu einer Wasserstoffwirtschaft vereinigt sind, wesentlich sein.

Halbleiter-Industrie

Wasserstoff wird verwendet, um gebrochene ("baumelnde") Obligationen von amorphem amorphem und Silikonkohlenstoff zu sättigen, der materiellen Stabilisierungseigenschaften hilft. Es ist auch ein potenzieller Elektronendonator in verschiedenen Oxydmaterialien, einschließlich ZnO, SnO, CdO, MgO, ZrO, HfO, LaOs, YO, TiO, SrTiO, LaAlO, SiO, AlO, ZrSiO, HfSiO und SrZrO.

Biologische Reaktionen

H ist ein Produkt von einigen Typen des anaerobic Metabolismus und wird durch mehrere Kleinstlebewesen gewöhnlich über Reaktionen erzeugt, die durch Eisen katalysiert sind - oder Nickel enthaltende Enzyme haben hydrogenases genannt. Diese Enzyme katalysieren die umkehrbare redox Reaktion zwischen H und seinen zwei Teilprotonen und zwei Elektronen. Die Entwicklung von Wasserstoffbenzin kommt in der Übertragung von abnehmenden Entsprechungen vor, die während der pyruvate Gärung zu Wasser erzeugt sind.

Das Wasseraufspalten, in dem Wasser in seine Teilprotone, Elektronen und Sauerstoff zersetzt wird, kommt in den leichten Reaktionen in allen photosynthetischen Organismen vor. Einige solche Organismen, einschließlich der Alge Chlamydomonas reinhardtii und cyanobacteria, haben einen zweiten Schritt in den dunklen Reaktionen entwickelt, in denen Protone und Elektronen reduziert werden, um H Benzin durch spezialisierten hydrogenases im Chloroplasten zu bilden. Anstrengungen sind übernommen worden, um cyanobacterial hydrogenases genetisch zu modifizieren, um H Benzin sogar in Gegenwart von Sauerstoff effizient zu synthetisieren. Anstrengungen sind auch mit der genetisch veränderten Alge in einem bioreactor übernommen worden.

Sicherheit und Vorsichtsmaßnahmen

Wasserstoff stellt mehrere Gefahren für die menschliche Sicherheit, von potenziellen Detonationen und Feuern, wenn gemischt, mit Luft dazu auf, ein erstickender Stoff in seiner reinen, Form ohne Sauerstoff zu sein. Außerdem ist flüssiger Wasserstoff ein cryogen und präsentiert Gefahren (wie Erfrierung) vereinigt mit sehr kalten Flüssigkeiten. Wasserstoff löst sich in vielen Metallen, und, zusätzlich dazu auf auszuströmen, kann nachteilige Effekten auf sie, wie Wasserstoff embrittlement haben, zu Spalten und Explosionen führend. Das Wasserstoffgasauslaufen in Außenluft kann sich spontan entzünden. Außerdem ist Wasserstofffeuer, äußerst heiß seiend, fast unsichtbar, und kann so zu zufälligen Brandwunden führen.

Sogar die Interpretation der Wasserstoffdaten (einschließlich Sicherheitsdaten) wird durch mehrere Phänomene verwechselt. Viele physische und chemische Eigenschaften von Wasserstoff hängen vom parahydrogen/orthohydrogen Verhältnis ab (man braucht häufig Tage oder Wochen bei einer gegebenen Temperatur, um das Gleichgewicht-Verhältnis zu erreichen, für das die Daten gewöhnlich gegeben wird). Wasserstoffdetonationsrahmen, wie kritischer Detonationsdruck und Temperatur, hängen stark von der Behältergeometrie ab.

Siehe auch

• Antiwasserstoff
• Wasserstoffion
• Oxyhydrogen
• Kraftstoffzelle

Referenzen

Weiterführende Literatur

• Autor-Interview an Globalen Öffentlichen Medien.

Links

• Grundlegende Wasserstoffberechnungen der Quant-Mechanik
• Wasserstoff (Universität Nottinghams)
• Hohes Temperaturwasserstoffphase-Diagramm
• Wavefunction von Wasserstoff