brint

ejendomme
1 s 1 1 H. Periodiske system
Generelt
Navn , symbol , atomnummer	Hydrogen, H, 1
Element kategori	Ikke-metaller
Gruppe , periode , blok	1 , 1 , s
Udseende	farveløs gas (H 2 )
CAS -nummer	12385-13-6 (H) 1333-74-0 (H 2 )
EF -nummer	215-605-7
ECHA InfoCard	100.014.187
Massefraktion af jordens kuvert	0,9%
Atomar
Atommasse	1.008 (1.00784-1.00811) u
Atomradius (beregnet)	25 (53) pm
Kovalent radius	31.00
Van der Waals radius	120 pm
Elektronkonfiguration	1 s 1
1. Ioniseringsenergi	13.598 434 49 (8) eV ≈ 1 312.05 kJ / mol
Fysisk
Fysisk tilstand	gasformig (H 2 )
massefylde	0,0899 kg m −3 ved 273 K.
magnetisme	diamagnetisk ( Χ m = −2,2 10 −9 )
Smeltepunkt	14,01 K (−259,14 ° C)
kogepunkt	21,15 K (−252 ° C)
Molær volumen	(fast) 11,42 · 10 −6 m 3 · mol −1
Fordampningsvarme	0,90 kJ / mol
Fusionsvarme	0,558 kJ mol −1
Lydens hastighed	1270 m s −1 ved 298,15 K.
Specifik varmekapacitet	14304 J kg −1 K −1
Varmeledningsevne	0,1805 W m −1 K −1
Kemisk
Oxidationstilstande	+1, 0, −1
Normalt potentiale	0 V
Elektronegativitet	2.2 ( Pauling skala )
Isotoper
isotop NH t 1/2 ZA ZE (M eV ) ZP 1 H. 99,9885 (70)% Stabil 2 H ( D ) 0,0115 (70)% Stabil 3 H ( D ) 10 -15  % 12.33 a β - 0,019 3 Han
For andre isotoper se liste over isotoper
NMR egenskaber
Spin kvante nummer I γ i rad · T −1 · s −1 E r  ( 1 H) f L ved B = 4,7 T i MHz 1 H. 1/2 +26.752 10 7 1,00 200.11 2 H 1 0+4.107 10 7 9,65 · 10 −3 030,72 3 H. 1/2 +28.535 10 7 1.21 213,32
Sikkerhedsinstruktioner
GHS -faremærkning fra  forordning (EF) nr. 1272/2008 (CLP) , udvidet om nødvendigt fare H- og P -sætninger H: 220-280 P: 210-377-381-403
Så vidt muligt og sædvanligt anvendes SI -enheder . Medmindre andet er angivet, gælder de givne data for standardbetingelser .

Hydrogen er et kemisk element med symbolet  H (for latin hydrogenium "vandbygger") og atomnummer  1. I det periodiske system er elementet hydrogen i 1. periode og i 1.  IUPAC -gruppe .

Med en massefraktion på omkring 70%er hydrogen det mest almindelige kemiske element i universet, men ikke på jorden, hvor dens massefraktion af jordens masse kun er 0,87%.

Det meste af brintet på jorden er bundet i vand , forbindelsen med ilt , hvis masse er 11% hydrogen. Brint er bundet til andre elementer i alle planter og levende organismer, og elementet brint er også en bestanddel af næsten alle kemiske stoffer, som organisk kemi og biokemi vedrører.

Hydrogen er det kemiske element med den laveste atommasse . Dens mest almindelige isotop , også kendt som protium , indeholder ikke en neutron , men består kun af en proton og en elektron . Der er to hydrogenisotoper , hvoraf det ikke-radioaktive deuterium udgør 0,0156% af naturlig hydrogen, mens det radioaktive tritium, på grund af dets relativt korte halveringstid, kun forekommer i den øvre atmosfære, hvor den også er dannet.

Under betingelser, som normalt hersker på jorden (se normale forhold ), den gasformige element hydrogen ikke er til stede som atomart hydrogen med symbolet H, men som molekylært hydrogen med symbolet H ₂ , som en farveløs og lugtfri gas . Hvis z. B, hydrogen er nydannet under redoxreaktioner , elementet vises midlertidigt som H og omtales derefter som begyndende hydrogen . I denne reaktive form reagerer hydrogen særligt godt med andre forbindelser eller grundstoffer.

historie

Brint blev opdaget af den engelske kemiker og fysiker Henry Cavendish i 1766, da han eksperimenterede med metaller ( jern , zink og tin ) og syrer. Cavendish kaldte den resulterende gas på grund af dens antændelighed " brandfarlig luft " ( "brandfarlig luft" ). Han undersøgte gassen i detaljer og offentliggjorde sine fund. På lignende måde ( syrenes virkning på metaller) havde Théodore Turquet de Mayerne (omkring 1620) og Robert Boyle (omkring 1670) allerede produceret en gas, de kaldte oxyhydrogen i 1600 -tallet . En mere detaljeret analyse blev imidlertid kun udført af Antoine Laurent de Lavoisier , der erkendte, at forbrændingen af ​​gassen producerede vand og derfor kaldte den brændbare gas " hydrogène " ( latin hydrogenium : " vandgenererende stof", hvorfra "brint "for korte, fra oldgræsk) ὕδωρ hydor " vand "og -gen ) og gav det sit nuværende navn. Også Cavendish havde i mellemtiden anerkendt en observation af Joseph Priestley om , at forbrænding af brint producerer vand (kun offentliggjort i 1784). Lavoisier lærte om Cavendishs eksperimenter under et besøg af hans assistent Charles Blagden i 1783. Cavendish var tilhænger af phlogiston -teorien, og hans brint var en kandidat for ham til dette hypotetiske stof. Lavoisier viste imidlertid i opsigtsvækkende eksperimenter, at gassen var et uafhængigt element og en bestanddel af vand, som på det tidspunkt stadig blev anset for at være elementært ifølge den gamle fire-elementsteori . Lavoisier udførte også sine eksperimenter kvantitativt ved hjælp af bevarelse af masse postuleret af ham. Han ledte damp i et lukket apparat over glødende jernfilter og lod de dannede gasser kondensere andre steder . Han fandt ud af, at massen af ​​det kondenserede vand var lidt mindre end massen, der oprindeligt blev brugt. Til dette formål blev der skabt en gas, hvis masse sammen med forøgelsen af ​​vægten af ​​det oxiderede jern nøjagtigt svarede til den "tabte" mængde vand. Så hans egentlige eksperiment var vellykket.

Lavoisier undersøgte den resulterende gas yderligere og udførte det, der nu er kendt som oxyhydrogen -testen, som brændte gassen. Han kaldte det derfor i første omgang, ligesom Cavendish, som brændbar luft (på fransk i omvendt ord "luftantændelig"). Da han i yderligere forsøg viste, at der omvendt kan produceres vand fra gassen, døbte han det hydro-gène (græsk: hydro = vand; gener = generering). Ordet betyder derfor: "vandproducent". Det tyske navn antyder samme oprindelse af udtrykket.

Efter at ilt længe havde været ansvarlig for den sure karakter ifølge Lavoisier -skolen, ændrede dette sig, da Humphry Davy repræsenterede hydrogenchlorid i 1808 og beviste, at det ikke indeholdt ilt. Derefter blev det erkendt, at i stedet for ilt var hydrogen ansvarlig for den sure karakter.

Hændelse

Brint er det mest almindelige kemiske element i solen og de store gasplaneter Jupiter , Saturn , Uranus og Neptun , som kombinerer over 99,99% af solsystemets masse. Brint repræsenterer 75% af den samlede masse eller 93% af alle atomer i solsystemet. En endnu højere andel af brint antages at eksistere i hele universet (ignorerer mørkt stof ).

Forekomst i universet

Kort efter universets oprettelse var der kun protoner og neutroner (plus elektroner ) til stede efter den formodede ødelæggelse af antimaterialet ved et lille overskud af stof og kondensering af et kvark-gluonplasma til baryoner . Ved de herskende høje temperaturer kombinerede disse til at danne lette atomkerner, såsom ² H og ⁴ He. De fleste protoner forblev uændrede og repræsenterede de fremtidige ¹ H -kerner. Efter cirka 380.000 år var universets strålingstæthed blevet så lav, at hydrogenatomer simpelthen kunne dannes ved at fusionere kernerne med elektronerne, uden at en foton igen skulle rives en del.

Med den fortsatte afkøling af universet, under påvirkning af tyngdekraften og baseret på udsving i rumtætheden, dannede der sig gradvist skyer af hydrogengas, som i første omgang klyngede sig til store galakser og derefter til protostarer . Under det stigende tyngdekraftstryk kom endelig kernefusion ind , hvor hydrogen smelter for at danne helium. Sådan blev de første stjerner og senere solen til.

Stjerner består stort set af brintplasma . Den nukleare fusion af hydrogen ¹ H til helium ⁴ Han finder hovedsageligt sted via mellemproduktet stadier deuterium ² H og helium ³ Han eller via Bethe-Weizsäcker cyklus . Den frigivne energi er stjernernes energikilde. Hydrogenet i vores sol udgør størstedelen af ​​den samlede masse af vores solsystem.

Gasplaneterne består også stort set af brint. Under det ekstreme pres, der hersker på store dybder på de store gasplaneter Jupiter og Saturn , kan den eksistere i metallisk form . Denne "metalliske" kerne er elektrisk ledende og genererer formentlig gasplaneternes magnetfelt .

Uden for stjernesystemer forekommer der også brint i gasskyer. I de såkaldte HI-områder er elementet atomisk og ikke-ioniseret. Disse områder udsender stråling på omkring 1420 MHz, den såkaldte 21 cm-linje , også kendt som HI- eller brintlinjen, som kommer fra overgange i det samlede vinkelmoment. Det spiller en vigtig rolle i astronomi og bruges til at lokalisere og undersøge brintaflejringer i rummet.

Ioniserede gasskyer med atombrint kaldes derimod H-II-regioner . I disse områder udsender stjerner store mængder ioniserende stråling. Ved hjælp af H-II-områderne kan der drages konklusioner om sammensætningen af ​​det interstellare stof. På grund af atomernes konstante ionisering og rekombination udsender de nogle gange synlig stråling, der ofte er så stærk, at du kan se disse gasskyer med et lille teleskop.

Jordiske forekomster

Massefraktionen er meget lavere på jorden. I forhold til den samlede jordmasse er andelen cirka 0,03%. I modsætning til forekomster i rummet er det jordiske brint overvejende bundet og kun sjældent i ren form som en ublandet gas. Den mest kendte forbindelse er vand. Udover dette kan naturgasser som f.eks. B. metan og petroleum er vigtige hydrogenholdige forbindelser på jorden. Hydrogen findes også i mere end halvdelen af ​​alle hidtil kendte mineraler.

Det meste af brintet på jordoverfladen forekommer i det sammensatte vand. I denne form dækker den over to tredjedele af jordens overflade. De samlede vandressourcer på jorden udgør cirka 1,386 milliarder km ³ . Heraf er 1,338 milliarder km ³ (96,5%) saltvand i havene . De resterende 3,5% er ferskvand. Det meste af dette er i fast tilstand: i form af is i Arktis og Antarktis og i permafrosten , især i Sibirien . Den lille resterende del er flydende ferskvand og findes for det meste i søer og floder, men også i underjordiske aflejringer, såsom grundvand.

I jordens atmosfære er brint hovedsageligt til stede som gasformigt vand ( vanddamp ). Hvor meget vanddamp en luftenhedsvolumen indeholder afhænger ud over tilstedeværelsen af ​​vand af lufttemperaturen. F.eks. Kan luft ved en temperatur på 30 ° C absorbere op til en volumenfraktion på 4,2% vanddamp. Den relative luftfugtighed er derefter 100%, da vandets mætningstryk er nået.

Mængden af ​​molekylært brint i atmosfæren er kun 0,55  ppm . Denne lave andel kan forklares med molekylernes høje termiske hastighed og den høje andel ilt i atmosfæren. Ved den gennemsnitlige temperatur af atmosfæren, H ₂ partiklerne bevæger gennemsnit på næsten 2 km / s. Det er omkring en sjettedel af flugthastigheden på jorden. Men på grund af den Maxwell-Boltzmann fordelingen af hastighederne af H ₂ molekyler, er der stadig et betydeligt antal molekyler, der når undvigelseshastigheden. Imidlertid har molekylerne kun en ekstremt kort fri vej, så kun molekyler i de øverste lag af atmosfæren rent faktisk slipper ud. Mere H ₂ molekyler følger fra lagene nedenunder, og en vis andel undslipper igen indtil i sidste ende kun spor af elementet er tilbage i atmosfæren. Derudover forbrændes brintet i de nederste lag af atmosfæren for at danne vand gennem en fotoaktiveret reaktion med ilt. Hvis andelen er lille, er der en balance mellem forbrug og ny produktion (ved bakterier og fotonisk spaltning af vandet).

Udvinding

Molekylært brint

Små mængder hydrogen kan fremstilles i demonstrationstest gennem reaktioner af fortyndede syrer med basismetaller som f.eks B. zink kan opnås. Følgende gælder skematisk for reaktionen: Denne reaktion er en redoxreaktion, hvor zinket fungerer som et reduktionsmiddel og reducerer syrens protoner ved at frigive elektroner til dannelse af elementært brint, mens zinket efter frigivelse af elektronerne fungerer som kationisk zink med anionen danner syren et zinksalt . Hvis temperaturen øges under denne reaktion, eller hvis alkalimetaller anvendes som meget stærke reduktionsmidler i stedet for zink , dannes der allerede hydrogen med vand, som kun er en meget svag syre. Dette er også grunden til, at metalbrande aldrig må slukkes med vand, fordi det dannede brint derefter ville fungere som en brandforstærker.${\ displaystyle \ mathrm {verd {\ ddot {u}} nnte \ S {\ ddot {a}} ure \ + \ base \ metal \ \ rightarrow \ H_ {2} (g) + metalsalt}}$

Den vigtigste storskala proces til industriel produktion af molekylært brint er dampreform, udviklet omkring 1920 . I denne reaktion anvendes carbonhydrider, såsom methan og andre, som reduktionsmidler for vandets protoner under høj temperatur og højt tryk . Dette skaber i første omgang en såkaldt syntesegas , en blanding af kulilte og hydrogen. Det kvantitative forhold mellem reaktionsprodukterne kan derefter forbedres med den såkaldte vandgasforskydningsreaktion til fordel for hydrogen, men der dannes uønsket kuldioxid, og effektiviteten (naturgas til hydrogen) når kun omkring 60 til 70%.

I forbindelse med debatten om at undgå kuldioxid og strøm-til-gas- strategien bliver vandelektrolyse stadig vigtigere som en metode til produktion af brint. Ved vandelektrolyse nedbrydes vand i dets komponenter hydrogen og ilt i en elektrokemisk redoxreaktion ved tilsætning af elektrisk energi .

${\ displaystyle \ mathrm {2 \ H_ {2} O (l) \ _ {\ overretrow {\ text {Electrolysis}}} \ 2 \ H_ {2} (g) + O_ {2} (g)}}$

Vand opdeles i hydrogen og ilt af en elektrisk strøm.

Atomisk brint

Atomisk hydrogen kan genereres ved at levere dissociationsenergien fra det molekylære element. Metodisk opnås dette ved opvarmning til flere tusinde grader, elektrisk afladning ved høj strømtæthed og lavt tryk, udsættelse for ultraviolet lys , bombardement med elektroner ved 10 til 20 elektronvolt eller mikrobølgestråling . Atombrint (f.eks. På beholdervægge) reagerer imidlertid meget hurtigt igen for at danne molekylært brint. Der etableres en stabil tilstand , som normalt er langt på siden af ​​det molekylære brint.

${\ displaystyle \ mathrm {H_ {2} \ \ højre venstrepil \ 2 \, H} \ qquad \ Delta H_ {R} ^ {0} = 435 {,} 0 \ mathrm {\ kJ / mol}}$

Når der tilføres energi, dissocierer molekylært brint til dets atomform.

Woods repræsentationsmetode ( Robert Williams Wood , 1898) og Irving Langmuirs , Langmuir -faklen, er særligt velegnede til at repræsentere større mængder atombrint .

Fysiske egenskaber

Brint er elementet med den laveste densitet. Molekylært hydrogen (H ₂ ) er omkring 14,4 gange mindre tæt end luft. Flydende brint vejer 70,8 gram per liter. Dets smeltepunkt er 14,02 K (−259 ° C), kogepunktet er 21,15  K (−252 ° C). Hydrogen er dårligt opløseligt i vand og andre opløsningsmidler. For vand er opløseligheden 19,4 m l / l (1,6 mg / l) ved 20 ° C og normalt tryk. I modsætning hertil er opløseligheden (mere præcist maksimal volumenkoncentration ) i metaller betydeligt højere.

Nogle termodynamiske egenskaber (transportfænomener) skyldes den lave molekylvægt og den resulterende høje gennemsnitshastighed for brintmolekylerne (1770 m / s ved 25 ° C) er særlig vigtig (f.eks. In. Oberth -effekt - raketbrændstof ). Ved stuetemperatur har hydrogen den højeste diffusivitet , den højeste varmeledningsevne og den højeste effusionshastighed af alle gasser. Kun tre eller flere atomare reelle gasser, såsom n -butan, har en lavere viskositet .

Den mobilitet af hydrogen i en fast matrix er også meget høj på grund af den lille molekylære tværsnit. Hydrogen diffunderer gennem materialer som polyethylen og glødende kvartsglas . Et meget vigtigt fænomen er den ekstremt høje diffusionshastighed i jern, platin og nogle andre overgangsmetaller , da brintskørhed derefter forekommer der. I kombination med en høj opløselighed har nogle materialer ekstremt høje gennemtrængningshastigheder . Dette resulterer i tekniske anvendelser til hydrogenberigelse, men også tekniske problemer ved transport, opbevaring og forarbejdning af hydrogen og hydrogenblandinger, da kun hydrogen passerer gennem disse rumlige begrænsninger (se sikkerhedsinstruktioner ).

Hydrogen har et linjespektrum og, afhængigt af gasens temperatur, et mere eller mindre udtalt kontinuerligt spektrum i det synlige område. Sidstnævnte er især udtalt i solspektret. De første spektrale linjer i det synlige område, opsummeret i den såkaldte Balmer-serie , er ved 656 nm , 486 nm, 434 nm og 410 nm. Der er også andre serier af spektrale linjer i den infrarøde ( Paschen-serien , Brackett-serien og Pfund -serien ) og en i det ultraviolette område ( Lyman -serien ) i det elektromagnetiske spektrum . En særlig betydning i radioastronomien har 21-centimeters linje (HI-linje) i den hyperfine struktur .

I et magnetfelt , H ₂ opfører sig meget svagt diamagnetically . Dette betyder, at tætheden af ​​feltlinjerne for et eksternt påført magnetfelt falder i prøven. Den magnetiske modtagelighed er ved standardtryk = −2,2 · 10 ⁻⁹ og typisk et par størrelsesordener under diamagnetiske faste stoffer. ${\ displaystyle \ chi _ {m}}$

I forhold til elektricitet er H ₂ en isolator. I et elektrisk felt har den en dielektrisk styrke på flere millioner volt pr. Meter.

Atomradius af brint blev bestemt til at være 37 pikometer . I meget ophidsede hydrogenatomer, se Rydberg -tilstand , da de forekommer under vakuumforholdene i interstellare tåger, deres elektroner flyver på baner med atomradier på op til 0,339 millimeter.

Hydrogengas har et globalt opvarmningspotentiale på 6.

Fysiske tilstande

Ved temperaturer under 21,15 K (-252 ° C) kondenserer hydrogen til en klar, farveløs væske. Denne tilstand forkortes som LH ₂ (engelsk væske , "væske"). Under 14,02 K (-259,2  ° C ) danner hydrogen et krystallinsk fast stof med en sekskantet tæt pakning af kugler  (hcp), der er hvert molekyle omgivet af tolv mere. Ved frysepunktet dannes en slamlignende tofaset blanding, en såkaldt slush, når den afkøles .

I modsætning til helium , når simpelt hydrogen (  ¹ H) flydende, forekommer der ingen superfluiditet ; i princippet kan isotopen deuterium (  ² H) imidlertid blive overflødig.

Det tredobbelte brintpunkt, hvor dets tre fysiske tilstande optræder samtidigt, er et af de faste punkter på den internationale temperaturskala . Det er ved en temperatur på nøjagtigt 13,8033 K og et tryk på 7,042 kPa. Den kritiske punkt er 33,18 K og 13,0 bar, den kritiske tæthed er 0,03012 g / cm ³ (den laveste kritiske tæthed af alle elementer).

Under ekstreme tryk som dem, der findes inde i gasplaneter , metallisk brint , dvs. H. i metallisk form. Derved bliver den elektrisk ledende (se ledningstape ).

Atomiske og nukleare fysiske egenskaber

Et enkelt hydrogenatom består af en positivt ladet kerne og en negativt ladet elektron, der er bundet til kernen via Coulomb -interaktionen . Denne består altid af en enkelt proton (hovedisotop ¹ H) og sjældnere, afhængigt af isotopen, en eller to yderligere neutroner ( ² H eller ³ H isotop ). Den hydrogenatom ¹ H spillede grund af sin enkle konstruktion i udviklingen af atomfysikken som en "model atom" en fremtrædende rolle.

I 1913 gav resultaterne af undersøgelser af brint anledning til Bohrs atommodel , ved hjælp af hvilken en forholdsvis enkel beskrivelse af mange egenskaber ved brintatomet er mulig. Man forestiller sig, at elektronen kredser om kernen på en bestemt cirkulær vej. Ifølge Bohr kan elektronen også hoppe til andre veje, der er præcist defineret i en afstand fra kernen, herunder dem længere ude, hvis den nødvendige energi tilføres den (f.eks. Gennem påvirkninger i den opvarmede gas eller i den elektriske gasudladning ). Når man hopper tilbage fra en ydre til en indre vej, udsendes en elektromagnetisk stråling eller bølge med en bestemt bølgelængde svarende til den frigivne energi . Denne model kan bruges til at forklare H -atomets spektrale linjer, der ligger i synligt lys ved bølgelængder på 656 nm, 486 nm, 434 nm og 410 nm ( Balmer -serien ); Lyman -serien er i det ultraviolette område med bølgelængder på 122 nm, 103 nm, 97 nm og 95 nm. Vigtige serier i den infrarøde er Paschen -serien (1,9  µm ; 1,3 µm; 1,1 µm og 1 µm)) og Brackett -serien (4,1 µm; 2,6 µm; 2,2 µm og 1,9 µm) (kun de første fire linjer er vist her i alle serier). Bohrs model er imidlertid ikke tilstrækkelig til at overveje detaljer og andre atomer til at forklare de observerede eller målte fænomener.

Fysisk mere korrekt er den kvantemekaniske beskrivelse, som tilskriver elektronisk rumorienterede atomorbitaler i stedet for de flade Bohr -baner . H-atomet er det eneste, for hvilket egenværdiproblemet med både den ikke-relativistiske Schrödinger-ligning og den relativistiske Dirac-ligning kan løses analytisk, dvs. uden brug af numeriske metoder . Ellers er dette kun muligt for de også omfattende undersøgte hydrogenlignende ioner, som kun har én elektron tilbage (He ⁺ , Li ²⁺ osv. Op til U ⁹¹⁺ ).

Andre kvantemekaniske fænomener forårsager yderligere virkninger. De spektrale linjers fine struktur kommer blandt andet. Derfor orbital vinkelmoment og spin af elektronparret med hinanden. Hvis man også tager hensyn til det nukleare spin , når man frem til den hyperfine struktur . En meget lille, men fysisk særligt interessant korrektion er lammeskiftet på grund af elektromagnetiske vakuumudsving . Med alle disse korrektioner bliver spektret af brint allerede et komplekst fænomen, hvis forståelse kræver en stor teoretisk viden inden for kvantemekanik og kvanteelektrodynamik.

Kernespin anfører i H ₂ -molekylet

Under normale forhold, hydrogengas H _{2 er} en blanding af molekyler i fire nukleare spin-tilstande, som adskiller sig fra hinanden ved symmetrien i deres kernespin . De kan yderligere differentieres til to former for brint, som omtales som ortho og para hydrogen (o og p hydrogen for kort). Med o-hydrogen har atomspinerne en symmetrisk konfiguration, mens de med p-hydrogen har en antisymmetrisk tilstand. o-Hydrogen er den mere energiske form. De to molekylære tilstande kan fusionere ind i hinanden, mens de absorberer eller frigiver energi.

Kun p-hydrogen findes ved absolut nul . Da der kun er en centrifugeringstilstand for antiparallelle nukleare spins (totalt spin -kvantetal S = 0), men tre tilstande med forskellige orienteringer i rummet til parallelle atomspin (S = 1), har man på den anden side ikke for koldt brint gas (ca. T> 200 K) im Equilibrium et forhold mellem para / ortho hydrogen på næsten nøjagtigt 1: 3. Endvidere kan andelen af ​​o-formen i den termodynamiske ligevægt ikke øges.

I ren gas tager ligevægt måneder ved lave temperaturer, fordi interaktionerne mellem kernerne og skallen er ekstremt svage. I disse tider er der praktisk talt en blanding af to forskellige gasser. På trods af den samme kemiske sammensætning H ₂ , de selv adskiller makroskopisk grund af den klart forskellige temperaturprofilen for specifikke varme . Bortset fra dette er de fysiske egenskaber ved o- og p-hydrogen kun lidt forskellige. F.eks. Er p-formens smelte- og kogepunkter ca. 0,1 K under o-formens.

I den industrielle produktion af flydende brint spiller overgangen mellem o- og p-brint en vigtig rolle, for ved kondenseringstemperaturen tenderer ligevægten allerede stærkt mod p-formen og etableres derefter hurtigt senest i flydende tilstand. For at den frigivne varme ikke umiddelbart tillader en del af den genvundne væske at fordampe igen, accelereres indstillingen af ​​den nye ligevægt selv i gasform ved hjælp af katalysatorer .

Kemiske egenskaber

særegenheder

I det periodiske system er brint i hovedgruppe I, fordi det har 1 valenselektron . Ligesom alkalimetallerne også findes der, har det oxidationstallet +1 i mange forbindelser . Imidlertid er dens valenselektron på K -skallen, som kun kan have maksimalt 2 elektroner, og dermed opnås ædelgaskonfigurationen allerede med 2 elektroner og ikke med 8, som med de andre skaller.

Ved at absorbere en elektron fra meget uædle metaller kan hydrogen nå ædelgaskonfigurationen af ​​helium og derefter have oxidationstallet -1 . Disse forbindelser har en halogenidkarakter og kaldes hydrider .

Denne position quasi "i midten" mellem to ædelgaskonfigurationer, hvor den kan acceptere eller frigive det samme antal elektroner, er en egenskab, der ligner den fjerde hovedgruppe, hvilket forklarer dens elektronegativitet , som mere ligner den for det også "i midten" stående carbon end lithium .

På grund af denne "moderate" elektronegativitet er hydrogenbindinger, der er typiske for hovedgruppe I i oxidationstallet +1, ikke ioniske bindinger som i tilfælde af alkalimetaller, men kovalente molekylære bindinger.

Sammenfattende er hydrogens egenskaber atypiske for hovedgruppe I, da det faktum, at K -skallen kun kan acceptere 2 elektroner, også tilføjer egenskaber for andre grupper.

Molekylært brint

Ved antændelse reagerer brint voldsomt med ilt og chlor , men er ellers forholdsvis stabilt og ikke særlig reaktivt. Ved høje temperaturer bliver gassen reaktiv og danner forbindelser med både metaller og ikke-metaller.

Hydrogen reagerer eksotermt med chlor for at danne gasformigt hydrogenchlorid, der , når det opløses i vand, giver saltsyre . Begge gasser reagerer med de samme mængder stof :

${\ displaystyle \ mathrm {Cl_ {2} (g) + H_ {2} (g) \ højrepil 2 \; HCl (g)}}$

Ét chlor og et brintmolekyle reagerer hver for at danne to hydrogenchloridmolekyler

Denne reaktion er kendt under navnet chlor -detonerende gasreaktion , som kan antændes ved udsættelse for lys. En tænding er påkrævet for oxyhydrogenreaktionen (hydrogen og oxygen).

${\ displaystyle \ mathrm {O_ {2} (g) +2 \; H_ {2} (g) \ højrepil 2 \; H_ {2} O (g)}}$

Ét ilt og to brintmolekyler reagerer hver for at danne to vandmolekyler

Den mest aggressive reaktion ved lave temperaturer er imidlertid hydrogen med fluor . Hvis hydrogengas føres til frosset fluor ved -200 ° C, reagerer de to stoffer eksplosivt med hinanden.

${\ displaystyle \ mathrm {F_ {2} (s) + H_ {2} (g) \ højrepil 2 \; HF (g)}}$

Ét fluor og et brintmolekyle reagerer hver for at danne to hydrogenfluoridmolekyler

Hvis det molekylære brint er ioniseret, taler man om dihydrogenkationen . Denne partikel forekommer z. B. ved lavtemperatur plasmaudladninger i brint som en almindelig ion.

${\ displaystyle \ mathrm {H_ {2} + e ^ {-} \ rightarrow H_ {2} ^ { +} + 2 \; e ^ {-}}}$

Ionisering med en hurtig elektron i plasmaet

Nitent brint

Brint i statu nascendi , d. H. i dannelsestilstand umiddelbart efter en hydrogengenererende reaktion, eksisterer i brøkdele af et sekund i form af de individuelle, meget reaktive H-atomer. Hvert andet af atomerne reagerer derefter for at danne molekylet, som dog stadig er i en ophidset tilstand i kort tid efter fusionen . I modsætning til den "normale" kemiske adfærd kan begyndende brint forårsage forskellige reaktioner, der ikke er mulige med molekylært brint.

For eksempel er det ikke muligt at anvende hydrogengas, der genereres i Kipps apparat, i en forsuret, violet kaliumpermanganatopløsning (KMnO ₄ ) eller gul kaliumdichromatopløsning (K ₂ Cr ₂ O ₇ ) for at bevirke farveændringen, der angiver reduktionen . Denne reduktive farveændring opnås med hydrogen i statu nascendi genereret direkte i disse opløsninger ved tilsætning af zinkpulver .

${\ displaystyle \ mathrm {MnO_ {4} ^ {-} + 8 \ H ^ { +} + 5 \ H \ højrepil Mn ^ {2 +} + 4 \ H_ {2} O + 5 \ H ^ { +} }}$

Under sure betingelser kan gryende hydrogen misfarve lilla permanganatopløsning.

${\ displaystyle \ mathrm {Cr_ {2} O_ {7} ^ {2 -} + 14 \ H ^ { +} + 6 \ H \ højrepil 2 \ Cr ^ {3 +} + 7 \ H_ {2} O + 6 \ H ^ {+}}}$

Under sure forhold bliver den gule dichromatopløsning grøn på grund af den reducerende virkning af det begyndende hydrogen.

Atomisk brint

For at nedbryde molekylært brint til atomer skal der bruges energi på omkring 4,5  eV pr. Molekyle, eller mere præcist 436,22  kJ / mol (kemikeren taler om entalpi ); når de kombineres til dannelse af brintmolekyler (H ₂  ), frigives denne energi igen:

${\ displaystyle \ mathrm {2 \ H \ \ \ højre venstrepil H_ {2}} \ qquad \ Delta H_ {R} ^ {0} = - 436 {,} 22 \ \ mathrm {kJ / mol}}$

To H-atomer reagerer til dannelse af en H ₂ molekyle og frigiver energi i processen.

Under normale forhold er ligevægten for denne reaktion fuldstændig på højre side af den viste ligning, fordi atombrint reagerer meget hurtigt (f.eks. På beholdervægge) og stærkt eksotermisk over for molekylært brint (eller med andre reaktanter, hvis sådanne er i i nærheden).

Denne reaktion bruges ved Arcatom -svejsning .

Molekylært brint er også normalt til stede i rummet ved lave temperaturer. I nærheden af ​​varme stjerner opdeles molekylært brint imidlertid af deres stråling, så atomformen dominerer der. Dette er meget reaktivt og danner hurtigt nye forbindelser, især med andre hydrogenatomer, som imidlertid også splittes igen af ​​strålingen. Se også H-II område .

Bemærk: Brint i stjerner findes ikke kun i atomform, men også som plasma : Elektronerne er mere eller mindre adskilt fra protonerne som følge af de høje temperaturer, der hersker der, afhængigt af temperaturen. Solens overflade har imidlertid kun en temperatur på omkring 6000 ° C. Ved denne temperatur er det meste af hydrogenet stadig ikke-ioniseret og endda molekylært, dvs. H. ligevægten er langt på siden af ​​molekylært brint. Den termiske energi ved 6000 ° C er langt under energien på 4,5 eV, der er nødvendig for at bryde den molekylære binding. Solen er dog meget varmere i coronaen med mindst en million Kelvin. Derfor kan elektronernes overgange i atomært brint ses i sollys. Kemiske forbindelser kan næppe dannes ved så høje temperaturer og nedbrydes med det samme.

Hydrogenbinding

En vigtig egenskab ved brint er den såkaldte hydrogenbinding , en attraktiv elektrostatisk kraft mellem to molekyler. Hvis hydrogen er bundet til et stærkt elektronegativt atom, såsom fluor eller ilt, så er dets elektron tættere på bindingspartneren. Så der er et ladningsskift, og H -atomet virker nu positivt polariseret. Tilknytningspartneren har en tilsvarende negativ effekt. Hvis to sådanne molekyler kommer tæt nok på, opstår der en attraktiv elektrisk kraft mellem det positive H -atom i et molekyle og den negative del af den respektive partner. Det er en hydrogenbinding.

Da hydrogenbindingen med kun 17 kJ / mol til 167 kJ / mol er svagere end bindingskraften i et molekyle, bindes molekylerne ikke permanent. Brintbroen varer snarere kun i en brøkdel af et sekund på grund af konstant bevægelse . Derefter brydes molekylerne fra hinanden til hydrogenbinding igen med et andet molekyle. Denne proces gentager sig igen og igen.

Hydrogenbindingen er ansvarlig for mange egenskaber ved forskellige forbindelser, såsom DNA eller vand . I sidstnævnte fører disse bindinger til vandets anomalier , især densitetsanomalien .

Deuterium og tritium

Der er tre naturligt forekommende isotoper af brint. Af alle elementerne adskiller hydrogen isotoper sig tydeligst fra hinanden med hensyn til deres kemiske reaktivitet. Dette skyldes den forholdsvis store forskel i atommasse ( Deuterium ² H to gange, Tritium ³ H tre gange så tung som hydrogen ¹ H).

isotop	Efternavn	symbol	ejendomme
1 H.	Protium	H	Den enkleste hydrogenisotop 1 H har kun én proton i kernen og kaldes derfor undertiden protium. Med en relativ frekvens på 99,98%har den langt den største andel af brintet, der forekommer på jorden. Det er ikke radioaktivt , så det er stabilt.
2 H	deuterium	D.	Udover protonen har isotopen 2 H en neutron i sin kerne. Det er kendt som deuterium. For deuterium er der D som et separat element -symbol . Det bruges f.eks. B. som en bestanddel af opløsningsmidler for 1 H-NMR-spektroskopi, idet den giver ikke nogen forstyrrende sekundær signal. Det udgør 0,015% af alle brintatomer. Deuterium er også stabilt.
3 H.	Tritium	T	Tritium er den tredje naturligt forekommende isotop af brint. Det udgør imidlertid kun en ubetydelig del af det samlede naturligt forekommende brint. Tritium har to neutroner og er markeret med 3 H eller T. Tritium er radioaktivt og nedbrydes til 3 He gennem beta -henfald (β - ) med en halveringstid på 12,32 år . Tritium dannes kontinuerligt som et kosmogent radionuklid ved atomreaktioner i den øvre atmosfære . Med en balance mellem naturlig produktion og forfald er der ifølge kilden en opgørelse på 3,5 kg på jorden. Tritium kan påvises i overfladevand og i levende ting.
4 H, 5 H, 6 H, 7 H			Seneste bevis. Alle isotoper har meget korte levetider (< 10-21  s).

Isotoper, der ligner brint

Ved at inkludere muoner , negativt ladede ustabile elementarpartikler med omkring 10% af massen af ​​en proton, kan eksotiske kortlivede strukturer skabes, der opfører sig kemisk som et hydrogenatom. Da muoner sjældent forekommer naturligt, og deres levetid kun er 2 µs, produceres sådanne hydrogenisotoper kunstigt ved partikelacceleratorer .

Den muonium består af en elektron og en positivt ladet antimyon , som tager sig rollen som protonen (dvs. atomkernen). På grund af sit atomnummer på 1 e er muonium kemisk hydrogen. På grund af den lave atommasse på 0,1 u (1/10 af H) er isotopeffekter særligt udtalte i kemiske reaktioner, så teorier om reaktionsmekanismer godt kan kontrolleres.

Et eksotisk brint med en masse på 4,1 u dannes, når en af ​​elektronerne i et ⁴ He -atom erstattes af en muon . På grund af sin meget højere masse sammenlignet med elektronen er muonen placeret tæt på He -kernen og beskytter den ene af de to elementære ladninger i kernen. Tilsammen danner He -kernen og muonen effektivt en kerne med en masse på 4,1 u og en ladning på 1 e, så det er kemisk hydrogen.

brug

Hvert år ekstraheres mere end 600 milliarder kubikmeter brint (omkring 30 millioner t) til utallige anvendelser inden for industri og teknologi. Vigtige anvendelsesområder er:

• Energibærer : Ved svejsning, som raketbrændstof . Dets anvendelse som brændstof til jetmotorer , i brintforbrændingsmotorer eller via brændselsceller forventes at kunne erstatte brugen af ​​olieprodukter i en overskuelig fremtid (se brintdrev ), fordi forbrændingen primært producerer vand, men ingen sod og ingen kuldioxid . I modsætning til olie er hydrogen imidlertid ikke en primær energi .
• Hydrogenering af kul : Gennem forskellige kemiske reaktioner omdannes kultil væskeformige carbonhydrider med H ₂ . På denne måde kan benzin , diesel og fyringsolie fremstilles kunstigt.

I øjeblikket er begge de ovennævnte processer endnu ikke af økonomisk betydning på grund af deres højere omkostninger. Men det kan ændre sig drastisk, så snart jordens olieforsyninger løber tør.

• Reduktionsmiddel : H ₂ kan reagere med metaloxider og derved fratage dem oxygen. Resultatet er vand og det reducerede metal. Fremgangsmåden bruges til smeltning af metalliske malme , især til at ekstrahere metaller så rene som muligt.
• Ammoniakproduktion : Haber-Bosch-processen bruges til atproducere ammoniakfra nitrogen og brint og bruge den til at producere vigtig gødning og sprængstof.
• Fedthærdning : Hærdet fedt opnås fra vegetabilsk olie ved hjælp af hydrogenering . Dobbeltbindinger i umættede fedtsyrerester af glyceriderne er mættet med hydrogen. De resulterende fedtstoffer har et højere smeltepunkt, hvilket gør produktet fast. Sådan laver du margarine . Transfedtstoffer , som ersundhedsskadelige, kan også opstå som et biprodukt.
• Fødevaretilsætningsstof : Hydrogen er godkendt som E 949 og bruges som drivmiddel, pakkegas osv.
• Kølevæske : På grund af sin høje varmekapacitet bruges (gasformigt) brint i kraftværker, og turbo -generatorerne bruges der som kølevæske. Især H ₂ anvendes, hvor væskekøling kan være problematisk. Varmekapaciteten spiller ind, hvor gassen ikke kan cirkulere eller kun kan cirkulere langsomt. Fordi varmeledningsevne er også høj, strømmer H _{er 2} også anvendes til at transportere varmeenergi i store reservoirer (fx floder). I disse applikationer beskytter brint systemerne mod overophedning og øger effektiviteten. Fordelen her er, at brint på grund af dets lave densitet, som er inkluderet i Reynolds -tallet, flyder på en laminær måde op til højere hastigheder med lille modstand end andre gasser.
• Kryogen : På grund af sin høje varmekapacitet og lave kogepunkt er flydende hydrogen egnet som kryogen, dvs. som kølevæske ved ekstremt lave temperaturer. Endnu større varmemængder kan absorberes godt af flydende brint, før der sker en mærkbar stigning i dens temperatur. På denne måde opretholdes den lave temperatur selv ved ydre udsving.
• Bæregas :Hydrogen blev først brugti balloner og luftskibe . Men på grund af det,højbrændbarhed af H ₂ -Air blandinger, dette gentagne gange ført til ulykker. Den største katastrofe i denne sammenhæng er sandsynligvis "Dixmude" -katastrofen i1923, den mest kendte var bestemt "Hindenburg -katastrofen" i 1937. Hydrogen som løftegas er i mellemtiden blevet erstattet af helium og opfylder kun dette formål i helt særlige anvendelser.

De to naturlige isotoper har særlige anvendelsesområder.

Deuterium bruges (i form af tungt vand ) i tungtvandsreaktorer som moderator , dvs. H. at bremse de hurtige neutroner, der produceres under nuklear fission til termisk hastighed.

Deutererede opløsningsmidler bruges i nuklear magnetisk resonansspektroskopi, fordi deuterium har et nuklear spin på en og ikke er synligt i NMR -spektret for den normale brintisotop.

I kemi og biologi hjælper deuteriumforbindelser med at undersøge reaktionsprocesser og metaboliske veje ( isotopmarkering ), da forbindelser med deuterium normalt opfører sig næsten identisk, kemisk og biokemisk som de tilsvarende forbindelser med hydrogen. Mærkningen forstyrrer ikke reaktionerne, men deuteriumets opholdssted kan stadig bestemmes i slutprodukterne.

Desuden sikrer den betydelige forskel i masse mellem hydrogen og deuterium en klar isotopeffekt i de masseafhængige egenskaber. Så det har tungt vand et målbart højere kogepunkt end vand.

Den radioaktive isotop tritium produceres i atomreaktorer i mængder, der kan bruges industrielt. Udover deuterium er det også et udgangsmateriale til kernefusion til dannelse af helium. I civil brug bruges den som en radioaktiv markør i biologi og medicin. På denne måde kan for eksempel tumorceller spores. I fysikken er det på den ene side selv et genstand for forskning; på den anden side undersøges tunge kerner med stærkt accelererede tritiumkerner eller der produceres kunstige isotoper.

Ved hjælp af tritium -metoden kan vandprøver dateres meget præcist. Med en halveringstid på omkring tolv år er den særligt velegnet til måling af relativt korte tidsperioder (op til et par hundrede år). Blandt andet kan en vins alder bestemmes på denne måde.

Det bruges som en langvarig, pålidelig energikilde til lysende farver (blandet med et fluorescerende farvestof ), især i militære applikationer, men også i armbåndsure. Isotopen bruges også til militære formål i brintbomben og visse versioner af atomvåben , hvis virkning er baseret på fission.

Brint som energilager

Brint betragtes som fremtidens energibærer.

Produktion af brint

(→ Se også hovedartikel: Hydrogenproduktion )

Som energibærer er hydrogen - ligesom elektrisk energi - ikke en primær energi , men skal fremstilles af primær energi som elektricitet .

Såkaldt grønt brint som energibærer forårsager ikke kuldioxid, hvis det opnås med vedvarende energi, såsom vindenergi eller solenergi . Også biobrint forårsager ikke kuldioxid i nettobalancen, og grønt brint genereres endda helt kulstof. I øjeblikket (2019) produceres imidlertid brint næsten udelukkende fra fossil primær energi, hovedsageligt gennem reform af naturgas .

Produktion ved vandelektrolyse med for meget vedvarende elektricitet, ofte begunstiget under slagordet " strøm til gas ", betragtes som relativt ineffektiv og økonomisk ikke konkurrencedygtig sammenlignet med reformering af naturgas, fordi eloverskuddet er tilstrækkeligt billigt med en effektivitet på knap mere end 60% kan faktisk kun bruges et par timer om året og med så lav en udnyttelse kan den nødvendige systemteknologi kun finansieres med høje tilskud til forsknings- og pilotsystemer . Dette kan kun ændre sig, hvis en fremtidig elforsyning, der er blevet konverteret til en overvejende regenerativ strømforsyning, giver betydeligt flere overskud, der ikke kan bruges på anden måde, eller hvis naturgas som råmateriale bliver dyrere end regenerativ elproduktion eller er underlagt en tilsvarende høj CO ₂ -emission .

(→ Se også afsnit: Teknologier til brintproduktion)

Opbevaring af brint

(→ Se også hovedartikel: Hydrogenlagring )

Brint indeholder mere energi pr. Masse end noget andet brændstof: 141,8 MJ / kg ≈ 39,39 kWh / kg brændværdi. Det betyder, at 1 kg brint svarer til 3,3 kg benzin. Energiindholdet pr. Volumen er derimod relativt lavt og når selv i flydende tilstand kun 10 MJ / L ≈ 2,79 kWh / L, hvilket kun er 31% af energien pr. Liter benzin. Brint kræver derfor store og tunge tanke.

De tekniske problemer forbundet med lagring af brint stammer primært fra dets høje damptryk , dets lave kogepunkt og den høje tendens til at diffundere . Processer såsom opbevaring under tryk og flydende hydrogen og opbevaring i metalhydrider er til kommerciel anvendelse. Andre processer er stadig i udviklings- eller grundforskningsfasen . (→ Se også afsnit: Hydrogenlagringsteknologier)

Følgende opbevaringsmetoder bruges:

• Opbevaring som kryogen, flydende hydrogen i vakuumisolerede beholdere (14,12 L / kg ved 20 K ≈ −253 ° C); højest mulige lagertæthed, flydende energikrævende. Noget gas slipper konstant ud.

• Opbevaring af gasformigt brint i højtryksbeholdere (55 L / kg ved 200 bar til 25 L / kg ved 700 bar, 15 ° C); ingen køling eller termisk isolering nødvendig, diffusionstab kan forekomme.

• Opbevaring af hydrogen ved lavere tryk, bundet i metalhydrider , carbon nanorør eller flydende organiske brintbærere (LOHC); højere sikkerhed, forenklet håndtering. En 200 kg tank kan kun opbevare omkring 2 kg brint (svarer til ca. 9 liter benzin). Brintet skal delvist frigives fra bindingen ved at levere varme for at kunne udnytte hele kapaciteten.

I 2010 holdt f.eks. Højtryksbeholdere af kulfiberforstærket plast til op til 800 bar 125 liter brint ved et nominelt tryk på 700 bar og vejede omkring 125 kg.

Brandbelastning og eksplosionsfare

Lokal opvarmning af en trykbeholder under påvirkning af driftstrykket kan føre til lokal mekanisk fejl, dvs. lokal perforering af tankvæggen. Hydrogengas, der slipper ud her, kan generere ladningsseparation, dvs. elektrostatisk ladning , hvis udladningsgnister kan antænde en brandfarlig hydrogen-luftblanding. Andre antændelseskilder er også relevante. Forbrændingen - uden for tanken - kan være eksplosiv eller som en flamme.

Som et resultat af den samlede opvarmning af tryktanken og dens indhold stiger det indre tryk nogenlunde proportionalt med den absolutte temperatur, indtil tanken brister ved sprængtrykket . Arbejdsgruppen for lederne af de professionelle brandvæsener antager med brintdrevne køretøjer "[...] at på grund af det høje containersikkerhedsniveau kan der slukkes en brand, inden den komprimerede gasbeholder brister." Fragmenter tanken så dele af tankvæggen flyver væk fra hinanden. Tanke fremstillet af fiberkompositmateriale (kompositter, type 2 til 4) er konstrueret på en sådan måde, at de i tilfælde af et brist kun rives op, men forbliver forbundet. En sikkerhedsventil bør reagere før bursttrykket og frigive gas for at reducere trykket.

En tankventil kan også gå i stykker. Hvis der derefter strømmer gas ud under højt tryk, oplever trykbeholderen en langvarig rekyl, som kan fremskynde en usikret beholder til høj hastighed.

Ved større mængder i lukkede rum (f.eks. Ved brand i en garage) er det imidlertid tænkeligt , at der dannes en eksplosiv luftblanding fra en volumenfraktion på 4%.

I tilfælde af tanklækage spredes benzin under tyngdekraften på jorden eller på overfladen af ​​en vandmasse; benzindamp er også tungere end luft og forbliver mere koncentreret nær jorden, selvom vinden bærer dampen . Benzin og dens damp kan løbe ned i afløb eller lavere gulve. Lækket brint, på den anden side, stræber opad i luften på grund af dets opdrift . Højst ophobes det under loftet i et lukket, overdækket rum eller strømmer gennem udsugningsluftskorstene. I lukkede rum er der større sandsynlighed for at en eksplosiv hydrogen -luft -blanding dannes - fra en volumenfraktion på 4% - end i det fri. Indførsel af biler med lagret brint i underjordiske garager er forbudt i Bremen, Saarland og på grund af synlige restriktioner pålagt af operatøren.

Med en lav lagerkapacitet på maksimalt 5 kg brint med en brændværdi på ca. 600 MJoules , hvilket er typisk for brændselscellebiler , er brandbelastningen lavere end 20 liter benzin.

Energitæthed i sammenligning

Brændværdier relateret til massen

brændstof	Brændværdi / masse	massefylde	Brændværdi / vol	brændværdi
brint	39,39 kWh / kg = 141,8 MJ / kg	0,090 kg / m³	03,54 kWh / m³ = 12,7 MJ / m³	≈ 85% ≙ 03 kWh / m³ = 11 MJ / m³
Methan CH 4	13,9 0kWh / kg = 050 , 0MJ / kg	0,72 0kg / m³	10 , 00kWh / m³ = 36 , 0MJ / m³	≈ 90% ≙ 09 kWh / m³ = 32 MJ / m³
Naturgas "H"	13,9 0kWh / kg = 050 , 0MJ / kg	0,80 0kg / m³	11,1 0kWh / m³ = 40 , 0MJ / m³	≈ 90% ≙ 10 kWh / m³ = 36 MJ / m³
diesel	12,5 0kWh / kg = 045 , 0MJ / kg	0,83 0kg / l	10,5 0kWh / L = 37,8 MJ / L.	≈ 94% ≙ 09,8 0kWh / L = 35 MJ / L.
benzin	12,0 0kWh / kg = 043 , 0MJ / kg	0,75 0kg / l	09,0 0kWh / L = 32,4 MJ / L.	≈ 94% ≙ 08,5 0kWh / L = 31 MJ / L.

Med hensyn til volumen:

• Hydrogen (flydende, dvs. kryogen): 2360 kWh / m³
• Benzin: 8760 kWh / m³
• Naturgas (20 MPa = 200 bar): 2580 kWh / m³
• Hydrogengas (20 MPa): 530 kWh / m³
• Hydrogengas (normalt tryk): 3 kWh / m³

Kernefusion

Kort efter atomfysikkens begyndelse i første kvartal af det 20. århundrede blev fysikernes opmærksomhed tiltrukket energiproduktionen. Ud over nuklear fission blev måden at fusionere kernerne, kendt som atomfusion, undersøgt. De første reaktioner, der findes, er proton-protonreaktionerne , hvor brintkerner fusionerer direkte til dannelse af helium. Det kan i høj grad forklare energiproduktionen i lette stjerner som vores sol. Mellem 1937 og 1939 udviklede Hans Bethe og Carl Friedrich von Weizsäcker en teori om atomfusion i meget tunge stjerner, Bethe-Weizsäcker-cyklussen opkaldt efter dem . Brint spiller den dominerende rolle i energiproduktionen. Det smelter imidlertid ikke direkte til dannelse af helium, men smelter i forskellige reaktioner med kulstof, nitrogen og ilt. I slutningen af ​​cyklussen produceres helium; de andre elementer fungerer som katalysatorer.

Under den kolde krig udvidede stormagterne deres atomarsenaler. USA var den første til at tage skridt mod fusionsproteiner våben: baseret på atombomben , som stammer sin energi fra nuklear fission , amerikanske forskere under Edward Teller konstrueret den brintbombe . I den frigiver atomfusion et multiplum af energien fra en uranbombe. I 1952 testede USA den første brintbombe på en lille ø i Stillehavet. Brændstof var ikke brint, men isotopen deuterium . De vigtigste atomreaktioner, der fandt sted i bomben, var:

${\ displaystyle \ mathrm {D + D \ rightarrow \, ^ {3} He + n + 3 {,} 2689 \, MeV}}$

${\ displaystyle \ mathrm {D + D \ højrepil T + p + 4 {,} 0327 \, MeV}}$

Det resulterende tritium og helium -3 kan reagere yderligere:

${\ displaystyle \ mathrm {T + D \ rightarrow \, ^ {4} He + n + 17 {,} 588 \, MeV}}$

${\ displaystyle \ mathrm {\, ^ {3} He + D \ rightarrow \, ^ {4} He + p + 18 {,} 353 \, MeV}}$

I alt skabes en heliumkerne samt en neutron og en proton ud fra tre deuteroner.

Da deuterium, ligesom brint, er svært at opbevare, bruger de fleste fusionsvåben nu lithiumdeuterid (LiD) som brændstof. De neutroner, der produceres i deuteriums primære reaktion, producerer tritium fra lithium:

${\ displaystyle \ mathrm {n + \, ^ {6} Li \ rightarrow \, ^ {4} He + T}}$

${\ displaystyle \ mathrm {n + \, ^ {7} Li \ rightarrow \, ^ {4} He + T + n}}$

Neutronbombardementet af lithium producerer helium og fusionsbrændstoffet tritium.

Reaktionen med lithium-6 frigiver også energi, mens reaktionen med lithium-7 forbruger energi, men genererer en neutron igen, som er tilgængelig til yderligere tritiumproduktion.

Fysikere forsker også i fredelig brug af atomfusion til energiproduktion. Forsøg på at lade reaktionen forløbe kontrolleret i et plasma er de mest avancerede . De meget høje temperaturer, der kræves hertil, er svære at opnå. De første tilsvarende testfaciliteter blev bygget fra omkring 1970. De førende anlæg i dag (2016) omfatter for eksempel JET og ITER (under opførelse) i Europa, en tysk tokamak- reaktor i Garching og Wendelstein 7-X- stellaratoren ved Max Planck Institute for Plasma Physics (IPP) i Greifswald.

Hvis eksperimenterne lykkes, vil den opnåede viden blive brugt til at bygge et demonstrationskraftværk ( DEMO ). Den nuværende planlægning er baseret på idriftsættelse af DEMO omkring 2040 og mulig kommerciel brug fra omkring 2050. I modsætning til brintbomber vil sådanne kommercielle reaktorer sandsynligvis kun kunne bruge deuterium-tritium-reaktionen til at generere energi. Du er derfor helt afhængig af litium til avl af det egentlige brændstofstritium. Mens deuterium er tilgængeligt i næsten enhver mængde i verdenshavene, er de kendte lithiumreserver begrænsede.

Kernefusion i solen og stjernerne

Når brint brænder, er kernefusionen af ​​hydrogen til henholdsvis helium inde i stjerner (z. B. a Nova , på overfladen af ​​en hvid dværg ). Denne reaktion er hovedkilden til energi i normale stjerner i det meste af deres livscyklus.Trods sit historiske navn har det intet at gøre med kemisk forbrænding.

Kernefusionsprocessen kan foregå på to måder ved brænding af brint, hvor fire protoner, brintets atomkerner, omdannes til en heliumkerne ⁴ He på forskellige måder:

• den relativt direkte proton-protonreaktion
• Bethe-Weizsäcker-cyklussen ( CNO-cyklus ) ved hjælp af tunge elementer (kulstof, nitrogen, ilt )

For den nøjagtige beregning af den frigivne energi skal det tages i betragtning, at i den delvise reaktion af proton-protonreaktionen og også Bethe-Weizsäcker-cyklussen frigives to positroner, som ved udslettelse med en elektron frigiver 1.022  MeV svarende til masserne af elektronen og positronen. Til masseforskellen mellem de fire protoner og heliumkernen skal to gange elektronmassen derfor tilføjes. Denne masseforskel er identisk med forskellen mellem fire gange atommassen af ​​protium, hydrogen bestående af protoner og elektroner og atommassen på ⁴ He. Disse atommasser er tilnærmelsesvis, men ikke ligefrem, identiske med atommasserne af brint og helium, da der er forskellige isotoper af disse grundstoffer. Desuden forlader en lille del af energien solen i form af neutrinoer .

I alt omdannes cirka 0,73% af massen til energi under hydrogenforbrænding, som er kendt som en massedefekt . Energien genereret fra masseforskellen skyldes Einstein -forholdet E  =  mc ². Den er resultatet af den nukleare bindingsenergi af de nukleonerne , de centrale byggesten.

Fusionen af ​​hydrogen til helium er mest produktiv; den næste fase af stjernefusionsreaktioner, forbrænding af helium , frigiver kun omkring en tiendedel af denne energi for hver produceret carbonkerne .

Biologisk betydning

I form af en lang række forskellige forbindelser er hydrogen afgørende for alle kendte levende væsener. Først og fremmest skal vand nævnes her, som fungerer som et medium for alle cellulære processer og for al materialetransport. Sammen med kulstof, ilt, nitrogen (og mere sjældent andre elementer) er det en del af de molekyler fra organisk kemi, uden hvilken en kendt form for liv simpelthen er umulig.

Brint spiller også en aktiv rolle i organismen, for eksempel med nogle coenzymer som f.eks B. Nicotinamid adenin dinucleotid (NAD / NADH), som fungerer som reduktionsækvivalenter (eller "protontransportører") i kroppen og deltager i redoxreaktioner . I mitokondrier , cellens kraftværker, overførsel af hydrogenkationer (protoner) mellem forskellige molekyler i den såkaldte respirationskæde tjener til at tilvejebringe en protongradient gennem kemiosmotisk membranpotentiale til at generere højenergiforbindelser, såsom adenosintrifosfat ( ATP). Under fotosyntese i planter og bakterier er brintet fra vandet nødvendigt for at omdanne det faste kuldioxid til kulhydrater .

I forhold til massen er brint det tredje vigtigste element i menneskekroppen : For en person med en kropsvægt på 70 kg skyldes omkring 7 kg (= 10 vægtprocent) det hydrogen, den indeholder. Kun kulstof (ca. 20 vægtprocent) og ilt (ca. 63 vægtprocent) udgør en endnu større vægtprocent. Med hensyn til antallet af atomer er det meget lette brint langt det mest almindelige atom i ethvert levende væsen. (De 7 kg hos mennesker svarer til 3,5 · 10 ³  mol hydrogen med 2 · 6 · 10 ²³ atomer hver , det vil sige omkring 4,2 · 10 ²⁷ hydrogenatomer).

Medicinsk betydning

I biologiske systemer reagerer molekylært brint med reaktive iltarter og fungerer således som en antioxidant . I dyreforsøg fører berigelse af drikkevand med molekylært brint efter nyretransplantation til bedre overlevelse af transplantationen, til en reduceret forekomst af kronisk skade på transplantationen, til en reduktion i koncentrationen af ​​reaktive iltarter og til en hæmning af signalering veje, der øger inflammatorisk aktivitet (proinflammatoriske veje).

Betydning i konkurrencesport

På grund af sin virkning som en antioxidant har hydrogen en præstationsfremmende effekt under anaerob stress. Det kan bruges i lave doser under træning over en længere periode, samt i høje doser umiddelbart før eller under konkurrencen, f.eks. B. i pauser i halv tid. Det kan tilføjes til drikkevarer til øjeblikkelig brug såvel som i gasform, svarende til oxygen z. B. indåndes gennem en maske. Kun intravenøs administration er forbudt i henhold til antidopingregler .

Sikkerhedsinstruktioner

Brint er ekstremt brandfarligt (gammelt navn: ekstremt brandfarligt). Det brænder med ren ilt eller luft samt med andre gasformige oxidationsmidler, såsom chlor eller fluor med en varm flamme. Da flammen næsten ikke er synlig, kan du komme ind i den utilsigtet. Blandinger med chlor eller fluor er allerede brandfarlige ved ultraviolet stråling (se klor detonerende gas ). Ud over den mærkning, der kræves af GHS (se infoboks ), skal H ₂ gasflasker under tryk i henhold til DIN EN 1089-3 have en rød cylinder skulder og en rød cylinder krop .

Brint er ikke klassificeret som sundhedsskadeligt eller miljøet. Derfor er der ikke angivet en AGW -værdi. Åndedrætsværn eller hudbeskyttelse er ikke påkrævet. Kun når høje koncentrationer indåndes, kan der opstå bevægelsesforstyrrelser, bevidstløshed og kvælning på grund af mangel på ilt fra omkring 30 volumenprocent . Hurtigt udslip af gas kan forårsage kolde forbrændinger ved kontakt med huden.

Blandinger af luft med en volumenfraktion på 4% til 76% hydrogen er brandfarlige. Fra en volumenfraktion på 18% i luft er blandingen eksplosiv ( oxyhydrogen ). Antændelsestemperaturen i luft er 560 ° C. Ved håndtering af brint skal det holdes væk fra antændelseskilder, herunder elektrostatiske udladninger. Beholderne skal opbevares væk fra oxiderende gasser (ilt, klor) og andre oxiderende (brandfremmende) stoffer.

På grund af sin lille atomstørrelse kan hydrogen diffundere gennem mange faste stoffer, dvs. gas kan langsomt undslippe gennem uegnede materialer (f.eks. Plast). De materialer og tykkelser, der bruges til gastanke og ledninger, tager dette i betragtning, så der ikke er større risici end f.eks. B. med benzin. Brintkøretøjer med trykbeholdere kan let parkeres på parkeringshuse i flere etager og underjordiske garager. Der er ingen lovbestemmelse, der begrænser dette ( se : brintlagring ).

bevis

Molekylært hydrogen kan påvises af oxyhydrogenprøven . I denne påvisningsreaktion antændes en lille mængde af en gas, f.eks. Fanget under en reaktion, i et reagensglas . Hvis der kan høres et kedeligt brag, fløjt eller gøen bagefter, er detektionen positiv (det vil sige, at der var brint i reagensglasset). Banget skyldes reaktionen af ​​hydrogengas med oxygenet i luften:

${\ displaystyle \ mathrm {2 \ H_ {2} + O_ {2} \ højrepil 2 \ H_ {2} O}}$ (eksoterm reaktion)

Hydrogen reagerer med ilt for at danne vand

Med den samme reaktion forbrænder brint med en let blålig flamme, hvis det antændes ved udgangsstedet (fløjtende gas).

Oxyhydrogen -testen er den "klassiske" detektionsmetode og er særlig populær i skoleeksperimenter.

links

Hydrogen danner forbindelser med de fleste kemiske grundstoffer med den generelle empiriske formel EH _n ( n  = 1, 2, 3, 4). Nogle få af disse hydrogenelementer kendes kun i form af såkaldte addukter , såsom L _m · EH _n (L står for en ligand ). Den følgende figur giver en oversigt over vigtige grundreaktioner af brint. Præcise reaktionsbetingelser og støkiometri tages ikke i betragtning her.

I forbindelser kan brint bære både positive og negative ladninger . Dette afhænger af, om bindingspartneren har en højere eller lavere elektronegativitet end hydrogen (2.2). I det periodiske system kan der ikke trækkes nogen skarp grænse mellem de to typer forbindelser, da f.eks. Syre-baseadfærden skal tages i betragtning. En mere eller mindre vilkårlig betragtning siger, at brintet i forbindelserne med elementerne bor , silicium , germanium , tin og bly samt alt brint til venstre for det er hydrogenet negativt polariseret i forbindelser med kulstof , fosfor , arsen , antimon , vismut og alle elementer til højre for det positive. Tilsvarende i monosilan (SiH ₄ ) det oxidationstrin for silicium kan indstilles til +4 (hydrogen tilsvarende -1), i methan (CH ₄ ) til carbon til -4 (hydrogen + 1).

Tre forskellige metoder bruges hovedsageligt til at repræsentere brintforbindelser EH _n :

• Gennemførelsen af det tilsvarende element E med hydrogen (H ₂ ; hydrogenolyse )

${\ displaystyle {\ frac {1} {x}} \ \ mathrm {E} _ {x} + {\ frac {n} {2}} \ \ mathrm {H} _ {2} \ \ højre venstrepil \ \ mathrm {EH} _ {n}}$

Et element reagerer med brint, når der tilføres energi til det tilsvarende element hydrogen.

• Omsætning af metalforbindelser af typen M _n E med hydrogensyrer (H ⁺ ; protolyse )

${\ displaystyle \ mathrm {M} _ {n} \ mathrm {E} + n \ \ mathrm {HA} \ \ højre venstrepil \ n \ \ mathrm {MA} + \ mathrm {EH} _ {n}}$

En metalforbindelse af element E reagerer med et surt HA til dannelse af elementhydrogen og et metalsalt.

• Omsætning af halogenforbindelser (EHal _n ) med hydrider (H ^- ; hydridolyse )

${\ displaystyle \ mathrm {EHal} _ {n} + n \ \ mathrm {H} ^ {-} \ \ højre venstrepil \ n \ \ mathrm {Hal} ^ {-} + \ mathrm {EH} _ {n}}$

Hydridioner frigiver det tilsvarende element hydrogen fra en halogenforbindelse af element E.

Saltlignende forbindelser

I forbindelse med metaller kan hydrogen optage én elektron ad gangen, så der dannes negativt ladede hydrogenioner (hydridioner, H ^- ), som danner salte med metalkationer. Disse forbindelser kaldes hydrider . Saltagtige hydrogenelementer kendes fra alkali- metaller og, med undtagelse af beryllium , de jordalkalimetaller . Dihydriderne af europium og ytterbium (EuH ₂ og YbH ₂ ) er også inkluderet.

Metalhydrider reagerer meget voldsomt med vand, der frigiver molekylært brint (H ₂ ) og kan selvantænde i luften med dannelsen af ​​vand og metaloxidet. Størstedelen er dog ikke eksplosive. Mineraler, der indeholder hydrogen (bundet til ilt) er hydrater eller hydroxider .

Metallignende forbindelser

I metallignende brintforbindelser - med få undtagelser er dette overgangsmetalhydriderne - er atombrint indlejret i den tilsvarende metalstruktur. I dette tilfælde taler man også om hydrogeninterkalkationsforbindelser, selvom metalets struktur ændres, når hydrogenet absorberes (hvilket faktisk ikke svarer til definitionen for intercalationsforbindelser ). Elementet indtager de oktaedriske og tetraedriske huller i den kubiske eller sekskantede tætpakning af metalatomer .

Opløseligheden af ​​hydrogen stiger med stigende temperatur. Imidlertid er det sjældent, selv ved temperaturer over 500 ° C mere end en molar andel af 10% hydrogen i det relevante metal. Grundstofferne vanadium , niob og tantal kan optage det meste af brintet . Følgende støkiometrier kan observeres ved stuetemperatur : VH _0,05 , NbH _0,11 og TaH _0,22 . Fra 200 ° C findes en 1: 1 støkiometri (MH) for disse metaller. Det kropscentrerede kubiske krystalgitter forbliver uberørt.

Kovalente bindinger

Forbindelser, hvor hydrogen er den mere elektropositive partner, har et højt kovalent indhold. Eksempler er hydrogenfluorid (HF) eller hydrogenchlorid (HCl). I vand reagerer disse stoffer som syrer , da hydrogenet kan spaltes med det samme som en proton (H ⁺ ion) fra omgivende vandmolekyler. Isoleret H ⁺ -ioner kombinere straks med vandmolekyler i vandig opløsning til dannelse af H ₃ O ⁺ -ioner ; denne ion er ansvarlig for de sure egenskaber ved vandige hydrogenchloridopløsninger.

Syre-base adfærd

De kovalente hydrogenforbindelser af elementerne i IV. Til VII. Hovedgruppen i det periodiske system samt borhydrogen er syrer i henhold til definitionen af Johannes Nicolaus Brønsted , det vil sige, at de afgiver protoner til andre forbindelser.

${\ displaystyle \ mathrm {EH} _ {n} \ \ højre venstrepil \ \ mathrm {EH} _ {n-1} ^ {-} + \ mathrm {H} ^ { +}}$

Den surhed forbindelserne stigninger i hovedgrupperne fra top til bund og i perioderne fra venstre mod højre. Det øger også med antallet af elementet-element bindinger i hydrogenbindinger af et vist element. For eksempel vand (H ₂ O) er en svagere syre end hydrogenperoxid (H ₂ O ₂ ), ethan (C ₂ H ₆ ) er svagere i syrestyrke end ethen (C ₂ H ₄ ) og ethyn (C ₂ H ₂ ).

Omvendt kan kovalente hydrogenelementer fungere som baser . Hydrogenforbindelser af grundstofferne fra hovedgrupperne V til VII kan absorbere protoner, fordi de har ensomme elektronpar .

${\ displaystyle \ mathrm {EH} _ {n} + \ mathrm {H} ^ { +} \ \ højre venstrepil \ \ mathrm {EH} _ {n + 1} ^ { +}}$

Årsagen til surheden eller basen af en vandig opløsning er molkoncentrationen af protoner (H ⁺ ioner). Den negative dekadiske logaritme for denne koncentration kaldes pH -værdien . For eksempel betyder en koncentration på 0,001 mol H ⁺ ioner pr. Liter vand “pH 3,0”. Dette eksempel gælder for en syre. Vand uden tilsætningsstoffer har en pH -værdi på 7 under normale forhold , baser har en pH -værdi på op til 14.

Oxider

Hydrogenoxider (også hydrogeniumoxider) er forbindelser, der kun består af hydrogen og ilt, af størst betydning er vand (hydrogenoxid); Hydrogenperoxid , tidligere kendt som hydrogenperoxid , er også af teknisk betydning . Et andet men sjældnere oxid er dihydrogentrioxid .

Af ekstraordinær betydning for alt liv på jorden er alkoholer og saccharider samt carboxylsyrer, som indeholder (kun) hydrogen, ilt og kulstof.

Kulbrinter

Brint og kulstof danner de kovalente kulbrinter, som kulbrintekemi er dedikeret til at studere.

litteratur

kemi

• Erwin Riedel : Uorganisk kemi . de Gruyter, Berlin 2002, ISBN 3-11-017439-1 .
• AF Holleman , E. Wiberg , N. Wiberg : Lærebog i uorganisk kemi . 102. udgave. Walter de Gruyter, Berlin 2007, ISBN 978-3-11-017770-1 , s. 259-296.
• Harry H. Binder: Leksikon for de kemiske grundstoffer - det periodiske system i fakta, tal og data. S. Hirzel Verlag, Stuttgart 1999, ISBN 3-7776-0736-3 .

teknologi

• Peter Kurzweil: Brændselscelleteknologi. 1. udgave. Vieweg Verlag, Wiesbaden 2003, ISBN 3-528-03965-5 .
• Udo Schelling: brændselsceller. I: Richard Zahoransky (red.): Energiteknologi. 5., revideret. og eksp. Udgave. Vieweg + Teubner Verlag, Wiesbaden 2010, ISBN 978-3-8348-1207-0 , s. 203ff.
• Helmut Eichlseder, Manfred Klell: Hydrogen i køretøjsteknologi. 1. udgave. Vieweg + Teubner Verlag, Wiesbaden 2008, ISBN 978-3-8348-0478-5 .
• Rex A. Ewing: Hydrogen - En rejse ind i en verden af ​​brintenergi og brændstofceller. Pixyjack Press, Masonville CO 2004, ISBN 0-9658098-6-2 .

betyder

• Hoimar von Ditfurth : I begyndelsen var der brint. dtv, München 2002, ISBN 3-423-33015-5 .

Weblinks

• Link katalog om emnet brint på curlie.org (tidligere DMOZ )
• Et brint- og deuterium -spektralrør, der fungerer ved 1,8 kV, 18 mA og en frekvens på 35 kHz.

Individuelle beviser

	Denne artikel er tilgængelig som en lydversion:
	Del 1: Introduktion, afsnit 1 - 6 Gem | Information  | 44:24 (26.439 MB) Tekst til den talte version (2021-04-25)
	Del 2: Afsnit 7-14, infoboks Gem | Information  | 51:48 (30.537 MB) Tekst til den talte version (2021-04-25)
	Flere oplysninger om talt Wikipedia