HİDROJEN
Güneş sisteminin özü hidrojen ve helyumdan oluşur. Hidrojen, dünya üzerinde yalnızca bütün doğal organik (hHİDROJEN
Güneş sisteminin özü hidrojen ve helyumdan oluşur. Hidrojen, dünya üzerinde yalnızca bütün doğal organik (hayvansal ve bitkisel) bileşiklerin ve sentetik maddelerin yapısında yer almakla kalmaz, aynı zamanda suyun, asitlerin ve bazların, ayrıca hidrokarbonların yapısında da yer alır. Hava kirliliğine yol açmadığı için de ideal bir yakıttır ve insanların uzayı fethetmede yararlanacağı vazgeçilmez bir maddedir.
TANIMI
Hidrojen çevre sıcaklığı koşullarında ve normal basınç altında renksiz, kokusuz ve yanıcı bir gazdır. Simgesi H, atom numarası
1 olan bu element, periyodik sınıflamada ilk sırada yer alır ve en basit atom yapışma sahiptir. Gerçekten de çekirdeği bir tek protondan oluşur, atomu ise bir tek elektron taşır.
KEŞFİ
Hidrojen sözcüğü, «su üreten» anlamına gelir: bu terim, 1787’de Fransız kimyacı Antoine Laurent de Lavoisier tara&ndan önerildi. Ama bu element çok uzun süreden beri biliniyordu, çünkü Paracelsus XVI. yy’da, bir metal ile bir asidi bir araya getirerek gerçekleştirdiği kimyasal tepkime sonucunda hidrojen elde etmişti. Ne var ki onun elde ettiği bu gaz, bütünüyle kimyasal bir cisim olarak kabul edilmedi ve öteki yanıcı gazlarla, örneğin karbon oksitle karıştırıldı. Hidrojeni öteki gazlardan ayırt eden, 1766’da Henry Cavendısh oldu. Bu kimyacı, belirli miktarlarda asit ve metalden elde ettiği bu gazın (sülfürik asidin demire etkimesiyle hidrojen elde etmişti) yoğunluğunu ve hacmini ölçtü; flojistik varsayımına dayanarak adını «yanar hava» koydu.
KÖKENİ
Hidrojen en bol bulunan elementtir, çünkü bütün atomların yüzde 90’ını oluşturur, ki bu oran, tüm evrenin kütlesinin dörtte üçü demektir. Şimdiye kadar oluşmuş ve hâlâ oluşmakta olan en ağır elementlerin içinde hidrojen ve helyum vardır. Güneşin ve yıldızların yapısında yer alan hidrojen, büyük enerjilerin açığa çıkmasına neden olan nükleer tepkimelerde belirleyici rol oynar. Bazı yıldızların sahip olduğu çok yüksek sıcaklıklar (106 ilâ 107 °C), hidrojen çekirdeklerinin kaynaşmasını (füzyon) sağlar; bunun sonucunda büyük miktarlarda enerji açığa çıkar. Helyumun oluşum kaynağını açıklamak için birçok nükleer tepkime biçimi ileri sürülmüştür: karbon çevrimi tepkimesi ve proton-proton tepkimesi vb. Bu nükleer tepkime şu biçimde ifade edilir:
4}H ^jHe + 2e~ + enerji.
Buna karşılık hidrojen, yerkabuğunun kütlesinin yalnızca yüzde 0,76’sını oluşturur. Gerçekten de yeryüzünde, içinde en fazla hidrojen taşıyan madde sudur. Hidrojene serbest halde seyrek rastlanır. Hidrojen, yanardağların püskürttüğü gazların temel öğesidir. Bu gazın uzayda dağılması, dünya atmosferinde milyonda bir oranında bulunmasını açıklar.
ÖZELLİKLERİ
Hidrojen, 1 atmosfer basınç altında ve 25 °C sıcaklıkta 0,089 88 g/l (gram/litre) olan özgül ağırlığıyla kimyasal maddeler arasında özgül ağırlığı en küçük olan elementtir.
Hidrojen gazı, H2 moleküllerinden oluşur. Bu moleküllerin iki atomu birbirine basit kovalans bağıyla bağlanmıştır, öyle ki her atom, helyum atomunun kararlı yerleşim düzenine sahiptir. Hidrojen atomu (H2) kutupsal değildir; moleküller arasındaki zayıf çekme gücü (moleküllerarası çekim), dolayısıyla kaynama ve kaynaşma (füzyon) noktaları çok düşüktür; ilki -252,87 °C, İkincisi -259,14 “C’dir.
Hidrojen, bütün gazlar içinde yayılma katsayısı en yüksek olan gazdır: kil ya da kauçuk gibi gözenekli yüzeylerin hatta bazı metallerin içine işler. Böylece, hidrojenin bir palladyum tüpünün yüzeylerinden geçirilmesi, bu gazın saflaştırılması için yaygın olarak kullanılan bir yöntemdir. Hidrojen aynı zamanda demirin içinde de yayılabilir, böylece bu metali kırılgan hale getirir. Henüz inceleme aşamasında olan bu özelliğinden yayarlanılarak, metal hidrürler içinde hidrojen stoklanabilmektedir.
Kriyoteknik Vulcain motorunun denenmesi. Sıvı hidrojen ve sıvı oksijenle çalışan bu aygıt, Ariane 5 füzesinin orta katında kullanılmaktadır.
TEPKİMELERİ
Hidrojen, elementlerin periyodik sınıflanmasında yer alan I / grubu metalleriyle, özellikle sodyumla 2 Na (katı) + H2 (gaz) — 2NaH (katı) biçiminde tepkimeye girdiği gibi, IIA grubunu oluş turan en ağır metallerle de (baryum, stronsiyum ve kalsiyum) tep kimeye girerek hidrürleri oluşturur. Bir alkali halojenür içinde çö zündürülen hidrür, anotta (artı elektrot) gaz halinde hidrojeı oluşturarak H~ anyonunun varlığını belli eder; oysa su ile yapılaı klasik elektrolizde hidrojen gaz halinde bu kez katotta (eksi elek trot) belirir. Sodyum borohidrür (NaBH4) ve lityum alüminohid rür (LiAlHJ gibi karmaşık bor ve alüminyum hidrürleri, sentez de, karboksilik asitlerle, organik bileşiklerle indirgeyici etken ola rak kullanılır.
HİDROJENİN
İZOTOPLARI
rrcryum ( |H)7 hidrojenin normal izotopudur. 1932’de Ha-rcld Urey, bu elementin kararlı çoğal izotopunu buldu: ağır hidrojen (1H) veya döteryum D Bu izotopun çekirdeğinde rrctona bağlı bir tek nötron varcı. 1935’te Emest Rutherford, cccerofosforik asidi hızlı döte-rcnlarla bombardıman ederek r:r üçüncü izotopu, yani trityumu fH) elde etti. Bu izotopun çekirdeği bir proton ve iki nötrondan oluşur. Trityum radyo-aknftır ve çekirdeğinden bir e_eKtron atarak helyuma parça-
‘“h ->• 2He + e”.
Döteryum, ağırsu (döter-y-m oksit, D20) üretiminde
anılır. Ağırsudan yaygın
c^rak. uranyum kullanan nük–îzz reaktörlerde, nötronları ya-• aşlatmak amacıyla yararlanılır.
HİDROJENİN
ÖZELLİKLERİ
1
1,007 97 İs1 +1,-1 1,2 A
-259,14 °C -252,87 °C ;H2H
:Î4
r. numarası r. kütlesi tren dizilişi cr_kier t. var.çap: n^îasi
5 hidrojen bombası), «ainaştnlarak «î-j zciopianna ■îî ~s cakanır. Bu »srt/jmdur.
ayvansal ve bitkisel) bileşiklerin ve sentetik maddelerin yapısında yer almakla kalmaz, aynı zamanda suyun, asitlerin ve bazların, ayrıca hidrokarbonların yapısında da yer alır. Hava kirliliğine yol açmadığı için de ideal bir yakıttır ve insanların uzayı fethetmede yararlanacağı vazgeçilmez bir maddedir.
TANIMI
Hidrojen çevre sıcaklığı koşullarında ve normal basınç altında renksiz, kokusuz ve yanıcı bir gazdır. Simgesi H, atom numarası
1 olan bu element, periyodik sınıflamada ilk sırada yer alır ve en basit atom yapışma sahiptir. Gerçekten de çekirdeği bir tek protondan oluşur, atomu ise bir tek elektron taşır.
KEŞFİ
Hidrojen sözcüğü, «su üreten» anlamına gelir: bu terim, 1787’de Fransız kimyacı Antoine Laurent de Lavoisier tara&ndan önerildi. Ama bu element çok uzun süreden beri biliniyordu, çünkü Paracelsus XVI. yy’da, bir metal ile bir asidi bir araya getirerek gerçekleştirdiği kimyasal tepkime sonucunda hidrojen elde etmişti. Ne var ki onun elde ettiği bu gaz, bütünüyle kimyasal bir cisim olarak kabul edilmedi ve öteki yanıcı gazlarla, örneğin karbon oksitle karıştırıldı. Hidrojeni öteki gazlardan ayırt eden, 1766’da Henry Cavendısh oldu. Bu kimyacı, belirli miktarlarda asit ve metalden elde ettiği bu gazın (sülfürik asidin demire etkimesiyle hidrojen elde etmişti) yoğunluğunu ve hacmini ölçtü; flojistik varsayımına dayanarak adını «yanar hava» koydu.
KÖKENİ
Hidrojen en bol bulunan elementtir, çünkü bütün atomların yüzde 90’ını oluşturur, ki bu oran, tüm evrenin kütlesinin dörtte üçü demektir. Şimdiye kadar oluşmuş ve hâlâ oluşmakta olan en ağır elementlerin içinde hidrojen ve helyum vardır. Güneşin ve yıldızların yapısında yer alan hidrojen, büyük enerjilerin açığa çıkmasına neden olan nükleer tepkimelerde belirleyici rol oynar. Bazı yıldızların sahip olduğu çok yüksek sıcaklıklar (106 ilâ 107 °C), hidrojen çekirdeklerinin kaynaşmasını (füzyon) sağlar; bunun sonucunda büyük miktarlarda enerji açığa çıkar. Helyumun oluşum kaynağını açıklamak için birçok nükleer tepkime biçimi ileri sürülmüştür: karbon çevrimi tepkimesi ve proton-proton tepkimesi vb. Bu nükleer tepkime şu biçimde ifade edilir:
4}H ^jHe + 2e~ + enerji.
Buna karşılık hidrojen, yerkabuğunun kütlesinin yalnızca yüzde 0,76’sını oluşturur. Gerçekten de yeryüzünde, içinde en fazla hidrojen taşıyan madde sudur. Hidrojene serbest halde seyrek rastlanır. Hidrojen, yanardağların püskürttüğü gazların temel öğesidir. Bu gazın uzayda dağılması, dünya atmosferinde milyonda bir oranında bulunmasını açıklar.
ÖZELLİKLERİ
Hidrojen, 1 atmosfer basınç altında ve 25 °C sıcaklıkta 0,089 88 g/l (gram/litre) olan özgül ağırlığıyla kimyasal maddeler arasında özgül ağırlığı en küçük olan elementtir.
Hidrojen gazı, H2 moleküllerinden oluşur. Bu moleküllerin iki atomu birbirine basit kovalans bağıyla bağlanmıştır, öyle ki her atom, helyum atomunun kararlı yerleşim düzenine sahiptir. Hidrojen atomu (H2) kutupsal değildir; moleküller arasındaki zayıf çekme gücü (moleküllerarası çekim), dolayısıyla kaynama ve kaynaşma (füzyon) noktaları çok düşüktür; ilki -252,87 °C, İkincisi -259,14 “C’dir.
Hidrojen, bütün gazlar içinde yayılma katsayısı en yüksek olan gazdır: kil ya da kauçuk gibi gözenekli yüzeylerin hatta bazı metallerin içine işler. Böylece, hidrojenin bir palladyum tüpünün yüzeylerinden geçirilmesi, bu gazın saflaştırılması için yaygın olarak kullanılan bir yöntemdir. Hidrojen aynı zamanda demirin içinde de yayılabilir, böylece bu metali kırılgan hale getirir. Henüz inceleme aşamasında olan bu özelliğinden yayarlanılarak, metal hidrürler içinde hidrojen stoklanabilmektedir.
Kriyoteknik Vulcain motorunun denenmesi. Sıvı hidrojen ve sıvı oksijenle çalışan bu aygıt, Ariane 5 füzesinin orta katında kullanılmaktadır.
TEPKİMELERİ
Hidrojen, elementlerin periyodik sınıflanmasında yer alan I / grubu metalleriyle, özellikle sodyumla 2 Na (katı) + H2 (gaz) — 2NaH (katı) biçiminde tepkimeye girdiği gibi, IIA grubunu oluş turan en ağır metallerle de (baryum, stronsiyum ve kalsiyum) tep kimeye girerek hidrürleri oluşturur. Bir alkali halojenür içinde çö zündürülen hidrür, anotta (artı elektrot) gaz halinde hidrojeı oluşturarak H~ anyonunun varlığını belli eder; oysa su ile yapılaı klasik elektrolizde hidrojen gaz halinde bu kez katotta (eksi elek trot) belirir. Sodyum borohidrür (NaBH4) ve lityum alüminohid rür (LiAlHJ gibi karmaşık bor ve alüminyum hidrürleri, sentez de, karboksilik asitlerle, organik bileşiklerle indirgeyici etken ola rak kullanılır.
HİDROJENİN
İZOTOPLARI
rrcryum ( |H)7 hidrojenin normal izotopudur. 1932’de Ha-rcld Urey, bu elementin kararlı çoğal izotopunu buldu: ağır hidrojen (1H) veya döteryum D Bu izotopun çekirdeğinde rrctona bağlı bir tek nötron varcı. 1935’te Emest Rutherford, cccerofosforik asidi hızlı döte-rcnlarla bombardıman ederek r:r üçüncü izotopu, yani trityumu fH) elde etti. Bu izotopun çekirdeği bir proton ve iki nötrondan oluşur. Trityum radyo-aknftır ve çekirdeğinden bir e_eKtron atarak helyuma parça-
‘“h ->• 2He + e”.
Döteryum, ağırsu (döter-y-m oksit, D20) üretiminde
__anılır. Ağırsudan yaygın
c^rak. uranyum kullanan nük–îzz reaktörlerde, nötronları ya-• aşlatmak amacıyla yararlanılır.
HİDROJENİN
ÖZELLİKLERİ
1
1,007 97 İs1 +1,-1 1,2 A
-259,14 °C -252,87 °C ;H2H
:Î4
r. numarası r. kütlesi tren dizilişi cr_kier t. var.çap: n^îasi
5 hidrojen bombası), «ainaştnlarak «î-j zciopianna ■îî ~s cakanır. Bu »srt/jmdur.
: sr. atomunun H (g) -* H+ (g) + e~ biçiminde gösterilen -_v..k miktarda enerji gerektirir (313 kcal • mol’); olarak serbest H+ protonları yalnızca boşalmalı
– zro~.u suyun içinde bir ya da birçok su molekülüyle Z- ve H5Ö2 gibi karmaşık iyonlar oluşturur.
;-ia hafifçe iyonlaşır: 2 H20 HaO+ + OH-.
, :_-£e H-O* ve OH- iyonları, çevre sıcaklığında (25
■ L ’ mol/1 yoğunluğunda bulunur. Suyun içinde çö-
– . – bulunan asitler, HbO+ yoğunlaşmasının artması-
; çok sayıda kovalans bileşikleri vardır. Bunlar, ele-: – .■ rrrryodik sınıflamasındaki IV B ile VII B grupları için-= – zs~enûeûe birlikte oluşur. Bu bileşikler arasında me-£—onyak (NH3), hidrojen sülfür (H2S) ve hidrojen flo-i labûir.
. ı.rjzs yanıcı olan hidrojen, oksijenle temas edince padar. .;—_ı özellikle iki gaz, H2/02 = 2/1 molekül oranında bir ;: ;.pse meydana gelir. Bu tepkime su verir:
2H2 + 02 -+ 2 H20.
: : r* aynı zamanda, bazı halojenlerle (klor) patlayıcı s g-rer. Bu tepkime sonucu ortaya bir hidrojen halo-
■DROJEN ATOMU
£’ ~olekülü, güçlü enerji kaynaklan kullanılarak atomla-. -_ı:zz. Bu güç kaynakarı, gaz halindeki hidrojenin düşük _ ” ia gerçekleştirilen elektrik boşalmaları ya da mikrodal-
• rirfrekanslar) olabilir. Hidrojen molekülünün sahip oldu-.; _■ . zrarliığı göz önünde bulundurulursa, bu tepkime büyük endotermik) bir tepkimedir ve 104,2 kcal* moî1 de-. . Platin ve tungsten gibi birçok metal bu tepkimede
: -1 -..-.ıs: yaparak hidrojen atomlarının yeniden birleşmesini
– _ 5-reç, parçalanma sırasında kullanılan enerjiye eşdeğer _ ı: rner: açığa çıkarır. Hidrojen üfleçlerinde yararlanılan, bü-
. .ıs everen (egzotermik) olan bu birleşmedir.
IAZIRLANMASI VE ÜRETİLMESİ
sccratuvarda. Hidrojenin hazırlanması yaygın olarak, sey-ıs.z^dn çeşitli metallere etkimesiyle gerçekleştirilir. Ele-.-.’Z. redoks gerilim ölçeğinde hidrojenin üstünde yer alan _:” hepsi, seyreltik hidroklorik asitle veya sülfürik asitle
– geldiklerinde oksijen verir. En yaygın olarak kullanı-
– • ; aşağıdaki biçimde tepkimeye girer:
Zn + 2H+-> Zn + H2. g~ elde etmek için suyun elektrolizine de sıkça başvuru-: —jc geçirgenliğini artırmak amacıyla asit ortamı kazandı-içinde bulunan iki platin ya da karbon elektrotun ara-
– i.sktrik akımı geçirilerek su, temel elementlerine ayrılır, ui üretimi. «Su gazı» adı verilen hidrojenin üretimi, yakla-
ü =C sıcaklığa getirilen madenkömürü üstünden su buha-_*-~esi yoluyla elde edilir. Bu üretim, madenkömürü yeri-:-2-sn arıtılması sonucu ortaya çıkan ve çok düşük maliyet-
– -.irokarbonların, nikel bazlı katalizörlerin eşliğinde kulla-;:_vLa da gerçekleştirilebilir. Hidrojen, hidrokarbonlara uy-
parçalama işlemlerinin, ayrıca sulu derişik sodyum klo-:oîjâsinin elektrolizi yoluyla üretilen klor ve sodyum üre-_r. £z ürünü olarak da elde edilir.
ULLANIM ALANLARI
::renin sanayi alanında kullanımı uzun süre sınırlı kaldı.
: =-den, gaz halinde, metallerin kaynaklanmasında kullanı-oroksit üfleçlerde, balonlarda kaldırıcı etken olarak yararla-Günümüzdeyse, birçok sentez yönteminde kullaml-ı sanayideki uygulamaları giderek yaygınlaşmaktadır. Ger-
– de yakıt olarak kullanılmasının dışında, amonyak, hidro-_-tjr. metanol sentezinde, bundan başka daha birçok sına-
yönteminde yenilenebilir bir hammadde olarak kullaml-Amonyağın (NH3) Haber yöntemiyle elde edilmesi, temel kullanım alanlarından birini oluşturur. Bu işlem-;rçekleştirilen tepkimede hidrojenin atmosferde bulunan «stüne doğrudan bağlanması sağlanır. Bu tepkime yüksek ; altında (en az 250 atmosfer), 500 °C sıcaklıkta ısıtılmış bir zorun varlığında gerçekleşir. Bu tepkime sonucu ortaya isal bir denge çıkar: N2 + 3H2 ç± 2NH3.
-şımın yaklaşık yüzde 15’i amonyağa dönüşür. Elde edi-
len gaz karışımı basınç altında soğutulur, amonyak sıvı halde toplanır.
Hidrojenden, hidrojen klorür ve hidroklorik asit üretiminde de yararlanılır: bir araya getirilen hidrojen ve klor bir alev çıkararak hidrojen klorürü oluşturur. Bu bileşik, suyun içinde çözündürülerek hidroklorik asit elde edilir.
Hidrojen, birçok organik bileşiğin üretilmesinde de kullanılır. Örneğin metanolün sentezi, karbon okside hidrojenin birbiri üstüne 400 °C sıcaklıkta, 300 atmosfer basınç altında, çinko oksit veya krom oksit gibi katalizörlerin varlığında etkimesiyle elde edilir. Daha yüksek molekül ağırlığına sahip alkollerin üretilmesi, bir alkenin (RCH = CH2) karbon oksit ve hidrojenle, kobaltlı bir katalizörün eşliğinde tepkimeye girmesi yöntemiyle gerçekleştirilir. Margarin üretiminde, yerfıstığı yağı (bu yağ karbon-kar-bon çift bağlan içerir -doymamış grup-), nikelli bir katalizörün varlığında hidrojeni bağlayarak yağ içeren katı maddeler oluşturur: basit karbon-karbon bağlarını (doymuş grup) içeren bu ürünler gıda maddelerdir.
Hidrojen ayrıca, molibden ve tungsten gibi bazı metallerin oksitlerinin elde edilmesinde, metal alaşımlarının üretiminde, magnezyum üretiminde ve büyük ölçekli elektrik üreteçlerinin soğutulmasında kullanılır.
Erime noktası mudak sıfırın sadece birkaç derece üstünde bulunan sıvı hidrojen, çok düşük sıcaklıkların incelenmesinde (kri-yojeni), özellikle aşırı iletkenlerin araştırılması ve kullanılmasında kullanılır.
Astronotik alanında da sıvı hidrojene büyük ölçüde ihtiyaç vardır. Bu alanda, üreteçlerde elektrik üretilmesinde ve Ariane 5 gibi roketlerde itici yakıt (oksijenden veya flüordan bu işlemlerde «yakıcı» olarak yararlanılır) olarak kullanılır. Sözü edilen bu kullanımda, sıvı ve katı hidrojen karışımı tercih edilir. Bu karışım kar biçiminde, daha düşük sıcaklıkta olup yoğunluğu ve kararlılığı sıvı hidrojenden daha yüksektir. Sıvı propergol-lerde, hidrojenleştirilmiş birçok bileşik kulanılır: kerosen (bir hidrokarbon), hidrazin (N2H4) ve formülü N2H2 (CH3)2 olan di-metilhidrazin (DMH) vb.
Yeni enerji kaynaklarının araştırılmasında ve yeni uygulamalarda, enerji stoklamak amacıyla hidrojenden yararlanılması düşünülmektedir. Elektrik üretimi fazlasından, hidrojenin elektroliz yoluyla sıvılaştırılıp saklanmasında yararlanılabilecektir.
Son olarak hidrojen, bugünkü yakıtların yerini alabilecek, çevre kirliliğine yol açmayan bir otomobil yakıtı olarak düşünülmektedir. Gerçekten de öteki yakıdarla eşit küdeye sahip olan hidrojen, bir hidrokarbonun üç katı enerji sağlar ve hiçbir hava kirliliğine yol açmaz, çünkü hidrojenin yanmasıyla ortaya su çıkar. Bu konuda karşılaşılan tek zorluk, hidrojenin depolanmasıdır. Hidrojen sıvı halde depolanabilir, ama bunun için çok düşük sıcaklıklar gerekir (-252 °C sıcaklıkta kaynar) veya katı halde, örneğin metal hidrür biçiminde saklanabilir. □
Hidrojen, belli başlı elementlerin (H, 0, C, S) birbiriyle birleşmesinden meydana gelen volkanik gazlann çoğunda bulunur. Magmadan doğrudan gelen hidrojen miktannı basit kimyasal analizle belirlemeye olanak yoktur; bununla birlikte D/H (döteryum/hidrojen) izotop oranı yanardağın gelecekteki etkinliğini saptamak açısından belirleyici bir öğedir.
AYRICA BAKINIZ
– [B.ANSH asitler ve bazlar
• 1B.ANŞLJ atomlar ve iyonlar
• [g.ANSL| elementler, basit
ve bileşik maddeler
• {B.ANSL1 enerji
• [B.ÂNsjj hava
• 1B.ANSL] hidrokarbonlar
• EMSİ kimya
• İB.ANSU Lavoısier
– ie.ansli oksijen
• ib.ansu radyoaktivite