Υδρογόνο

Υδρογόνο → Ήλιο   H ↓ Li       Περιοδικός πίνακας
Γενικά
Όνομα, Σύμβολο, Ατομικός αριθμός	Υδρογόνο, H, 1
Κατάταξη	Αμέταλλα
Ομάδα, Περίοδος, Τομέας	1 (IA), 1 , s
Πυκνότητα, Σκληρότητα	0,08988 kg/m3, ΔΑ
Χρώμα	Άχρωμο
Ατομικά και μοριακά χαρακτηριστικά και ιδιότητες
Ατομική μάζα	1,00794(7) amu
Ατομική ακτίνα (υπολ)	25 (53,5) pm
Απεικόνιση ηλεκτρονιακής δομής Η	1s1
Ηλεκτρόνια ανά ενεργειακή στάθμη	1
Κρυσταλλική δομή	εξαγωνική
Σταθεροί αριθμοί οξείδωσης	0, ±1
Ηλεκτραρνητικότητα	2,20 (Κλίμακα Pauling)
Δυναμικό ιονισμού Η → Η+ + e-	1312 kJ/mol
Απεικόνιση ηλεκτρονιακής δομής Η+
Απεικόνιση ηλεκτρονιακής δομής Η-	1s2
Ομοιοπολική ακτίνα	31,(5) pm (37 pm μόνο στο H2)
Απεικόνιση ηλεκτρονιακής δομής H2
Μήκος δεσμού H-H	74 pm
Ακτίνα van der Waals	120 pm
Μοριακός όγκος	11,42·10-6 m3/mol
Σταθερότερα ισότοπα
Ισο Φυσ.Αφθ. ημιζωή DM DE MeV DP 1H 99,985% H είναι σταθερό με 0 νετρόνια 2H (D) 0,015% H είναι σταθερό με 1 νετρόνιο 3H (T) {syn.} 12,33 y β- 0,019 3He
Φυσικές ιδιότητες
Κατάσταση ύλης	αέριο
Σημείο τήξεως	-259,14°C) (14,02 K)
Θερμότητα τήξεως	0,117 kJ/mol
Σημείο ζέσεως	-252,87°C (20,29 K)
Θερμότητα εξατμίσεως	0,904 kJ/mol
Τριπλό σημείο	-259,36°C (13,8 K), 7,042 kPa
Κρίσιμο σημείο	-240,19°C (32,97 K), 1,293 MPa
Ειδική θερμοχωρητικότητα	28,836 J/(mole*K)
Τάση ατμών	209 Pa στους -250,16°C (23 K)
Ταχύτητα ήχου	1310 m/s στους 27°C (300,16 K)
Ηλεκτρική αγωγιμότητα	4·10-4 μS)
Θερμική αγωγιμότητα	180.5 mW/(m*K) στους 27°C (300,16 K)
Έγινε χρήση μονάδων SI & Κ.Σ., εκτός εάν σημειώνεται διαφορετικά.

Η λέξη υδρογόνο (hydrogen) προέρχεται από τις ελληνικές λέξεις «ὕδωρ» + «γόνος», δηλαδή δηλώνει, τη βασική χημική ιδιότητά του, να καίγεται σχηματίζοντας ύδωρ, δηλαδή νερό. Το χημικό στοιχείο υδρογόνο (Η) (ή ακριβέστερα διυδρογόνο) στη συνηθισμένη διατομική στοιχειακή του μορφή) είναι ένα άχρωμο, άοσμο, άγευστο, εξαιρετικά εύφλεκτοαμέταλλο διατομικό αέριο, με ατομικό αριθμό 1, ατομική μάζα 1,00794(7) amu, χημικό τύπο H₂, μοριακή μάζα 2,01588(14) amu. Είναι επίσης, το ελαφρύτερο χημικό στοιχείο.
Το υδρογόνο είναι το πιο άφθονο χημικό στοιχείο. Θεωρείται ότι αποτελεί το ~75% της μάζας του σύμπαντος. Τα άστρα της κύριας ακολουθίας αποτελούνται κυρίως από υδρογόνο σε κατάσταση πλάσματος. Ωστόσο, το στοιχειακό υδρογόνο (διυδρογόνο, H₂) είναι σχετικά σπάνιο στη Γη και βιομηχανικά παράγεται από υδρογονάνθρακες, όπως το μεθάνιο και συνήθως καταναλώνεται επιτόπου, δηλαδή κοντά στη μονάδα παραγωγής του, κυρίως στην αναβάθμιση των ορυκτών καυσίμων (π.χ. με υδροπυρόλυση), στην παραγωγή αμμωνίας, που κυρίως προορίζεται για παραγωγή αζωτούχων λιπασμάτων και στην παρασκευή μαργαρίνης. Το υδρογόνο επίσης μπορεί εναλλακτικά να παραχθεί και με ηλεκτρόλυση νερού, αλλά η μέθοδος αυτή γενικά αποφεύγεται ως σημαντικά λιγότερο οικονομική., Το άτομο του πιο κοινού φυσικού ισοτόπου του υδρογόνου, γνωστό ως πρώτιο (¹Η), αποτελείται από ένα πρωτόνιο και ένα ηλεκτρόνιο. Το υδρογόνο σχηματίζει ομοιοπολικές ενώσεις και ιονικές ενώσεις με αρνητικό φορτίο, σχηματίζοντας το ανιόν υδριδίου (Η^-). Παράγει επίσης επιδιαλυτομένα κατιόντα, όπως το οξώνιο (H₃O⁺). Παίζει σημαντικό ρόλο στην οξεοβασική χημεία, που περιλαμβάνει ανταλλαγή πρωτονίων μεταξύ διαλυμένων μορίων.
Μπορεί να συνδυαστεί χημικά με σχεδόν κάθε άλλο στοιχείο και έτσι μπορεί να δώσει περισσότερες ενώσεις από ότι μπορεί οποιοδήποτε άλλο στοιχείο. Στις ενώσεις αυτές συγκαταλέγονται το νερό, η αμμωνία, τα οξέα, τα υδροξείδια, διάφοροι υδρογονάνθρακες όπως το πετρέλαιο και το φυσικό αέριο και μεγάλο ποσοστό των υπόλοιπων οργανικών ενώσεων. Επίσης το απλό άτομό του είναι το μόνο ουδέτερο άτομο για το οποίο η εξίσωση Σρέντιγκερ επιλύεται αναλυτικά και γενικά η μελέτη της ενεργοποίησης και του σχηματισμού δεσμού από άτομο υδρογόνου έπαιξε πρωταγωνιστικό ρόλο στην ανάπτυξη της Κβαντομηχανικής. Εξαιτίας της ελαφρότητάς του το υδρογόνο δεν αποτελεί περισσότερο από το 1% της συνολικής μάζας της Γης. Σε καθαρή αέρια μορφή συναντάται σπάνια, κυρίως σε φυσικά αέρια και σε μικρό ποσοστό στα ανώτερα (κυρίως) στρώματα της ατμόσφαιρας. Πολλά ορυκτά και όλοι οι ζωντανοί οργανισμοί περιέχουν ενώσεις του σε πολύ μεγάλο βαθμό. Έτσι το υδρογόνο βρίσκεται στην κερατίνη, στα ένζυμα, στα μόρια του DNA, ενώ βρίσκεται άφθονο στις τροφές υπό μορφή λιπών, πρωτεϊνών και υδατανθράκων. Όλα τα βαρύτερα στοιχεία, όπως και το ήλιο (He), προκύπτουν από την πυρηνική σύντηξη του υδρογόνου. Βάσει αυτής της διαδικασίας πιστεύεται ότι σχηματίστηκε το ίδιο το Σύμπαν, ενώ η ίδια διαδικασία είναι επίσης υπεύθυνη για την έκλυση ενέργειας από τα άστρα, όπως γίνεται στον Ήλιο.
Το υδρογόνο είναι σημαντικό στη μεταλλουργία και γιατί μπορεί να διαπιδύσει πολλά μέταλλα, αφού τα μόριά του συχνά είναι μικρότερα από τα διάκενα μεταξύ των μεταλλικών ιόντων στα μεταλλικά πλέγματα των μετάλλων αυτών. Αυτό επιρεάζει τη σχεδίαση και την κατασκευή σωλήνων μεταφοράς και αποθήκευσης υδρογόνου. Το υδρογόνο προσροφάται πολύ από πολλές σπάνιες γαίες και μεταβατικά μέταλλα. και μάλιστα και από κρυσταλλικά και από άμορφα στερεά. Η προσροφητικότητα του υδρογόνου στα μέταλλα επιρεάζεται από τοπικές διαταραχές στη δομή τους.

Ιστορία της ανακάλυψης και της χρήσης υδρογόνου

Το αέριο υδρογόνο, H₂, πρωτοπαρασκευάστηκε τεχνητά από τον T. φον Χοχενχάιμ, με την επίδραση ισχυρών οξέων σε μέταλλα. Δεν γνώριζε όμως ότι το παραγόμενο εύφλεκτο αέριο από μια τέτοια αντίδραση είναι το υδρογόνο, ένα νέο χημικό στοιχείο για την εποχή. Το 1671, ο Ρόμπερτ Μπόυλ το επανανακάλυψε και περιέγραψε την αντίδραση ρινισμάτων σιδήρου και διαλυμάτων οξέων, που κατέληγαν στην παραγωγή αέριου υδρογόνου . Το 1746, ο Χένρυ Κάβεντις ήταν ο πρώτος που αναγνώρισε το παραγόμενο υδρογόνο ως ξεχωριστό χημικό στοιχείο και ονομάζοντάς το «εύφλεκτο αέρα». Αργότερα, το 1781 διαπίστωσε ότι το υδρογόνο παράγει νερό όταν καίγεται. Συχνά σε αυτόν αποδίδεται η ανακάλυψη του υδρογόνου. Το 1783, ο Αντουάν Λαβουαζιέ ονόμασε το νέο χημικό στοιχείο «υδρογόνο», για τους λόγους που αναφέροντα στην ετυμολογία της λέξης στην αρχή του άρθρου , όταν αυτός και ο Λαπλάς ξανανακάλυψαν το εύρημα του Κάβεντις, ότι δηλαδή το υδρογόνο καίγεται σχηματίζοντας νερό.
Το υδρογόνο υγροποιήθηκε για πρώτη φορά από τον Τζέιμς Ντιούαρ το 1898 χρησιμοποιώντας τη μέθοδο της απότομης εκτόνωσης συμποιεσμένου αερίου. Διατήρησε το υγρό υδρογόνο που παράχθηκε στυν ομώνυμη εφεεύρεσή του, το δοχείο Ντιούαρ Με την ίδια μέθοδο κατώρθωσε να παρασκευάσει στερεό υδρογόνο τον επόμενο χρόνο (1899).
Το δευτέριο ανακαλύφθηκε το Δεκέμβριο του 1931 από τον Χάρολντ Ουρέυ και το τρίτιο (που είναι τεχνητό) πρωτοπαρασκευάστηκε το 1934, από τους Έρνεστ Ράδερφορντ, Μαρκ Όλιφαντ και Πωλ Χάρτεκ. Το βαρύ ύδωρ (D₂O), ανακαλύφθηκε από την ομάδα του Ουρέυ το 1932.
Ο Φράνκις Ισαάκ ντε Ριβάζ καυασκεύασε τον πρώτο κινητήρα εσωτερικής καύσης που χρησιμοποιούσε μίγμα υδρογόνου και οξυγόνου το 1806.
Ο Έντουαρντ Ντάνιελ Κλαρκ ανακάλυωψε τον σωλήνα ανάφλεξης υδρογόνου το 1819.
Ο Ντομπερέινερ εφεύρε τη λυχνία υδρογόνου το 1823. Το πρώτο αερόστατο υδρογόνου εφευρέθηκε από τον Ζακ Τσαρλς το 1783. Το υδρογόνο παρείχε την απαιτούμενη άνωση για τα πρώτα αξιόπιστα αεροπορικά ταξίδια μετά από την εφεύρεση, το 1852, του πρώτου αερόπλοιο υδρογόνου από τον Χενρί Γκιφφάρντ. Ο Γερμανός Κόμης Φέρδιναρντ φον Ζέππελιν προώθησε την ιδέα των «σκληρών» αεροπλοίων που ανυψώθηκαν με υδρογόνο και που αργότερα ονομάσθηκαν προς τιμήν του Ζέππελιν. Το πρώτο τέτοιο αερόπλοιο πέταξε το 1900. Η εφεύρεση αυτή εφκαινίασε τις πρώτες τακτικές αερογραμμές που, από το 1910, που άρχισαν, μέχρι την έναρξη του ΑΠΠ, τον Αύγουστο του 1914 είχαν μεταφέρει 35.000 επιβάτες χωρίς κανένα ατύχημα. Κατά τη διάρκεια του πολέμου τα ζέπελιν χρησιμοποιήθηκαν σε αποστολές αναγνώρισης και βομβαρδισμού και με ανύψωση από πλοία του ναυτικού.
Η πρώτη υπερατλαντική πτήση (χωρίς στάσεις) έγονε από το βρετανικό αερόπλοιο R34 to 1919. Οι κανονικές αερογραμμές με αερόπλοια επαναλήφθηκαν τη δεκαετία του 1920 και η ανακάλυψη του ηλίου στις ΗΠΑ, ως μη εύφλεκτο υποσχόταν αυξημένη ασφάλεια, αλλά οι ΗΠΑ αρνήθηκαν να πουλήσουν το νέο αέριο για μια τέτοια χρήση. Γι' αυτό συνηχίστηκε η χρήση υδρογόνου στα αερόπλοια, μέχρι το περίφημο δυστύχημα του αερόπλοιου Hindenburg πάνω από τη Νέα Υερσέη στις 6 Μαΐου του 1937. Το επισόδιο μεταδόθηκε ζωντανά από το ραδιόφωνο και κινηματογραφήθηκε. Η ανάφλεξη διαρροής υδρογόνου θεωρήθηκε ευρέως ως η αιτία του, αλλά πιο προσεκτικές έρευνες που έγιναν αργότερα έδειξαν πως η αιτία ήταν η ανάφλεξη του υφάσματος με επικάλυψη αλουμινίου, που χρησίμευε σαν περίβλημα, από στατικό ηλεκτρισμό. Όμως η δυσφήμιση του υδρογόνου ως ανυψωτικού αερίου από το συμβάν είχε γίνει και ήταν καταλυτική και προκάλεσε τη διακοπή της χρήσης αεροπλοίων εις όφελος των βαρύτερων του αέρα αεροπλάνων, που στην πραγματικότητα όμως ποτέ δεν εγγυήθηκαν τη σχετικά ανώτερη ασφάλεια των αεροπλοίων (έστω και υδρογόνου), που είχαν μόλις ένα δυστύχηκα σε περίπου 30 χρόνια πτήσεων. Βέβαια, στην επιλογή των αεροπλάνων στις εθνικές και διεθνείς αερογραμμές συνέβαλε και το γεγονός της αυξημένης ταχύτητας που τα τελευταία πέτυχαν καθώς εξελίσσονταν, που ήταν δύσκολο να την παρακολουθήσουν αναλογικά πιο ογκώδη αερόπλοια.
Ωστόσο άλλες χρήσεις του υδρογόνου συνέχησαν να εφευρίσκονται και να χρησιμοποιούνται, όπως η πρώτη ψυχόμενη με υδρογόνο στροβιλογεννήτρια το 1937 στο Ντέυτον του Οχάιο, από την Dayton Power & Light Co, που λόγο της θερμικής αγωγιμότητας του αερίου υδρογόνου είναι η πιο συνηθισμένη μέθοδος στον τομέα ακόμη και στις μέρες μας (2009).
Το 1977 εφρευρέθηκε η πρώτη μπαταρία νικελίου - υδρογόνου και χρησιμοποιήιηκε από τον τεχητό δορυφόρο NTS-2. Ακολούθησαν σε χρήση της μπαταρίας αυτής στους δορυφόρους ή διαστημόπλοια ISS, Mars Odyssey, Mars Global Surveyor και το διαστημικό τηλεσκόπιο Hubble.
Τέλος μίγμα υγρού υδρογόνου και οξυγόνου χρησιμοποιείται ως το συνηθισμένο προωθητικό των τελευταίων ορόφων πυραύλων, των διαστημοπλοίων και των διαστημικών λεωφορείων.

Ο ρόλος του υδρογόνου στην ανάπτυξη της κβαντικής θεωρίας

Χαρακτηριστικές γραμμές φάσματος εκπομπής υδρογόνου ατο ορατό - κοντινό υπεριώδες φάσμα. Η προσπάθειοα εξήγησής τους οδήγησε στην ανάπτυξη της κβαντικής θεωρίας

.

Το άτομο του υδρογόνου είναι το σχετικά απλούστερο δομικά άτομο στη φύση, αποτελούμενο μόνο από ένα πρωτόνιο στο κέντρο και ένα ηλεκτρόνιο που περιφέρεται γύρω απ' αυτό, στην 1s ηλεκτρονικές στοιβάδες, όπως αποδείχθηκε αργότερα. Η συμπεριφορά του στα μήκη κύματος του φάσματος του φωτός οδήγησε αρχικά στην ανάπτυξη της ατομική θεωρίας και σταδιακά και της κβαντικής θεωρίας.

Ηλεκτρονική δομή H₂⁺

Επιπλέον, εκτός από το άτομο του υδρογόνου, που έχει το πιο απλό άτομο στη φύση, υπάρχει και το H₂⁺, που παρέχειτο απλούστερο μόριο της φύσης, περιέχοντας δυο πρωτόνια και ένα ηλεκτρόνιο που επιρεάζεται και από τα δυο και καθιστά δυνατή τη ζεύξη τους (με μισό ομοιοπολικό δεσμό), παρά την αμοιβαία απώθησή τους. Αυτό βαήθησε με τη φορά τους την κατανόηση της φύσης του χημικού δεσμού που οδήγησε με τη σειρά της στην ανάπτυξη της κβαντικής μηχανικής και της έννοιας των μοριακών τροχιακών, στα μέσα της δεκαετίας του 1920.
Μια από τις πρώτες εφαρμογές της κβαντικής σημειώθηκε (αν και δεν έγινε αντιληπρό στην εποχή του) ήταν η παρατήρηση του Μάξγουελ για το υδρογόνο, μισό αιώνα πριν από την πλήρη ανάπτυξη της κβαντικής μηχανικής: Ο Μάξγουελ παρατήρησε ότι η ειδική θερμοχωρητικότητα του διυδρογόνου (H₂) αναμφίβολα διαφέρει από αυτή διατομικού αερίου, σε θερμοκρασίες μικρότερες από 20^o C, μοιάζει ολοένα περισσότερο με αυτή ενός μονοατομικό μόριο καθώς πλησιάζουμε στις πολύ χαμηλές θερμοκρασίες. Αυτό εξηγείται με την κβαντική θεωρία που πηγάζει από την κβαντισμένη μρταβολή της ενέργειας περιστροφής των μορίων. Αυτή η μεταβολή είναι λιγότερο φανερή στα βαρύτερα άτομα και μόρια.

Το άτομο του υδρογόνου

Το άτομο του υδρογόνου περιέχει ένα θετικά φορτισμένο πρωτόνιο στο κέντρο και ένα αρνητικά φορτισμένο ηλεκτρόνιο που περιφέρεται γύρω του. Τα δυο αντίθετα φορτισμένα σωματίδια έλκονται αμοιβαία με δυνάμεις Coulomb.
Το άτομο του υδρογόνου έχει ιδιαίτερη σημασία για την κβαντική μηχανική και τη θεωρία κβαντικού πεδίου, αφού το απλό πρόβλημα δυο σωματιδίων επιτρέπει πολύ ακριβείς λύσεις.
Το 1914, ο Νιλς Μπορ παρατήρησε ότι οι φασματικές συχνότητες του ατόμου του υδρογόνου προκύπτον με έναν αριθμό απλοποιημένων υποθέσεων. Οι υποθέσεις αυτές είχαν σαν συνέπεια τη διατύπωση του ατομικού προτύπου του Bohr, που αν και όχι απολύτως ακριβές δίνει σωστές ενεργειακές απαντήσεις. Οι υποθέσεις του Bohr επιβεβαιώθηκαν σε μεγάλο βαθμό από την πλήρη κβαντομηχανική ανάλυση που αξιοποιεί την εξίσωαη Schrödinger, όπως η τελευταία διατυπώθηκε τη διετία 1925 - 1926. Η λύση της εξίσωσης Schrödinger είναι αναλυτική και από αυτήν προκύπτουν τα ενεργειακά επίπεδα του υδρογόνου και από αυτά οι φασματικές συχνότητές του. Ωστόσο η εξίσωση Schrödinger προχωρά πολύ περισσότερο από ότι το ατομικό πρότυπο του Bohr, αποδίδοντας το σχήμα της ηλεκτροκυματικής συνάρτησης («τροχιακού») για τις πιθανές κβαντομηχανικές καταστάσεις, εξηγώντας έτσι τον ανισοτροπικό χαρακτήρα των διατομικών δεσμών.
Ακόμη, η εξίσωση Schrödinger επεκτείνεται σε πιο πολύπλοκα άυομα, μόρια και σύμπλοκα. Ωστόσο, οι λύσεις που προκύπτουν γι' αυτά τα συστήματα δεν είναι τόσο απόλυτα ακριβείς και περιλαμβάνουν απαραίτητες απλιποιήσεις ή και προσεγγύσεις. Η εξέλιξη όμως των υπολογιστικών συστημάτων επιτρέπει την ολοένα ακριβέστρερη πρρσέγγιση.

Η λύση της εξίσωσης Schrödinger για το άτομο του υδρογόνου και σύνοψη των αποτελεσμάτων της

Η εξίσωση Schrödinger για το άτομο του υδρογόνου είναι:

$H\psi =E\psi \Leftrightarrow {\frac {-h^{2}}{8\pi ^{2}m}}\nabla ^{2}-{\frac {q_{e}}{4\pi \epsilon _{0}}}{\frac {1}{r}}=E\psi$

όπου:

H: «τελεστής Hamilton».

ψ: κυματοσυνάρτηση.

Ε: ενέργεια.

h: σταθερά Planc.

m: μάζα ηλεκτρονίου.

$\nabla ^{2}={\frac {\partial ^{2}\psi }{\partial x^{2}}}+{\frac {\partial ^{2}\psi }{\partial y^{2}}}+{\frac {\partial ^{2}\psi }{\partial z^{2}}}={\frac {1}{r^{2}}}{\begin{bmatrix}{\frac {\partial }{\partial r}}{\begin{pmatrix}r^{2}{\frac {\partial \psi }{\partial r}}\end{pmatrix}}+{\frac {1}{\eta \mu ^{2}\theta }}{\frac {\partial ^{2}\psi }{\partial \phi ^{2}}}+{\frac {1}{\eta \mu \theta }}{\frac {\partial }{\partial \theta }}{\begin{pmatrix}\eta \mu \theta {\frac {\partial \psi }{\partial \theta }}\end{pmatrix}}\end{bmatrix}}$

q_e: ηλεκτρικό φορτίο ηλεκτρονίου.

ε₀: διηλεκτρική σταθερά κενού.

r: η απόσταση από το πρωτόνιο.

Αποδεικνύεται ότι η λύση της εξίσωσης Schrödinger; Ψ(r,φ,θ) = R(r)Φ(φ)Θ(θ), δηλαδή ισούται με γινόμενο μιας ακτονικής και δυο γωνιακών κυματοσυναρτήσεων. Η λύση της εξίσωσης Schrödinger (ένα σύστημα κυματοσυναρτήσεων) για το άτομο υδρογόνου χρησιμοποιεί το γεγονός ότι το πεδίο Coulomb που παράγεται από το πρωτόνιό του είναι ισοτροπικό (είναι ακτινωτά συμμετρικό στο χώρο και εξαρτάται μόνο από την απόσταση από το πρωτόνιο). Ωστόσο οι ενεργειακές ιδιοτιμές (τροχιακά) που προκύπτουν δεν είναι απαραιτήτως ισοτροπικές οι ίδιες, από την εξάρτησή τους από τις γωνιακές συντεταγμένες προκύπτει συνολικά η γενική ισοτροπία του πεδίου: Οι ιδιοτιμές της Χαμιλτόνειας ενέργειας (δηλαδή οι ενεργειακές καταστάσεις, οι ενεργειακές στάθμες) μπορούν α επιλεχτούν ως ταυτόχρονες ιδιοκαταστάσεις ενός τελεστή γωνιακής ορμής. Αυτό αντιστοιχεί στο γεγονός ότι η γωνιακή ορμή συντηρείται από την τροχιακή κίνηση του ηλεκτρονίου γύρω από το πρωτόνιο. Επομένως, οι ενέργειακές ιδιοκαταστάσεις μπορούν να ταξινομηθούν από τους δύο κβαντικούς αριθμούς (= αριθμοί ακέραιων αριθμών) γωνιακής ορμής, l και m . Ο κβαντικός αριθμός «γωνιακής ορμής» l = 0 ..1 ..2... καθορίζει το μέγεθος της γωνιακής ορμής. Ο «μαγνητικός» κβαντικός αριθμός m = 0, ±1, .., ±l καθορίζει την προβολή της γωνιακής ορμής στο (αυθαίρετα επιλεγμένο) άξονα z.
Για τη βασική κατάσταση του ατόμου του υδρογόνου έχουμε το ηλεκτρόνιο τοποθετημένο στο 1s τροχιακό που πρκύπτει από την ακόλουθη τετράδα κβαντικών αριθμών:
n = 1, l = 0, m = 0, m_s = ½.
Η ακτινική κυματοσυνάρτηση για το 1s τροχιακό είναι:

$R{\begin{pmatrix}r\end{pmatrix}}=e^{-{\frac {r}{\alpha _{0}}}}$

όππυ

R(r): ακτινική κυματοσυνάρτηση.

r: η απόσταση από το πρωτόνιο.

$\alpha _{0}={\frac {h^{2}\epsilon _{0}}{\pi mq_{e}^{2}}}$: η ακτίνα υδρογόνου κατά Bohr.

To 1s τροχιακό είναι σφαιρικό στο σχήμα.

• Ενότητα υπό κατασκευή...

Παρασκευή

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

1. Από το φυσικό αέριο ή το φωταέριο, με κλασματική διαπήδιση.
2. Με την επίδραση νερού σε νάτριο (ή κάλιο) «εν ψυχρώ»:

$2H_{2}O+2Na{\xrightarrow {}}2NaOH+H_{2}$

• Η αντίδραση είναι έντονα εξώθερμη. Αν γίνει χωρίς προσοχή καταλήγει σε έκρηξη του παραγώμενου υδρογόνου, λόγω ανάφλεξής του με το ατμοσφαιρικό οξυγόνο. Με χρήση καλίου είναι ακόμη πιο βίαιαη.

3. Με την επίδραση αλκοόλης σε νάτριο «εν ψυχρώ»:

$2CH_{3}CH_{2}OH+2Na{\xrightarrow {}}2CH_{3}CH_{2}ONa+H_{2}$

• Η αντίδραση είναι έντονα εξώθερμη. Αν γίνει χωρίς προσοχή καταλήγει σε έκρηξη του παραγώμενου υδρογόνου, λόγω ανάφλεξής του (πιθανόν και της αλκοόλης) με το ατμοσφαιρικό οξυγόνο.
• Η αντίδραση πραγματοποιείται και με άλλες αλκοόλες και με K, οι περισότερες πιο αργά απ' ότι με το νερό, αλλά με αρωματικές όπως η φαινόλη, σε υγρή κατάσταση, ταχύτερα. Με χρήση καλίου η αντίδραση είναι ακόμη πιο βίαιαη.

4. Με την επίδραση υπέρθερμων υδρατμών σε διάπυρο σίδηρο:

$4H_{2}O+3Fe{\xrightarrow {\triangle }}Fe_{3}O_{4}+4H_{2}$

5. Με την επίδραση υπέρθερμων υδρατμών σε διάπυρο άνθρακα:

$2H_{2}O+C{\xrightarrow {\triangle }}CO_{2}+2H_{2}$

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

$2H_{2}O+2LiH{\xrightarrow {}}2LiOH+H_{2}$

7. Με ηλεκτρόλυση νερού: [Στην πράξη πρόκειται για ηλεκτρόλυση διαλύματος NaOH που αντιστοιχεί έμμεσα σε ηλεκτρόλυση νερού. (Το αποσταγμένο νερό είναι κακός αγωγός του ηλεκτρισμού και δεν περιέχει ιόντα για να γίνει ηλεκτρόλυση):

• Η συνολική αντίδραση εκφράζεται από την ακόλουθη στοιχειομετρική εξίσωση:

$H_{2}O{\xrightarrow {\eta \lambda \epsilon \kappa \tau \rho {\acute {o}}\lambda \upsilon \sigma \eta }}H_{2}+{\frac {1}{2}}O_{2}$

8. Από τα οξέα, με αντικατάσταση του Η από μέταλλο:

$Zn+H_{2}SO_{4}{\xrightarrow {}}ZnSO_{4}+H_{2}$

• Δεν μπορπύν να χρησιμοποιηθούν γι' αυτόν το σκοπό μέταλλα λιγότερο ηλεκτροθετικά από το υδρογόνο, όπως π.χ. Cu.

9. Από τις βάσεις με την επίδραση επαμφοτερίζοντων στοιχείων:

$6KOH+2Al{\xrightarrow {}}2K_{2}AlO_{3}+3H_{2}$

10. Από την πυρόλυση του μεθανίου:

$CH_{4}{\xrightarrow {\triangle }}C+2H_{2}$

11. Aπό το μεθάνιο με την επίδραση νερού και παρουσία νικελίου ως καταλύτη (παραγωγή υδραερίου):

$CH_{4}+H_{2}O{\xrightarrow[{700-1100^{o}C}]{Ni}}CO+3H_{2}$

12. Με καταλυτική αφυδρογόνωση αιθανίου

$CH_{3}CH_{3}{\xrightarrow[{Pd,Pt}]{\triangle }}CH_{2}=CH_{2}+H_{2}$

13. Mε υδροδιάσπαση στους 5000^oC:

$2H_{2}O{\xrightarrow {5000^{o}C}}2H_{2}+O_{2}$

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

Φυσικές ιδιότητες

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

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

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

Χημικές Ιδιότητες

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

H₂ + ¹/₂O₂ → H₂O + 143 kJ

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

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

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

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

Βιολογία

Το υδρογόνο είναι ένα από τα 27 απαραίτητα χημικά στοιχεία για τη ζωή. Μαζί με τον άνθρακα, το οξυγόνο και το άζωτο αποτελούν, σε ποσοστότο, το 96% (κατά βάρος) των ζωντανών οργανισμών.

Το υδρογόνο ως φορέας ενέργειας

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

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

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

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

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

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

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

Χρήσεις

Εν συντομία, αναφέρονται μερικές από τις χρήσεις του

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

Δείτε επίσης

• Βαρύ υδρογόνο
• Βόμβα υδρογόνου

Πηγές

• Το υδρογόνο στην αγγλική έκδοση της Βικιπαίδειας.
• Το άτομο του υδρογόνου στην αγγλική έκδοση της Βικιπαίδειας.
• J.N. Murell, S.F.A. Kettle, J.N. Tedder: Ο Χημικός δεσμός, μια εισαγωγή στην Κβαντική Θεωρία, Μυφ Στ. Φαράντος, Πανεπιστημιακές Εκδόσεις Κρήτης, 1992.