Szervetlen kémia Vegyészmérnök BSc hallgatók számára A hidrogén és a nemesgázok

A hidrogén

Előfordulás, fizikai tulajdonságok A hidrogén atomszázalékban kifejezve a világmindenség leggyakoribb, a földkéreg második leggyakoribb eleme. A légkörben elemi állapotban nagyon kis mennyiségben fordul elő, aminek jó része vulkáni tevékenység során jut a levegöbe. A hidrogén legnagyobb mennyiségben víz formájában található, emellett szánlottevö mennyiségben fordul elő szerves molekulákban, így pl. a növények vázát képező szénhidrátokban is. A természetben előforduló hidrogén túlnyomó többsége az 1 H izotóp (hidrogén, prócium), emellett nagyon kis mennyiségben (0,0156% ) megtalálható a 2 H izotóp, amelyet deutériumnak neveznek. A hidrogén harmadik izotópját, az 3 H tríciumot csak 1938-ban sikerült a termlészetben kimutatni, miután négy évvel korábban már magreakcióban mesterségesen elöállították. A trícium radioaktív, felezési ideje 12,35 év.

2 Na + H 2 = 2 NaH A hidrogén kémiai tulajdonságai NaH + H 2 O = NaOH + H 2 H 2 + F 2 = 2 HF H 2 + Cl 2 = 2 HCl

A hidrogén kémiai tulajdonságai H 2 + S H 2 S 2 H 2 + O 2 = 2 H 2 O 3 H 2 + N 2 2 NH 3 CuO + H 2 = Cu + H 2 O T, p, kat. H 2 C=CH 2 + H 2 H 3 C-CH 3

elektrolízis 2 H 2 O 2 H 2 + O 2 A hidrogén laboratóriumi előállítása Zn + 2 HCl ZnCl 2 + H 2 CaH H 2 O Ca(OH) H 2

C. C + H 2 O CO + 3 H 2 A hidrogén ipari előállítása C CO + H 2 O CO 2 + H 2 Fe- v. Co-oxid kat. világtermelés: kb. 18% hűtés

900 0 C, Ni kat. C 3 H H 2 O 3 CO + 7 H 2 A hidrogén ipari előállítása C CO + H 2 O CO 2 + H C CO + 3 H 2 CH 4 + H 2 O C MeOH CO + 2 H 2 fém-kromit kat. világtermelés: kb. 77%

A hidrogén ipari előállítása

A hidrogén felhasználása A hidrogén klórral való közvetlen reagáltatása a hidrogén-klorid fontos forrása. Egy kisebb, de még mindig lényeges felhasználása a fém- hidridek és a komplex fém-hidridek előállítása. Alkalmaznak hidrogént a metallurgiában is, oxidok fémekké történő redukálására (pl. Mo, W), illetve redukáló moszféra biztosítására. Mostanában már mind technikai, mind pedig gazdaságossági szempontokból megvalósíthatónak látszik a vasércek közvetlen redukciója az acélgyártásban. A hidrogén másik, közepes volumenű felhasználása az olvasztásra, vágásra szolgáló "durranógáz-alapú" hegesztőkben, illetve az atomos hidrogén hegesztőkben van. Cseppfolyós hidrogént használnak buborékkamrákban, nagyenergiájú részecskék tanulmányozására, ill. (oxigénnel együtt) az űrprogramban, mint rakétahajtóanyag szerepel. A hidrogéngáz a belsőégésű motorok és fűtőcellák nagy volumenű fűtőanyaga lehet, ha valamikor az elképzelt "hidrogénalapú" gazdaság megvalósul.

A hidrogénalapú gazdaság Az egyik megoldásnak látszik, mely számos vonzó előnnyel kecsegtet, a hidrogénalapú gazdaság, amelynél az energia tárolása, szállítása cseppfolyós, vagy gáz-halmazállapotú hidrogén formájában történhet. E megoldást támogatók kiemelik, hogy az energiaforrásban egy ilyen nagy váltás, bár nyílvánvalóan drámai, de nem példa nélkül való, hiszen az elmúlt 100 év alatt ez kétszer is megtörtént. Nevezetesen, 1880-ban a szén lett a világ első számú energiaforrása, megelőzve a fát (ez utóbbi részesedése napjainkban már csupán 2%). Hasonlóképpen, 1960-ban, a szenet -mely ma már csupán kb. 15%-os részesedésű - megelőzte az olaj.(Meg kell ugyanakkor jegyezni, hogy ez nem azt jelenti, hogy a felhasznált szénmennyiség ténylegesen csökkent volna: 1930-ban az olajekvivalensben kifejezett i szénfelhasználás 14,5x10 6 hordó volt naponta, ami akkor a teljes energiafelhasználás 75%-át tette ki ben, bár a szénfelhasználás abszolút értékben 11 %-kal (napi 16,2x10 6 hordó) nőtt, már a világ napi teljes energiafelhasználásának, ami időközben 4-6-szorosára nőtt, csupán 18%-a volt. ) Más változást is figyelembe kell azonban venni. Az atomenergia, mely valójában mint ipari energiaforrás 1950-ben még nem létezett, ma már a világ áramszükségletének 16%-át fedezi. A szén részesedését tehát már túlhaladta és minden bizonnyal az olajét is túl fogja haladni a következő században. A "hidrogéngazdaság" célja, hogy az energiát ne villamos energia, hanem hidrogén formájában továbbítsák, így kiküszöbölve egy olyan nagy problémát, hogy a villamos encrgia nem tárolható, továbbá az encrgiaszállítás költségei is csökkenhetnek.

A deutérium és a trícium jelentősége Izotópjai közül a deutériumot egy modem anyagszerkezet-vizsgáló eljárásban, az NMR spektroszkópiában használják deuterált oldószerek formájában, amelyek jellegzetessége, hogy nem zavarják a normál hidrogén mérését és így lehetőé teszik az egyes anyagok szerkezetének egyszerű meghatározását. A trícium leginkább radioaktív nyomjelzéses kísérletekben, valamint a nukleáris technikában használatos. HOH + HD HOD + H-H

A nemesgázok A hélium a második leggyakoribb elem az univerzumban (76% H, 23% He), mivel hidrogénből képződik, de túl könnyű és ezért a Föld nehézségi erőterében nem maradhatott meg az eredetileg keletkezett mennyiségben, hanem eltávozott és a jelenleg a Földünkön található hélium az argonhoz hasonlóan radioaktív bomlás eredménye.

A nemesgázok fizikai tulajdonságai A nemesgázok nem alkotnak molekulát, hanem minden halmazállapotban atomosak. Szilárd állapotban molekularácsos vegyületek, a rácspontokban azonban nem molekulák, hanem atomok helyezkednek el. Nagyon kis olvadás- és forráspontúak, széles hőmérséklet- tartományban pedig gáz halmazállapotúak Az olvadás és a forráspont értékei az oszlopban lefele haladva növekednek, de még a radon esetén is csak alig különböznek egymástól. Mindkét változás annak köszönhető, hogy az atomok közöt! csak nagyon gyenge diszperziós erők hatnak, az atomok méretének növekedésével az elektronburok polarizálhatósága is növekszik, ami maga után vonja a másodlagos kötőerők növekedését. A hélium nagyon nehezen cseppfolyósítható gáz, légköri nyomáson nem kristályosítható. A cseppfolyós hélium 2,2 K alatti hőmérsékleten különleges tulajdonságot mutat, ún. szuperfolyékony állapotba kerül. Ez azt jelenti, hogy megszűnik a belső súrlódása, aminek következtében nagyon nehéz nyitott termoszban eltartani, ugyanis vékony rétegben bevonja a tároló edény falát és mintegy "kimászik" az edényből.

A nemesgázok kémiai tulajdonságai

Xe + 2 PtF 6 = [XeF + ][PtF 6 - ] + PtF 5 A nemesgázok kémiai tulajdonságai Xe + nF 2 = XeF 2n n = 1-3 XeF H 2 O = XeO HF

A nemesgázok kémiai tulajdonságai

A nemesgázok előfordulása és előállítása A hélium és az argon megtalálható egy urántartalmú ásvány (cleveit) gázzárványaiban, egyes esetekben kg-onként 1-3 cm 3 hélium is előállítható belőle. Iparilag kiaknázott héilumforrás volt a ritkaföldfémeket tartalmazó monacithomok. A nehezebb nemesgázok a levegőben találhatók. A radon a különbözö radioaktív anyagok bomlása során képzödik. A hélium egyes földgázokban nagyobb mennyiségben (1- 2%) is előfordul. A nemesgázok előállítása nem kémiai, hanem fizikai műveletekkel történik, hiszen a természetben vegyületei nem fordulnak elö. A legtöbb nemesgázt a cseppfolyós levegőből, annak frakcionált desztillációjával állítják elő.

A nemesgázok felhasználása A nemesgázok közül a legolcsóbb az argon, mivel a levegőben a többi nemesgázhoz képest viszonylag nagy mennyiségben megtalálható. Az argont elterjedten használják hegesztéseknél védögáznak, laboratóriumokban inert atmoszféra biztosítására. A héliumot régebben léggömbök töltésére használták, mert a hidrogén után a héliunmak a legnagyobb a felhajtóereje és nem gyúlékony. Kisebb mennyiségben ma is alkalmazzák meteorológiai ballonokban. A folyékony héliumot legnagyobb mennyiségben nagyon alacsony hőmérséklet előállítására és fenntartására használják szupravezetö elektromágnesekkel müködő készülékekben, de a szuperszámítógépek központi egységének a hütésére is felhasználják. Héliumot alkalmaznak nitrogén helyett a nagy mélységbe lemerülő búvárok és az űrhajók mesterséges levegőjének előállítására, mert a hélium nagyon rosszul oldódik a vérben, így hirtelen nyomáscsökkenéskor nem jön létre levegőembólia. Kisebb mennyiségben a nemesgázokat reklám és dekorációs célokra készülö kisülési csövek (neoncsövek) töltésére használják, mert a nemesgázok mindegyike más-más színű fénnyel világít. Nagyobb mennyiségű nemesgázt, föként kriptont használnak az izzólámpák töltésére, mert a töltött izzólámpák fényereje és élettartama nagyobb. A kripton izzólánlpákban való felhasználását Bródy Imre magyar fizikus dolgozta ki.