Hidrojen Ve Hidrojenin Özellikleri

Hidrojen ve Hidrojenin Özellikleri

Hidrojen (Yunanca: ὑδρογόνο = su yapan; Osmanlıca müvellidülmâ = su yapan), element sembolü H olan, 1 atom sayılı kimyasal elementtir Standart sıcaklık ve basınç altında renksiz, kokusuz, metalik olmayan, tatsız, oldukça yanıcı ve H2 olarak bulunan bir biatomik gazdır 100794 g/mollük atomik kütlesi ile tüm elementler arasında en hafif elementtir Periyodik cetvelde sol üst köşede yer alır

Hidrojen, evrenin kütlesinin %75'ni oluşturan ve evrende en çok bulunan elementtir[1] Ana hatta bulunan yıldızların çoğunluğu plazma halinde olan hidrojenden oluşur Elementel hidrojen dünyada az bulunur Endüstride metan gibi hidrokarbonlardan üretilebildiği gibi, pahalı olsa da suyun elektrolizinden de üretilebilir

Hidrojenin en yaygın doğal izotopu, nötronsuz protiyumdur Hidrojen pek çok elementle bileşik verebilir, suda ve pek çok organik molekülde bulunur Suda çözünen moleküller arasındaki asit-baz tepkimlerinde önemli rol oynar Schrödinger denkleminin analitik olarak çözülebildiği tek nötral molekül olduğu için, hidrojen atomunun enerji basamakları ve bağ özellikleri kuantum mekaniğinin gelişmesinde önemli rol oynamıştır

Hidrojenin tarihi

Hidrojen 1500'lü yıllarda keşfedilmiş, 1700'lü yıllarda yanabilme özelliğinin farkına varılmış, evrenin en basit ve en çok bulunan elementi olup, renksiz, kokusuz, havadan 144 kez daha hafif ve tamamen zehirsiz bir gazdır

Güneş ve diğer yıldızların termonükleer tepkimeye vermiş olduğu ısının yakıtı hidrojen olup, evrenin temel enerji kaynağıdır -25277 °C'da sıvı hale getirilebilir Sıvı hidrojenin hacmi gaz halindeki hacminin sadece 1/700'ü kadardır Hidrojen bilinen tüm yakıtlar içerisinde birim kütle başına en yüksek enerji içeriğine sahiptir 1 kg hidrojen 21 kg doğalgaz veya 28 kg petrolun sahip olduğu enerjiye sahiptir Ancak birim enerji başına hacmi yüksektir

Hidrojen gazını yapay olarak ilk defa T Von Hohenheim (ayrıca Paracelsus, 1493 - 1521, olarak da bilinir) tarafından güçlü asitlerle metalleri karıştırarak elde etmiştir Bu kimyasal reaksiyon sonucu elde edilen bu yanıcı gazın yeni bir element olduğunun farkına varamamıştır 1671 yılında hidrojen Robert Boyle tarafından demir çubuk ve seyreltik asit çözeltilerinin reaksiyonu sonucu üretilerek yeniden keşfedilmiştir 1766 yılında Henry Cavendish metal asit reaksiyonuyla elde edilen, havada yanan, yandığı zaman su açığa çıkaran hidrojenin ayrı bir element olduğunun farkına varmıştır Cavendish'in hidrojenle tanışması cıva ve asitlerle yaptığı deneyler zamanında olmuştur Başlangıçta hidrojenin cıvayı oluşturan birimlerden biri olduğunu, cıvanın asitle reaksiyonundan ortaya çıktığını düşünmüş, buna rağmen hidrojenin pek çok önemli özelliğini gerçekci şekilde tasvir edebilmiştir 1783'te Antoine Lavoiser Laplace ile Cavendish'in bulduklarını tekrarlarken, yandığı zaman su üreten bu gaza hidrojen adını vermiştir Hidrojenin ilk kullanım yerlerinden biri balonlar ve daha sonraları zeplinlerdir Bu amaçlar için hidrojen metalik demir ve sülfürik asidin reaksiyona girmesiyle elde edilmiştir Hidrojen Hindenburg adlı, havada yanarak yok olan zeplinde kullanılmıştır Balonlarda daha sonraları oldukça patlayıcı olan hidrojenin yerine inert helyum kullanılmıştır

Hidrojenin keşfi

Hidrojen gazını yapay olarak ilk defa T Von Hohenheim (ayrıca Paracelsus, 1493 - 1521, olarak da bilinir) tarafından güçlü asitlerle metalleri karıştırılarak elde edilmiştir Bu kimyasal reaksiyon sonucu elde edilen bu yanıcı gazın yeni bir element olduğunun farkına varamamıştır 1671 yılında hidrojen Robert Boyle tarafından demir çubuk ve seyreltik asit çözeltilerinin reaksiyonu sonucu üretilerek yeniden keşfedilmiştir 1766 yılında Henry Cavendish metal asit reaksiyonuyla elde edilen, havada yanan, yandığı zaman su açığa çıkaran hidrojenin ayrı bir element olduğunun farkına varmıştır Cavendish'in hidrojenle tanışması cıva ve asitlerle yaptığı deneyler zamanında olmuştur Başlangıçta hidrojenin cıvayı oluşturan birimlerden biri olduğunu, cıvanın asitle reaksiyonundan ortaya çıktığını düşünmüş, buna rağmen hidrojenin pek çok önemli özelliğini gerçekci şekilde tasvir edebilmiştir 1783'te Antoine Lavoiser Laplace ile Cavendish'in bulduklarını tekrarlarken, yandığı zaman su üreten bu gaza hidrojen adını vermiştir Hidrojenin ilk kullanım yerlerinden biri balonlar ve daha sonraları zeplinlerdir Bu amaçlar için hidrojen metalik demir ve sülfürik asidin reaksiyona girmesiyle elde edilmiştir Hidrojen Hindenburg adlı, havada yanarak yok olan zeplinde kullanılmıştır Balonlarda daha sonraları oldukça patlayıcı olan hidrojenin yerine inert helyum kullanılmıştır

Kuantum teorisinin gelişmesindeki yeri

1 proton ve 1 elektrondan oluşan hidrojen atomu, basit atomik yapısı, ışık emilim ve yayma spekturumu sayesinde atomik yapının geliştirilmesinde önemli rol oynamıştır Hidrojen molekülünün ve ona karşılık gelen H2+ katyonu basit yapısı kimyasal bağların doğası hakkında önemli bilgiler vermiş, bunu 1920'li yıllların ortalarında hidrojen atomunun kuantum mekaniği uygulaması izlemiştir
Evrende hidrojen [değiştir]

Hidrojen evrenin kütlece %75'ini, atom sayıca %90'nı oluşturur ve bu oranlarıyla evrende en çok bulunan elementtir Bu element yıldızlarda, dev gaz gezegenlerinde büyük miktarda bulunur Moleküler hidrojen bulutları yıldızların oluşumuyla bağlantılıdır Hidrojen yıldızların proton-proton nükleer füzyon reaksiyonuyla enerji üretmesinde önemli rol oynar

Evrende hidrojen atomik ya da plazma halinde bulunur Plasma hali atomik halinden oldukça farklıdır Bu halde hidrojen elektronu ve protonu bağlı değildir ve bu oldukça yüksek elektrik iletkenliği ve ışık yayılımına (güneş ve diğer yıldızlar ışık yayar) sahiptir Yüklü partiküller elektrik ve manyetik alanlarda oldukça etkilenirler Mesala, güneş rüzgarında dünyanın magnetospheri ile etkileşerek Birkeland akımları ve auroraya yol açarlar Uzayda hidrojen nötral atomik halde bulunur

Normal şartlar altında hidrojen biatomik gaz (H2) halinde bulunur Hafifliği nedeniyle diğer daha ağır gazlara göre yerçekimi kuvvetinden kolayca kurtulur Bu nedenle dünya atmosferinde hidrojen gazı oranı oldukça düşüktür (hacimce 1 ppm) Hidrojen atomu ve H2 molekülü uzayda bolca bulunduğu halde dünya da bunların üretimi ve saflaştırılması oldukça güçtür Bütün bunlara rağmen hidrojen dünyada en çok bulunan üçüncü elementtir yeryüzündeki hidrojen su, hidrokarbonlar gibi kimyasal bileşiklerin içinde bulunur Hidrojen gazı bazı bakteri ve algae tarafından üretilir Günümüzde methan gazı önemi artan bir hidrojen kaynağıdır

Hidrojen Atomu



Izotopları

Protiyum, hidrojenin en yaygın izotopu

Hidrojenin doğada üç izotopu vardır Bunlar 1H, 2H, ve 3H Oldukça kararsız diğer izotoplar (4H - 7H) laboratuar koşullarında sentezlenmiştir

* 1H %9998 ile hidrojenin doğada en çok bulunan izotopudur Bu izotop çekirdeğinde yanlızca bir proton içerdiğinden protium denilmiştir
* 2H `hidrojenin diğer kararlı izotopudur Döteryum olarak da bilinir Çekirdeğinde 1 proton ve 1 nötron içerir Deuterium yeryüzündeki hidrojenin %00184'nü oluşturur Radyoaktif değildir ve belirgin bir kirliliğe yol açmaz Suyun içinde hidrojen yerine deuterium bakımından zenginleştirilmiş suya ağır su denir Deuterium ve bileşikleri kimyasal reaksiyonlarda radyoaktif olmayan etiketlemelerde ve 1H-NMR da çözücü olarak kullanılır Ağır su nükleer reaktörlerde nötron kontrolü ve soğutucu olarak kullanılır Deuterium ayrıca ticari çekirdek füzyonda olası yakıttır
* 3H ayrıca Trityum olarak da bilinir Çekirdeğinde 2 nötron ve 1 proton içerir Radyoaktiftir ve 1232 yıl yarı hayatıyla beta bozunmasıyla Helyum-3 e dönüşür Az miktarda trityum cosmik ışınların atmosferik gazlarla etkileşmesi sonucu ortaya çıkar Ayrıca nükleer silah testlerinde de havaya salınır Tritium kimya da ve biolojide radyoetiketleme deneylerinde kullanılır

Hidrojen, izotoplarının değişik isimleri olan tek elementtir IA grubu elementleri, Ca, Sr,Ba gibi aktif metallerin su ile reaksiyonu sonucunda hidrojen gazı elde edilir

Ca(k) + 2H2O à Ca2+ (aq) + 2OH-(aq) + H2 (g)

Uygulamaları

Hidrojen zehirsiz ve havadan 14,4 kez daha hafif bir gazdır Güneş ve diğer yıldızların termonükleer tepkimeyle vermiş olduğu ısının yakıtı hidrojen olup, evrenin temel enerji kaynağıdır -252,77 °C'ta sıvı hale getirilebilir Sıvı hidrojenin hacmi gaz halindeki hacminin sadece 1/700'ü kadardır Hidrojen bilinen tüm yakıtlar içerisinde birim kütle başına en yüksek enerji içeriğine sahiptir (Üst ısıl değeri 140,9 MJ/kg, alt ısıl değeri 120,7 MJ/kg) 1 kg hidrojen, 2,1 kg doğalgaz veya 2,8 kg petrolün sahip olduğu enerjiye sahiptir Petrol yakıtlarına göre ortalama 1,33 kat daha verimli bir yakıttır Buna karşın, enerji olarak kullanılabilmesi için doğadaki bileşiklerden ayrıştırılması gerekir Üretilmesi de göz önünde bulundurulduğunda petrol gibi hazır yakıtlar kadar kârlı değildir Ancak hidrojenin diğer yakıtlardan önemli bir farkı, güneş veya rüzgar enerjisinin yardımıyla sudan üretilebilmesi ve kullanıldığında tekrar suya dönüşebilmesidir Bu özellik hidrojenin herkesin üretimine ve kullanımına açık bir yakıt olmasını sağlar

Hidrojen doğada serbest halde bulunmaz, bileşikler halinde bulunur En çok bilinen bileşiği ise sudur Isı ve patlama enerjisi gerektiren her alanda kullanımı temiz ve kolay olan hidrojenin yakıt olarak kullanıldığı enerji sistemlerinde, atmosfere atılan ürün sadece su ve/veya su buharı olur Bunun dışında çevreyi kirleten hiçbir gaz ve zararlı kimyasal madde (karbonmonoksit veya karbondioksit gibi) üretimi olmaz