Hydrogen

Hydrogen (Lavoisier kalte den hydrogéne - vanndanner) - Det vanligste grunnstoffet i universet. Fritt hydrogen finnes som gassen H2. Inngår i vann og organiske stoffer. Plantene får hydrogen fra vann. Hydrogen finnes også som ion, et proton (H+) som i nærvær av vann danner et hydroniumion (H3O+) eller som hydroksylion (OH-). Hydrogen (H2) dannes som biprodukt ved biologisk nitrogenfiksering. Hydrogen inngår i hydrogensyklus.

Bakterier kan bruke H+ som elektronakseptor hvor det dannes hydrogen. Hydrogen (H2) fungerer også som elektrondonor for metanogene bakterier som reduserer karbondioksid til metan og vann og for acetogene bakterier som reduserer karbondioksid til eddiksyre og vann. Acetyl-CoA metabolismeveien benyttes i karbondioksidfikseringen. Karbondioksid virker som elektronakseptor. I begge disse prosessene kan protoner brukes til å lage en protongradient og ATP. Omsetning av hydrogen katalyseres av hydrogenase. Det kan også lages hydrogen i hydrogenosomer.

Hydrogen består av ett elektron med ladning -1, ett proton med ladning +1, slik at atomet er elektrisk nøytralt. Det er tre isotoper av hydrogen. 1H, 2H (deuterium) med ett ekstra nøytron og 3H (tritium) med to ekstra nøytroner som er ustabil (radioaktiv) og sender ut β-partikler ved desintegrasjon. Hydrogen bindes til oksygen i vann og danner organiske hydrokarboner sammen med karbon og oksygen. Protonet (H+ , hydrogen som har mistet ett elektron) har en fundamental betydning i transport og produksjon av energi i biologiske systemer. Dihydrogen (H2) er et biprodukt ved nitrogenfikseringen hos prokaryoter. Hydrogen er det grunnstoffet det forekommer mest av i universet. Lavoisier ga den brennbare gassen  navnet hydrogene, fra gresk og som betyr vanndanner.

Hydrogen - plass i periodesystemet og egenskaper

Hydrogen har atomnummer 1, gruppe 1 og periode 1 i periodesystemet med elektronkonfigurasjon 1s1 er det letteste og vanligste grunnstoffet i universet hvor det forekommer som protoner (H+), dihydrogen (H2) og H3+-ioner. Hydrogen danner lett kovalente bindinger med oksygen, som i vann  (H2O), med karbon  i form av hydrokarboner i en lang rekke organiske stoffer,  eller bundet til nitrogen. Ved oksidasjon av atomært hydrogen avgis et elektron og det blir dannet et proton (H+), et kationhydrogen. Hydrogen som kation er en positiv ladning (H+), og som anion et hydrid. I et hydrogenatom vil ett elektron og ett proton tiltrekke hverandre med elektromagnetiske krefter. Ved hjelp av Schrödingerligningen kan man beregne sannsynlighetstettheten (orbitalet) for å påtreffe elektronet rundt protonet. I grunntilstanden er energien til et elektron -13.6eV, som tilsvarer energien i UV-stråling med bølgelengde ca. 91 nm. 1 eV = 1.602•10-19 J

Protonet (H+) forekommer ikke fritt i løsning, men blir tiltrukket av elektroner rundt molekyler. Selv om vi sier at protongradienter over membraner gir energi til transport av stoffer eller dannelse av den energirike forbindelsen adenosin trifosfat (ATP) , så er det altså ikke snakk om frie H+. Det er bare i form av plasma ved svært høye temperaturer at H+ (protoner) forekommer fritt. I sure vannløsninger forekommer H+ som hydroniumioner H3O+ eller i klynger som H5O2+ eller H9O4+.  

I syre-base-reaksjoner inngår H+, hvor syrer er proton-donorer og baser er proton-akseptorer. H+ inngår også i redoksreaksjoner.

Dihydrogen (H2)

Når to hydrogenatomer danner binding blir produktet dihydrogen (H2), i dagligtale kalt hydrogen. Dihydrogen (H2), molekylært hydrogen,  er en fargeløs brennbar gass som sammen med oksygen kan danne en eksplosiv blanding, knallgass. Hvert hydrogen har en bindingskonfigurasjon . I dihydrogen bidrar hvert hydrogen med ett elektron, dvs. H-H er H:H. Når hydrogen brenner frigis energi.

2H2 + O2 → 2H2O (286 kJ mol-1)

Hydrogengass har to spin-isomere. Dihydrogen kan lages ved energikrevende hydrolyse av vann, eller i dag er det vanligst å lage det fra naturgass, hvor hydrogen blir. brukt til å lage nitrogen-gjødsel i Haber-Bosch-metoden.

Hydrogenisotoper

Hydrogen forekommer som tre isotoper, hvorav to stabile og en radioaktiv:

1) Hydrogen (1H) (protium) bestående at ett proton og ett elektron utgjør 99,98%.

2) Deuterium (2H, D) inneholder ett proton, ett nøytron og ett elektron. Deuterium ble oppdaget i 1931 av Harold Urey. Vann anriket med deuterium kalles tungtvann. Tungtvann blir brukt som moderator og bremser av neutroner i en kjernereaktor. Tungtvann kan også bli brukt som løsningsmiddel i 1H-NMR spektroskopi. \(\delta\)D er isotopforholdet mellom D og H,  D/H, og målt med NMR kan denne isotopsignaturen anvendes innen biokjemi og økofysiologi.  

3) Tritium (3H, T)  med ett proton, to nøytroner og ett elektron er radioaktiv og sender ut svak betastråling i reaksjonen

3H →3He + β- + antineutrino

med halveringstid 12.32 år. Beta-partikler er elektroner. Betastrålingen er så svak at man må bruke en scintillasjonsteller for å telle antall desintegrasjoner. Tritium ble oppdaget i 1934 av Ernest Rutherford og medarbeidere.

Proton (H+), deuteron (D+) og triton (T+) er navn på de tilsvarende kationer.

pH

Den danske kjemikeren Johannes Brønsted (1879-1947) viste at en syre er en proton-donor og en base er en proton-akseptor. Samme idé hadde Thomas Lowry (1874-1936) . En syre-basereaksjon er en reversibel likevektsreaksjon med overføring av protoner. For vann: H3O+ ↔ H2O + H+

Hydronionionet H3O+ er protondonor og kalles konjugert syre, mens vann (H2O) er en konjugert base.

Isotopologer

Isotopologer er molekyler eller ioner som har forskjellig innhold av isotoper. Isotoplogene for vann er "lettvann" (H2O), semitungtvann (HDO), tungtvann med to deuteriumisotoper (D2O), supertungtvann (T2O). Oksygen isotopologer av vann er H218O og H216O.

Historie

Hydrogen (gr. hydor – vann; genes – lage, skape). Robert Boyle oppdaget i 1671 at en svak syre i reaksjon med jernfilspon kunne gi hydrogen. Imidlertid var det Henry Cavendish som i 1766 fant at dihydrogen er et eget stoff som kan bli dannet i en reaksjon mellom syre og metall, og når hydrogengass brenner blir det dannet vann, vanndanner.  I reaksjon med zink (Zn):

Zn + 2H+ ↔ Zn2+ + H2

Metallisk zink har oksidasjonstall 0 og blir oksidert  til Zn2+ med oksidasjonstall +2, oksidasjon gjør oksidasjonstallet mer positivt. H+ med oksidasjonstall +1 blir redusert til dihydrogen (H2) med oksidasjonstall 0. En reduksjon gjør oksidasjonstallet mer negativt. Eksempel på reaksjonen nevnt over er en galvanisert pappspiker i svak syre hvor man kan se bobler med hydrogen på metallet.

Antoine Lavoisier ga det navnet hydrogen i 1783. James Dewar kunne med Dewar-flaske og kjøling lage flytende dihydrogen. Hydrogen ble brukt i luftskipet Hindenburg som gikk opp i flammer New Jersey 1937. Nikkel-hydrogen-batterier er blitt brukt som energikilde i satelitter. Et antihydrogen kalles et positron.  Standard hydrogenelektrode blir brukt som referanse ved måling av standard redokspotensial.

Elektrokjemisk brenselscelle med hydrogen

En elektrokjemisk brenselcelle utnytter energien i hydrogen mer effektivt.  To porøse elektroder med henholdsvis karbon og nikkel er forbundet med en elektrolytt mer varm kalilut (KOH). Fra hver sin side kommer henholdsvis oksygen (O2) ved katoden og hydrogen (H2) ved anoden under trykk i kontakt med de porøse elektrodene. Ved katoden (+) skjer reaksjonen:

O2 + 2H2O + 4e- → 4OH-

Ved anoden (-) blir hydrogen oksidert til vann og hvor det dannes vanndamp i reaksjonen:

H2 + 2OH- → 2H2O + 2e- 

Referanse

Wikipedia

Tilbake til hovedside

 

Publisert 4. feb. 2011 10:25 - Sist endret 18. mars 2019 12:09