Hidrogen

Hidrogen

Hidrogenul este primul element din sistemul periodic al elementelor. Se gaseste in stare naturala, atat liber (Soare, stele, nebuloase, gaze vulcanice, gaze naturale), cat si combinat (apa, compusi organici etc.). In stare combinata, hidrogenul reprezinta aproximativ 11% din scoarta terestra (Chambers et Holliday, 1975).

In conditii normale, hidrogenul molecular este incolor, inodor, insipid, fiind cel mai usor dintre toate gazele ( = 0,06952g/cm³). Hidrogenul este mai usor de 14,38 ori decat aerul. Datorita masei sale moleculare mici, hidrogenul are cea mai mare putere de difuziune, comparativ cu celelalte substante gazoase, astfel incat, la temperaturi inalte, este absorbit in cantitate mare de metale (Fe, Pt). Hidrogenul are conductibilitate termica si conductibilitate electrica mari. Putin solubil in apa, hidrogenul este solubil in alcool si benzen. Se lichefiaza la temperatura de -252,77^oC, iar la temperatura de -259,23 ^oC se solidifica, transformandu-se intr-o masa cristalizata in sistem hexagonal, transparenta si incolora. Hidrogenul are trei izotopi, si anume protiul sau hidrogenul usor (masa atomica=1, ¹₁H), deuteriul sau hidrogenul greu (masa atomica=2, ²₁H) si tritiul sau hidrogenul supragreu (masa atomica=3, ³₁H)

Ca urmare a structurii sale electronice (1s¹), hidrogenul manifesta tendintele de a accepta un electron (H^-), pentru a realiza configuratia stabila de dublet a heliului, de a ceda singurul sau electron, trecind in protonul H⁺, care nu apare liber in reactiile chimice (apare legat de specii care poseda perechi libere de electroni, H₃O⁺, NH₄⁺) si de a participa la legaturi covalente. Ca urmare hidrogenul prezinta trei stari de oxidare -1, 0 si +1. Hidrogenul are, practic, capacitatea de a reactiona cu toate elementele. Compusii sai binari sunt de patru tipuri (Dillard, C.R. et Goldberg, D.E., 1978) si se coreleaza cu electronegativitatea elementelor:

hidrurile ionice contin in retea ioni hidrura (H^-) si ioni metalici; se formeaza cu metalele alcaline si alcalino-pamantoase;

2Li + H₂ → 2Li⁺H^-

hidruri cu caracter acid, in care un proton este disponibil pentru transfer; se formeaza prin reactia cu elementele grupelor VIA (16) si VIIA (17);

H₂ + I₂ → 2HI

• compusi covalenti cu caracter indiferent (CH₄, AsH₃, SiH₄);

compusi interstitiali cu metalele tranzitionale, care, in cele mai multe cazuri, nu au compozitie stoechiometrica, cu formule care depind de metodele de preparare (TiH_1,73, ZrH_1,9, CeH_2,8, PrH_2,7).

Hidrogenul reactioneaza cu oxigenul numai in prezenta catalizatorilor (Pt, Pd), la temperaturi de 180-300^oC, cand reactia se desfasoara lent, si la temperaturi de peste 550^oC, cand reactia este foarte energica.

Hidrogenul are importante aplicatii practice in domeniul energetic (component al unor combustibili gazosi), in sinteza amoniacului, in obtinerea metanolului prin hidrogenarea monoxidului de carbon, in hidrogenarea uleiurilor vegetale, la indepartarea sulfului, azotului si oxigenului din substante organice etc.

6.2.2. Grupa IA (1)

Elementele din aceasta grupa, litiul (Li), sodiul (Na), potasiul (K), rubidiul (Rb), cesiul (Cs) si franciul (Fr), se numesc metale alcaline, datorita caracterului bazic pronuntat al hidroxizilor lor.

Configuratia generala a ultimului strat electronic este ns¹ si ca urmare, elementele grupei au tendinta accentuata de a ceda electronul, trecand in cationi monovalenti, pentru a dobandi configuratia gazului rar cel mai apropiat. Dintre toate elementele sistemului periodic, metalele alcaline au cea mai accentuata tendinta de a forma legaturi ionice.

Grupa metalelor alcaline este o grupa omogena din punct de vedere al proprietatilor fizice si chimice.

Elementele din aceasta grupa au caracteristici tipice de metale, adica prezinta luciu argintiu in taietura proaspata (cu exceptia Cs, care este auriu), sunt moi, maleabile, ductile, bune conducatoare de caldura si electricitate. Volumul atomic, raza atomica si raza ionica a metalelor alcaline sunt, pentru fiecare in parte, cele mai mari din perioada careia apartin si ca urmare prezinta temperaturi de topire si fierbere scazute (cu exceptia Li). Peste punctul de fierbere, aproximativ 1% din vaporii metalelor alcaline contin molecule diatomice, ceea ce inseamna ca participa, in anumite conditii, la formarea de legaturi covalente.

Determinarea calitativa a metalelor alcaline si a combinatiilor lor volatile se efectueaza prin reactia de coloratie a flacarii incolore a unui bec de gaz (Li-rosu, K-violet, Na-galben, Rb-roz; Cs-albastru) (Jurca, V., et al. 1984)

Reactivitatea metalelor alcaline este foarte mare si creste de la litiu la franciu (cele mai reactive sunt cesiul si franciul). Reactivitatea acestor elemente este motivul pentru care ele se gasesc in natura sub forma de combinatii si numai rareori in stare libera.

Metalele alcaline se dizolva in amoniac lichid la temperatura de -33^oC, rezultand o solutie de culoare albastra, buna conducatoare de electricitate. La cald, reactia conduce la obtinerea amidei metalului alcalin implicat in reactie:

2Na + 2NH₃ = 2NaNH₂ + H₂

Metalele din grupa IA (1) a sistemului periodic reactioneaza cu hidrogenul, la cald, rezultand hidruri:

2Na + H₂ = 2NaH

Reactia metalelor alcaline cu apa sau alcoolii este o reactie energica (reactia creste in violenta odata cu coborarea in grupa), ce conduce la obtinerea de hidroxizi alcalini puternici si respectiv alcoxizi.

Sodiul si potasiul se oxideaza in aer mai rapid decat litiul, iar rubidiul si cesiul iau foc. Este motivul pentru care litiul, sodiul si potasiul se pastreaza sub parafina sau petrol, iar rubidiul, cesiul si franciul in fiole de sticla vidate. In reactia cu oxigenul, metalele alcaline conduc la obtinerea de oxizi (Li₂O, Na₂O), peroxizi (Na₂O₂) si superoxizi (KO₂, RbO₂, CsO₂)

Ionii metalelor alcaline sunt foarte importanti pentru functionarea normala a sistemelor biologice.

Litiul nu se gaseste in mod normal in organismele vii. Sarurile de litiu sunt utilizate in psihiatrie pentru tratarea depresiei maniace.

Din punct de vedere biologic, cele mai importante elemente dintre matalele alcaline sunt sodiul si potasiul. Ele sunt, in general, prezente in plasma celulara si in electroliti. In organismele multicelulare, pompa ionica Na/K este cel mai important mecanism pentru controlul potentialului electrochimic.

In organismul uman, sodiul este cel mai raspandit cation din lichidul extracelular. Absorbtia sodiului in intestinul subtire joaca un rol important in absorbtia clorului, aminoacizilor, glucozei si apei. Sodiul este determinant primar al volumului lichidului extracelular, inclusiv al volumului sangelui. Ca urmare, impreuna cu anionii de clor, cationii de sodiu mentin in limite normale balanta hidrica, echilibrele acido - bazic si osmotic din organismul uman. Un numar de mecanisme fiziologice care regleaza volumul si presiunea sangelui functioneaza in sensul ajustarii continutului de sodiu prin bioreceptori din sistemul circulator.

Sodiul se gaseste in organismele vegetale, in general, in cantitati mici sub forma de saruri anorganice (cloruri, sulfati, carbonati, fosfati) si organice (oxalati, citrati, tartrati) care se acumuleaza in apoplast, vacuole si citoplasma. Din punct de vedere fiziologic sodiul intervine in: cresterea presiunii osmotice a sucului vacuolar, ceea ce conduce la reducerea intensitatii procesului de transpiratie; transportul dioxidului de carbon; stimularea absorbtiei ionilor de potasiu la unele plante; stimularea cresterii, datorita efectului sau asupra balantei hidrice; in cantitati mici, stimuleaza biosinteza proteinelor si activitatea unor enzime (fosfoenolpiruvat).

Potasiul este principalul cation din lichidul intracelular. Controlul fin al potentialului membranelor celulare este important pentru multe functii importante ale organismului. Se gaseste in cantitati mici in lichidul extracelular si in plasma sanguina.

Potasiul este elementul care se gaseste in cantitatea cea mai mare in plante, sub forma de saruri anorganice localizate in organele tinere si in tesuturile de sustinere ale plantelor mature (Zamfirache, 2005). Rolul fiziologic principal al potasiului in organismele vegetale este de osmoreglator, participand la absorbtia apei prin radacini. Indispensabil pentru viata plantelor, potasiul participa la reglarea potentialului de membrana si a pH-ului celular. De asemenea, este implicat in transportul, depozitarea si biosinteza glucidelor, precum si in biosinteza substantelor proteice. Potasiul este activator al multor enzime, stimuleaza fotosinteza si regleaza permeabilitatea membranelor citoplasmatice.

Rubidiul si cesiul, cu o abundenta naturala mai scazuta, nu au fost gasite in sistemele biologice. Aceste doua elemente sunt considerate moderat toxice

Franciul este un element radioactiv, toxic pentru organismele vii.