Hydrogen
|
---|
Farveløs gas
|
Periodiske system
|
---|
|
Generelt
|
---|
Atomtegn
|
H
|
---|
Atomnummer
|
1
|
---|
Elektronkonfiguration
|
1
|
---|
Gruppe
|
1
|
---|
Periode
|
1
|
---|
Blok
|
s
|
---|
CAS-nummer
|
1333-74-0
|
---|
E-nummer
|
E-949
|
---|
Atomare egenskaber
|
---|
Atommasse
|
1,00794(7)
|
---|
Atomradius
|
25
pm
|
---|
Kovalent radius
|
37
pm
|
---|
Van der Waals-radius
|
120
pm
|
---|
Elektronkonfiguration
|
1s
1
|
---|
Elektroner i hver skal
|
1
|
---|
Kemiske egenskaber
|
---|
Oxidationstrin
|
1
, ?1
|
---|
Elektronegativitet
|
2,20 (Paulings skala)
|
---|
Fysiske egenskaber
|
---|
Tilstandsform
|
gas
|
---|
Krystalstruktur
|
hexagonal
|
---|
Massefylde
(gas)
|
0,08988 g/L
|
---|
Smeltepunkt
|
?259,14 °C
|
---|
Kogepunkt
|
?252,87 °C
|
---|
Kritisk punkt
|
?240,18 °C, 1,239 MPa
|
---|
Smeltevarme
|
(H
2
) 0.117
kJ
/mol
|
---|
Fordampningsvarme
|
(H
2
) 0.904 kJ/mol
|
---|
Varmefylde
|
(H
2
)28.836 J·mol
?1
K
?1
|
---|
Varmeledningsevne
|
0,1805 W/(m·K)
|
---|
|
Brint
eller
hydrogen
(
græsk
hyd?r
"vand" og
genes
"skaber") er et
grundstof
med
atomnummer
1 i
det periodiske system
.
Brint er luftformigt ved
atmosfærisk
tryk
. Fri brint optræder som brintmolekyler, H
2
. Brint er brændbart. Brint kan ogsa bruges som
brændstof
for f.eks.
biler
.
Brint er et af de fa brændstoffer, der har højere brændværdi end
olie
og
benzin
, og det bruges derfor som raketbrændstof i bl.a. de amerikanske
rumfærgers
interne hovedmotorer. Brint indgar ogsa som væsentlig bestanddel i de
molekyler
, som
olie
og
benzin
bestar af. Ved
forbrænding
af brint dannes
vand
.
Det er blevet anslaet, at brint udgør omkring 3/4 af den kendte del af universets masse. Pa
Jorden
findes brint primært bundet til andre grundstoffer som i vand og
organisk materiale
. Der findes en lille smule fri brint i
Jordens atmosfære
(ca. 1
ppm
efter volumen). Fri brint fremstilles bl.a. ved
elektrolyse
af vand.
Det danske navn
brint
er dannet i
1814
af
H.C. Ørsted
af ordet
brænde
, ældre og
dial.
ogsa
brinne
(sammenlign
ilt
). Tidligere blev det kaldt
vandstof
, der ligesom tysk
Wasserstoff
er en direkte oversættelse af det græsk-latinske
hydrogenium
.
Brintatomet
er det simpleste af alle
atomer
og har derfor spillet en nøglerolle i
atomfysikkens
udvikling.
Brintatomet bestar af en
proton
og en
elektron
. Brintatomets kappe rummer altsa kun en eneste elektron ? større atomer indeholder flere elektroner, hvilket komplicerer den fysiske beskrivelse betydeligt. Brintatomets
kerne
kan udover protonen indeholde op til to
neutroner
, men deres eventuelle tilstedeværelse ændrer kun brintatomets egenskaber marginalt.
Brintatomet holdes sammen af den
elektriske
tiltrækning mellem den positivt ladede proton og den negativt ladede elektron. Størrelsen af den tiltrækkende kraft er givet ved
Coulombs lov
:
, hvor
er elementarladningen,
er afstanden mellem elektron og proton, og
er
vakuumpermittiviteten
. Da elektronen er næsten 2000 gange lettere end protonen, kan man med god tilnærmelse antage, at protonen ligger stille, eller rettere at elektronen følger protonen i den bevægelse, som brintatomet som helhed matte udføre. Problemet er altsa at bestemme, hvordan elektronen bevæger sig i forhold til kernen. Brintatomets stabilitet er imidlertid uforklarlig, hvis man holder sig inden for rammerne af den klassiske
elektromagnetisme
. I planetmodellen for brintatomet antages elektronen at udføre en
jævn cirkelbevægelse
om kernen, men da
accelerationen
i en sadan bevægelse er forskellig fra nul, ville elektronen udsende elektromagnetisk straling og gradvis spiralere ind i kernen.
Niels Bohr
løste problemet i 1913 ved at gøre nogle
kvantiseringsantagelser
. Ifølge hans model kan brintatomet kun befinde sig i sakaldte stationære tilstande svarende til et diskret sæt af energiniveauer. Man kan beregne energien i den
'te stationære tilstand vha. formlen
,
hvor
er lig 13,6
elektronvolt
(eV), og
er et
naturligt tal
. Heraf følger bl.a. at brintatomets energi i grundtilstanden svarende til
er
eV. Man skal altsa tilføre brintatomet 13,6 eV for at
ionisere
det.
I hver af de stationære tilstande antager den gennemsnitlige afstand fra elektronen til kernen en bestemt værdi. Man kan beregne brintatomets radius i den '
'te tilstand vha. formlen
, hvor
er lig 0,529
angstrøm
(A). I grundtilstanden er den gennemsnitlige afstand fra elektronen til kernen altsa 0,529 A.
Ikke alene er
energien
kvantiseret, men elektronens
impulsmoment
er det ogsa. Det viser sig, at der i den
'te stationære tilstand er
mulige værdier af impulsmomentet, nemlig
, hvor
er
Plancks konstant
, og
. I større atomer svarer forskellige værdier af
til forskellige energiniveauer, men i brintatomet afgøres energien alene af hovedkvantetallet
. Impulsmomentet har imidlertid betydning for, hvor man kan forvente at antræffe elektronen, hvis man foretager en maling af dens position.
svarer til
sfærisk symmetri
. I denne tilstand er der endda en vis sandsynlighed for at elektronen befinder sig inde i kernen.
Bohrs atommodel forudsiger korrekt
bølgelængderne
af det
lys
, som findes i brintatomets
linjespektrum
. Brintatomet kan overga fra en stationær tilstand (
) til en anden (
) ved
absorption af straling
eller
spontan emission
af elektromagnetisk straling, hvis fotonenergi er lig forskellen mellem atomets energi i hver af de to stationære tilstande:
. Ifølge
Plancks
kvantehypotese er fotonenergien lig
hvor
er stralingens frekvens. Det følger heraf at stralingens bølgelængde er givet ved
med
hvor
er
lysets hastighed
i vakuum, og
er Rydbergs konstant. Til hver værdi af
svarer en serie af spektrallinjer opkaldt efter fysikere som har ydet bidrag til
spektralanalysen
:
|
Serie
|
Karakteristik
|
1
|
Lymans
|
alle
ultraviolette
|
2
|
Balmer
|
overvejende synlige
|
3
|
Paschen
|
alle
infrarøde
|
4
|
Brackett
|
alle infrarøde
|
5
|
Pfund
|
alle infrarøde
|
Den vigtigste ion af hydrogen er den positive
hydrogenion
, der typisk er en proton, men som i
syre-basereaktioner
kaldes for en
hydron
. Dertil kommer ionen af hydrogen-molekylet
dihydrogen-kationen
, der dog mest er af teoretisk interesse.
Brint
H
har tre kendte
isotoper
:
- Det stabile
protium
("almindelig hydrogen") (
1
H
) med en
nukleon
; en
proton
.
- Det stabile
deuterium
D
(
2
H
) med to nukleoner; en proton og en
neutron
. Kaldes ogsa
tung brint
.
- Det
radioaktive
tritium
T
(
3
H
) med tre nukleoner; en proton og to neutroner. Kaldes
supertung brint
.