Brint

Hydrogen
H,1.jpg
Farveløs gas
Periodiske system
Generelt
AtomtegnH
Atomnummer1
Elektronkonfiguration1 Elektroner i hver skal: 1. Klik for større billede.
Gruppe1
Periode1
Bloks
CAS-nummer1333-74-0
E-nummerE-949
Atomare egenskaber
Atommasse1,00794(7)
Atomradius25 pm
Kovalent radius37 pm
Van der Waals-radius120 pm
Elektronkonfiguration1s1
Elektroner i hver skal1
Kemiske egenskaber
Oxidationstrin1, −1
Elektronegativitet2,20 (Paulings skala)
Fysiske egenskaber
Tilstandsformgas
Krystalstrukturhexagonal
Massefylde (gas)0,08988 g/L
Smeltepunkt−259,14 °C
Kogepunkt−252,87 °C
Kritisk punkt−240,18 °C, 1,239 MPa
Smeltevarme(H2) 0.117 kJ/mol
Fordampningsvarme(H2) 0.904 kJ/mol
Varmefylde(H2)28.836 J·mol–1K–1
Varmeledningsevne0,1805 W/(m·K)

Brint eller hydrogen (græsk hydōr "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, H2. Brint er brændbart. Brint kan også bruges som brændstof for f.eks. biler.

Brint H har tre kendte isotoper:

  1. Det stabile protium ("almindelig hydrogen") (1H) med én nukleon; en proton.
  2. Det stabile deuterium D (2H) med to nukleoner; en proton og en neutron. Kaldes også tung brint.
  3. Det radioaktive tritium T (3H) med tre nukleoner; én proton og to neutroner. Kaldes supertung brint.

Brint er et af de få brændstoffer, der har højere brændværdi end olie og benzin, og det bruges derfor som raketbrændstof i bl.a. de amerikanske rumfærgers interne hovedmotorer. Brint indgår også som væsentlig bestanddel i de molekyler, som olie og benzin består af. Ved forbrænding af brint dannes vand.

Det er blevet anslået, at brint udgør omkring 3/4 af den kendte del af universets masse. På 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. også brinne (sammenlign ilt). Tidligere blev det kaldt vandstof, der ligesom tysk Wasserstoff er en direkte oversættelse af det græsk-latinske hydrogenium.

Brintatomet

Brintatomet er det simpleste af alle atomer og har derfor spillet en nøglerolle i atomfysikkens udvikling.

Brintatomet består af en proton og en elektron. Brintatomets kappe rummer altså kun én 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.

Fil:Emissions Spectra.webm
(c) North Carolina School of Science and Mathematics, CC BY 3.0
Play media
Hydrogen Spectrum Test

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 måtte udføre. Problemet er altså 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 sådan bevægelse er forskellig fra nul, ville elektronen udsende elektromagnetisk stråling og gradvis spiralere ind i kernen.

Bohrs model for brintatomet

Uddybende Uddybende artikel: Bohrs atommodel
Visualisering af elektronskyen om brintatomets kerne. Brintatomet har diskrete energiniveauer (voksende nedefter: n = 1, 2, 3,...). Elektronens impulsmoment er også kvantiseret (voksende mod højre: s, p, d,...). Lyse områder svarer til stor sandsynlighedstæthed.

Niels Bohr løste problemet i 1913 ved at gøre nogle kvantiseringsantagelser. Ifølge hans model kan brintatomet kun befinde sig i såkaldte 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 altså 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 ångstrøm (Å). I grundtilstanden er den gennemsnitlige afstand fra elektronen til kernen altså 0,529 Å.

Ikke alene er energien kvantiseret, men elektronens impulsmoment er det også. 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 måling af dens position. svarer til sfærisk symmetri. I denne tilstand er der endda en vis sandsynlighed for at elektronen befinder sig inde i kernen.

Brintatomets linjespektrum

Bohrs atommodel forudsiger korrekt bølgelængderne af det lys, som findes i brintatomets linjespektrum. Brintatomet kan overgå fra en stationær tilstand () til en anden () ved absorption af stråling eller spontan emission af elektromagnetisk stråling, hvis fotonenergi er lig forskellen mellem atomets energi i hver af de to stationære tilstande: . Ifølge Plancks kvantehypotese er fotonenergien lig hvor er strålingens frekvens. Det følger heraf at strålingens 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:

SerieKarakteristik
1Lymansalle ultraviolette
2Balmerovervejende synlige
3Paschenalle infrarøde
4Brackettalle infrarøde
5Pfundalle infrarøde

Brint-ioner

Den vigtigste ion af brint er den positive hydrogenion , der typisk er en proton, men som i syre-basereaktioner kaldes for en hydron. Dertil kommer ionen af brint-molekylet dihydrogen-kationen , der dog mest er af teoretisk interesse.

Se også

Eksterne henvisninger

Commons-logo.svg
Wikimedia Commons har medier relateret til:

Medier brugt på denne side

Elektronskal 1.png
(c) Peo at the Danish language Wikipedia, CC-BY-SA-3.0
Denne tegning forestiller elektronkonfigurationen i et brintatom: Den store kugle i midten forestiller atomkernen, og den lille kugle er elektronen. Det lille "s" angiver at elektronen hører til s-orbitalen. Den grønne farve markerer at brint hører til ikke-metallerne. Udarbejdet af Peo, og frigivet under samme GFDL-betingelser som Wikipedia som helhed.
HAtomOrbitals.png
Forfatter/Opretter: UkendtUnknown author, Licens: CC-BY-SA-3.0
First few hydrogen atom orbitals; cross section showing color-coded probability density for different n=1,2,3 and l="s","p","d"; note: m=0

The picture shows the first few hydrogen atom orbitals (energy eigenfunctions). These are cross-sections of the probability density that are color-coded (black=zero density, white=highest density). The angular momentum quantum number l is denoted in each column, using the usual spectroscopic letter code ("s" means l=0; "p": l=1; "d": l=2). The main quantum number n (=1,2,3,...) is marked to the right of each row. For all pictures the magnetic quantum number m has been set to 0, and the cross-sectional plane is the x-z plane (z is the vertical axis). The probability density in three-dimensional space is obtained by rotating the one shown here around the z-axis.

Note the striking similarity of this picture to the diagrams of the normal modes of displacement of a soap film membrane oscillating on a disk bound by a wire frame. See, e.g., Vibrations and Waves, A.P. French, M.I.T. Introductory Physics Series, 1971, ISBN 0393099369, page 186, Fig. 6-13. See also Normal vibration modes of a circular membrane.
H,1.jpg
Forfatter/Opretter: unknown, Licens: CC-BY-SA-3.0
Emissions Spectra.webm
(c) North Carolina School of Science and Mathematics, CC BY 3.0
Analyzing the wavelengths and intensity of hydrogen, neon and helium gas atoms with the spectrophotometer.

NCSSM, a publicly funded high school in North Carolina, provides exciting, high-level STEM learning opportunities. If you appreciate this video, please consider making a tax-deductible donation to the NCSSM Foundation. Thank you! https://connections.ncssm.edu/giving

Please attribute this work as being created by the North Carolina School of Science and Mathematics. This work is licensed under creative commons CC-BY https://creativecommons.org/licenses/by/3.0/

Help us caption & translate this video!

http://amara.org/v/GAbn/