هیدروژن همان گازی است. هیدروژن - این ماده چیست؟ خواص شیمیایی و فیزیکی هیدروژن

در سیستم تناوبی، موقعیت خاص خود را دارد که منعکس کننده خواصی است که از خود نشان می دهد و از ساختار الکترونیکی آن صحبت می کند. با این حال، در میان همه یک اتم خاص وجود دارد که همزمان دو سلول را اشغال می کند. در دو گروه از عناصر قرار دارد که در خواص آشکار خود کاملاً متضاد هستند. این هیدروژن است. این ویژگی ها آن را منحصر به فرد می کند.

هیدروژن فقط یک عنصر نیست، بلکه یک ماده ساده و همچنین بخشی جدایی ناپذیر از بسیاری از ترکیبات پیچیده، یک عنصر بیوژن و آلی است. بنابراین، ویژگی ها و خواص آن را با جزئیات بیشتری بررسی می کنیم.

هیدروژن به عنوان یک عنصر شیمیایی

هیدروژن عنصری از گروه اول زیرگروه اصلی و همچنین گروه هفتم از زیر گروه اصلی در اولین دوره کوچک است. این دوره فقط از دو اتم تشکیل شده است: هلیوم و عنصر مورد نظر ما. اجازه دهید ویژگی های اصلی موقعیت هیدروژن را در سیستم تناوبی شرح دهیم.

  1. شماره سریال هیدروژن 1 است، تعداد الکترون ها یکسان است، به ترتیب تعداد پروتون ها یکسان است. جرم اتمی 1.00795 است. سه ایزوتوپ از این عنصر با اعداد جرمی 1، 2، 3 وجود دارد. با این حال، خواص هر یک از آنها بسیار متفاوت است، زیرا افزایش جرم حتی یک بار برای هیدروژن بلافاصله دو برابر می شود.
  2. این واقعیت که دارای تنها یک الکترون در قسمت بیرونی است به آن اجازه می دهد تا با موفقیت هم خاصیت اکسید کننده و هم کاهنده را از خود نشان دهد. علاوه بر این، پس از اهدای یک الکترون، یک اوربیتال آزاد باقی می‌ماند که طبق مکانیسم دهنده-پذیرنده در تشکیل پیوندهای شیمیایی شرکت می‌کند.
  3. هیدروژن یک عامل کاهنده قوی است. بنابراین، اولین گروه از زیر گروه اصلی به عنوان مکان اصلی آن در نظر گرفته می شود، جایی که فعال ترین فلزات - قلیایی را هدایت می کند.
  4. با این حال، هنگام برهمکنش با عوامل کاهنده قوی، مانند، برای مثال، فلزات، می تواند یک عامل اکسید کننده نیز باشد و الکترون را بپذیرد. این ترکیبات هیدرید نامیده می شوند. بر این اساس، ریاست زیرگروه هالوژن ها را بر عهده دارد که با آن ها مشابه است.
  5. هیدروژن به دلیل جرم اتمی بسیار کوچکش سبک ترین عنصر محسوب می شود. علاوه بر این، چگالی آن نیز بسیار کم است، بنابراین معیار سبکی نیز می باشد.

بنابراین، واضح است که اتم هیدروژن بر خلاف سایر عناصر، کاملاً منحصر به فرد است. در نتیجه خواص آن نیز خاص است و مواد ساده و پیچیده تشکیل شده بسیار مهم است. بیایید آنها را بیشتر در نظر بگیریم.

ماده ساده

اگر از این عنصر به عنوان یک مولکول صحبت کنیم، باید بگوییم که دو اتمی است. یعنی هیدروژن (یک ماده ساده) یک گاز است. فرمول تجربی آن به صورت H 2 و فرمول گرافیکی - از طریق یک تک نوشته خواهد شد پیوند سیگما H-H. مکانیسم تشکیل پیوند بین اتم ها کووالانسی غیر قطبی است.

  1. اصلاح بخار متان
  2. تبدیل به گاز زغال سنگ - این فرآیند شامل گرم کردن زغال سنگ تا دمای 1000 درجه سانتیگراد است که منجر به تشکیل هیدروژن و زغال سنگ با کربن بالا می شود.
  3. الکترولیز. این روش فقط برای محلول های آبی نمک های مختلف قابل استفاده است، زیرا مذاب ها منجر به تخلیه آب در کاتد نمی شوند.

روش های آزمایشگاهی تولید هیدروژن:

  1. هیدرولیز هیدریدهای فلزی
  2. اثر اسیدهای رقیق بر روی فلزات فعال و فعالیت متوسط.
  3. برهمکنش فلزات قلیایی و قلیایی خاکی با آب.

برای جمع آوری هیدروژن حاصل، باید لوله آزمایش را وارونه نگه داشت. از این گذشته ، این گاز را نمی توان به همان روشی که مثلاً دی اکسید کربن جمع آوری کرد. این هیدروژن است، بسیار سبک تر از هوا است. به سرعت تبخیر می شود و در صورت مخلوط شدن با هوا در مقادیر زیاد منفجر می شود. بنابراین، لوله باید معکوس شود. پس از پر شدن باید با درپوش لاستیکی بسته شود.

برای بررسی خلوص هیدروژن جمع آوری شده، باید یک کبریت روشن به گردن بیاورید. اگر پنبه کر و بی صدا باشد، پس گاز تمیز و با حداقل ناخالصی هوا است. اگر بلند و سوت باشد، کثیف و دارای نسبت زیادی از اجزای خارجی است.

مناطق استفاده

هنگامی که هیدروژن سوزانده می شود، آنقدر انرژی (گرما) آزاد می شود که این گاز سودآورترین سوخت محسوب می شود. علاوه بر این، سازگار با محیط زیست است. با این حال، استفاده از آن در این زمینه در حال حاضر محدود است. این به دلیل مشکلات نادرست و حل نشده سنتز هیدروژن خالص است که برای استفاده به عنوان سوخت در راکتورها، موتورها و دستگاه های قابل حمل و همچنین بویلرهای گرمایش مسکونی مناسب است.

از این گذشته، روش های به دست آوردن این گاز بسیار گران است، بنابراین ابتدا باید یک روش خاص سنتز ایجاد شود. یکی که به شما امکان می دهد محصول را در داخل دریافت کنید حجم زیادو با حداقل هزینه

چندین حوزه اصلی وجود دارد که گاز مورد نظر ما در آنها استفاده می شود.

  1. سنتزهای شیمیایی بر اساس هیدروژناسیون، صابون ها، مارگارین ها و پلاستیک ها به دست می آیند. با مشارکت هیدروژن، متانول و آمونیاک و همچنین سایر ترکیبات سنتز می شوند.
  2. در صنایع غذایی - به عنوان یک افزودنی E949.
  3. صنعت هوانوردی (ساخت موشک، ساختمان هواپیما).
  4. صنعت برق.
  5. هواشناسی.
  6. سوخت از نوع سازگار با محیط زیست.

بدیهی است که هیدروژن به همان اندازه که در طبیعت فراوان است مهم است. ترکیبات مختلف تشکیل شده توسط آن نقش مهم تری ایفا می کنند.

ترکیبات هیدروژنی

اینها مواد پیچیده ای هستند که حاوی اتم های هیدروژن هستند. چندین نوع اصلی از این مواد وجود دارد.

  1. هالیدهای هیدروژن فرمول کلی HHal است. در میان آنها هیدروژن کلرید از اهمیت ویژه ای برخوردار است. گازی است که در آب حل می شود و محلول اسید کلریدریک تشکیل می دهد. این اسید تقریباً در تمام سنتزهای شیمیایی کاربرد زیادی دارد. و هم ارگانیک و هم غیر آلی. کلرید هیدروژن ترکیبی است که دارای فرمول تجربی HCL بوده و از نظر تولید سالانه یکی از بزرگترین ها در کشور ما می باشد. هالیدهای هیدروژن همچنین شامل یدید هیدروژن، هیدروژن فلوراید و هیدروژن برومید می باشند. همه آنها اسیدهای مربوطه را تشکیل می دهند.
  2. فرار تقریباً همه آنها گازهای کاملاً سمی هستند. به عنوان مثال، سولفید هیدروژن، متان، سیلان، فسفین و دیگران. با این حال، آنها بسیار قابل اشتعال هستند.
  3. هیدریدها ترکیباتی با فلزات هستند. آنها به کلاس نمک ها تعلق دارند.
  4. هیدروکسیدها: بازها، اسیدها و ترکیبات آمفوتریک. ترکیب آنها لزوماً شامل یک یا چند اتم هیدروژن است. مثال: NaOH، K2، H2SO4 و دیگران.
  5. هیدروکسید هیدروژن. این ترکیب بیشتر به نام آب شناخته می شود. نام دیگر اکسید هیدروژن. فرمول تجربی به این شکل است - H 2 O.
  6. آب اکسیژنه. این قوی ترین عامل اکسید کننده است که فرمول آن H 2 O 2 است.
  7. ترکیبات آلی متعدد: هیدروکربن ها، پروتئین ها، چربی ها، لیپیدها، ویتامین ها، هورمون ها، اسانس ها و غیره.

بدیهی است که تنوع ترکیبات عنصر مورد نظر ما بسیار زیاد است. این یک بار دیگر اهمیت بالای آن را برای طبیعت و انسان و همچنین برای همه موجودات زنده تأیید می کند.

بهترین حلال است

همانطور که در بالا ذکر شد، نام رایج این ماده آب است. از دو اتم هیدروژن و یک اکسیژن تشکیل شده است که توسط پیوندهای قطبی کووالانسی به هم متصل شده اند. مولکول آب یک دوقطبی است که بسیاری از خواص آن را توضیح می دهد. به ویژه، این واقعیت که آن یک حلال جهانی است.

تقریباً تمام فرآیندهای شیمیایی در محیط آبی انجام می شود. واکنش های داخلی متابولیسم پلاستیک و انرژی در موجودات زنده نیز با کمک اکسید هیدروژن انجام می شود.

آب به عنوان مهمترین ماده روی کره زمین در نظر گرفته می شود. مشخص است که هیچ موجود زنده ای بدون آن نمی تواند زندگی کند. روی زمین، می تواند در سه حالت تجمع وجود داشته باشد:

  • مایع؛
  • گاز (بخار)؛
  • جامد (یخ).

بسته به ایزوتوپ هیدروژن که بخشی از مولکول است، سه نوع آب وجود دارد.

  1. لایت یا پروتیوم. ایزوتوپی با عدد جرمی 1. فرمول H 2 O است. این شکل معمولی است که همه موجودات از آن استفاده می کنند.
  2. دوتریوم یا سنگین، فرمول آن D 2 O است. حاوی ایزوتوپ 2 H است.
  3. فوق سنگین یا تریتیوم. فرمول شبیه T 3 O است، ایزوتوپ آن 3 H است.

ذخایر آب شیرین پروتیوم در این سیاره بسیار مهم است. در حال حاضر در بسیاری از کشورها وجود ندارد. روش هایی برای تصفیه آب نمک به منظور به دست آوردن آب آشامیدنی در حال توسعه است.

پراکسید هیدروژن یک درمان جهانی است

این ترکیب، همانطور که در بالا ذکر شد، یک عامل اکسید کننده عالی است. با این حال، با نمایندگان قوی می تواند به عنوان یک کاهش دهنده نیز رفتار کند. علاوه بر این، دارای اثر ضد باکتریایی است.

نام دیگر این ترکیب پراکسید است. به این شکل است که در پزشکی استفاده می شود. محلول 3% هیدرات کریستالی ترکیب مورد نظر یک داروی پزشکی است که برای درمان زخم های کوچک به منظور رفع آلودگی آنها استفاده می شود. اما ثابت شده است که در این صورت بهبود زخم به مرور زمان افزایش می یابد.

پراکسید هیدروژن همچنین در سوخت موشک، در صنعت برای ضدعفونی و سفید کردن، به عنوان عامل کف کننده برای تولید مواد مناسب (مثلاً فوم) استفاده می شود. علاوه بر این، پراکسید به تمیز کردن آکواریوم ها، سفید کردن موها و سفید کردن دندان ها کمک می کند. با این حال، در عین حال به بافت ها آسیب می رساند، بنابراین توسط متخصصان برای این منظور توصیه نمی شود.

هیدروژن

هیدروژن-آ؛ متریک عنصر شیمیایی (H)، یک گاز سبک، بی رنگ و بی بو که با اکسیژن ترکیب می شود و آب را تشکیل می دهد.

◁ هیدروژن، th، th. اتصالات V باکتری V. بمب پنجم(بمب با قدرت مخرب بسیار زیاد که اثر انفجاری آن بر اساس یک واکنش گرما هسته ای است). هیدروژنی، هفتم، هفتم.

هیدروژن

(lat. Hydrogenium)، یک عنصر شیمیایی از گروه VII سیستم تناوبی. در طبیعت دو ایزوتوپ پایدار (پروتیم و دوتریوم) و یک ایزوتوپ رادیواکتیو (تریتیوم) وجود دارد. مولکول دو اتمی است (H2). گاز بی رنگ و بی بو؛ چگالی 0.0899 گرم در لیتر، تیکیپ - 252.76 درجه سانتیگراد. با بسیاری از عناصر ترکیب می شود و آب را با اکسیژن تشکیل می دهد. رایج ترین عنصر در فضا؛ (به شکل پلاسما) بیش از 70 درصد جرم خورشید و ستارگان، بخش اصلی گازهای محیط بین ستاره ای و سحابی ها را تشکیل می دهد. اتم هیدروژن بخشی از بسیاری از اسیدها و بازها، بیشتر ترکیبات آلی است. از آنها در تولید آمونیاک، اسید کلریدریک، هیدروژنه کردن چربی ها و غیره در جوشکاری و برش فلزات استفاده می شود. به عنوان یک سوخت امیدوار کننده (نگاه کنید به. انرژی هیدروژن).

هیدروژن

HYDROGEN (lat. Hydrogenium)، H، یک عنصر شیمیایی با عدد اتمی 1، جرم اتمی 1.00794. نماد شیمیایی هیدروژن، H، در کشور ما به عنوان "خاکستر" خوانده می شود، زیرا این حرف در فرانسه تلفظ می شود.
هیدروژن طبیعی از مخلوطی از دو هسته پایدار تشکیل شده است (سانتی متر. NUCLIDE)با اعداد جرمی 1.007825 (99.985٪ در مخلوط) و 2.0140 (0.015٪). علاوه بر این، مقادیر کمی از هسته رادیواکتیو، تریتیوم، همیشه در هیدروژن طبیعی وجود دارد. (سانتی متر.تریتیوم) 3 H (نیمه عمر T 1/2 12.43 سال). از آنجایی که هسته یک اتم هیدروژن فقط دارای 1 پروتون است (در هسته یک اتم پروتون کمتری وجود ندارد)، گاهی اوقات گفته می شود که هیدروژن مرز طبیعی پایینی سیستم تناوبی عناصر D.I. Mendeleev را تشکیل می دهد (اگرچه عنصر هیدروژن است. خود در بالاترین قسمت جداول قرار دارد). عنصر هیدروژن در اولین دوره جدول تناوبی قرار دارد. همچنین به گروه 1 (گروه IA فلزات قلیایی) تعلق دارد (سانتی متر.فلزات قلیایی)، و به گروه هفتم (گروه VIIA از هالوژن ها (سانتی متر.هالوژن ها)).
جرم اتم ها در ایزوتوپ های هیدروژن بسیار متفاوت است (چندین برابر). این منجر به تفاوت‌های محسوس در رفتار آنها در فرآیندهای فیزیکی (تقطیر، الکترولیز و غیره) و تفاوت‌های شیمیایی خاص می‌شود (تفاوت در رفتار ایزوتوپ‌های یک عنصر، اثرات ایزوتوپی نامیده می‌شود؛ برای هیدروژن، اثرات ایزوتوپ بسیار مهم است). بنابراین، بر خلاف ایزوتوپ های همه عناصر دیگر، ایزوتوپ های هیدروژن دارای نمادها و نام های خاصی هستند. هیدروژن با عدد جرمی 1 هیدروژن سبک یا پروتیوم (lat. Protium، از یونانی protos - اولین) نامیده می شود که با نماد H نشان داده می شود و هسته آن پروتون نامیده می شود. (سانتی متر.پروتون (ذره بنیادی))، نماد r. هیدروژن با عدد جرمی 2، هیدروژن سنگین، دوتریوم نامیده می شود (سانتی متر.دوتریوم)(لاتین Deuterium، از یونانی deuteros - دوم)، نمادهای 2 H یا D (بخوانید "de") برای تعیین آن استفاده می شود، هسته d دوترون است. ایزوتوپ رادیواکتیو با عدد جرمی 3 هیدروژن فوق سنگین یا تریتیوم نامیده می شود (lat. Tritum، از یونانی tritos - سوم)، نماد 2 H یا T (بخوانید "آنها")، هسته t یک تریتون است.
پیکربندی یک لایه الکترونی منفرد از یک اتم هیدروژن تحریک نشده خنثی 1 س 1 . در ترکیبات، حالت های اکسیداسیون 1+ و در موارد کمتر 1- (ظرفیت I) را نشان می دهد. شعاع اتم هیدروژن خنثی 0.024 نانومتر است. انرژی یونیزاسیون اتم 13.595 eV است، میل ترکیبی الکترون 0.75 eV است. در مقیاس پالینگ، الکترونگاتیوی هیدروژن 2.20 است. هیدروژن یکی از غیر فلزات است.
در حالت آزاد، گازی سبک و قابل اشتعال بدون رنگ، بو و مزه است.
تاریخچه کشف
انتشار گاز قابل احتراق در طی برهمکنش اسیدها و فلزات در قرن 16 و 17 در طلوع شکل گیری شیمی به عنوان یک علم مشاهده شد. فیزیکدان و شیمیدان معروف انگلیسی G. Cavendish (سانتی متر.کاوندیش هنری)در سال 1766 او این گاز را بررسی کرد و آن را "هوای قابل احتراق" نامید. هنگام سوختن، "هوای قابل احتراق" آب می داد، اما پایبندی کاوندیش به نظریه فلوژیستون (سانتی متر.فلوژیستون)او را از نتیجه گیری صحیح باز داشت. شیمیدان فرانسوی A. Lavoisier (سانتی متر.لاووازیه آنتوان لوران)همراه با مهندس J. Meunier (سانتی متر. MEUNIER ژان باپتیست ماری چارلز)با استفاده از گازسنج های مخصوص، در سال 1783 سنتز آب و سپس تجزیه و تحلیل آن را انجام داد و بخار آب را با آهن داغ تجزیه کرد. بنابراین، او ثابت کرد که "هوای قابل احتراق" بخشی از آب است و می توان از آن به دست آورد. در سال 1787، لاووازیه به این نتیجه رسید که "هوای قابل احتراق" یک ماده ساده است و بنابراین به تعداد عناصر شیمیایی تعلق دارد. او نام هیدروژن را به آن داد (از یونانی هیدور - آب و جنائو - تولد) - "تولد آب". ایجاد ترکیب آب به "نظریه فلوژیستون" پایان داد. نام روسی "هیدروژن" توسط شیمیدان M.F. Solovyov پیشنهاد شد (سانتی متر.سولوویف میخائیل فدوروویچ)در سال 1824. در اواخر قرن 18 و 19، مشخص شد که اتم هیدروژن بسیار سبک است (در مقایسه با اتم های سایر عناصر)، و وزن (جرم) اتم هیدروژن به عنوان یک واحد برای مقایسه در نظر گرفته شد. جرم اتمی عناصر به جرم اتم هیدروژن مقداری برابر با 1 اختصاص داده شد.
بودن در طبیعت
هیدروژن حدود 1٪ از جرم پوسته زمین را تشکیل می دهد (مقام دهم در بین تمام عناصر). هیدروژن عملاً هرگز به شکل آزاد در سیاره ما یافت نمی شود (اثر آن در اتمسفر بالایی یافت می شود)، اما تقریباً در همه جای زمین در ترکیب آب توزیع شده است. عنصر هیدروژن بخشی از ترکیبات آلی و معدنی موجودات زنده، گاز طبیعی، نفت، زغال سنگ است. البته در ترکیب آب (حدود 11 درصد وزنی)، در هیدرات ها و مواد معدنی کریستالی طبیعی مختلف، که حاوی یک یا چند گروه هیدروکسی OH هستند، وجود دارد.
هیدروژن به عنوان یک عنصر بر جهان مسلط است. حدود نیمی از جرم خورشید و سایر ستارگان را تشکیل می دهد، در جو تعدادی از سیارات وجود دارد.
اعلام وصول
هیدروژن را می توان از راه های مختلفی به دست آورد. در صنعت از گازهای طبیعی و همچنین گازهای حاصل از پالایش نفت، کک سازی و تبدیل به گاز زغال سنگ و سایر سوخت ها برای این کار استفاده می شود. در تولید هیدروژن از گاز طبیعی (جزء اصلی متان است) برهمکنش کاتالیزوری آن با بخار آب و اکسیداسیون ناقص با اکسیژن انجام می شود:
CH 4 + H 2 O \u003d CO + 3H 2 و CH 4 + 1/2 O 2 \u003d CO 2 + 2H 2
جداسازی هیدروژن از گاز کک و گازهای پالایشگاه بر اساس مایع شدن آنها در طول خنک سازی عمیق و حذف از مخلوط گازهایی است که راحت تر از هیدروژن به مایع تبدیل می شوند. در حضور برق ارزان قیمت، هیدروژن با الکترولیز آب، عبور جریان از محلول های قلیایی به دست می آید. در شرایط آزمایشگاهی، هیدروژن به راحتی از برهمکنش فلزات با اسیدها، به عنوان مثال، روی با اسید هیدروکلریک به دست می آید.
فیزیکی و خواص شیمیایی
در شرایط عادی، هیدروژن یک گاز سبک (چگالی در شرایط عادی 0.0899 کیلوگرم بر متر مکعب) بی رنگ است. نقطه ذوب -259.15 درجه سانتیگراد، نقطه جوش -252.7 درجه سانتیگراد. هیدروژن مایع (در نقطه جوش) دارای چگالی 70.8 کیلوگرم بر متر مکعب است و سبک ترین مایع است. پتانسیل استاندارد الکترود H 2 / H - در یک محلول آبی برابر با 0 گرفته می شود. هیدروژن در آب کم محلول است: در دمای 0 درجه سانتیگراد، حلالیت کمتر از 0.02 سانتی متر مکعب بر میلی لیتر است، اما در برخی از فلزات بسیار محلول است. (آهن اسفنجی و دیگران)، به ویژه خوب - در پالادیوم فلزی (حدود 850 حجم هیدروژن در 1 حجم فلز). گرمای احتراق هیدروژن 143.06 MJ/kg است.
به شکل مولکول های دو اتمی H 2 وجود دارد. ثابت تفکیک H 2 به اتم ها در 300 K 2.56 10 -34 است. انرژی تفکیک مولکول H2 به اتم ها 436 کیلوژول بر مول است. فاصله بین هسته ای در مولکول H 2 0.07414 نانومتر است.
از آنجایی که هسته هر اتم H که بخشی از مولکول است، اسپین خاص خود را دارد (سانتی متر.چرخش)، سپس هیدروژن مولکولی می تواند به دو صورت باشد: به صورت ارتوهیدروژن (o-H 2) (هر دو اسپین جهت گیری یکسان دارند) و به صورت پاراهیدروژن (p-H 2) (اسپین ها جهت گیری های متفاوتی دارند). در شرایط عادی، هیدروژن معمولی مخلوطی از 75% o-H2 و 25% p-H2 است. خواص فیزیکی p- و o-H 2 کمی با یکدیگر متفاوت است. بنابراین، اگر نقطه جوش o-H 2 خالص 20.45 K باشد، پس p-n خالص 2 - 20.26 K. تبدیل o-H 2 به p-H 2 با آزاد شدن 1418 J / mol گرما همراه است.
بارها در متون علمی بحث شده است که فشارهای بالا(بالاتر از 10 گیگا پاسکال) و در دماهای پایین (حدود 10 کلوین و کمتر)، هیدروژن جامد، که معمولاً در شبکه‌ای از نوع مولکولی شش ضلعی متبلور می‌شود، می‌تواند به ماده‌ای با خواص فلزی، احتمالاً حتی یک ابررسانا، تبدیل شود. با این حال، هنوز هیچ داده روشنی در مورد امکان چنین انتقالی وجود ندارد.
استحکام بالا پیوند شیمیاییبین اتم های یک مولکول H 2 (که برای مثال با استفاده از روش اوربیتال های مولکولی، می توان با این واقعیت توضیح داد که در این مولکول جفت الکترون در اوربیتال پیوند قرار دارد و اوربیتال شل شونده با الکترون پر نشده است) منجر می شود. به این واقعیت که در دمای اتاق، هیدروژن گازی از نظر شیمیایی غیر فعال است. بنابراین، بدون گرم کردن، با اختلاط ساده، هیدروژن تنها با فلوئور گازی واکنش می دهد (با یک انفجار):
H 2 + F 2 \u003d 2HF + Q.
اگر مخلوطی از هیدروژن و کلر در دمای اتاق با نور ماوراء بنفش تابش شود، آنگاه تشکیل فوری هیدروژن کلرید HCl مشاهده می شود. اگر یک کاتالیزور، پالادیوم فلزی (یا پلاتین)، به مخلوط این گازها وارد شود، واکنش هیدروژن با اکسیژن با انفجار رخ می دهد. هنگامی که مشتعل می شود، مخلوطی از هیدروژن و اکسیژن (به اصطلاح گاز انفجاری). (سانتی متر.گاز منفجره)) منفجر می شود و در مخلوط هایی که محتوای هیدروژن آن از 5 تا 95 درصد حجمی است، انفجار می تواند رخ دهد. هیدروژن خالص موجود در هوا یا اکسیژن خالص به آرامی با انتشار مقدار زیادی گرما می سوزد:
H 2 + 1 / 2O 2 \u003d H 2 O + 285.75 کیلوژول / مول
اگر هیدروژن با سایر غیر فلزات و فلزات تعامل داشته باشد، فقط تحت شرایط خاصی (گرمایش، فشار بالا، وجود کاتالیزور). بنابراین، هیدروژن به طور برگشت پذیر با نیتروژن واکنش نشان می دهد فشار خون بالا(20-30 مگاپاسکال و بیشتر) و در دمای 300-400 درجه سانتیگراد در حضور کاتالیزور - آهن:
3H 2 + N 2 = 2NH 3 + Q.
همچنین، تنها هنگامی که گرم می شود، هیدروژن با گوگرد واکنش می دهد تا سولفید هیدروژن H 2 S، با برم - برای تشکیل هیدروژن برومید HBr، با ید - برای تشکیل یدید هیدروژن HI. هیدروژن با زغال سنگ (گرافیت) واکنش می دهد و مخلوطی از هیدروکربن ها با ترکیبات مختلف را تشکیل می دهد. هیدروژن به طور مستقیم با بور، سیلیکون و فسفر برهمکنش نمی کند، ترکیبات این عناصر با هیدروژن به طور غیر مستقیم به دست می آیند.
هنگامی که هیدروژن گرم می شود، می تواند با فلزات قلیایی، قلیایی خاکی و منیزیم واکنش دهد و ترکیباتی با ویژگی پیوند یونی تشکیل دهد که حاوی هیدروژن در حالت اکسیداسیون -1 است. بنابراین، هنگامی که کلسیم در اتمسفر هیدروژن گرم می شود، یک هیدرید نمک مانند از ترکیب CaH 2 تشکیل می شود. هیدرید آلومینیوم پلیمری (AlH 3) x - یکی از قوی ترین عوامل احیا کننده - به طور غیر مستقیم (مثلاً با استفاده از ترکیبات آلی آلومینیوم) به دست می آید. با بسیاری از فلزات واسطه (به عنوان مثال، زیرکونیوم، هافنیوم و غیره)، هیدروژن ترکیباتی با ترکیب متغیر (محلول های جامد) تشکیل می دهد.
هیدروژن قادر است نه تنها با بسیاری از مواد ساده، بلکه با مواد پیچیده نیز واکنش نشان دهد. ابتدا باید به توانایی هیدروژن در احیای بسیاری از فلزات از اکسیدهای آنها (مانند آهن، نیکل، سرب، تنگستن، مس و غیره) اشاره کرد. بنابراین، هنگامی که به دمای 400-450 درجه سانتیگراد و بالاتر گرم می شود، آهن توسط هیدروژن از هر یک از اکسیدهای آن کاهش می یابد، به عنوان مثال:
Fe 2 O 3 + 3H 2 \u003d 2Fe + 3H 2 O.
لازم به ذکر است که فقط فلزاتی که در سری پتانسیل های استاندارد فراتر از منگنز قرار دارند می توانند توسط هیدروژن از اکسیدها احیا شوند. فلزات فعال تر (از جمله منگنز) از اکسیدها به فلز تبدیل نمی شوند.
هیدروژن قادر است به بسیاری از ترکیبات آلی پیوند دو یا سه گانه اضافه کند (اینها به اصطلاح واکنش های هیدروژناسیون هستند). به عنوان مثال، در حضور یک کاتالیزور نیکل، هیدروژناسیون اتیلن C 2 H 4 را می توان انجام داد و اتان C 2 H 6 تشکیل می شود:
C 2 H 4 + H 2 \u003d C 2 H 6.
برهمکنش مونوکسید کربن (II) و هیدروژن در صنعت باعث تولید متانول می شود:
2H 2 + CO \u003d CH 3 OH.
در ترکیباتی که در آنها یک اتم هیدروژن به اتم عنصر الکترونگاتیو E (E = F, Cl, O, N) متصل است، پیوندهای هیدروژنی بین مولکول ها تشکیل می شود. (سانتی متر.پیوند هیدروژنی)(دو اتم E از یک یا دو عنصر مختلف از طریق اتم H به هم متصل هستند: E "... N ... E""، و هر سه اتم در یک خط مستقیم قرار دارند.) چنین پیوندهایی بین مولکول ها وجود دارد. آب، آمونیاک، متانول و غیره و منجر به افزایش قابل توجه نقطه جوش این مواد، افزایش حرارت تبخیر و غیره می شود.
کاربرد
هیدروژن در سنتز آمونیاک NH 3، هیدروژن کلرید HCl، متانول CH3 OH، در هیدروکراکینگ (ترک در اتمسفر هیدروژنی) هیدروکربن های طبیعی، به عنوان یک عامل کاهنده در تولید فلزات خاص استفاده می شود. هیدروژناسیون (سانتی متر.هیدروژناسیون)طبیعی روغن های گیاهیدریافت چربی جامد - مارگارین. هیدروژن مایع به عنوان سوخت موشک و همچنین خنک کننده استفاده می شود. مخلوطی از اکسیژن و هیدروژن در جوشکاری استفاده می شود.
زمانی مطرح شد که در آینده نزدیک منبع اصلی تولید انرژی واکنش احتراق هیدروژن خواهد بود و انرژی هیدروژن جایگزین منابع سنتی تولید انرژی (زغال سنگ، نفت و غیره) خواهد شد. در همان زمان، فرض بر این بود که برای تولید هیدروژن در مقیاس بزرگ می توان از الکترولیز آب استفاده کرد. الکترولیز آب یک فرآیند نسبتاً انرژی بر است و در حال حاضر به دست آوردن هیدروژن از طریق الکترولیز در مقیاس صنعتی بی سود است. اما انتظار می رفت که الکترولیز بر اساس استفاده از حرارت متوسط ​​(500-600 درجه سانتیگراد) باشد که در مقادیر زیاد در طول کار نیروگاه های هسته ای رخ می دهد. این گرما کاربرد محدودی دارد و امکان به دست آوردن هیدروژن با کمک آن هم مشکل اکولوژیکی (هنگامی که هیدروژن در هوا سوزانده می شود، مقدار مواد مضر برای محیط زیست تشکیل می شود) و هم مشکل استفاده از دمای متوسط ​​را حل می کند. حرارت. با این حال، پس از فاجعه چرنوبیل، توسعه انرژی هسته ایدر همه جا منعقد می شود، به طوری که منبع انرژی مشخص شده از دسترس خارج می شود. بنابراین، چشم انداز استفاده گسترده از هیدروژن به عنوان منبع انرژی حداقل تا اواسط قرن بیست و یکم هنوز در حال تغییر است.
ویژگی های گردش خون
هیدروژن سمی نیست، اما در هنگام جابجایی با آن باید دائماً خطر آتش سوزی و انفجار بالای آن را در نظر گرفت و خطر انفجار هیدروژن به دلیل توانایی بالای گاز در انتشار حتی در برخی مواد جامد افزایش می یابد. قبل از شروع هرگونه عملیات گرمایشی در فضای هیدروژنی، باید از تمیز بودن آن اطمینان حاصل کنید (هنگام احتراق هیدروژن در لوله آزمایش وارونه، صدا باید مبهم باشد، نه پارس).
نقش بیولوژیکی
اهمیت بیولوژیکی هیدروژن با این واقعیت تعیین می شود که بخشی از مولکول های آب و همه مهم ترین گروه های ترکیبات طبیعی از جمله پروتئین ها است. اسیدهای نوکلئیک، لیپیدها، کربوهیدرات ها. تقریباً 10 درصد از جرم موجودات زنده هیدروژن است. توانایی هیدروژن برای تشکیل پیوند هیدروژنی نقش مهمی در حفظ ساختار فضایی چهارتایی پروتئین ها و همچنین در اجرای اصل مکمل بودن دارد. (سانتی متر.مکمل)در ساخت و عملکرد اسیدهای نوکلئیک (یعنی در ذخیره و اجرای اطلاعات ژنتیکی)، به طور کلی، در اجرای "تشخیص" در سطح مولکولی. هیدروژن (یون H +) در مهمترین فرآیندها و واکنش های پویا در بدن شرکت می کند - در اکسیداسیون بیولوژیکی، که انرژی سلول های زنده را تامین می کند، در فتوسنتز در گیاهان، در واکنش های بیوسنتز، در تثبیت نیتروژن و فتوسنتز باکتری ها، در حفظ اسید. -تعادل پایه و هموستاز (سانتی متر.هموستاز)، در فرآیندهای انتقال غشایی. بنابراین، هیدروژن همراه با اکسیژن و کربن، اساس ساختاری و عملکردی پدیده های حیات را تشکیل می دهد.


فرهنگ لغت دایره المعارفی. 2009 .

مترادف ها:

ببینید «هیدروژن» در فرهنگ‌های دیگر چیست:

    جدول نوکلیدها اطلاعات کلینام، نماد هیدروژن 4، 4H نوترون 3 پروتون 1 خواص هسته ای جرم اتمی 4.027810 (110) ... ویکی پدیا

    جدول نوکلیدها اطلاعات عمومی نام، نماد هیدروژن 5، 5H نوترون ها 4 پروتون ها 1 خواص هسته ای جرم اتمی 5.035310 (110) ... ویکی پدیا

    جدول نوکلیدها اطلاعات عمومی نام، نماد هیدروژن 6، 6H نوترون ها 5 پروتون ها 1 خواص هسته ای جرم اتمی 6.044940 (280) ... ویکی پدیا

    جدول نوکلیدها اطلاعات عمومی نام، نماد هیدروژن 7، 7H نوترون ها 6 پروتون ها 1 خواص هسته ای جرم اتمی 7.052750 (1080) ... ویکی پدیا

هیدروژن (Hydrogenium) در نیمه اول قرن شانزدهم توسط پزشک و طبیعت شناس آلمانی پاراسلسوس کشف شد. در سال 1776، G. Cavendish (انگلیس) ویژگی های آن را ایجاد کرد و به تفاوت های آن با سایر گازها اشاره کرد. Lavoisier اولین کسی بود که هیدروژن را از آب بدست آورد و ثابت کرد که آب ترکیبی شیمیایی از هیدروژن و اکسیژن است (1783).

هیدروژن سه ایزوتوپ دارد: پروتیوم، دوتریوم یا D و تریتیوم یا T. اعداد جرمی آنها 1، 2 و 3 است. پروتیوم و دوتریوم پایدار هستند، تریتیوم رادیواکتیو است (نیمه عمر 12.5 سال). در ترکیبات طبیعی، دوتریوم و پروتیوم به طور متوسط ​​در نسبت 1:6800 (با توجه به تعداد اتم ها) موجود است. تریتیوم در طبیعت به مقدار ناچیز یافت می شود.

هسته اتم هیدروژن حاوی یک پروتون است. هسته های دوتریوم و تریتیوم علاوه بر پروتون، به ترتیب شامل یک و دو نوترون هستند.

مولکول هیدروژن از دو اتم تشکیل شده است. در اینجا برخی از خواصی که اتم و مولکول هیدروژن را مشخص می کند آورده شده است:

انرژی یونیزاسیون اتم، eV 13.60

میل یک اتم به یک الکترون، eV 0.75

الکترونگاتیوی نسبی 2.1

شعاع یک اتم، نانومتر 0.046

فاصله بین هسته ای در یک مولکول، nm 0.0741

اتالپی استاندارد تفکیک مولکول ها در 436.1

115. هیدروژن در طبیعت. بدست آوردن هیدروژن

هیدروژن در حالت آزاد فقط در مقادیر کم در زمین یافت می شود. گاهی همراه با گازهای دیگر در هنگام فوران های آتشفشانی و همچنین از گمانه ها در حین استخراج نفت آزاد می شود. اما در قالب ترکیبات، هیدروژن بسیار رایج است. این را می توان از این واقعیت فهمید که یک نهم جرم آب را تشکیل می دهد. هیدروژن ترکیبی از همه موجودات گیاهی و جانوری، نفت، زغال سنگ سخت و قهوه ای، گازهای طبیعی و تعدادی از مواد معدنی است. سهم هیدروژن از کل جرم پوسته زمین، از جمله آب و هوا، حدود 1٪ است. با این حال، وقتی دوباره به عنوان درصدی از تعداد کل اتم ها محاسبه شود، محتوای هیدروژن در پوسته زمین 17٪ است.

هیدروژن فراوان ترین عنصر در فضا است. حدود نیمی از جرم خورشید و بیشتر ستارگان دیگر را تشکیل می دهد. در سحابی های گازی، در گاز بین ستاره ای وجود دارد و بخشی از ستارگان است. در درون ستارگان، هسته های اتم های هیدروژن به هسته اتم های هلیوم تبدیل می شوند. این فرآیند با آزاد شدن انرژی ادامه می یابد؛ برای بسیاری از ستارگان، از جمله خورشید، به عنوان منبع اصلی انرژی عمل می کند. سرعت فرآیند، یعنی تعداد هسته های هیدروژن که در یک متر مکعب در یک ثانیه به هسته هلیوم تبدیل می شوند، کم است. بنابراین مقدار انرژی آزاد شده در واحد زمان در واحد حجم کم است. با این حال، به دلیل جرم عظیم خورشید، کل انرژی تولید شده و ساطع شده از خورشید بسیار زیاد است. این مربوط به کاهش جرم خورشید در حدود یک ثانیه است.

در صنعت، هیدروژن عمدتا از گاز طبیعی تولید می شود. این گاز که عمدتاً متان است با بخار آب و اکسیژن مخلوط می شود. هنگامی که مخلوطی از گازها در حضور یک کاتالیزور گرم می شود، واکنشی رخ می دهد که می توان آن را به صورت شماتیک با معادله نشان داد:

مخلوط حاصل از گازها جدا می شود. هیدروژن خالص می شود و یا در محل استفاده می شود یا در سیلندرهای فولادی تحت فشار حمل می شود.

یک روش صنعتی مهم برای تولید هیدروژن نیز جداسازی آن از گاز کوره کک یا گازهای پالایش نفت است. با خنک کردن عمیق انجام می شود که در آن همه گازها به جز هیدروژن به مایع تبدیل می شوند.

در آزمایشگاه ها، هیدروژن بیشتر از طریق الکترولیز محلول های آبی تولید می شود. غلظت این محلول ها به گونه ای انتخاب می شود که با حداکثر هدایت الکتریکی آنها مطابقت داشته باشد. الکترودها معمولاً از ورق نیکل ساخته می شوند. این فلز در محلول های قلیایی خوردگی نمی کند، حتی آند است. در صورت لزوم، هیدروژن حاصل از بخار آب و آثار اکسیژن خالص می شود. از دیگر روش های آزمایشگاهی، رایج ترین روش استخراج هیدروژن از محلول های اسیدهای سولفوریک یا کلریدریک با اثر روی بر روی آنها است. واکنش معمولاً در دستگاه کیپ انجام می شود (شکل 105).

تعریف

هیدروژناولین عنصر در جدول تناوبی است. نامگذاری - H از لاتین "hydrogenium". واقع در دوره اول، گروه IA. به غیر فلزات اشاره دارد. بار هسته ای 1 است.

هیدروژن یکی از رایج ترین عناصر شیمیایی است - سهم آن حدود 1٪ از جرم هر سه پوسته پوسته زمین (اتمسفر، هیدروسفر و لیتوسفر) است که وقتی به درصد اتمی تبدیل می شود، رقم 17.0 را به دست می دهد.

مقدار اصلی این عنصر در حالت محدود است. بنابراین، آب حاوی حدود 11 وزن است. ٪، خاک رس - حدود 1.5٪، و غیره. هیدروژن به شکل ترکیبات با کربن، بخشی از نفت، گازهای طبیعی قابل احتراق و همه موجودات است.

هیدروژن گازی بی رنگ و بی بو است (نمودار ساختار اتم در شکل 1 نشان داده شده است). نقطه ذوب و جوش آن بسیار پایین است (به ترتیب 259- درجه سانتی گراد و 253- درجه سانتی گراد). در دمای (240- درجه سانتیگراد) و تحت فشار هیدروژن قادر به مایع شدن است و با تبخیر سریع مایع حاصل تبدیل به حالت جامد(کریستال های شفاف). کمی در آب حل می شود - 2:100 حجم. هیدروژن با حلالیت در برخی از فلزات، به عنوان مثال، در آهن مشخص می شود.

برنج. 1. ساختار اتم هیدروژن.

وزن اتمی و مولکولی هیدروژن

تعریف

جرم اتمی نسبیعنصر نسبت جرم یک اتم یک عنصر معین به 1/12 جرم یک اتم کربن است.

جرم اتمی نسبی بدون بعد است و با A r نشان داده می شود («r» حرف اولیه است کلمه انگلیسینسبی که در ترجمه به معنای "نسبی" است). جرم اتمی نسبی هیدروژن اتمی 1.008 amu است.

جرم مولکول ها، درست مانند جرم اتم ها، در واحد جرم اتمی بیان می شود.

تعریف

وزن مولکولیماده را جرم مولکول می گویند که در واحد جرم اتمی بیان می شود. وزن مولکولی نسبیمواد به نسبت جرم یک مولکول یک ماده معین به 1/12 جرم یک اتم کربن که جرم آن 12 a.m.u است می گویند.

مشخص است که مولکول هیدروژن دو اتمی است - H 2 . وزن مولکولی نسبی یک مولکول هیدروژن برابر خواهد بود با:

M r (H 2) \u003d 1.008 × 2 \u003d 2.016.

ایزوتوپ های هیدروژن

هیدروژن سه ایزوتوپ دارد: پروتیوم 1 H، دوتریوم 2 H یا D و تریتیوم 3 H یا T. اعداد جرمی آنها 1، 2 و 3 است. پروتیوم و دوتریوم پایدار هستند، تریتیوم رادیواکتیو است (نیمه عمر 12.5 سال). در ترکیبات طبیعی، دوتریوم و پروتیوم به طور متوسط ​​در نسبت 1:6800 (با توجه به تعداد اتم ها) موجود است. تریتیوم در طبیعت به مقدار ناچیز یافت می شود.

هسته اتم هیدروژن 1 H حاوی یک پروتون است. هسته های دوتریوم و تریتیوم علاوه بر پروتون شامل یک و دو نوترون هستند.

یون های هیدروژن

یک اتم هیدروژن می تواند تک تک الکترون خود را برای تشکیل یک یون مثبت (که یک پروتون "برهنه" است) اهدا کند، یا می تواند یک الکترون اضافه کند و به یون منفی تبدیل شود که دارای پیکربندی الکترونیکی هلیوم است.

جدا شدن کامل یک الکترون از اتم هیدروژن مستلزم صرف انرژی یونیزاسیون بسیار زیاد است:

H + 315 کیلو کالری = H + + e.

در نتیجه، در تعامل هیدروژن با متالوئیدها، نه یونی، بلکه فقط پیوندهای قطبی بوجود می آیند.

تمایل یک اتم خنثی به اتصال الکترون اضافی با مقدار میل الکترونی آن مشخص می شود. در هیدروژن، نسبتاً ضعیف بیان می شود (با این حال، این بدان معنا نیست که چنین یون هیدروژن نمی تواند وجود داشته باشد):

H + e \u003d H - + 19 کیلو کالری.

مولکول و اتم هیدروژن

مولکول هیدروژن از دو اتم تشکیل شده است - H 2 . در اینجا برخی از خواصی که اتم و مولکول هیدروژن را مشخص می کند آورده شده است:

نمونه هایی از حل مسئله

مثال 1

ورزش ثابت کنید که هیدریدهایی با فرمول کلی EN x حاوی 12.5٪ هیدروژن وجود دارد.
راه حل جرم هیدروژن و عنصر ناشناخته را با در نظر گرفتن جرم نمونه 100 گرم محاسبه کنید:

m(H) = m(EN x)×w(H);

m(H) = 100 × 0.125 = 12.5 گرم.

m (E) \u003d m (EN x) - m (H);

m (E) \u003d 100 - 12.5 \u003d 87.5 گرم.

بیایید مقدار ماده هیدروژن و یک عنصر ناشناخته را پیدا کنیم و جرم مولی دومی را به عنوان "x" نشان دهیم (جرم مولی هیدروژن 1 گرم در مول است):

هیدروژن یک عنصر شیمیایی با نماد H و عدد اتمی 1 است. با وزن اتمی استاندارد حدود 1.008، هیدروژن سبک ترین عنصر جدول تناوبی است. شکل تک اتمی آن (H) فراوان ترین ماده شیمیایی در جهان است که تقریباً 75 درصد از کل جرم باریون را تشکیل می دهد. ستارگان عمدتاً از هیدروژن در حالت پلاسما تشکیل شده اند. رایج ترین ایزوتوپ هیدروژن، پروتیوم (این نام به ندرت استفاده می شود، نماد 1H)، دارای یک پروتون و بدون نوترون است. ظهور گسترده هیدروژن اتمی اولین بار در عصر نوترکیب رخ داد. در دماها و فشارهای استاندارد، هیدروژن یک گاز دواتمی بی رنگ، بی بو، بی مزه، غیرسمی، غیرفلزی و قابل اشتعال با فرمول مولکولی H2 است. از آنجایی که هیدروژن به راحتی با اکثر عناصر غیرفلزی پیوندهای کووالانسی ایجاد می کند، بیشتر هیدروژن روی زمین به اشکال مولکولی مانند آب یا ترکیبات آلی وجود دارد. هیدروژن نقش مهمی را در واکنش‌های اسید-باز ایفا می‌کند، زیرا بیشتر واکنش‌های مبتنی بر اسید شامل تبادل پروتون بین مولکول‌های محلول است. در ترکیبات یونی، هیدروژن می تواند به شکل بار منفی (یعنی آنیون) باشد و به عنوان یک هیدرید یا به عنوان یک گونه با بار مثبت (یعنی کاتیون) شناخته می شود که با نماد H+ نشان داده می شود. کاتیون هیدروژن از یک پروتون ساده تشکیل شده است، اما کاتیون های هیدروژن واقعی در ترکیبات یونی همیشه پیچیده تر هستند. به عنوان تنها اتم خنثی که معادله شرودینگر را می توان به صورت تحلیلی حل کرد، هیدروژن (یعنی مطالعه انرژی و اتصال اتم آن) نقش کلیدی در توسعه مکانیک کوانتومی ایفا کرده است. گاز هیدروژن برای اولین بار در اوایل قرن شانزدهم توسط واکنش اسیدها با فلزات به صورت مصنوعی تولید شد. در 1766-81. هنری کاوندیش اولین کسی بود که تشخیص داد گاز هیدروژن یک ماده مجزا است و در هنگام سوزاندن آب تولید می‌کند، از این رو نام آن: هیدروژن در یونانی به معنای «تولیدکننده آب» است. تولید صنعتی هیدروژن عمدتاً با تبدیل بخار گاز طبیعی و در موارد کمتر با روش‌های انرژی بر مانند الکترولیز آب همراه است. بیشتر هیدروژن در نزدیکی محل تولید مورد استفاده قرار می گیرد و دو مورد از رایج ترین آنها پردازش سوخت فسیلی (به عنوان مثال هیدروکراکینگ) و تولید آمونیاک، عمدتاً برای بازار کود است. هیدروژن یک نگرانی در متالورژی است زیرا می تواند بسیاری از فلزات را شکننده کند و طراحی خطوط لوله و مخازن ذخیره سازی را دشوار می کند.

خواص

احتراق

گاز هیدروژن (دی هیدروژن یا هیدروژن مولکولی) یک گاز قابل اشتعال است که در غلظت های بسیار وسیعی از 4٪ تا 75٪ حجمی در هوا می سوزد. آنتالپی احتراق 286 کیلوژول بر مول است:

    2 H2 (g) + O2 (g) → 2 H2O (l) + 572 kJ (286 kJ/mol)

گاز هیدروژن با هوا در غلظت های 4-74٪ و با کلر در غلظت های 5.95٪ مخلوط های انفجاری تشکیل می دهد. واکنش های انفجاری می تواند در اثر جرقه، گرما یا نور خورشید ایجاد شود. دمای خود اشتعال هیدروژن، دمای اشتعال خود به خود در هوا، 500 درجه سانتیگراد (932 درجه فارنهایت) است. شعله‌های خالص هیدروژن-اکسیژن تشعشعات فرابنفش ساطع می‌کنند و با مخلوط اکسیژن بالا تقریباً با چشم غیرمسلح قابل مشاهده نیستند، همانطور که توسط ستون ضعیف موتور اصلی شاتل فضایی در مقایسه با ستون بسیار قابل مشاهده تقویت‌کننده موشک جامد شاتل فضایی مشهود است. یک کامپوزیت پرکلرات آمونیوم ممکن است برای تشخیص نشت هیدروژن در حال سوختن به آشکارساز شعله نیاز باشد. چنین نشتی می تواند بسیار خطرناک باشد. شعله هیدروژن در شرایط دیگر آبی است و شبیه شعله آبی گاز طبیعی است. غرق شدن کشتی هوایی «هیندنبورگ» نمونه بدنام سوختن هیدروژن است و این مورد هنوز مورد بحث است. شعله نارنجی قابل مشاهده در این حادثه به دلیل قرار گرفتن در معرض مخلوطی از هیدروژن و اکسیژن همراه با ترکیبات کربنی از پوست کشتی هوایی ایجاد شد. H2 با هر عنصر اکسید کننده واکنش می دهد. هیدروژن می تواند به طور خود به خود در دمای اتاق با کلر و فلوئور واکنش نشان دهد تا هالیدهای هیدروژن، کلرید هیدروژن و فلوراید هیدروژن را تشکیل دهد که همچنین اسیدهای بالقوه خطرناک هستند.

سطوح انرژی الکترون

سطح انرژی حالت پایه یک الکترون در اتم هیدروژن 13.6- eV است که معادل یک فوتون فرابنفش با طول موج حدود 91 نانومتر است. سطوح انرژیهیدروژن را می توان با استفاده از مدل بور اتم کاملاً دقیق محاسبه کرد، که الکترون را به عنوان یک پروتون «مدار»، شبیه به مدار زمین به خورشید تصور می کند. با این حال، الکترون اتمی و پروتون توسط نیروی الکترومغناطیسی در کنار هم نگه داشته می شوند، در حالی که سیارات و اجرام آسمانی توسط گرانش در کنار هم نگه داشته می شوند. با توجه به گسسته شدن تکانه زاویه ای که در اوایل فرض شده بود مکانیک کوانتومیبور، الکترون در مدل بور می تواند فقط فواصل مجاز معینی از پروتون و بنابراین فقط انرژی های مجاز معینی را اشغال کند. توصیف دقیق تری از اتم هیدروژن از یک عملیات مکانیکی کوانتومی صرف بدست می آید که از معادله شرودینگر، معادله دیراک یا حتی مدار مجتمع فاینمن برای محاسبه توزیع چگالی احتمال الکترون در اطراف پروتون استفاده می کند. پیچیده ترین روش های پردازش به شما امکان می دهد جلوه های کوچکی دریافت کنید نظریه خاصنسبیت و قطبش خلاء در ماشین‌کاری کوانتومی، الکترون در حالت پایه اتم هیدروژن اصلاً گشتاور ندارد، و این نشان می‌دهد که چگونه یک «مدار سیاره‌ای» با حرکت یک الکترون متفاوت است.

اشکال مولکولی ابتدایی

دو ایزومر اسپین مختلف مولکولهای هیدروژن دو اتمی وجود دارد که در اسپین نسبی هسته آنها متفاوت است. در شکل ارتوهیدروژن، اسپین های دو پروتون موازی هستند و یک حالت سه گانه با عدد کوانتومی اسپین مولکولی 1 (1/2 + 1/2) تشکیل می دهند. در شکل پاراهیدروژن، اسپین ها ضد موازی هستند و یک تکی با عدد کوانتومی اسپین مولکولی 0 (1/2 1/2) تشکیل می دهند. در دما و فشار استاندارد، گاز هیدروژن حاوی حدود 25٪ از فرم پارا و 75٪ از فرم ارتو است که به "فرم عادی" نیز معروف است. نسبت تعادل ارتوهیدروژن به پاراهیدروژن به دما بستگی دارد، اما از آنجایی که فرم ارتو حالتی برانگیخته است و انرژی بیشتری نسبت به فرم پارا دارد، ناپایدار است و نمی توان آن را خالص کرد. در دماهای بسیار پایین، حالت تعادل تقریباً منحصراً از فرم پارا تشکیل می شود. خواص حرارتیفازهای مایع و گاز پاراهیدروژن خالص به دلیل تفاوت در ظرفیت های حرارتی چرخشی که در ایزومرهای اسپین هیدروژن با جزئیات بیشتر مورد بحث قرار می گیرد، به طور قابل توجهی با خواص فرم معمولی متفاوت است. تفاوت ارتو/جفت در سایر مولکول‌های حاوی هیدروژن یا گروه‌های عاملی مانند آب و متیلن نیز رخ می‌دهد، اما این تفاوت برای خواص حرارتی آنها اهمیت چندانی ندارد. تبدیل متقابل کاتالیز نشده بین پارا و ارتو H2 با افزایش دما افزایش می یابد. بنابراین، H2 به سرعت تغلیظ شده حاوی مقادیر زیادفرم متعامد انرژی بالا، که به آرامی به فرم پارا تبدیل می شود. نسبت ارتو/پارا در H2 متراکم عامل مهمی در تهیه و ذخیره هیدروژن مایع است: تبدیل از ارتو به پارا گرمازا است و گرمای کافی برای تبخیر بخشی از مایع هیدروژن را فراهم می کند و در نتیجه مواد مایع شده را از دست می دهد. کاتالیزورهای تبدیل ارتو-پارا مانند اکسید آهن، کربن فعالآزبست پلاتینه شده، فلزات خاکی کمیاب، ترکیبات اورانیوم، اکسید کروم یا برخی از ترکیبات نیکل در خنک سازی هیدروژنی استفاده می شود.

فاز

    گاز هیدروژن

    هیدروژن مایع

    لجن هیدروژن

    هیدروژن جامد

    هیدروژن فلزی

اتصالات

ترکیبات کووالانسی و آلی

در حالی که H2 در شرایط استاندارد بسیار واکنش پذیر نیست، با اکثر عناصر ترکیباتی را تشکیل می دهد. هیدروژن می تواند ترکیباتی را با عناصری که الکترونگاتیو تر هستند، مانند هالوژن ها (به عنوان مثال F، Cl، Br، I) یا اکسیژن تشکیل دهد. در این ترکیبات، هیدروژن یک بار مثبت جزئی می گیرد. هنگامی که هیدروژن به فلوئور، اکسیژن یا نیتروژن پیوند می‌خورد، می‌تواند به شکل یک پیوند غیرکووالانسی با قدرت متوسط ​​با هیدروژن سایر مولکول‌های مشابه شرکت کند، پدیده‌ای به نام پیوند هیدروژنی که برای پایداری بسیاری از مولکول‌های بیولوژیکی حیاتی است. هیدروژن همچنین ترکیباتی با عناصر الکترونگاتیو کمتر مانند فلزات و متالوئیدها تشکیل می دهد که در آنجا بار منفی جزئی به خود می گیرد. این ترکیبات اغلب به عنوان هیدرید شناخته می شوند. هیدروژن ترکیبات متنوعی با کربن به نام هیدروکربن ها و حتی تنوع بیشتری از ترکیبات با هترواتم ها تشکیل می دهد که به دلیل ارتباط مشترکشان با موجودات زنده، ترکیبات آلی نامیده می شوند. بررسی خواص آنها می باشد شیمی ارگانیک، و مطالعه آنها در زمینه موجودات زنده به عنوان بیوشیمی شناخته می شود. طبق برخی از تعاریف، ترکیبات "آلی" باید فقط کربن داشته باشند. با این حال، بیشتر آنها حاوی هیدروژن هستند و از آنجایی که این پیوند کربن-هیدروژن است که به این دسته از ترکیبات ویژگی های شیمیایی خاص آنها را می دهد، پیوندهای کربن-هیدروژن در برخی از تعاریف کلمه "آلی" در شیمی مورد نیاز است. میلیون‌ها هیدروکربن شناخته شده‌اند و معمولاً توسط مسیرهای مصنوعی پیچیده که به ندرت شامل هیدروژن عنصری می‌شوند، تشکیل می‌شوند.

هیدریدها

ترکیبات هیدروژنی اغلب هیدرید نامیده می شوند. اصطلاح «هیدرید» نشان می‌دهد که اتم H دارای یک خصوصیت منفی یا آنیونی است که H- نامیده می‌شود و زمانی استفاده می‌شود که هیدروژن ترکیبی با عنصر الکترومثبت‌تر تشکیل دهد. وجود یک آنیون هیدرید، که توسط گیلبرت ان. لوئیس در سال 1916 برای هیدریدهای حاوی نمک گروه 1 و 2 پیشنهاد شد، توسط مورز در سال 1920 با الکترولیز هیدرید لیتیوم مذاب (LiH) نشان داده شد که مقدار استوکیومتری هیدروژن در هر آند تولید می کند. برای هیدریدهای غیر از فلزات گروه 1 و 2، این اصطلاح با توجه به الکترونگاتیوی پایین هیدروژن گمراه کننده است. یک استثنا در هیدریدهای گروه 2 BeH2 است که پلیمری است. در هیدرید آلومینیوم لیتیوم، آنیون AlH-4 مراکز هیدرید را حمل می کند که محکم به Al(III) متصل هستند. اگرچه هیدریدها می توانند تقریباً در تمام عناصر گروه اصلی تشکیل شوند، تعداد و ترکیب ترکیبات ممکن بسیار متفاوت است. به عنوان مثال، بیش از 100 هیدرید بوران باینری و تنها یک هیدرید آلومینیوم باینری شناخته شده است. ایندیم هیدرید باینری هنوز شناسایی نشده است، اگرچه کمپلکس های بزرگی وجود دارد. در شیمی معدنی، هیدریدها همچنین می توانند به عنوان لیگاندهای پل زدنی عمل کنند که دو مرکز فلزی را در یک مجموعه هماهنگی به هم متصل می کنند. این عملکرد به ویژه برای عناصر گروه 13، به ویژه در بوران ها (هیدریدهای بور) و کمپلکس های آلومینیوم، و همچنین در کربوران های خوشه ای مشخص است.

پروتون ها و اسیدها

اکسیداسیون هیدروژن الکترون آن را حذف می کند و H+ را می دهد که حاوی هیچ الکترون و هسته ای نیست که معمولاً از یک پروتون تشکیل شده است. به همین دلیل است که H+ اغلب به عنوان پروتون شناخته می شود. این دیدگاه در بحث اسیدها نقش اساسی دارد. بر اساس نظریه برونستد-لوری، اسیدها دهنده پروتون و بازها پذیرنده پروتون هستند. پروتون برهنه، H+، نمی تواند در محلول یا در کریستال های یونی وجود داشته باشد، زیرا جاذبه مقاومت ناپذیری دارد که به اتم ها یا مولکول های دیگر دارای الکترون است. به جز دمای بالای پلاسما، چنین پروتون‌هایی را نمی‌توان از ابرهای الکترونی اتم‌ها و مولکول‌ها حذف کرد و به آنها چسبیده باقی می‌ماند. با این حال، اصطلاح "پروتون" گاهی اوقات به صورت استعاری برای اشاره به هیدروژن با بار مثبت یا کاتیونی متصل به گونه های دیگر به این روش استفاده می شود و به این ترتیب "H +" نامیده می شود بدون اینکه هیچ گونه پروتون جداگانه به عنوان یک گونه وجود داشته باشد. برای جلوگیری از ظاهر شدن یک "پروتون حل شده" برهنه در محلول، گاهی اوقات تصور می شود که محلول های آبی اسیدی حاوی گونه های ساختگی کمتر بعید به نام "یون هیدرونیوم" (H3O+) هستند. با این حال، حتی در این مورد، چنین کاتیون‌های هیدروژن حل‌شده به‌طور واقع‌بینانه‌تر به‌عنوان خوشه‌های سازمان‌یافته‌ای درک می‌شوند که گونه‌های نزدیک به H9O+4 را تشکیل می‌دهند. سایر یون‌های اکسونیوم زمانی یافت می‌شوند که آب در یک محلول اسیدی با حلال‌های دیگر باشد. یکی از رایج‌ترین یون‌های جهان، با وجود عجیب بودن روی زمین، H+3 است که به هیدروژن مولکولی پروتونه یا کاتیون تری هیدروژن معروف است.

ایزوتوپ ها

هیدروژن دارای سه ایزوتوپ طبیعی است که 1H، 2H و 3H نامگذاری شده اند. سایر هسته های بسیار ناپایدار (4H تا 7H) در آزمایشگاه سنتز شده اند اما در طبیعت مشاهده نشده اند. 1H رایج ترین ایزوتوپ هیدروژن با فراوانی بیش از 99.98٪ است. از آنجایی که هسته این ایزوتوپ تنها از یک پروتون تشکیل شده است، نام رسمی توصیفی اما به ندرت استفاده شده پروتیوم به آن داده شده است. 2H، ایزوتوپ پایدار دیگر هیدروژن، به نام دوتریوم شناخته می شود و حاوی یک پروتون و یک نوترون در هسته است. اعتقاد بر این است که تمام دوتریوم موجود در جهان در طی انفجار بزرگ تولید شده و از آن زمان تاکنون وجود داشته است. دوتریوم یک عنصر رادیواکتیو نیست و خطر سمیت قابل توجهی ندارد. آب غنی شده با مولکول هایی که به جای هیدروژن معمولی شامل دوتریوم است، آب سنگین نامیده می شود. دوتریوم و ترکیبات آن به عنوان برچسب غیر رادیواکتیو در آزمایش های شیمیایی و در حلال ها برای طیف سنجی 1H-NMR استفاده می شود. آب سنگین به عنوان تعدیل کننده نوترون و خنک کننده راکتورهای هسته ای استفاده می شود. دوتریوم همچنین یک سوخت بالقوه برای همجوشی هسته ای تجاری است. 3H به عنوان تریتیوم شناخته می شود و حاوی یک پروتون و دو نوترون در هسته است. رادیواکتیو است و از طریق واپاشی بتا به هلیوم-3 با نیمه عمر 12.32 سال تجزیه می شود. آنقدر رادیواکتیو است که می توان از آن در رنگ های درخشان استفاده کرد و به عنوان مثال در ساخت ساعت هایی با صفحه های نورانی مفید است. شیشه از خروج مقدار کمی تشعشع جلوگیری می کند. مقدار کمی تریتیوم به طور طبیعی از برهمکنش پرتوهای کیهانی با گازهای اتمسفر تولید می شود. تریتیوم نیز در طول آزمایش آزاد شد سلاح های هسته ای. در واکنش‌های همجوشی هسته‌ای به عنوان شاخص ژئوشیمی ایزوتوپ و در دستگاه‌های نورپردازی تخصصی استفاده می‌شود. تریتیوم همچنین در آزمایش های برچسب گذاری شیمیایی و بیولوژیکی به عنوان برچسب رادیواکتیو استفاده شده است. هیدروژن تنها عنصری است که نام‌های متفاوتی برای ایزوتوپ‌های خود دارد که امروزه رایج هستند. در طول مطالعه اولیه رادیواکتیویته، ایزوتوپ های مختلف رادیواکتیو سنگین داده شد نام های خود، اما دیگر چنین نام هایی به استثنای دوتریوم و تریتیوم استفاده نمی شود. نمادهای D و T (به جای 2H و 3H) گاهی برای دوتریوم و تریتیوم استفاده می شوند، اما نماد مربوط به پروتیوم P قبلاً برای فسفر استفاده می شود و بنابراین برای پروتیوم در دسترس نیست. اتحادیه بین‌المللی شیمی محض و کاربردی در دستورالعمل‌های نام‌گذاری خود اجازه می‌دهد از هر یک از نمادهای D، T، 2H و 3H استفاده شود، اگرچه 2H و 3H ترجیح داده می‌شوند. اتم عجیب و غریب موونیوم (نماد Mu)، متشکل از یک آنتی میون و یک الکترون، گاهی اوقات به دلیل تفاوت جرم بین آنتی‌میون و الکترون که در سال 1960 کشف شد، رادیو ایزوتوپ سبک هیدروژن در نظر گرفته می‌شود. در طول عمر میون، 2.2 میکرو ثانیه، موونیوم می تواند وارد ترکیباتی مانند کلرید موونیوم (MuCl) یا موونید سدیم (NaMu) شود، به ترتیب مشابه هیدروژن کلرید و هیدرید سدیم.

داستان

کشف و استفاده

در سال 1671، رابرت بویل واکنش بین براده های آهن و اسیدهای رقیق را کشف و توصیف کرد که منجر به تولید گاز هیدروژن می شود. در سال 1766، هنری کاوندیش اولین کسی بود که گاز هیدروژن را به عنوان یک ماده مجزا تشخیص داد و به دلیل واکنش فلز-اسید، گاز را "هوای قابل اشتعال" نامید. او پیشنهاد کرد که "هوای قابل اشتعال" در واقع مشابه ماده فرضی به نام "فلوژیستون" است و دوباره در سال 1781 دریافت که این گاز هنگام سوختن آب تولید می کند. اعتقاد بر این است که او بود که هیدروژن را به عنوان یک عنصر کشف کرد. در سال 1783، آنتوان لاووازیه نام هیدروژن را به این عنصر داد (از ژن یونانی ὑδρο-hydro به معنی "آب" و ژن -γενής به معنای "خالق") زمانی که او و لاپلاس داده های کاوندیش را بازتولید کردند که آب هنگام سوختن هیدروژن تشکیل می شود. لاووازیه با واکنش جریان بخار با آهن فلزی از طریق یک لامپ رشته‌ای که در آتش گرم می‌شود، هیدروژن تولید کرد. اکسیداسیون بی هوازی آهن توسط پروتون های آب در دمای بالا را می توان به صورت شماتیک با مجموعه ای از واکنش های زیر نشان داد:

    Fe + H2O → FeO + H2

    2 Fe + 3 H2O → Fe2O3 + 3 H2

    3 Fe + 4 H2O → Fe3O4 + 4 H2

بسیاری از فلزات مانند زیرکونیوم با آب واکنش مشابهی برای تولید هیدروژن انجام می دهند. هیدروژن برای اولین بار توسط جیمز دوار در سال 1898 با استفاده از تبرید احیاکننده و اختراع او، فلاسک خلاء، مایع شد. سال بعد هیدروژن جامد تولید کرد. دوتریوم در دسامبر 1931 توسط هارولد اوری کشف شد و تریتیوم در سال 1934 توسط ارنست رادرفورد، مارک اولیفانت و پل هارتک تهیه شد. آب سنگین که به جای هیدروژن معمولی از دوتریوم تشکیل شده است، توسط گروه یوری در سال 1932 کشف شد. فرانسوا آیزاک دی ریواز اولین موتور ریواز یعنی موتور را ساخت احتراق داخلی، توسط هیدروژن و اکسیژن، در سال 1806. ادوارد دانیل کلارک لوله گاز هیدروژن را در سال 1819 اختراع کرد. فولاد دوبراینر (اولین فندک تمام عیار) در سال 1823 اختراع شد. اولین بالون هیدروژنی توسط ژاک چارلز در سال 1783 اختراع شد. هیدروژن پس از اختراع اولین کشتی هوایی با هیدروژن در سال 1852 توسط هانری گیفارد باعث ظهور اولین شکل قابل اعتماد ترافیک هوایی شد. کنت آلمانی فردیناند فون زپلین ایده کشتی های هوایی سفت و سخت که توسط هیدروژن به هوا بلند می شوند را ترویج کرد که بعدها زپلین نامیده شدند. اولین آنها برای اولین بار در سال 1900 پرواز کرد. پروازهای برنامه ریزی شده منظم در سال 1910 آغاز شد و با شروع جنگ جهانی اول در اوت 1914، آنها 35000 مسافر را بدون حادثه بزرگ حمل کردند. در طول جنگ، کشتی های هوایی هیدروژنی به عنوان سکوهای مشاهده و بمب افکن مورد استفاده قرار گرفتند. اولین پرواز بدون توقف فراآتلانتیک توسط کشتی هوایی بریتانیایی R34 در سال 1919 انجام شد. سرویس دهی منظم به مسافران در دهه 1920 از سر گرفته شد و قرار بود کشف ذخایر هلیوم در ایالات متحده ایمنی هوانوردی را بهبود بخشد، اما دولت ایالات متحده از فروش گاز برای این منظور خودداری کرد، بنابراین H2 در کشتی هوایی هندنبورگ استفاده شد که در کشتی هوایی منهدم شد. آتش سوزی میلان در نیوجرسی 6 مه 1937. این حادثه به صورت زنده از رادیو پخش شد و فیلمبرداری شد. به طور گسترده تصور می شد که علت احتراق نشت هیدروژن است، با این حال مطالعات بعدی نشان می دهد که پوشش پارچه آلومینیومی توسط الکتریسیته ساکن مشتعل شده است. اما در این زمان، شهرت هیدروژن به عنوان یک گاز بالابر از قبل آسیب دیده بود. در همان سال، اولین توربو ژنراتور خنک‌شده با هیدروژن با گاز هیدروژن به عنوان خنک‌کننده در روتور و استاتور در سال 1937 در دیتون، اوهایو، توسط شرکت دیتون پاور و لایت به بهره‌برداری رسید. به دلیل هدایت حرارتی گاز هیدروژن، امروزه رایج ترین گاز برای استفاده در این میدان است. باتری نیکل-هیدروژن برای اولین بار در سال 1977 بر روی ماهواره فناوری ناوبری ایالات متحده 2 (NTS-2) استفاده شد. ISS، Mars Odyssey و Mars Global Surveyor به باتری های نیکل-هیدروژن مجهز شده اند. تلسکوپ فضایی هابل در قسمت تاریک مدار خود نیز از باتری های نیکل-هیدروژن تغذیه می کند که در نهایت در می 2009، بیش از 19 سال پس از پرتاب و 13 سال پس از طراحی، جایگزین شدند.

نقش در نظریه کوانتومی

اتم هیدروژن به دلیل ساختار اتمی ساده اش که فقط یک پروتون و یک الکترون دارد، به همراه طیف نور ایجاد شده یا جذب شده توسط آن، در توسعه نظریه ساختار اتمی نقش اساسی داشته است. علاوه بر این، مطالعه سادگی متناظر مولکول هیدروژن و کاتیون H+2 مربوطه منجر به درک ماهیت پیوند شیمیایی شد که به زودی پس از درمان فیزیکی اتم هیدروژن در مکانیک کوانتومی در اواسط سال 2020 انجام شد. یکی از اولین اثرات کوانتومی که به وضوح مشاهده شد (اما در آن زمان درک نشد) مشاهدات ماکسول شامل هیدروژن بود که نیم قرن قبل از اینکه یک نظریه کامل مکانیک کوانتومی وجود داشته باشد. ماکسول اشاره کرد که گرمای ویژه H2 به طور غیر قابل برگشتی از گاز دیاتومیک زیر دمای اتاق خارج می شود و بیشتر و بیشتر شبیه ظرفیت گرمایی ویژه گاز تک اتمی در دماهای برودتی می شود. مطابق با نظریه کوانتوم، این رفتار از فاصله گذاری سطوح انرژی دورانی (کوانتیزه) ناشی می شود که به دلیل جرم کم آن به ویژه در H2 فاصله زیادی دارند. این سطوح با فاصله زیاد از تقسیم مساوی انرژی حرارتی به حرکت چرخشی در هیدروژن در دماهای پایین جلوگیری می کند. گازهای دیاتومه که از اتم های سنگین تری تشکیل شده اند، دارای چنین سطوح وسیع تری نیستند و اثر مشابهی از خود نشان نمی دهند. آنتی هیدروژن آنالوگ ضد ماده هیدروژن است. از یک آنتی پروتون با یک پوزیترون تشکیل شده است. آنتی هیدروژن تنها نوع اتم پادماده است که تا سال 2015 به دست آمده است.

بودن در طبیعت

هیدروژن فراوان ترین عنصر شیمیایی در کیهان است که 75 درصد از ماده طبیعی را بر حسب جرم و بیش از 90 درصد از نظر تعداد اتم ها را تشکیل می دهد. (اما بیشتر جرم کیهان به این شکل نیست عنصر شیمیاییاما تصور می شود که دارای اشکال جرم هنوز کشف نشده ای مانند ماده تاریک و انرژی تاریک باشد.) این عنصر به وفور در ستارگان و غول های گازی یافت می شود. ابرهای مولکولی H2 با تشکیل ستاره مرتبط هستند. هیدروژن نقش حیاتی در روشن کردن ستاره ها از طریق واکنش پروتون-پروتون و همجوشی هسته ای چرخه CNO دارد. در سرتاسر جهان، هیدروژن عمدتاً در حالت‌های اتمی و پلاسما با خواص کاملاً متفاوت از هیدروژن مولکولی وجود دارد. به عنوان یک پلاسما، الکترون و پروتون هیدروژن به یکدیگر متصل نیستند و در نتیجه رسانایی الکتریکی بسیار بالا و تابش زیاد (تولید نور از خورشید و سایر ستارگان) می شود. ذرات باردار به شدت تحت تأثیر میدان های مغناطیسی و الکتریکی قرار می گیرند. به عنوان مثال، در بادهای خورشیدی، آنها با مگنتوسفر زمین تعامل دارند و جریان های Birkeland و شفق قطبی را ایجاد می کنند. هیدروژن در یک حالت اتمی خنثی در محیط بین ستاره ای قرار دارد. اعتقاد بر این است که مقدار زیادی از هیدروژن خنثی موجود در سیستم‌های لیمان-آلفای محو شده بر چگالی باریون کیهانی جهان تا انتقال به سرخ z = 4 غالب است. در شرایط عادی روی زمین، هیدروژن عنصری به عنوان یک گاز دو اتمی، H2 وجود دارد. با این حال، گاز هیدروژن به دلیل وجود آن در جو زمین بسیار نادر است (1ppm در حجم). سبک وزنکه به آن اجازه می دهد تا راحت تر از گازهای سنگین بر گرانش زمین غلبه کند. با این حال، هیدروژن سومین عنصر فراوان در سطح زمین است که عمدتاً به شکل ترکیبات شیمیایی مانند هیدروکربن ها و آب وجود دارد. گاز هیدروژن توسط برخی از باکتری‌ها و جلبک‌ها تولید می‌شود و جزء طبیعی فلوت است، مانند متان، که منبع مهم هیدروژن است. شکل مولکولی به نام هیدروژن مولکولی پروتونه (H+3) در محیط بین ستاره ای یافت می شود، جایی که از یونیزاسیون هیدروژن مولکولی از پرتوهای کیهانی ایجاد می شود. این یون باردار در جو فوقانی سیاره مشتری نیز مشاهده شده است. یون در آن نسبتاً پایدار است محیطبه دلیل دما و چگالی پایین H+3 یکی از فراوان ترین یون های جهان است و نقش برجسته ای در شیمی محیط بین ستاره ای ایفا می کند. هیدروژن سه اتمی خنثی H3 فقط می تواند به صورت برانگیخته وجود داشته باشد و ناپایدار است. در مقابل، یون هیدروژن مولکولی مثبت (H+2) یک مولکول نادر در جهان است.

تولید هیدروژن

H2 در آزمایشگاه های شیمیایی و بیولوژیکی، اغلب به عنوان یک محصول جانبی از واکنش های دیگر تولید می شود. در صنعت برای هیدروژناسیون بسترهای غیر اشباع؛ و در طبیعت به عنوان وسیله ای برای جابجایی معادل های کاهنده در واکنش های بیوشیمیایی.

اصلاح بخار

هیدروژن را می‌توان به روش‌های مختلفی تولید کرد، اما از نظر اقتصادی مهم‌ترین فرآیندها شامل حذف هیدروژن از هیدروکربن‌ها است، زیرا حدود 95 درصد از تولید هیدروژن در سال 2000 از اصلاح بخار حاصل شد. از نظر تجاری، حجم زیادی از هیدروژن معمولاً با اصلاح بخار گاز طبیعی تولید می شود. در دمای بالا(1000-1400 K، 700-1100 درجه سانتیگراد یا 1300-2000 درجه فارنهایت) بخار (بخار) با متان واکنش می دهد و مونوکسید کربن و H2 تولید می کند.

    CH4 + H2O → CO + 3 H2

این واکنش در فشارهای پایین بهترین عملکرد را دارد، اما همچنان می تواند در فشارهای بالا (2.0 مگاپاسکال، 20 اتمسفر یا 600 اینچ جیوه) انجام شود. این به این دلیل است که H2 پرفشار محبوب ترین محصول است و سیستم های تمیز کننده فوق گرم تحت فشار در فشارهای بالاتر عملکرد بهتری دارند. مخلوط محصول به عنوان "گاز سنتز" شناخته می شود زیرا اغلب به طور مستقیم برای تولید متانول و ترکیبات مرتبط استفاده می شود. هیدروکربن های غیر از متان می توانند برای تولید گاز سنتز با نسبت های مختلف محصول استفاده شوند. یکی از بسیاری از عوارض این فناوری بسیار بهینه، تشکیل کک یا کربن است:

    CH4 → C + 2 H2

بنابراین، اصلاح بخار معمولاً از مقدار اضافی H2O استفاده می کند. هیدروژن اضافی را می توان با استفاده از مونوکسید کربن از طریق واکنش انتقال گاز آب، به ویژه با استفاده از یک کاتالیزور اکسید آهن، از بخار بازیابی کرد. این واکنش همچنین منبع صنعتی رایج دی اکسید کربن است:

    CO + H2O → CO2 + H2

سایر روش های مهم برای H2 شامل اکسیداسیون جزئی هیدروکربن ها است:

    2 CH4 + O2 → 2 CO + 4 H2

و واکنش زغال سنگ، که می تواند به عنوان مقدمه ای برای واکنش تغییر که در بالا توضیح داده شد، باشد:

    C + H2O → CO + H2

گاهی اوقات هیدروژن در همان فرآیند صنعتی بدون جداسازی تولید و مصرف می شود. در فرآیند هابر برای تولید آمونیاک، هیدروژن از گاز طبیعی تولید می شود. الکترولیز محلول نمک برای تولید کلر نیز هیدروژن را به عنوان یک محصول جانبی تولید می کند.

اسید متالیک

در آزمایشگاه، H2 معمولاً از واکنش اسیدهای رقیق غیر اکسید کننده با برخی از فلزات واکنش پذیر مانند روی با دستگاه کیپ ساخته می شود.

    Zn + 2 H + → Zn2 + + H2

آلومینیوم همچنین می تواند H2 تولید کند که با پایه های زیر درمان شود:

    2 Al + 6 H2O + 2 OH- → 2 Al (OH) -4 + 3 H2

الکترولیز آب یک راه ساده برای تولید هیدروژن است. جریان ولتاژ پایین از آب عبور می کند و گاز اکسیژن در آند تولید می شود در حالی که گاز هیدروژن در کاتد تولید می شود. به طور معمول، کاتد از پلاتین یا فلز بی اثر دیگری در تولید هیدروژن برای ذخیره سازی ساخته می شود. با این حال، اگر قرار باشد گاز در محل سوزانده شود، وجود اکسیژن برای تقویت احتراق مطلوب است و بنابراین هر دو الکترود از فلزات بی اثر ساخته خواهند شد. (مثلاً آهن اکسید می شود و بنابراین میزان اکسیژن آزاد شده را کاهش می دهد). حداکثر بازده نظری (الکتریسیته مصرفی در رابطه با ارزش انرژی هیدروژن تولیدی) در محدوده 80-94 درصد است.

    2 H2O (L) → 2 H2 (g) + O2 (g)

برای تولید هیدروژن می توان از آلیاژ آلومینیوم و گالیم به شکل گرانول که به آب اضافه می شود استفاده کرد. این فرآیند همچنین آلومینا تولید می کند، اما گالیم گران قیمت که از تشکیل پوست اکسید روی گلوله ها جلوگیری می کند، قابل استفاده مجدد است. این پیامدهای بالقوه مهمی برای اقتصاد هیدروژن دارد، زیرا هیدروژن را می توان به صورت محلی تولید کرد و نیازی به حمل و نقل ندارد.

خواص ترموشیمیایی

بیش از 200 چرخه ترموشیمیایی وجود دارد که می توان از آنها برای جداسازی آب استفاده کرد، حدود 12 مورد از این چرخه ها، مانند چرخه اکسید آهن، چرخه اکسید سریم (IV)، چرخه اکسید سریم (III)، اکسید روی و روی. چرخه، چرخه ید گوگرد، چرخه مس، و چرخه هیبرید کلر و گوگرد تحت تحقیق و آزمایش هستند تا هیدروژن و اکسیژن از آب و گرما بدون استفاده از برق تولید کنند. تعدادی از آزمایشگاه ها (از جمله آزمایشگاه های فرانسه، آلمان، یونان، ژاپن و ایالات متحده آمریکا) در حال توسعه روش های ترموشیمیایی برای تولید هیدروژن از انرژی خورشیدی و آب هستند.

خوردگی بی هوازی

در شرایط بی هوازی، آلیاژهای آهن و فولاد به آرامی توسط پروتون های آب اکسید می شوند در حالی که در هیدروژن مولکولی (H2) احیا می شوند. خوردگی بی هوازی آهن ابتدا منجر به تشکیل هیدروکسید آهن (زنگ سبز) می شود و می توان آن را با واکنش زیر توصیف کرد: Fe + 2 H2O → Fe (OH) 2 + H2. به نوبه خود، تحت شرایط بی هوازی، هیدروکسید آهن (Fe (OH) 2) می تواند توسط پروتون های آب اکسید شود و مگنتیت و هیدروژن مولکولی را تشکیل دهد. این فرآیند با واکنش شیکرا توصیف می شود: 3 Fe (OH) 2 → Fe3O4 + 2 H2O + H2 هیدروکسید آهن → منیزیم + آب + هیدروژن. مگنتیت به خوبی متبلور شده (Fe3O4) از نظر ترمودینامیکی پایدارتر از هیدروکسید آهن (Fe(OH)2) است. این فرآیند در هنگام خوردگی بی هوازی آهن و فولاد در شرایط بدون اکسیژن اتفاق می افتد. آب های زیرزمینیو هنگام ترمیم خاکهای زیر سطح آب زیرزمینی.

منشاء زمین شناسی: واکنش سرپانتینیزاسیون

در غیاب اکسیژن (O2) در عمق شرایط زمین شناسیهیدروژن (H2) که دور از جو زمین غالب است، در فرآیند سرپانتینه شدن توسط اکسیداسیون بی هوازی توسط پروتون های آب (H+) سیلیکات آهن (Fe2 +) موجود در شبکه کریستالی فایالیت (Fe2SiO4، الیوین-آهن minal) تشکیل می شود. . واکنش مربوطه منجر به تشکیل مگنتیت (Fe3O4)، کوارتز (SiO2) و هیدروژن (H2): 3Fe2SiO4 + 2 H2O → 2 Fe3O4 + 3 SiO2 + 3 H2 فایالیت + آب → مگنتیت + کوارتز + هیدروژن. این واکنش بسیار شبیه واکنش شیکرا است که در اکسیداسیون بی هوازی هیدروکسید آهن در تماس با آب مشاهده شد.

تشکیل در ترانسفورماتورها

از بین تمام گازهای خطرناک تولید شده در ترانسفورماتورهای قدرت، هیدروژن رایج ترین است و در اکثر خطاها تولید می شود. بنابراین، تشکیل هیدروژن نشانه اولیه مشکلات جدی در چرخه زندگی یک ترانسفورماتور است.

برنامه های کاربردی

مصرف در فرآیندهای مختلف

مقادیر زیادی H2 در صنایع نفت و شیمیایی مورد نیاز است. بیشترین استفاده از H2 برای پردازش ("به روز رسانی") سوخت های فسیلی و برای تولید آمونیاک است. در کارخانه های پتروشیمی، H2 در هیدرودآلکیلاسیون، هیدروسولفورزدایی و هیدروکراکینگ استفاده می شود. H2 چندین کاربرد مهم دیگر نیز دارد. H2 به عنوان یک عامل هیدروژنه، به ویژه برای افزایش سطح اشباع چربی ها و روغن های غیر اشباع (موجود در اقلامی مانند مارگارین) و در تولید متانول استفاده می شود. همچنین منبع هیدروژن در تولید اسید هیدروکلریک است. H2 همچنین به عنوان یک عامل کاهنده برای سنگ معدن فلز استفاده می شود. هیدروژن در بسیاری از فلزات خاکی کمیاب و انتقالی بسیار محلول است و در هر دو فلزات نانوبلور و آمورف محلول است. حلالیت هیدروژن در فلزات به اعوجاج یا ناخالصی های موضعی در شبکه کریستالی بستگی دارد. این می تواند زمانی مفید باشد که هیدروژن با عبور از دیسک های پالادیوم داغ تصفیه شود، اما حلالیت بالای گاز یک مشکل متالورژیکی است که بسیاری از فلزات را شکننده می کند و طراحی خطوط لوله و مخازن ذخیره را پیچیده می کند. H2 علاوه بر استفاده به عنوان یک معرف، کاربردهای گسترده ای در فیزیک و مهندسی دارد. به عنوان گاز محافظ در روش های جوشکاری مانند جوشکاری هیدروژن اتمی استفاده می شود. H2 به عنوان خنک کننده روتور در ژنراتورهای الکتریکی در نیروگاه ها استفاده می شود زیرا دارای بالاترین رسانایی حرارتی در بین هر گاز است. H2 مایع در تحقیقات برودتی، از جمله تحقیقات در مورد ابررسانایی استفاده می شود. از آنجایی که H2 از هوا سبک‌تر است، با کمی بیش از 1/14 چگالی هوا، زمانی به‌عنوان گاز بالابر در بالون‌ها و کشتی‌های هوایی مورد استفاده قرار می‌گرفت. در کاربردهای جدیدتر، هیدروژن به طور مرتب یا مخلوط با نیتروژن (که گاهی به آن گاز تشکیل دهنده نیز گفته می شود) به عنوان گاز ردیاب برای تشخیص نشت فوری استفاده می شود. هیدروژن در صنایع خودروسازی، شیمیایی، انرژی، هوافضا و مخابرات کاربرد دارد. هیدروژن یک افزودنی مجاز غذایی (E 949) است که امکان آزمایش نشت مواد غذایی را در میان سایر خواص آنتی اکسیدانی فراهم می کند. ایزوتوپ های کمیاب هیدروژن نیز کاربردهای خاصی دارند. دوتریوم (هیدروژن-2) در کاربردهای شکافت هسته ای به عنوان تعدیل کننده آهسته نوترون و در واکنش های همجوشی هسته ای استفاده می شود. ترکیبات دوتریوم در زمینه شیمی و زیست شناسی در مطالعه اثرات ایزوتوپی واکنش استفاده می شود. تریتیوم (هیدروژن-3) که در راکتورهای هسته ای تولید می شود، در ساخت بمب های هیدروژنی، به عنوان نشانگر ایزوتوپ در علوم زیستی و به عنوان منبع تشعشع در رنگ های درخشان استفاده می شود. دمای نقطه سه گانه هیدروژن تعادل نقطه ثابت تعیین کننده در مقیاس دمایی ITS-90 در 13.8033 کلوین است.

محیط خنک کننده

هیدروژن معمولاً در نیروگاه ها به عنوان مبرد در ژنراتورها به دلیل تعدادی از خواص مطلوب که نتیجه مستقیم مولکول های دو اتمی سبک آن است، استفاده می شود. اینها شامل چگالی کم، ویسکوزیته کم، و بالاترین ظرفیت گرمایی ویژه و هدایت حرارتی هر گازی است.

حامل انرژی

هیدروژن یک منبع انرژی نیست، مگر در زمینه فرضی نیروگاه های همجوشی تجاری که از دوتریوم یا تریتیوم استفاده می کنند، فناوری که در حال حاضر به بلوغ رسیده است. انرژی خورشید از همجوشی هسته‌ای هیدروژن می‌آید، اما رسیدن به این فرآیند در زمین دشوار است. هیدروژن عنصری از منابع خورشیدی، بیولوژیکی یا الکتریکی برای تولید آن به انرژی بیشتری نسبت به سوزاندن آن نیاز دارد، بنابراین در این موارد هیدروژن مانند یک باتری مانند یک حامل انرژی عمل می کند. هیدروژن را می توان از منابع فسیلی (مانند متان) به دست آورد، اما این منابع تمام شدنی هستند. چگالی انرژی در واحد حجم هیدروژن مایع و هیدروژن گازی فشرده در هر فشار عملی قابل دستیابی به طور قابل توجهی کمتر از منابع انرژی معمولی است، اگرچه چگالی انرژی در واحد جرم سوخت بیشتر است. با این حال، هیدروژن عنصری به طور گسترده در زمینه انرژی به عنوان یک حامل انرژی ممکن در اقتصاد آینده مورد بحث قرار گرفته است. به عنوان مثال، جداسازی CO2 و به دنبال آن جذب و ذخیره کربن می تواند در نقطه تولید H2 از سوخت های فسیلی انجام شود. هیدروژن مورد استفاده در حمل و نقل نسبتا تمیز می سوزد، با انتشار مقداری NOx اما بدون انتشار کربن. با این حال، هزینه زیرساخت مرتبط با تبدیل کامل به اقتصاد هیدروژنی قابل توجه خواهد بود. سلول های سوختی می توانند هیدروژن و اکسیژن را مستقیماً به برق تبدیل کنند و کارآمدتر از موتورهای احتراق داخلی هستند.

صنعت نیمه هادی

هیدروژن برای اشباع پیوندهای آویزان سیلیکون آمورف و کربن آمورف استفاده می شود که به تثبیت خواص مواد کمک می کند. همچنین یک دهنده بالقوه الکترون در مواد اکسیدی مختلف از جمله ZnO، SnO2، CdO، MgO، ZrO2، HfO2، La2O3، Y2O3، TiO2، SrTiO3، LaAlO3، SiO2، Al2O3، ZrSiO4، HfSiO3، و Sr است.

واکنش های بیولوژیکی

H2 محصول برخی از انواع متابولیسم بی هوازی است و توسط چندین میکروارگانیسم تولید می شود، معمولاً از طریق واکنش هایی که توسط آنزیم های حاوی آهن یا نیکل به نام هیدروژناز کاتالیز می شوند. این آنزیم ها یک واکنش ردوکس برگشت پذیر بین H2 و دو پروتون و دو جزء الکترون آن را کاتالیز می کنند. ایجاد گاز هیدروژن با انتقال معادل های احیا کننده حاصل از تخمیر پیرووات به آب اتفاق می افتد. چرخه طبیعی تولید و مصرف هیدروژن توسط موجودات، چرخه هیدروژن نامیده می شود. تقسیم آب، فرآیندی که در آن آب به پروتون‌ها، الکترون‌ها و اکسیژن تشکیل‌دهنده آن تجزیه می‌شود، در واکنش‌های نوری در همه موجودات فتوسنتزی رخ می‌دهد. برخی از این موجودات، از جمله جلبک کلامیدوموناس Reinhardtii و سیانوباکترها، مرحله دوم را در واکنش‌های تاریک ایجاد کرده‌اند که در آن پروتون‌ها و الکترون‌ها برای تشکیل گاز H2 توسط هیدروژنازهای تخصصی در کلروپلاست کاهش می‌یابند. تلاش هایی برای اصلاح ژنتیکی هیدرازهای سیانوباکتری برای سنتز موثر گاز H2 حتی در حضور اکسیژن انجام شده است. همچنین تلاش هایی با استفاده از جلبک های اصلاح شده ژنتیکی در یک بیوراکتور انجام شده است.