წყალბადი არის გაზი. წყალბადი - რა არის ეს ნივთიერება? წყალბადის ქიმიური და ფიზიკური თვისებები

პერიოდულ სისტემაში მას აქვს საკუთარი სპეციფიკური პოზიცია, რომელიც ასახავს მის მიერ გამოვლენილ თვისებებს და საუბრობს მის ელექტრონულ სტრუქტურაზე. თუმცა, მათ შორის არის ერთი სპეციალური ატომი, რომელიც ერთდროულად ორ უჯრედს იკავებს. იგი განლაგებულია ელემენტების ორ ჯგუფში, რომლებიც სრულიად საპირისპიროა მათი გამოვლენილი თვისებებით. ეს არის წყალბადი. ეს თვისებები მას უნიკალურს ხდის.

წყალბადი არ არის მხოლოდ ელემენტი, არამედ მარტივი ნივთიერება, ისევე როგორც მრავალი რთული ნაერთის განუყოფელი ნაწილი, ბიოგენური და ორგანული ელემენტი. ამიტომ, უფრო დეტალურად განვიხილავთ მის მახასიათებლებსა და თვისებებს.

წყალბადი, როგორც ქიმიური ელემენტი

წყალბადი არის მთავარი ქვეჯგუფის პირველი ჯგუფის ელემენტი, ასევე პირველი მცირე პერიოდის მთავარი ქვეჯგუფის მეშვიდე ჯგუფი. ეს პერიოდი შედგება მხოლოდ ორი ატომისგან: ჰელიუმი და ელემენტი, რომელსაც ჩვენ განვიხილავთ. მოდით აღვწეროთ პერიოდულ სისტემაში წყალბადის პოზიციის ძირითადი მახასიათებლები.

1. წყალბადის რიგითი ნომერია 1, ელექტრონების რაოდენობა იგივეა, შესაბამისად, პროტონების რაოდენობა იგივეა. ატომური მასა არის 1.00795. არსებობს ამ ელემენტის სამი იზოტოპი მასობრივი ნომრებით 1, 2, 3. თუმცა, თითოეული მათგანის თვისებები ძალიან განსხვავებულია, ვინაიდან წყალბადის მასის თუნდაც ერთით ზრდა მაშინვე ორმაგდება.
2. ის ფაქტი, რომ ის შეიცავს მხოლოდ ერთ ელექტრონს გარედან, საშუალებას აძლევს მას წარმატებით გამოავლინოს როგორც ჟანგვის, ასევე შემცირების თვისებები. გარდა ამისა, ელექტრონის შემოწირულობის შემდეგ ის რჩება თავისუფალ ორბიტალად, რომელიც მონაწილეობს დონორ-მიმღები მექანიზმის მიხედვით ქიმიური ბმების ფორმირებაში.
3. წყალბადი არის ძლიერი შემცირების აგენტი. აქედან გამომდინარე, მის მთავარ ადგილად ითვლება მთავარი ქვეჯგუფის პირველი ჯგუფი, სადაც ლიდერობს ყველაზე აქტიური ლითონები - ტუტე.
4. თუმცა, ძლიერ შემამცირებელ აგენტებთან ურთიერთობისას, როგორიცაა, მაგალითად, ლითონები, ის ასევე შეიძლება იყოს ჟანგვის აგენტი, რომელიც იღებს ელექტრონს. ამ ნაერთებს ჰიდრიდებს უწოდებენ. ამის საფუძველზე ის ხელმძღვანელობს ჰალოგენების ქვეჯგუფს, რომელთანაც ის მსგავსია.
5. მისი ძალიან მცირე ატომური მასის გამო წყალბადი ყველაზე მსუბუქ ელემენტად ითვლება. გარდა ამისა, მისი სიმკვრივე ასევე ძალიან დაბალია, ამიტომ ის ასევე არის სიმსუბუქის საორიენტაციო ნიშანი.

ამრიგად, აშკარაა, რომ წყალბადის ატომი სრულიად უნიკალურია, განსხვავებით ყველა სხვა ელემენტისგან. შესაბამისად, მისი თვისებებიც განსაკუთრებულია და ძალიან მნიშვნელოვანია წარმოქმნილი მარტივი და რთული ნივთიერებები. განვიხილოთ ისინი შემდგომში.

მარტივი ნივთიერება

თუ ვსაუბრობთ ამ ელემენტზე, როგორც მოლეკულაზე, მაშინ უნდა ვთქვათ, რომ ის არის დიატომური. ანუ წყალბადი (მარტივი ნივთიერება) არის აირი. მისი ემპირიული ფორმულა დაიწერება როგორც H 2, ხოლო გრაფიკული - სინგლის მეშვეობით სიგმა ბმა H-H. ატომებს შორის ბმის წარმოქმნის მექანიზმი არის კოვალენტური არაპოლარული.

1. მეთანის ორთქლის რეფორმირება.
2. ქვანახშირის გაზიფიცირება - პროცესი გულისხმობს ნახშირის გათბობას 1000 0 C-მდე, რის შედეგადაც წარმოიქმნება წყალბადი და ნახშირბადის მაღალი შემცველობა.
3. ელექტროლიზი. ამ მეთოდის გამოყენება შესაძლებელია მხოლოდ სხვადასხვა მარილების წყალხსნარებისთვის, ვინაიდან დნება არ იწვევს წყლის გამონადენს კათოდში.

წყალბადის წარმოების ლაბორატორიული მეთოდები:

1. ლითონის ჰიდრიდების ჰიდროლიზი.
2. განზავებული მჟავების მოქმედება აქტიურ ლითონებზე და საშუალო აქტივობაზე.
3. ტუტე და დედამიწის ტუტე ლითონების ურთიერთქმედება წყალთან.

მიღებული წყალბადის შესაგროვებლად აუცილებელია სინჯარის თავდაყირა შენარჩუნება. ყოველივე ამის შემდეგ, ეს გაზი არ შეიძლება შეგროვდეს ისე, როგორც, მაგალითად, ნახშირორჟანგი. ეს არის წყალბადი, ის გაცილებით მსუბუქია ვიდრე ჰაერი. ის სწრაფად აორთქლდება და დიდი რაოდენობით ჰაერთან შერევისას ფეთქდება. ამიტომ, მილი უნდა იყოს შებრუნებული. შევსების შემდეგ უნდა დაიხუროს რეზინის საცობით.

შეგროვებული წყალბადის სისუფთავის შესამოწმებლად კისერზე უნდა მიიტანოთ ანთებული ასანთი. თუ ბამბა ყრუ და მშვიდია, მაშინ გაზი სუფთაა, ჰაერის მინიმალური მინარევებით. თუ ხმამაღალი და სასტვენია, ჭუჭყიანია, უცხო კომპონენტების დიდი ნაწილით.

გამოყენების სფეროები

წყალბადის დაწვისას გამოიყოფა ისეთი დიდი რაოდენობით ენერგია (სითბო), რომ ეს გაზი ითვლება ყველაზე მომგებიან საწვავად. გარდა ამისა, ის ეკოლოგიურად სუფთაა. თუმცა, მისი გამოყენება ამ სფეროში ამჟამად შეზღუდულია. ეს გამოწვეულია სუფთა წყალბადის სინთეზის გაუაზრებელი და გადაუჭრელი პრობლემებით, რომელიც გამოდგება საწვავად რეაქტორებში, ძრავებში და პორტატულ მოწყობილობებში, ასევე საცხოვრებელი გათბობის ქვაბებში.

ყოველივე ამის შემდეგ, ამ გაზის მოპოვების მეთოდები საკმაოდ ძვირია, ამიტომ პირველ რიგში აუცილებელია სინთეზის სპეციალური მეთოდის შემუშავება. ის, რომელიც საშუალებას მოგცემთ მიიღოთ პროდუქტი დიდი მოცულობადა მინიმალური ხარჯებით.

არსებობს რამდენიმე ძირითადი სფერო, რომლებშიც გამოიყენება გაზი, რომელსაც ჩვენ განვიხილავთ.

1. ქიმიური სინთეზები. ჰიდროგენიზაციის საფუძველზე მიიღება საპნები, მარგარინი და პლასტმასი. წყალბადის მონაწილეობით სინთეზირდება მეთანოლი და ამიაკი, ისევე როგორც სხვა ნაერთები.
2. კვების მრეწველობაში - როგორც დანამატი E949.
3. საავიაციო მრეწველობა (სარაკეტო მშენებლობა, თვითმფრინავების მშენებლობა).
4. ენერგეტიკის ინდუსტრია.
5. მეტეოროლოგია.
6. ეკოლოგიურად სუფთა ტიპის საწვავი.

ცხადია, წყალბადი ისეთივე მნიშვნელოვანია, როგორც ბუნებაში უხვად. კიდევ უფრო დიდ როლს თამაშობს მის მიერ წარმოქმნილი სხვადასხვა ნაერთები.

წყალბადის ნაერთები

ეს არის რთული ნივთიერებები, რომლებიც შეიცავს წყალბადის ატომებს. ასეთი ნივთიერებების რამდენიმე ძირითადი ტიპი არსებობს.

1. წყალბადის ჰალოიდები. ზოგადი ფორმულა არის HHal. მათ შორის განსაკუთრებული მნიშვნელობა აქვს წყალბადის ქლორიდს. ეს არის გაზი, რომელიც წყალში იხსნება მარილმჟავას ხსნარის წარმოქმნით. ეს მჟავა ფართოდ გამოიყენება თითქმის ყველა ქიმიურ სინთეზში. და ორგანულიც და არაორგანულიც. წყალბადის ქლორიდი არის ნაერთი, რომელსაც აქვს ემპირიული ფორმულა HCL და ერთ-ერთი უდიდესია წლიური წარმოების თვალსაზრისით ჩვენს ქვეყანაში. წყალბადის ჰალოიდები ასევე შეიცავს წყალბადის იოდიდს, წყალბადის ფტორს და წყალბადის ბრომიდს. ყველა მათგანი ქმნის შესაბამის მჟავებს.
2. აქროლადი თითქმის ყველა მათგანი საკმაოდ მომწამვლელი აირებია. მაგალითად, წყალბადის სულფიდი, მეთანი, სილანი, ფოსფინი და სხვა. თუმცა, ისინი ძალიან აალებადია.
3. ჰიდრიდები არის ნაერთები ლითონებთან. ისინი მიეკუთვნებიან მარილების კლასს.
4. ჰიდროქსიდები: ფუძეები, მჟავები და ამფოტერული ნაერთები. მათი შემადგენლობა აუცილებლად შეიცავს წყალბადის ატომს, ერთ ან მეტს. მაგალითი: NaOH, K 2 , H 2 SO 4 და სხვა.
5. წყალბადის ჰიდროქსიდი. ეს ნაერთი უფრო ცნობილია როგორც წყალი. წყალბადის ოქსიდის სხვა სახელი. ემპირიული ფორმულა ასე გამოიყურება - H 2 O.
6. Წყალბადის ზეჟანგი. ეს არის ყველაზე ძლიერი ჟანგვის აგენტი, რომლის ფორმულაა H 2 O 2.
7. მრავალრიცხოვანი ორგანული ნაერთები: ნახშირწყალბადები, ცილები, ცხიმები, ლიპიდები, ვიტამინები, ჰორმონები, ეთერზეთები და სხვა.

ცხადია, ჩვენს მიერ განხილული ელემენტის ნაერთების მრავალფეროვნება ძალიან დიდია. ეს კიდევ ერთხელ ადასტურებს მის მაღალ მნიშვნელობას ბუნებისა და ადამიანისთვის, ისევე როგორც ყველა ცოცხალი არსებისთვის.

არის საუკეთესო გამხსნელი

როგორც ზემოთ აღინიშნა, ამ ნივთიერების საერთო სახელია წყალი. შედგება ორი წყალბადის ატომისა და ერთი ჟანგბადისგან, რომლებიც ერთმანეთთან არის დაკავშირებული კოვალენტური პოლარული ბმებით. წყლის მოლეკულა არის დიპოლური, რაც ხსნის მის ბევრ თვისებას. კერძოდ, ის ფაქტი, რომ ეს არის უნივერსალური გამხსნელი.

სწორედ წყლის გარემოში ხდება თითქმის ყველა ქიმიური პროცესი. ცოცხალ ორგანიზმებში პლასტიკური და ენერგეტიკული ცვლის შინაგანი რეაქციებიც წყალბადის ოქსიდის დახმარებით ხორციელდება.

წყალი ითვლება ყველაზე მნიშვნელოვან ნივთიერებად პლანეტაზე. ცნობილია, რომ მის გარეშე ვერც ერთი ცოცხალი ორგანიზმი ვერ იცოცხლებს. დედამიწაზე მას შეუძლია არსებობდეს აგრეგაციის სამ მდგომარეობაში:

• თხევადი;
• გაზი (ორთქლი);
• მყარი (ყინული).

წყალბადის იზოტოპიდან გამომდინარე, რომელიც მოლეკულის ნაწილია, არსებობს სამი სახის წყალი.

1. მსუბუქი ან პროტიუმი. იზოტოპი მასობრივი რიცხვით 1. ფორმულა არის H 2 O. ეს არის ჩვეულებრივი ფორმა, რომელსაც ყველა ორგანიზმი იყენებს.
2. დეიტერიუმი ან მძიმე, მისი ფორმულაა D 2 O. შეიცავს იზოტოპს 2 H.
3. სუპერ მძიმე ან ტრიტიუმი. ფორმულა ჰგავს T 3 O, იზოტოპი არის 3 H.

პლანეტაზე სუფთა პროტიუმის წყლის მარაგი ძალიან მნიშვნელოვანია. ეს უკვე ბევრ ქვეყანაში აკლია. მუშავდება მეთოდები მარილიანი წყლის დასამუშავებლად სასმელი წყლის მისაღებად.

წყალბადის ზეჟანგი უნივერსალური საშუალებაა

ეს ნაერთი, როგორც ზემოთ აღინიშნა, შესანიშნავი ჟანგვის აგენტია. თუმცა, ძლიერ წარმომადგენლებთან ერთად მას შეუძლია შემამცირებლადაც მოიქცეს. გარდა ამისა, მას აქვს გამოხატული ბაქტერიციდული ეფექტი.

ამ ნაერთის სხვა სახელია პეროქსიდი. სწორედ ამ ფორმით გამოიყენება იგი მედიცინაში. მოცემული ნაერთის კრისტალური ჰიდრატის 3%-იანი ხსნარი არის სამედიცინო პრეპარატი, რომელიც გამოიყენება მცირე ჭრილობების დასამუშავებლად მათი დეკონტამინაციის მიზნით. თუმცა დადასტურებულია, რომ ამ შემთხვევაში დროთა განმავლობაში ჭრილობის შეხორცება იზრდება.

წყალბადის ზეჟანგი ასევე გამოიყენება რაკეტების საწვავში, მრეწველობაში დეზინფექციისა და გაუფერულებისთვის, როგორც ქაფის აგენტი შესაბამისი მასალების წარმოებისთვის (მაგალითად, ქაფი). გარდა ამისა, პეროქსიდი ხელს უწყობს აკვარიუმების გაწმენდას, თმის გაუფერულებას და კბილების გათეთრებას. თუმცა, ამავდროულად აზიანებს ქსოვილებს, ამიტომ ამ მიზნით არ არის რეკომენდებული სპეციალისტების მიერ.

წყალბადი

წყალბადი-ა; მ.ქიმიური ელემენტი (H), მსუბუქი, უფერო და უსუნო გაზი, რომელიც ერწყმის ჟანგბადს და წარმოქმნის წყალს.

◁ წყალბადი, th, th. V კავშირები. V ბაქტერია. V- ბომბი(უზარმაზარი დესტრუქციული ძალის ბომბი, რომლის ფეთქებადი ეფექტი ემყარება თერმობირთვულ რეაქციას). წყალბადის, th, th.

წყალბადის

(ლათ. Hydrogenium), პერიოდული სისტემის VII ჯგუფის ქიმიური ელემენტი. ბუნებაში არსებობს ორი სტაბილური იზოტოპი (პროტიუმი და დეიტერიუმი) და ერთი რადიოაქტიური იზოტოპი (ტრიტიუმი). მოლეკულა არის დიატომური (H 2). უფერო და უსუნო გაზი; სიმკვრივე 0,0899 გ/ლ, ტკიპ - 252,76°C. იგი აერთიანებს ბევრ ელემენტს და ქმნის წყალს ჟანგბადთან. ყველაზე გავრცელებული ელემენტი სივრცეში; შეადგენს (პლაზმის სახით) მზისა და ვარსკვლავების მასის 70%-ზე მეტს, ვარსკვლავთშორისი გარემოსა და ნისლეულების გაზების ძირითად ნაწილს. წყალბადის ატომი არის მრავალი მჟავისა და ფუძის ნაწილი, ორგანული ნაერთების უმეტესობა. ისინი გამოიყენება ამიაკის, მარილმჟავას წარმოებაში, ცხიმების ჰიდროგენიზაციისთვის და ა.შ., ლითონების შედუღებასა და ჭრაში. პერსპექტიული როგორც საწვავი (იხ. წყალბადის ენერგია).

წყალბადი

წყალბადი (ლათ. Hydrogenium), H, ქიმიური ელემენტი ატომური ნომრით 1, ატომური მასა 1,00794. წყალბადის ქიმიური სიმბოლო, H, ჩვენში იკითხება როგორც "ნაცარი", როგორც ეს ასო გამოითქმის ფრანგულად.
ბუნებრივი წყალბადი შედგება ორი სტაბილური ნუკლიდის ნარევისაგან (სმ.ნუკლიდი)მასური ნომრებით 1,007825 (99,985% ნარევში) და 2,0140 (0,015%). გარდა ამისა, რადიოაქტიური ნუკლიდის, ტრიტიუმის კვალი ყოველთვის არის ბუნებრივ წყალბადში. (სმ.ტრიტიუმი) 3 სთ (ნახევარგამოყოფის პერიოდი T 1/2 12,43 წელი). ვინაიდან წყალბადის ატომის ბირთვი შეიცავს მხოლოდ 1 პროტონს (ატომის ბირთვში ნაკლები პროტონები არ შეიძლება იყოს), ზოგჯერ ამბობენ, რომ წყალბადი ქმნის D.I. მენდელეევის ელემენტების პერიოდული სისტემის ბუნებრივ ქვედა საზღვარს (თუმცა ელემენტი წყალბადია). თავად მდებარეობს ცხრილების ზედა ნაწილში). ელემენტი წყალბადი მდებარეობს პერიოდული ცხრილის პირველ პერიოდში. ის ასევე მიეკუთვნება პირველ ჯგუფს (ტუტე ლითონების IA ჯგუფს (სმ.ტუტე ლითონები)) და მე-7 ჯგუფს (ჰალოგენების VIIA ჯგუფი (სმ.ჰალოგენები)).
წყალბადის იზოტოპებში ატომების მასები მნიშვნელოვნად განსხვავდება (რამდენჯერმე). ეს იწვევს ფიზიკურ პროცესებში მათ ქცევაში შესამჩნევ განსხვავებებს (დისტილაცია, ელექტროლიზი და ა. ამიტომ, ყველა სხვა ელემენტის იზოტოპებისგან განსხვავებით, წყალბადის იზოტოპებს აქვთ სპეციალური სიმბოლოები და სახელები. 1 მასობრივი რიცხვის წყალბადს ეწოდება მსუბუქი წყალბადი, ან პროტიუმი (ლათ. Protium, ბერძნულიდან protos - პირველი), აღინიშნება სიმბოლო H, ხოლო მის ბირთვს ეწოდება პროტონი. (სმ.პროტონი (ელემენტარული ნაწილაკი)), სიმბოლო r. წყალბადს 2 მასის რიცხვით უწოდებენ მძიმე წყალბადს, დეიტერიუმს (სმ.დეიტერიუმი)(ლათინური Deuterium, ბერძნულიდან deuteros - მეორე), სიმბოლოები 2 H, ან D (წაიკითხეთ "de") გამოიყენება მის აღსანიშნავად, ბირთვი d არის დეიტრონი. რადიოაქტიურ იზოტოპს, რომელსაც აქვს 3 მასობრივი რიცხვი, ეწოდება ზემძიმე წყალბადი, ან ტრიტიუმი (ლათ. Tritum, ბერძნულიდან tritos - მესამე), სიმბოლო 2 H ან T (წაიკითხეთ "ისინი"), ბირთვი t არის ტრიტონი.
ნეიტრალური აუზიანებელი წყალბადის ატომის ერთი ელექტრონული ფენის კონფიგურაცია 1 ს 1 . ნაერთებში ავლენს ჟანგვის მდგომარეობებს +1 და ნაკლებად ხშირად -1 (ვალენტობა I). ნეიტრალური წყალბადის ატომის რადიუსია 0,024 ნმ. ატომის იონიზაციის ენერგიაა 13,595 ევ, ელექტრონის აფინურობა 0,75 ევ. პაულინგის შკალაზე წყალბადის ელექტროუარყოფითობაა 2,20. წყალბადი ერთ-ერთი არალითონია.
თავისუფალ ფორმაში ეს არის მსუბუქი, აალებადი გაზი ფერის, სუნისა და გემოს გარეშე.
აღმოჩენის ისტორია
მჟავებისა და ლითონების ურთიერთქმედების დროს აალებადი აირის გამოშვება შეინიშნებოდა მე-16 და მე-17 საუკუნეებში ქიმიის, როგორც მეცნიერების, ჩამოყალიბების გარიჟრაჟზე. ცნობილი ინგლისელი ფიზიკოსი და ქიმიკოსი G. Cavendish (სმ.კავენდიშ ჰენრი) 1766 წელს მან გამოიკვლია ეს გაზი და უწოდა "წვის ჰაერი". როდესაც დაიწვა, "წვის ჰაერი" იძლეოდა წყალს, მაგრამ კავენდიშის მიერ ფლოგისტონის თეორიის დაცვა (სმ.ფლოგისტონი)ხელი შეუშალა მას სწორი დასკვნების გაკეთებაში. ფრანგი ქიმიკოსი ა.ლავუაზიე (სმ.ლავუაზიე ანტუან ლორანი)ინჟინერ J. Meunier-თან ერთად (სმ. MEUNIER ჟან-ბატისტ მარი ჩარლზი)სპეციალური გაზომეტრების გამოყენებით, 1783 წელს ჩაატარა წყლის სინთეზი, შემდეგ კი მისი ანალიზი, წყლის ორთქლის დაშლა გახურებული რკინით. ამრიგად, მან დაადგინა, რომ „წვადი ჰაერი“ წყლის ნაწილია და მისი მიღება შესაძლებელია. 1787 წელს ლავუაზიე მივიდა დასკვნამდე, რომ „წვადი ჰაერი“ მარტივი ნივთიერებაა და, შესაბამისად, მიეკუთვნება ქიმიურ ელემენტებს. მან დაარქვა სახელი წყალბადი (ბერძნულიდან hydor - წყალი და გენაო - მშობიარობა) - "წყლის მშობიარობა". წყლის შემადგენლობის დამკვიდრებამ ბოლო მოუღო „ფლოგისტონის თეორიას“. რუსული სახელწოდება "წყალბადი" შემოგვთავაზა ქიმიკოსმა მ.ფ. სოლოვიოვმა (სმ.სოლოვიევი მიხაილ ფედოროვიჩი) 1824 წელს. მე-18 და მე-19 საუკუნეების მიჯნაზე აღმოჩნდა, რომ წყალბადის ატომი ძალიან მსუბუქია (სხვა ელემენტების ატომებთან შედარებით), ხოლო წყალბადის ატომის წონა (მასა) შედარებისთვის ერთეულად იქნა აღებული. ელემენტების ატომური მასები. წყალბადის ატომის მასას მიენიჭა მნიშვნელობა 1-ის ტოლი.
ბუნებაში ყოფნა
წყალბადი შეადგენს დედამიწის ქერქის მასის დაახლოებით 1%-ს (მე-10 ადგილი ყველა ელემენტს შორის). წყალბადი პრაქტიკულად არასოდეს გვხვდება თავისუფალ ფორმაში ჩვენს პლანეტაზე (მისი კვალი გვხვდება ატმოსფეროს ზედა ნაწილში), მაგრამ ის დედამიწის შემადგენლობით თითქმის ყველგან არის გავრცელებული. ელემენტი წყალბადი არის ცოცხალი ორგანიზმების, ბუნებრივი აირის, ნავთობის, ნახშირის ორგანული და არაორგანული ნაერთების ნაწილი. მას, რა თქმა უნდა, შეიცავს წყლის შემადგენლობაში (დაახლოებით 11% წონით), სხვადასხვა ბუნებრივ კრისტალურ ჰიდრატებში და მინერალებში, რომლებიც შეიცავს ერთ ან მეტ OH ჰიდროქსო ჯგუფს.
წყალბადი, როგორც ელემენტი, დომინირებს სამყაროში. მას შეადგენს მზისა და სხვა ვარსკვლავების მასის დაახლოებით ნახევარი, ის იმყოფება მრავალი პლანეტის ატმოსფეროში.
ქვითარი
წყალბადის მიღება შესაძლებელია მრავალი გზით. მრეწველობაში ამისთვის გამოიყენება ბუნებრივი აირები, აგრეთვე ნავთობის გადამუშავების, კოქსირებისა და ნახშირის და სხვა საწვავის გაზიფიკაციის შედეგად მიღებული აირები. ბუნებრივი აირისგან წყალბადის წარმოებისას (მთავარი კომპონენტია მეთანი) ხდება მისი კატალიზური ურთიერთქმედება წყლის ორთქლთან და არასრული დაჟანგვა ჟანგბადთან:
CH 4 + H 2 O \u003d CO + 3H 2 და CH 4 + 1/2 O 2 \u003d CO 2 + 2H 2
წყალბადის გამოყოფა კოქსის გაზიდან და გადამამუშავებელი აირებიდან ემყარება მათ გათხევადებას ღრმა გაგრილების დროს და ამოღება აირების ნარევიდან, რომლებიც უფრო ადვილად თხევადდება, ვიდრე წყალბადი. იაფი ელექტროენერგიის თანდასწრებით წყალბადი მიიღება წყლის ელექტროლიზით, ტუტე ხსნარებში დენის გავლისას. ლაბორატორიულ პირობებში წყალბადი ადვილად მიიღება ლითონების მჟავებთან ურთიერთქმედებით, მაგალითად, თუთია მარილმჟავასთან.
ფიზიკური და ქიმიური თვისებები
ნორმალურ პირობებში წყალბადი არის მსუბუქი (სიმკვრივე ნორმალურ პირობებში 0,0899 კგ / მ 3) უფერო აირი. დნობის წერტილი -259,15 °C, დუღილის წერტილი -252,7 °C. თხევად წყალბადს (დუღილის წერტილში) აქვს 70,8 კგ/მ 3 სიმკვრივე და არის ყველაზე მსუბუქი სითხე. სტანდარტული ელექტროდის პოტენციალი H 2 / H - წყალხსნარში აღებულია 0-ის ტოლი. წყალბადი ცუდად იხსნება წყალში: 0 ° C ტემპერატურაზე, ხსნადობა არის 0,02 სმ 3 / მლ-ზე ნაკლები, მაგრამ ის ძალიან ხსნადია ზოგიერთ ლითონში. (სპონგური რკინა და სხვა), განსაკუთრებით კარგი - მეტალის პალადიუმში (დაახლოებით 850 ტომი წყალბადი 1 მოცულობით მეტალში). წყალბადის წვის სითბოა 143,06 მჯ/კგ.
არსებობს დიატომური H 2 მოლეკულების სახით. H 2-ის ატომებში დისოციაციის მუდმივი 300 K-ზე არის 2.56 10 -34. H 2 მოლეკულის ატომებში დისოციაციის ენერგია არის 436 კჯ/მოლი. ბირთვთაშორისი მანძილი H 2 მოლეკულაში არის 0,07414 ნმ.
ვინაიდან თითოეული H ატომის ბირთვს, რომელიც არის მოლეკულის ნაწილი, აქვს საკუთარი სპინი (სმ.ᲓᲐᲢᲠᲘᲐᲚᲔᲑᲐ), მაშინ მოლეკულური წყალბადი შეიძლება იყოს ორი ფორმით: ორთოწყალბადის სახით (o-H 2) (ორივე სპინს აქვს ერთი და იგივე ორიენტაცია) და პარაჰიდროგენის სახით (p-H 2) (სპინებს განსხვავებული ორიენტაცია აქვს). ნორმალურ პირობებში ნორმალური წყალბადი არის 75% o-H2 და 25% p-H2 ნარევი. p- და o-H 2-ის ფიზიკური თვისებები ოდნავ განსხვავდება ერთმანეთისგან. ასე რომ, თუ სუფთა o-H 2-ის დუღილის წერტილი არის 20,45 K, მაშინ სუფთა p-n 2 - 20.26 K. o-H 2-ის p-H2-ად გარდაქმნას თან ახლავს 1418 ჯ/მოლი სითბოს გამოყოფა.
სამეცნიერო ლიტერატურაში არაერთხელ დადასტურდა, რომ მაღალი წნეხები(10 გპა ზემოთ) და დაბალ ტემპერატურაზე (დაახლოებით 10 K და ქვემოთ), მყარი წყალბადი, რომელიც ჩვეულებრივ კრისტალიზდება ექვსკუთხა მოლეკულური ტიპის ბადეში, შეიძლება გარდაიქმნას მეტალის თვისებების მქონე ნივთიერებად, შესაძლოა ზეგამტარადაც კი. თუმცა, ჯერ კიდევ არ არსებობს ცალსახა მონაცემები ასეთი გადასვლის შესაძლებლობის შესახებ.
მაღალი სიძლიერე ქიმიური ბმა H 2 მოლეკულის ატომებს შორის (რომელიც, მაგალითად, მოლეკულური ორბიტალების მეთოდის გამოყენებით, შეიძლება აიხსნას იმით, რომ ამ მოლეკულაში ელექტრონული წყვილი არის შემაკავშირებელ ორბიტალში, ხოლო შესუსტება ორბიტალი არ არის დასახლებული ელექტრონებით) რომ ოთახის ტემპერატურაზე აირისებრი წყალბადი ქიმიურად არააქტიურია. ასე რომ, გათბობის გარეშე, მარტივი შერევით, წყალბადი რეაგირებს (აფეთქებით) მხოლოდ აირისებრ ფტორთან:
H 2 + F 2 \u003d 2HF + Q.
თუ წყალბადისა და ქლორის ნარევი ოთახის ტემპერატურაზე დასხივებულია ულტრაიისფერი შუქით, მაშინ შეინიშნება წყალბადის ქლორიდის HCl-ის დაუყოვნებელი წარმოქმნა. წყალბადის რეაქცია ჟანგბადთან ხდება აფეთქებით, თუ კატალიზატორი, მეტალის პალადიუმი (ან პლატინი) შედის ამ გაზების ნარევში. როდესაც აალდება, წყალბადისა და ჟანგბადის ნარევი (ე.წ. ფეთქებადი აირი). (სმ.ასაფეთქებელი გაზი)) ფეთქდება და აფეთქება შეიძლება მოხდეს ნარევებში, რომლებშიც წყალბადის შემცველობა 5-დან 95 მოცულობით პროცენტამდეა. სუფთა წყალბადი ჰაერში ან სუფთა ჟანგბადში მშვიდად იწვის დიდი რაოდენობით სითბოს გამოყოფით:
H 2 + 1 / 2O 2 \u003d H 2 O + 285,75 კჯ / მოლი
თუ წყალბადი ურთიერთქმედებს სხვა არამეტალებთან და ლითონებთან, მაშინ მხოლოდ გარკვეულ პირობებში (გათბობა, მაღალი წნევა, კატალიზატორის არსებობა). ამრიგად, წყალბადი შექცევადად რეაგირებს აზოტთან სისხლის მაღალი წნევა(20-30 მპა და მეტი) და 300-400 ° C ტემპერატურაზე კატალიზატორის - რკინის თანდასწრებით:
3H 2 + N 2 = 2NH 3 + Q.
გარდა ამისა, მხოლოდ გაცხელებისას წყალბადი რეაგირებს გოგირდთან და წარმოქმნის წყალბადის სულფიდს H 2 S, ბრომთან - წყალბადის ბრომიდს HBr, იოდთან - წყალბადის იოდიდის წარმოქმნას. წყალბადი რეაგირებს ნახშირთან (გრაფიტთან) სხვადასხვა შემადგენლობის ნახშირწყალბადების ნარევის წარმოქმნით. წყალბადი უშუალოდ არ ურთიერთქმედებს ბორთან, სილიციუმთან და ფოსფორთან; ამ ელემენტების ნაერთები წყალბადთან მიიღება არაპირდაპირი გზით.
გაცხელებისას წყალბადს შეუძლია რეაგირება მოახდინოს ტუტე, მიწის ტუტე ლითონებთან და მაგნიუმთან, რათა წარმოქმნას იონური ბმის ხასიათის მქონე ნაერთები, რომლებიც შეიცავს წყალბადს ჟანგვის მდგომარეობაში -1. ასე რომ, როდესაც კალციუმი თბება წყალბადის ატმოსფეროში, წარმოიქმნება CaH 2 შემადგენლობის მარილის მსგავსი ჰიდრიდი. პოლიმერული ალუმინის ჰიდრიდი (AlH 3) x - ერთ-ერთი ყველაზე ძლიერი შემცირების საშუალება - მიიღება არაპირდაპირი გზით (მაგალითად, ალუმინის ორგანული ნაერთების გამოყენებით). მრავალი გარდამავალი ლითონით (მაგალითად, ცირკონიუმი, ჰაფნიუმი და ა.შ.), წყალბადი აყალიბებს ცვალებადი შემადგენლობის ნაერთებს (მყარი ხსნარები).
წყალბადს შეუძლია რეაგირება არა მხოლოდ ბევრ მარტივ, არამედ რთულ ნივთიერებასთან. უპირველეს ყოვლისა, უნდა აღინიშნოს წყალბადის უნარი, შეამციროს მრავალი ლითონი მათი ოქსიდებისგან (როგორიცაა რკინა, ნიკელი, ტყვია, ვოლფრამი, სპილენძი და ა.შ.). ასე რომ, როდესაც თბება 400-450 ° C და ზემოთ ტემპერატურაზე, რკინა მცირდება წყალბადით მისი რომელიმე ოქსიდიდან, მაგალითად:
Fe 2 O 3 + 3H 2 \u003d 2Fe + 3H 2 O.
უნდა აღინიშნოს, რომ მხოლოდ ლითონები, რომლებიც მდებარეობს მანგანუმის მიღმა სტანდარტული პოტენციალის სერიაში, შეიძლება ოქსიდებისგან წყალბადით შემცირდეს. უფრო აქტიური ლითონები (მათ შორის მანგანუმი) ოქსიდებიდან ლითონად არ იქცევა.
წყალბადს შეუძლია ორმაგი ან სამმაგი ბმა დაამატოს ბევრ ორგანულ ნაერთს (ეს არის ე.წ. ჰიდროგენიზაციის რეაქციები). მაგალითად, ნიკელის კატალიზატორის თანდასწრებით, შეიძლება განხორციელდეს ეთილენის C 2 H 4 ჰიდროგენიზაცია და წარმოიქმნება ეთანი C 2 H 6:
C 2 H 4 + H 2 \u003d C 2 H 6.
ნახშირბადის მონოქსიდის (II) და წყალბადის ურთიერთქმედება ინდუსტრიაში წარმოქმნის მეთანოლს:
2H 2 + CO \u003d CH 3 OH.
ნაერთებში, რომლებშიც წყალბადის ატომი დაკავშირებულია უფრო ელექტროუარყოფითი E ელემენტის ატომთან (E = F, Cl, O, N), წყალბადის ბმები წარმოიქმნება მოლეკულებს შორის. (სმ.წყალბადის ბმა)(ერთი და იგივე ან ორი განსხვავებული ელემენტის ორი E ატომი ერთმანეთთან არის დაკავშირებული H ატომით: E "... N ... E"", და სამივე ატომი განლაგებულია ერთსა და იმავე სწორ ხაზზე). ასეთი ბმები არსებობს მოლეკულებს შორის. წყალი, ამიაკი, მეთანოლი და ა.შ. და იწვევს ამ ნივთიერებების დუღილის წერტილების შესამჩნევ მატებას, აორთქლების სიცხის მატებას და ა.შ.
განაცხადი
წყალბადი გამოიყენება ამიაკის NH 3, წყალბადის ქლორიდის HCl, მეთანოლის CH 3 OH სინთეზში, ბუნებრივი ნახშირწყალბადების ჰიდროკრეკინგის (წყალბადის ატმოსფეროში გატეხვისას), როგორც შემცირების აგენტი გარკვეული ლითონების წარმოებაში. ჰიდროგენიზაცია (სმ.ჰიდროგენაცია)ბუნებრივი მცენარეული ზეთებიმიიღეთ მყარი ცხიმი - მარგარინი. თხევადი წყალბადი გამოიყენება როგორც სარაკეტო საწვავი და ასევე როგორც გამაგრილებელი. შედუღებისას გამოიყენება ჟანგბადისა და წყალბადის ნარევი.
ერთ დროს ვარაუდობდნენ, რომ უახლოეს მომავალში ენერგიის წარმოების ძირითადი წყარო იქნებოდა წყალბადის წვის რეაქცია და წყალბადის ენერგია ჩაანაცვლებდა ენერგიის წარმოების ტრადიციულ წყაროებს (ქვანახშირი, ნავთობი და ა.შ.). ამავდროულად, ვარაუდობდნენ, რომ წყალბადის ფართომასშტაბიანი წარმოებისთვის შესაძლებელი იქნებოდა წყლის ელექტროლიზის გამოყენება. წყლის ელექტროლიზი საკმაოდ ენერგო ინტენსიური პროცესია და ამჟამად წამგებიანია წყალბადის მიღება ელექტროლიზით სამრეწველო მასშტაბით. მაგრამ მოსალოდნელი იყო, რომ ელექტროლიზი დაფუძნებული იქნებოდა საშუალო ტემპერატურის (500-600 ° C) სითბოს გამოყენებაზე, რაც დიდი რაოდენობით ხდება ატომური ელექტროსადგურების მუშაობის დროს. ეს სითბო შეზღუდულია და მისი დახმარებით წყალბადის მიღების შესაძლებლობა მოაგვარებს როგორც ეკოლოგიის პრობლემას (როდესაც წყალბადი იწვება ჰაერში, წარმოიქმნება ეკოლოგიურად მავნე ნივთიერებების რაოდენობა მინიმალურია), ასევე საშუალო ტემპერატურის უტილიზაციის პრობლემას. სითბო. თუმცა, ჩერნობილის კატასტროფის შემდეგ, განვითარება ბირთვული ენერგიაკოაგულაცია ხდება ყველგან, ისე რომ ენერგიის მითითებული წყარო მიუწვდომელი ხდება. აქედან გამომდინარე, წყალბადის, როგორც ენერგიის წყაროს ფართო გამოყენების პერსპექტივები ჯერ კიდევ იცვლება 21-ე საუკუნის შუა ხანებამდე.
ცირკულაციის მახასიათებლები
წყალბადი არ არის შხამიანი, მაგრამ მასთან დამუშავებისას მუდმივად უნდა გავითვალისწინოთ მისი მაღალი ხანძრისა და აფეთქების საშიშროება, ხოლო წყალბადის აფეთქების საშიშროება იზრდება გაზის მაღალი უნარის გამო, რომ გავრცელდეს ზოგიერთ მყარ მასალაშიც კი. წყალბადის ატმოსფეროში რაიმე გათბობის ოპერაციების დაწყებამდე უნდა დარწმუნდეთ, რომ ის სუფთაა (ამობრუნებულ სინჯარაში წყალბადის აალებისას ხმა უნდა იყოს მოსაწყენი და არა ყეფა).
ბიოლოგიური როლი
წყალბადის ბიოლოგიური მნიშვნელობა განისაზღვრება იმით, რომ ის არის წყლის მოლეკულების ნაწილი და ბუნებრივი ნაერთების ყველა ყველაზე მნიშვნელოვანი ჯგუფი, მათ შორის ცილები, ნუკლეინის მჟავა, ლიპიდები, ნახშირწყლები. ცოცხალი ორგანიზმების მასის დაახლოებით 10% წყალბადია. წყალბადის უნარი შექმნას წყალბადური ბმა გადამწყვეტ როლს ასრულებს ცილების სივრცითი მეოთხეული სტრუქტურის შენარჩუნებაში, ასევე კომპლემენტარობის პრინციპის განხორციელებაში. (სმ.დამატებითი)ნუკლეინის მჟავების კონსტრუქციასა და ფუნქციებში (ანუ გენეტიკური ინფორმაციის შენახვასა და განხორციელებაში), ზოგადად, მოლეკულურ დონეზე „აღიარების“ განხორციელებაში. წყალბადი (H + იონი) მონაწილეობს ორგანიზმში ყველაზე მნიშვნელოვან დინამიურ პროცესებსა და რეაქციებში - ბიოლოგიურ დაჟანგვაში, რომელიც უზრუნველყოფს ცოცხალ უჯრედებს ენერგიით, მცენარეებში ფოტოსინთეზში, ბიოსინთეზის რეაქციებში, აზოტის ფიქსაციაში და ბაქტერიების ფოტოსინთეზში, მჟავას შენარჩუნებაში. - ბაზის ბალანსი და ჰომეოსტაზი (სმ.ჰომეოსტაზი)მემბრანული ტრანსპორტირების პროცესებში. ამრიგად, ჟანგბადთან და ნახშირბადთან ერთად წყალბადი ქმნის სიცოცხლის ფენომენების სტრუქტურულ და ფუნქციურ საფუძველს.

ენციკლოპედიური ლექსიკონი. 2009 .

სინონიმები:

ნახეთ, რა არის "წყალბადი" სხვა ლექსიკონებში:

ნუკლიდების ცხრილი Ზოგადი ინფორმაციადასახელება, სიმბოლო წყალბადი 4, 4H ნეიტრონები 3 პროტონები 1 ნუკლიდის თვისებები ატომური მასა 4.027810 (110) ... ვიკიპედია

ნუკლიდების ცხრილი ზოგადი ინფორმაცია დასახელება, სიმბოლო წყალბადი 5, 5H ნეიტრონები 4 პროტონები 1 ნუკლიდის თვისებები ატომური მასა 5.035310 (110) ... ვიკიპედია

ნუკლიდების ცხრილი ზოგადი ინფორმაცია დასახელება, სიმბოლო წყალბადი 6, 6H ნეიტრონები 5 პროტონები 1 ნუკლიდის თვისებები ატომური მასა 6.044940 (280) ... ვიკიპედია

ნუკლიდების ცხრილი ზოგადი ინფორმაცია დასახელება, სიმბოლო წყალბადი 7, 7H ნეიტრონები 6 პროტონები 1 ნუკლიდის თვისებები ატომური მასა 7.052750 (1080) ... ვიკიპედია

წყალბადი (Hydrogenium) XVI საუკუნის პირველ ნახევარში აღმოაჩინა გერმანელმა ექიმმა და ბუნებისმეტყველმა პარაცელსუსმა. 1776 წელს გ. კავენდიშმა (ინგლისი) დაადგინა მისი თვისებები და მიუთითა განსხვავებები სხვა გაზებისგან. ლავუაზიემ პირველმა მიიღო წყალბადი წყლისგან და დაამტკიცა, რომ წყალი წყალბადისა და ჟანგბადის ქიმიური კომბინაციაა (1783).

წყალბადს აქვს სამი იზოტოპი: პროტიუმი, დეიტერიუმი ან D და ტრიტიუმი ან T. მათი მასური რიცხვია 1, 2 და 3. პროტიუმი და დეიტერიუმი სტაბილურია, ტრიტიუმი რადიოაქტიურია (ნახევარგამოყოფის პერიოდი 12,5 წელი). ბუნებრივ ნაერთებში დეიტერიუმი და პროტიუმი საშუალოდ შეიცავს 1:6800 თანაფარდობით (ატომების რაოდენობის მიხედვით). ტრიტიუმი ბუნებაში უმნიშვნელო რაოდენობით გვხვდება.

წყალბადის ატომის ბირთვი შეიცავს ერთ პროტონს. დეიტერიუმის და ტრიტიუმის ბირთვები, პროტონის გარდა, შეიცავს, შესაბამისად, ერთ და ორ ნეიტრონს.

წყალბადის მოლეკულა შედგება ორი ატომისგან. აქ არის რამოდენიმე თვისება, რომელიც ახასიათებს წყალბადის ატომს და მოლეკულას:

ატომის იონიზაციის ენერგია, eV 13.60

ატომის მიდრეკილება ელექტრონის მიმართ, eV 0,75

ფარდობითი ელექტროუარყოფითობა 2.1

ატომის რადიუსი, ნმ 0,046

ბირთვთაშორისი მანძილი მოლეკულაში, ნმ 0,0741

მოლეკულების დისოციაციის სტანდარტული ეთალპია 436.1-ზე

115. წყალბადი ბუნებაში. წყალბადის მიღება.

თავისუფალ მდგომარეობაში წყალბადი დედამიწაზე მხოლოდ მცირე რაოდენობით გვხვდება. ზოგჯერ იგი გამოიყოფა სხვა აირებთან ერთად ვულკანური ამოფრქვევისას, აგრეთვე ჭაბურღილებიდან ნავთობის მოპოვებისას. მაგრამ ნაერთების სახით წყალბადი ძალიან გავრცელებულია. ეს უკვე ჩანს იქიდან, რომ იგი შეადგენს წყლის მასის მეცხრედს. წყალბადი არის ყველა მცენარეული და ცხოველური ორგანიზმის შემადგენელი ზეთი, მყარი და ყავისფერი ქვანახშირი, ბუნებრივი აირები და მთელი რიგი მინერალები. წყალბადის წილი დედამიწის ქერქის მთელი მასიდან, წყლისა და ჰაერის ჩათვლით, დაახლოებით 1%-ს შეადგენს. თუმცა, როდესაც ხელახლა გამოითვლება ატომების მთლიანი რაოდენობის პროცენტულად, წყალბადის შემცველობა დედამიწის ქერქში არის 17%.

წყალბადი არის ყველაზე უხვი ელემენტი სივრცეში. ის მზის და სხვა ვარსკვლავების უმეტესობის მასის დაახლოებით ნახევარს შეადგენს. ის შეიცავს აირისებრ ნისლეულებში, ვარსკვლავთშორის გაზში და ვარსკვლავების ნაწილია. ვარსკვლავების ინტერიერში წყალბადის ატომების ბირთვები გარდაიქმნება ჰელიუმის ატომების ბირთვებად. ეს პროცესი ენერგიის გამოყოფით მიმდინარეობს; მრავალი ვარსკვლავისთვის, მზის ჩათვლით, ის ენერგიის ძირითად წყაროს წარმოადგენს. პროცესის სიჩქარე, ანუ წყალბადის ბირთვების რაოდენობა, რომლებიც ერთ კუბურ მეტრში ერთ წამში გადაიქცევიან ჰელიუმის ბირთვებად, მცირეა. ამიტომ, ენერგიის რაოდენობა, რომელიც გამოთავისუფლებულია დროის ერთეულზე, ერთეულ მოცულობაზე მცირეა. თუმცა, მზის უზარმაზარი მასის გამო, მზის მიერ გამომუშავებული და გამოსხივებული ენერგიის მთლიანი რაოდენობა ძალიან დიდია. ეს შეესაბამება მზის მასის შემცირებას დაახლოებით წამით.

მრეწველობაში წყალბადი ძირითადად ბუნებრივი აირისგან იწარმოება. ეს გაზი, რომელიც ძირითადად მეთანისგან შედგება, შერეულია წყლის ორთქლთან და ჟანგბადთან. როდესაც გაზების ნარევი თბება კატალიზატორის თანდასწრებით, ხდება რეაქცია, რომელიც სქემატურად შეიძლება წარმოდგენილი იყოს განტოლებით:

შედეგად მიღებული გაზების ნარევი გამოყოფილია. წყალბადი იწმინდება და გამოიყენება ადგილზე ან ტრანსპორტირდება წნევის ქვეშ მყოფი ფოლადის ცილინდრებში.

წყალბადის წარმოების მნიშვნელოვანი სამრეწველო მეთოდია აგრეთვე მისი იზოლაცია კოქსის ღუმელის გაზიდან ან ნავთობგადამამუშავებელი აირებისგან. იგი ხორციელდება ღრმა გაგრილებით, რომელშიც ყველა აირი, წყალბადის გარდა, თხევადდება.

ლაბორატორიებში წყალბადი იწარმოება ძირითადად წყალხსნარების ელექტროლიზით. ამ ხსნარების კონცენტრაცია არჩეულია მათი მაქსიმალური ელექტრული გამტარობის შესატყვისად. ელექტროდები ჩვეულებრივ მზადდება ნიკელის ფურცლისგან. ეს ლითონი არ კოროზირდება ტუტე ხსნარებში, თუნდაც ანოდი იყოს. საჭიროების შემთხვევაში, მიღებული წყალბადი იწმინდება წყლის ორთქლისა და ჟანგბადის კვალისგან. სხვა ლაბორატორიული მეთოდებიდან ყველაზე გავრცელებული მეთოდია წყალბადის მოპოვება გოგირდის ან მარილმჟავების ხსნარებიდან მათზე თუთიის მოქმედებით. რეაქცია ჩვეულებრივ ტარდება კიპის აპარატში (სურ. 105).

განმარტება

წყალბადიპერიოდული ცხრილის პირველი ელემენტია. აღნიშვნა - H ლათინური "hydrogenium". პირველ პერიოდში განლაგებულია ჯგუფი IA. ეხება არალითონებს. ბირთვული მუხტი არის 1.

წყალბადი ერთ-ერთი ყველაზე გავრცელებული ქიმიური ელემენტია - მისი წილი დედამიწის ქერქის სამივე ჭურვის (ატმოსფერო, ჰიდროსფერო და ლითოსფერო) მასის დაახლოებით 1%-ია, რაც ატომურ პროცენტებში გადაყვანისას იძლევა ციფრს 17.0.

ამ ელემენტის ძირითადი რაოდენობა შეკრულ მდგომარეობაშია. ამრიგად, წყალი შეიცავს დაახლოებით 11 ვტ. %, თიხა - დაახლოებით 1,5% და ა.შ. ნახშირბადის ნაერთების სახით წყალბადი ნავთობის, აალებადი ბუნებრივი აირების და ყველა ორგანიზმის ნაწილია.

წყალბადი არის უფერო და უსუნო აირი (ატომის სტრუქტურის დიაგრამა ნაჩვენებია ნახ. 1-ზე). მისი დნობის და დუღილის წერტილები ძალიან დაბალია (-259 o C და -253 o C, შესაბამისად). ტემპერატურაზე (-240 o C) და წნევის ქვეშ წყალბადს შეუძლია გათხევადება და მიღებული სითხის სწრაფი აორთქლებისას იგი იქცევა მყარი მდგომარეობა(გამჭვირვალე კრისტალები). წყალში ოდნავ ხსნადია - მოცულობით 2:100. წყალბადს ახასიათებს ხსნადობა ზოგიერთ ლითონში, მაგალითად, რკინაში.

ბრინჯი. 1. წყალბადის ატომის აგებულება.

წყალბადის ატომური და მოლეკულური წონა

განმარტება

შედარებითი ატომური მასაელემენტი არის მოცემული ელემენტის ატომის მასის თანაფარდობა ნახშირბადის ატომის მასის 1/12-თან.

ფარდობითი ატომური მასა არის განზომილებიანი და აღინიშნება A r-ით (ქვემოწერი "r" არის საწყისი ასო ინგლისური სიტყვანათესავი, რაც თარგმანში ნიშნავს "ნათესავს"). ატომური წყალბადის ფარდობითი ატომური მასა არის 1,008 ამუ.

მოლეკულების მასები, ისევე როგორც ატომების მასები, გამოხატულია ატომური მასის ერთეულებში.

განმარტება

მოლეკულური წონანივთიერებას ეწოდება მოლეკულის მასა, რომელიც გამოხატულია ატომური მასის ერთეულებში. შედარებითი მოლეკულური წონანივთიერებები უწოდებენ მოცემული ნივთიერების მოლეკულის მასის თანაფარდობას ნახშირბადის ატომის მასის 1/12-თან, რომლის მასა არის 12 a.m.u.

ცნობილია, რომ წყალბადის მოლეკულა არის დიატომური - H 2 . წყალბადის მოლეკულის ფარდობითი მოლეკულური წონა ტოლი იქნება:

M r (H 2) \u003d 1,008 × 2 \u003d 2,016.

წყალბადის იზოტოპები

წყალბადს აქვს სამი იზოტოპი: პროტიუმი 1 H, დეიტერიუმი 2 H ან D და ტრიტიუმი 3 H ან T. მათი მასური რიცხვია 1, 2 და 3. პროტიუმი და დეიტერიუმი სტაბილურია, ტრიტიუმი რადიოაქტიურია (ნახევარგამოყოფის პერიოდი 12,5 წელი). ბუნებრივ ნაერთებში დეიტერიუმი და პროტიუმი საშუალოდ შეიცავს 1:6800 თანაფარდობას (ატომების რაოდენობის მიხედვით). ტრიტიუმი ბუნებაში უმნიშვნელო რაოდენობით გვხვდება.

წყალბადის ატომის ბირთვი 1 H შეიცავს ერთ პროტონს. დეიტერიუმისა და ტრიტიუმის ბირთვები, პროტონის გარდა, მოიცავს ერთ და ორ ნეიტრონს.

წყალბადის იონები

წყალბადის ატომს შეუძლია ან შესწიროს თავისი ერთი ელექტრონი დადებითი იონის შესაქმნელად (რომელიც არის „შიშველი“ პროტონი), ან მას შეუძლია დაამატოთ ერთი ელექტრონი, გადაიქცევა უარყოფით იონად, რომელსაც აქვს ჰელიუმის ელექტრონული კონფიგურაცია.

ელექტრონის სრული გამოყოფა წყალბადის ატომიდან მოითხოვს ძალიან დიდი იონიზაციის ენერგიის ხარჯვას:

H + 315 კკალ = H + + e.

შედეგად, წყალბადის მეტალოიდებთან ურთიერთქმედებისას წარმოიქმნება არა იონური, არამედ მხოლოდ პოლარული ბმები.

ნეიტრალური ატომის ჭარბი ელექტრონის მიმაგრების ტენდენცია ხასიათდება მისი ელექტრონის აფინურობის მნიშვნელობით. წყალბადში ის საკმაოდ სუსტად არის გამოხატული (თუმცა ეს არ ნიშნავს, რომ ასეთი წყალბადის იონი არ შეიძლება არსებობდეს):

H + e \u003d H - + 19 კკალ.

წყალბადის მოლეკულა და ატომი

წყალბადის მოლეკულა შედგება ორი ატომისგან - H 2 . აქ არის რამოდენიმე თვისება, რომელიც ახასიათებს წყალბადის ატომს და მოლეკულას:

პრობლემის გადაჭრის მაგალითები

მაგალითი 1

ვარჯიში	დაამტკიცეთ, რომ არსებობს ზოგადი ფორმულის EN x ჰიდრიდები, რომლებიც შეიცავს 12,5% წყალბადს.
გამოსავალი	გამოთვალეთ წყალბადის და უცნობი ელემენტის მასა, ნიმუშის მასა 100გრ. m(H) = m(EN x)×w(H); m(H) = 100 × 0.125 = 12.5 გ. m (E) \u003d m (EN x) - m (H); მ (E) \u003d 100 - 12.5 \u003d 87.5 გ. ვიპოვოთ წყალბადის ნივთიერებისა და უცნობი ელემენტის რაოდენობა, ამ უკანასკნელის მოლური მასის აღნიშვნა როგორც "x" (წყალბადის მოლური მასა არის 1 გ/მოლ):

წყალბადი ქიმიური ელემენტია სიმბოლო H და ატომური ნომერი 1. სტანდარტული ატომური მასით დაახლოებით 1,008, წყალბადი არის ყველაზე მსუბუქი ელემენტი პერიოდულ სისტემაზე. მისი ერთატომური ფორმა (H) არის ყველაზე უხვი ქიმიური ნივთიერება სამყაროში, რომელიც შეადგენს ბარიონის მთლიანი მასის დაახლოებით 75%-ს. პლაზმურ მდგომარეობაში ვარსკვლავები ძირითადად წყალბადისგან შედგება. წყალბადის ყველაზე გავრცელებულ იზოტოპს, რომელსაც ეწოდება პროტიუმი (ეს სახელი იშვიათად გამოიყენება, სიმბოლო 1H), აქვს ერთი პროტონი და არ არის ნეიტრონები. ატომური წყალბადის ფართოდ გაჩენა პირველად მოხდა რეკომბინაციის ეპოქაში. სტანდარტული ტემპერატურისა და წნევის დროს წყალბადი არის უფერო, უსუნო, უგემოვნო, არატოქსიკური, არამეტალური, აალებადი დიატომური გაზი H2 მოლეკულური ფორმულით. ვინაიდან წყალბადი ადვილად აყალიბებს კოვალენტურ კავშირებს უმეტეს არამეტალურ ელემენტებთან, დედამიწაზე წყალბადის უმეტესი ნაწილი არსებობს მოლეკულურ ფორმებში, როგორიცაა წყალი ან ორგანული ნაერთები. წყალბადი განსაკუთრებით მნიშვნელოვან როლს ასრულებს მჟავა-ფუძის რეაქციებში, რადგან მჟავაზე დაფუძნებული რეაქციების უმეტესობა მოიცავს პროტონების გაცვლას ხსნად მოლეკულებს შორის. იონურ ნაერთებში წყალბადს შეუძლია მიიღოს უარყოფითი მუხტის ფორმა (ანუ ანიონი) და ცნობილია როგორც ჰიდრიდი, ან როგორც დადებითად დამუხტული (ანუ კატიონი) სახეობა, რომელიც აღინიშნება სიმბოლო H+. წყალბადის კატიონი აღწერილია, როგორც მარტივი პროტონისგან შედგება, მაგრამ იონურ ნაერთებში არსებული წყალბადის კათიონი ყოველთვის უფრო რთულია. როგორც ერთადერთი ნეიტრალური ატომი, რომლისთვისაც შრედინგერის განტოლება შეიძლება ამოხსნას ანალიტიკურად, წყალბადმა (კერძოდ, მისი ატომის ენერგიისა და შებოჭვის შესწავლა) გადამწყვეტი როლი ითამაშა კვანტური მექანიკის განვითარებაში. წყალბადის გაზი პირველად ხელოვნურად წარმოიქმნა მე-16 საუკუნის დასაწყისში მჟავების ლითონებთან რეაქციის შედეგად. 1766-81 წლებში. ჰენრი კავენდიშმა პირველმა აღიარა, რომ წყალბადის გაზი არის დისკრეტული ნივთიერება და რომ იგი აწარმოებს წყალს წვისას, აქედან გამომდინარეობს მისი სახელი: წყალბადი ბერძნულად ნიშნავს "წყლის მწარმოებელს". წყალბადის სამრეწველო წარმოება ძირითადად დაკავშირებულია ბუნებრივი აირის ორთქლის გარდაქმნასთან და, ნაკლებად ხშირად, უფრო ენერგო ინტენსიურ მეთოდებთან, როგორიცაა წყლის ელექტროლიზი. წყალბადის უმეტესობა გამოიყენება იქ, სადაც ის იწარმოება, ორი ყველაზე გავრცელებული გამოყენებაა წიაღისეული საწვავის დამუშავება (მაგ. ჰიდროკრეკინგი) და ამიაკის წარმოება, ძირითადად სასუქების ბაზრისთვის. წყალბადი მეტალურგიაში შემაშფოთებელია, რადგან მას შეუძლია მრავალი ლითონის დამტვრევა, რაც ართულებს მილსადენებისა და საცავის ავზების დიზაინს.

Თვისებები

წვა

წყალბადის გაზი (დიწყალბადი ან მოლეკულური წყალბადი) არის აალებადი გაზი, რომელიც იწვის ჰაერში კონცენტრაციების ძალიან ფართო დიაპაზონში 4%-დან 75%-მდე მოცულობით. წვის ენთალპია არის 286 კჯ/მოლი:

2 H2 (გ) + O2 (გ) → 2 H2O (ლ) + 572 კჯ (286 კჯ/მოლი)

წყალბადის გაზი ქმნის ფეთქებად ნარევებს ჰაერთან 4-74%-მდე და ქლორთან 5,95%-მდე კონცენტრაციით. ფეთქებადი რეაქციები შეიძლება გამოიწვიოს ნაპერწკლებმა, სიცხემ ან მზის შუქმა. წყალბადის თვითაალების ტემპერატურა, ჰაერში სპონტანური აალების ტემპერატურა, არის 500 °C (932 °F). სუფთა წყალბად-ჟანგბადის ალი ასხივებს ულტრაიისფერ გამოსხივებას და მაღალი ჟანგბადის ნარევით თითქმის უხილავია შეუიარაღებელი თვალით, რაც დასტურდება Space Shuttle-ის მთავარი ძრავის სუსტი ბუმბულით, შედარებით შესამჩნევად შესამჩნევი ბუმბულით Space Shuttle მყარი რაკეტის გამაძლიერებლისგან. ამონიუმის პერქლორატის კომპოზიტი. დამწვარი წყალბადის გაჟონვის დასადგენად შეიძლება საჭირო გახდეს ალი დეტექტორი; ასეთი გაჟონვა შეიძლება იყოს ძალიან საშიში. წყალბადის ალი სხვა პირობებში ცისფერია და ბუნებრივი აირის ლურჯ ცეცხლს წააგავს. საჰაერო ხომალდის „ჰინდენბურგის“ ჩაძირვა წყალბადის წვის ყბადაღებული მაგალითია და საქმე ჯერ კიდევ განხილვის პროცესშია. ამ ინციდენტში ხილული ნარინჯისფერი ალი გამოწვეული იყო წყალბადისა და ჟანგბადის ნარევის ზემოქმედებით, რომელიც შერწყმულია ნახშირბადის ნაერთებთან დირიჟამის კანიდან. H2 რეაგირებს ყველა ჟანგვის ელემენტთან. წყალბადს შეუძლია სპონტანურად რეაგირება ოთახის ტემპერატურაზე ქლორთან და ფტორთან და შექმნას შესაბამისი წყალბადის ჰალოიდები, წყალბადის ქლორიდი და წყალბადის ფტორი, რომლებიც ასევე პოტენციურად საშიში მჟავებია.

ელექტრონის ენერგიის დონეები

ელექტრონის ენერგეტიკული დონე წყალბადის ატომში არის -13,6 ევ, რაც უდრის ულტრაიისფერი ფოტონის ტალღის სიგრძით დაახლოებით 91 ნმ. ენერგიის დონეებიწყალბადის გამოთვლა საკმაოდ ზუსტად შეიძლება ატომის ბორის მოდელის გამოყენებით, რომელიც ელექტრონს ასახავს როგორც „ორბიტალურ“ პროტონს, მზის დედამიწის ორბიტის მსგავსი. ამასთან, ატომური ელექტრონი და პროტონი ერთმანეთთან ერთად იმართება ელექტრომაგნიტური ძალით, ხოლო პლანეტები და ციური ობიექტები ერთად იკავებენ გრავიტაციას. ადრე პოსტულირებული კუთხური იმპულსის დისკრეტიზაციის გამო კვანტური მექანიკაბორის, ბორის მოდელში ელექტრონს შეუძლია დაიკავოს მხოლოდ გარკვეული დასაშვები მანძილი პროტონიდან და, შესაბამისად, მხოლოდ გარკვეული დასაშვები ენერგიები. წყალბადის ატომის უფრო ზუსტი აღწერა მომდინარეობს წმინდა კვანტური მექანიკური დამუშავებიდან, რომელიც იყენებს შრედინგერის განტოლებას, დირაკის განტოლებას ან თუნდაც ფეინმანის ინტეგრირებულ წრეს პროტონის გარშემო ელექტრონის ალბათობის სიმკვრივის განაწილების გამოსათვლელად. დამუშავების ყველაზე რთული მეთოდები საშუალებას გაძლევთ მიიღოთ მცირე ეფექტები სპეციალური თეორიაფარდობითობა და ვაკუუმური პოლარიზაცია. კვანტური დამუშავების დროს ელექტრონს ძირითადი მდგომარეობის წყალბადის ატომში არ აქვს ბრუნვის მომენტი, რაც ასახავს იმას, თუ როგორ განსხვავდება „პლანეტარული ორბიტა“ ელექტრონის მოძრაობისგან.

ელემენტარული მოლეკულური ფორმები

არსებობს დიატომური წყალბადის მოლეკულების ორი განსხვავებული სპინის იზომერი, რომლებიც განსხვავდებიან მათი ბირთვების შედარებით სპინის მიხედვით. ორთოწყალბადის ფორმაში ორი პროტონის სპინები პარალელურია და ქმნიან სამეულ მდგომარეობას მოლეკულური სპინის კვანტური რიცხვით 1 (1/2 + 1/2); პარაჰიდროგენის სახით სპინები ანტიპარალელურია და ქმნიან ერთეულს მოლეკულური სპინის კვანტური რიცხვით 0 (1/2 1/2). სტანდარტულ ტემპერატურასა და წნევაზე წყალბადის გაზი შეიცავს პარა-ფორმის დაახლოებით 25%-ს და ორთო ფორმის 75%-ს, რომელიც ასევე ცნობილია როგორც "ნორმალური ფორმა". ორთოწყალბადისა და პარაჰიდროგენის წონასწორული თანაფარდობა დამოკიდებულია ტემპერატურაზე, მაგრამ რადგან ორთო ფორმა არის აღგზნებული მდგომარეობა და აქვს უფრო მაღალი ენერგია ვიდრე პარა ფორმას, ის არასტაბილურია და მისი გაწმენდა შეუძლებელია. ძალიან დაბალ ტემპერატურაზე წონასწორობის მდგომარეობა თითქმის ექსკლუზიურად შედგება პარა ფორმისგან. თერმული თვისებებისუფთა პარაჰიდროგენის თხევადი და აირის ფაზები მნიშვნელოვნად განსხვავდება ნორმალური ფორმის თვისებებისგან ბრუნვის სითბოს სიმძლავრის განსხვავებების გამო, რაც უფრო დეტალურად არის განხილული წყალბადის სპინის იზომერებში. ორთო/წყვილი განსხვავება ასევე გვხვდება სხვა წყალბადის შემცველ მოლეკულებში ან ფუნქციურ ჯგუფებში, როგორიცაა წყალი და მეთილენი, მაგრამ ამას მცირე მნიშვნელობა აქვს მათი თერმული თვისებებისთვის. პარა და ორთო H2-ს შორის არაკატალიზირებული ინტერკონვერსია იზრდება ტემპერატურის მატებასთან ერთად; ამრიგად, სწრაფად შედედებული H2 შეიცავს დიდი რაოდენობითმაღალი ენერგიის ორთოგონალური ფორმა, რომელიც ძალიან ნელა გარდაიქმნება პარა ფორმაში. ორთო/პარა თანაფარდობა კონდენსირებულ H2-ში მნიშვნელოვანი ფაქტორია თხევადი წყალბადის მომზადებისა და შესანახად: ორთოდან პარაში გადაქცევა ეგზოთერმულია და უზრუნველყოფს საკმარის სითბოს წყალბადის სითხის ნაწილის ორთქლებისთვის, რაც იწვევს თხევადი მასალის დაკარგვას. ორთო-პარა კონვერტაციის კატალიზატორები, როგორიცაა რკინის ოქსიდი, გააქტიურებული ნახშირბადი, პლატინიზებული აზბესტი, იშვიათი დედამიწის ლითონები, ურანის ნაერთები, ქრომის ოქსიდი ან ზოგიერთი ნიკელის ნაერთები გამოიყენება წყალბადის გაგრილებაში.

ფაზები

წყალბადის გაზი

თხევადი წყალბადი

ლამის წყალბადი

მყარი წყალბადი

მეტალის წყალბადი

კავშირები

კოვალენტური და ორგანული ნაერთები

მიუხედავად იმისა, რომ H2 არ არის ძალიან რეაქტიული სტანდარტულ პირობებში, ის ქმნის ნაერთებს უმეტეს ელემენტებთან. წყალბადს შეუძლია შექმნას ნაერთები უფრო ელექტრონეგატიურ ელემენტებთან, როგორიცაა ჰალოგენები (მაგ. F, Cl, Br, I) ან ჟანგბადი; ამ ნაერთებში წყალბადი ნაწილობრივ დადებით მუხტს იღებს. ფტორთან, ჟანგბადთან ან აზოტთან შეერთებისას წყალბადს შეუძლია მონაწილეობა მიიღოს საშუალო სიძლიერის არაკოვალენტური ბმის სახით სხვა მსგავსი მოლეკულების წყალბადთან, ფენომენი, რომელსაც ეწოდება წყალბადის კავშირი, რომელიც გადამწყვეტია მრავალი ბიოლოგიური მოლეკულის სტაბილურობისთვის. წყალბადი ასევე ქმნის ნაერთებს ნაკლებად ელექტროუარყოფითი ელემენტებით, როგორიცაა ლითონები და მეტალოიდები, სადაც ნაწილობრივ უარყოფით მუხტს იღებს. ეს ნაერთები ხშირად ცნობილია როგორც ჰიდრიდები. წყალბადი ნახშირბადთან ერთად აყალიბებს ნაერთების მრავალფეროვნებას, რომელსაც ეწოდება ნახშირწყალბადები, და კიდევ უფრო მეტ ნაერთს ჰეტეროატომებთან, რომლებსაც ცოცხალ არსებებთან საერთო კავშირის გამო ორგანულ ნაერთებს უწოდებენ. მათი თვისებების შესწავლა არის ორგანული ქიმიადა მათი შესწავლა ცოცხალი ორგანიზმების კონტექსტში ცნობილია როგორც ბიოქიმია. ზოგიერთი განმარტებით, "ორგანული" ნაერთები უნდა შეიცავდეს მხოლოდ ნახშირბადს. თუმცა, უმეტესობა ასევე შეიცავს წყალბადს და რადგან ნახშირბად-წყალბადის ბმა არის ნაერთების ამ კლასს მათი სპეციფიკური ქიმიური მახასიათებლების უმეტესი ნაწილი, ნახშირბად-წყალბადის ბმები საჭიროა ქიმიაში სიტყვის "ორგანული" ზოგიერთ განმარტებაში. ცნობილია მილიონობით ნახშირწყალბადი და ისინი, როგორც წესი, წარმოიქმნება რთული სინთეზური გზებით, რომლებიც იშვიათად შეიცავს ელემენტარულ წყალბადს.

ჰიდრიდები

წყალბადის ნაერთებს ხშირად ჰიდრიდებს უწოდებენ. ტერმინი „ჰიდრიდი“ ვარაუდობს, რომ H ატომმა შეიძინა უარყოფითი ან ანიონური ხასიათი, რომელსაც ეწოდება H- და გამოიყენება მაშინ, როდესაც წყალბადი ქმნის ნაერთს უფრო ელექტროდადებითი ელემენტით. ჰიდრიდის ანიონის არსებობა, რომელიც შემოთავაზებულია გილბერტ ნ. ლუისის მიერ 1916 წელს 1 და 2 ჯგუფის მარილის შემცველი ჰიდრიდებისთვის, აჩვენა მოერსმა 1920 წელს გამდნარი ლითიუმის ჰიდრიდის (LiH) ელექტროლიზით, რომელიც წარმოქმნის წყალბადის სტექიომეტრულ რაოდენობას ანოდზე. 1 და 2 ჯგუფის ლითონების გარდა ჰიდრიდებისთვის, ტერმინი შეცდომაში შემყვანია წყალბადის დაბალი ელექტრონეგატიურობის გათვალისწინებით. მეორე ჯგუფის ჰიდრიდებში გამონაკლისი არის BeH2, რომელიც პოლიმერულია. ლითიუმის ალუმინის ჰიდრიდში, AlH-4 ანიონი ატარებს ჰიდრიდულ ცენტრებს მყარად დამაგრებულ Al(III-ზე). მიუხედავად იმისა, რომ ჰიდრიდები შეიძლება ჩამოყალიბდეს თითქმის ყველა ძირითადი ჯგუფის ელემენტებში, შესაძლო ნაერთების რაოდენობა და კომბინაცია მნიშვნელოვნად განსხვავდება; მაგალითად, ცნობილია 100-ზე მეტი ორობითი ბორანის ჰიდრიდი და მხოლოდ ერთი ორობითი ალუმინის ჰიდრიდი. ბინარული ინდიუმის ჰიდრიდი ჯერ არ არის გამოვლენილი, თუმცა დიდი კომპლექსები არსებობს. არაორგანულ ქიმიაში ჰიდრიდებს შეუძლიათ აგრეთვე გამოიყენონ ხიდი ლიგანდები, რომლებიც აკავშირებენ ორ მეტალის ცენტრს საკოორდინაციო კომპლექსში. ეს ფუნქცია განსაკუთრებით დამახასიათებელია მე-13 ჯგუფის ელემენტებისთვის, განსაკუთრებით ბორანებში (ბორის ჰიდრიდები) და ალუმინის კომპლექსებში, ასევე ჯგუფურ კარბორანებში.

პროტონები და მჟავები

წყალბადის დაჟანგვა შლის მის ელექტრონს და იძლევა H+, რომელიც არ შეიცავს ელექტრონებს და ბირთვს, რომელიც ჩვეულებრივ შედგება ერთი პროტონისგან. ამიტომ H+-ს ხშირად პროტონად მოიხსენიებენ. ეს შეხედულება ცენტრალურია მჟავების განხილვისთვის. ბრონსტედ-ლოურის თეორიის მიხედვით, მჟავები პროტონის დონორები არიან, ხოლო ფუძეები პროტონის მიმღებები. შიშველი პროტონი, H+, ვერ იარსებებს ხსნარში ან იონურ კრისტალებში, რადგან მისი დაუძლეველი მიზიდულობა სხვა ატომების ან მოლეკულების მიმართ ელექტრონებია. პლაზმასთან დაკავშირებული მაღალი ტემპერატურის გარდა, ასეთი პროტონები არ შეიძლება ამოღებულ იქნეს ატომებისა და მოლეკულების ელექტრონული ღრუბლებიდან და დარჩებიან მათზე მიბმული. თუმცა, ტერმინი "პროტონი" ზოგჯერ გამოიყენება მეტაფორულად დადებითად დამუხტულ ან კატიონურ წყალბადზე, რომელიც დაკავშირებულია სხვა სახეობებთან ამ გზით და, როგორც ასეთი, აღინიშნება "H +" ყოველგვარი მნიშვნელობის გარეშე, რომ რომელიმე ცალკეული პროტონი თავისუფლად არსებობს, როგორც სახეობა. ხსნარში შიშველი „გახსნილი პროტონის“ გამოჩენის თავიდან ასაცილებლად, ზოგჯერ თვლიან, რომ მჟავე წყალხსნარები შეიცავს ნაკლებად სავარაუდო ფიქტიურ სახეობას, რომელსაც ეწოდება „ჰიდრონიუმის იონი“ (H 3 O+). თუმცა, ამ შემთხვევაშიც კი, ასეთი ხსნადი წყალბადის კათიონები უფრო რეალისტურად აღიქმება, როგორც ორგანიზებული მტევანი, რომლებიც ქმნიან სახეობებს H 9O+4-თან ახლოს. სხვა ოქსონიუმის იონები გვხვდება, როდესაც წყალი მჟავე ხსნარშია სხვა გამხსნელებთან ერთად. მიუხედავად იმისა, რომ დედამიწაზე ეგზოტიკურია, სამყაროში ერთ-ერთი ყველაზე გავრცელებული იონი არის H+3, რომელიც ცნობილია როგორც პროტონირებული მოლეკულური წყალბადი ან ტრიწყალბადის კატიონი.

იზოტოპები

წყალბადს აქვს სამი ბუნებრივი იზოტოპი, დასახელებული 1H, 2H და 3H. სხვა უაღრესად არასტაბილური ბირთვები (4H-დან 7H-მდე) სინთეზირებულია ლაბორატორიაში, მაგრამ არ არის დაფიქსირებული ბუნებაში. 1H წყალბადის ყველაზე გავრცელებული იზოტოპია, სიმრავლით 99,98%-ზე მეტი. ვინაიდან ამ იზოტოპის ბირთვი შედგება მხოლოდ ერთი პროტონისგან, მას მიენიჭა აღწერილობითი, მაგრამ იშვიათად გამოყენებული ოფიციალური სახელი protium. 2H, წყალბადის სხვა სტაბილური იზოტოპი, ცნობილია როგორც დეიტერიუმი და შეიცავს ერთ პროტონს და ერთ ნეიტრონს ბირთვში. ითვლება, რომ სამყაროში არსებული მთელი დეიტერიუმი წარმოიქმნა დიდი აფეთქების დროს და არსებობს ამ დროიდან დღემდე. დეიტერიუმი არ არის რადიოაქტიური ელემენტი და არ წარმოადგენს მნიშვნელოვან ტოქსიკურობის საშიშროებას. მოლეკულებით გამდიდრებულ წყალს, რომელიც შეიცავს დეიტერიუმს ჩვეულებრივი წყალბადის ნაცვლად, მძიმე წყალს უწოდებენ. დეიტერიუმი და მისი ნაერთები გამოიყენება როგორც არარადიოაქტიური ეტიკეტები ქიმიურ ექსპერიმენტებში და გამხსნელებში 1H-NMR სპექტროსკოპიისთვის. მძიმე წყალი გამოიყენება როგორც ნეიტრონის მოდერატორი და გამაგრილებელი ბირთვული რეაქტორებისთვის. დეიტერიუმი ასევე არის პოტენციური საწვავი კომერციული ბირთვული შერწყმისთვის. 3H ცნობილია როგორც ტრიტიუმი და შეიცავს ერთ პროტონს და ორ ნეიტრონს ბირთვში. ის რადიოაქტიურია, ბეტა დაშლის გზით იშლება ჰელიუმ-3-ში, ნახევარგამოყოფის პერიოდით 12,32 წელი. ის იმდენად რადიოაქტიურია, რომ მისი გამოყენება შესაძლებელია მანათობელ საღებავებში, რაც გამოდგება მაგალითად, მანათობელი ციფერბლატით საათების დასამზადებლად. მინა ხელს უშლის მცირე რადიაციის გამოსვლას. ტრიტიუმის მცირე რაოდენობა ბუნებრივად წარმოიქმნება კოსმოსური სხივების ატმოსფერულ აირებთან ურთიერთქმედებით; ტრიტიუმი ასევე გამოიცა ტესტირების დროს ბირთვული იარაღები. იგი გამოიყენება ბირთვული შერწყმის რეაქციებში, როგორც იზოტოპური გეოქიმიის ინდიკატორი და სპეციალიზებული თვითმმართველობითი განათების მოწყობილობებში. ტრიტიუმი ასევე გამოიყენებოდა ქიმიურ და ბიოლოგიურ ეტიკეტირების ექსპერიმენტებში, როგორც რადიოაქტიური ეტიკეტირება. წყალბადი ერთადერთი ელემენტია, რომელსაც აქვს სხვადასხვა სახელები მისი იზოტოპებისთვის, რომლებიც დღეს გამოიყენება. რადიოაქტიურობის ადრეული შესწავლის დროს მიეცა სხვადასხვა მძიმე რადიოაქტიური იზოტოპები საკუთარი სახელები, მაგრამ ასეთი სახელები აღარ გამოიყენება, გარდა დეიტერიუმისა და ტრიტიუმისა. სიმბოლოები D და T (ნაცვლად 2H და 3H) ზოგჯერ გამოიყენება დეიტერიუმისთვის და ტრიტიუმისთვის, მაგრამ პროტიუმის P შესაბამისი სიმბოლო უკვე გამოიყენება ფოსფორისთვის და, შესაბამისად, მიუწვდომელია პროტიუმისთვის. თავისი ნომენკლატურის გაიდლაინებში სუფთა და გამოყენებითი ქიმიის საერთაშორისო კავშირი იძლევა D, T, 2H და 3H სიმბოლოების გამოყენებას, თუმცა 2H და 3H სასურველია. ეგზოტიკური ატომის მუონიუმი (სიმბოლო Mu), რომელიც შედგება ანტიმუონისა და ელექტრონისგან, ასევე ზოგჯერ განიხილება წყალბადის მსუბუქ რადიოიზოტოპად ანტიმუონსა და ელექტრონს შორის მასობრივი სხვაობის გამო, რომელიც აღმოაჩინეს 1960 წელს. მუონის სიცოცხლის განმავლობაში, 2,2 μs, მუონიუმს შეუძლია შევიდეს ისეთ ნაერთებში, როგორიცაა მუონიუმის ქლორიდი (MuCl) ან ნატრიუმის მუონიდი (NaMu), ისევე როგორც წყალბადის ქლორიდი და ნატრიუმის ჰიდრიდი, შესაბამისად.

ამბავი

აღმოჩენა და გამოყენება

1671 წელს რობერტ ბოილმა აღმოაჩინა და აღწერა რეაქცია რკინის ნადებსა და განზავებულ მჟავებს შორის, რაც იწვევს წყალბადის გაზს. 1766 წელს ჰენრი კავენდიშმა პირველმა აღიარა წყალბადის გაზი, როგორც დისკრეტული ნივთიერება და დაარქვა გაზს "აალებადი ჰაერი" მეტალ-მჟავას რეაქციის გამო. მან ივარაუდა, რომ „აალებადი ჰაერი“ ფაქტობრივად იდენტურია ჰიპოთეტური ნივთიერებისა, სახელწოდებით „ფლოგისტონი“ და 1781 წელს კვლავ აღმოაჩინა, რომ გაზი იწვის წყალს. ითვლება, რომ სწორედ მან აღმოაჩინა წყალბადი, როგორც ელემენტი. 1783 წელს ანტუან ლავუაზიემ ელემენტს დაარქვა სახელი წყალბადი (ბერძნულიდან ὑδρο-ჰიდრო ნიშნავს "წყალს" და -γενής გენი ნიშნავს "შემოქმედს"), როდესაც მან და ლაპლასმა გაამრავლეს კავენდიშის მონაცემები, რომ წყალი წარმოიქმნა წყალბადის დაწვისას. ლავუაზიე აწარმოებდა წყალბადს მასობრივი ექსპერიმენტების შესანარჩუნებლად, ორთქლის ნაკადის მეტალის რკინით რეაქციის გზით ცეცხლში გახურებული ინკანდესენტური ნათურის მეშვეობით. წყლის პროტონებით რკინის ანაერობული დაჟანგვა მაღალ ტემპერატურაზე სქემატურად შეიძლება წარმოდგენილი იყოს შემდეგი რეაქციების სიმრავლით:

Fe + H2O → FeO + H2

2 Fe + 3 H2O → Fe2O3 + 3 H2

3 Fe + 4 H2O → Fe3O4 + 4 H2

ბევრი ლითონი, როგორიცაა ცირკონიუმი, განიცდის მსგავს რეაქციას წყალთან, რათა გამოიმუშაოს წყალბადი. წყალბადი პირველად გათხევადებული იქნა ჯეიმს დიუარის მიერ 1898 წელს რეგენერაციული მაცივრის და მისი გამოგონების, ვაკუუმის კოლბის გამოყენებით. მომდევნო წელს მან გამოუშვა მყარი წყალბადი. დეიტერიუმი აღმოაჩინა 1931 წლის დეკემბერში ჰაროლდ ურეის მიერ, ხოლო ტრიტიუმი 1934 წელს მოამზადეს ერნესტ რეზერფორდმა, მარკ ოლიფანტმა და პოლ ჰარტეკმა. მძიმე წყალი, რომელიც შედგება დეიტერიუმისგან ჩვეულებრივი წყალბადის ნაცვლად, აღმოაჩინეს იურეის ჯგუფმა 1932 წელს. ფრანსუა ისააკ დე რივაზმა ააგო პირველი რივაზის ძრავა, ძრავა შიგაწვისწყალბადითა და ჟანგბადით მოძრაობდა 1806 წელს. ედვარდ დენიელ კლარკმა გამოიგონა წყალბადის გაზის მილი 1819 წელს. Döbereiner-ის ფოლადი (პირველი სრულფასოვანი სანთებელა) გამოიგონეს 1823 წელს. პირველი წყალბადის ბუშტი გამოიგონა ჟაკ ჩარლზმა 1783 წელს. წყალბადმა უზრუნველყო საჰაერო მიმოსვლის პირველი საიმედო ფორმის აღზევება მას შემდეგ, რაც ჰენრი გიფარდმა გამოიგონა პირველი წყალბადით ამაღლებული საჰაერო ხომალდი 1852 წელს. გერმანელმა გრაფმა ფერდინანდ ფონ ზეპელინმა ხელი შეუწყო წყალბადით ჰაერში ამაღლებული ხისტი საჰაერო ხომალდების იდეას, რომლებსაც მოგვიანებით ზეპელინები უწოდეს; პირველი მათგანი პირველად გაფრინდა 1900 წელს. რეგულარული დაგეგმილი ფრენები დაიწყო 1910 წელს და პირველი მსოფლიო ომის დაწყებისთანავე, 1914 წლის აგვისტოში, მათ გადაიყვანეს 35000 მგზავრი დიდი ინციდენტის გარეშე. ომის დროს წყალბადის საჰაერო ხომალდები გამოიყენებოდა როგორც სადამკვირვებლო პლატფორმები და ბომბდამშენები. პირველი უწყვეტი ტრანსატლანტიკური ფრენა განხორციელდა ბრიტანული საჰაერო ხომალდის R34-ის მიერ 1919 წელს. რეგულარული სამგზავრო მომსახურება განახლდა 1920-იან წლებში და შეერთებულ შტატებში ჰელიუმის მარაგების აღმოჩენამ უნდა გააუმჯობესოს საავიაციო უსაფრთხოება, მაგრამ აშშ-ს მთავრობამ უარი თქვა ამ მიზნით გაზის გაყიდვაზე, ამიტომ H2 გამოიყენეს ჰინდენბურგის საჰაერო ხომალდში, რომელიც განადგურდა მილანის ხანძარი ნიუ ჯერსიში 1937 წლის 6 მაისს. ინციდენტი პირდაპირ ეთერში გადაიცემოდა და ვიდეო გადაღებულია. გავრცელებული იყო ვარაუდი, რომ აალების მიზეზი იყო წყალბადის გაჟონვა, თუმცა შემდგომმა კვლევებმა აჩვენა, რომ ალუმინის ქსოვილის საფარი სტატიკური ელექტროენერგიით იყო ანთებული. მაგრამ ამ დროისთვის წყალბადის, როგორც ამწევი გაზის რეპუტაცია უკვე დაზიანებული იყო. იმავე წელს, წყალბადის გაცივებული პირველი ტურბოგენერატორი წყალბადის გაზით, როგორც გამაგრილებელი როტორსა და სტატორში, ამოქმედდა 1937 წელს დეიტონში, ოჰაიო, Dayton Power & Light Co.-ის მიერ; წყალბადის გაზის თერმული კონდუქტომეტრის გამო, ეს არის ყველაზე გავრცელებული გაზი, რომელიც გამოიყენება ამ სფეროში დღეს. ნიკელ-წყალბადის ბატარეა პირველად გამოიყენეს 1977 წელს აშშ-ს ნავიგაციის ტექნოლოგიების სატელიტ 2-ზე (NTS-2). ISS, Mars Odyssey და Mars Global Surveyor აღჭურვილია ნიკელ-წყალბადის ბატარეებით. მისი ორბიტის ბნელ ნაწილში ჰაბლის კოსმოსური ტელესკოპი ასევე იკვებება ნიკელ-წყალბადის ბატარეებით, რომლებიც საბოლოოდ შეიცვალა 2009 წლის მაისში, გაშვებიდან 19 წელზე მეტი ხნის შემდეგ და დაპროექტებიდან 13 წლის შემდეგ.

როლი კვანტურ თეორიაში

მხოლოდ პროტონისა და ელექტრონის მარტივი ატომური სტრუქტურის გამო, წყალბადის ატომი, მისგან შექმნილ ან მის მიერ შთანთქმული სინათლის სპექტრთან ერთად, ცენტრალური იყო ატომური სტრუქტურის თეორიის განვითარებაში. გარდა ამისა, წყალბადის მოლეკულისა და შესაბამისი H+2 კატიონის შესაბამისი სიმარტივის შესწავლამ გამოიწვია ქიმიური ბმის ბუნების გაგება, რაც მალევე მოჰყვა წყალბადის ატომის ფიზიკურ დამუშავებას კვანტურ მექანიკაში 2020 წლის შუა რიცხვებში. ერთ-ერთი პირველი კვანტური ეფექტი, რომელიც აშკარად დაფიქსირდა (მაგრამ იმ დროს არ იყო გასაგები) იყო მაქსველის დაკვირვება წყალბადთან ერთად ნახევარი საუკუნით ადრე, სანამ სრული კვანტური მექანიკური თეორია იქნებოდა. მაქსველმა აღნიშნა, რომ სპეციფიკური სითბო H2 შეუქცევად შორდება დიათომიურ აირს ოთახის ტემპერატურაზე დაბლა და უფრო და უფრო ემსგავსება კრიოგენურ ტემპერატურაზე მონოატომური აირის სპეციფიკურ სითბოს სიმძლავრეს. Მიხედვით კვანტური თეორია, ეს ქცევა წარმოიქმნება (კვანტიზებული) ბრუნვის ენერგიის დონეების დაშორებიდან, რომლებიც განსაკუთრებით ფართოდ არის დაშორებული H2-ში მისი დაბალი მასის გამო. ეს ფართოდ დაშორებული დონეები ხელს უშლის თერმული ენერგიის თანაბარ გაყოფას წყალბადში ბრუნვის მოძრაობაში დაბალ ტემპერატურაზე. დიატომის გაზებს, რომლებიც შედგება უფრო მძიმე ატომებისგან, არ აქვთ ასეთი ფართოდ დაშორებული დონეები და არ ავლენენ იგივე ეფექტს. ანტიწყალბადი არის წყალბადის ანტიმატერიალური ანალოგი. იგი შედგება ანტიპროტონისგან პოზიტრონით. ანტიწყალბადი არის ანტიმატერიის ატომის ერთადერთი ტიპი, რომელიც მიღებულია 2015 წლიდან.

ბუნებაში ყოფნა

წყალბადი არის ყველაზე უხვი ქიმიური ელემენტი სამყაროში, რომელიც შეადგენს ნორმალური ნივთიერების 75%-ს მასის მიხედვით და 90%-ზე მეტს ატომების რაოდენობის მიხედვით. (სამყაროს მასის უმეტესი ნაწილი, თუმცა, არ არის ამ ფორმით ქიმიური ელემენტი, მაგრამ ითვლება, რომ მას აქვს ჯერ კიდევ ამოუცნობი ფორმები, როგორიცაა ბნელი მატერია და ბნელი ენერგია.) ეს ელემენტი დიდი რაოდენობით გვხვდება ვარსკვლავებსა და გაზის გიგანტებში. H2 მოლეკულური ღრუბლები ასოცირდება ვარსკვლავის წარმოქმნასთან. წყალბადი მნიშვნელოვან როლს ასრულებს ვარსკვლავების ჩართვაში პროტონ-პროტონული რეაქციისა და CNO ციკლის ბირთვული შერწყმის დროს. მთელ მსოფლიოში წყალბადი ძირითადად გვხვდება ატომურ და პლაზმურ მდგომარეობებში მოლეკულური წყალბადისგან სრულიად განსხვავებული თვისებებით. როგორც პლაზმა, წყალბადის ელექტრონი და პროტონი ერთმანეთთან არ არის დაკავშირებული, რაც იწვევს ძალიან მაღალ ელექტროგამტარობას და მაღალ ემისიურობას (წარმოქმნის შუქს მზისგან და სხვა ვარსკვლავებისგან). დამუხტულ ნაწილაკებზე ძლიერ გავლენას ახდენს მაგნიტური და ელექტრული ველები. მაგალითად, მზის ქარის დროს ისინი ურთიერთქმედებენ დედამიწის მაგნიტოსფეროსთან, ქმნიან ბირკლანდის დინებებს და ავრორას. წყალბადი ნეიტრალურ ატომურ მდგომარეობაშია ვარსკვლავთშორის გარემოში. ითვლება, რომ დიდი რაოდენობით ნეიტრალური წყალბადი, რომელიც აღმოჩენილია ლიმან-ალფა სისტემებში, დომინირებს სამყაროს კოსმოლოგიურ ბარიონის სიმკვრივეზე წითელ გადაადგილებამდე z = 4. დედამიწაზე ნორმალურ პირობებში ელემენტარული წყალბადი არსებობს როგორც დიატომიური აირი, H2. თუმცა, წყალბადის გაზი ძალიან იშვიათია დედამიწის ატმოსფეროში (1 ppm მოცულობით) მისი გამო მსუბუქი წონა, რაც საშუალებას აძლევს მას უფრო ადვილად გადალახოს დედამიწის გრავიტაცია, ვიდრე მძიმე აირები. თუმცა, წყალბადი არის მესამე ყველაზე უხვი ელემენტი დედამიწის ზედაპირზე, რომელიც ძირითადად არსებობს ისეთი ქიმიური ნაერთების სახით, როგორიცაა ნახშირწყალბადები და წყალი. წყალბადის გაზი იწარმოება ზოგიერთი ბაქტერიისა და წყალმცენარეების მიერ და არის ფლეიტის ბუნებრივი კომპონენტი, ისევე როგორც მეთანი, რომელიც წყალბადის სულ უფრო მნიშვნელოვანი წყაროა. მოლეკულური ფორმა, რომელსაც ეწოდება პროტონირებული მოლეკულური წყალბადი (H+3) გვხვდება ვარსკვლავთშორის გარემოში, სადაც ის წარმოიქმნება კოსმოსური სხივებიდან მოლეკულური წყალბადის იონიზაციის შედეგად. ეს დამუხტული იონი ასევე დაფიქსირდა პლანეტა იუპიტერის ზედა ატმოსფეროში. იონი შედარებით სტაბილურია გარემოდაბალი ტემპერატურისა და სიმკვრივის გამო. H+3 არის ერთ-ერთი ყველაზე უხვი იონი სამყაროში და მნიშვნელოვან როლს ასრულებს ვარსკვლავთშორისი გარემოს ქიმიაში. ნეიტრალური ტრიატომური წყალბადი H3 შეიძლება არსებობდეს მხოლოდ აღგზნებული ფორმით და არასტაბილურია. ამის საპირისპიროდ, დადებითი მოლეკულური წყალბადის იონი (H+2) იშვიათი მოლეკულაა სამყაროში.

წყალბადის წარმოება

H2 იწარმოება ქიმიურ და ბიოლოგიურ ლაბორატორიებში, ხშირად როგორც სხვა რეაქციების ქვეპროდუქტი; მრეწველობაში უჯერი სუბსტრატების ჰიდროგენიზაციისთვის; და ბუნებაში, როგორც ბიოქიმიურ რეაქციებში შემამცირებელი ეკვივალენტების გადაადგილების საშუალება.

ორთქლის რეფორმირება

წყალბადის წარმოება შესაძლებელია რამდენიმე გზით, მაგრამ ეკონომიკურად ყველაზე მნიშვნელოვანი პროცესები მოიცავს წყალბადის ამოღებას ნახშირწყალბადებიდან, რადგან 2000 წელს წყალბადის წარმოების დაახლოებით 95% ორთქლის რეფორმაზე მოდიოდა. კომერციულად, წყალბადის დიდი მოცულობები, როგორც წესი, იწარმოება ბუნებრივი აირის ორთქლის რეფორმით. ზე მაღალი ტემპერატურა(1000-1400 K, 700-1100 °C ან 1300-2000 °F) ორთქლი (ორთქლი) რეაგირებს მეთანთან და წარმოქმნის ნახშირორჟანგს და H2.

CH4 + H2O → CO + 3 H2

ეს რეაქცია საუკეთესოდ მუშაობს დაბალ წნევაზე, მაგრამ მაინც შეიძლება განხორციელდეს მაღალ წნევაზე (2.0 მპა, 20 ატმ ან 600 ინჩი ვერცხლისწყალი). ეს იმიტომ ხდება, რომ მაღალი წნევა H2 არის ყველაზე პოპულარული პროდუქტი და წნევის ქვეშ მყოფი ზედმეტად გაწმენდის სისტემები უკეთესად მოქმედებს მაღალ წნევაზე. პროდუქტის ნარევი ცნობილია როგორც "სინთეზური აირი", რადგან ის ხშირად გამოიყენება უშუალოდ მეთანოლისა და მასთან დაკავშირებული ნაერთების წარმოებისთვის. მეთანის გარდა სხვა ნახშირწყალბადები შეიძლება გამოყენებულ იქნას სინთეზური აირის წარმოებისთვის სხვადასხვა პროდუქტის თანაფარდობით. ამ უაღრესად ოპტიმიზებული ტექნოლოგიის ერთ-ერთი გართულება არის კოქსის ან ნახშირბადის წარმოქმნა:

CH4 → C + 2 H2

ამიტომ, ორთქლის რეფორმირება ჩვეულებრივ იყენებს H2O-ს ჭარბი რაოდენობას. დამატებითი წყალბადის აღდგენა შესაძლებელია ორთქლიდან ნახშირბადის მონოქსიდის გამოყენებით წყლის გაზის გადანაცვლების რეაქციის მეშვეობით, განსაკუთრებით რკინის ოქსიდის კატალიზატორის გამოყენებით. ეს რეაქცია ასევე არის ნახშირორჟანგის საერთო სამრეწველო წყარო:

CO + H2O → CO2 + H2

H2-ის სხვა მნიშვნელოვანი მეთოდებია ნახშირწყალბადების ნაწილობრივი დაჟანგვა:

2 CH4 + O2 → 2 CO + 4 H2

და ქვანახშირის რეაქცია, რომელიც შეიძლება გახდეს ზემოთ აღწერილი ცვლის რეაქციის პრელუდია:

C + H2O → CO + H2

ზოგჯერ წყალბადი იწარმოება და მოიხმარება იმავე ინდუსტრიულ პროცესში, გამოყოფის გარეშე. ამიაკის წარმოების ჰაბერის პროცესში წყალბადი წარმოიქმნება ბუნებრივი აირისგან. მარილის ხსნარის ელექტროლიზი ქლორის წარმოებისთვის ასევე წარმოქმნის წყალბადს, როგორც ქვეპროდუქტს.

მეტალის მჟავა

ლაბორატორიაში H2 ჩვეულებრივ მზადდება განზავებული არაჟანგვის მჟავების რეაგირებით გარკვეულ რეაქტიულ ლითონებთან, როგორიცაა თუთია Kipp აპარატით.

Zn + 2 H + → Zn2 + + H2

ალუმინს ასევე შეუძლია აწარმოოს H2 ბაზებით დამუშავებისას:

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

წყლის ელექტროლიზი წყალბადის წარმოქმნის მარტივი გზაა. დაბალი ძაბვის დენი მიედინება წყალში და ჟანგბადის გაზი წარმოიქმნება ანოდზე, ხოლო წყალბადის გაზი წარმოიქმნება კათოდზე. როგორც წესი, კათოდი მზადდება პლატინისგან ან სხვა ინერტული ლითონისგან შესანახად წყალბადის წარმოებაში. თუმცა, თუ გაზი უნდა დაიწვას ადგილზე, ჟანგბადის არსებობა სასურველია წვის გასაძლიერებლად და, შესაბამისად, ორივე ელექტროდი დამზადდება ინერტული ლითონებისგან. (მაგალითად, რკინა იჟანგება და შესაბამისად ამცირებს გამოთავისუფლებული ჟანგბადის რაოდენობას). თეორიული მაქსიმალური ეფექტურობა (გამოყენებული ელექტროენერგია წარმოებული წყალბადის ენერგეტიკულ ღირებულებასთან მიმართებაში) 80-94%-ის ფარგლებშია.

2 H2O (L) → 2 H2 (გ) + O2 (გ)

წყალბადის წარმოებისთვის შეიძლება გამოყენებულ იქნას ალუმინის და გალიუმის შენადნობი წყალში დამატებული გრანულების სახით. ეს პროცესი ასევე გამოიმუშავებს ალუმინს, მაგრამ ძვირადღირებული გალიუმი, რომელიც ხელს უშლის ოქსიდის კანის წარმოქმნას მარცვლებზე, შეიძლება ხელახლა იქნას გამოყენებული. ამას მნიშვნელოვანი პოტენციური გავლენა აქვს წყალბადის ეკონომიკაზე, ვინაიდან წყალბადის წარმოება შესაძლებელია ადგილობრივად და არ საჭიროებს ტრანსპორტირებას.

თერმოქიმიური თვისებები

არსებობს 200-ზე მეტი თერმოქიმიური ციკლი, რომელიც შეიძლება გამოყენებულ იქნას წყლის გამოსაყოფად, დაახლოებით ათეული ასეთი ციკლი, როგორიცაა რკინის ოქსიდის ციკლი, ცერიუმის (IV) ოქსიდის ციკლი, ცერიუმის (III) ოქსიდის ციკლი, თუთია-თუთიის ოქსიდი. ციკლი, გოგირდის იოდის ციკლი, სპილენძის ციკლი და ქლორისა და გოგირდის ჰიბრიდული ციკლი კვლევისა და ტესტირების პროცესშია წყლისა და სითბოსგან წყალბადის და ჟანგბადის წარმოებისთვის ელექტროენერგიის გამოყენების გარეშე. რიგი ლაბორატორიები (მათ შორის საფრანგეთში, გერმანიაში, საბერძნეთში, იაპონიასა და აშშ-ში) ავითარებენ თერმოქიმიურ მეთოდებს მზის ენერგიისა და წყლისგან წყალბადის წარმოებისთვის.

ანაერობული კოროზია

ანაერობულ პირობებში, რკინისა და ფოლადის შენადნობები ნელა იჟანგება წყლის პროტონებით, ხოლო მოლეკულურ წყალბადში (H2) მცირდება. რკინის ანაერობული კოროზია იწვევს პირველ რიგში რკინის ჰიდროქსიდის წარმოქმნას (მწვანე ჟანგი) და შეიძლება აღწერილი იყოს შემდეგი რეაქციით: Fe + 2 H2O → Fe (OH) 2 + H2. თავის მხრივ, ანაერობულ პირობებში, რკინის ჰიდროქსიდი (Fe (OH) 2) შეიძლება დაჟანგდეს წყლის პროტონებით მაგნეტიტის და მოლეკულური წყალბადის წარმოქმნით. ეს პროცესი აღწერილია შიკორას რეაქციით: 3 Fe (OH) 2 → Fe3O4 + 2 H2O + H2 რკინის ჰიდროქსიდი → მაგნიუმი + წყალი + წყალბადი. კარგად კრისტალიზებული მაგნეტიტი (Fe3O4) თერმოდინამიკურად უფრო სტაბილურია, ვიდრე რკინის ჰიდროქსიდი (Fe(OH)2). ეს პროცესი ხდება რკინისა და ფოლადის ანაერობული კოროზიის დროს ანოქსიურ პირობებში. მიწისქვეშა წყლებიხოლო მიწისქვეშა წყლების დონის ქვემოთ ნიადაგების აღდგენისას.

გეოლოგიური წარმოშობა: სერპენტინიზაციის რეაქცია

ჟანგბადის (O2) არარსებობის შემთხვევაში ღრმა გეოლოგიური პირობებიდედამიწის ატმოსფეროდან შორს გაბატონებული წყალბადი (H2) წარმოიქმნება სერპენტინიზაციის პროცესში ანაერობული დაჟანგვის გზით რკინის სილიკატის (Fe2 +) წყლის პროტონებით (Fe2 +), რომელიც იმყოფება ფაიალიტის კრისტალურ ბადეში (Fe2SiO4, ოლივინ-რკინა მინალი). . შესაბამისი რეაქცია, რომელიც იწვევს მაგნეტიტის (Fe3O4), კვარცის (SiO2) და წყალბადის (H2) წარმოქმნას: 3Fe2SiO4 + 2 H2O → 2 Fe3O4 + 3 SiO2 + 3 H2 ფაალიტი + წყალი → მაგნეტიტი + კვარცი + წყალბადი. ეს რეაქცია ძალიან ჰგავს შირკას რეაქციას, რომელიც დაფიქსირდა წყალთან კონტაქტში რკინის ჰიდროქსიდის ანაერობული ჟანგვის დროს.

ფორმირება ტრანსფორმატორებში

დენის ტრანსფორმატორებში წარმოებული ყველა საშიში გაზიდან წყალბადი ყველაზე გავრცელებულია და წარმოიქმნება ხარვეზების უმეტესობაში; ამრიგად, წყალბადის წარმოქმნა არის ტრანსფორმატორის სასიცოცხლო ციკლის სერიოზული პრობლემების ადრეული ნიშანი.

აპლიკაციები

მოხმარება სხვადასხვა პროცესში

დიდი რაოდენობით H2 საჭიროა ნავთობისა და ქიმიურ მრეწველობაში. H2-ის ყველაზე დიდი გამოყენება არის წიაღისეული საწვავის გადამუშავებისთვის („განახლება“) და ამიაკის წარმოებისთვის. ნავთობქიმიურ ქარხნებში H2 გამოიყენება ჰიდროდეალკილირების, ჰიდროგოგირდიზაციისა და ჰიდროკრეკინგის დროს. H2 აქვს რამდენიმე სხვა მნიშვნელოვანი გამოყენება. H2 გამოიყენება როგორც ჰიდროგენირებადი აგენტი, კერძოდ, უჯერი ცხიმებისა და ზეთების გაჯერების დონის გასაზრდელად (რომლებიც გვხვდება მარგარინში) და მეთანოლის წარმოებაში. ის ასევე არის წყალბადის წყარო მარილმჟავას წარმოებაში. H2 ასევე გამოიყენება როგორც შემცირების საშუალება ლითონის საბადოებისთვის. წყალბადი ძალზე ხსნადია ბევრ იშვიათ დედამიწაზე და გარდამავალ ლითონებში და ხსნადია როგორც ნანოკრისტალურ, ასევე ამორფულ ლითონებში. ლითონებში წყალბადის ხსნადობა დამოკიდებულია ადგილობრივ დამახინჯებებზე ან მინარევებისაგან კრისტალურ ბადეში. ეს შეიძლება სასარგებლო იყოს წყალბადის გაწმენდისას ცხელ პალადიუმის დისკების გავლით, მაგრამ გაზის მაღალი ხსნადობა მეტალურგიული პრობლემაა, რომელიც ამტვრევს ბევრ ლითონს, რაც ართულებს მილსადენებისა და შენახვის ავზების დიზაინს. გარდა იმისა, რომ გამოიყენება როგორც რეაგენტი, H2-ს აქვს აპლიკაციების ფართო სპექტრი ფიზიკასა და ინჟინერიაში. იგი გამოიყენება როგორც დამცავი აირი შედუღების მეთოდებში, როგორიცაა ატომური წყალბადის შედუღება. H2 გამოიყენება როგორც როტორის გამაგრილებელი ელექტრო გენერატორებში ელექტროსადგურებში, რადგან მას აქვს ყველაზე მაღალი თერმული კონდუქტომეტრული ნებისმიერი გაზი. თხევადი H2 გამოიყენება კრიოგენურ კვლევებში, მათ შორის ზეგამტარობის კვლევაში. იმის გამო, რომ H2 ჰაერზე მსუბუქია, ჰაერის სიმკვრივის მხოლოდ 1/14-ზე მეტია, მას ოდესღაც ფართოდ იყენებდნენ როგორც ამწევ გაზს ბურთებსა და საჰაერო ხომალდებში. უახლეს პროგრამებში წყალბადი გამოიყენება სუფთად ან შერეული აზოტთან (ზოგჯერ მას ფორმირების გაზს უწოდებენ), როგორც ტრეკერ აირს მყისიერი გაჟონვის გამოსავლენად. წყალბადი გამოიყენება საავტომობილო, ქიმიურ, ენერგეტიკულ, კოსმოსურ და სატელეკომუნიკაციო ინდუსტრიებში. წყალბადი არის ნებადართული საკვები დანამატი (E 949), რომელიც საშუალებას აძლევს საკვების გაჟონვის ტესტირებას, სხვა ანტიოქსიდანტურ თვისებებთან ერთად. წყალბადის იშვიათ იზოტოპებს ასევე აქვთ სპეციფიკური გამოყენება. დეიტერიუმი (წყალბად-2) გამოიყენება ბირთვული დაშლის პროგრამებში, როგორც ნელი ნეიტრონის მოდერატორი და ბირთვული შერწყმის რეაქციებში. დეიტერიუმის ნაერთები გამოიყენება ქიმიისა და ბიოლოგიის სფეროში რეაქციის იზოტოპური ეფექტების შესწავლისას. ტრიტიუმი (წყალბად-3), რომელიც წარმოებულია ბირთვულ რეაქტორებში, გამოიყენება წყალბადის ბომბების წარმოებაში, როგორც იზოტოპის მარკერი ბიოლოგიურ მეცნიერებებში და როგორც გამოსხივების წყარო მანათობელ საღებავებში. წონასწორული წყალბადის სამმაგი წერტილის ტემპერატურა არის განმსაზღვრელი ფიქსირებული წერტილი ITS-90 ტემპერატურის შკალაზე 13,8033 კელვინზე.

გამაგრილებელი საშუალება

წყალბადი ჩვეულებრივ გამოიყენება ელექტროსადგურებში, როგორც მაცივარი გენერატორებში, მრავალი ხელსაყრელი თვისების გამო, რაც მისი მსუბუქი დიატომური მოლეკულების პირდაპირი შედეგია. მათ შორისაა დაბალი სიმკვრივე, დაბალი სიბლანტე და ნებისმიერი გაზის უმაღლესი სპეციფიკური სითბოს სიმძლავრე და თბოგამტარობა.

ენერგიის გადამზიდავი

წყალბადი არ არის ენერგიის რესურსი, გარდა კომერციული შერწყმის ელექტროსადგურების ჰიპოთეტური კონტექსტში, რომლებიც იყენებენ დეიტერიუმს ან ტრიტიუმს, ტექნოლოგია, რომელიც ამჟამად შორს არის მომწიფებისგან. მზის ენერგია წყალბადის ბირთვული შერწყმის შედეგად მოდის, მაგრამ ამ პროცესის მიღწევა დედამიწაზე რთულია. მზის, ბიოლოგიური ან ელექტრული წყაროებიდან ელემენტარულ წყალბადს მისი წარმოებისთვის უფრო მეტი ენერგია სჭირდება, ვიდრე დაწვას, ამიტომ ამ შემთხვევებში წყალბადი ფუნქციონირებს როგორც ენერგიის გადამზიდავი, ბატარეის მსგავსად. წყალბადის მიღება შესაძლებელია წიაღისეული წყაროებიდან (როგორიცაა მეთანი), მაგრამ ეს წყაროები ამოწურულია. ენერგიის სიმკვრივე თხევადი წყალბადის და შეკუმშული აირისებრი წყალბადის მოცულობის ერთეულზე ნებისმიერ პრაქტიკულად მისაღწევ წნევაზე მნიშვნელოვნად ნაკლებია, ვიდრე ჩვეულებრივი ენერგიის წყაროები, თუმცა ენერგიის სიმკვრივე საწვავის ერთეულ მასაზე უფრო მაღალია. თუმცა, ელემენტარული წყალბადი ფართოდ იქნა განხილული ენერგეტიკულ კონტექსტში, როგორც შესაძლო სამომავლო ეკონომიკის ენერგიის მატარებელი. მაგალითად, CO2-ის სეკვესტრი, რასაც მოჰყვება ნახშირბადის დაჭერა და შენახვა შეიძლება განხორციელდეს წიაღისეული საწვავიდან H2-ის წარმოების ადგილზე. ტრანსპორტში გამოყენებული წყალბადი იწვის შედარებით სუფთად, NOx-ის ზოგიერთი გამონაბოლქვით, მაგრამ ნახშირბადის გამონაბოლქვის გარეშე. თუმცა, ინფრასტრუქტურის ღირებულება, რომელიც დაკავშირებულია წყალბადის ეკონომიკაზე სრულ გადაქცევასთან, მნიშვნელოვანი იქნება. საწვავის უჯრედებს შეუძლიათ წყალბადის და ჟანგბადის გადაქცევა პირდაპირ ელექტროენერგიად უფრო ეფექტურად, ვიდრე შიდა წვის ძრავები.

ნახევარგამტარული ინდუსტრია

წყალბადი გამოიყენება ამორფული სილიციუმის და ამორფული ნახშირბადის ჩამოკიდებული ბმების გასაჯერებლად, რაც ხელს უწყობს მასალის თვისებების სტაბილიზაციას. ის ასევე არის ელექტრონის პოტენციური დონორი სხვადასხვა ოქსიდურ მასალებში, მათ შორის ZnO, SnO2, CdO, MgO, ZrO2, HfO2, La2O3, Y2O3, TiO2, SrTiO3, LaAlO3, SiO2, Al2O3, ZrSiO4, HfSiO3 და Sr.Zr.

ბიოლოგიური რეაქციები

H2 არის ანაერობული მეტაბოლიზმის ზოგიერთი სახეობის პროდუქტი და წარმოიქმნება რამდენიმე მიკროორგანიზმების მიერ, ჩვეულებრივ, რკინის ან ნიკელის შემცველი ფერმენტების, ჰიდროგენაზების, კატალიზებული რეაქციების შედეგად. ეს ფერმენტები ახდენენ შექცევად რედოქს რეაქციას H2-სა და მის ორ პროტონსა და ორ ელექტრონის კომპონენტს შორის. წყალბადის გაზის შექმნა ხდება პირუვატის დუღილის შედეგად წარმოქმნილი შემცირებული ეკვივალენტების წყალში გადატანით. ორგანიზმების მიერ წყალბადის წარმოებისა და მოხმარების ბუნებრივ ციკლს წყალბადის ციკლი ეწოდება. წყლის გაყოფა, პროცესი, რომლის დროსაც წყალი იშლება მის შემადგენელ პროტონებად, ელექტრონებად და ჟანგბადად, ხდება სინათლის რეაქციების დროს ყველა ფოტოსინთეზურ ორგანიზმში. ზოგიერთი ასეთი ორგანიზმი, მათ შორის წყალმცენარეები Chlamydomonas Reinhardtii და ციანობაქტერიები, განვითარდა ბნელი რეაქციების მეორე სტადიაში, რომელშიც პროტონები და ელექტრონები მცირდება H2 აირის შესაქმნელად ქლოროპლასტის სპეციალიზებული ჰიდროგენაზებით. გაკეთდა მცდელობები ციანობაქტერიული ჰიდრაზების გენეტიკურად მოდიფიცირებისთვის H2 აირის ეფექტურად სინთეზისთვის, თუნდაც ჟანგბადის თანდასწრებით. ასევე ძალისხმევა გაკეთდა ბიორეაქტორში გენმოდიფიცირებული წყალმცენარეების გამოყენებით.