ไฮโดรเจนเป็นก๊าซอะไร ไฮโดรเจน - สารนี้คืออะไร? คุณสมบัติทางเคมีและฟิสิกส์ของไฮโดรเจน

ในระบบเป็นระยะ มีตำแหน่งเฉพาะซึ่งสะท้อนถึงคุณสมบัติที่แสดงและพูดถึงโครงสร้างอิเล็กทรอนิกส์ อย่างไรก็ตาม มีอะตอมพิเศษหนึ่งอะตอมที่ครอบครองสองเซลล์ในคราวเดียว ตั้งอยู่ในองค์ประกอบสองกลุ่มซึ่งตรงกันข้ามกับคุณสมบัติที่ประจักษ์อย่างสมบูรณ์ นี่คือไฮโดรเจน คุณลักษณะเหล่านี้ทำให้เป็นเอกลักษณ์

ไฮโดรเจนไม่ได้เป็นเพียงองค์ประกอบเท่านั้น แต่ยังเป็นสารธรรมดา เช่นเดียวกับส่วนประกอบสำคัญของสารประกอบเชิงซ้อนจำนวนมาก ซึ่งเป็นองค์ประกอบทางชีวภาพและสารอินทรีย์ ดังนั้นเราจึงพิจารณาลักษณะและคุณสมบัติของมันอย่างละเอียดยิ่งขึ้น

ไฮโดรเจนเป็นองค์ประกอบทางเคมี

ไฮโดรเจนเป็นองค์ประกอบของกลุ่มแรกของกลุ่มย่อยหลัก เช่นเดียวกับกลุ่มที่เจ็ดของกลุ่มย่อยหลักในช่วงเวลาเล็กๆ ครั้งแรก ช่วงเวลานี้ประกอบด้วยอะตอมเพียงสองอะตอม: ฮีเลียมและธาตุที่เรากำลังพิจารณา ให้เราอธิบายคุณสมบัติหลักของตำแหน่งของไฮโดรเจนในระบบธาตุ

1. เลขลำดับของไฮโดรเจนคือ 1 จำนวนอิเล็กตรอนเท่ากัน จำนวนของโปรตอนเท่ากัน มวลอะตอมคือ 1.00795 ไอโซโทปของธาตุนี้มีสามไอโซโทปที่มีมวล 1, 2, 3 อย่างไรก็ตาม คุณสมบัติของไอโซโทปแต่ละธาตุนั้นแตกต่างกันมาก เนื่องจากการเพิ่มขึ้นของมวลแม้แต่หนึ่งสำหรับไฮโดรเจนจะเพิ่มเป็นสองเท่าในทันที
2. ความจริงที่ว่ามันมีอิเล็กตรอนเพียงตัวเดียวที่ด้านนอกทำให้สามารถแสดงคุณสมบัติออกซิไดซ์และรีดิวซ์ได้สำเร็จ นอกจากนี้ หลังจากการบริจาคอิเล็กตรอน มันยังคงเป็นวงโคจรอิสระ ซึ่งมีส่วนร่วมในการก่อตัวของพันธะเคมีตามกลไกการรับผู้บริจาค
3. ไฮโดรเจนเป็นตัวรีดิวซ์ที่แรง ดังนั้นกลุ่มแรกของกลุ่มย่อยหลักจึงถือเป็นสถานที่หลักซึ่งนำไปสู่โลหะที่มีฤทธิ์มากที่สุดคืออัลคาไล
4. อย่างไรก็ตาม เมื่อทำปฏิกิริยากับตัวรีดิวซ์อย่างแรง เช่น โลหะ มันสามารถเป็นตัวออกซิไดซ์ที่รับอิเล็กตรอนได้ สารประกอบเหล่านี้เรียกว่าไฮไดรด์ บนพื้นฐานนี้ จะเป็นหัวหน้ากลุ่มย่อยของฮาโลเจน ซึ่งมีลักษณะคล้ายคลึงกัน
5. เนื่องจากมวลอะตอมที่เล็กมาก ไฮโดรเจนจึงเป็นธาตุที่เบาที่สุด นอกจากนี้ ความหนาแน่นยังต่ำมาก ดังนั้นจึงเป็นเกณฑ์มาตรฐานสำหรับความสว่างด้วย

ดังนั้นจึงเห็นได้ชัดว่าอะตอมไฮโดรเจนมีลักษณะเฉพาะโดยสิ้นเชิง ไม่เหมือนกับธาตุอื่นๆ ดังนั้นคุณสมบัติของมันจึงมีความพิเศษและสารที่ง่ายและซับซ้อนที่เกิดขึ้นมีความสำคัญมาก ลองพิจารณากันต่อไป

สาระง่ายๆ

ถ้าเราพูดถึงองค์ประกอบนี้เป็นโมเลกุล เราต้องบอกว่ามันเป็นไดอะตอมมิก กล่าวคือ ไฮโดรเจน (สารธรรมดา) เป็นก๊าซ สูตรเชิงประจักษ์จะถูกเขียนเป็น H 2 และกราฟิกหนึ่ง - ผ่านเดียว ซิกม่าบอนด์ H-H. กลไกการเกิดพันธะระหว่างอะตอมคือโควาเลนต์ไม่มีขั้ว

1. การปฏิรูปไอน้ำของก๊าซมีเทน
2. การแปรสภาพเป็นแก๊สจากถ่านหิน - กระบวนการนี้เกี่ยวข้องกับการให้ความร้อนแก่ถ่านหินถึง 1,000 0 C ทำให้เกิดไฮโดรเจนและถ่านหินที่มีคาร์บอนสูง
3. อิเล็กโทรไลซิส วิธีนี้สามารถใช้ได้เฉพาะกับสารละลายที่เป็นน้ำของเกลือต่างๆ เท่านั้น เนื่องจากการละลายจะไม่ทำให้เกิดการปล่อยน้ำที่แคโทด

วิธีห้องปฏิบัติการในการผลิตไฮโดรเจน:

1. ไฮโดรไลซิสของโลหะไฮไดรด์
2. การกระทำของกรดเจือจางต่อโลหะออกฤทธิ์และกิจกรรมระดับกลาง
3. ปฏิกิริยาของโลหะอัลคาไลและอัลคาไลน์เอิร์ธกับน้ำ

ในการเก็บไฮโดรเจนที่ได้นั้น จำเป็นต้องคว่ำหลอดทดลองลง ท้ายที่สุดแล้ว ก๊าซนี้ไม่สามารถเก็บสะสมในลักษณะเดียวกับเช่น คาร์บอนไดออกไซด์ นี่คือไฮโดรเจน มันเบากว่าอากาศมาก ระเหยอย่างรวดเร็ว และระเบิดเมื่อผสมกับอากาศในปริมาณมาก ดังนั้นท่อจะต้องกลับด้าน เติมเสร็จแล้วต้องปิดด้วยจุกยาง

ในการตรวจสอบความบริสุทธิ์ของไฮโดรเจนที่เก็บรวบรวม คุณควรนำไม้ขีดไฟมาที่คอ หากสำลีหูหนวกและเงียบ แสดงว่าก๊าซนั้นสะอาด โดยมีสิ่งเจือปนในอากาศเพียงเล็กน้อย ถ้าเสียงดัง แสดงว่าสกปรก มีส่วนประกอบแปลกปลอมในสัดส่วนมาก

พื้นที่ใช้งาน

เมื่อไฮโดรเจนถูกเผาไหม้ พลังงาน (ความร้อน) จำนวนมากจะถูกปล่อยออกมาซึ่งก๊าซนี้ถือเป็นเชื้อเพลิงที่ทำกำไรได้มากที่สุด นอกจากนี้ยังเป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อม อย่างไรก็ตาม การใช้งานในพื้นที่นี้มีจำกัด นี่เป็นเพราะปัญหาการสังเคราะห์ไฮโดรเจนบริสุทธิ์ที่คิดออกมาไม่ดีและยังไม่ได้รับการแก้ไข ซึ่งเหมาะสำหรับใช้เป็นเชื้อเพลิงในเครื่องปฏิกรณ์ เครื่องยนต์ และอุปกรณ์พกพา ตลอดจนหม้อไอน้ำสำหรับทำความร้อนในที่พักอาศัย

ท้ายที่สุดวิธีการรับก๊าซนี้ค่อนข้างแพงดังนั้นก่อนอื่นจึงจำเป็นต้องพัฒนาวิธีการสังเคราะห์พิเศษ หนึ่งที่จะช่วยให้คุณได้รับสินค้าใน ปริมาณมากและด้วยต้นทุนที่ต่ำที่สุด

มีหลายพื้นที่หลักที่ใช้ก๊าซที่เรากำลังพิจารณาอยู่

1. การสังเคราะห์ทางเคมี ขึ้นอยู่กับการเติมไฮโดรเจน สบู่ มาการีน และพลาสติก ด้วยการมีส่วนร่วมของไฮโดรเจนเมทานอลและแอมโมเนียจะถูกสังเคราะห์รวมถึงสารประกอบอื่น ๆ
2. ในอุตสาหกรรมอาหาร - เป็นสารเติมแต่ง E949
3. อุตสาหกรรมการบิน (การสร้างจรวด, การสร้างเครื่องบิน)
4. อุตสาหกรรมไฟฟ้า.
5. อุตุนิยมวิทยา.
6. เชื้อเพลิงที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม

เห็นได้ชัดว่าไฮโดรเจนมีความสำคัญพอ ๆ กับที่มีอยู่ในธรรมชาติ สารประกอบต่างๆ ที่เกิดขึ้นจากมันมีบทบาทมากขึ้นไปอีก

สารประกอบไฮโดรเจน

เหล่านี้เป็นสารที่ซับซ้อนที่มีอะตอมของไฮโดรเจน สารดังกล่าวมีหลายประเภท

1. ไฮโดรเจนเฮไลด์ สูตรทั่วไปคือ HHal สิ่งที่สำคัญเป็นพิเศษในหมู่พวกเขาคือไฮโดรเจนคลอไรด์ เป็นก๊าซที่ละลายในน้ำเพื่อสร้างสารละลายกรดไฮโดรคลอริก กรดนี้ใช้กันอย่างแพร่หลายในการสังเคราะห์ทางเคมีเกือบทั้งหมด และทั้งอินทรีย์และอนินทรีย์ ไฮโดรเจนคลอไรด์เป็นสารประกอบที่มีสูตรเชิงประจักษ์ HCL และเป็นหนึ่งในสารประกอบที่ใหญ่ที่สุดในแง่ของการผลิตในประเทศของเราทุกปี ไฮโดรเจนเฮไลด์ยังรวมถึงไฮโดรเจนไอโอไดด์, ไฮโดรเจนฟลูออไรด์ และไฮโดรเจนโบรไมด์ ทั้งหมดสร้างกรดที่สอดคล้องกัน
2. ระเหยได้ เกือบทั้งหมดเป็นก๊าซพิษค่อนข้างมาก ตัวอย่างเช่น ไฮโดรเจนซัลไฟด์ มีเทน ไซเลน ฟอสฟีนและอื่น ๆ อย่างไรก็ตาม พวกมันไวไฟมาก
3. ไฮไดรด์เป็นสารประกอบที่มีโลหะ พวกเขาอยู่ในชั้นของเกลือ
4. ไฮดรอกไซด์: เบส กรด และสารประกอบแอมโฟเทอริก องค์ประกอบของมันจำเป็นต้องมีอะตอมไฮโดรเจนอย่างน้อยหนึ่งอะตอม ตัวอย่าง: NaOH, K 2 , H 2 SO 4 และอื่นๆ
5. ไฮโดรเจนไฮดรอกไซด์ สารประกอบนี้รู้จักกันดีในนามน้ำ อีกชื่อหนึ่งของไฮโดรเจนออกไซด์ สูตรเชิงประจักษ์มีลักษณะดังนี้ - H 2 O
6. ไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์. นี่คือตัวออกซิไดซ์ที่แรงที่สุดซึ่งมีสูตรคือ H 2 O 2
7. สารประกอบอินทรีย์จำนวนมาก: ไฮโดรคาร์บอน โปรตีน ไขมัน ไขมัน วิตามิน ฮอร์โมน น้ำมันหอมระเหยและอื่น ๆ

เห็นได้ชัดว่าความหลากหลายของสารประกอบของธาตุที่เรากำลังพิจารณาอยู่นั้นมีขนาดใหญ่มาก นี่เป็นการยืนยันอีกครั้งว่ามีความสำคัญสูงต่อธรรมชาติและมนุษย์ตลอดจนสิ่งมีชีวิตทั้งหมด

เป็นตัวทำละลายที่ดีที่สุด

ดังที่ได้กล่าวไว้ข้างต้น ชื่อสามัญของสารนี้คือน้ำ ประกอบด้วยอะตอมของไฮโดรเจนสองอะตอมและออกซิเจนหนึ่งตัว เชื่อมต่อกันด้วยพันธะโควาเลนต์ โมเลกุลของน้ำเป็นไดโพล ซึ่งอธิบายคุณสมบัติหลายประการของมัน โดยเฉพาะอย่างยิ่งความจริงที่ว่ามันเป็นตัวทำละลายสากล

อยู่ในสิ่งแวดล้อมทางน้ำที่กระบวนการทางเคมีเกือบทั้งหมดเกิดขึ้น ปฏิกิริยาภายในของเมแทบอลิซึมของพลาสติกและพลังงานในสิ่งมีชีวิตนั้นดำเนินการด้วยความช่วยเหลือของไฮโดรเจนออกไซด์

น้ำถือเป็นสารสำคัญที่สุดในโลก เป็นที่ทราบกันดีว่าไม่มีสิ่งมีชีวิตใดสามารถอยู่ได้โดยปราศจากมัน บนโลกสามารถอยู่ในสถานะการรวมตัวสามสถานะ:

• ของเหลว;
• แก๊ส (ไอน้ำ);
• ของแข็ง (น้ำแข็ง).

น้ำมีสามประเภทขึ้นอยู่กับไอโซโทปของไฮโดรเจนที่เป็นส่วนหนึ่งของโมเลกุล

1. ไลท์หรือโปรเที่ยม ไอโซโทปที่มีเลขมวล 1 สูตรคือ H 2 O ซึ่งเป็นรูปแบบปกติที่สิ่งมีชีวิตทั้งหมดใช้
2. ดิวเทอเรียมหรือหนัก สูตรของมันคือ D 2 O ประกอบด้วยไอโซโทป 2 H.
3. หนักมากหรือไอโซโทป สูตรดูเหมือน T 3 O ไอโซโทปคือ 3 H

ปริมาณสำรองของน้ำจืดโปรเทียมบนโลกมีความสำคัญมาก ยังขาดอยู่หลายประเทศ กำลังพัฒนาวิธีการบำบัดน้ำเกลือเพื่อให้ได้น้ำดื่ม

ไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์เป็นยาสากล

สารประกอบนี้ตามที่กล่าวไว้ข้างต้นเป็นสารออกซิไดซ์ที่ดีเยี่ยม อย่างไรก็ตาม ด้วยตัวแทนที่แข็งแกร่ง มันสามารถทำหน้าที่เป็นตัวลดขนาดได้ นอกจากนี้ยังมีผลการฆ่าเชื้อแบคทีเรียที่เด่นชัด

อีกชื่อหนึ่งของสารประกอบนี้คือเปอร์ออกไซด์ อยู่ในรูปแบบนี้ที่ใช้เป็นยา สารละลาย 3% ของผลึกไฮเดรตของสารประกอบที่เป็นปัญหาคือยาทางการแพทย์ที่ใช้รักษาบาดแผลเล็กๆ เพื่อกำจัดการปนเปื้อน อย่างไรก็ตาม มันได้รับการพิสูจน์แล้วว่าในกรณีนี้ การรักษาบาดแผลเมื่อเวลาผ่านไปเพิ่มขึ้น

นอกจากนี้ ไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์ยังใช้ในเชื้อเพลิงจรวด ในอุตสาหกรรมสำหรับการฆ่าเชื้อและการฟอกสี เป็นสารทำให้เกิดฟองสำหรับการผลิตวัสดุที่เหมาะสม (เช่น โฟม) นอกจากนี้เปอร์ออกไซด์ยังช่วยทำความสะอาดตู้ปลา ฟอกสีผม และฟันขาวอีกด้วย อย่างไรก็ตามในขณะเดียวกันก็เป็นอันตรายต่อเนื้อเยื่อดังนั้นจึงไม่แนะนำโดยผู้เชี่ยวชาญเพื่อการนี้

ไฮโดรเจน

ไฮโดรเจน-a; เมตรองค์ประกอบทางเคมี (H) ซึ่งเป็นก๊าซไม่มีสีและไม่มีกลิ่นที่รวมตัวกับออกซิเจนเพื่อสร้างน้ำ

◁ ไฮโดรเจน, th, th. การเชื่อมต่อ V วีแบคทีเรีย. V-th ระเบิด(ระเบิดที่มีพลังทำลายล้างมหาศาลซึ่งผลของการระเบิดนั้นขึ้นอยู่กับปฏิกิริยาเทอร์โมนิวเคลียร์) ไฮโดรเจน, th, th.

ไฮโดรเจน

(lat. Hydrogenium) ซึ่งเป็นองค์ประกอบทางเคมีของกลุ่ม VII ระบบเป็นระยะ. ในธรรมชาติ มีไอโซโทปเสถียรสองไอโซโทป (โพรเทียมและดิวเทอเรียม) และไอโซโทปกัมมันตภาพรังสีหนึ่งไอโซโทป (ทริเทียม) โมเลกุลเป็นไดอะตอมมิก (H 2) ก๊าซไม่มีสีและไม่มีกลิ่น ความหนาแน่น 0.0899 กรัม/ลิตร tกีบ - 252.76°C ผสมผสานกับหลายองค์ประกอบเพื่อสร้างน้ำกับออกซิเจน องค์ประกอบที่พบบ่อยที่สุดในอวกาศ ประกอบขึ้น (ในรูปของพลาสมา) มากกว่า 70% ของมวลดวงอาทิตย์และดวงดาวซึ่งเป็นส่วนหลักของก๊าซของสื่อระหว่างดวงดาวและเนบิวลา อะตอมของไฮโดรเจนเป็นส่วนหนึ่งของกรดและเบสหลายชนิด ส่วนใหญ่เป็นสารประกอบอินทรีย์ ใช้ในการผลิตแอมโมเนีย กรดไฮโดรคลอริก สำหรับไฮโดรจิเนชันของไขมัน ฯลฯ ในการเชื่อมและการตัดโลหะ สัญญาว่าเป็นเชื้อเพลิง (ดู พลังงานไฮโดรเจน)

ไฮโดรเจน

HYDROGEN (lat. Hydrogenium), H, องค์ประกอบทางเคมีที่มีเลขอะตอม 1, มวลอะตอม 1.00794 สัญลักษณ์ทางเคมีของไฮโดรเจน H อ่านในประเทศของเราว่า "เถ้า" เนื่องจากตัวอักษรนี้ออกเสียงเป็นภาษาฝรั่งเศส
ไฮโดรเจนธรรมชาติประกอบด้วยส่วนผสมของนิวไคลด์ที่เสถียรสองตัว (ซม.นิวไคลด์)ด้วยเลขมวล 1.007825 (99.985% ในส่วนผสม) และ 2.0140 (0.015%) นอกจากนี้ ปริมาณร่องรอยของนิวไคลด์กัมมันตภาพรังสี ทริเทียม มักมีอยู่ในไฮโดรเจนตามธรรมชาติ (ซม.ทริเทียม) 3 H (ครึ่งชีวิต T 1/2 12.43 ปี) เนื่องจากนิวเคลียสของอะตอมไฮโดรเจนมีโปรตอนเพียง 1 ตัว (ต้องมีโปรตอนน้อยกว่าในนิวเคลียสของอะตอม) จึงมีบางครั้งกล่าวว่าไฮโดรเจนก่อตัวเป็นขอบเขตล่างตามธรรมชาติของระบบธาตุของธาตุ D. I. Mendeleev (แม้ว่าธาตุ ไฮโดรเจนเองจะอยู่ในตารางส่วนบนสุด) ธาตุไฮโดรเจนอยู่ในคาบแรกของตารางธาตุ นอกจากนี้ยังอยู่ในกลุ่มที่ 1 (กลุ่ม IA ของโลหะอัลคาไล (ซม.โลหะอัลคาไล)) และกลุ่มที่ 7 (กลุ่ม VIIA ของฮาโลเจน (ซม.ฮาโลเจน)).
มวลของอะตอมในไอโซโทปไฮโดรเจนแตกต่างกันอย่างมาก (หลายครั้ง) สิ่งนี้นำไปสู่ความแตกต่างที่เห็นได้ชัดเจนในพฤติกรรมในกระบวนการทางกายภาพ (การกลั่น อิเล็กโทรไลซิส ฯลฯ) และความแตกต่างทางเคมีบางอย่าง (ความแตกต่างในพฤติกรรมของไอโซโทปขององค์ประกอบหนึ่งเรียกว่าผลกระทบของไอโซโทป สำหรับไฮโดรเจน ผลกระทบของไอโซโทปมีความสำคัญมากที่สุด) ดังนั้นไอโซโทปไฮโดรเจนจึงมีสัญลักษณ์และชื่อพิเศษต่างจากไอโซโทปของธาตุอื่นๆ ไฮโดรเจนที่มีเลขมวล 1 เรียกว่า ไฮโดรเจนเบาหรือโปรเทียม (lat. Protium จากภาษากรีกโปรโตส - อันแรก) แทนด้วยสัญลักษณ์ H และนิวเคลียสเรียกว่าโปรตอน (ซม.โปรตอน (อนุภาคมูลฐาน)), สัญลักษณ์ r. ไฮโดรเจนที่มีเลขมวล 2 เรียกว่า ไฮโดรเจนหนัก ดิวเทอเรียม (ซม.ดิวเทอเรียม)(ละตินดิวเทอเรียมจากกรีกดิวเทอรอส - ที่สอง) สัญลักษณ์ 2 H หรือ D (อ่าน "de") ใช้เพื่อกำหนดนิวเคลียส d คือดิวเทอรอน ไอโซโทปกัมมันตภาพรังสีที่มีเลขมวล 3 เรียกว่าไฮโดรเจน superheavy หรือไอโซโทป (lat. Tritum จากกรีก tritos - ที่สาม) สัญลักษณ์ 2 H หรือ T (อ่านว่า "เหล่านั้น") นิวเคลียส t คือไทรทัน
โครงร่างของชั้นอิเล็กตรอนเดี่ยวของอะตอมไฮโดรเจนที่ไม่ถูกกระตุ้นที่เป็นกลาง 1 ส 1 . ในสารประกอบ แสดงสถานะออกซิเดชัน +1 และบ่อยครั้งน้อยกว่า -1 (วาเลนซี I) รัศมีของอะตอมไฮโดรเจนที่เป็นกลางคือ 0.024 นาโนเมตร พลังงานไอออไนเซชันของอะตอมคือ 13.595 eV ความสัมพันธ์ของอิเล็กตรอนคือ 0.75 eV ในระดับ Pauling อิเล็กโตรเนกาติวีตี้ของไฮโดรเจนคือ 2.20 ไฮโดรเจนเป็นอโลหะชนิดหนึ่ง
ในรูปแบบอิสระ เป็นก๊าซเบา ไวไฟ ไม่มีสี กลิ่นหรือรส
ประวัติการค้นพบ
การปล่อยก๊าซที่ติดไฟได้ระหว่างปฏิกิริยาของกรดและโลหะนั้นพบได้ในศตวรรษที่ 16 และ 17 ในช่วงเริ่มต้นของการก่อตัวของเคมีในฐานะวิทยาศาสตร์ นักฟิสิกส์และนักเคมีชื่อดังชาวอังกฤษ G. Cavendish (ซม.คาเวนดิช เฮนรี่)ในปี ค.ศ. 1766 เขาได้ตรวจสอบก๊าซนี้และเรียกมันว่า "อากาศที่ติดไฟได้" เมื่อถูกเผา "อากาศที่ติดไฟได้" ให้น้ำ แต่คาเวนดิชยึดมั่นในทฤษฎีโฟลจิสตัน (ซม.โฟลจิสตัน)ทำให้เขาไม่สามารถสรุปผลได้อย่างถูกต้อง นักเคมีชาวฝรั่งเศส A. Lavoisier (ซม.ลาวัวซิเย่ อองตวน โลร็องต์)ร่วมกับวิศวกร J. Meunier (ซม. MEUNIER ฌอง-แบปติสต์ มารี ชาร์ลส์)โดยการสังเคราะห์น้ำโดยใช้เครื่องวัดก๊าซพิเศษในปี ค.ศ. 1783 ได้ดำเนินการสังเคราะห์น้ำ จากนั้นจึงวิเคราะห์โดยสลายไอน้ำด้วยเหล็กร้อนแดง ดังนั้น เขาจึงกำหนดว่า "อากาศที่ติดไฟได้" เป็นส่วนหนึ่งของน้ำและสามารถหาได้จากมัน ในปี ค.ศ. 1787 ลาวัวซิเยร์ได้ข้อสรุปว่า "อากาศที่ติดไฟได้" เป็นสารธรรมดา ดังนั้นจึงเป็นหนึ่งในองค์ประกอบทางเคมี เขาตั้งชื่อมันว่าไฮโดรเจน (จากภาษากรีก hydor - น้ำและ gennao - ให้กำเนิด) - "ให้กำเนิดน้ำ" การจัดตั้งองค์ประกอบของน้ำทำให้ "ทฤษฎีโฟลจิสตัน" สิ้นสุดลง ชื่อรัสเซีย "ไฮโดรเจน" ถูกเสนอโดยนักเคมี M.F. Solovyov (ซม. SOLOVIEV มิคาอิล Fedorovich)พ.ศ. 2367 เมื่อถึงช่วงเปลี่ยนศตวรรษที่ 18 และ 19 พบว่าอะตอมไฮโดรเจนมีน้ำหนักเบามาก (เมื่อเทียบกับอะตอมของธาตุอื่น) และนำน้ำหนัก (มวล) ของอะตอมไฮโดรเจนมาเป็นหน่วยเปรียบเทียบ มวลอะตอมของธาตุ มวลของอะตอมไฮโดรเจนมีค่าเท่ากับ 1
อยู่ในธรรมชาติ
ไฮโดรเจนมีสัดส่วนประมาณ 1% ของมวลเปลือกโลก (อันดับที่ 10 ของธาตุทั้งหมด) แทบไม่เคยพบไฮโดรเจนในรูปแบบอิสระบนโลกของเรา (พบร่องรอยของมันในชั้นบรรยากาศชั้นบน) แต่มันถูกกระจายไปเกือบทุกที่บนโลกในองค์ประกอบของน้ำ ธาตุไฮโดรเจนเป็นส่วนหนึ่งของสารประกอบอินทรีย์และอนินทรีย์ของสิ่งมีชีวิต ก๊าซธรรมชาติ น้ำมัน ถ่านหิน แน่นอนว่ามันบรรจุอยู่ในองค์ประกอบของน้ำ (ประมาณ 11% โดยน้ำหนัก) ในไฮเดรตและแร่ธาตุที่เป็นผลึกธรรมชาติต่างๆ ซึ่งประกอบด้วย OH hydroxogroups อย่างน้อยหนึ่งกลุ่ม
ไฮโดรเจนเป็นองค์ประกอบที่ครอบงำจักรวาล มันมีมวลประมาณครึ่งหนึ่งของดวงอาทิตย์และดาวฤกษ์อื่น ๆ ซึ่งมีอยู่ในชั้นบรรยากาศของดาวเคราะห์จำนวนหนึ่ง
ใบเสร็จ
สามารถรับไฮโดรเจนได้หลายวิธี ในอุตสาหกรรมนี้ใช้ก๊าซธรรมชาติ เช่นเดียวกับก๊าซที่ได้จากการกลั่นน้ำมัน โค้ก และการทำให้เป็นแก๊สของถ่านหินและเชื้อเพลิงอื่นๆ ในการผลิตไฮโดรเจนจากก๊าซธรรมชาติ (องค์ประกอบหลักคือมีเทน) ปฏิกิริยาของตัวเร่งปฏิกิริยากับไอน้ำและการออกซิเดชันที่ไม่สมบูรณ์กับออกซิเจนจะดำเนินการ:
CH 4 + H 2 O \u003d CO + 3H 2 และ CH 4 + 1/2 O 2 \u003d CO 2 + 2H 2
การแยกไฮโดรเจนออกจากก๊าซในเตาอบโค้กและก๊าซในโรงกลั่นขึ้นอยู่กับการทำให้เป็นของเหลวในระหว่างการทำให้เย็นลงอย่างล้ำลึกและการกำจัดออกจากส่วนผสมของก๊าซที่ทำให้เป็นของเหลวได้ง่ายกว่าไฮโดรเจน ในที่ที่มีไฟฟ้าราคาถูก ไฮโดรเจนจะได้มาจากอิเล็กโทรไลซิสของน้ำ ผ่านกระแสผ่านสารละลายอัลคาไล ภายใต้สภาวะของห้องปฏิบัติการ ไฮโดรเจนได้มาอย่างง่ายดายโดยปฏิกิริยาของโลหะกับกรด เช่น สังกะสีกับกรดไฮโดรคลอริก
ทางกายภาพและ คุณสมบัติทางเคมี
ภายใต้สภาวะปกติไฮโดรเจนเป็นก๊าซเบา (ความหนาแน่นภายใต้สภาวะปกติ 0.0899 กก. / ม. 3) ก๊าซไม่มีสี จุดหลอมเหลว -259.15 °C จุดเดือด -252.7 °C ไฮโดรเจนเหลว (ที่จุดเดือด) มีความหนาแน่น 70.8 กก./ลบ.ม. และเป็นของเหลวที่เบาที่สุด ศักย์ไฟฟ้ามาตรฐาน H 2 / H - ในสารละลายในน้ำเท่ากับ 0 ไฮโดรเจนละลายได้ไม่ดีในน้ำ: ที่ 0 ° C ความสามารถในการละลายน้อยกว่า 0.02 ซม. 3 / มล. แต่ละลายได้สูงในโลหะบางชนิด (เหล็กฟองน้ำและอื่น ๆ ) โดยเฉพาะอย่างยิ่งที่ดี - ในแพลเลเดียมโลหะ (ประมาณ 850 ของไฮโดรเจนใน 1 ปริมาตรของโลหะ) ความร้อนจากการเผาไหม้ไฮโดรเจนเท่ากับ 143.06 MJ/kg
มีอยู่ในรูปของโมเลกุลไดอะตอมมิก H 2 ค่าคงที่การแยกตัวของ H 2 เป็นอะตอมที่ 300 K คือ 2.56 10 -34 พลังงานการแยกตัวของโมเลกุล H 2 ออกเป็นอะตอมคือ 436 kJ/mol ระยะห่างระหว่างนิวเคลียร์ในโมเลกุล H 2 คือ 0.07414 นาโนเมตร
เนื่องจากนิวเคลียสของอะตอม H แต่ละอันซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของโมเลกุลมีการหมุนของมันเอง (ซม.สปิน)จากนั้นโมเลกุลไฮโดรเจนสามารถอยู่ในสองรูปแบบ: ในรูปแบบของออร์โธไฮโดรเจน (o-H 2) (สปินทั้งสองมีทิศทางเดียวกัน) และในรูปแบบของพาราไฮโดรเจน (p-H 2) (สปินมีทิศทางต่างกัน) ภายใต้สภาวะปกติ ไฮโดรเจนปกติจะมีส่วนผสมของ 75% o-H 2 และ 25% p-H 2 . คุณสมบัติทางกายภาพของ p- และ o-H 2 แตกต่างกันเล็กน้อย ดังนั้นหากจุดเดือด บริสุทธิ์ o-n 2 20.45 K จากนั้น p-H บริสุทธิ์ 2 - 20.26 K การเปลี่ยนแปลงของ o-H 2 เป็น p-H 2 จะมาพร้อมกับการปล่อยความร้อน 1418 J / โมล
มีการโต้เถียงกันซ้ำแล้วซ้ำเล่าในวรรณคดีทางวิทยาศาสตร์ว่า ความกดดันสูง(มากกว่า 10 GPa) และที่อุณหภูมิต่ำ (ประมาณ 10 K หรือต่ำกว่า) ไฮโดรเจนที่เป็นของแข็ง ซึ่งมักจะตกผลึกในโครงข่ายโมเลกุลหกเหลี่ยม สามารถแปลงร่างเป็นสารที่มีคุณสมบัติทางโลหะ อาจเป็นตัวนำยิ่งยวด อย่างไรก็ตาม ยังไม่มีข้อมูลที่ชัดเจนเกี่ยวกับความเป็นไปได้ของการเปลี่ยนแปลงดังกล่าว
ความแข็งแรงสูง พันธะเคมีระหว่างอะตอมในโมเลกุล H 2 (ซึ่งตัวอย่างเช่น การใช้วิธีการออร์บิทัลของโมเลกุล สามารถอธิบายได้ด้วยข้อเท็จจริงที่ว่าในโมเลกุลนี้ คู่อิเล็กตรอนอยู่ในวงโคจรพันธะ และวงโคจรที่คลายตัวจะไม่มีอิเล็กตรอนอยู่ด้วย) นำไปสู่ เนื่องจากที่อุณหภูมิห้อง ก๊าซไฮโดรเจนจะไม่ทำงานทางเคมี . ดังนั้น หากไม่มีความร้อน การผสมอย่างง่าย ไฮโดรเจนจะทำปฏิกิริยา (ด้วยการระเบิด) กับฟลูออรีนที่เป็นก๊าซเท่านั้น:
H 2 + F 2 \u003d 2HF + Q.
หากส่วนผสมของไฮโดรเจนและคลอรีนที่อุณหภูมิห้องถูกฉายรังสีด้วยแสงอัลตราไวโอเลต จะสังเกตเห็นการก่อตัวของไฮโดรเจนคลอไรด์ HCl ในทันที ปฏิกิริยาของไฮโดรเจนกับออกซิเจนจะเกิดขึ้นพร้อมกับการระเบิด หากนำตัวเร่งปฏิกิริยา โลหะแพลเลเดียม (หรือแพลตตินั่ม) เข้าไปในส่วนผสมของก๊าซเหล่านี้ เมื่อจุดไฟจะมีส่วนผสมของไฮโดรเจนและออกซิเจน (ก๊าซระเบิดที่เรียกว่า (ซม.ก๊าซระเบิด)) ระเบิด และการระเบิดอาจเกิดขึ้นในสารผสมที่มีปริมาณไฮโดรเจนอยู่ที่ 5 ถึง 95 เปอร์เซ็นต์โดยปริมาตร ไฮโดรเจนบริสุทธิ์ในอากาศหรือในออกซิเจนบริสุทธิ์จะเผาไหม้อย่างเงียบ ๆ ด้วยการปล่อยความร้อนจำนวนมาก:
H 2 + 1 / 2O 2 \u003d H 2 O + 285.75 kJ / mol
หากไฮโดรเจนทำปฏิกิริยากับอโลหะและโลหะอื่น ๆ ภายใต้เงื่อนไขบางประการเท่านั้น (ความร้อน, แรงดันสูง, การปรากฏตัวของตัวเร่งปฏิกิริยา) ดังนั้นไฮโดรเจนจะทำปฏิกิริยาย้อนกลับกับไนโตรเจนที่ ความดันโลหิตสูง(20-30 MPa ขึ้นไป) และที่อุณหภูมิ 300-400 ° C ต่อหน้าตัวเร่งปฏิกิริยา - เหล็ก:
3H 2 + N 2 = 2NH 3 + Q.
นอกจากนี้ เมื่อถูกความร้อน ไฮโดรเจนจะทำปฏิกิริยากับกำมะถันเพื่อสร้างไฮโดรเจนซัลไฟด์ H 2 S กับโบรมีนเพื่อสร้างไฮโดรเจนโบรไมด์ HBr กับไอโอดีนเพื่อสร้างไฮโดรเจนไอโอไดด์ HI ไฮโดรเจนทำปฏิกิริยากับถ่านหิน (กราไฟต์) เพื่อสร้างส่วนผสมของไฮโดรคาร์บอนขององค์ประกอบต่างๆ ไฮโดรเจนไม่มีปฏิกิริยาโดยตรงกับโบรอน ซิลิกอน และฟอสฟอรัส สารประกอบของธาตุเหล่านี้กับไฮโดรเจนจะได้รับทางอ้อม
เมื่อถูกความร้อน ไฮโดรเจนสามารถทำปฏิกิริยากับโลหะอัลคาไล โลหะอัลคาไลน์เอิร์ธ และแมกนีเซียม เพื่อสร้างสารประกอบที่มีลักษณะพันธะไอออนิก ซึ่งมีไฮโดรเจนอยู่ในสถานะออกซิเดชัน –1 ดังนั้น เมื่อแคลเซียมถูกทำให้ร้อนในบรรยากาศไฮโดรเจน จะเกิดไฮไดรด์คล้ายเกลือขององค์ประกอบ CaH 2 พอลิเมอร์อะลูมิเนียมไฮไดรด์ (AlH 3) x - หนึ่งในสารรีดิวซ์ที่แรงที่สุด - ได้มาโดยทางอ้อม (เช่น การใช้สารประกอบออร์กาโนอะลูมิเนียม) ด้วยโลหะทรานซิชันหลายชนิด (เช่น เซอร์โคเนียม ฮาฟเนียม เป็นต้น) ไฮโดรเจนจะก่อตัวเป็นสารประกอบขององค์ประกอบที่แปรผันได้ (สารละลายที่เป็นของแข็ง)
ไฮโดรเจนสามารถทำปฏิกิริยาได้ไม่เพียงแต่กับสารที่ซับซ้อนเท่านั้น แต่ยังมีสารที่ซับซ้อนอีกด้วย ประการแรก ควรสังเกตความสามารถของไฮโดรเจนในการลดโลหะจำนวนมากจากออกไซด์ของพวกมัน (เช่น เหล็ก นิกเกิล ตะกั่ว ทังสเตน ทองแดง เป็นต้น) ดังนั้น เมื่อถูกความร้อนที่อุณหภูมิ 400-450 ° C ขึ้นไป ไฮโดรเจนจากออกไซด์ใดๆ ของเหล็กจะลดลงโดยไฮโดรเจน ตัวอย่างเช่น
เฟ 2 O 3 + 3H 2 \u003d 2Fe + 3H 2 O
ควรสังเกตว่าเฉพาะโลหะที่อยู่ในชุดของศักย์มาตรฐานนอกเหนือจากแมงกานีสเท่านั้นที่สามารถลดลงจากออกไซด์ด้วยไฮโดรเจน โลหะที่ออกฤทธิ์มากขึ้น (รวมถึงแมงกานีส) จะไม่ถูกลดสถานะเป็นโลหะจากออกไซด์
ไฮโดรเจนมีความสามารถในการเพิ่มพันธะคู่หรือสามให้กับสารประกอบอินทรีย์หลายชนิด (สิ่งเหล่านี้เรียกว่าปฏิกิริยาไฮโดรจิเนชัน) ตัวอย่างเช่นในที่ที่มีตัวเร่งปฏิกิริยานิกเกิลสามารถเติมไฮโดรเจนของเอทิลีน C 2 H 4 ได้และอีเทน C 2 H 6 จะเกิดขึ้น:
C 2 H 4 + H 2 \u003d C 2 H 6
ปฏิกิริยาของคาร์บอนมอนอกไซด์ (II) และไฮโดรเจนในอุตสาหกรรมทำให้เกิดเมทานอล:
2H 2 + CO \u003d CH 3 OH
ในสารประกอบที่อะตอมไฮโดรเจนเชื่อมต่อกับอะตอมของธาตุที่มีไฟฟ้ามากกว่า E (E \u003d F, Cl, O, N) พันธะไฮโดรเจนจะเกิดขึ้นระหว่างโมเลกุล (ซม.พันธะไฮโดรเจน)(อะตอม E สองอะตอมที่มีองค์ประกอบเดียวกันหรือสององค์ประกอบต่างกันเชื่อมต่อกันผ่านอะตอม H: E "... N ... E"" และทั้งสามอะตอมตั้งอยู่บนเส้นตรงเดียวกัน) พันธะดังกล่าวมีอยู่ระหว่างโมเลกุล ของน้ำ แอมโมเนีย เมทานอล ฯลฯ และทำให้จุดเดือดของสารเหล่านี้เพิ่มขึ้นอย่างเห็นได้ชัด ความร้อนจากการระเหยเพิ่มขึ้น เป็นต้น
แอปพลิเคชัน
ไฮโดรเจนใช้ในการสังเคราะห์แอมโมเนีย NH 3 , ไฮโดรเจนคลอไรด์ HCl, เมทานอล CH 3 OH ในการไฮโดรแคร็ก (แตกในบรรยากาศไฮโดรเจน) ของไฮโดรคาร์บอนธรรมชาติเป็นตัวรีดิวซ์ในการผลิตโลหะบางชนิด ไฮโดรจิเนชัน (ซม.ไฮโดรเจเนชั่น)น้ำมันพืชธรรมชาติได้รับไขมันแข็ง - มาการีน ไฮโดรเจนเหลวใช้เป็นเชื้อเพลิงจรวดและเป็นสารหล่อเย็น ใช้ส่วนผสมของออกซิเจนและไฮโดรเจนในการเชื่อม
มีอยู่ครั้งหนึ่ง มีข้อเสนอแนะว่าในอนาคตอันใกล้ ปฏิกิริยาของการเผาไหม้ไฮโดรเจนจะกลายเป็นแหล่งผลิตพลังงานหลัก และพลังงานไฮโดรเจนจะเข้ามาแทนที่แหล่งการผลิตพลังงานแบบเดิม (ถ่านหิน น้ำมัน ฯลฯ) ในเวลาเดียวกัน สันนิษฐานว่าอิเล็กโทรไลซิสในน้ำสามารถใช้เพื่อผลิตไฮโดรเจนในปริมาณมากได้ อิเล็กโทรไลซิสในน้ำเป็นกระบวนการที่ค่อนข้างใช้พลังงานมาก และในปัจจุบันการหาไฮโดรเจนด้วยอิเล็กโทรไลซิสในระดับอุตสาหกรรมก็ไม่มีประโยชน์ แต่คาดว่าอิเล็กโทรลิซิสจะขึ้นอยู่กับการใช้ความร้อนที่อุณหภูมิปานกลาง (500-600 ° C) ซึ่งเกิดขึ้นในปริมาณมากระหว่างการทำงานของโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ ความร้อนนี้มีการใช้งานอย่างจำกัด และความเป็นไปได้ที่จะได้รับไฮโดรเจนด้วยความช่วยเหลือจะช่วยแก้ปัญหาทั้งทางนิเวศวิทยา (เมื่อไฮโดรเจนถูกเผาในอากาศ ปริมาณของสารที่เป็นอันตรายต่อสิ่งแวดล้อมจะเกิดน้อยที่สุด) และปัญหาการใช้อุณหภูมิปานกลาง ความร้อน. อย่างไรก็ตาม หลังภัยพิบัติเชอร์โนบิล การพัฒนา พลังงานนิวเคลียร์จับตัวเป็นก้อนทุกที่ เพื่อให้แหล่งพลังงานที่ระบุไม่สามารถใช้งานได้ ดังนั้นแนวโน้มการใช้ไฮโดรเจนอย่างแพร่หลายในฐานะแหล่งพลังงานยังคงเปลี่ยนไปเรื่อย ๆ จนถึงกลางศตวรรษที่ 21 เป็นอย่างน้อย
คุณสมบัติของการไหลเวียน
ไฮโดรเจนไม่เป็นพิษ แต่เมื่อจัดการกับมัน เราต้องคำนึงถึงอันตรายจากไฟไหม้และการระเบิดอยู่เสมอ และอันตรายจากการระเบิดของไฮโดรเจนก็เพิ่มขึ้นเนื่องจากความสามารถสูงของก๊าซในการแพร่กระจายแม้ผ่านวัสดุที่เป็นของแข็งบางชนิด ก่อนเริ่มดำเนินการให้ความร้อนในบรรยากาศของไฮโดรเจน คุณควรตรวจสอบให้แน่ใจว่าอุปกรณ์นั้นสะอาด (เมื่อจุดไฟไฮโดรเจนในหลอดทดลองคว่ำลง เสียงควรทื่อและไม่เห่า)
บทบาททางชีวภาพ
ความสำคัญทางชีวภาพของไฮโดรเจนถูกกำหนดโดยข้อเท็จจริงที่ว่ามันเป็นส่วนหนึ่งของโมเลกุลของน้ำและกลุ่มสารประกอบธรรมชาติที่สำคัญที่สุดทั้งหมด รวมทั้งโปรตีน กรดนิวคลีอิก,ไขมัน,คาร์โบไฮเดรต. ประมาณ 10% ของมวลสิ่งมีชีวิตเป็นไฮโดรเจน ความสามารถของไฮโดรเจนในการสร้างพันธะไฮโดรเจนมีบทบาทสำคัญในการรักษาโครงสร้างควอเทอร์นารีเชิงพื้นที่ของโปรตีน เช่นเดียวกับการนำหลักการของการเติมเต็มมาใช้ (ซม.เสริม)ในการก่อสร้างและการทำงานของกรดนิวคลีอิก (นั่นคือในการจัดเก็บและการนำข้อมูลทางพันธุกรรมไปใช้) โดยทั่วไปในการดำเนินการ "การรับรู้" ในระดับโมเลกุล ไฮโดรเจน (H + ไอออน) มีส่วนร่วมในกระบวนการและปฏิกิริยาแบบไดนามิกที่สำคัญที่สุดในร่างกาย - ในการเกิดออกซิเดชันทางชีวภาพซึ่งให้พลังงานแก่เซลล์ที่มีชีวิต ในการสังเคราะห์ด้วยแสงของพืช ในปฏิกิริยาการสังเคราะห์ทางชีวภาพ ในการตรึงไนโตรเจนและการสังเคราะห์ด้วยแสงของแบคทีเรีย ในการรักษากรด- ความสมดุลของฐานและสภาวะสมดุล (ซม.สภาวะสมดุล)ในกระบวนการขนส่งเมมเบรน ดังนั้นเมื่อรวมกับออกซิเจนและคาร์บอนแล้ว ไฮโดรเจนจึงสร้างพื้นฐานโครงสร้างและหน้าที่ของปรากฏการณ์แห่งชีวิต

พจนานุกรมสารานุกรม. 2009 .

คำพ้องความหมาย:

ดูว่า "ไฮโดรเจน" ในพจนานุกรมอื่นๆ คืออะไร:

ตารางนิวไคลด์ ข้อมูลทั่วไปชื่อ สัญลักษณ์ ไฮโดรเจน 4, 4H นิวตรอน 3 โปรตอน 1 คุณสมบัติของนิวไคลด์ มวลอะตอม 4.027810 (110) ... Wikipedia

ตารางนิวไคลด์ ข้อมูลทั่วไป ชื่อ สัญลักษณ์ ไฮโดรเจน 5, 5H นิวตรอน 4 โปรตอน 1 คุณสมบัติของนิวไคลด์ มวลอะตอม 5.035310 (110) ... Wikipedia

ตารางนิวไคลด์ ข้อมูลทั่วไป ชื่อ สัญลักษณ์ ไฮโดรเจน 6, 6H นิวตรอน 5 โปรตอน 1 คุณสมบัติของนิวไคลด์ มวลอะตอม 6.044940 (280) ... Wikipedia

ตารางนิวไคลด์ ข้อมูลทั่วไป ชื่อ สัญลักษณ์ ไฮโดรเจน 7, 7H นิวตรอน 6 โปรตอน 1 คุณสมบัติของนิวไคลด์ มวลอะตอม 7.052750 (1080) ... Wikipedia

ไฮโดรเจน (ไฮโดรเจน) ถูกค้นพบในช่วงครึ่งแรกของศตวรรษที่ 16 โดยแพทย์ชาวเยอรมันและนักธรรมชาติวิทยา Paracelsus ในปี ค.ศ. 1776 G. Cavendish (อังกฤษ) ได้กำหนดคุณสมบัติและชี้ให้เห็นถึงความแตกต่างจากก๊าซอื่นๆ Lavoisier เป็นคนแรกที่ได้รับไฮโดรเจนจากน้ำและพิสูจน์ว่าน้ำเป็นส่วนผสมทางเคมีของไฮโดรเจนและออกซิเจน (1783)

ไฮโดรเจนมีไอโซโทปสามชนิด ได้แก่ โพรเที่ยม ดิวเทอเรียม หรือ D และทริเทียมหรือที จำนวนมวลของพวกมันคือ 1, 2 และ 3 โพรเทียมและดิวเทอเรียมมีความเสถียร ทริเทียมมีกัมมันตภาพรังสี (ครึ่งชีวิต 12.5 ปี) ในสารประกอบธรรมชาติ ดิวเทอเรียมและโพรเทียมมีอัตราส่วนเฉลี่ย 1:6800 (ตามจำนวนอะตอม) Tritium พบได้ในธรรมชาติในปริมาณเล็กน้อย

นิวเคลียสของอะตอมไฮโดรเจนประกอบด้วยโปรตอนหนึ่งตัว นิวเคลียสของดิวเทอเรียมและทริเทียมรวมถึงโปรตอน หนึ่งและสองนิวตรอนตามลำดับ

โมเลกุลไฮโดรเจนประกอบด้วยสองอะตอม นี่คือคุณสมบัติบางอย่างที่กำหนดลักษณะของอะตอมไฮโดรเจนและโมเลกุล:

พลังงานไอออไนซ์ของอะตอม eV 13.60

ความสัมพันธ์ระหว่างอะตอมกับอิเล็กตรอน eV 0.75

อิเล็กโตรเนกาติวีตี้สัมพัทธ์ 2.1

รัศมีของอะตอม nm 0.046

ระยะห่างระหว่างนิวเคลียร์ในโมเลกุล nm 0.0741

อีทาลปีมาตรฐานของการแตกตัวของโมเลกุลที่436.1

115. ไฮโดรเจนในธรรมชาติ ได้รับไฮโดรเจน

ไฮโดรเจนในสถานะอิสระพบได้บนโลกในปริมาณเล็กน้อยเท่านั้น บางครั้งก็ถูกปล่อยออกมาพร้อมกับก๊าซอื่นๆ ในระหว่างการปะทุของภูเขาไฟ เช่นเดียวกับจากหลุมเจาะในระหว่างการสกัดน้ำมัน แต่ในรูปของสารประกอบ ไฮโดรเจนมีอยู่ทั่วไปมาก ดังจะเห็นได้จากข้อเท็จจริงที่ว่ามันประกอบขึ้นเป็นหนึ่งในเก้าของมวลน้ำ ไฮโดรเจนเป็นองค์ประกอบของสิ่งมีชีวิตทั้งพืชและสัตว์ น้ำมัน ถ่านหินแข็งและสีน้ำตาล ก๊าซธรรมชาติ และแร่ธาตุจำนวนหนึ่ง ส่วนแบ่งของไฮโดรเจนจากมวลทั้งหมดของเปลือกโลก รวมทั้งน้ำและอากาศ คิดเป็นประมาณ 1% อย่างไรก็ตาม เมื่อคำนวณใหม่เป็นเปอร์เซ็นต์ของจำนวนอะตอมทั้งหมด ปริมาณไฮโดรเจนในเปลือกโลกจะเท่ากับ 17%

ไฮโดรเจนเป็นองค์ประกอบที่มีมากที่สุดในอวกาศ มีมวลประมาณครึ่งหนึ่งของดวงอาทิตย์และดาวฤกษ์อื่นๆ ส่วนใหญ่ มีอยู่ในเนบิวลาก๊าซ ในก๊าซระหว่างดาว และเป็นส่วนหนึ่งของดาวฤกษ์ ภายในดวงดาว นิวเคลียสของอะตอมไฮโดรเจนจะถูกแปลงเป็นนิวเคลียสของอะตอมฮีเลียม กระบวนการนี้ดำเนินไปตามการปลดปล่อยพลังงานสำหรับดาวฤกษ์หลายดวง รวมทั้งดวงอาทิตย์ มันทำหน้าที่เป็นแหล่งพลังงานหลัก อัตราของกระบวนการ กล่าวคือ จำนวนนิวเคลียสของไฮโดรเจนที่เปลี่ยนเป็นนิวเคลียสฮีเลียมในหนึ่งลูกบาศก์เมตรในหนึ่งวินาทีมีน้อย ดังนั้นปริมาณพลังงานที่ปล่อยออกมาต่อหน่วยเวลาต่อหน่วยปริมาตรจึงมีน้อย อย่างไรก็ตาม เนื่องจากมวลมหาศาลของดวงอาทิตย์ ปริมาณพลังงานทั้งหมดที่สร้างและปล่อยออกมาจากดวงอาทิตย์จึงมีมาก มันสอดคล้องกับการลดลงของมวลดวงอาทิตย์ประมาณหนึ่งวินาที

ในอุตสาหกรรม ไฮโดรเจนส่วนใหญ่ผลิตจากก๊าซธรรมชาติ ก๊าซนี้ซึ่งประกอบด้วยมีเทนเป็นส่วนใหญ่ ผสมกับไอน้ำและออกซิเจน เมื่อส่วนผสมของก๊าซถูกให้ความร้อนต่อหน้าตัวเร่งปฏิกิริยา จะเกิดปฏิกิริยาขึ้น ซึ่งสามารถแสดงสมการได้ดังนี้

ส่วนผสมที่เป็นผลลัพธ์ของก๊าซจะถูกแยกออก ไฮโดรเจนถูกทำให้บริสุทธิ์และใช้ในไซต์งานหรือขนส่งในถังเหล็กอัดแรงดัน

วิธีการทางอุตสาหกรรมที่สำคัญในการผลิตไฮโดรเจนก็คือการแยกก๊าซออกจากเตาอบโค้กหรือจากก๊าซกลั่นจากปิโตรเลียม มันดำเนินการโดยการทำให้เย็นลงอย่างลึกซึ่งก๊าซทั้งหมด ยกเว้นไฮโดรเจน จะถูกทำให้เป็นของเหลว

ในห้องปฏิบัติการ ไฮโดรเจนส่วนใหญ่ผลิตโดยอิเล็กโทรไลซิสของสารละลายในน้ำ ความเข้มข้นของสารละลายเหล่านี้ได้รับการคัดเลือกเพื่อให้ตรงกับค่าการนำไฟฟ้าสูงสุด อิเล็กโทรดมักจะทำจากแผ่นนิกเกิล โลหะนี้ไม่เป็นสนิมในสารละลายอัลคาไลแม้จะเป็นแอโนดก็ตาม หากจำเป็น ไฮโดรเจนที่ได้จะถูกทำให้บริสุทธิ์จากไอน้ำและออกซิเจน วิธีอื่นๆ ในห้องปฏิบัติการ วิธีทั่วไปที่สุดคือการสกัดไฮโดรเจนจากสารละลายของกรดซัลฟิวริกหรือกรดไฮโดรคลอริกโดยการกระทำของสังกะสีกับพวกมัน ปฏิกิริยามักจะเกิดขึ้นในอุปกรณ์ Kipp (รูปที่ 105)

คำนิยาม

ไฮโดรเจนเป็นองค์ประกอบแรกในตารางธาตุ การกำหนด - H จากภาษาละติน "ไฮโดรเจน" อยู่ในยุคแรก กลุ่มไอเอ. หมายถึงอโลหะ ประจุนิวเคลียร์คือ 1

ไฮโดรเจนเป็นหนึ่งในองค์ประกอบทางเคมีที่พบบ่อยที่สุด - ส่วนแบ่งประมาณ 1% ของมวลของเปลือกทั้งสามของเปลือกโลก (บรรยากาศ, ไฮโดรสเฟียร์และเปลือกโลก) ซึ่งเมื่อแปลงเป็นเปอร์เซ็นต์อะตอมแล้วจะได้ 17.0

จำนวนหลักขององค์ประกอบนี้อยู่ในสถานะที่ถูกผูกไว้ ดังนั้น น้ำจึงมีประมาณ 11 wt. % ดินเหนียว - ประมาณ 1.5% เป็นต้น ในรูปของสารประกอบที่มีคาร์บอน ไฮโดรเจนเป็นส่วนหนึ่งของน้ำมัน ก๊าซธรรมชาติที่ติดไฟได้ และสิ่งมีชีวิตทั้งหมด

ไฮโดรเจนเป็นก๊าซไม่มีสีและไม่มีกลิ่น (แผนภาพโครงสร้างของอะตอมแสดงในรูปที่ 1) จุดหลอมเหลวและจุดเดือดต่ำมาก (-259 o C และ -253 o C ตามลำดับ) ที่อุณหภูมิ (-240 o C) และภายใต้ความกดดัน ไฮโดรเจนสามารถทำให้เป็นของเหลวได้ และด้วยการระเหยอย่างรวดเร็วของของเหลวที่เกิด ไฮโดรเจนจะกลายเป็น สถานะของแข็ง(คริสตัลใส). มันละลายได้เล็กน้อยในน้ำ - 2:100 โดยปริมาตร ไฮโดรเจนมีลักษณะการละลายได้ในโลหะบางชนิด เช่น ในเหล็ก

ข้าว. 1. โครงสร้างของอะตอมไฮโดรเจน

น้ำหนักอะตอมและโมเลกุลของไฮโดรเจน

คำนิยาม

มวลอะตอมสัมพัทธ์องค์ประกอบคืออัตราส่วนของมวลของอะตอมของธาตุที่กำหนดต่อ 1/12 ของมวลของอะตอมคาร์บอน

มวลอะตอมสัมพัทธ์ไม่มีมิติและเขียนแทนด้วย A r (ตัวห้อย "r" เป็นอักษรตัวแรก คำภาษาอังกฤษญาติซึ่งในการแปลหมายถึง "ญาติ") มวลอะตอมสัมพัทธ์ของไฮโดรเจนอะตอมคือ 1.008 amu

มวลของโมเลกุล เหมือนกับมวลของอะตอม แสดงเป็นหน่วยมวลอะตอม

คำนิยาม

น้ำหนักโมเลกุลสารนี้เรียกว่ามวลของโมเลกุลซึ่งแสดงเป็นหน่วยมวลอะตอม น้ำหนักโมเลกุลสัมพัทธ์สารเรียกอัตราส่วนของมวลของโมเลกุลของสารที่กำหนดต่อ 1/12 ของมวลอะตอมของคาร์บอน ซึ่งมวลของมันคือ 00.00 น.

เป็นที่ทราบกันดีอยู่แล้วว่าโมเลกุลไฮโดรเจนนั้นเป็นไดอะตอมมิก - H 2 . น้ำหนักโมเลกุลสัมพัทธ์ของโมเลกุลไฮโดรเจนจะเท่ากับ:

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

ไอโซโทปของไฮโดรเจน

ไฮโดรเจนมีไอโซโทปสามชนิด: โพรเทียม 1 H ดิวเทอเรียม 2 H หรือ D และทริเทียม 3 H หรือ T จำนวนมวลของพวกมันคือ 1, 2 และ 3 Protium และดิวเทอเรียมมีความเสถียร ทริเทียมมีกัมมันตภาพรังสี (ครึ่งชีวิต 12.5 ปี) ในสารประกอบธรรมชาติ ดิวเทอเรียมและโพรเทียมมีอัตราส่วนเฉลี่ย 1:6800 (ตามจำนวนอะตอม) Tritium พบได้ในธรรมชาติในปริมาณเล็กน้อย

นิวเคลียสของไฮโดรเจนอะตอม 1 H มีโปรตอนหนึ่งตัว นิวเคลียสของดิวเทอเรียมและทริเทียมรวมถึงโปรตอน หนึ่งและสองนิวตรอน

ไฮโดรเจนไอออน

อะตอมของไฮโดรเจนสามารถบริจาคอิเล็กตรอนเดี่ยวเพื่อสร้างไอออนบวก (ซึ่งเป็นโปรตอน "เปล่า") หรือได้รับอิเล็กตรอนหนึ่งตัวเพื่อให้กลายเป็นไอออนลบซึ่งมีการกำหนดค่าอิเล็กตรอนฮีเลียม

การแยกอิเล็กตรอนออกจากอะตอมไฮโดรเจนอย่างสมบูรณ์ต้องใช้พลังงานไอออไนเซชันที่มีขนาดใหญ่มาก:

H + 315 kcal = H + + e.

เป็นผลให้ในการทำงานร่วมกันของไฮโดรเจนกับ metalloids ไม่ใช่ไอออนิก แต่มีเพียงพันธะโพลาร์เท่านั้นที่เกิดขึ้น

แนวโน้มของอะตอมที่เป็นกลางในการเกาะติดกับอิเล็กตรอนส่วนเกินนั้นมีลักษณะเฉพาะด้วยค่าความสัมพันธ์ของอิเล็กตรอน ในไฮโดรเจน มันค่อนข้างแสดงออกอย่างอ่อน (แต่นี่ไม่ได้หมายความว่าจะไม่มีไฮโดรเจนไอออนดังกล่าว):

H + e \u003d H - + 19 kcal

โมเลกุลไฮโดรเจนและอะตอม

โมเลกุลไฮโดรเจนประกอบด้วยสองอะตอม - H 2 . นี่คือคุณสมบัติบางอย่างที่กำหนดลักษณะของอะตอมไฮโดรเจนและโมเลกุล:

ตัวอย่างการแก้ปัญหา

ตัวอย่าง 1

ออกกำลังกาย	พิสูจน์ว่ามีไฮไดรด์ตามสูตรทั่วไป EN x ที่มีไฮโดรเจน 12.5% ​​​​
วิธีการแก้	คำนวณมวลของไฮโดรเจนและธาตุที่ไม่รู้จัก โดยหามวลของตัวอย่างเป็น 100 กรัม: m(H) = ม.(EN x)×w(H); ม.(สูง) = 100 × 0.125 = 12.5 กรัม ม. (E) \u003d ม. (EN x) - ม. (H); ม. (E) \u003d 100 - 12.5 \u003d 87.5 กรัม มาหาปริมาณของสารไฮโดรเจนและธาตุที่ไม่รู้จักกัน โดยแทนมวลโมลาร์ของสารหลังเป็น "x" (มวลโมลาร์ของไฮโดรเจนคือ 1 กรัมต่อโมล):

ไฮโดรเจนเป็นองค์ประกอบทางเคมีที่มีสัญลักษณ์ H และเลขอะตอม 1 ด้วยน้ำหนักอะตอมมาตรฐานประมาณ 1.008 ไฮโดรเจนเป็นธาตุที่เบาที่สุดในตารางธาตุ รูปแบบ monatomic (H) เป็นสารเคมีที่มีมากที่สุดในจักรวาล ซึ่งคิดเป็นประมาณ 75% ของมวลรวมของแบริออน ดาวฤกษ์ส่วนใหญ่ประกอบด้วยไฮโดรเจนในสถานะพลาสมา ไอโซโทปไฮโดรเจนที่พบมากที่สุดที่เรียกว่าโปรเทียม (ชื่อนี้ไม่ค่อยได้ใช้ สัญลักษณ์ 1H) มีโปรตอนหนึ่งตัวและไม่มีนิวตรอน การปรากฏตัวอย่างแพร่หลายของอะตอมไฮโดรเจนครั้งแรกเกิดขึ้นในยุคของการรวมตัวใหม่ ที่อุณหภูมิและความดันมาตรฐาน ไฮโดรเจนเป็นก๊าซไดอะตอมมิกไวไฟที่ไม่มีสี ไม่มีกลิ่น รสจืด ไม่เป็นพิษ ไม่ใช่โลหะ และติดไฟได้ โดยมีสูตรโมเลกุล H2 เนื่องจากไฮโดรเจนสร้างพันธะโควาเลนต์ได้ง่ายกับธาตุส่วนใหญ่ที่ไม่ใช่โลหะ ไฮโดรเจนส่วนใหญ่บนโลกจึงมีอยู่ในรูปแบบโมเลกุล เช่น น้ำหรือสารประกอบอินทรีย์ ไฮโดรเจนมีบทบาทสำคัญอย่างยิ่งในปฏิกิริยากรด-เบส เนื่องจากปฏิกิริยาที่เป็นกรดส่วนใหญ่เกี่ยวข้องกับการแลกเปลี่ยนโปรตอนระหว่างโมเลกุลที่ละลายน้ำได้ ในสารประกอบไอออนิก ไฮโดรเจนสามารถอยู่ในรูปของประจุลบ (เช่น แอนไอออน) และเป็นที่รู้จักในชื่อไฮไดรด์ หรือเป็นสปีชีส์ที่มีประจุบวก (เช่น ไอออนบวก) แสดงด้วยสัญลักษณ์ H+ ไฮโดรเจนไอออนบวกถูกอธิบายว่าประกอบด้วยโปรตอนอย่างง่าย แต่ไฮโดรเจนไอออนบวกที่เกิดขึ้นจริงในสารประกอบไอออนิกนั้นซับซ้อนกว่าเสมอ เนื่องจากเป็นอะตอมที่เป็นกลางเพียงอะตอมเดียวที่สามารถแก้สมการชโรดิงเงอร์ได้ในเชิงวิเคราะห์ ไฮโดรเจน (กล่าวคือ การศึกษาพลังงานและการผูกมัดของอะตอม) มีบทบาทสำคัญในการพัฒนากลศาสตร์ควอนตัม ก๊าซไฮโดรเจนถูกผลิตขึ้นเป็นครั้งแรกในช่วงต้นศตวรรษที่ 16 โดยปฏิกิริยาของกรดกับโลหะ ในปี พ.ศ. 2309-2524 เฮนรี คาเวนดิชเป็นคนแรกที่รับรู้ว่าก๊าซไฮโดรเจนเป็นสารที่ไม่ต่อเนื่อง และจะผลิตน้ำเมื่อถูกเผา ด้วยเหตุนี้ชื่อของมัน: ไฮโดรเจนในภาษากรีกหมายถึง "ผู้ผลิตน้ำ" การผลิตไฮโดรเจนในภาคอุตสาหกรรมนั้นส่วนใหญ่เกี่ยวข้องกับการแปลงไอน้ำของก๊าซธรรมชาติ และบ่อยครั้งน้อยกว่า ด้วยวิธีการที่ใช้พลังงานมากกว่า เช่น อิเล็กโทรไลซิสในน้ำ ไฮโดรเจนส่วนใหญ่ถูกใช้ใกล้กับแหล่งที่ผลิต โดยมีการใช้สองแบบที่พบบ่อยที่สุดคือการแปรรูปเชื้อเพลิงฟอสซิล (เช่น การไฮโดรแคร็กกิ้ง) และการผลิตแอมโมเนีย สำหรับตลาดปุ๋ยเป็นหลัก ไฮโดรเจนเป็นปัญหาด้านโลหะวิทยาเนื่องจากสามารถเปราะโลหะได้หลายชนิด ทำให้ยากต่อการออกแบบท่อและถังเก็บ

คุณสมบัติ

การเผาไหม้

ก๊าซไฮโดรเจน (ไดไฮโดรเจนหรือโมเลกุลไฮโดรเจน) เป็นก๊าซไวไฟที่จะเผาไหม้ในอากาศในช่วงความเข้มข้นที่กว้างมาก ตั้งแต่ 4% ถึง 75% โดยปริมาตร เอนทาลปีของการเผาไหม้คือ 286 kJ/mol:

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

ก๊าซไฮโดรเจนสร้างสารผสมที่ระเบิดได้กับอากาศที่มีความเข้มข้นตั้งแต่ 4-74% และคลอรีนในระดับความเข้มข้นสูงถึง 5.95% ปฏิกิริยาการระเบิดอาจเกิดจากประกายไฟ ความร้อน หรือแสงแดด อุณหภูมิที่จุดติดไฟได้เองของไฮโดรเจน ซึ่งเป็นอุณหภูมิที่จุดติดไฟได้เองในอากาศคือ 500 °C (932 °F) เปลวไฟไฮโดรเจน-ออกซิเจนบริสุทธิ์ปล่อยรังสีอัลตราไวโอเลตและด้วยส่วนผสมของออกซิเจนสูงแทบจะมองไม่เห็นด้วยตาเปล่า ดังที่เห็นได้จากกลุ่มควันจางๆ ของเครื่องยนต์หลักของกระสวยอวกาศเมื่อเทียบกับขนนกที่มองเห็นได้ชัดเจนของตัวเร่งจรวดที่เป็นของแข็งของกระสวยอวกาศซึ่งใช้ แอมโมเนียมเปอร์คลอเรตคอมโพสิต อาจต้องใช้เครื่องตรวจจับเปลวไฟเพื่อตรวจจับการรั่วไหลของไฮโดรเจนที่เผาไหม้ การรั่วไหลดังกล่าวอาจเป็นอันตรายได้ เปลวไฟไฮโดรเจนภายใต้สภาวะอื่นๆ จะเป็นสีน้ำเงิน และคล้ายกับเปลวไฟสีน้ำเงินของก๊าซธรรมชาติ การจมของเรือเหาะ "ฮินเดนเบิร์ก" เป็นตัวอย่างที่โด่งดังของการเผาไหม้ไฮโดรเจน และคดีนี้ยังอยู่ในระหว่างการหารือ เปลวไฟสีส้มที่มองเห็นได้ในเหตุการณ์นี้เกิดจากการสัมผัสกับส่วนผสมของไฮโดรเจนและออกซิเจนรวมกับสารประกอบคาร์บอนจากผิวหนังของเรือเหาะ H2 ทำปฏิกิริยากับทุกองค์ประกอบออกซิไดซ์ ไฮโดรเจนสามารถทำปฏิกิริยาได้เองตามธรรมชาติที่อุณหภูมิห้องกับคลอรีนและฟลูออรีนเพื่อสร้างไฮโดรเจนเฮไลด์ ไฮโดรเจนคลอไรด์ และไฮโดรเจนฟลูออไรด์ที่สอดคล้องกัน ซึ่งเป็นกรดที่อาจเป็นอันตรายได้เช่นกัน

ระดับพลังงานอิเล็กตรอน

ระดับพลังงานสถานะพื้นดินของอิเล็กตรอนในอะตอมไฮโดรเจนคือ -13.6 eV ซึ่งเทียบเท่ากับโฟตอนอัลตราไวโอเลตที่มีความยาวคลื่นประมาณ 91 นาโนเมตร ระดับพลังงานของไฮโดรเจนสามารถคำนวณได้ค่อนข้างแม่นยำโดยใช้แบบจำลองอะตอมของบอร์ ซึ่งกำหนดแนวคิดของอิเล็กตรอนว่าเป็นโปรตอน "โคจร" คล้ายกับวงโคจรของโลกของดวงอาทิตย์ อย่างไรก็ตาม อิเล็กตรอนของอะตอมและโปรตอนถูกยึดเข้าด้วยกันโดยแรงแม่เหล็กไฟฟ้า ในขณะที่ดาวเคราะห์และวัตถุท้องฟ้าถูกยึดเข้าด้วยกันโดยแรงโน้มถ่วง เนื่องจากความไม่ต่อเนื่องของโมเมนตัมเชิงมุมที่ตั้งไว้ในช่วงต้น กลศาสตร์ควอนตัม Bohr อิเล็กตรอนในแบบจำลอง Bohr สามารถครอบครองระยะห่างที่อนุญาตจากโปรตอนได้ และด้วยเหตุนี้จึงมีเพียงพลังงานที่ยอมให้บางส่วนเท่านั้น คำอธิบายที่แม่นยำยิ่งขึ้นของอะตอมไฮโดรเจนมาจากการรักษาเชิงกลเชิงควอนตัมล้วนๆ ซึ่งใช้สมการชโรดิงเงอร์ สมการไดรัค หรือแม้แต่วงจรรวมของไฟน์แมนเพื่อคำนวณการกระจายความหนาแน่นของความน่าจะเป็นของอิเล็กตรอนรอบโปรตอน วิธีการประมวลผลที่ซับซ้อนที่สุดช่วยให้คุณได้เอฟเฟกต์เล็กน้อย ทฤษฎีพิเศษสัมพัทธภาพและโพลาไรซ์สูญญากาศ ในการตัดเฉือนด้วยควอนตัม อิเล็กตรอนในอะตอมไฮโดรเจนในสถานะพื้นดินไม่มีแรงบิดเลย แสดงให้เห็นว่า "วงโคจรของดาวเคราะห์" แตกต่างจากการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนอย่างไร

รูปแบบโมเลกุลเบื้องต้น

มีสปินไอโซเมอร์สองชนิดที่แตกต่างกันของโมเลกุลไฮโดรเจนไดอะตอมมิกซึ่งแตกต่างกันในการหมุนสัมพัทธ์ของนิวเคลียสของพวกมัน ในรูปแบบออร์โธไฮโดรเจน สปินของโปรตอนสองตัวจะขนานกันและสร้างสถานะแฝดสามด้วยเลขควอนตัมสปินของโมเลกุลเท่ากับ 1 (1/2 + 1/2) ในรูปแบบพาราไฮโดรเจน สปินจะต้านขนานกันและก่อตัวเป็นเสื้อกล้ามที่มีเลขควอนตัมสปินโมเลกุลเป็น 0 (1/2 1/2) ที่อุณหภูมิและความดันมาตรฐาน ก๊าซไฮโดรเจนมีประมาณ 25% ของรูปแบบพาราและ 75% ของรูปแบบออร์โธหรือที่เรียกว่า "รูปแบบปกติ" อัตราส่วนสมดุลของออร์โธไฮโดรเจนต่อพาราไฮโดรเจนขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ แต่เนื่องจากรูปแบบออร์โธเป็นสถานะตื่นเต้นและมีพลังงานที่สูงกว่ารูปแบบพารา จึงไม่เสถียรและไม่สามารถทำให้บริสุทธิ์ได้ ที่อุณหภูมิต่ำมาก สภาวะสมดุลประกอบด้วยรูปแบบพาราเกือบทั้งหมด คุณสมบัติทางความร้อนเฟสของเหลวและก๊าซของพาราไฮโดรเจนบริสุทธิ์แตกต่างอย่างมีนัยสำคัญจากคุณสมบัติของรูปแบบปกติ เนื่องจากความแตกต่างของความจุความร้อนแบบหมุนได้ ซึ่งจะมีการกล่าวถึงในรายละเอียดเพิ่มเติมในไอโซเมอร์สปินของไฮโดรเจน ความแตกต่างของออร์โธ/คู่ยังเกิดขึ้นในโมเลกุลหรือหมู่ฟังก์ชันอื่นๆ ที่ประกอบด้วยไฮโดรเจน เช่น น้ำและเมทิลีน แต่คุณสมบัติทางความร้อนของพวกมันมีนัยสำคัญเพียงเล็กน้อย interconversion ที่ไม่มีการเร่งปฏิกิริยาระหว่าง para และ ortho H2 จะเพิ่มขึ้นตามอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้น ดังนั้น H2 ที่ควบแน่นอย่างรวดเร็วประกอบด้วย ปริมาณมากรูปแบบมุมฉากพลังงานสูงซึ่งถูกแปลงเป็นรูปแบบพาราช้ามาก อัตราส่วนออร์โธ/พาราใน H2 แบบควบแน่นเป็นปัจจัยสำคัญในการเตรียมและการจัดเก็บไฮโดรเจนเหลว: การแปลงจากออร์โธเป็นพารานั้นใช้คายความร้อนและให้ความร้อนเพียงพอที่จะทำให้ของเหลวไฮโดรเจนบางส่วนกลายเป็นไอ ส่งผลให้สูญเสียวัสดุที่เป็นของเหลว ตัวเร่งปฏิกิริยาสำหรับการแปลงออร์โธ-พารา เช่น เหล็กออกไซด์ ถ่านกัมมันต์, แร่ใยหินชุบทองคำขาว, โลหะหายาก, สารประกอบยูเรเนียม, โครเมียมออกไซด์หรือสารประกอบนิกเกิลบางชนิดใช้ในการหล่อเย็นด้วยไฮโดรเจน

เฟส

ก๊าซไฮโดรเจน

ไฮโดรเจนเหลว

กากตะกอนไฮโดรเจน

ไฮโดรเจนที่เป็นของแข็ง

ไฮโดรเจนโลหะ

การเชื่อมต่อ

สารประกอบโควาเลนต์และอินทรีย์

แม้ว่า H2 จะไม่เกิดปฏิกิริยามากนักภายใต้สภาวะมาตรฐาน แต่ก็ก่อให้เกิดสารประกอบที่มีองค์ประกอบส่วนใหญ่ ไฮโดรเจนสามารถก่อรูปสารประกอบที่มีองค์ประกอบที่มีอิเล็กโตรเนกาติตีมากกว่า เช่น ฮาโลเจน (เช่น F, Cl, Br, I) หรือออกซิเจน ในสารประกอบเหล่านี้ ไฮโดรเจนจะมีประจุบวกบางส่วน เมื่อถูกพันธะกับฟลูออรีน ออกซิเจน หรือไนโตรเจน ไฮโดรเจนสามารถมีส่วนร่วมในรูปแบบของพันธะที่ไม่ใช่โควาเลนต์ที่มีกำลังปานกลางกับไฮโดรเจนของโมเลกุลอื่นๆ ที่คล้ายคลึงกัน ซึ่งเป็นปรากฏการณ์ที่เรียกว่าพันธะไฮโดรเจน ซึ่งมีความสำคัญต่อความเสถียรของโมเลกุลทางชีววิทยาจำนวนมาก ไฮโดรเจนยังสร้างสารประกอบที่มีองค์ประกอบอิเล็กโตรเนกาติตีน้อยกว่า เช่น โลหะและเมทัลลอยด์ ซึ่งจะมีประจุลบบางส่วน สารประกอบเหล่านี้มักเรียกว่าไฮไดรด์ ไฮโดรเจนสร้างสารประกอบหลายชนิดด้วยคาร์บอน เรียกว่าไฮโดรคาร์บอน และสารประกอบที่มีเฮเทอโรอะตอมที่หลากหลายยิ่งขึ้น ซึ่งเรียกว่าสารประกอบอินทรีย์เนื่องจากความสัมพันธ์ร่วมกันของพวกมันกับสิ่งมีชีวิต การศึกษาคุณสมบัติของพวกเขาคือ เคมีอินทรีย์และการศึกษาในบริบทของสิ่งมีชีวิตเรียกว่าชีวเคมี ตามคำจำกัดความบางอย่าง สารประกอบ "อินทรีย์" ต้องมีคาร์บอนเท่านั้น อย่างไรก็ตาม ส่วนใหญ่ยังมีไฮโดรเจนอยู่ด้วย และเนื่องจากเป็นพันธะคาร์บอนไฮโดรเจนที่ทำให้สารประกอบประเภทนี้มีลักษณะทางเคมีที่เฉพาะเจาะจงมาก จึงจำเป็นต้องมีพันธะคาร์บอนไฮโดรเจนในคำจำกัดความของคำว่า "อินทรีย์" ในวิชาเคมี รู้จักไฮโดรคาร์บอนหลายล้านชนิด และมักก่อตัวขึ้นจากเส้นทางสังเคราะห์ที่ซับซ้อนซึ่งไม่ค่อยเกี่ยวข้องกับธาตุไฮโดรเจน

ไฮไดรด์

สารประกอบไฮโดรเจนมักเรียกว่าไฮไดรด์ คำว่า "ไฮไดรด์" แสดงให้เห็นว่าอะตอม H ได้รับคุณลักษณะเชิงลบหรือประจุลบ ซึ่งแสดงเป็น H- และถูกใช้เมื่อไฮโดรเจนก่อตัวเป็นสารประกอบที่มีองค์ประกอบอิเล็กโตรโพซิทีฟมากกว่า การมีอยู่ของไอออนไฮไดรด์ซึ่งเสนอโดย Gilbert N. Lewis ในปี 1916 สำหรับไฮไดรด์ที่มีเกลือกลุ่มที่ 1 และ 2 แสดงให้เห็นโดย Moers ในปี 1920 โดยการแยกอิเล็กโทรไลซิสของลิเธียมไฮไดรด์หลอมเหลว (LiH) ซึ่งทำให้เกิดปริมาณไฮโดรเจนต่อแอโนด สำหรับไฮไดรด์ที่ไม่ใช่โลหะกลุ่ม 1 และ 2 คำนี้ทำให้เข้าใจผิดเนื่องจากไฮโดรเจนมีอิเล็กโตรเนกาติวีตี้ต่ำ ข้อยกเว้นในกลุ่ม 2 ไฮไดรด์คือ BeH2 ซึ่งเป็นโพลีเมอร์ ในลิเธียมอะลูมิเนียมไฮไดรด์ ประจุลบ AlH-4 จะนำศูนย์ไฮไดรด์ที่ติดอยู่กับ Al(III) อย่างแน่นหนา แม้ว่าไฮไดรด์สามารถก่อตัวในองค์ประกอบหลักเกือบทั้งหมด แต่จำนวนและการรวมกันของสารประกอบที่เป็นไปได้นั้นแตกต่างกันอย่างมาก ตัวอย่างเช่น ไบนารีบอเรนไฮไดรด์มากกว่า 100 ชนิดและอะลูมิเนียมไฮไดรด์ไบนารีเพียงตัวเดียวที่รู้จัก ยังไม่ได้ระบุอินเดียมไฮไดรด์ไบนารีแม้ว่าจะมีคอมเพล็กซ์ขนาดใหญ่อยู่ก็ตาม ในเคมีอนินทรีย์ ไฮไดรด์ยังสามารถทำหน้าที่เป็นตัวเชื่อมแกนด์ที่เชื่อมโยงศูนย์กลางโลหะสองแห่งในคอมเพล็กซ์การประสานงาน ฟังก์ชันนี้เป็นคุณลักษณะเฉพาะขององค์ประกอบกลุ่ม 13 โดยเฉพาะอย่างยิ่งในโบรอน (โบรอนไฮไดรด์) และอะลูมิเนียมเชิงซ้อน เช่นเดียวกับในคาร์บอนที่จัดกลุ่ม

โปรตอนและกรด

ออกซิเดชันของไฮโดรเจนจะดึงอิเล็กตรอนออกและให้ H+ ซึ่งไม่มีอิเล็กตรอนและไม่มีนิวเคลียส ซึ่งปกติแล้วจะประกอบด้วยโปรตอนเพียงตัวเดียว นี่คือสาเหตุที่ H+ มักถูกเรียกว่าโปรตอน มุมมองนี้เป็นศูนย์กลางของการอภิปรายเรื่องกรด ตามทฤษฎีของ Bronsted-Lowry กรดเป็นตัวให้โปรตอนและเบสเป็นตัวรับโปรตอน โปรตอนเปล่า H+ ไม่สามารถมีอยู่ในสารละลายหรือในผลึกไอออนิกได้เนื่องจากแรงดึงดูดที่ไม่อาจต้านทานต่ออะตอมหรือโมเลกุลอื่นๆ ที่มีอิเล็กตรอน ยกเว้นอุณหภูมิสูงที่เกี่ยวข้องกับพลาสม่า โปรตอนดังกล่าวไม่สามารถลบออกจากเมฆอิเล็กตรอนของอะตอมและโมเลกุลและจะยังคงติดอยู่กับพวกมัน อย่างไรก็ตาม คำว่า "โปรตอน" บางครั้งใช้เชิงเปรียบเทียบเพื่ออ้างถึงไฮโดรเจนที่มีประจุบวกหรือประจุบวกที่ติดอยู่กับสปีชีส์อื่นในลักษณะนี้ และตามที่ถูกกำหนดเป็น "H+" โดยไม่มีความหมายใดๆ ว่าโปรตอนแต่ละตัวมีอยู่อย่างอิสระในฐานะสปีชีส์ เพื่อหลีกเลี่ยงการปรากฏตัวของ "โปรตอนที่ถูกละลาย" ในสารละลาย บางครั้งสารละลายที่เป็นกรดอาจคิดว่ามีสปีชีส์ที่ไม่น่าจะเกิดขึ้นจริงที่เรียกว่า "ไฮโดรเนียมไอออน" (H 3 O+) อย่างไรก็ตาม แม้แต่ในกรณีนี้ ไฮโดรเจนไอออนบวกที่ถูกทำให้ละลายนั้นยังถูกมองว่าเป็นคลัสเตอร์ที่จัดเป็นระเบียบซึ่งก่อตัวเป็นสปีชีส์ใกล้กับ H 9O+4 ได้อย่างสมจริงมากขึ้น ออกโซเนียมไอออนจะพบเมื่อน้ำอยู่ในสารละลายที่เป็นกรดร่วมกับตัวทำละลายอื่นๆ แม้จะเป็นสิ่งแปลกใหม่บนโลก แต่ไอออนที่พบมากที่สุดชนิดหนึ่งในจักรวาลคือ H+3 ซึ่งรู้จักกันในชื่อไฮโดรเจนโมเลกุลที่โปรตอนหรือไตรไฮโดรเจนไอออนบวก

ไอโซโทป

ไฮโดรเจนมีไอโซโทปที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติสามไอโซโทป, ถูกกำหนดเป็น 1H, 2H และ 3H นิวเคลียสที่ไม่เสถียรสูงอื่นๆ (4H ถึง 7H) ถูกสังเคราะห์ขึ้นในห้องปฏิบัติการ แต่ยังไม่พบในธรรมชาติ 1H เป็นไอโซโทปที่พบบ่อยที่สุดของไฮโดรเจน โดยมีปริมาณมากกว่า 99.98% เนื่องจากนิวเคลียสของไอโซโทปนี้ประกอบด้วยโปรตอนเพียงตัวเดียว มันจึงได้รับชื่อที่เป็นทางการว่า protium ที่อธิบายแต่ไม่ค่อยได้ใช้ 2H ซึ่งเป็นไอโซโทปเสถียรอีกชนิดหนึ่งของไฮโดรเจน เรียกว่าดิวเทอเรียม และมีโปรตอนหนึ่งตัวและนิวตรอนหนึ่งตัวในนิวเคลียส เป็นที่เชื่อกันว่าดิวเทอเรียมทั้งหมดในจักรวาลเกิดขึ้นในช่วงบิกแบงและมีมาตั้งแต่ครั้งนั้นจนถึงปัจจุบัน ดิวเทอเรียมไม่ใช่ธาตุกัมมันตรังสีและไม่ก่อให้เกิดอันตรายต่อความเป็นพิษที่มีนัยสำคัญ น้ำที่อุดมด้วยโมเลกุลที่มีดิวเทอเรียมแทนไฮโดรเจนปกติเรียกว่าน้ำหนัก ดิวเทอเรียมและสารประกอบของดิวเทอเรียมถูกใช้เป็นฉลากที่ไม่มีกัมมันตภาพรังสีในการทดลองทางเคมีและในตัวทำละลายสำหรับ 1H-NMR สเปกโทรสโกปี น้ำที่มีน้ำหนักมากถูกใช้เป็นตัวหน่วงนิวตรอนและสารหล่อเย็นสำหรับเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ ดิวเทอเรียมยังเป็นเชื้อเพลิงที่มีศักยภาพสำหรับนิวเคลียร์ฟิวชันเชิงพาณิชย์อีกด้วย 3H เรียกว่าทริเทียม และมีโปรตอนหนึ่งตัวและนิวตรอนสองนิวตรอนในนิวเคลียส มีกัมมันตภาพรังสี สลายตัวเป็นฮีเลียม-3 ผ่านการสลายตัวแบบเบตา โดยมีครึ่งชีวิต 12.32 ปี มีกัมมันตภาพรังสีมากจนสามารถนำมาใช้ในสีเรืองแสงได้ ทำให้มีประโยชน์ในการทำนาฬิกาที่มีหน้าปัดเรืองแสง เป็นต้น กระจกป้องกันรังสีจำนวนเล็กน้อยจากการหลบหนี ทริเทียมจำนวนเล็กน้อยเกิดขึ้นตามธรรมชาติโดยปฏิกิริยาของรังสีคอสมิกกับก๊าซในชั้นบรรยากาศ ทริเทียมยังถูกปล่อยออกมาในระหว่างการทดสอบ อาวุธนิวเคลียร์. มันถูกใช้ในปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชันเป็นตัวบ่งชี้ของธรณีเคมีไอโซโทปและในอุปกรณ์ให้แสงสว่างที่ขับเคลื่อนด้วยตัวเองเฉพาะทาง ทริเทียมยังถูกใช้ในการทดลองการติดฉลากทางเคมีและชีวภาพเป็นฉลากกัมมันตภาพรังสี ไฮโดรเจนเป็นองค์ประกอบเดียวที่มีชื่อแตกต่างกันสำหรับไอโซโทปที่ใช้กันทั่วไปในปัจจุบัน ในระหว่างการศึกษากัมมันตภาพรังสีในระยะแรก ให้ไอโซโทปกัมมันตภาพรังสีหนักต่างๆ ชื่อของตัวเองแต่ชื่อดังกล่าวไม่ได้ใช้แล้ว ยกเว้นดิวเทอเรียมและทริเทียม สัญลักษณ์ D และ T (แทนที่จะเป็น 2H และ 3H) บางครั้งใช้สำหรับดิวเทอเรียมและไอโซโทป แต่สัญลักษณ์ที่สอดคล้องกันสำหรับโปรเทียม P ถูกใช้แล้วสำหรับฟอสฟอรัส ดังนั้นจึงไม่มีสำหรับโพรเทียม ในแนวทางการตั้งชื่อ International Union of Pure and Applied Chemistry อนุญาตให้ใช้สัญลักษณ์ใดก็ได้จาก D, T, 2H และ 3H แม้ว่า 2H และ 3H จะเป็นที่ต้องการมากกว่า อะตอมมิวเนียมที่แปลกใหม่ (สัญลักษณ์ Mu) ซึ่งประกอบด้วยแอนติมิวออนและอิเล็กตรอน บางครั้งก็ถือว่าเป็นไอโซโทปรังสีแสงของไฮโดรเจนด้วย เนื่องจากความแตกต่างของมวลระหว่างแอนติมิวออนและอิเล็กตรอน ซึ่งถูกค้นพบในปี 2503 ในช่วงอายุของมิวออน 2.2 μs มิวเนียมสามารถป้อนสารประกอบ เช่น มิวเนียม คลอไรด์ (MuCl) หรือโซเดียม มิวออน (NaMu) เช่นเดียวกับไฮโดรเจนคลอไรด์และโซเดียมไฮไดรด์ตามลำดับ

เรื่องราว

การค้นพบและการใช้งาน

ในปี ค.ศ. 1671 โรเบิร์ต บอยล์ ค้นพบและอธิบายปฏิกิริยาระหว่างตะไบเหล็กกับกรดเจือจางซึ่งส่งผลให้เกิดก๊าซไฮโดรเจน ในปี ค.ศ. 1766 เฮนรี คาเวนดิชเป็นคนแรกที่รู้จักก๊าซไฮโดรเจนว่าเป็นสารที่ไม่ต่อเนื่อง โดยตั้งชื่อแก๊สว่า "อากาศไวไฟ" เนื่องจากปฏิกิริยาของโลหะกับกรด เขาแนะนำว่า "อากาศไวไฟ" ที่จริงแล้วเหมือนกับสารสมมุติที่เรียกว่า "โฟลจิสตัน" และพบอีกครั้งในปี พ.ศ. 2324 ว่าก๊าซผลิตน้ำเมื่อถูกเผา เชื่อกันว่าเป็นผู้ค้นพบไฮโดรเจนเป็นธาตุ ในปี ค.ศ. 1783 Antoine Lavoisier ได้ตั้งชื่อธาตุว่าไฮโดรเจน (จากภาษากรีก ὑδρο-hydro แปลว่า "น้ำ" และ -γενής หมายถึง "ผู้สร้าง") เมื่อเขาและลาปลาซได้จำลองข้อมูลของคาเวนดิชว่าน้ำก่อตัวขึ้นเมื่อไฮโดรเจนถูกเผา Lavoisier ผลิตไฮโดรเจนเพื่อการอนุรักษ์การทดลองจำนวนมากโดยทำปฏิกิริยากับกระแสไอน้ำกับเหล็กที่เป็นโลหะผ่านหลอดไส้ซึ่งถูกทำให้ร้อนด้วยไฟ การเกิดออกซิเดชันแบบไม่ใช้ออกซิเจนของธาตุเหล็กโดยโปรตอนน้ำที่อุณหภูมิสูงสามารถแสดงเป็นแผนผังโดยชุดของปฏิกิริยาต่อไปนี้:

เฟ + H2O → เฟO + H2

2 Fe + 3 H2O → Fe2O3 + 3 H2

3 Fe + 4 H2O → Fe3O4 + 4 H2

โลหะหลายชนิด เช่น เซอร์โคเนียม ทำปฏิกิริยาคล้ายกับน้ำเพื่อผลิตไฮโดรเจน ไฮโดรเจนถูกทำให้เป็นของเหลวครั้งแรกโดย James Dewar ในปี 1898 โดยใช้เครื่องทำความเย็นแบบสร้างใหม่และการประดิษฐ์ของเขาคือกระติกน้ำสูญญากาศ ในปีต่อมา เขาผลิตไฮโดรเจนที่เป็นของแข็ง ดิวเทอเรียมถูกค้นพบในเดือนธันวาคม พ.ศ. 2474 โดยแฮโรลด์ อูเรย์ และไอโซโทปถูกเตรียมขึ้นในปี พ.ศ. 2477 โดยเออร์เนสต์ รัทเทอร์ฟอร์ด, มาร์ค โอลิแฟนต์ และพอล ฮาร์เตค น้ำที่หนักซึ่งประกอบด้วยดิวเทอเรียมแทนที่จะเป็นไฮโดรเจนธรรมดา ถูกค้นพบโดยกลุ่มของ Yurey ในปี 1932 François Isaac de Rivaz สร้างเครื่องยนต์ Rivaz ตัวแรก เครื่องยนต์ สันดาปภายในขับเคลื่อนด้วยไฮโดรเจนและออกซิเจนในปี พ.ศ. 2349 เอ็ดเวิร์ด แดเนียล คลาร์ก เป็นผู้ประดิษฐ์ท่อก๊าซไฮโดรเจนในปี พ.ศ. 2362 เหล็กกล้าของ Döbereiner (ไฟแช็กเต็มรูปแบบตัวแรก) ถูกประดิษฐ์ขึ้นในปี พ.ศ. 2366 บอลลูนไฮโดรเจนลูกแรกถูกประดิษฐ์ขึ้นโดย Jacques Charles ในปี ค.ศ. 1783 ไฮโดรเจนทำให้เกิดรูปแบบการจราจรทางอากาศที่เชื่อถือได้เป็นครั้งแรก หลังจากการประดิษฐ์เรือเหาะที่ยกไฮโดรเจนขึ้นครั้งแรกของ Henri Giffard ในปี พ.ศ. 2395 เคานต์เฟอร์ดินานด์ ฟอน เซพพลินชาวเยอรมันสนับสนุนแนวคิดเรื่องเรือบินแข็งที่ยกขึ้นไปในอากาศด้วยไฮโดรเจน ซึ่งต่อมาเรียกว่า เซปเปลินส์ ครั้งแรกของสิ่งเหล่านี้บินเป็นครั้งแรกในปี 1900 เที่ยวบินตามตารางปกติเริ่มขึ้นในปี 2453 และจากการระบาดของสงครามโลกครั้งที่ 1 ในเดือนสิงหาคม พ.ศ. 2457 ผู้โดยสารได้บรรทุกผู้โดยสาร 35,000 คนโดยไม่มีเหตุการณ์สำคัญ ในช่วงสงคราม เรือเหาะไฮโดรเจนถูกใช้เป็นฐานสังเกตการณ์และเครื่องบินทิ้งระเบิด เที่ยวบินข้ามมหาสมุทรแอตแลนติกแบบไม่แวะพักครั้งแรกสร้างขึ้นโดยเรือเหาะอังกฤษ R34 ในปี 1919 การให้บริการผู้โดยสารตามปกติกลับมาให้บริการอีกครั้งในปี ค.ศ. 1920 และการค้นพบแหล่งสำรองฮีเลียมในสหรัฐอเมริกาควรปรับปรุงความปลอดภัยในการบิน แต่รัฐบาลสหรัฐฯ ปฏิเสธที่จะขายก๊าซเพื่อการนี้ ดังนั้น H2 จึงถูกใช้ในเรือเหาะฮินเดนเบิร์ก ซึ่งถูกทำลายใน มิลานไฟไหม้ในรัฐนิวเจอร์ซีย์ 6 พฤษภาคม 2480 เหตุการณ์ถูกถ่ายทอดสดทางวิทยุและเทปวิดีโอ สันนิษฐานกันอย่างกว้างขวางว่าสาเหตุของการจุดระเบิดเกิดจากไฮโดรเจนรั่ว อย่างไรก็ตาม การวิจัยในภายหลังระบุว่าสารเคลือบผ้าอะลูมิไนซ์ถูกจุดไฟโดยไฟฟ้าสถิต แต่ถึงเวลานี้ ชื่อเสียงของไฮโดรเจนในฐานะแก๊สยกได้รับความเสียหายแล้ว ในปีเดียวกันนั้นเอง เทอร์โบเจนเนอเรเตอร์ที่ระบายความร้อนด้วยไฮโดรเจนเครื่องแรกที่มีก๊าซไฮโดรเจนในขณะที่สารหล่อเย็นในโรเตอร์และสเตเตอร์เริ่มทำงานในปี 1937 ในเมืองเดย์ตัน รัฐโอไฮโอ โดยบริษัท Dayton Power & Light Co; เนื่องจากการนำความร้อนของก๊าซไฮโดรเจน ทำให้ก๊าซนี้เป็นก๊าซที่ใช้กันทั่วไปมากที่สุดในปัจจุบัน แบตเตอรี่นิกเกิล-ไฮโดรเจนถูกใช้ครั้งแรกในปี 1977 บนเรือ US Navigation Technology Satellite 2 (NTS-2) ISS, Mars Odyssey และ Mars Global Surveyor ติดตั้งแบตเตอรี่นิกเกิล-ไฮโดรเจน ในส่วนมืดของวงโคจรของมัน กล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิลยังใช้พลังงานจากแบตเตอรี่นิกเกิล-ไฮโดรเจน ซึ่งในที่สุดก็ถูกแทนที่ในเดือนพฤษภาคม 2552 มากกว่า 19 ปีหลังจากการเปิดตัวและ 13 ปีหลังจากที่ได้รับการออกแบบ

บทบาทในทฤษฎีควอนตัม

เนื่องจากโครงสร้างอะตอมที่เรียบง่ายของมันมีเพียงโปรตอนและอิเล็กตรอน อะตอมของไฮโดรเจนพร้อมกับสเปกตรัมของแสงที่สร้างขึ้นจากหรือดูดซับโดยมัน จึงเป็นหัวใจสำคัญของการพัฒนาทฤษฎีโครงสร้างอะตอม นอกจากนี้ การศึกษาความเรียบง่ายที่สอดคล้องกันของโมเลกุลไฮโดรเจนและไอออนบวก H+2 ที่สอดคล้องกันทำให้เกิดความเข้าใจเกี่ยวกับธรรมชาติของพันธะเคมี ซึ่งตามมาภายหลังการบำบัดทางกายภาพของอะตอมไฮโดรเจนในกลศาสตร์ควอนตัมในกลางปี ​​2020 ผลกระทบควอนตัมแรกที่สังเกตเห็นได้ชัด (แต่ไม่เข้าใจในขณะนั้น) คือการสังเกตของแมกซ์เวลล์ที่เกี่ยวข้องกับไฮโดรเจนครึ่งศตวรรษก่อนที่จะมีทฤษฎีกลควอนตัมเต็มรูปแบบ Maxwell ตั้งข้อสังเกตว่า ความร้อนจำเพาะ H2 แยกออกจากก๊าซไดอะตอมมิกอย่างถาวรที่อุณหภูมิต่ำกว่าอุณหภูมิห้อง และเริ่มมีลักษณะคล้ายกับความจุความร้อนจำเพาะของก๊าซโมโนมิกที่อุณหภูมิห้องเย็นจัดมากขึ้นเรื่อยๆ ตาม ทฤษฎีควอนตัมพฤติกรรมนี้เกิดจากการเว้นระยะห่างของระดับพลังงานการหมุน (เชิงปริมาณ) ซึ่งเว้นระยะอย่างกว้างขวางโดยเฉพาะอย่างยิ่งใน H2 เนื่องจากมีมวลต่ำ ระดับที่เว้นระยะห่างกันอย่างกว้างขวางเหล่านี้ป้องกันไม่ให้มีการแบ่งพลังงานความร้อนออกเป็นการเคลื่อนที่แบบหมุนในไฮโดรเจนที่อุณหภูมิต่ำ ก๊าซไดอะตอมซึ่งประกอบด้วยอะตอมที่หนักกว่าไม่มีระดับที่เว้นระยะห่างกันมากนักและไม่แสดงผลเช่นเดียวกัน แอนติไฮโดรเจนเป็นแอนะล็อกต้านวัตถุของไฮโดรเจน ประกอบด้วยแอนติโปรตอนกับโพซิตรอน แอนติไฮโดรเจนเป็นอะตอมของปฏิสสารชนิดเดียวที่ได้รับในปี 2558

อยู่ในธรรมชาติ

ไฮโดรเจนเป็นองค์ประกอบทางเคมีที่มีมากที่สุดในจักรวาล คิดเป็น 75% ของสสารปกติโดยมวล และมากกว่า 90% ตามจำนวนอะตอม (อย่างไรก็ตาม มวลส่วนใหญ่ของเอกภพไม่ได้อยู่ในรูปแบบของสิ่งนี้ องค์ประกอบทางเคมีแต่คิดว่ายังมีรูปแบบของมวลที่ยังไม่ถูกค้นพบ เช่น สสารมืดและพลังงานมืด) องค์ประกอบนี้พบมากในดาวฤกษ์และก๊าซยักษ์ เมฆโมเลกุล H2 สัมพันธ์กับการก่อตัวดาวฤกษ์ ไฮโดรเจนมีบทบาทสำคัญในการเปลี่ยนดาวผ่านปฏิกิริยาโปรตอน-โปรตอนและนิวเคลียสฟิวชันของวัฏจักร CNO ทั่วโลก ไฮโดรเจนเกิดขึ้นส่วนใหญ่ในสถานะของอะตอมและพลาสมา โดยมีคุณสมบัติค่อนข้างแตกต่างจากไฮโดรเจนระดับโมเลกุล ในฐานะพลาสมา อิเล็กตรอนและโปรตอนของไฮโดรเจนจะไม่จับกัน ส่งผลให้มีค่าการนำไฟฟ้าสูงมากและการแผ่รังสีสูง (สร้างแสงจากดวงอาทิตย์และดาวฤกษ์อื่นๆ) อนุภาคที่มีประจุจะได้รับผลกระทบอย่างมากจากสนามแม่เหล็กและสนามไฟฟ้า ตัวอย่างเช่น ในลมสุริยะ พวกมันมีปฏิสัมพันธ์กับสนามแม่เหล็กของโลก ทำให้เกิดกระแสน้ำ Birkeland และแสงออโรร่า ไฮโดรเจนอยู่ในสถานะอะตอมเป็นกลางในตัวกลางระหว่างดวงดาว ไฮโดรเจนที่เป็นกลางจำนวนมากที่พบในระบบลิมัน-อัลฟาที่ลุกลามเป็นที่เชื่อกันว่ามีอิทธิพลเหนือความหนาแน่นแบริออนของจักรวาลในเอกภพจนถึงการเปลี่ยนแปลงสีแดง z = 4 ภายใต้สภาวะปกติบนโลก ธาตุไฮโดรเจนมีอยู่ในรูปของก๊าซไดอะตอมมิก H2 อย่างไรก็ตาม ก๊าซไฮโดรเจนมีน้อยมากในชั้นบรรยากาศของโลก (1 ppm โดยปริมาตร) เนื่องจาก น้ำหนักเบาซึ่งช่วยให้เอาชนะแรงโน้มถ่วงของโลกได้ง่ายกว่าก๊าซที่หนักกว่า อย่างไรก็ตาม ไฮโดรเจนเป็นธาตุที่มีมากเป็นอันดับสามบนพื้นผิวโลก โดยหลักๆ แล้วจะอยู่ในรูปของสารประกอบทางเคมี เช่น ไฮโดรคาร์บอนและน้ำ ก๊าซไฮโดรเจนผลิตโดยแบคทีเรียและสาหร่ายบางชนิด และเป็นส่วนประกอบตามธรรมชาติของฟลุต เช่นเดียวกับมีเทน ซึ่งเป็นแหล่งไฮโดรเจนที่สำคัญมากขึ้นเรื่อยๆ รูปแบบโมเลกุลที่เรียกว่าโปรตอนโมเลกุลไฮโดรเจน (H+3) พบในตัวกลางระหว่างดวงดาว ซึ่งเกิดจากการแตกตัวเป็นไอออนของโมเลกุลไฮโดรเจนจากรังสีคอสมิก ไอออนที่มีประจุนี้ยังถูกพบในชั้นบรรยากาศชั้นบนของดาวพฤหัสบดีด้วย ไอออนค่อนข้างเสถียรใน สิ่งแวดล้อมเนื่องจากอุณหภูมิและความหนาแน่นต่ำ H+3 เป็นไอออนที่มีมากที่สุดแห่งหนึ่งในจักรวาล และมีบทบาทสำคัญในเคมีของสสารในอวกาศ ไฮโดรเจนไตรอะตอมเป็นกลาง H3 สามารถมีอยู่ได้เฉพาะในรูปแบบที่ถูกกระตุ้นและไม่เสถียร ในทางตรงกันข้าม โมเลกุลไฮโดรเจนไอออนบวก (H+2) เป็นโมเลกุลที่หายากในจักรวาล

การผลิตไฮโดรเจน

H2 ถูกผลิตขึ้นในห้องปฏิบัติการทางเคมีและชีวภาพ ซึ่งมักเป็นผลพลอยได้จากปฏิกิริยาอื่นๆ ในอุตสาหกรรมสำหรับการเติมไฮโดรเจนของพื้นผิวที่ไม่อิ่มตัว และในธรรมชาติเป็นวิธีการแทนที่การรีดิวซ์ที่เทียบเท่าในปฏิกิริยาทางชีวเคมี

การปฏิรูประบบไอน้ำ

ไฮโดรเจนสามารถผลิตได้หลายวิธี แต่กระบวนการที่สำคัญที่สุดในเชิงเศรษฐศาสตร์นั้นเกี่ยวข้องกับการกำจัดไฮโดรเจนออกจากไฮโดรคาร์บอน เนื่องจากการผลิตไฮโดรเจนประมาณ 95% ในปี 2543 มาจากการปฏิรูปด้วยไอน้ำ ในเชิงพาณิชย์ ไฮโดรเจนปริมาณมากมักจะถูกผลิตขึ้นโดยการปฏิรูปไอน้ำของก๊าซธรรมชาติ ที่ อุณหภูมิสูง(1000-1400 K, 700-1100 °C หรือ 1300-2000 °F) ไอน้ำ (ไอน้ำ) ทำปฏิกิริยากับมีเทนเพื่อผลิตคาร์บอนมอนอกไซด์และ H2

CH4 + H2O → CO + 3 H2

ปฏิกิริยานี้ทำงานได้ดีที่สุดที่ความดันต่ำ แต่ยังสามารถดำเนินการได้ที่แรงดันสูง (2.0 MPa, 20 atm หรือ 600 นิ้วของปรอท) เนื่องจากแรงดันสูง H2 เป็นผลิตภัณฑ์ยอดนิยมและระบบทำความสะอาดด้วยความร้อนยวดยิ่งด้วยแรงดันจะทำงานได้ดีกว่าที่แรงดันที่สูงขึ้น ส่วนผสมของผลิตภัณฑ์เรียกว่า "ก๊าซสังเคราะห์" เนื่องจากมักใช้โดยตรงเพื่อผลิตเมทานอลและสารประกอบที่เกี่ยวข้อง ไฮโดรคาร์บอนอื่นที่ไม่ใช่มีเทนสามารถใช้ในการผลิตก๊าซสังเคราะห์ที่มีอัตราส่วนผลิตภัณฑ์ต่างๆ หนึ่งในความยุ่งยากมากมายของเทคโนโลยีที่ปรับให้เหมาะสมที่สุดนี้คือการก่อตัวของโค้กหรือคาร์บอน:

CH4 → C + 2 H2

ดังนั้น การปฏิรูปไอน้ำมักจะใช้ H2O มากเกินไป สามารถกู้คืนไฮโดรเจนเพิ่มเติมจากไอน้ำโดยใช้คาร์บอนมอนอกไซด์ผ่านปฏิกิริยาการเปลี่ยนแก๊สในน้ำ โดยเฉพาะอย่างยิ่งการใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาไอรอนออกไซด์ ปฏิกิริยานี้ยังเป็นแหล่งอุตสาหกรรมทั่วไปของคาร์บอนไดออกไซด์:

CO + H2O → CO2 + H2

วิธีการที่สำคัญอื่นๆ สำหรับ H2 ได้แก่ การเกิดออกซิเดชันบางส่วนของไฮโดรคาร์บอน:

2 CH4 + O2 → 2 CO + 4 H2

และปฏิกิริยาถ่านหินซึ่งสามารถทำหน้าที่เป็นโหมโรงของปฏิกิริยากะดังที่อธิบายไว้ข้างต้น:

C + H2O → CO + H2

บางครั้งไฮโดรเจนถูกผลิตและบริโภคในกระบวนการทางอุตสาหกรรมเดียวกันโดยไม่มีการแยกส่วน ในกระบวนการ Haber สำหรับการผลิตแอมโมเนีย ไฮโดรเจนถูกสร้างขึ้นจากก๊าซธรรมชาติ อิเล็กโทรไลซิสของสารละลายเกลือเพื่อผลิตคลอรีนยังผลิตไฮโดรเจนเป็นผลพลอยได้

กรดโลหะ

ในห้องปฏิบัติการ H2 มักจะทำโดยการทำปฏิกิริยากรดที่ไม่ออกซิไดซ์เจือจางกับโลหะที่ทำปฏิกิริยาบางชนิด เช่น สังกะสีด้วยอุปกรณ์ Kipp

Zn + 2 H + → Zn2 + + H2

อะลูมิเนียมสามารถผลิต H2 ได้เมื่อเคลือบด้วยฐาน:

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

อิเล็กโทรไลซิสในน้ำเป็นวิธีง่ายๆ ในการผลิตไฮโดรเจน กระแสไฟแรงดันต่ำไหลผ่านน้ำและก๊าซออกซิเจนจะถูกสร้างขึ้นที่ขั้วบวก ในขณะที่ก๊าซไฮโดรเจนจะถูกสร้างขึ้นที่ขั้วลบ โดยปกติแคโทดจะทำจากแพลตตินั่มหรือโลหะเฉื่อยอื่นในการผลิตไฮโดรเจนสำหรับการจัดเก็บ อย่างไรก็ตาม หากต้องเผาแก๊สในแหล่งกำเนิด ควรมีออกซิเจนเพื่อส่งเสริมการเผาไหม้ ดังนั้นอิเล็กโทรดทั้งสองจะทำจากโลหะเฉื่อย (เช่น เหล็กออกซิไดซ์ ดังนั้นจึงลดปริมาณออกซิเจนที่ปล่อยออกมา) ประสิทธิภาพสูงสุดตามทฤษฎี (ไฟฟ้าที่ใช้สัมพันธ์กับค่าพลังงานของไฮโดรเจนที่ผลิตได้) อยู่ในช่วง 80-94%

2 H2O (L) → 2 H2 (g) + O2 (g)

โลหะผสมของอลูมิเนียมและแกลเลียมในรูปของเม็ดที่เติมลงในน้ำสามารถนำมาใช้เพื่อผลิตไฮโดรเจนได้ กระบวนการนี้ยังผลิตอลูมินา แต่แกลเลียมราคาแพงซึ่งป้องกันไม่ให้ผิวออกไซด์ก่อตัวบนเม็ดสามารถนำกลับมาใช้ใหม่ได้ สิ่งนี้มีนัยสำคัญที่อาจเกิดขึ้นต่อเศรษฐศาสตร์ของไฮโดรเจน เนื่องจากสามารถผลิตไฮโดรเจนได้ในท้องถิ่นและไม่จำเป็นต้องขนส่ง

คุณสมบัติทางเทอร์โมเคมี

มีวงจรเทอร์โมเคมีมากกว่า 200 รอบที่สามารถใช้แยกน้ำได้ ประมาณสิบรอบของวัฏจักรเหล่านี้ เช่น วัฏจักรของเหล็กออกไซด์ วัฏจักรซีเรียม (IV) วัฏจักรซีเรียม (III) ออกไซด์ วัฏจักรของสังกะสี-สังกะสี วัฏจักร วัฏจักรกำมะถันไอโอดีน วัฏจักรทองแดง วัฏจักรคลอรีนและกำมะถัน อยู่ระหว่างการวิจัยและทดสอบเพื่อผลิตไฮโดรเจนและออกซิเจนจากน้ำและความร้อนโดยไม่ต้องใช้ไฟฟ้า ห้องปฏิบัติการจำนวนหนึ่ง (รวมถึงห้องปฏิบัติการในฝรั่งเศส เยอรมนี กรีซ ญี่ปุ่น และสหรัฐอเมริกา) กำลังพัฒนาวิธีเทอร์โมเคมีเพื่อผลิตไฮโดรเจนจากพลังงานแสงอาทิตย์และน้ำ

การกัดกร่อนแบบไม่ใช้ออกซิเจน

ภายใต้สภาวะที่ไม่ใช้ออกซิเจน เหล็กและโลหะผสมของเหล็กจะถูกออกซิไดซ์อย่างช้าๆ โดยโปรตอนน้ำในขณะที่ลดลงในโมเลกุลไฮโดรเจน (H2) การกัดกร่อนแบบไม่ใช้ออกซิเจนของเหล็กทำให้เกิดการก่อตัวของเหล็กไฮดรอกไซด์ (สนิมสีเขียว) ก่อน และสามารถอธิบายได้ด้วยปฏิกิริยาต่อไปนี้: Fe + 2 H2O → Fe (OH) 2 + H2 ในทางกลับกัน ภายใต้สภาวะไร้อากาศ ไอรอนไฮดรอกไซด์ (Fe (OH) 2) สามารถถูกออกซิไดซ์โดยโปรตอนน้ำเพื่อสร้างแมกนีไทต์และโมเลกุลไฮโดรเจน กระบวนการนี้อธิบายโดยปฏิกิริยาของชิคอร์รา: 3 Fe (OH) 2 → Fe3O4 + 2 H2O + H2 เหล็กไฮดรอกไซด์ → แมกนีเซียม + น้ำ + ไฮโดรเจน แมกนีไทต์ที่ตกผลึกอย่างดี (Fe3O4) มีความเสถียรทางเทอร์โมไดนามิกมากกว่าไอรอนไฮดรอกไซด์ (Fe(OH)2) กระบวนการนี้เกิดขึ้นระหว่างการกัดกร่อนแบบไม่ใช้ออกซิเจนของเหล็กและเหล็กกล้าในสภาวะที่ไม่เป็นพิษ น้ำบาดาลและเมื่อฟื้นฟูดินที่ต่ำกว่าระดับน้ำใต้ดิน

แหล่งกำเนิดทางธรณีวิทยา: ปฏิกิริยากลับกลอก

ในกรณีที่ไม่มีออกซิเจน (O2) ในระดับลึก สภาพทางธรณีวิทยาไฮโดรเจน (H2) ซึ่งอยู่ห่างไกลจากชั้นบรรยากาศของโลกนั้นก่อตัวขึ้นในกระบวนการเซอร์เพนทิไนเซชันโดยออกซิเดชันแบบไม่ใช้ออกซิเจนโดยโปรตอนน้ำ (H+) ของเหล็กซิลิเกต (Fe2 +) ที่มีอยู่ในตะแกรงผลึกของฟายาไลท์ (Fe2SiO4, แร่เหล็กโอลิวีน) . ปฏิกิริยาที่สอดคล้องกันซึ่งนำไปสู่การก่อตัวของแมกนีไทต์ (Fe3O4) ควอตซ์ (SiO2) และไฮโดรเจน (H2): 3Fe2SiO4 + 2 H2O → 2 Fe3O4 + 3 SiO2 + 3 H2 ฟายาไลท์ + น้ำ → แมกนีไทต์ + ควอตซ์ + ไฮโดรเจน ปฏิกิริยานี้ใกล้เคียงกับปฏิกิริยาของชิคอร์ราที่สังเกตพบในการออกซิเดชันแบบไม่ใช้ออกซิเจนของไอรอนไฮดรอกไซด์เมื่อสัมผัสกับน้ำ

การก่อตัวในหม้อแปลง

จากก๊าซอันตรายทั้งหมดที่ผลิตในหม้อแปลงไฟฟ้า ไฮโดรเจนเป็นก๊าซที่พบได้บ่อยที่สุดและเกิดขึ้นจากข้อบกพร่องส่วนใหญ่ ดังนั้นการก่อตัวของไฮโดรเจนจึงเป็นสัญญาณเริ่มต้นของปัญหาร้ายแรงในวงจรชีวิตของหม้อแปลงไฟฟ้า

แอปพลิเคชั่น

การบริโภคในกระบวนการต่างๆ

จำเป็นต้องใช้ H2 จำนวนมากในอุตสาหกรรมปิโตรเลียมและเคมี การใช้ H2 มากที่สุดคือการแปรรูป ("การอัพเกรด") ของเชื้อเพลิงฟอสซิลและสำหรับการผลิตแอมโมเนีย ในโรงงานปิโตรเคมี H2 ถูกใช้ในการทำไฮโดรดีอัลคิเลชัน ไฮโดรดีซัลเฟอร์ไรเซชัน และไฮโดรแคร็กกิ้ง H2 มีการใช้งานที่สำคัญอื่นๆ อีกหลายประการ H2 ใช้เป็นสารเติมไฮโดรเจน โดยเฉพาะอย่างยิ่งเพื่อเพิ่มระดับความอิ่มตัวของไขมันและน้ำมันไม่อิ่มตัว (ที่พบในรายการต่างๆ เช่น มาการีน) และในการผลิตเมทานอล นอกจากนี้ยังเป็นแหล่งของไฮโดรเจนในการผลิตกรดไฮโดรคลอริก H2 ยังใช้เป็นสารรีดิวซ์สำหรับแร่โลหะ ไฮโดรเจนสามารถละลายได้สูงในแรร์เอิร์ธและโลหะทรานซิชันหลายชนิด และสามารถละลายได้ทั้งในโลหะนาโนคริสตัลไลน์และโลหะอสัณฐาน ความสามารถในการละลายของไฮโดรเจนในโลหะขึ้นอยู่กับการบิดเบือนหรือสิ่งเจือปนในท้องถิ่นในโครงผลึก สิ่งนี้มีประโยชน์เมื่อไฮโดรเจนถูกทำให้บริสุทธิ์โดยผ่านแผ่นแพลเลเดียมที่ร้อน แต่ความสามารถในการละลายสูงของก๊าซเป็นปัญหาทางโลหะวิทยาที่ทำให้โลหะจำนวนมากเปราะ ซึ่งทำให้การออกแบบท่อและถังเก็บยุ่งยากซับซ้อน นอกจากจะใช้เป็นรีเอเจนต์แล้ว H2 ยังมีการใช้งานที่หลากหลายในด้านฟิสิกส์และวิศวกรรมอีกด้วย มันถูกใช้เป็นก๊าซป้องกันในวิธีการเชื่อมเช่นการเชื่อมอะตอมไฮโดรเจน H2 ใช้เป็นสารหล่อเย็นโรเตอร์ในเครื่องกำเนิดไฟฟ้าในโรงไฟฟ้า เนื่องจากมีค่าการนำความร้อนสูงสุดเท่าก๊าซใดๆ ของเหลว H2 ใช้ในการวิจัยที่อุณหภูมิต่ำ รวมทั้งการวิจัยเกี่ยวกับการนำยิ่งยวด เนื่องจาก H2 มีน้ำหนักเบากว่าอากาศ ที่ความหนาแน่นของอากาศเพียง 1/14 เท่านั้น จึงเคยถูกใช้อย่างแพร่หลายในฐานะที่เป็นแก๊สสำหรับยกของในบอลลูนและเรือบิน ในการใช้งานที่ใหม่กว่านั้น ไฮโดรเจนถูกใช้อย่างเรียบร้อยหรือผสมกับไนโตรเจน (บางครั้งเรียกว่าแก๊สขึ้นรูป) เป็นก๊าซตามรอยสำหรับการตรวจจับการรั่วไหลทันที ไฮโดรเจนใช้ในอุตสาหกรรมยานยนต์ เคมี พลังงาน อวกาศและโทรคมนาคม ไฮโดรเจนเป็นวัตถุเจือปนอาหารที่ได้รับอนุญาต (E 949) ซึ่งช่วยให้สามารถทดสอบการรั่วซึมของอาหาร รวมถึงคุณสมบัติต้านอนุมูลอิสระอื่นๆ ไอโซโทปที่หายากของไฮโดรเจนก็มีการใช้งานเฉพาะเช่นกัน ดิวเทอเรียม (ไฮโดรเจน-2) ถูกใช้ในการใช้งานนิวเคลียร์ฟิชชันในฐานะตัวหน่วงนิวตรอนช้าและในปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชัน สารประกอบดิวเทอเรียมใช้ในด้านเคมีและชีววิทยาในการศึกษาผลกระทบของไอโซโทปของปฏิกิริยา ทริเทียม (ไฮโดรเจน-3) ที่ผลิตในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ ใช้ในการผลิตระเบิดไฮโดรเจน เป็นเครื่องหมายไอโซโทปในวิทยาศาสตร์ชีวภาพ และเป็นแหล่งรังสีในสีเรืองแสง อุณหภูมิจุดสามจุดของไฮโดรเจนที่สมดุลเป็นจุดคงที่ที่กำหนดในระดับอุณหภูมิ ITS-90 ที่ 13.8033 เคลวิน

สื่อทำความเย็น

โดยทั่วไปจะใช้ไฮโดรเจนในโรงไฟฟ้าเป็นสารทำความเย็นในเครื่องกำเนิดไฟฟ้า เนื่องจากมีคุณสมบัติที่ดีหลายประการซึ่งเป็นผลมาจากโมเลกุลไดอะตอมมิกแบบเบาโดยตรง ซึ่งรวมถึงความหนาแน่นต่ำ ความหนืดต่ำ และความจุความร้อนจำเพาะสูงสุดและการนำความร้อนของก๊าซใดๆ

ผู้ให้บริการพลังงาน

ไฮโดรเจนไม่ใช่แหล่งพลังงาน ยกเว้นในบริบทเชิงสมมุติฐานของโรงไฟฟ้าพลังงานฟิวชันเชิงพาณิชย์โดยใช้ดิวเทอเรียมหรือทริเทียม ซึ่งเป็นเทคโนโลยีที่ปัจจุบันยังห่างไกลจากการพัฒนา พลังงานของดวงอาทิตย์มาจากนิวเคลียร์ฟิวชันของไฮโดรเจน แต่กระบวนการนี้ทำได้ยากบนโลก ธาตุไฮโดรเจนจากแหล่งพลังงานแสงอาทิตย์ ชีวภาพ หรือไฟฟ้าต้องการพลังงานในการผลิตมากกว่าที่ใช้ในการเผาไหม้ ดังนั้นในกรณีเหล่านี้ ไฮโดรเจนจะทำหน้าที่เป็นพาหะพลังงาน คล้ายกับแบตเตอรี่ ไฮโดรเจนสามารถหาได้จากแหล่งฟอสซิล (เช่น มีเทน) แต่แหล่งเหล่านี้จะหมดไป ความหนาแน่นของพลังงานต่อหน่วยปริมาตรของทั้งไฮโดรเจนเหลวและก๊าซไฮโดรเจนอัดที่ความดันใดๆ ก็ตามที่ทำได้จริงจะน้อยกว่าแหล่งพลังงานทั่วไปอย่างมาก แม้ว่าความหนาแน่นของพลังงานต่อหน่วยมวลของเชื้อเพลิงจะสูงกว่าก็ตาม อย่างไรก็ตาม ธาตุไฮโดรเจนได้รับการกล่าวถึงอย่างกว้างขวางในบริบทของพลังงานในฐานะตัวพาพลังงานที่เป็นไปได้ทั่วทั้งเศรษฐกิจในอนาคต ตัวอย่างเช่น การกักเก็บ CO2 ตามด้วยการดักจับและกักเก็บคาร์บอนสามารถทำได้ ณ จุดผลิต H2 จากเชื้อเพลิงฟอสซิล ไฮโดรเจนที่ใช้ในการขนส่งจะเผาไหม้ค่อนข้างหมดจด โดยมีการปล่อย NOx บางส่วน แต่ไม่มีการปล่อยคาร์บอน อย่างไรก็ตาม ต้นทุนโครงสร้างพื้นฐานที่เกี่ยวข้องกับการแปลงเศรษฐกิจไฮโดรเจนอย่างเต็มรูปแบบจะมีนัยสำคัญ เซลล์เชื้อเพลิงสามารถเปลี่ยนไฮโดรเจนและออกซิเจนให้เป็นไฟฟ้าได้โดยตรงอย่างมีประสิทธิภาพมากกว่าเครื่องยนต์สันดาปภายใน

อุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์

ไฮโดรเจนถูกใช้เพื่อทำให้พันธะที่ห้อยต่องแต่งของซิลิกอนอสัณฐานและคาร์บอนอสัณฐานอิ่มตัว ซึ่งช่วยให้คุณสมบัติของวัสดุมีเสถียรภาพ นอกจากนี้ยังเป็นผู้ให้อิเล็กตรอนที่มีศักยภาพในวัสดุออกไซด์ต่างๆ ได้แก่ ZnO, SnO2, CdO, MgO, ZrO2, HfO2, La2O3, Y2O3, TiO2, SrTiO3, LaAlO3, SiO2, Al2O3, ZrSiO4, HfSiO4 และ SrZrO3

ปฏิกิริยาทางชีวภาพ

H2 เป็นผลิตภัณฑ์ของการเผาผลาญแบบไม่ใช้ออกซิเจนและผลิตโดยจุลินทรีย์หลายชนิด มักจะผ่านปฏิกิริยาที่เร่งปฏิกิริยาด้วยธาตุเหล็กหรือนิกเกิลที่มีเอนไซม์ที่เรียกว่าไฮโดรเจนเนส เอนไซม์เหล่านี้กระตุ้นปฏิกิริยารีดอกซ์แบบย้อนกลับได้ระหว่าง H2 กับโปรตอนสองตัวและส่วนประกอบอิเล็กตรอนสองตัว การสร้างก๊าซไฮโดรเจนเกิดขึ้นจากการถ่ายโอนสารที่เทียบเท่ากับการรีดิวซ์ที่เกิดจากการหมักไพรูเวตสู่น้ำ วัฏจักรธรรมชาติของการผลิตและการบริโภคไฮโดรเจนของสิ่งมีชีวิตเรียกว่าวัฏจักรไฮโดรเจน การแยกตัวของน้ำ กระบวนการที่น้ำถูกแบ่งออกเป็นโปรตอน อิเล็กตรอน และออกซิเจน เกิดขึ้นในปฏิกิริยาแสงในสิ่งมีชีวิตสังเคราะห์แสงทั้งหมด สิ่งมีชีวิตบางชนิด เช่น สาหร่าย Chlamydomonas Reinhardtii และไซยาโนแบคทีเรีย ได้วิวัฒนาการขั้นที่สองในปฏิกิริยามืด โดยที่โปรตอนและอิเล็กตรอนจะถูกลดรูปเป็นก๊าซ H2 โดยไฮโดรเจนเฉพาะทางในคลอโรพลาสต์ มีความพยายามในการปรับเปลี่ยนไฮเดรตของไซยาโนแบคทีเรียเพื่อสังเคราะห์ก๊าซ H2 อย่างมีประสิทธิภาพแม้ในที่ที่มีออกซิเจน มีความพยายามในการใช้สาหร่ายดัดแปลงพันธุกรรมในเครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพ