Ang hydrogen ay isang kemikal na elemento na may simbolong H at atomic number 1. Sa karaniwang atomic na timbang na humigit-kumulang 1.008, ang hydrogen ay ang pinakamagaan na elemento sa periodic table. Ang monatomic form nito (H) ay ang pinaka-masaganang kemikal sa uniberso, na nagkakahalaga ng humigit-kumulang 75% ng kabuuang masa ng isang baryon. Ang mga bituin ay kadalasang binubuo ng hydrogen sa estado ng plasma. Ang pinakakaraniwang isotope ng hydrogen, na tinatawag na protium (ang pangalan na ito ay bihirang ginagamit, simbolo 1H), ay may isang proton at walang neutron. Ang malawakang hitsura ng atomic hydrogen ay unang naganap sa panahon ng recombination. Sa karaniwang mga temperatura at presyon, ang hydrogen ay isang walang kulay, walang amoy, walang lasa, hindi nakakalason, hindi metal, nasusunog na diatomic gas na may molekular na formula na H2. Dahil ang hydrogen ay madaling bumubuo ng mga covalent bond sa karamihan ng mga di-metal na elemento, karamihan sa hydrogen sa Earth ay umiiral sa mga molecular form tulad ng tubig o mga organikong compound. Ang hydrogen ay gumaganap ng isang partikular na mahalagang papel sa mga reaksyon ng acid-base dahil ang karamihan sa mga reaksyon na nakabatay sa acid ay kinabibilangan ng pagpapalitan ng mga proton sa pagitan ng mga natutunaw na molekula. Sa mga ionic compound, ang hydrogen ay maaaring magkaroon ng anyo ng isang negatibong singil (i.e., anion) at kilala bilang isang hydride, o bilang isang positively charged (i.e., cation) species, na tinutukoy ng simbolong H+. Ang hydrogen cation ay inilarawan bilang binubuo ng isang simpleng proton, ngunit ang aktwal na hydrogen cation sa mga ionic compound ay palaging mas kumplikado. Bilang ang tanging neutral na atom kung saan ang equation ng Schrödinger ay maaaring malutas nang analitikal, ang hydrogen (ibig sabihin, ang pag-aaral ng enerhiya at pagbubuklod ng atom nito) ay may mahalagang papel sa pagbuo ng quantum mechanics. Ang hydrogen gas ay unang ginawang artipisyal noong unang bahagi ng ika-16 na siglo sa pamamagitan ng reaksyon ng mga acid sa mga metal. Noong 1766-81. Si Henry Cavendish ang unang nakilala na ang hydrogen gas ay isang discrete substance, at na ito ay gumagawa ng tubig kapag sinunog, kaya ang pangalan nito: hydrogen sa Greek ay nangangahulugang "prodyuser ng tubig". Ang industriyal na produksyon ng hydrogen ay pangunahing nauugnay sa steam conversion ng natural na gas at, mas madalas, na may mas maraming enerhiya-intensive na pamamaraan tulad ng water electrolysis. Karamihan sa hydrogen ay ginagamit malapit sa kung saan ito ginawa, na ang dalawang pinakakaraniwang gamit ay ang pagpoproseso ng fossil fuel (hal. hydrocracking) at produksyon ng ammonia, pangunahin para sa merkado ng pataba. Ang hydrogen ay isang alalahanin sa metalurhiya dahil maaari itong malutong ng maraming mga metal, na nagpapahirap sa disenyo ng mga pipeline at mga tangke ng imbakan.

Ari-arian

Pagkasunog

Ang hydrogen gas (dihydrogen o molecular hydrogen) ay isang nasusunog na gas na masusunog sa hangin sa napakalawak na hanay ng mga konsentrasyon mula 4% hanggang 75% sa dami. Ang enthalpy ng combustion ay 286 kJ/mol:

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

Ang hydrogen gas ay bumubuo ng mga paputok na halo na may hangin sa mga konsentrasyon mula 4-74% at may klorin sa mga konsentrasyon hanggang sa 5.95%. Ang mga pagsabog na reaksyon ay maaaring sanhi ng mga spark, init o sikat ng araw. Ang autoignition temperature ng hydrogen, ang spontaneous ignition temperature sa hangin, ay 500 °C (932 °F) . Ang purong hydrogen-oxygen na apoy ay naglalabas ng ultraviolet radiation at may mataas na pinaghalong oxygen ay halos hindi nakikita ng mata, na pinatutunayan ng mahinang balahibo ng pangunahing makina ng Space Shuttle kumpara sa nakikitang balahibo ng Space Shuttle solid rocket booster, na gumagamit ng isang ammonium perchlorate composite. Maaaring kailanganin ng flame detector upang matukoy ang pagtagas ng nasusunog na hydrogen; ang mga naturang pagtagas ay maaaring maging lubhang mapanganib. Ang apoy ng hydrogen sa ilalim ng ibang mga kondisyon ay asul, at kahawig ng asul na apoy ng natural na gas. Ang paglubog ng airship na "Hindenburg" ay isang kilalang halimbawa ng pagkasunog ng hydrogen, at ang kaso ay pinag-uusapan pa rin. Ang nakikitang orange na apoy sa insidenteng ito ay sanhi ng pagkakalantad sa pinaghalong hydrogen at oxygen na sinamahan ng mga carbon compound mula sa balat ng airship. Ang H2 ay tumutugon sa bawat elemento ng oxidizing. Ang hydrogen ay maaaring kusang tumugon sa temperatura ng silid na may chlorine at fluorine upang mabuo ang kaukulang hydrogen halides, hydrogen chloride at hydrogen fluoride, na posibleng mapanganib din na mga acid.

Mga antas ng enerhiya ng elektron

Ang antas ng enerhiya ng ground state ng isang electron sa isang hydrogen atom ay −13.6 eV, na katumbas ng isang ultraviolet photon na may wavelength na humigit-kumulang 91 nm. Ang mga antas ng enerhiya ng hydrogen ay maaaring kalkulahin nang tumpak gamit ang Bohr model ng atom, na nagkonsepto sa electron bilang isang "orbital" na proton, katulad ng orbit ng Earth ng Araw. Gayunpaman, ang atomic electron at proton ay pinagsasama-sama ng electromagnetic force, habang ang mga planeta at celestial na bagay ay pinagsasama-sama ng gravity. Dahil sa discretization ng angular momentum na na-postulate sa maagang quantum mechanics ni Bohr, ang electron sa Bohr's model ay maaari lamang sumakop sa ilang mga pinahihintulutang distansya mula sa proton, at sa gayon ay ilang mga pinapayagang enerhiya lamang. Ang isang mas tumpak na paglalarawan ng hydrogen atom ay nagmumula sa isang puro quantum mechanical treatment na gumagamit ng Schrödinger equation, ang Dirac equation, o kahit na ang Feynman integrated circuit upang kalkulahin ang probability density distribution ng isang electron sa paligid ng isang proton. Ang pinaka-kumplikadong pamamaraan ng pagproseso ay nagpapahintulot sa isa na makakuha ng maliliit na epekto ng espesyal na relativity at vacuum polarization. Sa quantum machining, ang electron sa ground state hydrogen atom ay walang anumang torque, na naglalarawan kung paano naiiba ang isang "planetary orbit" sa paggalaw ng isang electron.

Mga anyong molekular sa elementarya

Mayroong dalawang magkaibang spin isomers ng diatomic hydrogen molecules na naiiba sa relative spin ng kanilang nuclei. Sa orthohydrogen form, ang mga spins ng dalawang proton ay parallel at bumubuo ng isang triplet state na may molecular spin quantum number na 1 (1/2 + 1/2); sa parahydrogen form, ang mga spin ay antiparallel at bumubuo ng singlet na may molecular spin quantum number na 0 (1/2 1/2). Sa karaniwang temperatura at presyon, ang hydrogen gas ay naglalaman ng humigit-kumulang 25% ng para form at 75% ng ortho form, na kilala rin bilang "normal na anyo". Ang equilibrium ratio ng orthohydrogen sa parahydrogen ay nakasalalay sa temperatura, ngunit dahil ang ortho form ay isang excited na estado at may mas mataas na enerhiya kaysa sa para form, ito ay hindi matatag at hindi maaaring dalisayin. Sa napakababang temperatura, ang estado ng ekwilibriyo ay halos binubuo lamang ng para form. Ang mga thermal na katangian ng likido at gas phase ng purong parahydrogen ay naiiba nang malaki mula sa mga normal na anyo dahil sa mga pagkakaiba sa rotational heat capacities, na tinalakay nang mas detalyado sa hydrogen spin isomers. Ang pagkakaiba ng ortho/pair ay nangyayari rin sa ibang mga molekula na naglalaman ng hydrogen o mga functional na grupo tulad ng tubig at methylene, ngunit ito ay maliit na kabuluhan para sa kanilang mga thermal properties. Ang uncatalyzed interconversion sa pagitan ng para at ortho H2 ay tumataas sa pagtaas ng temperatura; kaya ang mabilis na condensed H2 ay naglalaman ng malalaking halaga ng mataas na enerhiya na orthogonal form, na napakabagal na na-convert sa para form. Ang ortho/para ratio sa condensed H2 ay isang mahalagang salik sa paghahanda at pag-iimbak ng likidong hydrogen: ang conversion mula sa ortho patungo sa para ay exothermic at nagbibigay ng sapat na init upang mag-vaporize ang ilan sa hydrogen liquid, na nagreresulta sa pagkawala ng liquefied material. Ang mga catalyst para sa ortho-para conversion gaya ng iron oxide, activated carbon, platinized asbestos, rare earth metals, uranium compounds, chromium oxide o ilang nickel compound ay ginagamit sa hydrogen cooling.

Mga yugto

hydrogen gas

likidong hydrogen

putik hydrogen

solid hydrogen

metalikong hydrogen

Mga koneksyon

Covalent at organic compounds

Habang ang H2 ay hindi masyadong reaktibo sa ilalim ng karaniwang mga kondisyon, ito ay bumubuo ng mga compound na may karamihan sa mga elemento. Ang hydrogen ay maaaring bumuo ng mga compound na may mga elementong mas electronegative, tulad ng mga halogens (hal. F, Cl, Br, I) o oxygen; sa mga compound na ito, ang hydrogen ay tumatagal ng isang bahagyang positibong singil. Kapag nakatali sa fluorine, oxygen, o nitrogen, ang hydrogen ay maaaring lumahok sa anyo ng isang medium-strength non-covalent bond sa hydrogen ng iba pang katulad na mga molekula, isang phenomenon na tinatawag na hydrogen bonding, na kritikal sa katatagan ng maraming biological molecule. Ang hydrogen ay bumubuo rin ng mga compound na may mas kaunting electronegative na mga elemento tulad ng mga metal at metalloid, kung saan ito ay tumatagal sa isang bahagyang negatibong singil. Ang mga compound na ito ay madalas na kilala bilang hydride. Ang hydrogen ay bumubuo ng isang malawak na iba't ibang mga compound na may carbon, na tinatawag na hydrocarbons, at isang mas malawak na iba't ibang mga compound na may heteroatoms, na, dahil sa kanilang karaniwang kaugnayan sa mga nabubuhay na bagay, ay tinatawag na mga organikong compound. Ang pag-aaral ng kanilang mga katangian ay ang pag-aalala ng organikong kimika, at ang kanilang pag-aaral sa konteksto ng mga buhay na organismo ay kilala bilang biochemistry. Sa ilang mga kahulugan, ang mga "organic" na compound ay dapat na naglalaman lamang ng carbon. Gayunpaman, karamihan ay naglalaman din ng hydrogen, at dahil ito ang carbon-hydrogen bond na nagbibigay sa klase ng mga compound na ito ng karamihan sa kanilang mga partikular na kemikal na katangian, ang carbon-hydrogen bond ay kinakailangan sa ilang mga kahulugan ng salitang "organic" sa kimika. Milyun-milyong hydrocarbon ang kilala, at kadalasang nabubuo ang mga ito sa pamamagitan ng mga kumplikadong sintetikong daanan na bihirang may kinalaman sa elemental na hydrogen.

hydride

Ang mga hydrogen compound ay madalas na tinatawag na hydride. Ang terminong "hydride" ay nagmumungkahi na ang H atom ay nakakuha ng negatibo o anionic na karakter, na itinalagang H-, at ginagamit kapag ang hydrogen ay bumubuo ng isang tambalan na may mas electropositive na elemento. Ang pagkakaroon ng hydride anion, na iminungkahi ni Gilbert N. Lewis noong 1916 para sa pangkat 1 at 2 na naglalaman ng asin, ay ipinakita ni Moers noong 1920 sa pamamagitan ng electrolysis ng molten lithium hydride (LiH), na gumagawa ng stoichiometric na halaga ng hydrogen bawat anode. Para sa mga hydride maliban sa pangkat 1 at 2 na mga metal, ang termino ay nakaliligaw dahil sa mababang electronegativity ng hydrogen. Ang isang pagbubukod sa pangkat 2 hydride ay BeH2, na polymeric. Sa lithium aluminum hydride, ang AlH-4 anion ay nagdadala ng mga hydride center na mahigpit na nakakabit sa Al(III). Bagama't ang hydride ay maaaring mabuo sa halos lahat ng pangunahing elemento ng grupo, ang bilang at kumbinasyon ng mga posibleng compound ay malaki ang pagkakaiba-iba; halimbawa, mahigit 100 binary borane hydride at isang binary aluminum hydride lang ang kilala. Ang binary indium hydride ay hindi pa nakikilala, kahit na mayroong malalaking complex. Sa inorganic chemistry, ang hydride ay maaari ding magsilbi bilang bridging ligands na nag-uugnay sa dalawang metal center sa isang coordination complex. Ang function na ito ay partikular na katangian ng mga elemento ng pangkat 13, lalo na sa mga boranes (boron hydride) at aluminum complex, pati na rin sa mga clustered carboranes.

Mga proton at acid

Ang oksihenasyon ng hydrogen ay nag-aalis ng elektron nito at nagbibigay ng H+, na walang mga electron at walang nucleus, na karaniwang binubuo ng isang proton. Ito ang dahilan kung bakit ang H+ ay madalas na tinutukoy bilang isang proton. Ang pananaw na ito ay sentro sa talakayan ng mga acid. Ayon sa teorya ng Bronsted-Lowry, ang mga acid ay mga proton donor at ang mga base ay proton acceptors. Ang hubad na proton, H+, ay hindi maaaring umiral sa solusyon o sa mga ionic na kristal dahil sa hindi mapaglabanan nitong pagkahumaling sa ibang mga atomo o molekula na may mga electron. Maliban sa mataas na temperatura na nauugnay sa mga plasma, ang mga naturang proton ay hindi maaaring alisin mula sa mga ulap ng elektron ng mga atomo at molekula at mananatiling nakakabit sa kanila. Gayunpaman, ang terminong "proton" ay ginagamit minsan sa metaporikong paraan upang tumukoy sa positively charged o cationic hydrogen na nakakabit sa ibang mga species sa ganitong paraan, at dahil dito ay itinalagang "H+" nang walang anumang kahulugan na ang anumang indibidwal na proton ay malayang umiiral bilang isang species. Upang maiwasan ang paglitaw ng isang hubad na "solvated proton" sa solusyon, ang mga acidic aqueous solution ay iniisip kung minsan na naglalaman ng hindi malamang na fictitious species na tinatawag na "hydronium ion" (H 3 O+). Gayunpaman, kahit na sa kasong ito, ang mga natunaw na hydrogen cation ay mas realistikong nakikita bilang mga organisadong kumpol na bumubuo ng mga species na malapit sa H 9O+4. Ang iba pang mga ion ng oxonium ay matatagpuan kapag ang tubig ay nasa isang acidic na solusyon kasama ng iba pang mga solvents. Sa kabila ng pagiging kakaiba sa Earth, ang isa sa mga pinakakaraniwang ion sa uniberso ay ang H+3, na kilala bilang protonated molecular hydrogen o ang trihydrogen cation.

isotopes

Ang hydrogen ay may tatlong natural na nagaganap na isotopes, na itinalagang 1H, 2H, at 3H. Ang iba pang hindi matatag na nuclei (4H hanggang 7H) ay na-synthesize sa laboratoryo ngunit hindi naobserbahan sa kalikasan. Ang 1H ay ang pinakakaraniwang isotope ng hydrogen, na may kasaganaan ng higit sa 99.98%. Dahil ang nucleus ng isotope na ito ay binubuo lamang ng isang proton, binibigyan ito ng deskriptibo ngunit bihirang ginagamit na pormal na pangalang protium. Ang 2H, ang isa pang matatag na isotope ng hydrogen, ay kilala bilang deuterium at naglalaman ng isang proton at isang neutron sa nucleus. Ito ay pinaniniwalaan na ang lahat ng deuterium sa uniberso ay ginawa sa panahon ng Big Bang at umiral mula noon hanggang ngayon. Ang Deuterium ay hindi isang radioactive na elemento at hindi nagdudulot ng malaking panganib sa toxicity. Ang tubig na pinayaman sa mga molekula na kinabibilangan ng deuterium sa halip na normal na hydrogen ay tinatawag na mabigat na tubig. Ang Deuterium at ang mga compound nito ay ginagamit bilang isang non-radioactive na label sa mga kemikal na eksperimento at sa mga solvent para sa 1H-NMR spectroscopy. Ang mabigat na tubig ay ginagamit bilang isang neutron moderator at coolant para sa mga nuclear reactor. Ang Deuterium ay isa ring potensyal na panggatong para sa komersyal na pagsasanib ng nuklear. Ang 3H ay kilala bilang tritium at naglalaman ng isang proton at dalawang neutron sa nucleus. Ito ay radioactive, nabubulok sa helium-3 sa pamamagitan ng beta decay na may kalahating buhay na 12.32 taon. Ito ay napaka-radioaktibo na maaari itong magamit sa makinang na pintura, na ginagawa itong kapaki-pakinabang sa paggawa ng mga relo na may mga luminous na dial, halimbawa. Pinipigilan ng salamin ang paglabas ng kaunting radiation. Ang isang maliit na halaga ng tritium ay natural na ginawa sa pamamagitan ng pakikipag-ugnayan ng mga cosmic ray na may mga atmospheric gas; Ang tritium ay inilabas din sa panahon ng pagsubok ng mga sandatang nuklear. Ito ay ginagamit sa nuclear fusion reactions bilang indicator ng isotope geochemistry at sa mga espesyal na self-powered lighting device. Ginamit din ang Tritium sa mga eksperimento sa pag-label ng kemikal at biyolohikal bilang isang radioactive label. Ang hydrogen ay ang tanging elemento na may iba't ibang mga pangalan para sa mga isotopes nito na karaniwang ginagamit ngayon. Sa panahon ng maagang pag-aaral ng radyaktibidad, ang iba't ibang mabibigat na radioactive isotopes ay binigyan ng kanilang sariling mga pangalan, ngunit ang mga naturang pangalan ay hindi na ginagamit, maliban sa deuterium at tritium. Ang mga simbolo na D at T (sa halip na 2H at 3H) ay minsan ginagamit para sa deuterium at tritium, ngunit ang katumbas na simbolo para sa protium P ay ginagamit na para sa phosphorus at sa gayon ay hindi magagamit para sa protium. Sa mga alituntunin ng nomenclature nito, pinapayagan ng International Union of Pure and Applied Chemistry na gamitin ang alinman sa mga simbolo mula sa D, T, 2H, at 3H, bagama't mas gusto ang 2H at 3H. Ang kakaibang atom na muonium (simbulo ng Mu), na binubuo ng isang antimuon at isang electron, ay minsan din ay itinuturing na isang light radioisotope ng hydrogen dahil sa pagkakaiba ng masa sa pagitan ng antimuon at ng electron, na natuklasan noong 1960. Sa panahon ng buhay ng muon, 2.2 μs, ang muonium ay maaaring pumasok sa mga compound gaya ng muonium chloride (MuCl) o sodium muonide (NaMu), katulad ng hydrogen chloride at sodium hydride, ayon sa pagkakabanggit.

Kwento

Pagtuklas at paggamit

Noong 1671, natuklasan at inilarawan ni Robert Boyle ang reaksyon sa pagitan ng iron filings at dilute acids na nagreresulta sa hydrogen gas. Noong 1766, si Henry Cavendish ang unang nakilala ang hydrogen gas bilang isang discrete substance, na pinangalanan ang gas na "flammable air" dahil sa metal-acid reaction. Iminungkahi niya na ang "nasusunog na hangin" ay sa katunayan ay kapareho ng isang hypothetical substance na tinatawag na "phlogiston" at natagpuan muli noong 1781 na ang gas ay gumagawa ng tubig kapag sinunog. Ito ay pinaniniwalaan na siya ang nakatuklas ng hydrogen bilang isang elemento. Noong 1783, binigyan ni Antoine Lavoisier ang elemento ng pangalang hydrogen (mula sa salitang Griyego na ὑδρο-hydro na nangangahulugang "tubig" at -γενής genes na nangangahulugang "tagapaglikha") nang kopyahin nila ni Laplace ang data ni Cavendish na ang tubig ay nabuo nang sinunog ang hydrogen. Gumawa si Lavoisier ng hydrogen para sa kanyang pag-iingat ng mga mass experiment sa pamamagitan ng pagtugon sa isang stream ng singaw na may metal na bakal sa pamamagitan ng isang maliwanag na lampara na pinainit sa apoy. Ang anaerobic oxidation ng iron sa pamamagitan ng mga proton ng tubig sa mataas na temperatura ay maaaring iskema na kinakatawan ng isang hanay ng mga sumusunod na reaksyon:

Fe + H2O → FeO + H2

2 Fe + 3 H2O → Fe2O3 + 3 H2

3 Fe + 4 H2O → Fe3O4 + 4 H2

Maraming mga metal, tulad ng zirconium, ay sumasailalim sa isang katulad na reaksyon sa tubig upang makagawa ng hydrogen. Ang hydrogen ay unang natunaw ni James Dewar noong 1898 gamit ang regenerative refrigeration at ang kanyang imbensyon, ang vacuum flask. Nang sumunod na taon, gumawa siya ng solid hydrogen. Ang Deuterium ay natuklasan noong Disyembre 1931 ni Harold Uray at ang tritium ay inihanda noong 1934 nina Ernest Rutherford, Mark Oliphant at Paul Harteck. Ang mabigat na tubig, na binubuo ng deuterium sa halip na ordinaryong hydrogen, ay natuklasan ng grupo ni Yurey noong 1932. Itinayo ni François Isaac de Rivaz ang unang "Rivaz" na makina, isang panloob na makina ng pagkasunog na pinapagana ng hydrogen at oxygen, noong 1806. Inimbento ni Edward Daniel Clark ang hydrogen gas tube noong 1819. Ang bakal ni Döbereiner (ang unang ganap na lighter) ay naimbento noong 1823. Ang unang hydrogen balloon ay naimbento ni Jacques Charles noong 1783. Ang hydrogen ay nagbigay ng pagtaas ng unang maaasahang anyo ng trapiko sa himpapawid pagkatapos ng pag-imbento ni Henri Giffard ng unang hydrogen-lifted airship noong 1852. Itinaguyod ng German Count na si Ferdinand von Zeppelin ang ideya ng mga matibay na airship na itinaas sa hangin sa pamamagitan ng hydrogen, na kalaunan ay tinawag na Zeppelins; ang una sa mga ito ay lumipad sa unang pagkakataon noong 1900. Ang mga regular na nakaiskedyul na flight ay nagsimula noong 1910 at sa pagsiklab ng Unang Digmaang Pandaigdig noong Agosto 1914 ay nakapagsakay sila ng 35,000 pasahero nang walang malaking insidente. Sa panahon ng digmaan, ang hydrogen airships ay ginamit bilang observation platform at bombers. Ang unang non-stop transatlantic flight ay ginawa ng British airship R34 noong 1919. Ipinagpatuloy ang regular na serbisyo ng pasahero noong 1920s at ang pagtuklas ng mga reserbang helium sa Estados Unidos ay dapat na mapabuti ang kaligtasan ng aviation, ngunit tumanggi ang gobyerno ng US na magbenta ng gas para sa layuning ito, kaya ginamit ang H2 sa Hindenburg airship, na nawasak sa Sunog sa Milan sa New Jersey noong Mayo 6, 1937. Ang insidente ay nai-broadcast ng live sa radyo at nakuhanan ng video. Malawak na ipinapalagay na ang sanhi ng pag-aapoy ay isang pagtagas ng hydrogen, gayunpaman, ang mga kasunod na pag-aaral ay nagpapahiwatig na ang aluminized na patong ng tela ay sinindihan ng static na kuryente. Ngunit sa oras na ito, ang reputasyon ng hydrogen bilang isang nakakataas na gas ay nasira na. Sa parehong taon, ang unang hydrogen-cooled turbogenerator na may hydrogen gas bilang coolant sa rotor at stator ay nagsimula noong 1937 sa Dayton, Ohio, ng Dayton Power & Light Co.; dahil sa thermal conductivity ng hydrogen gas, ito ang pinakakaraniwang gas na ginagamit sa larangang ito ngayon. Ang nickel-hydrogen na baterya ay unang ginamit noong 1977 sakay ng US Navigation Technology Satellite 2 (NTS-2). Ang ISS, Mars Odyssey at Mars Global Surveyor ay nilagyan ng mga nickel-hydrogen na baterya. Sa madilim na bahagi ng orbit nito, ang Hubble Space Telescope ay pinapagana din ng mga nickel-hydrogen na baterya, na sa wakas ay pinalitan noong Mayo 2009, higit sa 19 na taon pagkatapos ng paglunsad at 13 taon pagkatapos ng disenyo ng mga ito.

Papel sa quantum theory

Dahil sa simpleng atomic na istruktura nito na isang proton at isang electron lamang, ang hydrogen atom, kasama ang spectrum ng liwanag na nilikha mula o hinihigop nito, ay naging sentro sa pagbuo ng atomic structure theory. Bilang karagdagan, ang pag-aaral ng kaukulang pagiging simple ng molekula ng hydrogen at ang kaukulang H+2 cation ay humantong sa isang pag-unawa sa likas na katangian ng kemikal na bono, na sa lalong madaling panahon ay sumunod sa pisikal na paggamot ng hydrogen atom sa quantum mechanics noong kalagitnaan ng 2020. Isa sa mga unang quantum effect na malinaw na naobserbahan (ngunit hindi naiintindihan sa oras na iyon) ay ang obserbasyon ni Maxwell na kinasasangkutan ng hydrogen kalahating siglo bago nagkaroon ng ganap na quantum mechanical theory. Nabanggit ni Maxwell na ang tiyak na kapasidad ng init ng H2 ay hindi na maibabalik mula sa isang diatomic na gas sa ibaba ng temperatura ng silid at nagsisimula nang higit at higit na katulad ng tiyak na kapasidad ng init ng isang monatomic na gas sa mga cryogenic na temperatura. Ayon sa quantum theory, ang pag-uugaling ito ay nagmumula sa spacing ng (quantized) rotational energy levels, na kung saan ay lalo na malawak na spaced sa H2 dahil sa mababang masa nito. Pinipigilan ng malawak na espasyong mga antas na ito ang pantay na paghahati ng thermal energy sa rotational motion sa hydrogen sa mababang temperatura. Ang mga diatom gas, na binubuo ng mas mabibigat na atomo, ay walang ganoong malawak na espasyo at hindi nagpapakita ng parehong epekto. Ang antihydrogen ay ang antimaterial na analogue ng hydrogen. Binubuo ito ng isang antiproton na may positron. Ang antihydrogen ay ang tanging uri ng antimatter atom na nakuha noong 2015.

Ang pagiging nasa kalikasan

Ang hydrogen ay ang pinaka-masaganang elemento ng kemikal sa uniberso, na bumubuo ng 75% ng normal na bagay ayon sa masa at higit sa 90% ayon sa bilang ng mga atomo. (Karamihan sa masa ng sansinukob, gayunpaman, ay wala sa anyo ng kemikal na elementong ito, ngunit pinaniniwalaang may hindi pa natutuklasang mga anyo ng masa tulad ng dark matter at dark energy.) Ang elementong ito ay matatagpuan sa malaking kasaganaan sa mga bituin at mga higante ng gas. Ang mga molekular na ulap ng H2 ay nauugnay sa pagbuo ng bituin. Ang hydrogen ay gumaganap ng isang mahalagang papel sa pag-on ng mga bituin sa pamamagitan ng proton-proton reaction at nuclear fusion ng CNO cycle. Sa buong mundo, ang hydrogen ay nangyayari pangunahin sa mga estado ng atomic at plasma na may mga katangian na medyo naiiba sa mga katangian ng molecular hydrogen. Bilang isang plasma, ang electron at proton ng hydrogen ay hindi nakagapos sa isa't isa, na nagreresulta sa napakataas na electrical conductivity at mataas na emissivity (bumubuo ng liwanag mula sa Araw at iba pang mga bituin). Ang mga naka-charge na particle ay malakas na apektado ng magnetic at electric field. Halimbawa, sa solar wind, nakikipag-ugnayan sila sa magnetosphere ng Earth, na lumilikha ng mga alon ng Birkeland at aurora. Ang hydrogen ay nasa neutral na atomic state sa interstellar medium. Ang malaking halaga ng neutral na hydrogen na matatagpuan sa evanescent Liman-alpha system ay pinaniniwalaang nangingibabaw ang cosmological baryon density ng Universe hanggang sa redshift z = 4. Sa ilalim ng normal na mga kondisyon sa Earth, ang elemental na hydrogen ay umiiral bilang isang diatomic gas, H2. Gayunpaman, ang hydrogen gas ay napakabihirang sa atmospera ng daigdig (1 ppm ayon sa volume) dahil sa magaan na timbang nito, na nagbibigay-daan dito na mas madaling malabanan ang gravity ng lupa kaysa sa mas mabibigat na gas. Gayunpaman, ang hydrogen ay ang pangatlo sa pinakamaraming elemento sa ibabaw ng Earth, na umiiral pangunahin sa anyo ng mga kemikal na compound tulad ng hydrocarbons at tubig. Ang hydrogen gas ay ginawa ng ilang bakterya at algae at isang natural na bahagi ng flute, tulad ng methane, na isang lalong makabuluhang pinagmumulan ng hydrogen. Ang isang molecular form na tinatawag na protonated molecular hydrogen (H+3) ay matatagpuan sa interstellar medium, kung saan ito ay nabuo sa pamamagitan ng ionization ng molecular hydrogen mula sa cosmic rays. Ang naka-charge na ion na ito ay naobserbahan din sa itaas na kapaligiran ng planetang Jupiter. Ang ion ay medyo matatag sa kapaligiran dahil sa mababang temperatura at density nito. Ang H+3 ay isa sa pinakamaraming ion sa uniberso at gumaganap ng isang kilalang papel sa chemistry ng interstellar medium. Ang neutral na triatomic hydrogen H3 ay maaari lamang umiral sa isang excited na anyo at hindi matatag. Sa kaibahan, ang positibong molekular na hydrogen ion (H+2) ay isang bihirang molekula sa uniberso.

Produksyon ng hydrogen

Ang H2 ay ginawa sa mga kemikal at biyolohikal na laboratoryo, kadalasan bilang isang by-product ng iba pang mga reaksyon; sa industriya para sa hydrogenation ng unsaturated substrates; at sa kalikasan bilang isang paraan ng pagpapaalis ng mga katumbas na pagbabawas sa mga reaksiyong biochemical.

Pagbabago ng singaw

Ang hydrogen ay maaaring gawin sa maraming paraan, ngunit sa ekonomiya ang pinakamahalagang proseso ay kinabibilangan ng pag-alis ng hydrogen mula sa mga hydrocarbon, dahil humigit-kumulang 95% ng produksyon ng hydrogen noong 2000 ay nagmula sa steam reforming. Sa komersyo, ang malalaking volume ng hydrogen ay kadalasang ginagawa ng steam reforming ng natural gas. Sa mataas na temperatura (1000-1400 K, 700-1100 °C o 1300-2000 °F) ang singaw (steam) ay tumutugon sa methane upang makagawa ng carbon monoxide at H2.

CH4 + H2O → CO + 3 H2

Ang reaksyong ito ay pinakamahusay na gumagana sa mababang presyon, ngunit maaari pa ring isagawa sa mataas na presyon (2.0 MPa, 20 atm, o 600 pulgada ng mercury). Ito ay dahil ang high pressure H2 ang pinakasikat na produkto at mas mahusay na gumaganap ang mga pressurized na superheat cleaning system sa mas mataas na pressure. Ang pinaghalong produkto ay kilala bilang "synthesis gas" dahil madalas itong direktang ginagamit upang makagawa ng methanol at mga kaugnay na compound. Ang mga hydrocarbon maliban sa methane ay maaaring gamitin upang makagawa ng synthesis gas na may iba't ibang ratios ng produkto. Isa sa maraming komplikasyon ng lubos na na-optimize na teknolohiyang ito ay ang pagbuo ng coke o carbon:

CH4 → C + 2 H2

Samakatuwid, ang steam reforming ay karaniwang gumagamit ng labis na H2O. Ang karagdagang hydrogen ay maaaring makuha mula sa singaw gamit ang carbon monoxide sa pamamagitan ng isang water gas shift reaction, lalo na gamit ang isang iron oxide catalyst. Ang reaksyong ito ay isa ring pangkaraniwang pang-industriyang pinagmumulan ng carbon dioxide:

CO + H2O → CO2 + H2

Ang iba pang mahahalagang pamamaraan para sa H2 ay kinabibilangan ng bahagyang oksihenasyon ng mga hydrocarbon:

2 CH4 + O2 → 2 CO + 4 H2

At ang reaksyon ng karbon, na maaaring magsilbing panimula sa reaksyon ng paglilipat na inilarawan sa itaas:

C + H2O → CO + H2

Minsan ang hydrogen ay ginawa at natupok sa parehong proseso ng industriya, nang walang paghihiwalay. Sa proseso ng Haber para sa produksyon ng ammonia, ang hydrogen ay nabuo mula sa natural na gas. Salt solution electrolysis upang makagawa ng chlorine ay gumagawa din ng hydrogen bilang isang by-product.

metallic acid

Sa laboratoryo, ang H2 ay karaniwang ginagawa sa pamamagitan ng pagtugon sa mga dilute na non-oxidizing acid na may ilang mga reaktibong metal tulad ng zinc na may Kipp apparatus.

Zn + 2 H + → Zn2 + + H2

Ang aluminyo ay maaari ding gumawa ng H2 kapag ginagamot sa mga base:

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

Ang electrolysis ng tubig ay isang simpleng paraan upang makagawa ng hydrogen. Ang isang mababang boltahe na kasalukuyang dumadaloy sa tubig at oxygen gas ay nabuo sa anode habang ang hydrogen gas ay nabuo sa katod. Karaniwan, ang katod ay ginawa mula sa platinum o isa pang hindi gumagalaw na metal sa paggawa ng hydrogen para sa imbakan. Kung, gayunpaman, ang gas ay susunugin sa lugar, ang pagkakaroon ng oxygen ay kanais-nais na magsulong ng pagkasunog, at samakatuwid ang parehong mga electrodes ay gagawin ng mga inert na metal. (Halimbawa, ang iron ay nag-oxidize at samakatuwid ay binabawasan ang dami ng oxygen na inilabas). Ang teoretikal na maximum na kahusayan (electricity na ginamit na may kaugnayan sa halaga ng enerhiya ng hydrogen na ginawa) ay nasa hanay na 80-94%.

2 H2O (L) → 2 H2 (g) + O2 (g)

Ang isang haluang metal ng aluminyo at gallium sa anyo ng mga butil na idinagdag sa tubig ay maaaring gamitin upang makagawa ng hydrogen. Ang prosesong ito ay gumagawa din ng alumina, ngunit ang mamahaling gallium, na pumipigil sa balat ng oksido mula sa pagbuo sa mga pellets, ay maaaring magamit muli. Ito ay may mahalagang potensyal na implikasyon para sa ekonomiya ng hydrogen, dahil ang hydrogen ay maaaring gawin nang lokal at hindi kailangang dalhin.

Thermochemical properties

Mayroong higit sa 200 mga thermochemical cycle na maaaring gamitin upang paghiwalayin ang tubig, halos isang dosenang mga cycle na ito, tulad ng iron oxide cycle, ang cerium (IV) oxide cycle, ang cerium (III) oxide cycle, ang zinc-zinc oxide cycle, sulfur iodine cycle, copper cycle, at chlorine at sulfur hybrid cycle ay nasa ilalim ng pananaliksik at pagsubok upang makagawa ng hydrogen at oxygen mula sa tubig at init nang hindi gumagamit ng kuryente. Ang ilang mga laboratoryo (kabilang ang mga nasa France, Germany, Greece, Japan at USA) ay gumagawa ng mga thermochemical na pamamaraan para sa paggawa ng hydrogen mula sa solar energy at tubig.

Anaerobic corrosion

Sa ilalim ng anaerobic na mga kondisyon, ang bakal at bakal na haluang metal ay dahan-dahang na-oxidize ng mga proton ng tubig habang binabawasan sa molekular na hydrogen (H2). Ang anaerobic corrosion ng iron ay humahantong muna sa pagbuo ng iron hydroxide (berdeng kalawang) at maaaring ilarawan ng sumusunod na reaksyon: Fe + 2 H2O → Fe (OH) 2 + H2. Kaugnay nito, sa ilalim ng anaerobic na mga kondisyon, ang iron hydroxide (Fe (OH) 2) ay maaaring ma-oxidize ng mga proton ng tubig upang bumuo ng magnetite at molecular hydrogen. Ang prosesong ito ay inilalarawan ng reaksyon ng Shikorra: 3 Fe (OH) 2 → Fe3O4 + 2 H2O + H2 iron hydroxide → magnesium + water + hydrogen. Ang well-crystallized magnetite (Fe3O4) ay thermodynamically mas matatag kaysa sa iron hydroxide (Fe(OH)2). Ang prosesong ito ay nangyayari sa panahon ng anaerobic corrosion ng bakal at bakal sa anoxic groundwater at kapag ang mga lupa ay na-reclaim sa ibaba ng water table.

Geological na pinagmulan: serpentinization reaksyon

Sa kawalan ng oxygen (O2) sa malalim na mga geological na kondisyon na umiiral na malayo sa kapaligiran ng Earth, ang hydrogen (H2) ay nabuo sa panahon ng serpentinization sa pamamagitan ng anaerobic oxidation ng water protons (H+) ng iron silicate (Fe2+) na nasa crystal lattice ng fayalite (Fe2SiO4, minal olivine -gland). Ang kaukulang reaksyon na humahantong sa pagbuo ng magnetite (Fe3O4), quartz (SiO2) at hydrogen (H2): 3Fe2SiO4 + 2 H2O → 2 Fe3O4 + 3 SiO2 + 3 H2 fayalite + tubig → magnetite + quartz + hydrogen. Ang reaksyong ito ay malapit na kahawig ng reaksyon ng Shikorra na naobserbahan sa anaerobic oxidation ng iron hydroxide sa pakikipag-ugnay sa tubig.

Pagbuo sa mga transformer

Sa lahat ng mga mapanganib na gas na ginawa sa mga power transformer, ang hydrogen ang pinakakaraniwan at nabubuo sa karamihan ng mga pagkakamali; kaya, ang pagbuo ng hydrogen ay isang maagang tanda ng mga seryosong problema sa ikot ng buhay ng isang transpormer.

Mga aplikasyon

Pagkonsumo sa iba't ibang proseso

Malaking dami ng H2 ang kailangan sa industriya ng petrolyo at kemikal. Ang pinakamalaking paggamit ng H2 ay para sa pagproseso ("pag-upgrade") ng mga fossil fuel at para sa produksyon ng ammonia. Sa mga planta ng petrochemical, ang H2 ay ginagamit sa hydrodealkylation, hydrodesulfurization at hydrocracking. Ang H2 ay may ilang iba pang mahahalagang gamit. Ang H2 ay ginagamit bilang isang hydrogenating agent, partikular na upang mapataas ang saturation level ng unsaturated fats at oil (matatagpuan sa mga item tulad ng margarine), at sa methanol production. Ito rin ay pinagmumulan ng hydrogen sa paggawa ng hydrochloric acid. Ginagamit din ang H2 bilang pampababa ng ahente para sa mga metal ores. Ang hydrogen ay lubos na natutunaw sa maraming bihirang lupa at mga metal na transisyon at natutunaw sa parehong nanocrystalline at amorphous na mga metal. Ang solubility ng hydrogen sa mga metal ay nakasalalay sa mga lokal na distortion o impurities sa crystal lattice. Ito ay maaaring maging kapaki-pakinabang kapag ang hydrogen ay dinadalisay sa pamamagitan ng pagdaan sa mga mainit na palladium disk, ngunit ang mataas na solubility ng gas ay isang problemang metalurhiko na nakakasira ng maraming metal, na nagpapakumplikado sa disenyo ng mga pipeline at mga tangke ng imbakan. Bilang karagdagan sa paggamit bilang isang reagent, ang H2 ay may malawak na hanay ng mga aplikasyon sa pisika at engineering. Ito ay ginagamit bilang isang shielding gas sa mga pamamaraan ng welding tulad ng atomic hydrogen welding. Ang H2 ay ginagamit bilang isang rotor coolant sa mga de-koryenteng generator sa mga power plant dahil ito ang may pinakamataas na thermal conductivity ng anumang gas. Ang Liquid H2 ay ginagamit sa cryogenic na pananaliksik, kabilang ang pananaliksik sa superconductivity. Dahil ang H2 ay mas magaan kaysa sa hangin, sa higit lang sa 1/14 ang density ng hangin, ito ay dating malawakang ginamit bilang nakakataas na gas sa mga lobo at airship. Sa mas bagong mga aplikasyon, ang hydrogen ay ginagamit nang maayos o may halong nitrogen (minsan ay tinatawag na forming gas) bilang isang tracer gas para sa instant leak detection. Ginagamit ang hydrogen sa industriya ng automotive, kemikal, enerhiya, aerospace at telekomunikasyon. Ang hydrogen ay isang pinahihintulutang food additive (E 949) na nagpapahintulot sa food leak testing, bukod sa iba pang antioxidant properties. Ang mga bihirang isotopes ng hydrogen ay mayroon ding mga partikular na aplikasyon. Ang Deuterium (hydrogen-2) ay ginagamit sa mga aplikasyon ng nuclear fission bilang isang mabagal na moderator ng neutron at sa mga reaksyon ng nuclear fusion. Ang mga compound ng Deuterium ay ginagamit sa larangan ng kimika at biology sa pag-aaral ng mga epekto ng isotope ng reaksyon. Ang tritium (hydrogen-3), na ginawa sa mga nuclear reactor, ay ginagamit sa paggawa ng mga bomba ng hydrogen, bilang isotope marker sa mga biological science, at bilang pinagmumulan ng radiation sa mga makinang na pintura. Ang triple point temperature ng equilibrium hydrogen ay ang pagtukoy ng fixed point sa ITS-90 temperature scale sa 13.8033 Kelvin.

Daluyan ng paglamig

Ang hydrogen ay karaniwang ginagamit sa mga planta ng kuryente bilang isang nagpapalamig sa mga generator dahil sa isang bilang ng mga paborableng katangian na direktang resulta ng mga light diatomic na molekula nito. Kabilang dito ang mababang density, mababang lagkit, at ang pinakamataas na tiyak na kapasidad ng init at thermal conductivity ng anumang gas.

Tagadala ng enerhiya

Ang hydrogen ay hindi isang mapagkukunan ng enerhiya, maliban sa hypothetical na konteksto ng komersyal na fusion power plant na gumagamit ng deuterium o tritium, isang teknolohiya na kasalukuyang malayo sa mature. Ang enerhiya ng Araw ay nagmumula sa nuclear fusion ng hydrogen, ngunit ang prosesong ito ay mahirap makamit sa Earth. Ang elemental na hydrogen mula sa solar, biological o electrical sources ay nangangailangan ng mas maraming enerhiya upang makagawa nito kaysa sa kinakailangan upang masunog ito, kaya sa mga kasong ito ang hydrogen ay gumagana bilang isang carrier ng enerhiya, katulad ng isang baterya. Maaaring makuha ang hydrogen mula sa fossil sources (tulad ng methane), ngunit ang mga source na ito ay mauubos. Ang density ng enerhiya sa bawat yunit ng volume ng parehong likidong hydrogen at naka-compress na gas na hydrogen sa anumang halos makakamit na presyon ay makabuluhang mas mababa kaysa sa kumbensyonal na pinagmumulan ng enerhiya, bagama't ang density ng enerhiya bawat yunit ng masa ng gasolina ay mas mataas. Gayunpaman, ang elemental na hydrogen ay malawakang tinalakay sa konteksto ng enerhiya bilang isang posibleng hinaharap na pang-ekonomiyang carrier ng enerhiya. Halimbawa, ang CO2 sequestration na sinusundan ng carbon capture at storage ay maaaring gawin sa punto ng produksyon ng H2 mula sa fossil fuels. Ang hydrogen na ginagamit sa transportasyon ay masusunog nang medyo malinis, na may ilang mga paglabas ng NOx ngunit walang mga paglabas ng carbon. Gayunpaman, ang gastos sa imprastraktura na nauugnay sa isang buong conversion sa isang ekonomiya ng hydrogen ay magiging makabuluhan. Ang mga fuel cell ay maaaring gawing kuryente nang direkta ang hydrogen at oxygen kaysa sa mga internal combustion engine.

industriya ng semiconductor

Ginagamit ang hydrogen upang ibabad ang mga nakabitin na bono ng amorphous silicon at amorphous carbon, na tumutulong upang patatagin ang mga katangian ng materyal. Isa rin itong potensyal na donor ng elektron sa iba't ibang materyales ng oxide kabilang ang ZnO, SnO2, CdO, MgO, ZrO2, HfO2, La2O3, Y2O3, TiO2, SrTiO3, LaAlO3, SiO2, Al2O3, ZrSiO4, HfSiO4, at SrZrO3.

mga biological na reaksyon

Ang H2 ay isang produkto ng ilang uri ng anaerobic metabolism at nagagawa ng ilang microorganism, kadalasan sa pamamagitan ng mga reaksyon na na-catalyze ng mga enzyme na naglalaman ng iron o nickel na tinatawag na hydrogenases. Ang mga enzyme na ito ay nagpapagana ng isang nababaligtad na redox na reaksyon sa pagitan ng H2 at ng dalawang proton nito at dalawang bahagi ng electron. Ang paglikha ng hydrogen gas ay nangyayari sa pamamagitan ng paglilipat ng pagbabawas ng mga katumbas na ginawa ng pagbuburo ng pyruvate sa tubig. Ang natural na cycle ng produksyon at pagkonsumo ng hydrogen ng mga organismo ay tinatawag na hydrogen cycle. Ang water splitting, ang proseso kung saan ang tubig ay pinaghiwa-hiwalay sa mga bumubuo nitong proton, electron, at oxygen, ay nangyayari sa mga magaan na reaksyon sa lahat ng mga organismong photosynthetic. Ang ilang mga naturang organismo, kabilang ang algae na Chlamydomonas Reinhardtii at cyanobacteria, ay nag-evolve ng pangalawang yugto sa madilim na mga reaksyon kung saan ang mga proton at electron ay nababawasan upang bumuo ng H2 gas sa pamamagitan ng mga espesyal na hydrogenases sa chloroplast. Ang mga pagtatangka ay ginawa upang genetically baguhin ang cyanobacterial hydrases upang mahusay na synthesize H2 gas kahit na sa pagkakaroon ng oxygen. Ang mga pagsisikap ay ginawa din gamit ang genetically modified algae sa isang bioreactor.

Ang hydrogen H ay isang kemikal na elemento, isa sa pinakakaraniwan sa ating Uniberso. Ang masa ng hydrogen bilang isang elemento sa komposisyon ng mga sangkap ay 75% ng kabuuang nilalaman ng mga atomo ng ibang uri. Ito ay kasama sa pinakamahalaga at mahalagang koneksyon sa planeta - tubig. Ang isang natatanging tampok ng hydrogen ay din na ito ang unang elemento sa periodic system ng mga elemento ng kemikal ng D. I. Mendeleev.

Pagtuklas at paggalugad

Ang mga unang pagtukoy sa hydrogen sa mga akda ni Paracelsus ay nagmula noong ikalabing-anim na siglo. Ngunit ang paghihiwalay nito mula sa pinaghalong gas ng hangin at ang pag-aaral ng mga nasusunog na katangian ay ginawa na noong ikalabimpitong siglo ng siyentipikong si Lemery. Ang hydrogen ay masusing pinag-aralan ng isang English chemist, physicist at naturalist na eksperimento na nagpatunay na ang masa ng hydrogen ay ang pinakamaliit kumpara sa iba pang mga gas. Sa kasunod na mga yugto ng pag-unlad ng agham, maraming mga siyentipiko ang nagtrabaho sa kanya, lalo na si Lavoisier, na tinawag siyang "pagsilang ng tubig."

Katangian ayon sa posisyon sa PSCE

Ang elementong nagbubukas ng periodic table ng D. I. Mendeleev ay hydrogen. Ang pisikal at kemikal na mga katangian ng atom ay nagpapakita ng ilang duality, dahil ang hydrogen ay sabay-sabay na itinalaga sa unang grupo, ang pangunahing subgroup, kung ito ay kumikilos tulad ng isang metal at nagbibigay ng isang solong electron sa proseso ng isang kemikal na reaksyon, at sa ikapitong - sa kaso ng kumpletong pagpuno ng valence shell, iyon ay, pagtanggap ng negatibong butil, na nagpapakilala dito bilang katulad ng mga halogens.

Mga tampok ng elektronikong istraktura ng elemento

Ang mga katangian ng mga kumplikadong sangkap kung saan ito ay kasama, at ang pinakasimpleng sangkap na H 2 ay pangunahing tinutukoy ng elektronikong pagsasaayos ng hydrogen. Ang particle ay may isang electron na may Z= (-1), na umiikot sa orbit nito sa paligid ng nucleus, na naglalaman ng isang proton na may unit mass at positibong singil (+1). Ang elektronikong pagsasaayos nito ay nakasulat bilang 1s 1, na nangangahulugan ng pagkakaroon ng isang negatibong particle sa pinakauna at tanging s-orbital para sa hydrogen.

Kapag ang isang elektron ay natanggal o naibigay, at ang isang atom ng elementong ito ay may katangian na ito ay nauugnay sa mga metal, ang isang kation ay nakuha. Sa katunayan, ang hydrogen ion ay isang positibong particle ng elementarya. Samakatuwid, ang isang hydrogen na walang electron ay tinatawag na proton.

Mga Katangiang Pisikal

Sa maikling paglalarawan ng hydrogen, ito ay isang walang kulay, bahagyang natutunaw na gas na may kamag-anak na atomic mass na 2, 14.5 beses na mas magaan kaysa sa hangin, na may temperatura ng pagkatunaw na -252.8 degrees Celsius.

Madaling makita mula sa karanasan na ang H2 ang pinakamagaan. Upang gawin ito, sapat na upang punan ang tatlong bola na may iba't ibang mga sangkap - hydrogen, carbon dioxide, ordinaryong hangin - at sabay na ilabas ang mga ito mula sa iyong kamay. Ang isa na napuno ng CO 2 ay makakarating sa lupa nang mas mabilis kaysa sa sinuman, pagkatapos nito ay babagsak na pinalaki ng pinaghalong hangin, at ang naglalaman ng H 2 ay tataas sa kisame.

Ang maliit na masa at laki ng mga particle ng hydrogen ay nagbibigay-katwiran sa kakayahang tumagos sa iba't ibang mga sangkap. Sa halimbawa ng parehong bola, ito ay madaling i-verify, sa loob ng ilang araw ito ay magpapalabas ng sarili, dahil ang gas ay dadaan lamang sa goma. Gayundin, ang hydrogen ay maaaring maipon sa istraktura ng ilang mga metal (palladium o platinum), at sumingaw mula dito kapag tumaas ang temperatura.

Ang pag-aari ng mababang solubility ng hydrogen ay ginagamit sa pagsasanay sa laboratoryo upang ihiwalay ito sa pamamagitan ng paraan ng hydrogen displacement (ang talahanayan sa ibaba ay naglalaman ng mga pangunahing parameter) matukoy ang saklaw ng aplikasyon nito at mga pamamaraan ng produksyon.

Parameter ng isang atom o molekula ng isang simpleng substance	Ibig sabihin
Atomic mass (molar mass)	1.008 g/mol
Elektronikong pagsasaayos	1s 1
Crystal cell	Heksagonal
Thermal conductivity	(300 K) 0.1815 W/(m K)
Densidad sa n. y.	0.08987 g/l
Temperatura ng kumukulo	-252.76°C
Tiyak na init ng pagkasunog	120.9 10 6 J/kg
Temperaturang pantunaw	-259.2°C
Solubility sa tubig	18.8 ml/l

Isotopic na komposisyon

Tulad ng maraming iba pang mga kinatawan ng periodic system ng mga elemento ng kemikal, ang hydrogen ay may ilang mga natural na isotopes, iyon ay, mga atomo na may parehong bilang ng mga proton sa nucleus, ngunit ibang bilang ng mga neutron - mga particle na may zero charge at unit mass. Ang mga halimbawa ng mga atom na may katulad na katangian ay ang oxygen, carbon, chlorine, bromine at iba pa, kabilang ang mga radioactive.

Ang mga pisikal na katangian ng hydrogen 1 H, ang pinakakaraniwan sa mga kinatawan ng pangkat na ito, ay naiiba nang malaki mula sa parehong mga katangian ng mga katapat nito. Sa partikular, ang mga katangian ng mga sangkap kung saan sila kasama ay naiiba. Kaya, mayroong ordinaryong at deuterated na tubig, na naglalaman sa komposisyon nito, sa halip na isang hydrogen atom na may isang solong proton, deuterium 2 H - ang isotope nito na may dalawang elementarya na particle: positibo at walang bayad. Ang isotope na ito ay dalawang beses na mas mabigat kaysa sa ordinaryong hydrogen, na nagpapaliwanag ng pangunahing pagkakaiba sa mga katangian ng mga compound na kanilang binubuo. Sa kalikasan, ang deuterium ay 3200 beses na mas bihira kaysa sa hydrogen. Ang ikatlong kinatawan ay tritium 3 H, sa nucleus mayroon itong dalawang neutron at isang proton.

Mga pamamaraan para sa pagkuha at paghihiwalay

Ang mga pamamaraan ng laboratoryo at pang-industriya ay ibang-iba. Kaya, sa mga maliliit na dami, ang gas ay nakukuha pangunahin sa pamamagitan ng mga reaksyon kung saan ang mga mineral ay kasangkot, at ang malakihang produksyon ay gumagamit ng organic synthesis sa mas malaking lawak.

Ang mga sumusunod na pakikipag-ugnayan ng kemikal ay ginagamit sa laboratoryo:

Sa mga pang-industriya na interes, ang gas ay nakuha sa pamamagitan ng mga pamamaraan tulad ng:

1. Thermal decomposition ng methane sa pagkakaroon ng isang katalista sa mga sangkap na bumubuo nito (350 degrees ay umabot sa halaga ng naturang indicator bilang temperatura) - hydrogen H 2 at carbon C.
2. Pagpasa ng singaw na tubig sa pamamagitan ng coke sa 1000 degrees Celsius na may pagbuo ng carbon dioxide CO 2 at H 2 (ang pinakakaraniwang paraan).
3. Conversion ng gaseous methane sa isang nickel catalyst sa temperatura na umaabot sa 800 degrees.
4. Ang hydrogen ay isang by-product sa electrolysis ng mga may tubig na solusyon ng potassium o sodium chlorides.

Mga pakikipag-ugnayan sa kemikal: pangkalahatang mga probisyon

Ang mga pisikal na katangian ng hydrogen ay higit na nagpapaliwanag ng pag-uugali nito sa mga proseso ng reaksyon sa isa o ibang compound. Ang valency ng hydrogen ay 1, dahil ito ay matatagpuan sa unang pangkat sa periodic table, at ang antas ng oksihenasyon ay nagpapakita ng ibang isa. Sa lahat ng compound, maliban sa hydride, hydrogen sa s.o. = (1+), sa mga molecule tulad ng XH, XH 2, XH 3 - (1-).

Ang molekula ng hydrogen gas, na nabuo sa pamamagitan ng paglikha ng isang pangkalahatan na pares ng elektron, ay binubuo ng dalawang atomo at medyo matatag na masigla, kaya naman sa ilalim ng normal na mga kondisyon ito ay medyo hindi gumagalaw at pumapasok sa mga reaksyon kapag nagbabago ang mga normal na kondisyon. Depende sa antas ng oksihenasyon ng hydrogen sa komposisyon ng iba pang mga sangkap, maaari itong kumilos bilang isang ahente ng oxidizing at isang ahente ng pagbabawas.

Mga sangkap kung saan ang hydrogen ay tumutugon at bumubuo

Mga elementong pakikipag-ugnayan upang bumuo ng mga kumplikadong sangkap (kadalasan sa mataas na temperatura):

1. Alkaline at alkaline earth metal + hydrogen = hydride.
2. Halogen + H 2 = hydrogen halide.
3. Sulfur + hydrogen = hydrogen sulfide.
4. Oxygen + H 2 = tubig.
5. Carbon + hydrogen = mitein.
6. Nitrogen + H 2 = ammonia.

Pakikipag-ugnayan sa mga kumplikadong sangkap:

1. Pagkuha ng synthesis gas mula sa carbon monoxide at hydrogen.
2. Pagbawi ng mga metal mula sa kanilang mga oxide na may H 2 .
3. Hydrogen saturation ng unsaturated aliphatic hydrocarbons.

hydrogen bond

Ang mga pisikal na katangian ng hydrogen ay tulad na, kapag pinagsama sa isang electronegative na elemento, pinapayagan itong bumuo ng isang espesyal na uri ng bono na may parehong atom mula sa mga kalapit na molekula na may hindi magkakatulad na mga pares ng elektron (halimbawa, oxygen, nitrogen at fluorine). Ang pinakamalinaw na halimbawa kung saan mas mahusay na isaalang-alang ang gayong kababalaghan ay tubig. Masasabing ito ay tinahi ng mga bono ng hydrogen, na mas mahina kaysa sa mga covalent o ionic, ngunit dahil sa katotohanan na marami sa kanila, mayroon silang makabuluhang epekto sa mga katangian ng sangkap. Sa esensya, ang hydrogen bonding ay isang electrostatic na pakikipag-ugnayan na nagbubuklod sa mga molekula ng tubig sa mga dimer at polimer, na nagbibigay ng mataas na punto ng pagkulo nito.

Hydrogen sa komposisyon ng mga mineral compound

Lahat ay naglalaman ng isang proton - isang kasyon ng isang atom tulad ng hydrogen. Ang isang substance na ang acid residue ay may oxidation state na mas malaki kaysa sa (-1) ay tinatawag na polybasic compound. Naglalaman ito ng ilang mga hydrogen atoms, na ginagawang multi-stage ang dissociation sa mga aqueous solution. Ang bawat kasunod na proton ay humihiwalay mula sa natitirang bahagi ng acid nang higit at mas mahirap. Ayon sa dami ng nilalaman ng mga hydrogen sa daluyan, ang kaasiman nito ay tinutukoy.

Aplikasyon sa mga gawain ng tao

Ang mga silindro na may substance, gayundin ang mga lalagyan na may iba pang mga tunaw na gas, tulad ng oxygen, ay may partikular na anyo. Ang mga ito ay pininturahan ng madilim na berde na may maliwanag na pulang titik na "Hydrogen". Ang gas ay pumped sa isang silindro sa ilalim ng presyon ng tungkol sa 150 atmospheres. Ang mga pisikal na katangian ng hydrogen, lalo na ang liwanag ng gas na estado ng pagsasama-sama, ay ginagamit upang punan ang mga lobo, lobo, atbp. na may halong helium.

Ang hydrogen, ang pisikal at kemikal na mga katangian na natutunan ng mga tao na gamitin maraming taon na ang nakalilipas, ay kasalukuyang ginagamit sa maraming industriya. Karamihan sa mga ito ay napupunta sa produksyon ng ammonia. Gayundin, ang hydrogen ay kasangkot sa (hafnium, germanium, gallium, silikon, molibdenum, tungsten, zirconium at iba pa) mula sa mga oxide, na kumikilos sa reaksyon bilang isang ahente ng pagbabawas, hydrocyanic at hydrochloric acid, pati na rin ang artipisyal na likidong gasolina. Ginagamit ito ng industriya ng pagkain upang gawing solidong taba ang mga langis ng gulay.

Natukoy namin ang mga kemikal na katangian at paggamit ng hydrogen sa iba't ibang proseso ng hydrogenation at hydrogenation ng mga taba, uling, hydrocarbon, langis at langis ng gasolina. Sa tulong nito, ang mga mamahaling bato, mga lamp na maliwanag na maliwanag ay ginawa, ang mga produktong metal ay huwad at hinangin sa ilalim ng impluwensya ng isang apoy ng oxygen-hydrogen.

Hydrogen- ang unang elemento ng kemikal ng Periodic Table ng mga elemento ng kemikal D.I. Mendeleev. Ang kemikal na elemento ng hydrogen ay matatagpuan sa unang pangkat, ang pangunahing subgroup, ang unang panahon ng Periodic System.

Relatibong atomic mass ng hydrogen = 1.

Ang hydrogen ay may pinakasimpleng istraktura ng isang atom, ito ay binubuo ng isang solong elektron, na matatagpuan sa nuclear space. Ang nucleus ng isang hydrogen atom ay binubuo ng isang proton.

Ang hydrogen atom, sa mga reaksiyong kemikal, ay maaaring parehong mag-abuloy at magdagdag ng isang elektron, na bumubuo ng dalawang uri ng mga ion:

H0 + 1ē → H1− H0 – 1ē → H1+.

Hydrogen ay ang pinaka-masaganang elemento sa uniberso. Ito ay bumubuo ng halos 88.6% ng lahat ng mga atomo (mga 11.3% ay mga helium atoms, ang bahagi ng lahat ng iba pang elementong pinagsama ay humigit-kumulang 0.1%). Kaya, ang hydrogen ang pangunahing bahagi ng mga bituin at interstellar gas. Sa interstellar space, ang elementong ito ay umiiral sa anyo ng mga indibidwal na molecule, atoms, at ions at maaaring bumuo ng mga molekular na ulap na malaki ang pagkakaiba-iba sa laki, density, at temperatura.

Ang mass fraction ng hydrogen sa crust ng lupa ay 1%. Ito ang ikasiyam na pinakakaraniwang elemento. Ang kahalagahan ng hydrogen sa mga prosesong kemikal na nagaganap sa Earth ay halos kasing-husay ng oxygen. Hindi tulad ng oxygen, na umiiral sa Earth sa parehong bound at free states, halos lahat ng hydrogen sa Earth ay nasa anyo ng mga compound; isang napakaliit na halaga ng hydrogen sa anyo ng isang simpleng sangkap lamang ang matatagpuan sa atmospera (0.00005% sa dami para sa tuyong hangin).

Ang hydrogen ay isang sangkap ng halos lahat ng mga organikong sangkap at naroroon sa lahat ng mga buhay na selula.

Mga pisikal na katangian ng hydrogen

Ang isang simpleng sangkap na nabuo ng elementong kemikal na hydrogen ay may istrukturang molekular. Ang komposisyon nito ay tumutugma sa formula H2. Tulad ng isang kemikal na elemento, ang isang simpleng sangkap ay tinatawag ding hydrogen.

Hydrogen Ito ay isang walang kulay na gas, walang amoy at walang lasa, halos hindi matutunaw sa tubig. Sa temperatura ng silid at normal na presyon ng atmospera, ang solubility ay 18.8 ml ng gas bawat 1 litro ng tubig.

Hydrogen- ang pinakamagaan na gas, ang density nito ay 0.08987 g / l. Para sa paghahambing: ang density ng hangin ay 1.3 g/l.

Ang hydrogen ay maaaring matunaw sa mga metal halimbawa, hanggang 850 volume ng hydrogen ang maaaring matunaw sa isang volume ng palladium. Dahil sa napakaliit nitong molekular na sukat, ang hydrogen ay may kakayahang kumalat sa maraming materyales.

Tulad ng iba pang mga gas, ang hydrogen ay namumuo sa mababang temperatura sa isang walang kulay na transparent na likido, ito ay nangyayari sa temperatura na - 252.8°C. Kapag ang temperatura ay umabot sa -259.2°C, ang hydrogen ay nagki-kristal sa anyo ng mga puting kristal, katulad ng niyebe.

Hindi tulad ng oxygen, ang hydrogen ay hindi nagpapakita ng allotropy.

Paglalapat ng hydrogen

Ginagamit ang hydrogen sa iba't ibang industriya. Maraming hydrogen ang napupunta sa paggawa ng ammonia (NH3). Mula sa ammonia, nitrogen fertilizers, synthetic fibers at plastics, at mga gamot ay nakukuha.

Sa industriya ng pagkain, ang hydrogen ay ginagamit sa paggawa ng margarine, na naglalaman ng matitigas na taba. Upang makuha ang mga ito mula sa mga likidong taba, ang hydrogen ay ipinapasa sa kanila.

Kapag ang hydrogen ay nasusunog sa oxygen, ang temperatura ng apoy ay halos 2500°C. Sa temperatura na ito, ang mga refractory metal ay maaaring matunaw at welded. Kaya, ang hydrogen ay ginagamit sa hinang.

Ang pinaghalong likidong hydrogen at oxygen ay ginagamit bilang rocket fuel.

Sa kasalukuyan, maraming mga bansa ang nagsimula ng pagsasaliksik sa pagpapalit ng hindi nababagong mga mapagkukunan ng enerhiya (langis, gas, karbon) ng hydrogen. Kapag ang hydrogen ay sinunog sa oxygen, isang environment friendly na produkto ay nabuo - tubig, at hindi carbon dioxide, na nagiging sanhi ng greenhouse effect.

Iminumungkahi ng mga siyentipiko na sa kalagitnaan ng ika-21 siglo, dapat magsimula ang mass production ng mga sasakyang pinapagana ng hydrogen. Ang mga cell ng gasolina ng sambahayan, na ang trabaho ay batay din sa oksihenasyon ng hydrogen na may oxygen, ay makakahanap ng malawak na aplikasyon.

Sa pagtatapos ng ika-19 at simula ng ika-20 siglo, sa bukang-liwayway ng panahon ng aeronautics, ang mga balloon, airship at balloon ay napuno ng hydrogen, dahil ito ay mas magaan kaysa sa hangin. Gayunpaman, ang panahon ng mga airship ay nagsimulang mabilis na lumabo sa nakaraan pagkatapos ng kalamidad na nangyari sa airship Hindenburg. Mayo 6, 1937 airship, napuno ng hydrogen, nasunog, na nagresulta sa pagkamatay ng dose-dosenang mga pasahero nito.

Ang hydrogen ay sobrang sumasabog sa ilang partikular na sukat na may oxygen. Ang pagkabigong sumunod sa mga regulasyon sa kaligtasan ay humantong sa pag-aapoy at pagsabog ng airship.

• Hydrogen- ang unang elemento ng kemikal ng Periodic Table ng mga elemento ng kemikal D.I. Mendeleev
• Ang hydrogen ay matatagpuan sa pangkat I, pangunahing subgroup, panahon 1 ng Periodic System
• Hydrogen valency sa mga compound - I
• Hydrogen Walang kulay na gas, walang amoy at walang lasa, halos hindi matutunaw sa tubig
• Hydrogen- ang pinakamagaan na gas
• Ang likido at solid na hydrogen ay ginawa sa mababang temperatura
• Ang hydrogen ay maaaring matunaw sa mga metal
• Ang mga aplikasyon ng hydrogen ay iba-iba

Mga kemikal na katangian ng hydrogen

Sa ilalim ng normal na mga kondisyon, ang molecular Hydrogen ay medyo hindi aktibo, direktang pinagsama sa mga pinaka-aktibong nonmetals lamang (na may fluorine, at sa liwanag din na may chlorine). Gayunpaman, kapag pinainit, ito ay tumutugon sa maraming elemento.

Ang hydrogen ay tumutugon sa simple at kumplikadong mga sangkap:

- Pakikipag-ugnayan ng hydrogen sa mga metal humahantong sa pagbuo ng mga kumplikadong sangkap - hydride, sa mga pormula ng kemikal kung saan palaging nauuna ang metal na atom:

Sa mataas na temperatura, direktang tumutugon ang hydrogen na may ilang mga metal(alkaline, alkaline earth at iba pa), na bumubuo ng mga puting kristal na sangkap - metal hydride (Li H, Na H, KH, CaH 2, atbp.):

H 2 + 2Li = 2LiH

Ang mga metal hydride ay madaling mabulok ng tubig na may pagbuo ng kaukulang alkali at hydrogen:

Sa H 2 + 2H 2 O \u003d Ca (OH) 2 + 2H 2

- Kapag ang hydrogen ay nakikipag-ugnayan sa mga di-metal nabubuo ang mga pabagu-bagong compound ng hydrogen. Sa kemikal na pormula ng isang pabagu-bagong hydrogen compound, ang hydrogen atom ay maaaring nasa una o sa pangalawang lugar, depende sa lokasyon sa PSCE (tingnan ang plato sa slide):

1). May oxygen Ang hydrogen ay bumubuo ng tubig:

Video na "Pagsunog ng hydrogen"

2H 2 + O 2 \u003d 2H 2 O + Q

Sa ordinaryong temperatura, ang reaksyon ay nagpapatuloy nang napakabagal, sa itaas ng 550 ° C - na may isang pagsabog (tinatawag na pinaghalong 2 volume ng H 2 at 1 volume ng O 2 sumasabog na gas) .

Video "Pagsabog ng sumasabog na gas"

Video "Paghahanda at pagsabog ng isang paputok na timpla"

2). Sa mga halogens Ang hydrogen ay bumubuo ng hydrogen halides, halimbawa:

H 2 + Cl 2 \u003d 2HCl

Ang hydrogen ay sumasabog na may fluorine (kahit na sa dilim at sa -252°C), tumutugon lamang sa chlorine at bromine kapag naiilaw o pinainit, at may yodo lamang kapag pinainit.

3). Sa nitrogen Ang hydrogen ay tumutugon sa pagbuo ng ammonia:

ZN 2 + N 2 \u003d 2NH 3

lamang sa isang katalista at sa mataas na temperatura at presyon.

apat). Kapag pinainit, ang hydrogen ay tumutugon nang masigla na may asupre:

H 2 + S \u003d H 2 S (hydrogen sulfide),

mas mahirap sa selenium at tellurium.

5). na may purong carbon Ang hydrogen ay maaaring tumugon nang walang katalista lamang sa mataas na temperatura:

2H 2 + C (amorphous) = CH 4 (methane)

- Ang hydrogen ay pumapasok sa isang substitution reaction na may mga metal oxide , habang ang tubig ay nabuo sa mga produkto at ang metal ay nababawasan. Hydrogen - nagpapakita ng mga katangian ng isang ahente ng pagbabawas:

Ginagamit ang hydrogen para sa pagbawi ng maraming mga metal, dahil inaalis nito ang oxygen mula sa kanilang mga oxide:

Fe 3 O 4 + 4H 2 \u003d 3Fe + 4H 2 O, atbp.

Paglalapat ng hydrogen

Video na "Paggamit ng hydrogen"

Sa kasalukuyan, ang hydrogen ay ginawa sa napakalaking dami. Ang isang napakalaking bahagi nito ay ginagamit sa synthesis ng ammonia, ang hydrogenation ng mga taba at ang hydrogenation ng karbon, langis at hydrocarbons. Bilang karagdagan, ang hydrogen ay ginagamit para sa synthesis ng hydrochloric acid, methyl alcohol, hydrocyanic acid, sa welding at forging metal, pati na rin sa paggawa ng mga incandescent lamp at mahalagang bato. Ang hydrogen ay ibinebenta sa mga cylinder sa ilalim ng presyon na higit sa 150 atm. Ang mga ito ay pininturahan ng madilim na berde at nilagyan ng pulang inskripsiyon na "Hydrogen".

Ginagamit ang hydrogen upang i-convert ang mga likidong taba sa solidong taba (hydrogenation), upang makabuo ng mga likidong panggatong sa pamamagitan ng hydrogenating ng karbon at langis ng gasolina. Sa metalurhiya, ang hydrogen ay ginagamit bilang isang pampababa ng ahente para sa mga oxide o chlorides upang makagawa ng mga metal at non-metal (germanium, silicon, gallium, zirconium, hafnium, molibdenum, tungsten, atbp.).

Ang praktikal na aplikasyon ng hydrogen ay magkakaiba: karaniwan itong puno ng mga lobo, sa industriya ng kemikal nagsisilbi itong hilaw na materyal para sa paggawa ng maraming napakahalagang produkto (ammonia, atbp.), Sa industriya ng pagkain - para sa produksyon ng solid mga taba mula sa mga langis ng gulay, atbp. Ang mataas na temperatura (hanggang sa 2600 °C), na nakuha sa pamamagitan ng pagsunog ng hydrogen sa oxygen, ay ginagamit upang matunaw ang mga refractory na metal, kuwarts, atbp. Ang likidong hydrogen ay isa sa pinakamabisang jet fuel. Ang taunang pagkonsumo ng hydrogen sa mundo ay lumampas sa 1 milyong tonelada.

MGA SIMULATOR

No. 2. Hydrogen

MGA GAWAIN PARA SA PAGPAPALAKAS

Gawain bilang 1
Gawin ang mga equation para sa mga reaksyon ng pakikipag-ugnayan ng hydrogen sa mga sumusunod na sangkap: F 2 , Ca, Al 2 O 3 , mercury oxide (II), tungsten oxide (VI). Pangalanan ang mga produkto ng reaksyon, ipahiwatig ang mga uri ng mga reaksyon.

Gawain bilang 2
Isagawa ang mga pagbabago ayon sa scheme:
H 2 O -> H 2 -> H 2 S -> SO 2

Gawain bilang 3.
Kalkulahin ang masa ng tubig na maaaring makuha sa pamamagitan ng pagsunog ng 8 g ng hydrogen?

pamamahagi sa kalikasan. Ang V. ay malawak na ipinamamahagi sa kalikasan, ang nilalaman nito sa crust ng lupa (ang lithosphere at hydrosphere) ay 1% sa pamamagitan ng masa at 16% sa pamamagitan ng bilang ng mga atomo. Ang V. ay isang bahagi ng pinakakaraniwang sangkap sa Earth - tubig (11.19% ng V. ayon sa masa), sa komposisyon ng mga compound na bumubuo sa mga uling, langis, natural na gas, luad, pati na rin ang mga organismo ng hayop at halaman (i.e. , sa komposisyon ng mga protina, nucleic acid, taba, carbohydrates, atbp.). Sa malayang estado, ang V. ay napakabihirang, ito ay matatagpuan sa maliit na dami sa bulkan at iba pang natural na gas. Ang kaunting halaga ng libreng V. (0.0001% ayon sa bilang ng mga atom) ay nasa atmospera. Sa malapit-Earth space, ang V. sa anyo ng isang stream ng mga proton ay bumubuo ng panloob ("proton") radiation belt ng Earth. Sa espasyo, ang V. ang pinakakaraniwang elemento. Sa anyo ng plasma, bumubuo ito ng halos kalahati ng masa ng Araw at karamihan sa mga bituin, ang pangunahing bahagi ng mga gas ng interstellar medium at gaseous nebulae. Ang V. ay naroroon sa atmospera ng isang bilang ng mga planeta at sa mga kometa sa anyo ng libreng H2, methane CH4, ammonia NH3, tubig H2O, mga radical tulad ng CH, NH, OH, SiH, PH, atbp. Sa anyo ng isang stream ng mga proton, ang V. ay bahagi ng corpuscular radiation ng Araw at mga cosmic ray.

Isotopes, atom at molekula. Ang Ordinaryong V. ay binubuo ng pinaghalong dalawang stable isotopes: light V., o protium (1H), at heavy V., o deuterium (2H, o D). Sa mga natural na compound ng V., mayroong average na 6,800 1H atoms bawat 1 2H atom. Ang isang radioactive isotope ay artipisyal na nakuha - superheavy B., o tritium (3H, o T), na may malambot na β-radiation at kalahating buhay na T1 / 2 = 12.262 taon. Sa likas na katangian, ang tritium ay nabuo, halimbawa, mula sa atmospheric nitrogen sa ilalim ng pagkilos ng cosmic ray neutrons; ito ay bale-wala sa atmospera (4-10-15% ng kabuuang bilang ng mga atom ng hangin). Isang napaka-hindi matatag na 4H isotope ay nakuha. Ang mga mass number ng isotopes 1H, 2H, 3H at 4H, ayon sa pagkakabanggit 1,2, 3 at 4, ay nagpapahiwatig na ang nucleus ng protium atom ay naglalaman lamang ng 1 proton, deuterium - 1 proton at 1 neutron, tritium - 1 proton at 2 neutrons, 4H - 1 proton at 3 neutrons. Ang malaking pagkakaiba sa mga masa ng isotopes ng hydrogen ay nagiging sanhi ng isang mas kapansin-pansing pagkakaiba sa kanilang pisikal at kemikal na mga katangian kaysa sa kaso ng mga isotopes ng iba pang mga elemento.

Ang atom V. ay may pinakasimpleng istraktura sa mga atomo ng lahat ng iba pang elemento: ito ay binubuo ng isang nucleus at isang elektron. Ang nagbubuklod na enerhiya ng isang electron na may nucleus (potensyal ng ionization) ay 13.595 eV. Ang neutral na atom V. ay maaari ding mag-attach ng pangalawang electron, na bumubuo ng negatibong ion H-; sa kasong ito, ang nagbubuklod na enerhiya ng pangalawang electron na may neutral na atom (electron affinity) ay 0.78 eV. Ginagawang posible ng quantum mechanics na kalkulahin ang lahat ng posibleng antas ng enerhiya ng atom, at, dahil dito, upang magbigay ng kumpletong interpretasyon ng atomic spectrum nito. Ang V atom ay ginagamit bilang isang modelo ng atom sa quantum mechanical kalkulasyon ng mga antas ng enerhiya ng iba pang mas kumplikadong mga atom. Ang B. H2 molecule ay binubuo ng dalawang atoms na konektado ng isang covalent chemical bond. Ang enerhiya ng dissociation (i.e., pagkabulok sa mga atom) ay 4.776 eV (1 eV = 1.60210-10-19 J). Ang interatomic na distansya sa posisyon ng equilibrium ng nuclei ay 0.7414-Å. Sa mataas na temperatura, ang molecular V. dissociates sa atoms (ang antas ng dissociation sa 2000°C ay 0.0013; sa 5000°C ito ay 0.95). Atomic V. ay nabuo din sa iba't ibang mga kemikal na reaksyon (halimbawa, sa pamamagitan ng pagkilos ng Zn sa hydrochloric acid). Gayunpaman, ang pagkakaroon ng V. sa atomic state ay tumatagal lamang ng maikling panahon, ang mga atom ay muling pinagsama sa H2 molecule.

Mga katangiang pisikal at kemikal. V. - ang pinakamagaan sa lahat ng kilalang sangkap (14.4 beses na mas magaan kaysa sa hangin), density 0.0899 g / l sa 0 ° C at 1 atm. V. boils (liquefies) at melts (solidifies) sa -252.6°C at -259.1°C, ayon sa pagkakabanggit (tanging helium ang may mas mababang melting at boiling point). Ang kritikal na temperatura ng V. ay napakababa (-240 ° C), kaya ang liquefaction nito ay nauugnay sa malaking kahirapan; kritikal na presyon 12.8 kgf/cm2 (12.8 atm), kritikal na density 0.0312 g/cm3. Sa lahat ng mga gas, ang V. ay may pinakamataas na thermal conductivity, katumbas ng 0.174 W / (m-K) sa 0 ° C at 1 atm, i.e. 4.16-0-4 cal / (s-cm- ° C). Ang tiyak na kapasidad ng init ng V. sa 0 ° C at 1 atm Cp 14.208-103 j / (kg-K), i.e. 3.394 cal / (g- ° C). V. bahagyang natutunaw sa tubig (0.0182 ml / g sa 20 ° C at 1 atm), ngunit mahusay - sa maraming mga metal (Ni, Pt, Pd, atbp.), lalo na sa paleydyum (850 volume bawat 1 dami ng Pd) . Ang solubility ng V. sa mga metal ay iniuugnay sa kakayahang mag-diffuse sa kanila; Ang pagsasabog sa pamamagitan ng isang carbonaceous na haluang metal (halimbawa, bakal) ay minsan ay sinasamahan ng pagkasira ng haluang metal dahil sa pakikipag-ugnayan ng bakal sa carbon (ang tinatawag na decarbonization). Ang likidong tubig ay napakagaan (density sa -253°C 0.0708 g/cm3) at tuluy-tuloy (lagkit sa -253°C 13.8 centigrade).

Sa karamihan ng mga compound, ang V. ay nagpapakita ng isang valency (mas tiyak, isang estado ng oksihenasyon) ng +1, tulad ng sodium at iba pang mga alkali na metal; kadalasan siya ay itinuturing bilang isang analogue ng mga metal na ito, heading 1 gr. Mga sistema ni Mendeleev. Gayunpaman, sa metal hydride, ang B. ion ay negatibong sisingilin (estado ng oksihenasyon -1), iyon ay, ang Na + H- hydride ay itinayo tulad ng Na + Cl- chloride. Ito at ilang iba pang mga katotohanan (ang pagiging malapit ng mga pisikal na katangian ng V. at mga halogens, ang kakayahan ng mga halogens na palitan ang V. sa mga organikong compound) ay nagbibigay ng dahilan upang maiugnay ang V. din sa pangkat VII ng periodic system (para sa higit pang mga detalye, tingnan ang ang periodic system ng mga elemento). Sa ilalim ng normal na mga kondisyon, ang molecular V. ay medyo hindi aktibo, na direktang pinagsama sa mga pinaka-aktibo lamang sa mga nonmetals (na may fluorine, at sa liwanag na may chlorine). Gayunpaman, kapag pinainit, ito ay tumutugon sa maraming elemento. Ang Atomic V. ay tumaas ang aktibidad ng kemikal kumpara sa molecular V.. V. bumubuo ng tubig na may oxygen: H2 + 1 / 2O2 = H2O na may paglabas ng 285.937-103 J / mol, i.e. 68.3174 kcal / mol ng init (sa 25 ° C at 1 atm). Sa ordinaryong temperatura, ang reaksyon ay nagpapatuloy nang napakabagal, sa itaas ng 550 ° C - na may isang pagsabog. Ang mga sumasabog na limitasyon ng pinaghalong hydrogen-oxygen ay (sa dami) mula 4 hanggang 94% H2, at ang hydrogen-air mixture ay mula 4 hanggang 74% H2 (isang pinaghalong 2 volume ng H2 at 1 volume ng O2 ay tinatawag na explosive gas). Ang V. ay ginagamit upang bawasan ang maraming metal, dahil inaalis nito ang oxygen mula sa kanilang mga oxide:

CuO + H2 \u003d Cu + H2O,
Fe3O4 + 4H2 = 3Fe + 4H2O, atbp.
V. bumubuo ng hydrogen halides na may mga halogen, halimbawa:
H2 + Cl2 = 2HCl.

Kasabay nito, ito ay sumasabog na may fluorine (kahit na sa dilim at sa -252°C), tumutugon lamang sa chlorine at bromine kapag naiilaw o pinainit, at may yodo lamang kapag pinainit. V. nakikipag-ugnayan sa nitrogen upang bumuo ng ammonia: 3H2 + N2 = 2NH3 lamang sa isang katalista at sa mataas na temperatura at presyon. Kapag pinainit, ang V. ay tumutugon nang malakas sa asupre: H2 + S = H2S (hydrogen sulfide), mas mahirap sa selenium at tellurium. Ang V. ay maaaring tumugon sa purong carbon na walang katalista lamang sa mataas na temperatura: 2H2 + C (amorphous) = CH4 (methane). V. direktang tumutugon sa ilang mga metal (alkali, alkaline earth, atbp.), na bumubuo ng mga hydride: H2 + 2Li = 2LiH. Ang malaking praktikal na kahalagahan ay ang mga reaksyon ng carbon monoxide na may carbon monoxide, kung saan, depende sa temperatura, presyon, at katalista, ang iba't ibang mga organikong compound ay nabuo, halimbawa, HCHO, CH3OH, at iba pa (tingnan ang Carbon monoxide). Ang unsaturated hydrocarbons ay tumutugon sa hydrogen, nagiging saturated, halimbawa: CnH2n + H2 = CnH2n+2 (tingnan ang Hydrogenation).