Hiđro là một nguyên tố hóa học có ký hiệu H và số hiệu nguyên tử 1. Với trọng lượng nguyên tử tiêu chuẩn khoảng 1,008, hiđro là nguyên tố nhẹ nhất trong bảng tuần hoàn. Dạng cấu trúc của nó (H) là hóa chất phong phú nhất trong vũ trụ, chiếm khoảng 75% tổng khối lượng của một baryon. Các ngôi sao chủ yếu được cấu tạo từ hydro ở trạng thái plasma. Đồng vị phổ biến nhất của hydro, được gọi là proti (tên này hiếm khi được sử dụng, ký hiệu 1H), có một proton và không có neutron. Sự xuất hiện rộng rãi của hydro nguyên tử lần đầu tiên xảy ra trong kỷ nguyên tái tổ hợp. Ở nhiệt độ và áp suất tiêu chuẩn, hiđro là một khí điatomic không màu, không mùi, không vị, không độc, không kim loại, dễ cháy, có công thức phân tử H2. Vì hydro dễ dàng tạo liên kết cộng hóa trị với hầu hết các nguyên tố phi kim loại, nên phần lớn hydro trên Trái đất tồn tại ở dạng phân tử như nước hoặc các hợp chất hữu cơ. Hydro đóng một vai trò đặc biệt quan trọng trong các phản ứng axit-bazơ vì hầu hết các phản ứng dựa trên axit liên quan đến sự trao đổi proton giữa các phân tử hòa tan. Trong các hợp chất ion, hydro có thể ở dạng điện tích âm (tức là anion) và được gọi là hyđrua, hoặc dưới dạng một loại mang điện tích dương (tức là cation), được ký hiệu bằng ký hiệu H +. Cation hydro được mô tả là được tạo thành từ một proton đơn giản, nhưng các cation hydro thực tế trong các hợp chất ion luôn phức tạp hơn. Là nguyên tử trung hòa duy nhất mà phương trình Schrödinger có thể giải được về mặt phân tích, hydro (cụ thể là nghiên cứu năng lượng và liên kết của nguyên tử nó) đã đóng một vai trò quan trọng trong sự phát triển của cơ học lượng tử. Khí hydro lần đầu tiên được sản xuất nhân tạo vào đầu thế kỷ 16 bằng phản ứng của axit với kim loại. Năm 1766-81. Henry Cavendish là người đầu tiên công nhận rằng khí hydro là một chất rời rạc, và nó tạo ra nước khi bị đốt cháy, do đó có tên: hydro trong tiếng Hy Lạp có nghĩa là "nhà sản xuất nước". Quá trình sản xuất hydro trong công nghiệp chủ yếu liên quan đến quá trình chuyển hóa hơi nước của khí tự nhiên và ít thường xuyên hơn với các phương pháp sử dụng nhiều năng lượng hơn như điện phân nước. Hầu hết hydro được sử dụng gần nơi nó được sản xuất, với hai cách sử dụng phổ biến nhất là chế biến nhiên liệu hóa thạch (ví dụ hydrocracking) và sản xuất amoniac, chủ yếu cho thị trường phân bón. Hydro là một mối quan tâm trong luyện kim vì nó có thể làm giòn nhiều kim loại, gây khó khăn cho việc thiết kế đường ống và bể chứa.

Đặc tính

Đốt cháy

Khí hiđro (đihiđro hoặc hiđro phân tử) là một chất khí dễ cháy sẽ cháy trong không khí với một khoảng nồng độ rất rộng từ 4% đến 75% thể tích. Entanpi của quá trình đốt cháy là 286 kJ / mol:

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

Khí hydro tạo thành hỗn hợp nổ với không khí với nồng độ từ 4-74% và với clo với nồng độ lên đến 5,95%. Phản ứng nổ có thể do tia lửa, nhiệt hoặc ánh sáng mặt trời gây ra. Nhiệt độ tự bốc cháy của hydro, nhiệt độ tự bốc cháy trong không khí, là 500 ° C (932 ° F). Ngọn lửa hydro-oxy tinh khiết phát ra bức xạ cực tím và với hỗn hợp oxy cao gần như không thể nhìn thấy bằng mắt thường, bằng chứng là chùm tia mờ của động cơ chính của Tàu con thoi so với chùm tia rất dễ nhìn thấy của tên lửa đẩy chất rắn Space Shuttle, sử dụng một hỗn hợp amoni peclorat. Có thể cần một đầu báo cháy để phát hiện rò rỉ hydro đang cháy; rò rỉ như vậy có thể rất nguy hiểm. Ngọn lửa hydro trong các điều kiện khác có màu xanh lam và giống ngọn lửa màu xanh lam của khí tự nhiên. Vụ chìm tàu ​​bay "Hindenburg" là một ví dụ khét tiếng về việc đốt cháy hydro, và vụ việc vẫn đang được thảo luận. Ngọn lửa màu cam có thể nhìn thấy trong sự cố này là do tiếp xúc với hỗn hợp hydro và oxy kết hợp với các hợp chất carbon từ vỏ của khí cầu. H2 phản ứng với mọi nguyên tố có tính oxi hóa. Hydro có thể phản ứng tự phát ở nhiệt độ phòng với clo và flo để tạo thành hydro halogenua tương ứng, hydro clorua và hydro florua, đây cũng là những axit có khả năng gây nguy hiểm.

Mức năng lượng electron

Mức năng lượng trạng thái cơ bản của electron trong nguyên tử hydro là −13,6 eV, tương đương với một photon tử ngoại có bước sóng khoảng 91 nm. Các mức năng lượng của hydro có thể được tính toán khá chính xác bằng cách sử dụng mô hình Bohr của nguyên tử, mô hình này coi electron như một proton "quỹ đạo", tương tự như quỹ đạo của Trái đất trên Mặt trời. Tuy nhiên, electron và proton nguyên tử được giữ lại với nhau bằng lực điện từ, trong khi các hành tinh và thiên thể được giữ với nhau bằng lực hấp dẫn. Do sự tùy tiện của mômen động lượng được Bohr định nghĩa trong cơ học lượng tử ban đầu, nên electron trong mô hình của Bohr chỉ có thể chiếm một số khoảng cách cho phép nhất định từ proton, và do đó chỉ có một số năng lượng cho phép. Mô tả chính xác hơn về nguyên tử hydro đến từ một xử lý cơ học lượng tử thuần túy sử dụng phương trình Schrödinger, phương trình Dirac hoặc thậm chí là mạch tích hợp Feynman để tính toán phân bố mật độ xác suất của một electron xung quanh một proton. Các phương pháp xử lý phức tạp nhất cho phép người ta thu được các hiệu ứng nhỏ của thuyết tương đối hẹp và phân cực chân không. Trong gia công lượng tử, electron ở trạng thái cơ bản nguyên tử hydro hoàn toàn không có momen xoắn, minh họa "quỹ đạo hành tinh" khác với chuyển động của electron như thế nào.

Các dạng phân tử cơ bản

Có hai đồng phân spin khác nhau của các phân tử hydro điatomic khác nhau về spin tương đối của hạt nhân của chúng. Ở dạng orthohydrogen, spin của hai proton song song và tạo thành trạng thái bộ ba với số lượng tử spin phân tử là 1 (1/2 + 1/2); ở dạng parahydrogen, các spin là đối song song và tạo thành một singlet có số lượng tử spin phân tử là 0 (1/2 1/2). Ở nhiệt độ và áp suất tiêu chuẩn, khí hydro chứa khoảng 25% dạng para và 75% dạng ortho, còn được gọi là "dạng bình thường". Tỷ lệ cân bằng của orthohydrogen và parahydrogen phụ thuộc vào nhiệt độ, nhưng vì dạng ortho là một trạng thái kích thích và có năng lượng cao hơn dạng para, nó không ổn định và không thể được tinh chế. Ở nhiệt độ rất thấp, trạng thái cân bằng hầu như chỉ bao gồm dạng para. Các tính chất nhiệt của pha lỏng và pha khí của parahydrogen tinh khiết khác biệt đáng kể so với ở dạng bình thường do sự khác biệt về nhiệt dung quay, điều này sẽ được thảo luận chi tiết hơn trong các đồng phân spin của hydro. Sự phân biệt cặp ortho / cũng xảy ra trong các phân tử hoặc nhóm chức chứa hydro khác như nước và metylen, nhưng điều này không có ý nghĩa nhiều đối với tính chất nhiệt của chúng. Sự chuyển hóa lẫn nhau không xúc tác giữa para và ortho H2 tăng khi nhiệt độ tăng; do đó H2 ngưng tụ nhanh chóng chứa một lượng lớn ở dạng trực giao năng lượng cao, dạng này chuyển rất chậm sang dạng para. Tỷ lệ ortho / para trong H2 ngưng tụ là một yếu tố quan trọng trong việc điều chế và lưu trữ hydro lỏng: sự chuyển đổi từ ortho thành para là tỏa nhiệt và cung cấp đủ nhiệt để hóa hơi một số chất lỏng hydro, dẫn đến mất vật liệu hóa lỏng. Các chất xúc tác để chuyển đổi ortho-para như oxit sắt, than hoạt tính, amiăng platin, đất hiếm, hợp chất uranium, oxit crom hoặc một số hợp chất niken được sử dụng trong quá trình làm mát bằng hydro.

Giai đoạn

Khí hydro

hydro lỏng

hydro bùn

hydro rắn

hydro kim loại

Kết nối

Các hợp chất hữu cơ và cộng hóa trị

Trong khi H2 không phản ứng mạnh ở điều kiện tiêu chuẩn, nó tạo hợp chất với hầu hết các nguyên tố. Hydro có thể tạo hợp chất với các nguyên tố có độ âm điện lớn hơn, chẳng hạn như halogen (ví dụ F, Cl, Br, I) hoặc oxy; trong các hợp chất này, hydro mang một phần điện tích dương. Khi liên kết với flo, oxy hoặc nitơ, hydro có thể tham gia ở dạng liên kết không cộng hóa trị độ bền trung bình với hydro của các phân tử tương tự khác, một hiện tượng được gọi là liên kết hydro, rất quan trọng đối với sự ổn định của nhiều phân tử sinh học. Hiđro cũng tạo thành các hợp chất với các nguyên tố có độ âm điện nhỏ hơn như kim loại và kim loại, nơi nó mang một phần điện tích âm. Những hợp chất này thường được gọi là hydrua. Hiđro tạo thành nhiều loại hợp chất với cacbon, được gọi là hiđrocacbon, và nhiều loại hợp chất có dị nguyên tử hơn nữa, do sự liên kết phổ biến của chúng với các sinh vật, được gọi là hợp chất hữu cơ. Việc nghiên cứu các đặc tính của chúng là mối quan tâm của hóa học hữu cơ, và việc nghiên cứu chúng trong bối cảnh của các cơ thể sống được gọi là hóa sinh. Theo một số định nghĩa, các hợp chất "hữu cơ" chỉ được chứa cacbon. Tuy nhiên, hầu hết cũng chứa hydro, và vì liên kết carbon-hydro mang lại cho nhóm hợp chất này nhiều đặc điểm hóa học cụ thể của chúng, nên liên kết carbon-hydro được yêu cầu trong một số định nghĩa của từ "hữu cơ" trong hóa học. Hàng triệu hydrocacbon đã được biết đến, và chúng thường được hình thành bằng con đường tổng hợp phức tạp mà hiếm khi liên quan đến hydro nguyên tố.

hydrua

Các hợp chất với hiđro thường được gọi là hiđrua. Thuật ngữ "hiđrua" gợi ý rằng nguyên tử H đã có đặc tính âm hoặc anion, được ký hiệu là H-, và được sử dụng khi hydro tạo thành hợp chất với nguyên tố điện dương hơn. Sự tồn tại của anion hyđrua, được đề xuất bởi Gilbert N. Lewis vào năm 1916 cho các hyđrua chứa muối nhóm 1 và 2, đã được Moers chứng minh vào năm 1920 bằng cách điện phân liti hiđrua nóng chảy (LiH), tạo ra một lượng hiđro theo phương phân tích trên mỗi cực dương. Đối với các hiđrua không phải là kim loại nhóm 1 và 2, thuật ngữ này gây hiểu nhầm do độ âm điện của hiđro thấp. Một ngoại lệ trong hydrua nhóm 2 là BeH2, là chất cao phân tử. Trong hiđrua nhôm liti, anion AlH-4 mang các tâm hiđrua gắn chặt với Al (III). Mặc dù hydrua có thể hình thành ở hầu hết các nguyên tố nhóm chính, số lượng và sự kết hợp của các hợp chất có thể có rất khác nhau; ví dụ, hơn 100 hyđrua borane nhị phân và chỉ một hyđrua nhôm nhị phân được biết đến. Hiđrua indium nhị phân vẫn chưa được xác định, mặc dù tồn tại các phức chất lớn. Trong hóa học vô cơ, hydrua cũng có thể đóng vai trò là phối tử bắc cầu liên kết hai tâm kim loại trong một phức chất phối trí. Chức năng này đặc biệt đặc trưng của các nguyên tố nhóm 13, đặc biệt là trong borane (boron hydrua) và phức nhôm, cũng như trong các nhóm cacborane.

Proton và axit

Quá trình oxy hóa hydro sẽ loại bỏ điện tử của nó và tạo ra H +, không chứa điện tử và không có hạt nhân, thường bao gồm một proton duy nhất. Đây là lý do tại sao H + thường được gọi là proton. Quan điểm này là trọng tâm của cuộc thảo luận về axit. Theo lý thuyết Bronsted-Lowry, axit là chất cho proton và bazơ là chất nhận proton. Proton trần, H +, không thể tồn tại trong dung dịch hoặc trong tinh thể ion vì sức hút không thể cưỡng lại của nó đối với các nguyên tử hoặc phân tử khác bằng electron. Ngoại trừ nhiệt độ cao liên kết với plasmas, các proton như vậy không thể bị tách khỏi các đám mây electron của nguyên tử và phân tử và sẽ vẫn gắn vào chúng. Tuy nhiên, thuật ngữ "proton" đôi khi được sử dụng một cách ẩn dụ để chỉ hydro tích điện dương hoặc cation gắn với các loài khác theo cách này, và như vậy được chỉ định là "H +" mà không có bất kỳ ý nghĩa nào rằng bất kỳ proton riêng lẻ nào tồn tại tự do như một loài. Để tránh sự xuất hiện của một "proton solvat hóa" trần trụi trong dung dịch, các dung dịch nước có tính axit đôi khi được cho là có chứa một loại ít có khả năng hư cấu hơn được gọi là "ion hydronium" (H 3 O +). Tuy nhiên, ngay cả trong trường hợp này, các cation hydro solvat hóa như vậy được nhìn nhận một cách thực tế hơn là các cụm có tổ chức tạo thành các loài gần với H 9O + 4. Các ion oxonium khác được tìm thấy khi nước ở trong dung dịch axit với các dung môi khác. Mặc dù kỳ lạ trên Trái đất, một trong những ion phổ biến nhất trong vũ trụ là H + 3, được gọi là hydro phân tử proton hoặc cation trihydrogen.

đồng vị

Hydro có ba đồng vị trong tự nhiên, được ký hiệu là 1H, 2H và 3H. Các hạt nhân khác không ổn định cao (4H đến 7H) đã được tổng hợp trong phòng thí nghiệm nhưng chưa được quan sát thấy trong tự nhiên. 1H là đồng vị phổ biến nhất của hydro, với độ phong phú hơn 99,98%. Vì hạt nhân của đồng vị này chỉ bao gồm một proton, nên nó được đặt với cái tên mô tả nhưng hiếm khi được sử dụng chính thức là protium. 2H, đồng vị bền khác của hydro, được gọi là đơteri và chứa một proton và một neutron trong hạt nhân. Người ta tin rằng tất cả đơteri trong vũ trụ đều được tạo ra trong vụ nổ Big Bang và tồn tại từ thời điểm đó cho đến nay. Deuterium không phải là một nguyên tố phóng xạ và không gây ra nguy cơ nhiễm độc đáng kể. Nước được làm giàu trong các phân tử bao gồm đơteri thay vì hydro bình thường được gọi là nước nặng. Deuterium và các hợp chất của nó được sử dụng như một nhãn không phóng xạ trong các thí nghiệm hóa học và trong dung môi cho quang phổ 1H-NMR. Nước nặng được sử dụng làm chất điều tiết nơtron và chất làm mát cho các lò phản ứng hạt nhân. Deuterium cũng là một nhiên liệu tiềm năng cho phản ứng tổng hợp hạt nhân thương mại. 3H được gọi là triti và chứa một proton và hai neutron trong hạt nhân. Nó là chất phóng xạ, phân rã thành heli-3 thông qua phân rã beta với chu kỳ bán rã 12,32 năm. Nó có tính phóng xạ đến mức nó có thể được sử dụng trong sơn dạ quang, khiến nó trở nên hữu ích trong việc chế tạo đồng hồ có mặt số dạ quang. Kính ngăn một lượng nhỏ bức xạ thoát ra ngoài. Một lượng nhỏ triti được tạo ra tự nhiên do sự tương tác của các tia vũ trụ với khí trong khí quyển; tritium cũng đã được giải phóng trong quá trình thử nghiệm vũ khí hạt nhân. Nó được sử dụng trong các phản ứng tổng hợp hạt nhân như một chất chỉ thị địa hóa đồng vị và trong các thiết bị chiếu sáng chuyên dụng tự cung cấp năng lượng. Tritium cũng đã được sử dụng trong các thí nghiệm dán nhãn hóa học và sinh học như một nhãn phóng xạ. Hydro là nguyên tố duy nhất có các tên gọi khác nhau cho các đồng vị của nó đang được sử dụng phổ biến ngày nay. Trong quá trình nghiên cứu ban đầu về hiện tượng phóng xạ, nhiều đồng vị phóng xạ nặng khác nhau đã được đặt tên riêng, nhưng những tên như vậy không còn được sử dụng nữa, ngoại trừ đơteri và triti. Các ký hiệu D và T (thay vì 2H và 3H) đôi khi được sử dụng cho đơteri và triti, nhưng ký hiệu tương ứng cho protium P đã được sử dụng cho phốt pho và do đó không có sẵn cho proti. Trong hướng dẫn danh pháp của mình, Liên minh Hóa học Ứng dụng và Tinh khiết Quốc tế cho phép sử dụng bất kỳ ký hiệu nào từ D, T, 2H và 3H, mặc dù 2H và 3H được ưu tiên hơn. Nguyên tử kỳ lạ muonium (ký hiệu Mu), bao gồm một antimuon và một electron, đôi khi cũng được coi là một đồng vị phóng xạ nhẹ của hydro do sự khác biệt về khối lượng giữa antimuon và electron, được phát hiện vào năm 1960. Trong suốt thời gian tồn tại của muon, 2,2 μs, muoni có thể đi vào các hợp chất như muoni clorua (MuCl) hoặc natri muonide (NaMu), tương tự với hydro clorua và natri hydrua, tương ứng.

Câu chuyện

Khám phá và sử dụng

Năm 1671, Robert Boyle phát hiện và mô tả phản ứng giữa mạt sắt và axit loãng tạo ra khí hydro. Năm 1766, Henry Cavendish là người đầu tiên công nhận khí hydro là một chất rời rạc, đặt tên cho khí là "không khí dễ cháy" vì phản ứng kim loại-axit. Ông cho rằng "không khí dễ cháy" trên thực tế giống với một chất giả thuyết được gọi là "phlogiston" và một lần nữa vào năm 1781 người ta đã phát hiện ra rằng chất khí này tạo ra nước khi bị đốt cháy. Người ta tin rằng chính ông đã phát hiện ra hydro như một nguyên tố. Năm 1783, Antoine Lavoisier đặt tên cho nguyên tố này là hydro (từ tiếng Hy Lạp ὑδρο-hydro có nghĩa là "nước" và gen -γενής có nghĩa là "người sáng tạo") khi ông và Laplace tái tạo dữ liệu của Cavendish rằng nước được hình thành khi hydro bị đốt cháy. Lavoisier đã sản xuất hydro cho các thí nghiệm bảo toàn khối lượng của mình bằng cách cho dòng hơi nước phản ứng với sắt kim loại thông qua một ngọn đèn nóng sáng được đốt nóng trong ngọn lửa. Quá trình oxy hóa kỵ khí của sắt bằng proton trong nước ở nhiệt độ cao có thể được biểu diễn bằng sơ đồ bằng một tập hợp các phản ứng sau:

Fe + H2O → FeO + H2

2 Fe + 3 H2O → Fe2O3 + 3 H2

3 Fe + 4 H2O → Fe3O4 + 4 H2

Nhiều kim loại, chẳng hạn như zirconium, trải qua một phản ứng tương tự với nước để tạo ra hydro. Hydro được James Dewar hóa lỏng lần đầu tiên vào năm 1898 bằng cách sử dụng phương pháp làm lạnh tái sinh và phát minh của ông, bình chân không. Năm sau, ông sản xuất hydro rắn. Deuterium được phát hiện vào tháng 12 năm 1931 bởi Harold Uray và tritium được điều chế vào năm 1934 bởi Ernest Rutherford, Mark Oliphant và Paul Harteck. Nước nặng, được tạo thành từ deuterium thay vì hydro thông thường, được phát hiện bởi nhóm của Yurey vào năm 1932. François Isaac de Rivaz đã chế tạo động cơ "Rivaz" đầu tiên, một động cơ đốt trong chạy bằng hydro và oxy, vào năm 1806. Edward Daniel Clark đã phát minh ra ống khí hydro vào năm 1819. Thép của Döbereiner (chiếc bật lửa chính thức đầu tiên) được phát minh vào năm 1823. Khí cầu hydro đầu tiên được phát minh bởi Jacques Charles vào năm 1783. Hydro cung cấp sự phát triển của hình thức giao thông hàng không đáng tin cậy đầu tiên sau khi Henri Giffard phát minh ra khí cầu nâng bằng hydro đầu tiên vào năm 1852. Bá tước Đức Ferdinand von Zeppelin đã thúc đẩy ý tưởng về khí cầu cứng được nâng lên không trung bằng hydro, sau này được gọi là Zeppelins; chiếc đầu tiên trong số này bay lần đầu tiên vào năm 1900. Các chuyến bay theo lịch trình thường xuyên bắt đầu vào năm 1910 và đến khi Chiến tranh thế giới thứ nhất bùng nổ vào tháng 8 năm 1914, họ đã chuyên chở 35.000 hành khách mà không gặp sự cố lớn nào. Trong chiến tranh, khí cầu hydro được sử dụng làm bệ quan sát và máy bay ném bom. Chuyến bay xuyên Đại Tây Dương thẳng đầu tiên được thực hiện bởi khí cầu R34 của Anh vào năm 1919. Dịch vụ hành khách thường xuyên được nối lại vào những năm 1920 và việc phát hiện ra dự trữ heli ở Hoa Kỳ được cho là để cải thiện an toàn hàng không, nhưng chính phủ Hoa Kỳ từ chối bán khí đốt cho mục đích này, vì vậy H2 đã được sử dụng trong khí cầu Hindenburg, vốn đã bị phá hủy trong Đám cháy Milan ở New Jersey ngày 6 tháng 5 năm 1937. Sự việc được truyền hình trực tiếp trên đài và được quay video. Nhiều người cho rằng nguyên nhân của vụ cháy là do rò rỉ hydro, tuy nhiên, nghiên cứu sau đó chỉ ra rằng lớp phủ vải aluminium đã bị bắt lửa bởi tĩnh điện. Nhưng vào thời điểm này, danh tiếng của hydro như một chất khí nâng đã bị hủy hoại. Cùng năm đó, máy phát điện tuabin làm mát bằng hydro đầu tiên với khí hydro làm chất làm mát trong rôto và stato đi vào hoạt động năm 1937 tại Dayton, Ohio, bởi Dayton Power & Light Co; do tính dẫn nhiệt của khí hydro, nó là loại khí phổ biến nhất được sử dụng trong lĩnh vực này ngày nay. Pin niken-hydro lần đầu tiên được sử dụng vào năm 1977 trên Vệ tinh Công nghệ Điều hướng Hoa Kỳ 2 (NTS-2). ISS, Mars Odyssey và Mars Global Surveyor được trang bị pin niken-hydro. Trong phần tối của quỹ đạo, Kính viễn vọng Không gian Hubble cũng được cung cấp năng lượng bởi pin niken-hydro, cuối cùng đã được thay thế vào tháng 5 năm 2009, hơn 19 năm sau khi phóng và 13 năm sau khi chúng được thiết kế.

Vai trò trong lý thuyết lượng tử

Do cấu trúc nguyên tử đơn giản chỉ gồm một proton và một electron, nguyên tử hydro cùng với quang phổ ánh sáng được tạo ra từ hoặc hấp thụ bởi nó, là trung tâm của sự phát triển lý thuyết cấu tạo nguyên tử. Ngoài ra, việc nghiên cứu tính đơn giản tương ứng của phân tử hydro và cation H + 2 tương ứng đã dẫn đến sự hiểu biết về bản chất của liên kết hóa học, điều này đã sớm theo sau quá trình xử lý vật lý của nguyên tử hydro trong cơ học lượng tử vào giữa năm 2020. Một trong những hiệu ứng lượng tử đầu tiên được quan sát rõ ràng (nhưng chưa được hiểu rõ vào thời điểm đó) là quan sát của Maxwell liên quan đến hydro nửa thế kỷ trước khi có một lý thuyết cơ lượng tử đầy đủ. Maxwell lưu ý rằng nhiệt dung riêng của H2 tách khỏi khí diatomic dưới nhiệt độ phòng một cách thuận nghịch và bắt đầu ngày càng giống với nhiệt dung riêng của khí monatomic ở nhiệt độ đông lạnh. Theo lý thuyết lượng tử, hành vi này phát sinh từ khoảng cách của các mức năng lượng quay (lượng tử hóa), đặc biệt là khoảng cách rộng rãi trong H2 do khối lượng của nó thấp. Các mức cách nhau rộng rãi này ngăn cản sự phân chia bằng nhau của nhiệt năng thành chuyển động quay trong hydro ở nhiệt độ thấp. Khí điatom, được cấu tạo từ các nguyên tử nặng hơn, không có các mức cách nhau rộng rãi như vậy và không thể hiện tác dụng tương tự. Antihydrogen là chất tương tự phản vật chất của hydro. Nó bao gồm một phản proton với một positron. Antihydrogen là loại nguyên tử phản vật chất duy nhất thu được tính đến năm 2015.

Ở trong tự nhiên

Hydro là nguyên tố hóa học phong phú nhất trong vũ trụ, chiếm 75% vật chất bình thường theo khối lượng và hơn 90% theo số nguyên tử. (Tuy nhiên, phần lớn khối lượng của vũ trụ không ở dạng nguyên tố hóa học này, mà được cho là có các dạng khối lượng chưa được khám phá như vật chất tối và năng lượng tối.) Nguyên tố này được tìm thấy rất nhiều trong các ngôi sao và Khí khổng lồ. Các đám mây phân tử H2 có liên quan đến sự hình thành sao. Hydro đóng một vai trò quan trọng trong việc biến các ngôi sao thông qua phản ứng proton-proton và phản ứng tổng hợp hạt nhân của chu kỳ CNO. Trên khắp thế giới, hydro chủ yếu xuất hiện ở trạng thái nguyên tử và plasma với các đặc tính hoàn toàn khác với hydro phân tử. Là plasma, electron và proton của hydro không liên kết với nhau, dẫn đến độ dẫn điện rất cao và độ phát xạ cao (tạo ra ánh sáng từ Mặt trời và các ngôi sao khác). Các hạt mang điện bị ảnh hưởng mạnh bởi từ trường và điện trường. Ví dụ, trong gió Mặt trời, chúng tương tác với từ quyển của Trái đất, tạo ra các dòng Birkeland và cực quang. Hydro ở trạng thái nguyên tử trung tính trong môi trường giữa các vì sao. Một lượng lớn hydro trung tính được tìm thấy trong hệ Liman-alpha đang phát triển được cho là chiếm ưu thế về mật độ baryon của Vũ trụ lên đến độ lệch đỏ z = 4. Trong điều kiện bình thường trên Trái đất, hydro nguyên tố tồn tại dưới dạng khí diatomic, H2. Tuy nhiên, khí hydro rất hiếm trong khí quyển trái đất (1 ppm theo thể tích) do trọng lượng nhẹ, cho phép nó thách thức trọng lực của trái đất dễ dàng hơn các khí nặng hơn. Tuy nhiên, hydro là nguyên tố phong phú thứ ba trên bề mặt Trái đất, tồn tại chủ yếu dưới dạng các hợp chất hóa học như hydrocacbon và nước. Khí hydro được tạo ra bởi một số vi khuẩn và tảo và là thành phần tự nhiên của ống sáo, cũng như khí metan, là nguồn cung cấp hydro ngày càng quan trọng. Một dạng phân tử được gọi là hydro phân tử proton hóa (H + 3) được tìm thấy trong môi trường giữa các vì sao, nơi nó được tạo ra bởi sự ion hóa hydro phân tử từ các tia vũ trụ. Ion tích điện này cũng đã được quan sát thấy trong bầu khí quyển phía trên của hành tinh Sao Mộc. Ion tương đối bền trong môi trường do nhiệt độ và mật độ thấp. H + 3 là một trong những ion phong phú nhất trong vũ trụ và đóng một vai trò quan trọng trong hóa học của môi trường giữa các vì sao. Hiđro triat nguyên tử trung tính H3 chỉ có thể tồn tại ở dạng kích thích và không bền. Ngược lại, ion hydro phân tử dương (H + 2) là một phân tử hiếm trong vũ trụ.

Sản xuất hydro

H2 được tạo ra trong các phòng thí nghiệm hóa học và sinh học, thường là sản phẩm phụ của các phản ứng khác; trong công nghiệp để hydro hóa các chất nền không bão hòa; và trong tự nhiên như một phương tiện để thay thế các đương lượng khử trong các phản ứng sinh hóa.

Hơi nước

Hydro có thể được sản xuất theo nhiều cách, nhưng về mặt kinh tế, các quá trình quan trọng nhất liên quan đến việc loại bỏ hydro khỏi hydrocacbon, vì khoảng 95% sản lượng hydro vào năm 2000 là từ quá trình cải tạo hơi nước. Về mặt thương mại, một lượng lớn hydro thường được sản xuất bằng cách chuyển hóa hơi nước của khí tự nhiên. Ở nhiệt độ cao (1000-1400 K, 700-1100 ° C hoặc 1300-2000 ° F) hơi nước (hơi nước) phản ứng với mêtan để tạo ra carbon monoxide và H2.

CH4 + H2O → CO + 3 H2

Phản ứng này hoạt động tốt nhất ở áp suất thấp, nhưng vẫn có thể được thực hiện ở áp suất cao (2,0 MPa, 20 atm hoặc 600 inch thủy ngân). Điều này là do H2 áp suất cao là sản phẩm phổ biến nhất và hệ thống làm sạch quá nhiệt có áp suất hoạt động tốt hơn ở áp suất cao hơn. Hỗn hợp sản phẩm được gọi là "khí tổng hợp" vì nó thường được sử dụng trực tiếp để sản xuất metanol và các hợp chất liên quan. Các hydrocacbon không phải metan có thể được sử dụng để sản xuất khí tổng hợp với các tỷ lệ sản phẩm khác nhau. Một trong những biến chứng của công nghệ được tối ưu hóa cao này là sự hình thành than cốc hoặc carbon:

CH4 → C + 2 H2

Do đó, quá trình cải cách bằng hơi nước thường sử dụng một lượng dư H2O. Hydro bổ sung có thể được thu hồi từ hơi nước bằng cách sử dụng carbon monoxide thông qua phản ứng chuyển dịch khí trong nước, đặc biệt là sử dụng chất xúc tác oxit sắt. Phản ứng này cũng là một nguồn carbon dioxide phổ biến trong công nghiệp:

CO + H2O → CO2 + H2

Các phương pháp quan trọng khác đối với H2 bao gồm quá trình oxy hóa từng phần các hydrocacbon:

2 CH4 + O2 → 2 CO + 4 H2

Và phản ứng than, có thể đóng vai trò như một phần mở đầu cho phản ứng chuyển dịch được mô tả ở trên:

C + H2O → CO + H2

Đôi khi hydro được sản xuất và tiêu thụ trong cùng một quy trình công nghiệp, không có sự phân tách. Trong quy trình Haber để sản xuất amoniac, hydro được tạo ra từ khí tự nhiên. Điện phân dung dịch muối để tạo ra clo cũng tạo ra hiđro như một sản phẩm phụ.

axit kim loại

Trong phòng thí nghiệm, H2 thường được tạo ra bằng cách cho axit loãng không oxy hóa phản ứng với một số kim loại phản ứng như kẽm bằng thiết bị Kipp.

Zn + 2 H + → Zn2 + + H2

Nhôm cũng có thể tạo ra H2 khi xử lý với bazơ:

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

Điện phân nước là một cách đơn giản để sản xuất hydro. Dòng điện có hiệu điện thế thấp chạy qua nước và khí oxi được tạo ra ở cực dương trong khi khí hiđro được tạo ra ở cực âm. Thông thường, cực âm được làm từ bạch kim hoặc một kim loại trơ khác trong quá trình sản xuất hydro để lưu trữ. Tuy nhiên, nếu khí được đốt cháy tại chỗ, thì sự hiện diện của oxy là mong muốn để thúc đẩy quá trình cháy, và do đó cả hai điện cực sẽ được làm bằng kim loại trơ. (Ví dụ, sắt bị oxy hóa và do đó làm giảm lượng oxy thoát ra). Hiệu suất cực đại theo lý thuyết (điện năng sử dụng so với giá trị năng lượng của hydro được tạo ra) nằm trong khoảng 80-94%.

2 H2O (L) → 2 H2 (g) + O2 (g)

Một hợp kim của nhôm và gali ở dạng hạt được thêm vào nước có thể được sử dụng để sản xuất hydro. Quá trình này cũng tạo ra alumin, nhưng gali đắt tiền, ngăn không cho da oxit hình thành trên các viên, có thể được tái sử dụng. Điều này có ý nghĩa tiềm năng quan trọng đối với tính kinh tế của hydro, vì hydro có thể được sản xuất tại chỗ và không cần phải vận chuyển.

Tính chất nhiệt hóa

Có hơn 200 chu kỳ nhiệt hóa có thể được sử dụng để tách nước, khoảng một chục trong số các chu kỳ này, chẳng hạn như chu trình ôxít sắt, chu trình xeri (IV) oxit, chu trình xeri (III) oxit, kẽm oxit chu trình, chu trình iốt lưu huỳnh, chu trình đồng, và chu trình hỗn hợp clo và lưu huỳnh đang được nghiên cứu và thử nghiệm để sản xuất hydro và oxy từ nước và nhiệt mà không cần sử dụng điện. Một số phòng thí nghiệm (bao gồm cả các phòng thí nghiệm ở Pháp, Đức, Hy Lạp, Nhật Bản và Hoa Kỳ) đang phát triển các phương pháp nhiệt hóa để sản xuất hydro từ năng lượng mặt trời và nước.

Ăn mòn kỵ khí

Trong điều kiện yếm khí, hợp kim sắt và thép bị oxy hóa chậm bởi proton của nước trong khi bị khử trong hydro phân tử (H2). Sự ăn mòn kỵ khí của sắt trước hết dẫn đến sự tạo thành hiđroxit sắt (gỉ xanh) và có thể được mô tả bằng phản ứng sau: Fe + 2 H2O → Fe (OH) 2 + H2. Đổi lại, trong điều kiện kỵ khí, sắt hydroxit (Fe (OH) 2) có thể bị oxy hóa bởi proton của nước để tạo thành magnetit và hydro phân tử. Quá trình này được mô tả bằng phản ứng Shikorra: 3 Fe (OH) 2 → Fe3O4 + 2 H2O + H2 sắt hydroxit → magie + nước + hydro. Magietit kết tinh tốt (Fe3O4) bền về mặt nhiệt động học hơn so với hydroxit sắt (Fe (OH) 2). Quá trình này xảy ra trong quá trình ăn mòn kỵ khí sắt thép trong nước ngầm thiếu khí và khi đất được cải tạo dưới mực nước ngầm.

Nguồn gốc địa chất: phản ứng rắn

Trong điều kiện thiếu oxy (O2) trong điều kiện địa chất sâu xa khí quyển Trái đất, hydro (H2) được hình thành trong quá trình tạo rắn bằng quá trình oxy hóa kỵ khí bởi proton nước (H +) của sắt silicat (Fe2 +) có trong mạng tinh thể của fayalit ( Fe2SiO4, minal olivin -gland). Phản ứng tương ứng dẫn đến sự hình thành magnetit (Fe3O4), thạch anh (SiO2) và hydro (H2): 3Fe2SiO4 + 2 H2O → 2 Fe3O4 + 3 SiO2 + 3 H2 fayalit + nước → magnetit + thạch anh + hydro. Phản ứng này gần giống với phản ứng Shikorra được quan sát trong quá trình oxy hóa kỵ khí của hydroxit sắt tiếp xúc với nước.

Hình thành trong máy biến áp

Trong tất cả các loại khí độc hại được tạo ra trong máy biến áp điện, hydro là khí phổ biến nhất và được tạo ra trong phần lớn các sự cố; do đó, sự hình thành hydro là một dấu hiệu ban đầu của các vấn đề nghiêm trọng trong vòng đời của máy biến áp.

Các ứng dụng

Tiêu thụ trong các quy trình khác nhau

Một lượng lớn H2 cần thiết trong các ngành công nghiệp dầu khí và hóa chất. Việc sử dụng H2 nhiều nhất là để chế biến (“nâng cấp”) nhiên liệu hóa thạch và sản xuất amoniac. Trong các nhà máy hóa dầu, H2 được sử dụng trong quá trình hydrodealkyl hóa, hydro hóa lưu huỳnh hóa và hydrocracking. H2 có một số công dụng quan trọng khác. H2 được sử dụng như một tác nhân hydro hóa, đặc biệt để tăng mức độ bão hòa của chất béo và dầu không bão hòa (có trong các sản phẩm như bơ thực vật), và trong sản xuất metanol. Nó cũng là một nguồn cung cấp hydro trong sản xuất axit clohydric. H2 còn được dùng làm chất khử quặng kim loại. Hydro có khả năng hòa tan cao trong nhiều đất hiếm và kim loại chuyển tiếp, đồng thời hòa tan trong cả kim loại tinh thể nano và kim loại vô định hình. Độ hòa tan của hydro trong kim loại phụ thuộc vào sự biến dạng cục bộ hoặc các tạp chất trong mạng tinh thể. Điều này có thể hữu ích khi hydro được tinh chế bằng cách đi qua các đĩa palađi nóng, nhưng độ hòa tan cao của khí là một vấn đề luyện kim có thể làm nhúng nhiều kim loại, làm phức tạp thiết kế đường ống và bể chứa. Ngoài việc được sử dụng làm thuốc thử, H2 có rất nhiều ứng dụng trong vật lý và kỹ thuật. Nó được sử dụng làm khí che chắn trong các phương pháp hàn như hàn hydro nguyên tử. H2 được sử dụng làm chất làm mát rôto trong máy phát điện ở các nhà máy điện vì nó có độ dẫn nhiệt cao nhất so với bất kỳ loại khí nào. H2 lỏng được sử dụng trong nghiên cứu đông lạnh, bao gồm cả nghiên cứu về hiện tượng siêu dẫn. Vì H2 nhẹ hơn không khí, với tỷ trọng chỉ hơn 1/14 của không khí, nên nó đã từng được sử dụng rộng rãi như một chất khí nâng trong bóng bay và khí cầu. Trong các ứng dụng mới hơn, hydro được sử dụng gọn gàng hoặc trộn với nitơ (đôi khi được gọi là khí định hình) làm khí đánh dấu để phát hiện rò rỉ tức thì. Hydro được sử dụng trong các ngành công nghiệp ô tô, hóa chất, năng lượng, hàng không vũ trụ và viễn thông. Hydro là một chất phụ gia thực phẩm được phép sử dụng (E 949) cho phép kiểm tra rò rỉ thực phẩm, trong số các đặc tính chống oxy hóa khác. Các đồng vị hiếm của hydro cũng có những công dụng cụ thể. Deuterium (hydro-2) được sử dụng trong các ứng dụng phân hạch hạt nhân như một chất điều hòa nơtron chậm và trong các phản ứng tổng hợp hạt nhân. Các hợp chất đơteri được sử dụng trong lĩnh vực hóa học và sinh học trong việc nghiên cứu các hiệu ứng đồng vị của phản ứng. Tritium (hydro-3), được sản xuất trong lò phản ứng hạt nhân, được sử dụng trong sản xuất bom khinh khí, làm chất đánh dấu đồng vị trong khoa học sinh học và là nguồn bức xạ trong sơn dạ quang. Nhiệt độ điểm ba của hydro cân bằng là điểm cố định xác định trên thang nhiệt độ ITS-90 ở 13,8033 Kelvin.

Môi trường làm mát

Hydro thường được sử dụng trong các nhà máy điện như một chất làm lạnh trong máy phát điện do một số đặc tính thuận lợi là kết quả trực tiếp của các phân tử tảo cát nhẹ của nó. Chúng bao gồm mật độ thấp, độ nhớt thấp và nhiệt dung riêng và độ dẫn nhiệt cao nhất so với bất kỳ loại khí nào.

Chất mang năng lượng

Hydro không phải là một nguồn năng lượng, ngoại trừ trong bối cảnh giả định là các nhà máy điện nhiệt hạch thương mại sử dụng deuterium hoặc tritium, một công nghệ hiện chưa hoàn thiện. Năng lượng của Mặt trời đến từ phản ứng tổng hợp hạt nhân của hydro, nhưng quá trình này rất khó thực hiện trên Trái đất. Hydro nguyên tố từ các nguồn năng lượng mặt trời, sinh học hoặc điện cần nhiều năng lượng hơn để tạo ra nó hơn là để đốt cháy nó, vì vậy trong những trường hợp này, hydro hoạt động như một chất mang năng lượng, tương tự như pin. Hydro có thể được lấy từ các nguồn hóa thạch (chẳng hạn như mêtan), nhưng những nguồn này là cạn kiệt. Mật độ năng lượng trên một đơn vị thể tích của cả hydro lỏng và hydro khí nén ở bất kỳ áp suất thực tế nào có thể đạt được đều ít hơn đáng kể so với các nguồn năng lượng thông thường, mặc dù mật độ năng lượng trên một đơn vị khối lượng nhiên liệu cao hơn. Tuy nhiên, nguyên tố hydro đã được thảo luận rộng rãi trong bối cảnh năng lượng như một chất mang năng lượng có thể có trong tương lai trên toàn nền kinh tế. Ví dụ, hấp thụ CO2 sau đó là thu giữ và lưu trữ carbon có thể được thực hiện tại điểm sản xuất H2 từ nhiên liệu hóa thạch. Hydro được sử dụng trong giao thông sẽ đốt cháy tương đối sạch, với một số phát thải NOx nhưng không thải ra carbon. Tuy nhiên, chi phí cơ sở hạ tầng liên quan đến việc chuyển đổi hoàn toàn sang nền kinh tế hydro sẽ rất đáng kể. Pin nhiên liệu có thể biến hydro và oxy trực tiếp thành điện năng hiệu quả hơn so với động cơ đốt trong.

Ngành công nghiệp bán dẫn

Hydro được sử dụng để bão hòa các liên kết lơ lửng của silicon vô định hình và carbon vô định hình, giúp ổn định các đặc tính của vật liệu. Nó cũng là chất cho điện tử tiềm năng trong các vật liệu oxit khác nhau bao gồm ZnO, SnO2, CdO, MgO, ZrO2, HfO2, La2O3, Y2O3, TiO2, SrTiO3, LaAlO3, SiO2, Al2O3, ZrSiO4, HfSiO4 và SrZrO3.

phản ứng sinh học

H2 là sản phẩm của một số quá trình chuyển hóa kỵ khí và được tạo ra bởi một số vi sinh vật, thường thông qua các phản ứng được xúc tác bởi sắt hoặc niken có chứa các enzym gọi là hydrogenaza. Các enzym này xúc tác phản ứng oxi hóa khử thuận nghịch giữa H2 với hai thành phần proton và hai electron của nó. Việc tạo ra khí hydro xảy ra bằng cách chuyển các chất khử tương đương được tạo ra bởi quá trình lên men pyruvate thành nước. Chu trình tự nhiên của quá trình sản xuất và tiêu thụ hydro của các sinh vật được gọi là chu trình hydro. Sự tách nước, quá trình nước bị phân hủy thành các proton, electron và oxy, xảy ra trong các phản ứng ánh sáng ở tất cả các sinh vật quang hợp. Một số sinh vật như vậy, bao gồm tảo Chlamydomonas Reinhardtii và vi khuẩn lam, đã tiến hóa giai đoạn thứ hai trong phản ứng tối, trong đó proton và electron bị khử để tạo thành khí H2 bởi các hydrogenase chuyên biệt trong lục lạp. Các nỗ lực đã được thực hiện để biến đổi gen hydrase của vi khuẩn lam để tổng hợp hiệu quả khí H2 ngay cả khi có oxy. Các nỗ lực cũng đã được thực hiện bằng cách sử dụng tảo biến đổi gen trong lò phản ứng sinh học.

Hydrogen H là một nguyên tố hóa học, một trong những nguyên tố phổ biến nhất trong Vũ trụ của chúng ta. Khối lượng của hiđro là một nguyên tố trong thành phần của các chất bằng 75% tổng khối lượng của các nguyên tử thuộc loại khác. Nó được bao gồm trong kết nối quan trọng nhất và quan trọng nhất trên hành tinh - nước. Một đặc điểm khác biệt của hydro là nó là nguyên tố đầu tiên trong hệ thống tuần hoàn các nguyên tố hóa học của D. I. Mendeleev.

Khám phá và khám phá

Các tài liệu tham khảo đầu tiên về hydro trong các tác phẩm của Paracelsus có từ thế kỷ XVI. Nhưng sự cô lập của nó với hỗn hợp khí của không khí và việc nghiên cứu các đặc tính dễ cháy đã được nhà khoa học Lemery thực hiện vào thế kỷ XVII. Hydro được nghiên cứu kỹ lưỡng bởi một nhà hóa học, vật lý và nhà tự nhiên học người Anh, người đã chứng minh bằng thực nghiệm rằng khối lượng của hydro là nhỏ nhất so với các khí khác. Trong các giai đoạn phát triển tiếp theo của khoa học, nhiều nhà khoa học đã làm việc với ông, đặc biệt là Lavoisier, người đã gọi ông là “người sinh ra nước”.

Đặc điểm theo vị trí trong PSCE

Nguyên tố mở đầu bảng tuần hoàn D. I. Mendeleev là hydro. Các tính chất vật lý và hóa học của nguyên tử cho thấy một số tính chất hai mặt, vì hiđrô đồng thời được gán cho nhóm đầu tiên, nhóm phụ chính, nếu nó hoạt động giống như một kim loại và nhường một điện tử duy nhất trong quá trình phản ứng hóa học, và thứ bảy - trong trường hợp lấp đầy hoàn toàn lớp vỏ hóa trị, tức là hạt âm tiếp nhận, đặc điểm của nó là tương tự như các halogen.

Đặc điểm của cấu trúc điện tử của phần tử

Các tính chất của phức chất mà nó được bao gồm, và chất đơn giản nhất H 2 chủ yếu được xác định bởi cấu hình điện tử của hydro. Hạt có một êlectron với Z = (-1) quay theo quỹ đạo xung quanh hạt nhân, chứa một prôtôn có khối lượng đơn vị và mang điện tích dương (+1). Cấu hình điện tử của nó được viết là 1s 1, có nghĩa là sự hiện diện của một hạt âm trong quỹ đạo s đầu tiên và duy nhất của hydro.

Khi một electron bị tách ra hoặc cho đi, và một nguyên tử của nguyên tố này có đặc tính liên quan đến kim loại, thì một cation sẽ thu được. Trên thực tế, ion hydro là một hạt cơ bản dương. Do đó, một hydro không có electron được gọi đơn giản là một proton.

Tính chất vật lý

Mô tả ngắn gọn về hiđro, nó là một chất khí không màu, ít tan, có khối lượng nguyên tử tương đối nhẹ hơn không khí 2, 14,5 lần, với nhiệt độ hóa lỏng là -252,8 độ C.

Theo kinh nghiệm, có thể dễ dàng nhận thấy H2 là nhẹ nhất. Để làm được điều này, bạn chỉ cần lấp đầy ba quả bóng với nhiều chất khác nhau - hydro, carbon dioxide, không khí thông thường - và đồng thời giải phóng chúng khỏi tay bạn. Cái chứa đầy CO 2 sẽ xuống đất nhanh hơn bất kỳ ai, sau đó nó sẽ rơi phồng lên với một hỗn hợp không khí, và cái chứa H 2 sẽ bay lên trần nhà.

Khối lượng và kích thước nhỏ của các hạt hydro chứng minh khả năng xuyên qua các chất khác nhau của nó. Đối với ví dụ về cùng một quả bóng, điều này rất dễ xác minh, trong một vài ngày, nó sẽ tự xẹp xuống, vì khí sẽ đơn giản đi qua cao su. Ngoài ra, hydro có thể tích tụ trong cấu trúc của một số kim loại (palađi hoặc bạch kim), và bay hơi khỏi nó khi nhiệt độ tăng.

Tính chất hòa tan thấp của hydro được sử dụng trong thực tế phòng thí nghiệm để phân lập nó bằng phương pháp dịch chuyển hydro (bảng dưới đây chứa các thông số chính) xác định phạm vi ứng dụng và phương pháp sản xuất của nó.

Tham số của nguyên tử hoặc phân tử của một chất đơn giản	Nghĩa
Khối lượng nguyên tử (khối lượng mol)	1,008 g / mol
Cấu hình điện tử	1s 1
Tế bào pha lê	Lục giác
Dẫn nhiệt	(300 K) 0,1815 W / (m K)
Mật độ ở n. y.	0,08987 g / l
Nhiệt độ sôi	-252,76 ° C
Nhiệt lượng riêng của quá trình đốt cháy	120,9 10 6 J / kg
Nhiệt độ nóng chảy	-259,2 ° C
độ hòa tan trong nước	18,8 ml / l

Thành phần đồng vị

Giống như nhiều đại diện khác của hệ thống tuần hoàn các nguyên tố hóa học, hydro có một số đồng vị tự nhiên, đó là các nguyên tử có cùng số proton trong hạt nhân, nhưng khác số nơtron - các hạt có điện tích và đơn vị khối lượng bằng không. Ví dụ về các nguyên tử có tính chất tương tự là ôxy, cacbon, clo, brom và các nguyên tử khác, kể cả chất phóng xạ.

Các tính chất vật lý của hydro 1 H, đặc tính chung nhất trong số các đại diện của nhóm này, khác biệt đáng kể so với các đặc tính tương tự của các đối tác của nó. Đặc biệt, các đặc tính của các chất mà chúng được đưa vào là khác nhau. Vì vậy, có nước thông thường và nước đóng băng, chứa trong thành phần của nó thay vì một nguyên tử hydro với một proton duy nhất, đơteri 2 H - đồng vị của nó với hai hạt cơ bản: dương và không tích điện. Đồng vị này nặng gấp đôi hydro thông thường, điều này giải thích sự khác biệt cơ bản về tính chất của các hợp chất mà chúng tạo thành. Trong tự nhiên, đơteri hiếm hơn hyđro 3200 lần. Đại diện thứ ba là tritium 3 H, trong hạt nhân nó có hai neutron và một proton.

Phương pháp thu nhận và phân lập

Các phương pháp trong phòng thí nghiệm và công nghiệp rất khác nhau. Vì vậy, với số lượng nhỏ, khí được thu nhận chủ yếu thông qua các phản ứng trong đó có sự tham gia của khoáng chất, và sản xuất quy mô lớn sử dụng tổng hợp hữu cơ ở mức độ lớn hơn.

Các tương tác hóa học sau được sử dụng trong phòng thí nghiệm:

Trong lợi ích công nghiệp, khí được thu nhận bằng các phương pháp như:

1. Sự phân hủy do nhiệt của mêtan với sự có mặt của chất xúc tác thành các chất đơn giản cấu thành của nó (350 độ đạt đến giá trị của một chất chỉ thị như nhiệt độ) - hydro H 2 và cacbon C.
2. Dẫn nước hơi qua cốc ở 1000 độ C với sự tạo thành khí cacbonic CO 2 và H 2 (phương pháp phổ biến nhất).
3. Chuyển hóa khí metan trên chất xúc tác niken ở nhiệt độ đạt 800 độ.
4. Hydro là sản phẩm phụ trong quá trình điện phân dung dịch nước của kali hoặc natri clorua.

Tương tác hóa học: quy định chung

Các tính chất vật lý của hydro phần lớn giải thích hành vi của nó trong các quá trình phản ứng với một hoặc một hợp chất khác. Hóa trị của hydro là 1, vì nó nằm ở nhóm đầu tiên trong bảng tuần hoàn và mức độ oxi hóa cho thấy một mức khác nhau. Trong tất cả các hợp chất, ngoại trừ hiđrua, hiđro ở s.o. = (1+), trong các phân tử như XH, XH 2, XH 3 - (1-).

Phân tử khí hydro, được hình thành bằng cách tạo ra một cặp electron tổng quát, bao gồm hai nguyên tử và khá ổn định về mặt năng lượng, đó là lý do tại sao ở điều kiện bình thường, nó hơi trơ và tham gia vào các phản ứng khi điều kiện bình thường thay đổi. Tùy thuộc vào mức độ oxi hóa của hiđro trong thành phần của các chất khác mà nó có thể đóng vai trò vừa là chất oxi hóa, vừa đóng vai trò là chất khử.

Các chất mà hydro phản ứng và tạo thành

Tương tác giữa các nguyên tố để tạo thành các chất phức tạp (thường ở nhiệt độ cao):

1. Kim loại kiềm và kiềm thổ + hiđro = hiđrua.
2. Halogen + H 2 = hiđro halogenua.
3. Lưu huỳnh + hiđro = hiđro sunfua.
4. Oxy + H 2 = nước.
5. Cacbon + hydro = metan.
6. Nitơ + H 2 = amoniac.

Tương tác với các chất phức tạp:

1. Thu nhận khí tổng hợp từ cacbon monoxit và hydro.
2. Thu hồi các kim loại từ oxit của chúng bằng H 2.
3. Sự bão hòa hiđro của các hiđrocacbon béo không no.

liên kết hydro

Các tính chất vật lý của hydro là khi kết hợp với một nguyên tố có độ âm điện, nó cho phép nó tạo thành một loại liên kết đặc biệt với cùng một nguyên tử từ các phân tử lân cận có cặp electron không chia sẻ (ví dụ, oxy, nitơ và flo). Ví dụ rõ ràng nhất để xem xét một hiện tượng như vậy tốt hơn là nước. Có thể nói nó được khâu bằng liên kết hiđro yếu hơn liên kết cộng hóa trị hay ion, nhưng do có nhiều nên chúng có ảnh hưởng đáng kể đến tính chất của chất. Về cơ bản, liên kết hydro là một tương tác tĩnh điện liên kết các phân tử nước thành các chất dimer và polyme, làm tăng nhiệt độ sôi cao của nó.

Hydro trong thành phần của các hợp chất khoáng

Tất cả chúng đều bao gồm một proton - một cation của nguyên tử chẳng hạn như hydro. Chất có dư axit có số oxi hóa lớn hơn (-1) được gọi là hợp chất đa chức. Nó chứa một số nguyên tử hydro, làm cho sự phân ly trong dung dịch nước có nhiều tầng. Mỗi proton tiếp theo tách khỏi phần còn lại của axit ngày càng khó khăn hơn. Theo hàm lượng định lượng của hydro trong môi trường, tính axit của nó được xác định.

Ứng dụng trong các hoạt động của con người

Các bình chứa một chất, cũng như các bình chứa khí hóa lỏng khác, chẳng hạn như ôxy, có hình dạng cụ thể. Chúng được sơn màu xanh lá cây đậm với chữ "Hydrogen" màu đỏ tươi. Khí được bơm vào một xi lanh dưới áp suất khoảng 150 atm. Các tính chất vật lý của hydro, đặc biệt là tính nhẹ của trạng thái khí tập hợp, được sử dụng để làm đầy bong bóng bay, bóng bay, vv trộn với heli.

Hydro, những đặc tính vật lý và hóa học mà con người đã học cách sử dụng từ nhiều năm trước, hiện đang được sử dụng trong nhiều ngành công nghiệp. Hầu hết nó được sử dụng để sản xuất amoniac. Hydro cũng tham gia (hafnium, germani, gallium, silicon, molypden, vonfram, zirconium và những chất khác) từ các oxit, hoạt động trong phản ứng như một chất khử, axit hydrocyanic và hydrochloric, cũng như nhiên liệu lỏng nhân tạo. Ngành công nghiệp thực phẩm sử dụng nó để chuyển đổi dầu thực vật thành chất béo rắn.

Chúng tôi đã xác định các tính chất hóa học và việc sử dụng hydro trong các quá trình hydro hóa và hydro hóa chất béo, than, hydrocacbon, dầu và dầu nhiên liệu khác nhau. Với sự giúp đỡ của nó, đá quý, đèn sợi đốt được sản xuất, các sản phẩm kim loại được rèn và hàn dưới tác động của ngọn lửa oxy-hydro.

Hydrogen- nguyên tố hóa học đầu tiên của Bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học D.I. Mendeleev. Nguyên tố hóa học hiđro nằm ở nhóm thứ nhất, phân nhóm chính, chu kỳ đầu tiên của Hệ thống tuần hoàn.

Khối lượng nguyên tử tương đối của hydro = 1.

Hydro có cấu trúc đơn giản nhất của nguyên tử, nó bao gồm một electron độc thân, nằm trong không gian hạt nhân. Hạt nhân của nguyên tử hydro bao gồm một proton.

Nguyên tử hydro, trong các phản ứng hóa học, có thể vừa tặng vừa thêm điện tử, tạo thành hai loại ion:

H0 + 1ē → H1− H0 - 1ē → H1 +.

Hydrogen là nguyên tố phong phú nhất trong vũ trụ. Nó chiếm khoảng 88,6% tổng số nguyên tử (khoảng 11,3% là nguyên tử heli, phần của tất cả các nguyên tố khác cộng lại là khoảng 0,1%). Như vậy, hydro là thành phần chính của các ngôi sao và khí giữa các vì sao. Trong không gian giữa các vì sao, nguyên tố này tồn tại dưới dạng các phân tử, nguyên tử và ion riêng lẻ và có thể tạo thành các đám mây phân tử khác nhau rất nhiều về kích thước, mật độ và nhiệt độ.

Phần trăm khối lượng của hydro trong vỏ trái đất là 1%. Nó là yếu tố phổ biến thứ chín. Tầm quan trọng của hydro trong các quá trình hóa học diễn ra trên Trái đất cũng lớn như oxy. Không giống như oxy, tồn tại trên Trái đất ở cả trạng thái liên kết và tự do, thực tế tất cả hydro trên Trái đất đều ở dạng hợp chất; chỉ một lượng rất nhỏ hydro ở dạng chất đơn giản được tìm thấy trong khí quyển (0,00005% thể tích đối với không khí khô).

Hydro là thành phần của hầu hết các chất hữu cơ và có trong tất cả các tế bào sống.

Tính chất vật lý của hydro

Một chất đơn giản được tạo thành bởi nguyên tố hóa học hiđro có cấu trúc phân tử. Thành phần của nó tương ứng với công thức H2. Giống như một nguyên tố hóa học, một chất đơn giản cũng được gọi là hydro.

Hydrogen Nó là một chất khí không màu, không mùi và không vị, thực tế không tan trong nước. Ở nhiệt độ phòng và áp suất khí quyển bình thường, độ tan là 18,8 ml khí trong 1 lít nước.

Hydrogen- chất khí nhẹ nhất, khối lượng riêng của nó là 0,08987 g / l. Để so sánh: khối lượng riêng của không khí là 1,3 g / l.

Hiđro có thể tan trong kim loại ví dụ, tới 850 thể tích hydro có thể hòa tan trong một thể tích palađi. Do kích thước phân tử cực nhỏ, hydro có khả năng khuếch tán qua nhiều vật liệu.

Giống như các khí khác, hydro ngưng tụ ở nhiệt độ thấp thành một chất lỏng trong suốt không màu, điều này xảy ra ở nhiệt độ - 252,8 ° C. Khi nhiệt độ đạt -259,2 ° C, hydro kết tinh dưới dạng tinh thể màu trắng, tương tự như tuyết.

Không giống như oxy, hydro không thể hiện tính dị hướng.

Ứng dụng của hydro

Hydro được sử dụng trong các ngành công nghiệp khác nhau. Rất nhiều hydro đi vào sản xuất amoniac (NH3). Từ amoniac, người ta thu được phân đạm, sợi tổng hợp và chất dẻo, và thuốc chữa bệnh.

Trong ngành công nghiệp thực phẩm, hydro được sử dụng để sản xuất bơ thực vật, có chứa chất béo cứng. Để lấy chúng từ chất béo lỏng, hydro được đi qua chúng.

Khi hiđro cháy trong oxi, nhiệt độ ngọn lửa khoảng 2500 ° C.Ở nhiệt độ này, kim loại chịu lửa có thể được nấu chảy và hàn. Vì vậy, hydro được sử dụng trong hàn.

Hỗn hợp hydro lỏng và oxy được sử dụng làm nhiên liệu cho tên lửa.

Hiện nay, một số quốc gia đã bắt đầu nghiên cứu thay thế các nguồn năng lượng không tái tạo (dầu, khí, than) bằng hydro. Khi hydro được đốt cháy trong oxy, một sản phẩm thân thiện với môi trường được hình thành - nước, chứ không phải carbon dioxide, chất gây ra hiệu ứng nhà kính.

Các nhà khoa học cho rằng vào giữa thế kỷ 21, nên bắt đầu sản xuất hàng loạt ô tô chạy bằng hydro. Pin nhiên liệu gia dụng, mà công việc của nó cũng dựa trên quá trình oxy hóa hydro với oxy, sẽ được ứng dụng rộng rãi.

Vào cuối thế kỷ 19 và đầu thế kỷ 20, vào buổi bình minh của kỷ nguyên hàng không, bóng bay, khí cầu và khinh khí cầu chứa đầy hydro, vì nó nhẹ hơn nhiều so với không khí. Tuy nhiên, thời đại của airship bắt đầu nhanh chóng lùi vào dĩ vãng sau thảm họa xảy ra với airship Hindenburg. Ngày 6 tháng 5 năm 1937 airship, chứa đầy hydro, bốc cháy, dẫn đến cái chết của hàng chục hành khách.

Hydro rất dễ nổ theo tỷ lệ nhất định với oxy. Việc không tuân thủ các quy định an toàn đã dẫn đến việc bắt lửa và phát nổ khí cầu.

• Hydrogen- nguyên tố hóa học đầu tiên của Bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học D.I. Mendeleev
• Hydro nằm trong nhóm I, phân nhóm chính, giai đoạn 1 của Hệ thống tuần hoàn
• Hóa trị của hiđro trong các hợp chất - I
• Hydrogen Khí không màu, không mùi, không vị, thực tế không tan trong nước
• Hydrogen- khí nhẹ nhất
• Hydro lỏng và rắn được tạo ra ở nhiệt độ thấp
• Hiđro có thể tan trong kim loại
• Các ứng dụng của hydro rất đa dạng

Tính chất hóa học của hydro

Ở điều kiện bình thường, phân tử Hydrogen tương đối kém hoạt động, chỉ kết hợp trực tiếp với phi kim hoạt động mạnh nhất (với flo và trong ánh sáng cũng với clo). Tuy nhiên, khi đun nóng, nó phản ứng với nhiều nguyên tố.

Hydro phản ứng với các chất đơn giản và phức tạp:

- Tương tác của hydro với kim loại dẫn đến sự hình thành các phức chất - hiđrua, trong công thức hóa học, nguyên tử kim loại luôn đứng trước:

Ở nhiệt độ cao, hydro phản ứng trực tiếp với một số kim loại(kiềm, kiềm thổ và các chất khác), tạo thành các chất tinh thể màu trắng - hyđrua kim loại (Li H, Na H, KH, CaH 2, v.v.):

H 2 + 2Li = 2LiH

Các hiđrua kim loại dễ bị nước phân hủy với sự tạo thành kiềm và hiđro tương ứng:

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

- Khi hiđro tương tác với phi kim loại các hợp chất hydro dễ bay hơi được tạo thành. Trong công thức hóa học của hợp chất hydro dễ bay hơi, nguyên tử hydro có thể ở vị trí thứ nhất hoặc thứ hai, tùy thuộc vào vị trí của nó trong PSCE (xem bảng trong slide):

1). Với oxy Hydro tạo thành nước:

Video "Quá trình đốt cháy hydro"

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

Ở nhiệt độ bình thường, phản ứng diễn ra cực kỳ chậm, trên 550 ° C - với một vụ nổ (Hỗn hợp gồm 2 thể tích H 2 và 1 thể tích O 2 được gọi là khí nổ) .

Video "Nổ bình gas"

Video "Pha chế và nổ hỗn hợp nổ"

2). Với halogen Hydro tạo thành hydro halogenua, ví dụ:

H 2 + Cl 2 \ u003d 2HCl

Hiđro phát nổ với flo (ngay cả trong bóng tối và ở -252 ° C), chỉ phản ứng với clo và brom khi được chiếu sáng hoặc đun nóng, và chỉ với iot khi đun nóng.

3). Với nitơ Hydro phản ứng với sự tạo thành amoniac:

ZN 2 + N 2 \ u003d 2NH 3

chỉ trên chất xúc tác và ở nhiệt độ và áp suất cao.

bốn). Khi đun nóng, hiđro phản ứng mạnh với lưu huỳnh:

H 2 + S \ u003d H 2 S (hydro sunfua),

khó hơn nhiều với selen và Tellurium.

5). với carbon nguyên chất Hiđro chỉ có thể phản ứng mà không cần chất xúc tác ở nhiệt độ cao:

2H 2 + C (vô định hình) = CH 4 (metan)

- Hiđro tham gia phản ứng thế với oxit kim loại , trong khi nước được tạo thành trong các sản phẩm và kim loại bị khử. Hiđro - thể hiện các tính chất của một chất khử:

Hydro được sử dụng để thu hồi nhiều kim loại, vì nó lấy đi oxy từ các oxit của chúng:

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

Ứng dụng của hydro

Video "Sử dụng hydro"

Hiện nay, hydro được sản xuất với số lượng rất lớn. Một phần rất lớn của nó được sử dụng trong quá trình tổng hợp amoniac, hydro hóa chất béo và hydro hóa than, dầu và hydrocacbon. Ngoài ra, hydro được sử dụng để tổng hợp axit clohydric, rượu metylic, axit hydrocyanic, trong hàn và rèn kim loại, cũng như trong sản xuất đèn sợi đốt và đá quý. Hydro được bán trong các bình dưới áp suất trên 150 atm. Chúng được sơn màu xanh lá cây đậm và có dòng chữ màu đỏ "Hydrogen".

Hydro được sử dụng để chuyển đổi chất béo lỏng thành chất béo rắn (hydro hóa), để sản xuất nhiên liệu lỏng bằng cách hydro hóa than và dầu nhiên liệu. Trong luyện kim, hydro được sử dụng làm chất khử oxit hoặc clorua để sản xuất kim loại và phi kim loại (gecmani, silic, gali, zirconi, hafnium, molypden, vonfram, v.v.).

Ứng dụng thực tế của hiđro rất đa dạng: nó thường được làm đầy trong các quả bóng bay, trong công nghiệp hóa chất nó dùng làm nguyên liệu sản xuất nhiều sản phẩm rất quan trọng (amoniac, v.v.), trong công nghiệp thực phẩm - để sản xuất chất rắn. Chất béo từ dầu thực vật, vv Nhiệt độ cao (lên đến 2600 ° C), thu được bằng cách đốt cháy hydro trong oxy, được sử dụng để nấu chảy các kim loại chịu lửa, thạch anh, v.v. Hydro lỏng là một trong những nhiên liệu phản lực hiệu quả nhất. Lượng hydro tiêu thụ hàng năm trên thế giới vượt quá 1 triệu tấn.

MÔ PHỎNG

Số 2. Hydrogen

NHIỆM VỤ KHAI THÁC

Nhiệm vụ số 1
Lập phương trình phản ứng tương tác giữa hiđro với các chất sau: F 2, Ca, Al 2 O 3, thuỷ ngân oxit (II), oxit vonfram (VI). Gọi tên các sản phẩm phản ứng, cho biết các dạng phản ứng.

Nhiệm vụ số 2
Thực hiện các phép biến hình theo sơ đồ:
H 2 O -> H 2 -> H 2 S -> SO 2

Nhiệm vụ số 3.
Tính khối lượng nước có thể thu được khi đốt cháy 8g hiđro?

phân bố trong tự nhiên. V. phân bố rộng rãi trong tự nhiên, hàm lượng của nó trong vỏ trái đất (thạch quyển và thuỷ quyển) là 1% khối lượng và 16% số nguyên tử. V. là một phần của chất phổ biến nhất trên Trái đất - nước (11,19% V. theo khối lượng), trong thành phần của các hợp chất tạo nên than, dầu, khí tự nhiên, đất sét, cũng như các sinh vật động thực vật (tức là , trong thành phần protein, axit nucleic, chất béo, carbohydrate, v.v.). Ở trạng thái tự do, V. cực kỳ hiếm, nó được tìm thấy với số lượng nhỏ trong núi lửa và các khí tự nhiên khác. Một lượng không đáng kể V. tự do (0,0001% theo số nguyên tử) có trong khí quyển. Trong không gian gần Trái đất, V. ở dạng dòng proton tạo thành vành đai bức xạ bên trong ("proton") của Trái đất. Trong không gian, V. là phần tử chung nhất. Ở dạng plasma, nó chiếm khoảng một nửa khối lượng của Mặt trời và hầu hết các ngôi sao, là phần chính của khí của môi trường giữa các vì sao và tinh vân khí. V. có trong khí quyển của một số hành tinh và trong sao chổi ở dạng H2 tự do, metan CH4, amoniac NH3, nước H2O, các gốc như CH, NH, OH, SiH, PH, v.v. Dưới dạng một dòng proton, V. là một phần của bức xạ phân tử của Mặt trời và các tia vũ trụ.

Đồng vị, nguyên tử và phân tử. V. thông thường bao gồm một hỗn hợp của hai đồng vị bền: V. nhẹ, hoặc proti (1H), và V. nặng, hoặc đơteri (2H, hoặc D). Trong các hợp chất tự nhiên của V., trung bình cứ 1 nguyên tử 2H thì có 6.800 nguyên tử 1H. Người ta đã thu được một đồng vị phóng xạ nhân tạo - siêu nhẹ B., hoặc tritium (3H, hoặc T), với bức xạ β mềm và chu kỳ bán rã T1 / 2 = 12.262 năm. Trong tự nhiên, triti được hình thành, ví dụ, từ nitơ trong khí quyển dưới tác dụng của neutron tia vũ trụ; nó không đáng kể trong khí quyển (4-10-15% tổng số nguyên tử của không khí). Người ta thu được một đồng vị 4H cực kỳ kém bền. Số khối của các đồng vị 1H, 2H, 3H và 4H lần lượt là 1,2, 3 và 4 cho biết hạt nhân của nguyên tử protium chỉ chứa 1 proton, đơteri - 1 proton và 1 neutron, triti - 1 proton và 2 nơtron, 4H - 1 proton và 3 nơtron. Sự khác biệt lớn về khối lượng của các đồng vị của hydro gây ra sự khác biệt đáng chú ý hơn về tính chất vật lý và hóa học của chúng so với trường hợp đồng vị của các nguyên tố khác.

Nguyên tử V. có cấu trúc đơn giản nhất trong số các nguyên tử của tất cả các nguyên tố khác: nó bao gồm một hạt nhân và một electron. Năng lượng liên kết của êlectron với hạt nhân (thế ion hóa) là 13,595 eV. Nguyên tử trung hoà V. còn có thể gắn thêm điện tử thứ hai, tạo thành ion âm H-; trong trường hợp này, năng lượng liên kết của electron thứ hai với nguyên tử trung hòa (ái lực electron) là 0,78 eV. Cơ học lượng tử giúp nó có thể tính toán tất cả các mức năng lượng có thể có của nguyên tử, và do đó, đưa ra cách giải thích đầy đủ về phổ nguyên tử của nó. Nguyên tử V được sử dụng làm nguyên tử mẫu trong các phép tính cơ lượng tử về mức năng lượng của các nguyên tử khác, phức tạp hơn. B. Phân tử H2 gồm hai nguyên tử nối với nhau bằng liên kết cộng hoá trị. Năng lượng của sự phân ly (tức là phân rã thành nguyên tử) là 4,776 eV (1 eV = 1,60210-10-19 J). Khoảng cách giữa các nguyên tử ở vị trí cân bằng của các hạt nhân là 0,7414-Å. Ở nhiệt độ cao, phân tử V. phân ly thành nguyên tử (độ phân ly ở 2000 ° C là 0,0013; ở 5000 ° C là 0,95). Nguyên tử V. cũng được tạo thành trong các phản ứng hóa học khác nhau (ví dụ, do tác dụng của Zn với axit clohiđric). Tuy nhiên, sự tồn tại của V. ở trạng thái nguyên tử chỉ kéo dài trong một thời gian ngắn, các nguyên tử liên kết lại thành phân tử H2.

Các tính chất vật lý và hóa học. V. - nhẹ nhất trong tất cả các chất đã biết (nhẹ hơn không khí 14,4 lần), khối lượng riêng 0,0899 g / l ở 0 ° C và 1 atm. V. sôi (hóa lỏng) và nóng chảy (đông đặc) lần lượt ở -252,6 ° C và -259,1 ° C (chỉ heli có điểm nóng chảy và điểm sôi thấp hơn). Nhiệt độ tới hạn của V. rất thấp (-240 ° C), do đó, quá trình hóa lỏng của nó đi kèm với những khó khăn lớn; áp suất tới hạn 12,8 kgf / cm2 (12,8 atm), mật độ tới hạn 0,0312 g / cm3. Trong tất cả các chất khí, V. có độ dẫn nhiệt cao nhất, bằng 0,174 W / (m-K) ở 0 ° C và 1 atm, tức là 4,16-0-4 cal / (s-cm-° C). Nhiệt dung riêng của V. ở 0 ° C và 1 atm Cp 14,208-103 j / (kg-K), tức là 3,394 cal / (g- ° C). V. tan ít trong nước (0,0182 ml / g ở 20 ° C và 1 atm), nhưng tốt - trong nhiều kim loại (Ni, Pt, Pd, v.v.), đặc biệt là trong palađi (850 thể tích trên 1 thể tích Pd). Tính tan của V. trong kim loại gắn liền với khả năng khuếch tán qua chúng; sự khuếch tán qua hợp kim cacbon (ví dụ, thép) đôi khi đi kèm với sự phá hủy hợp kim do sự tương tác của thép với cacbon (cái gọi là khử cacbon). Nước lỏng rất nhẹ (tỷ trọng ở -253 ° C 0,0708 g / cm3) và chất lỏng (độ nhớt ở -253 ° C 13,8 độ C).

Trong hầu hết các hợp chất, V. thể hiện hóa trị (chính xác hơn là trạng thái oxi hóa) +1, giống như natri và các kim loại kiềm khác; thường anh ta được coi là một chất tương tự của những kim loại này, nhóm 1 gr. Hệ thống của Mendeleev. Tuy nhiên, trong hiđrua kim loại, ion B. mang điện tích âm (trạng thái oxi hóa -1), tức là hiđrua Na + H- được xây dựng giống như Na + Cl- clorua. Điều này và một số dữ kiện khác (sự gần gũi về tính chất vật lý của V. và halogen, khả năng halogen thay thế V. trong các hợp chất hữu cơ) là lý do để thuộc tính V. cũng như nhóm VII của hệ thống tuần hoàn (để biết thêm chi tiết, xem hệ thống tuần hoàn của các phần tử). Ở điều kiện thường, phân tử V. tương đối kém hoạt động, chỉ kết hợp trực tiếp với phi kim hoạt động mạnh nhất (với flo và trong ánh sáng với clo). Tuy nhiên, khi đun nóng, nó phản ứng với nhiều nguyên tố. Nguyên tử V. có hoạt độ hoá học tăng so với phân tử V.. V. tạo thành nước với oxi: H2 + 1 / 2O2 = H2O với sự giải phóng 285,937-103 J / mol, tức là 68,3174 kcal / mol nhiệt (ở 25 ° C và 1 atm). Ở nhiệt độ bình thường, phản ứng diễn ra cực kỳ chậm, trên 550 ° C - kèm theo một vụ nổ. Giới hạn nổ của hỗn hợp hiđro - oxi là (theo thể tích) từ 4 đến 94% H2 và hỗn hợp hiđro - không khí - từ 4 đến 74% H2 (hỗn hợp 2 thể tích H2 và 1 thể tích O2 được gọi là dễ nổ khí ga). V. được sử dụng để khử nhiều kim loại, vì nó lấy đi oxi từ các oxit của chúng:

CuO + H2 \ u003d Cu + H2O,
Fe3O4 + 4H2 = 3Fe + 4H2O, v.v.
V. tạo thành các hiđro halogenua với các halogen, ví dụ:
H2 + Cl2 = 2HCl.

Đồng thời, nó nổ với flo (ngay cả trong bóng tối và ở -252 ° C), chỉ phản ứng với clo và brom khi được chiếu sáng hoặc đun nóng, và chỉ với iot khi đun nóng. V. tương tác với nitơ để tạo thành amoniac: 3H2 + N2 = 2NH3 chỉ trên chất xúc tác và ở nhiệt độ và áp suất cao. Khi đun nóng, V. phản ứng mạnh với lưu huỳnh: H2 + S = H2S (hiđro sunfua), khó hơn nhiều với selen và Tellurium. V. chỉ có thể phản ứng với cacbon nguyên chất không cần xúc tác ở nhiệt độ cao: 2H2 + C (vô định hình) = CH4 (metan). V. phản ứng trực tiếp với một số kim loại (kiềm, kiềm thổ…) tạo thành các hiđrua: H2 + 2Li = 2LiH. Có tầm quan trọng thực tế lớn là các phản ứng của cacbon monoxit với cacbon monoxit, trong đó, tùy thuộc vào nhiệt độ, áp suất và chất xúc tác, các hợp chất hữu cơ khác nhau được hình thành, chẳng hạn như HCHO, CH3OH và các chất khác (xem Carbon monoxide). Các hiđrocacbon không no phản ứng với hiđro, trở nên no, ví dụ: CnH2n + H2 = CnH2n + 2 (xem phần Hiđro hoá).