Hyđro

Đồng vị phổ biến nhất của hydro là proti , kí hiệu là H, với hạt nhân là một proton duy nhất và không có neutron . Ngoài ra hydro còn có một đồng vị bền là deuteri , kí hiệu là D, với hạt nhân chứa một proton và một neutron và một đồng vị phóng xạ là triti , kí hiệu là T, với hai neutron trong hạt nhân.

Lịch sử

Lần đầu tiên được Henry Cavendish phát hiện như một chất riêng biệt năm 1766 . Cavendish tình cờ tìm ra nó khi thực hiện các thí nghiệm với thủy ngân và các axít. Mặc dù ông đã sai lầm khi cho rằng hiđrô là hợp chất của thủy ngân (và không phải của axít), nhưng ông đã có thể miêu tả rất nhiều thuộc tính của hiđrô rất cẩn thận. Antoine Lavoisier đặt tên cho nguyên tố này và chứng tỏ nước được tạo ra từ hiđrô vàôxy. Một trong những ứng dụng đầu tiên của nó là khinh khí cầu. Hiđrô thu được bằng cách cho axít sulfuric loãng tác dụng với sắt . Đơteri , một trong các đồng vị của hiđrô, đượcHarold C. Ureyphát hiện bằngcách chưng cấtmột mẫu nước nhiều lần. Urey nhậngiải Nobelcho phát minh của mình năm1934. Trong cùng năm đó, đồng vị thứ ba, triti , đã được phát hiện.

Thuộc tính

Ở nhiệt độ và áp suất tiêu chuẩn hydro là một khí lưỡng nguyên tử có công thức phân tử H ₂, không màu, không mùi, dễ bắt cháy, có nhiệt độ sôi 20,27 K (-252,87 °C) và nhiệt độ nóng chảy 14,02 K (-259,14 °C). Tinh thể hydro có cấu trúc lục phương.

Hydro có hóa trị 1 và có thể phản ứng với hầu hết các nguyên tố hóa học khác.

Đồng vị

Hiđrô là nguyên tố duy nhất có các tên gọi khác nhau cho các đồng vị của nó. (Trong giai đoạn đầu của nghiên cứu phóng xạ, các đồng vị phóng xạ nặng khác nhau cũng được đặt tên, nhưng các tên gọi này không được sử dụng, mặc dù một nguyên tố, radon , có tên gọi mà nguyên thủy được dùng chỉ cho một đồng vị của nó). Các ký hiệu D và T (thay vì H ²và H ³) đôi khi được sử dụng để chỉ đơteri và triti, mặc dù điều này không được chính thức phê chuẩn. (Ký hiệu P đã được sử dụng cho phốtpho và không thể sử dụng để chỉ proti .)

^{- 1}H: Đồng vị phổ biến nhất của hiđrô, đồng vị ổn định này có hạt nhân chỉ chứa duy nhất một prôton; vì thế trong miêu tả (mặc dù ít) gọi là proti.

^{- 2}H: Đồng vị ổn định có tên là đơteri, với thêm một nơtron trong hạt nhân. Nó chiếm khoảng 0,0184-0,0082% của toàn bộ hiđrô ( IUPAC ); tỷ lệ của nó tới proti được xác định liên quan với nước tham chiếu tiêu chuẩn của VSMOW .

^{- 3}H: Đồng vị phóng xạ tự nhiên có tên là triti. Hạt nhân của nó có hai nơtron và một prôton. Nó phân rã theo phóng xạ bêta và chu kỳ bán rã là 12,32 năm.

^{- 4}H: Hiđrô-4 được tổng hợp khi bắn phá triti bằng hạt nhân đơteri chuyển động cực nhanh. Nó phân rã tạo ra bức xạ nơtron và có chu kỳ bán rã 9,93696x10 ^-23giây.

^{- 5}H: Năm 2001 các nhà khoa học phát hiện ra hiđrô-5 bằng cách bắn phá hiđrô bằng các ion nặng. Nó phân rã tạo ra bức xạ nơtron và có chu kỳ bán rã 8,01930x10 ^-23giây.

^{- 6}H: Hiđrô-6 phân rã tạo ra ba bức xạ nơtron và có chu kỳ bán rã 3,26500x10 ^-22giây.

^{- 7}H: Năm 2003 hiđrô-7 đã được tạo ra tại phòng thí nghiệm RIKEN ở Nhật Bản bằng cách cho va chạm dòng các nguyên tử hêli-8 năng lượng cao với mục tiêu hiđrô lạnh và phát hiện ra các triton - hạt nhân của nguyên tử triti - và các nơtron từ sự phá vỡ của hiđrô-7, giống như phương pháp sử dụng để sản xuất và phát hiện hiđrô-5.

Trạng thái thiên nhiên

Hiđrô là nguyên tố phổ biến nhất trong vũ trụ, chiếm 75% các vật chất thông thường theo khối lượng và trên 90% theo số lượng nguyên tử. Nguyên tố này được tìm thấy với một lượng khổng lồ trong các ngôi sao và các hành tinh khí khổng lồ. Tuy vậy, trên Trái Đất nó có rất ít trong khí quyển (1 ppm theo thể tích). Nguồn chủ yếu của nó là nước, bao gồm hai phần hiđrô và một phần ôxy (H ₂O). Các nguồn khác bao gồm phần lớn các chất hữu cơ (hiện tại là mọi dạng của cơ thể sống), than, nhiên liệu hóa thạch và khí tự nhiên . Mêtan (CH ₄) là một nguồn quan trọng của hiđrô. Dưới áp suất cực cao, chẳng hạn như tại trung tâm của các hành tinh khí khổng lồ (như sao Mộc), các phân tử hiđrô mất đặc tính của nó và hiđrô trở thành một kim loại (xem hiđrô kim loại ). Dưới áp suất cực thấp, như trongkhoảng không vũ trụ, hiđrô có xu hướng tồn tại dưới dạng các nguyên tử riêng biệt, đơn giản vì không có cách nào để chúng liên kết với nhau; các đám mây H ₂tạo thành và được liên kết trong quá trình hình thành các ngôi sao.

Hydro đóng vai trò sống còn trong việc cung cấp năng lượng trong vũ trụ thông qua các phản ứng prôton-prôton và chu trìnhcacbon - nitơ. (Đó là cácphản ứng nhiệt hạchgiải phóng năng lượng khổng lồ thông qua việc tổ hợp hai nguyên tử hiđrô thành một nguyên tửhêli.)

Hợp chất

Hydro là hợp chất nhẹ nhất trong mọi chất khí, hiđrô liên kết với phần lớn các nguyên tố khác để tạo ra hợp chất. Nó có độ điện âm 2,2 vì thế nó tạo ra hợp chất ở những chỗ mà nó là nguyên tố mang tính phi kim loại nhiều hơn (1) cũng như khi nó là nguyên tố mang tính kim loại nhiều hơn (2). Các chất loại đầu tiên gọi là hiđrua , trong đó hiđrô hoặc là tồn tại dưới dạng ion H ^-hay chỉ là hòa tan trong các nguyên tố khác (chẳng hạn như hiđrua palađi ). Các chất loại thứ hai có xu hướng cộng hóa trị, khi đó ion H ⁺là một hạt nhân trần và có xu hướng rất mạnh để hút các điện tử vào nó. Các dạng này là các axít. Vì thế thậm chí trong các dung dịch axít người ta có thể tìm thấy các ion như hiđrôni (H ₃O ⁺) cũng như prôton.

Hiđrô kết hợp với ôxy tạo ra nước, H ₂O và giải phóng ra năng lượng, nó có thể nổ khi cháy trong không khí. Ôxít đơteri, hay D ₂O, thông thường được nói đến như nước nặng . Hiđrô cũng tạo ra phần lớn các hợp chất với cacbon. Vì sự liên quan của các chất này với các loại hình sự sống nên người ta gọi các hợp chất này là các chất hữu cơ , việc nghiên cứu các thuộc tính của các chất này thuộc về hóa hữu cơ .

Điều chế, sản xuất

Trong phòng thí nghiệm, hiđrô được điều chế bằng phản ứng của axít với kim loại , như kẽm chẳng hạn. Để sản xuất công nghiệp có giá trị thương mại nó được điều chế từ khí thiên nhiên . Điện phân nước là biện pháp đơn giản nhưng không kinh tế để sản xuất hàng loạt hiđrô. Các nhà khoa học đang nghiên cứu để tìm ra những phương pháp điều chế mới như sử dụng tảo lục hay việc chuyển hóa các dẫn xuất sinh học như glucôda hay sorbitol ở nhiệt độ thấp bằng các chất xúc tác mới.

Hiđrô có thể điều chế theo nhiều cách khác nhau: hơi nước qua than ( cacbon ) nóng đỏ, phân hủy hiđrôcacbon bằng nhiệt, phản ứng của các bazơ mạnh (kiềm) trong dung dịch với nhôm , điện phân nước hay khử từ axít loãng với một kim loại (có khả năng đẩy hiđrô từ axít) nào đó.

Việc sản xuất thương mại của hiđrô thông thường là từ khí tự nhiên được xử lý bằng hơi nước nóng. Ở nhiệt độ cao (700-1.100 °C), hơi nước tác dụng với mêtan để sinh ra mônôxít cacbon và hiđrô.

CH ₄+ H ₂O → CO + 3 H ₂

Điện phân dung dịch có màng ngăn :

2NaCl + 2H ₂O → 2NaOH + H ₂+ Cl ₂

Điện phân nước :

2H ₂O → 2H ₂+ O ₂

Lượng hiđrô bổ sung có thể thu được từ mônôxít cacbon thông qua phản ứng nước-khí sau:

CO + H ₂O → CO ₂+ H ₂

Cảnh báo

Hiđrô là một chất khí dễ bắt cháy, nó cháy khi mật độ chỉ có 4%. Nó có phản ứng cực mạnh với clo và flo , tạo thành các axít hiđrôhalic có thể gây tổn thương cho phổi và các bộ phận khác của cơ thể. Khi trộn với ôxy, hiđrô nổ khi bắt lửa.

Hidro cũng có thể nổ khi có dòng điện đi qua.