Водород табиатдаги энг енгил ва энг оддий элементдир. У битта протон ва битта электрондан иборат бўлиб, унинг атом массаси 1,00794 г / мол. Водород ҳаёт, энергия ва технология билан боғлиқ кўплаб жараёнларда муҳим рол ўйнайди. Ушбу мақолада биз ушбу ажойиб элемент ҳақида баъзи қизиқарли малумотларни баҳам кўрамиз.
Кашф қилиниш тарихи
Водород биринчи марта 1671 йилда инглиз кимёгари Роберт Бойл томонидан олинган ва уни газ сифатида тавсифлаган ва уни «инфлятсия алангаси» деб атаган. Бироқ, Роберт Бойл унинг табиатини тушунмади ва ҳаво ва олов аралашмаси эканлигига ишонди. 1766 йилда инглиз физиги ва кимёгари Генри Кавендиш водороднинг металлар кислоталар билан реаксияга киришиши натижасида ҳосил бўладиган алоҳида элемент эканлигини аниқлади. Шунингдек, у водород ёндирилганда сув ҳосил бўлишини аниқлади. 1783 йилда франтсуз олимлари Антуан Лавуазе ва Пер Симон Лаплас бу ҳақиқатни тасдиқладилар ва водородга замонавий номини беришди, бу юнонча «гидро» (сув) ва «ген» (ишлаб чиқарувчи) сўзларидан келиб чиққан.
| Водород | |
| ← Нейтроний | Гелий → | |
| Оддий модданинг кўриниши | |
| Газ чиқариш трубкасидаги водороднинг яниши | |
| Атом хоссалари | |
| Номи, белги, рақам | Водород / (H), 1 |
| Гуруҳ , давр , блоk | 1, 1, s-элемент |
| Атом массаси ( моляр масса ) | [1.00784; 1.00811] ( g / mol ) |
| Электрон конфигурация | 1s 1 |
| Атом радиуси | 53 pm |
| Кимёвий хоссалари | |
| Ковалент радиус | 53 pm |
| Ион радиуси | 54 (−1 e) pm |
| Электроманфийлик | 2.20 (Pauling shkalasi) |
| Оксидланиш ҳолатлари | -1, 0, +1 |
| Ионланиш энергияси (биринчи электрон) | 1311,3 (13,595) kJ / mol ( eV ) |
| Оддий модданинг термодинамик хоссалари | |
| Зичлик ( н.а.да ) | 0,0000899 (273 K (0 °C) da) g/sm³ |
| Эриш ҳарорати | 14.01K ; -259,14 ° C |
| Қайнатиш ҳарорати | 20.28K ; -252,87 ° C |
| Критик нуқта | 32,24 K , 1,30 MPa |
| Мол. термоядровий иссиқлик | 0,117 kJ/mol |
| Мол. буғланиш иссиқлиги | 0,904 kJ/mol |
| Молар иссиқлик сиғими | 28,47 J/(K mol) |
| Моляр ҳажм | 22,4⋅10 3 sm³ / mol |
| Оддий модданинг кристалл панжараси | |
| Панжара тузилиши | олти бурчакли |
| Панжара параметрлари | a = 3,780 c = 6,167 Å |
| c/a нисбати | 1.631 |
| Дебай ҳарорати | 110K |
| Бошқа хусусиятлар | |
| Иссиқлик ўтказувчанлиги | (300 K) 0,1815 Vt/(m K) |
| CАС рақами | 12385-13-6 |
Исмнинг келиб чиқиши
Юқорида айтиб оътилганидэк, «водород» соъзи юнонча «гидро» (сув) ва «гэн» (ишлаб чиқарувчи) соъзларидан кэлиб чиққан. Бу водороднинг сувнинг асосий компонэнти (H2О) эканлигини ва ундан элэктролиз йоки бошқа усуллар билан олиниши мумкинлигини акс эттиради. Инглиз тилида водород бир хил илдизга эга боълган ҳйдрогэн дэб ҳам аталади. Бошқа тилларда водород турли номларга эга боълиши мумкин, масалан, нэмис тилида — Wasserstoff (сув моддаси), франтсуз тилида — gidrogen (hydrogen), испан тилида — hidrógeno (hydrogen), хитой тилида — 氢 (қing, талаффузi чин ), бу «очиқ кўк» деган маънони англатади.
Тарқалиши
Коинотда
Водород коинотдаги энг кенг тарқалган элементдир. У барча кўринадиган моддалар массасининг тахминан 75% ни ва атомларнинг тахминан 90% ни ташкил қилади. Водород Катта портлашдан сўнг, космос заррачаларни протон ва электронларга бўлган юқори энергияли нурланиш билан тўлдирилганида ҳосил бўлган. Кейинчалик бу зарралар бирлашиб, водород атомларини ҳосил қилган. Водород юлдузларнинг асосий ёқилғиси бўлиб, ядро синтези натижасида ундан оғирроқ элементларни синтез қилади. Бизнинг қуёш системамизда водород Юпитер ва Сатурн каби газсимон сайёраларда ва уларнинг Титан ва Европа каби ёълдошларида кўп.
Ер қобиғи ва тирик организмларда
Эр қобиғидаги водороднинг масса улуши 1% ни ташкил қилади — бу энг кенг тарқалган ўнинчи элемент. Бироқ, унинг табиатдаги роли масса билан эмас, балки бошқа элементлар орасидаги улуши 17% бўлган атомлар сони билан белгиланади ( кислороддан кейин иккинчи ўрин , атомларнинг улуши ~ 52%). Шунинг учун Ерда содир бўладиган кимёвий жараёнларда водороднинг аҳамияти деярли кислородники каби катта. Водород ҳам ҳаёт учун зарур элемент ҳисобланади, чунки у оқсиллар, углеводлар, липидлар, нуклеин кислоталар ва бошқалар каби биомолекулаларнинг бир қисмидир. Водород нафас олиш, фотосинтез, ферментация ва бошқалар каби кўплаб биокимёвий жараёнларда ҳам иштирок этади. Водород баъзи микроорганизмлар томонидан энергия манбаи ёки метаболик маҳсулот сифатида ишлатилиши мумкин.
Олиниши
Саноатда
Саноатда водород, биринчи навбатда, никель асосидаги катализатор иштирокида юқори ҳарорат ва босимда сув ва табиий газни (метан) буғ билан қайта ишлаш орқали ишлаб чиқарилади. Реакция қуйидагича кўринади:
CH4 + H2O → CO + 3H2
Натижада ҳосил бўлган синтез гази (CO ва H2 аралашмаси) яна сув буғи билан реакцияга киришади:
CO + H2O → CO2 + H2
Ушбу реакциялар натижасида тахминан 95% концентрацияли соф водород олинади. Водород олишнинг бошқа усулларига сувни электролиз қилиш, углеводородлар ёки сувнинг термал парчаланиши, биологик ишлаб чиқариш ва бошқалар киради.
Лабораторияда
Лабораторияда водородни металларни кислоталар ёки асослар билан реакцияга киритиш орқали олиш мумкин. Мисол учун, рух сулфат кислота билан реакцияга киришганда, рух сулфат ҳосил бўлади ва водород гази ажралиб чиқади:
Zn + H2SO4 → ZnSO4 + H2
Алюминий гидроксидлар билан реакцияга киришганда, алюминий гидроксиди ҳосил бўлади ва водород гази ажралиб чиқади:
2Al + 6NaOH → 2Na3AlO3 + 3H2
Водородни лаборатория шароитида кислоталар ёки асосларнинг суюлтирилган эритмаларини электролиз қилиш орқали ҳам олиш мумкин. Шу билан бирга, H+ ионларининг қайтарилиши (қайта тикланиши) катодда (манфий электрод) содир бўлади, улар H атомларига айланади ва кейин H2 молекулаларига бирлашади:
2H+ + 2e- → H2
Водородни тозалаш
Ишлаб чиқариш усули ва фойдаланиш мақсадига қараб, водород таркибида кислород, азот, карбонат ангидрид, водород сулфиди, аммиак ва бошқалар каби турли хил аралашмалар бўлиши мумкин. Водороднинг тозалиги ва сифатини яхшилаш учун турли хил тозалаш усуллари қўлланилади, масалан:
Абсорбция. Бу водороднинг ифлосликларни ўзлаштирадиган, аммо водороднинг ўтишига имкон берувчи материалдан ўтадиган жараён. Масалан, фаоллаштирилган углерод, металл гидридлар ёки молекуляр элаклардан фойдаланиш мумкин.
Адсорбция. Бу водороднинг сиртдаги аралашмалари Ван дер Wаалс кучлари ёки кимёвий боғланишлар томонидан ушлаб турилган материалдан ўтадиган жараёндир. Мисол учун, сиз аралашмалар билан мураккаб бирикмалар ҳосил қилувчи палладий ёки бошқа металлардан фойдаланишингиз мумкин.
Мембранани ажратиш. Бу водород юпқа, ярим ўтказувчан мембрана орқали ўтадиган жараён бўлиб, у водороднинг ўтишига имкон беради, лекин аралашмаларни сақлайди. Масалан, полимер ёки металл мембраналардан фойдаланиш мумкин.
Криоген дистиллаш. Бу водород ва аралашмалар жуда паст ҳароратгача совутилгач, кейин қайнаш нуқталари фарқи билан ажратилган жараёндир. Бу усул жуда тоза водород ҳосил қилади, лекин жуда кўп энергия талаб қилади.
Водороднинг нархи
Водороднинг нархи уни ишлаб чиқариш, тозалаш ва ташиш усулига боғлиқ. Халқаро энергия агентлиги (ИЭА) маълумотларига кўра, 2020 йилда водороднинг ўртача нархи бир килограмм учун тахминан 2 долларни ташкил этди. Бироқ, нарх минтақага ва бозорга қараб жуда фарқ қилиши мумкин.
Келажакда янги технологияларни ишлаб чиқиш, ишлаб чиқариш кўламини ошириш ва қайта тикланадиган энергия манбаларидан фойдаланиш туфайли водороднинг нархи пасайиши мумкин. ИЭА ҳисоб-китобларига кўра, 2050 йилга бориб, водород нархи бир килограмм учун 1 долларгача тушиши мумкин.
Физик хусусиятлари
Водород учта агрегат ҳолатда мавжуд: газсимон, суюқ ва қаттиқ. Оддий шароитларда бу икки атомли H2 молекулаларидан ташкил топган рангсиз, таъмсиз ва ҳидсиз газдир. Жуда паст ҳароратларда (-253°C дан паст) водород суюқ ҳолга келади, ундан пастроқ ҳароратларда (-259°C дан паст) эса қаттиқ ҳолга келади.
Металл водород
Водороднинг энг ноодатий хусусиятларидан бири унинг жуда юқори босимларда металлга айланиш қобилиятидир. Назарий жиҳатдан, тахминан 4 миллион атмосфера босимида водород юқори электр ва иссиқлик ўтказувчанлигига эга бўлган металлга айланиши керак. Бу ҳолат металл водород ёки фаза(I) деб аталади. Бундан ҳам юқори босимларда (тахминан 25 миллион атмосфера) металл водород суперўтказгичга, яъни электр токига қаршилик кўрсатмайдиган материалга айланиши керак. Бу ҳолат фаза(II) босқич деб аталади.
Металл водородни экспериментал равишда олиш жуда қийин, чунки катта босим ва паст ҳарорат талаб қилинади. Металл водородни яратиш ҳақидаги биринчи даъвони 2017 йилда Гарвард университети олимлари жамоаси водород намунасини тахминан -270 ° C ҳароратда 5 миллион атмосферага сиқиш учун олмос анвилидан фойдаланганлар. Бироқ, бу натижа уни такрорлай олмаган ёки бошқа усуллар билан тасдиқлай олмаган бошқа тадқиқотчилар томонидан шубҳа остига олинган ва танқид қилинган.
Металл водород катта илмий ва амалий аҳамиятга эга. У Юпитер ва Сатурн каби гигант сайёралар, шунингдек, паст массали юлдузлар ядросининг асосий компоненти эканлигига ишонилади. Бундан ташқари, металл водород тоза энергия манбаи сифатида ишлатилиши мумкин, чунки у водород газига айлантирилганда катта миқдорда иссиқлик чиқарилади.
Изотоплар
Изотоплар — бу бир хил элементнинг атомлари бўлиб, уларнинг ядросида турли хил миқдордаги нейтронлар мавжуд бўлади. Изотопларнинг хоссалари уларнинг масса сонига боғлиқ бўлиб, у протон ва нейтронлар йиғиндисига тенг. Масалан, протийнинг масса сони 1 га, чунки унда нейтронлар ёъқ, дейтерийда битта нейтрон бўлганлиги учун 2 га, тритийда иккита нейтрон бўлганлиги учун 3 га тенг.
Водород изотопларининг хоссалари зичлик, эриш ва қайнаш нуқталари, иссиқлик сиғими, товуш тезлиги ва реактивлик каби параметрларда фарқланади. Масалан, дейтерий протийдан икки баробар, тритий эса протийдан уч баравар оғирроқ. Бу шуни англатадики, дейтерий ёки тритий (оғир сув деб аталади) бўлган сув оддий сувга қараганда юқорироқ зичликка ва юқори эриш ва қайнаш нуқтасига эга. Шунингдек, водород изотоплари турли кимёвий реакцияларда иштирок этиши мумкин. Масалан, тритий радиоактивдир ва энергия ажралиб чиқиши билан гелий-3 га парчаланиши мумкин. Бу уни термоядро синтези учун потенциал энергия манбаига айлантиради.
| Izotoplar | Z | N | Массаси | Yarim yemirilish davri | Spin | Табиатдаги миқдори, % | Parchalanish turi va energiyas | |
| 1H | 1 | 0 | 1,007 825 032 07(10) | bаrqаror | 1⁄2+ | 99,9885(70) | ||
| 2H | 1 | 1 | 2,014 101 777 8(4) | барқарор | 1+ | 0,0115(70) | ||
| 3H | 1 | 2 | 3,016 049 277 7(25) | 12,32(2) yil | 1⁄2+ | β− | 18,591(1) кэВ | |
| 4H | 1 | 3 | 4,027 81(11) | 1,39(10)⋅10−22 с | 2− | -n | 23,48(10) МэВ | |
| 5H | 1 | 4 | 5,035 31(11) | более 9,1⋅10−22 с | (1⁄2+) | -nn | 21,51(11) МэВ | |
| 6H | 1 | 5 | 6,044 94(28) | 2,90(70)⋅10−22 с | 2− | −3n | 24,27(26) МэВ | |
| 7H | 1 | 6 | 7,052 75(108) | 2,3(6)⋅10−23 с | 1⁄2+ | -nn | 23,03(101) МэВ | |
Кимёвий хоссалари
Водороднинг атомида битта протон ва битта электрон мавжуд. У учта изотопик шаклда бўлиши мумкин: протий (оддий водород), дейтерий (оғир водород) ва тритий (ўта оғир водород). Табиатда водород асосан H2 молекулалари шаклида бўлади, улар иккита водород атоми бирлашганда ҳосил бўлади. H2 молекуласи атомлар ўртасида кучли боғланишга ва паст реактивликка эга.
Ишқорий ва ишқорий ер металлари билан реакцияси
Водород ишқорий ва ишқорий ер металлари билан реакцияга киришиб, гидридларни ҳосил қилиши мумкин. Гидридлар — водород манфий зарядга эга бўлган ва металл билан боғланган бирикмалар. Масалан, литий водород билан реакцияга киришганда, литий гидрид LiH ҳосил бўлади:
2Li + H2 → 2LiH
Ишқорий металл гидридлари юқори эриш нуқтасига эга бўлган кристалли қаттиқ моддалардир. Улар юқори электр ўтказувчанлигига эга ва иссиқлик ёки электрга парчаланганда соф водород манбалари бўлиб хизмат қилиши мумкин.
Ишқорий ер металл гидридлари мураккаброқ тузилишга эга. Металл ва водород ўртасидаги боғланишнинг бошқа поларители даражасига эга. Масалан, калтсий водород билан реакцияга киришганда, калтсий гидрид CaH2 ҳосил бўлади:
Ca + H2 → CaH2
Калтсий гидрид ҳар бир калтсий атомига иккита водород атомини ўз ичига олади, бир водород атоми бошқасига қараганда кўпроқ манфий зарядга эга. Калтсий гидриди рангсиз қаттиқ модда бўлиб, қиздирилганда водородни ажратиб олиш учун парчаланади.
Металл оксидлари билан ўзаро таъсири
Водород, шунингдек, сув ва металл ёки унинг тузини ҳосил қилиш учун металл оксидлари билан реакцияга киришиши мумкин. Масалан, Fe2O3 темир оксиди водород билан реакцияга киришганда, темир ва сув ҳосил бўлади:
Fe2O3 + 3 H2 → 2 Fe + 3 H2O
Бу реакция унинг рудасидан соф темир олиш учун ишлатилади.
Водород металл бўлмаган оксидлар билан ҳам реакцияга киришиб, кислоталар ёки уларнинг тузларини ҳосил қилиши мумкин. Масалан, карбонат ангидрид CO2 водород билан реакцияга киришганда, карбонат кислотаси H2CO3 ҳосил бўлади:
CO2 + H2 → H2CO3
Карбон кислотаси кучсиз кислота бўлиб, қиздирилганда ёки катализаторлар таʼсирида сув ва карбонат ангидридга парчаланади. Карбонатлар ҳосил қилиш учун асослар билан ҳам реакцияга киришиши мумкин. Масалан, карбонат кислота натрий билан реакцияга киришганда, натрий карбонат Na2CO3 ҳосил бўлади:
H2CO3 + 2 Na → Na2CO3 + H2
Натрий карбонат — оқ кукун бўлиб, саноат ва кундалик ҳаётда шиша тайёрлаш, совун тайёрлаш, сувни тозалаш ва бошқалар каби турли мақсадларда қўлланилади.
Органик бирикмаларни гидрогенлаш
Водород, шунингдек, углерод атомлари орасидаги икки ёки уч боғни ўз ичига олган органик бирикмалар билан реакцияга киришиши мумкин. Бундай ҳолда, гидрогенация содир бўлади — углерод атомларига водород атомларининг қўшилиши, бирикманинг тўйинганлик даражасини пасайтиради. Масалан, этилен C2H4 водород билан реакцияга киришганда, этан C2H6 ҳосил бўлади:
C2H4 + H2 → C2H6
Органик бирикмаларни гидрогенлаш кимё саноатида катта аҳамиятга эга, чунки у алканлар, спиртлар, алдегидлар, кетонлар ва бошқа турли хил маҳсулотларни олиш имконини беради. Гидрогенация бензиннинг октан сонини ошириш ва ўсимлик мойларидан ёғ ҳосил қилиш учун ҳам қўлланилади.
Водороднинг геокимёси
Водороднинг геокимёси атмосфера, гидросфера, литосфера ва BIOSфера каби турли муҳитларда водороднинг келиб чиқиши, тарқалиши, кимёвий реакциялари ва хоссаларини ўрганади. Водород турли шаклларда, масалан, эркин газ, сув молекуласининг бир қисми ёки эритмада ион сифатида мавжуд бўлиши мумкин. Шароитларга қараб, водород оксидланиши ёки қайтарилиши мумкин, шу билан унинг муҳитини ўзгартиради ва бошқа элементларга таъсир қилади.
Масалан, Ер атмосферасида водород умумий миқдорининг (миллионда тахминан 0,5 қисм) мавжуд ва метан, озон ва карбонат ангидриднинг оксидланиш даврларида иштирок этади. Ер гидросферасида водород сувнинг асосий таркибий қисми бўлиб, у ер юзасининг тахминан 71% ни ташкил қилади. Сув, шунингдек, бошқа кўплаб элементлар ва бирикмалар учун эритувчидир. Ер литосферасида водород квартс, гил ва дала шпати каби турли минералларда мавжуд. Ер BIOSферасида водород тирик организмларнинг метаболизмида муҳим рол ўйнайди. Масалан, у ўсимликларнинг фотосинтезида, ҳайвонларнинг нафас олишида ва бактериал ферментацияда иштирок этади.
Эҳтиёт чоралари
Водород маълум шароитларда жуда тез ёнувчи ва портловчи газдир. Шунинг учун уни ишлатишда юзага келиши мумкин бўлган хавфларни олдини олиш учун эҳтиёт чораларини кўриш керак. Ушбу эҳтиёт чораларига қуйидагилар киради:
- Водородни фақат юқори босимли махсус идишларда сақлаш ва ташиш керак.
- Иссиқлик манбалари, учқунлар ёки очиқ олов билан алоқа қилишдан сақлаш.
- Газ тўпланишининг олдини олиш учун тегишли шамоллатиш тизимидан фойдалаш.
- Водород билан ишлашда ҳимоя кийим, қўлқоп ва кўзойнак тақиш.
- Ёнғин хавфсизлиги қоидаларига риоя қилиш ва қўлингизда ўт ўчириш мосламалари бўлсин.
Водороднинг қўланиши
Кимё саноатида
Водород аммиак, метанол, синтетик углеводородлар ва бошқа турли хил кимёвий моддаларни ишлаб чиқариш учун муҳим хом ашё ҳисобланади. Водород, шунингдек, ёғлар ва ёғларни гидрогенлашда, каучук ва пластмасса ишлаб чиқаришда, нефть ва газни олтингугурт ва бошқа аралашмалардан тозалаш учун ишлатилади.
Ёқилғи-энергетика комплексида
Водород ҳар хил турдаги транспорт ва энергия ишлаб чиқариш учун экологик тоза ва самарали ёқилғи сифатида хизмат қилиши мумкин.
Транспорт
Водород транспорт ёқилғиси сифатида ҳам ишлатилиши мумкин, бунда водород ва кислород кимёвий энергиясини электр энергиясига айлантиради, реакцияда эса фақат сувни чиқаради. Бундай ёнилғи тури автомобиллар, автобуслар, поэздлар, кемалар ва ҳатто самолётларга ўрнатилиши мумкин. Водород, шунингдек, бензин ёки дизель ўрнини босувчи ички ёниш двигателларида ҳам ёқилиши мумкин.
Энергетика саноати
Водород қуёш панеллари ёки шамол турбиналари каби қайта тикланадиган манбаларда ортиқча электр энергиясини сақлаш учун ишлатилиши мумкин. Водород электролиз ёрдамида сувдан ишлаб чиқарилиши ва кейин босим остида ёки суюқ металл гидрид сифатида сақланиши мумкин. Агар керак бўлса, водород ёқилғи двигатель ёки газ турбиналари ёрдамида электр энергиясига қайтарилиши мумкин.
Озиқ-овқат ва косметика саноати
Водород ёғ кислоталаридан, масалан, маргарин ёки маёнездан ўсимлик ёғини олиш учун ишлатилади. Яроқлилик муддати ва таъмини ошириш учун минерал сув ёки пиво каби баъзи ичимликларга водород ҳам қўшилади. Косметика саноатида водород сочни энгиллаштириш учун ишлатилади.
Лабораторияда
Водород лаборатория амалиётида энг кенг тарқалган реагентлардан биридир. Турли органик ва ноорганик бирикмаларни қайтариш, шунингдек уларнинг оксиди ёки тузларидан соф металлар олиш учун ишлатилади. Водород шунингдек, кислород ёки ҳавога сезгир бўлган баъзи реакциялар учун инерт атмосфера бўлиб хизмат қилади.
Метеорологияда
Водород атмосферага кўтариладиган ҳаво шарларини тўлдириш ва ҳарорат, босим, намлик ва шамол ҳақидаги маълумотларни узатиш учун ишлатилади. Водород паст зичлиги ва арзонлиги туфайли танланади.
Авиация саноатида
Ҳозирги вақтда водород авиацияда қўлланилмайди. Бир пайтлар дирижабллар ва ҳаво шарлари водород билан тўлдирилган эди. Аммо 20-аср 30-йилларда бир нечта фалокатлар юз берди. Ҳозирги вақтда ҳаво кемалари анча юқори нархга қарамай, гелий билан тўлдирилган.
Бошқалар
Водород йирик электр станциялардаги генераторларни совутиш, металларни пайвандлаш ва кесиш, нейтрон бомбалари ва термоядро зарядларини тўлдириш, квант механикаси ва астрофизикани ўрганиш учун ишлатилади.