Водород – кимёвий элементлар даврий жадвалининг энг биринчи элементи. Формуласи H. Водороднинг формуласи, унинг лотинча номи – «Ҳйдрогенум»нинг бош ҳарфидан келиб чиққан бўлиб, у қадимги юнон тилидаги ὕδωρ — «сув» ва γεννάω - «туғдирувчи» сўзларидан ясалган. Таржимада «сув туғдирувчи» маъносини англатади.
Оддий модда сифатидаги водород H2 – енгил, рангсиз газ. Кислород билан аралашма ҳолида ёнишга ва портлашга хавфли. Токсик эмас. Этанолда, шунингдек қатор металлларда: темир, никел, палладий, титан ва платинада эрийди.
|
Умумий маълумотлар |
|
|
Номи |
Водород; |
|
Формуласи |
H |
|
Рақами |
1, 1-davr, I guruh; |
|
Кашф этган олим. |
Генри Кавендиш.. |
|
Кашф этилган сана |
1766 йил, |
|
Кашф этилган давлат |
Англия; |
|
Атом хоссалари |
|
|
Атом рақами |
1,00784 m.a.b. (g/mol); |
|
Электрон конфигуратсияси |
1s1 |
|
Атом радиуси |
53 pm; |
|
Кимёвий хоссалари |
|
|
Ковалент радиуси |
32 pm; |
|
Ион радиуси |
54 (−1 e) pm; |
|
Электрманфийлиги |
2,20 (полинг шкаласи бўйича); |
|
Электрод потенсиали |
−0.34 V; |
|
Оксидланиш даражаси |
1,0, -1; |
|
Ионизатсия энергияси (биринчи электрон) |
1311,3 kJ/mol; (13,595 eV); |
|
Термодинамик хоссалари |
|
|
Зичлиги (м.ш.) |
0,0000899 g/sm3; |
|
Эриш ҳарорати |
14,01 K; |
|
Қайнаш ҳарорати |
20,28 K; |
|
Солиштирма эриш иссиқлиги |
0,117 kJ/mol; |
|
Солиштирма буғланиш иссиқлиги |
0,904 kJ/mol; |
|
Моляр иссиқлик сиғими |
28,47 kJ/(K·mol); |
|
Моляр ҳажми |
14,1 mol/sm3; |
|
Иссиқлик ўтказувчанлиги |
(300 K) 0,1815 Vt/(m·K); |
|
Дебай ҳарорати |
110 K; |
|
Struktura panjarasi shakli |
Geksagonal; |
|
Структура панжараси шакли |
a=3,780 c=6,167 Å; |
|
к/а нисбати |
1,631 |
Кашф қилиниши ва атама этимологияси.
Водородни илк маротаба 1766 йилда инглиз кимёгар ва физик олимлари Генри Кавендиш томонидан кашф этилган деб ҳисобланади. Кавендишнинг ўзи, тажрибаларида олинган номаълум газга «ёнувчи ҳаво» деб ном берган. «Ёнувчи ҳаво» ёндирилганида сув ҳосил бўлишини кузатган Кавендишнинг ўзи, илмий мулоҳазаларда флогистон таълимотига таяниб қолганлиги боис бу борада якуний хулоса чиқара олмаган.
Водород алоҳида кимёвий элемент эканлигини эса, илк марта фаранг кимёгари Антуан Лавуазе ҳамда муҳандиси Жан Менё биргаликда олиб борган махсус газометр ускуналар ёрдамидаги тажрибалар орқали илмий исботланган. Элементга «Ҳйдрогенум» номини ҳам айнан Лавуазе таклиф қилган. Ўзбек тилига рус тили орқали кириб келган «Водород» атамаси эса, 1824 йилда рус кимёгари М. Соловёв томонидан фанга киритилган эди.
Водороднинг тарқалиши
Водород бутун борлиқ бўйлаб энг кенг ва кўп тарқалган кимёвий элементдир. Илмий тахминларга кўра, бутун оламдаги барча атомларнинг ≈88% қисмини водород атомлари ташкил қилар экан. У юлдузлар ва юлдузлараро газнинг асосий ташкил қилувчисидир. Юлдузлардаги ўта юқори ҳарорат туфайли, улардаги водород плазма ҳолатида бўлади. Юлдузлараро фазода эса водород алоҳида атомлар, ионлар ҳолатида бўлиб, молекуляр булутлар ҳосил қилиши мумкин. Водород Қуёш массасининг деярли ярмини, % ҳисобида эса 74.5 улушини ташкил қилади.
Ер қобиғидаги водороднинг улуши эса 1% ни ташкил қилади. Ердаги водороднинг деярли барчаси, бирикма ҳолатидадир. Унинг ерда юз берадиган барча табиий жараёнлардаги аҳамияти беқиёс. Фақат Ер атмосферасидагина жуда оз миқдорда оддий модда шаклидаги водород учрайди, у қуруқ ҳаво ҳажмидан атига 0.00005% ни ташкил қилади.
Ушбу элемент деярли барча тирик организмларда тўқималарда, ҳамда барча органик моддалар таркибида учрайди. Тирик тўқималарда атомлар сонининг 63% қисмини айнан водород атомлари ташкил қилади.
Водороднинг физик хоссалари
Водород – энг енгил газдир. У ҳавога нисбатан 14.4 марта енгилроқ. Шунинг учун ҳам водород билан тўлдирилган ҳаво шарлари, масалан, совун пуфакчалари ҳавода юқорига кўтарилади. Молекулаларнинг массаси қанчалик кичик бўлса, айнан бир хил ҳароратда, уларнинг бошқа молекулаларга нисбатан тезлиги ҳам шунчалик катта бўлади.
Водород молекулалари эса табиатдаги энг енгил молекулалардир. Шунинг учун ҳам улар исталган бошқа газларнинг молекулаларидан тезроқ ҳаракатланишади ва шу туфайли ҳам иссиқликни биридан бошқасига узатиш бўйича ҳам (соддароқ айтганда иссиқлик узатиш бўйича) энг тези ҳисобланишади. Бундан хулоса қилинадики, газсимон моддалар орасида, энг катта иссиқлик ўтказувчанликка эга модда айнан водороддир. Унинг иссиқлик ўтказувчанлиги, ҳавоникида деярли етти баробар юқори.
Водород молекуласи икки атомли (H2) бўлиб, меъёри шароитда у ҳидсиз, рангсиз ва таъмсиз га ҳолатида бўлади. унинг зичлиги 0,08987 г/л; қайнаш ҳарорати −252,76 °К; ёнишида ажралиб чиқадиган солиштирма иссиқлик миқдори 120,9·106 Ж/кг; сувда кам ва қийин эрийди: 18.8 мл/л (20°К шароитда).
Водород металлларда (Ni, Pt, Pd ва бошқалар) айниқса Палладийда яхши эрийди. 1 ҳажм Палладийда 850 ҳажм водород эриши мумкин. Металлларда водороднинг яхши эриш хоссаси, унинг металлларда диффузияланиши туфайлидир. Лекин, углеродли бирикмаларда (масалан углеродли пўлатда) водороднинг диффузияга учраши натижасида бирикманинг парчаланиши ҳам юз бериш мумкин. Чунки бунда водороднинг углерод атомлари билан таъсирланиши натижасида, одатда декарбонизатсия ҳодисаси юзага келади. Водород кумуш металида деярли эримайди.
Суюқ ҳолатдаги водород, −252,76 дан −259,2 °К гача бўлган, жуда қисқа ҳарорат интервалларида мавжуд бўлади ва у рангсиз, ўта енгил суюқлик бўлиб, зичлиги −253 °К ҳароратда 0,0708 г/см³ ни, қовушқоқлиги эса, 13,8 ни ташкил қилади.
Водороднинг критик параметрлари жуда паст: −240,2 °К ҳарорат ҳамда, 12,8 атм босим. Унинг қийин суюқланиши ҳам айнан шу билан тушунтирилади. Суюқ водород, мувозанат ҳолатида 99,79 % Н2 буғи ва 0,21 % орто-Н дан иборат бўлади.
Қаттиқ водород эса, эриш ҳарорати −259,2 °К, зичлиги 0,0807 г/см³ (−262 °К ҳароратда) бўлган қорсимон масса шаклида бўлади. Кристалллари гексагонал сингонияли, фазовий гуруҳи П6/ммк, катакча параметрлари эса, а=0,378 нм ва к=0,6167 нм.
1935 йилда, Уингер ва Ҳунтингтон исмли кимёгарлар, водороднинг 250000 атм босим остида металл ҳолатига ўтиши ҳақида илмий фаразни ўртага ташладилар. Агар бундай шароитни ташкил қилиб, барқарор металл водород олиш имкони бўлса, у ўта енгил металл сифатида, жуда кўплаб соҳаларда истиқболли равишда қўлланилиши кўзда тутилган эди. 2014 йилда, водороднинг 1.5-2 миллион атм босими остида инфрақизил нурланишларни ютишни бошлаши, демакки унинг молекулаларининг электрон қобиқлари қутбланиши мумкинлиги аниқланди. Эҳтимол янада юқорироқ босимларда водород металл ҳолатига ўтиши мумкин.
Молекуляр водород икки хил спин шаклида (модификатсияда) орто- ва пара-модификатсияларда учрайди. Ортоводород молекуласида о-H2 (эриш ҳарорати −259,10 °К, қайнаш ҳарорати −252,56 °К) ядро спинлари параллел; параводородда эса, п-H2 (эриш ҳарорати −259,32 °К, қайнаш ҳарорати −252,89°К) ўзаро қарама қарши (антипараллел) бўлади. Берилган ҳароратдаги о-H2 вап-H2 аралашмасининг мувозанати, мувозанатлашган водород э-H2 деб юритилади.
Кимёвий хоссалари
Бирикмаларда водород доимо бир валентли бўлади. Унинг учун +1 оксидланиш даражаси хос. Лекин металларнинг гидирларида у -1 га тенг бўлади. умумлашган электронлар жуфти, бошқача айтганда, умумий электронлар булути ҳосил бўлиши туфайли, водород одатда икки атомли бўлади. Айнан H2 молекуласи шаклидаги водород, алоҳида атомларига нисбатан энергетик жиҳатдан барқарор бўлади. шу туфайли ҳам, водород молекулалари анча мустаҳкам бўлиб, бир мол водород молекуласини атомларга ажратиш учун 436 кЖ энергия сарфлаш лозим.
H2=2H, ∆HҲº= 436 кЖ/мол.
Шу туфайли ҳам оддий шароит ҳароратларида водород фақат энг фаол моддалар билан, масалан калсий билан таъсирлашади ва гидрид бирикмалар ҳосил қилади:
Ca+H2 → CaH2
Металлардан эса фақат Фтор билан оддий ҳарорат шароитида бирикиб, Фтороводород ҳосил қилади:
F2+H2→ 2FH
Аксар металлар ва металлмаслар билан водород юқори ҳароратларда ёки, бошқача таъсирлар остида, масалан, ёритилишда реаксияга киришади.
O2+2H2→ 2H2O
У баъзи оксидлардан кислородни ўзига бириктириб олиши мумкин. масалан:
CuO+H2→ Cu+H2O
Водороднинг олиниши
Саноатда водород турли хил усуллар билан олинади. Улардан бири - табиий газни 1000 ºК ҳароратда сув буғи билан конверсиялаш бўлиб, унинг реаксияси қуйидагича кечади:
CH4+H2O ⇄ CO+3H2
Шунингдек, сув буғларини 1000 ºК атрофидаги ҳароратда қиздирилган кокс устидан ўтказиш орқали:
H2O+C ⇄ CO↑+H2↑
Тузларнинг сувдаги эритмаларини электролиз қилиш орқали:
2NaCl+2H2O → 2NaOH+Cl2↑+H2↑
Кислород билан каталитик оксидлаш орқали:
2CH4+O ⇄ 2CO+4H2
Лабораторияларда асосан кислотали аралашмаларни металлар билан таъсирлантириш орқали олинади. Бундай реаксиялардан энг кенг тарқалгани рухни олтингугурт кислотаси билан таъсирлантиришдир:
Zn+H2SO4→ ZnSO4+ H2↑
ёки, сувнинг калсий билан ўзаро таъсири натижасида:
Ca+2H2O → Ca(OH)2+ H2↑
Гидридларни гидролиз қилиш йўли билан:
NaH+H2O → NaOH+H2↑
Ишқорларнинг рух ёки алуминийга таъсири орқали:
2Al+2NaOH+6H2O → 2Na[Al(OH)4]+3H2↑
Zn+2KOH+2H2O → K2[Zn(OH)4]+H2↑
Электролиз усули билан. Ишқорлар ёки кислоталарнинг сувдаги эритмаларини электролиз қилинганида, катодда водород ажралиб чиқиши рўй беради, масалан:
2H3O++2e− → H2O+H2↑
Водороднинг ишлатилиши
Водород кимё саноатида аммиак, метанол, совун, ҳамда пластмасса ишлаб чиқаришлари сингари соҳаларда кенг қўлланилади. Озиқ овқат саноатида эса, ёғларни гидрогенлаш учун, ҳамда, маргарин ишлаб чиқаришда фойдаланилади. Э949 (қадоқлаш гази) тартиби остида, озуқавий қўшимча сифатида рўйхатга олинган. Унинг жуда енгиллиги туфайли, илгарилари аеростатларнинг ҳаво шарларини тўлдиришда қўлланилган. Бироқ, унинг ёнувчанлиги ва тез портлаши туфайли, содир бўлган бир неча йирик фалокатлардан сўнг, ҳаво шарларини водород билан тўлдириш, хавфсизлик нуқтаи назаридан тўхтатилган.
Ҳозирги замонда ҳаво шарлари асосан гелий билан тўлдирилади. Водород эса метрология мақсадларида фойдаланиладиган ҳаво шарчаларидагина қўлланилмоқда. Водороддан ракеталар учун ёнилғи сифатида фойдаланилади. Ҳозирда енгил автомобиллар ва бошқа турдаги транспорт воситалари учун ҳам водород ёнилғисини қўллаш борасида изланишлар давом этмоқда. Электроенергетика соҳасида эса, кучли ва кўп қувватли генераторларни совитиш мақсадларида водороддан фойдаланилади. Водороднинг изотоплари - Дейтерий билан Тритий, атом энергетикасида термоядро ёнилғиси сифатида қўлланилади.