Hydro – Wikipedia tiếng Việt

Hydro (bắt nguồn từ từ tiếng Pháp Hydrogène /idʁɔʒɛn/),[8] là một nguyên tố hóa học trong hệ thống tuần hoàn các nguyên tố với nguyên tử số bằng 1, nguyên tử khối bằng 1 đvC. Trước đây còn được gọi là khinh khí (như trong “bom khinh khí” tức bom H); hiện nay từ này ít được sử dụng. Sở dĩ được gọi là “khinh khí” là do hydro là nguyên tố nhẹ nhất và tồn tại ở thể khí, với trọng lượng nguyên tử 1,00794 đvC. Hydro là nguyên tố phổ biến nhất trong vũ trụ, tạo nên khoảng 75% tổng khối lượng vũ trụ và tới trên 90% tổng số nguyên tử. Các sao thuộc dải chính được cấu tạo chủ yếu bởi hydro ở trạng thái plasma. Hydro nguyên tố tồn tại tự nhiên trên Trái Đất tương đối hiếm do khí hydro nhẹ nên trường hấp dẫn của Trái Đất không đủ mạnh để giữ chúng khỏi thoát ra ngoài không gian, do đó hydro tồn tại chủ yếu dưới dạng hydro nguyên tử trong các tầng cao của khí quyển Trái Đất.

Đồng vị phổ cập nhất của hydro là proti, ký 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, ký hiệu là D, với hạt nhân chứa một proton và một neutron và một đồng vị phóng xạ là triti, ký hiệu là T, với hai neutron trong hạt nhân .

Với vỏ nguyên tử chỉ có một electron, nguyên tử hydro là nguyên tử đơn giản nhất được biết đến, và cũng vì vậy nguyên tử hydro tự do có một ý nghĩa to lớn về mặt lý thuyết. Chẳng hạn, vì nguyên tử hydro là nguyên tử trung hòa duy nhất mà phương trình Schrödinger có thể giải được chính xác nên việc nghiên cứu năng lượng và cấu trúc điện tử của nó đóng vai trò quan trọng trong sự phát triển của cả cơ học lượng tử và hóa học lượng tử.

Ở điều kiện thường, các nguyên tử hydro kết hợp với nhau tạo thành những phân tử gồm hai nguyên tử H2. (Ở những nhiệt độ cao, quá trình ngược lại xảy ra.) Khí hydro lần đầu tiên được điều chế một cách nhân tạo vào đầu thế kỷ XVI bằng cách nhúng kim loại vào trong một acid mạnh. Vào những năm 1766-1781, Henry Cavendish là người đầu tiên nhận ra rằng hydro là một chất riêng biệt và rằng khi bị đốt trong không khí nó tạo ra sản phẩm là nước. Tính chất này chính là nguồn gốc của tên gọi tiếng Pháp hydrogène (được tạo ra bằng cách ghép tiếp đầu ngữ tiếng Hy Lạp hydro-, có nghĩa là “nước”, với tiếp vĩ ngữ tiếng Pháp -gène, có nghĩa là “tạo ra”).[9] Ở điều kiện tiêu chuẩn, hydro là một chất khí lưỡng nguyên tử không màu, không mùi, không vị và là một phi kim.

Trong những hợp chất ion, hydro hoàn toàn có thể sống sót ở hai dạng. Trong những hợp chất với sắt kẽm kim loại, hydro sống sót dưới dạng những anion hydride mang một điện tích âm, ký hiệu H -. Hydro còn hoàn toàn có thể sống sót dưới dạng những cation H + là ion dương sinh ra do nguyên tử hydro bị mất đi một electron duy nhất của nó. Tuy nhiên một ion dương với cấu trúc chỉ gồm một proton trần trụi ( không có electron che chắn ) không hề sống sót được trong trong thực tiễn do tính dương điện hay tính acid và do đó năng lực phản ứng với những phân tử khác của H + là rất cao. Một cation hydro thực sự chỉ sống sót trong quy trình chuyển proton từ những acid sang những base ( phản ứng acid-base ). Trong dung dịch nước H + ( do chính nước hoặc một loại acid khác phân ly ra ) phối hợp với phân tử nước tạo ra những cation hydroni H3O +, thường cũng được viết gọn là H +. Ion này đóng một vai trò đặc biệt quan trọng quan trọng trong hóa học acid-base .Hydro tạo thành những hợp chất cộng hóa trị với hầu hết những nguyên tố khác. Nó xuất hiện trong nước và hầu hết những hợp chất hữu cơ cũng như những khung hình sống .
Ở nhiệt độ và áp suất tiêu chuẩn hydro là một khí lưỡng nguyên tử có công thức phân tử H2, 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 hoàn toàn có thể phản ứng với hầu hết những nguyên tố hóa học khác .
Động cơ chính tàu con thoi đốt hydro với oxy, một phản ứng cháy phần nhiều không thấy được .Khí hydro ( hay phân tử hydro ) [ 10 ] có tính cháy cao và sẽ cháy trong không khí trong khoảng chừng nồng độ thể tích từ 4 % đến 75 %. [ 11 ] Entropy của quy trình cháy hydro là − 286 kJ / mol : [ 12 ]

2 H2(g) + O2(g) → 2 H2O(l) + 572 kJ (286 kJ/mol)[note 1]

Khí hydro nổ với hỗn hợp không khí với nồng độ 4 – 74 % và với clo nếu nồng độ nó là 5 – 95 %. Hỗn hợp hoàn toàn có thể được đốt cháy bằng tia lửa, nhiệt hoặc ánh sáng mặt trời. Nhiệt độ tự cháy của hydro trong không khí là 500 °C ( 932 °F ). [ 13 ] Hỗn hợp oxy-hydro tinh khiết cháy phát ra ánh sáng tử ngoại và hỗn hợp với nhiều oxy cháy gần như không hề quan sát bằng mắt thường như được minh họa trong Space Shuttle Main Engine so với chùm lửa dễ nhìn thấy của Space Shuttle Solid Rocket Booster. Việc phát hiện rò rỉ khí hydro cháy hoàn toàn có thể cần một thiết bị báo cháy ; rò rỉ như vậy hoàn toàn có thể rất nguy hại. Ngọn lửa hydro trong những điều kiện kèm theo khác là màu xanh, giống như ngọn lửa khí đốt vạn vật thiên nhiên màu xanh. [ 14 ]

Nguyên tử hydro[sửa|sửa mã nguồn]

Nguyên tử hydro là nguyên tử của nguyên tố hydro. Nó gồm có một electron có điện tích âm quay xung quanh proton mang điện tích dương là hạt nhân của nguyên tử hydro. Điện tử và proton link với nhau bằng lực Coulomb

Hydro có 3 đồng vị tự nhiên gồm 1
H, 2
H và 3
H. Các đồng vị khác có hạt nhân không bền (4
H đến 7
H) được tổng hợp trong phòng thí nghiệm nhưng không quan sát được trong tự nhiên.[15][16]

Hydro là nguyên tố duy nhất có những tên gọi khác nhau cho những đồng vị của nó. ( Trong tiến trình đầu của điều tra và nghiên cứu phóng xạ, những đồng vị phóng xạ nặng khác nhau cũng được đặt tên, nhưng những tên gọi này không được sử dụng, mặc dầu 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 H2 và H3 ) nhiều lúc được sử dụng để chỉ đơteri và triti, mặc dầu điều này không được chính thức phê chuẩn. Ký hiệu P. đã được sử dụng cho phosphor và không hề sử dụng để chỉ proti .

• 1H: Đồng vị phổ biến nhất của hydro chiếm hơn 99,98%, đồng vị ổn định này có hạt nhân chỉ chứa duy nhất một proton; vì thế trong miêu tả (mặc dù ít) gọi là proti.[17]
• 2H: Đồng vị ổn định có tên là deuteri, với thêm một neutron trong hạt nhân. Nó chiếm khoảng 0,0184-0,0082% của toàn bộ hydro (IUPAC); tỷ lệ của nó tới proti được xác định liên quan với nước tham chiếu tiêu chuẩn của VSMOW. Deuteri không có tính phóng xạ, và không thể hiện độc tính. Nước được làm giàu chứa deuteri thay vì hydro thông thường được gọi là nước nặng. Deuteri và các hợp chất của nó được dùng để đánh dấu đồng vị trong các thí nghiệm hóa sinh và trong các dung môi dùng

  1

  H

  -quang phổ NMR.[18] Nước nặng được dùng làm chất điều hòa neutron và chất làm lạnh trong các lò phản ứng hạt nhân. Deuteri cũng có thể là nhiên liệu tiềm năng trong các phản ứng tổng hợp hạt nhân thương mại.[19]

• 3H: Đồng vị phóng xạ tự nhiên có tên là triti. Hạt nhân của nó có hai neutron và một proton. Nó phân rã theo phóng xạ beta và chu kỳ bán rã là 12,32 năm.[20] Do có tính phóng xạ nên nó có thể được dùng trong sơn phản quang, như trong các loại đồng hồ. Tấm thủy tinh ngăn chặn một lượng nhỏ phóng xạ thoát ra ngoài.[21] Một lượng nhỏ triti có mặt trong tự nhiên do sự phản ứng giữa các tia vũ trụ với các khí trong khí quyển; triti cũng được giải phóng trong các thử nghiệm vũ khí hạt nhân.[22] Nó được dùng trong các phản ứng tổng hợp hạt nhân,[23] ở dạng vết trong địa hóa đồng vị,[24] và đặc biệt trong các thiết bị tự phát sáng.[25] Triti cũng được dùng trong các thí nghiệm ghi nhãn hóa học và sinh học.[26]Triti cũng có thể thay thế hydro trong nước giống như deuteri và tạo ra nước siêu nặng.
• 4H: Hydro-4 được tổng hợp khi bắn phá triti bằng hạt nhân đơteri chuyển động cực nhanh. Nó phân rã tạo ra bức xạ neutron và có chu kỳ bán rã 9,93696×10−23 giây.
• 5H: Năm 2001 các nhà khoa học phát hiện ra hydro-5 bằng cách bắn phá hydro bằng các ion nặng. Nó phân rã tạo ra bức xạ neutron và có chu kỳ bán rã 8,01930×10−23 giây.
• 6H: Hydro-6 phân rã tạo ra ba bức xạ neutron và có chu kỳ bán rã 3,26500×10−22 giây.
• 7H: Năm 2003 hydro-7 đã được tạo ra tại phòng thí nghiệm RIKEN ở Nhật Bản[27] bằng cách cho va chạm dòng các nguyên tử heli-8 năng lượng cao với mục tiêu hydro lạnh và phát hiện ra các triton – hạt nhân của nguyên tử triti – và các neutron từ sự phá vỡ của hydro-7, giống như phương pháp sử dụng để sản xuất và phát hiện hydro-5.

Phát hiện và sử dụng[sửa|sửa mã nguồn]

Hydro (trong tiếng Pháp, hydrogène, hydr-, thân từ của hydros, tiếng Hy Lạp nghĩa là “nước”, và -gène, tiếng Pháp nghĩa là “sinh”, có nghĩa là “sinh ra nước” khi hợp với Oxy[28] Năm 1671, Robert Boyle đã phát hiện và miêu tả phản ứng giữa sắt và acid loãng sinh ra khí hydro.[29][30] Năm 1766, Hydro lần đầu tiên được Henry Cavendish phát hiện như một chất riêng biệt, và đặt tên khí từ phản ứng kim loại-acid là “khí có thể cháy”.[31][32] và phát hiện năm 1781 rằng khí này tạo ra nước khi đốt. Ông thường được tín dụng cho phát hiện của nó như là một yếu tố.[5][6] Cavendish tình cờ tìm ra nó khi thực hiện các thí nghiệm với thủy ngân và các acid. Mặc dù ông đã sai lầm khi cho rằng hydro là hợp chất của thủy ngân (và không phải của acid), nhưng ông đã có thể miêu tả rất nhiều thuộc tính của hydro rất cẩn thận. Năm 1783, Antoine Lavoisier đặt tên cho nguyên tố này và chứng tỏ nước được tạo ra từ hydro và oxy.[7] Không lâu sau, ông và Laplace lập lại thí nghiệm phát hiện của Cavendish thì nước được tạo ra khi hydro bị đốt cháy.[6] Lavoisier tạo ra hydro từ các thí nghiệm nổi tiếng của ông về bảo tồn khối lượng bằng cách phản ứng của dòng hơi nước với sắt kim loại qua một sống sắt nung trên lửa. Quá trình oxy hóa kỵ khí của sắt của các proton của nước ở nhiệt độ cao có thể được biểu diễn theo các phản ứng sau:

Fe + H2O → FeO + H2

2 Fe + 3 H2O → Fe2O3 + 3 H2

3 Fe + 4 H2O → Fe3O4 + 4 H2

Nhiều sắt kẽm kim loại như zirconi trải qua phản ứng tựa như với nước tạo ra hydro .Hydro được hóa lỏng lần tiên phong bởi James Dewar năm 1898 bằng cách sử dụng bộ phận làm lạnh và ý tưởng của ông phích nước. [ 6 ] Ông đã tạo ra hydro rắn vào năm sau đó. [ 6 ] Deuteri được Harold Urey phát hiện vào tháng 12 năm 1931 bằng cách chưng cất một mẫu nước nhiều lần, với ý tưởng này Urey nhận giải Nobel năm 1934. Triti được Ernest Rutherford, Mark Oliphant, và Paul Harteck điều chế năm 1934. [ 5 ] Nước nặng được nhóm của Urey phát hiện năm 1932. [ 6 ] François Isaac de Rivaz đã tạo động cơ de Rivaz tiên phong sử dụng nguồn năng lượng từ việc đốt cháy hỗn hợp hydro và oxy năm 1806. Edward Daniel Clarke đã ý tưởng ra ống xì hàn hydro năm 1819. Đèn Döbereiner và đèn sân khấu được ý tưởng năm 1823. [ 6 ]Một trong những ứng dụng tiên phong của nó là khinh khí cầu, được Jacques Charles ý tưởng năm 1783. [ 6 ]. Hydro tạo lực nâng cho dạng du hành trên không vào năm 1852, đây là ý tưởng tàu hàng không dùng lực nâng hydro tiên phong của Henri Giffard. [ 6 ] Ferdinand von Zeppelin đã thôi thúc sáng tạo độc đáo khi khí cầu cứng dùng lực nâng của hydro mà sau này được gọi là Zeppelin ; khinh khí cầu tiên phong bay năm 1900. [ 6 ] Các chuyến bay trở nên liên tục hơn khởi đầu năm 1910 và khi nổ ra cuộc chiến tranh quốc tế thứ nhất vào tháng 8 năm 1914, khi khí cầu đã luân chuyển 35.000 hành khách mà không có tai nạn thương tâm nghiêm trọng. Tàu không khí lực nâng hydro được dùng làm những điểm qua sát và thả bom trong suốt đại chiến .

Vai trò trong thuyết lượng tử[sửa|sửa mã nguồn]

Các vạch quang phổ phát xạ trong sóng ánh sáng khả kiến theo chuỗi Balmer

Do cấu trúc nguyên tử tương đối đơn giản của nó chỉ gồm một proton và một electron, nguyên tử hydro, cùng với quang phổ ánh sáng từ nó hoặc nó hấp thụ, là trung tâm của sự phát triển học thuyết về cấu trúc nguyên tử.[33] Hơn thế nữa, sự đơn giản tương ứng của phân tử hydro và cation tương ứng H+
2 cho phép hiểu biết đầy đủ hơn về các liên kết hóa học tự nhiên, sau một thời gian ngắn sau khi cơ học lượng tử của nguyên tử hydro đã được phát triển vào giữa thập niên 1920.

Một trong những hiệu ứng lượng tử tiên phong được nhận thấy rõ ràng là quan sát của Maxwell tương quan đến hydro, nửa thế kỷ trước khi học thuyết cơ học lượng tử được tăng trưởng tổng lực. Maxwell đã quan sát nhiệt dung riêng của H2 không hề tính được của khí hai nguyên tử dưới nhiệt độ phòng và mở màn ngày càng giống với khí đơn nguyên tử ở nhiệt độ đông đặc. Theo thuyết lượng tử, ứng xử này xuất phát từ khoảng cách những mức nguồn năng lượng quay ( lượng tử hóa ), nó làm lan rộng ra khoảng cách trong H2 do khối lượng thấp của nó. Các mức khoảng cách rộng này ức chế tỷ suất bằng nhau của nguồn năng lượng nung trong hoạt động quay trong hydro ở những mức nhiệt độ thấp. Các khí hai nguyên tử gồm có những nguyên tử nặng hơn không có những mức khoảng cách rộng này và không bộc lộ cùng hiệu ứng. [ 34 ]

Trạng thái vạn vật thiên nhiên[sửa|sửa mã nguồn]

Hydro 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.[35] Nguyên tố này được tìm thấy với một lượng khổng lồ trong các ngôi sao và các hành tinh khí khổng lồ. Các đám mây phân tử của H2 liên quan đến sự hình thành sao. Hydro đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp năng lượng ngôi sao thông qua phản ứng proton-proton và tổng hợp hạt nhân chu trình CNO.[36]

Trong khắp vũ trụ, hydro được tìm thấy chủ yếu ở các trạng thái nguyên tử và plasma với các tính chất khác với hydro phân tử. Ở dạng plasma, electron và proton của hydro không liên kết cùng nhau, tạo thành các chất dẫn diện rất cao và phát xạ cao. Các hạt tích điện bị ảnh hưởng cao bởi từ trường và điện trường. Ví dụ, gió mặt trời tương tác với từ quyển của Trái Đất làm tăng dòng Birkeland và Aurora. Hydro được phát hiện ở trạng thái nguyên tử trung hòa điện trong các môi trường liên sao. Một lượng lớn hydro trung hòa được tìm thấy trong các hệ Lyman-alpha bị hãm được cho là thống trị mật độ baryon vũ trụ của Vũ trụ đến dịch chuyển đỏ z=4.[37]

Tuy vậy, trên Trái Đất nó có rất ít trong khí quyển ( 1 ppm theo thể tích ). Tuy nhiên, hydro là nguyên tố thông dụng thứ 3 trên mặt phẳng Trái Đất, [ 38 ] hầu hết là ở dạng hợp chất hóa học như nước và hydrocarbon. [ 20 ] Hydro được tạo ra bởi một số ít vi trùng và tảo và là thành phần tự nhiên của trung tiện như ở dạng methan, là nguồn hydro có độ quan trọng ngày càng cao. [ 39 ] Các nguồn khác gồm có phần nhiều những chất hữu cơ ( hiện tại là mọi dạng của khung hình sống ), than, nguyên vật liệu hóa thạch và khí tự nhiên. Metan ( CH4 ) là một nguồn quan trọng của hydro. Dưới áp suất cực cao, ví dụ điển hình như tại TT của những hành tinh khí khổng lồ ( như Sao Mộc ), những phân tử hydro mất đặc tính của nó và hydro trở thành một sắt kẽm kim loại ( xem hydro sắt kẽm kim loại ). Dưới áp suất cực thấp, như trong khoảng chừng không ngoài hành tinh, hydro có xu thế sống sót dưới dạng những nguyên tử riêng không liên quan gì đến nhau, đơn thuần vì không có cách nào để chúng link với nhau ; những đám mây H2 tạo thành và được link trong quy trình hình thành những ngôi sao 5 cánh .Hydro đóng vai trò sống còn trong việc cung ứng nguồn năng lượng trong thiên hà trải qua những phản ứng proton-proton và quy trình carbon – nitơ. ( Đó là những phản ứng nhiệt hạch giải phóng nguồn năng lượng khổng lồ trải qua việc tổng hợp hai nguyên tử hydro thành một nguyên tử heli. )

Điều chế, sản xuất[sửa|sửa mã nguồn]

Trong phòng thí nghiệm, hydro được điều chế bằng phản ứng của acid với sắt kẽm kim loại ( hoàn toàn có thể sử dụng bình Kipp ), như kẽm ví dụ điển hình. Để sản xuất công nghiệp có giá trị thương mại nó được điều chế từ khí vạn vật thiên nhiên. Điện phân nước là giải pháp đơn thuần nhưng không kinh tế tài chính để sản xuất hàng loạt hydro. Các nhà khoa học đang nghiên cứu và điều tra để tìm ra những giải pháp điều chế mới như sản xuất hydro sinh học sử dụng quy trình quang phân ly nước ở tảo lục hay việc chuyển hóa những dẫn xuất sinh học như glucose hay sorbitol ở nhiệt độ thấp bằng những chất xúc tác mới .Hydro hoàn toàn có thể điều chế theo nhiều cách khác nhau : hơi nước qua than ( carbon ) nóng đỏ, phân hủy hydrocarbon bằng nhiệt, phản ứng của những base mạnh ( kiềm ) trong dung dịch với nhôm, điện phân nước hay khử từ acid loãng với một sắt kẽm kim loại ( có năng lực đẩy hydro từ acid ) nào đó .Việc sản xuất thương mại của hydro thường thì là từ khí tự nhiên được giải quyết và xử lý bằng hơi nước nóng. Ở nhiệt độ cao ( 700 – 1.100 °C ), hơi nước tính năng với methan để sinh ra carbon monoxit và hydro .

CH 4 + H 2 O ↽ − − ⇀ CO + 3 H 2 { \ displaystyle { \ ce { CH4 + H2O < => CO + 3H2 } } }