Vodorod: Barqaror kelajakning asosiy kaliti

Vodorod: Barqaror kelajakning asosiy kaliti

Vodorod tabiatdagi eng yengil va eng oddiy elementdir. U bitta proton va bitta elektrondan iborat bo'lib, uning atom massasi 1,00794 g / mol. Vodorod hayot, energiya va texnologiya bilan bog'liq ko'plab jarayonlarda muhim rol o'ynaydi. Ushbu maqolada biz ushbu ajoyib element haqida ba'zi qiziqarli malumotlarni baham ko'ramiz.

Kashf qilinish tarixi

Vodorod birinchi marta 1671 yilda ingliz kimyogari Robert Boyl tomonidan olingan va uni gaz sifatida tavsiflagan va uni "inflyatsiya alangasi" deb atagan. Biroq, Robert Boyl uning tabiatini tushunmadi va havo va olov aralashmasi ekanligiga ishondi. 1766 yilda ingliz fizigi va kimyogari Genri Kavendish vodorodning metallar kislotalar bilan reaksiyaga kirishishi natijasida hosil bo'ladigan alohida element ekanligini aniqladi. Shuningdek, u vodorod yondirilganda suv hosil bo'lishini aniqladi. 1783 yilda frantsuz olimlari Antuan Lavuazye va Per Simon Laplas bu haqiqatni tasdiqladilar va vodorodga zamonaviy nomini berishdi, bu yunoncha "gidro" (suv) va "gen" (ishlab chiqaruvchi) so'zlaridan kelib chiqqan.

Vodorod
←  Neytroniy | Geliy  →
Oddiy moddaning ko'rinishi
Gaz chiqarish trubkasidagi vodorodning yanishi
Atom xossalari
Nomi, belgi, raqamVodorod / vodorod (H), 1
Guruh , davr , blok1, 1,
s-element
Atom massasi
molyar massa )
[1.00784; 1.00811] ( g / mol )
Elektron konfiguratsiya1s 1
Atom radiusi53 pm
Kimyoviy xossalari
Kovalent radius53 pm
Ion radiusi54 (−1 e)  pm
Elektromanfiylik2.20 (Pauling shkalasi)
Oksidlanish holatlari-1, 0, +1
Ionlanish energiyasi
(birinchi elektron)
1311,3 (13,595)  kJ / mol  ( eV )
Oddiy moddaning termodinamik xossalari
Zichlik ( n.a.da )0,0000899 (273  K (0 °C) da) g/sm³
Erish harorati14.01K  ; -259,14  ° C
Qaynatish harorati20.28K  ; -252,87  ° C
Kritik nuqta32,24  K , 1,30  MPa
Mol. termoyadroviy issiqlik0,117 kJ/mol
Mol. bug'lanish issiqligi0,904 kJ/mol
Molar issiqlik sig'imi28,47 J/(K mol)
Molyar hajm22,4⋅10  sm³ / mol
Oddiy moddaning kristall panjarasi
Panjara tuzilishiolti burchakli
Panjara parametrlaria  = 3,780 c  = 6,167  Å
 c/a  nisbati 1.631
Debay harorati110K 
Boshqa xususiyatlar
Issiqlik o'tkazuvchanligi(300 K) 0,1815 Vt/(m K)
CAS raqami12385-13-6

Ismning kelib chiqishi

Yuqorida aytib o'tilganidek, "vodorod" so'zi yunoncha "gidro" (suv) va "gen" (ishlab chiqaruvchi) so'zlaridan kelib chiqqan. Bu vodorodning suvning asosiy komponenti (H2O) ekanligini va undan elektroliz yoki boshqa usullar bilan olinishi mumkinligini aks ettiradi. Ingliz tilida vodorod bir xil ildizga ega bo'lgan hydrogen deb ham ataladi. Boshqa tillarda vodorod turli nomlarga ega bo'lishi mumkin, masalan, nemis tilida - Wasserstoff (suv moddasi), frantsuz tilida - gidrogen (hydrogen), ispan tilida - hidrógeno (hydrogen), xitoy tilida - 氢 (qing, talaffuzi chin ), bu "ochiq ko'k" degan ma'noni anglatadi.

Tarqalishi

Koinotda

Vodorod koinotdagi eng keng tarqalgan elementdir. U barcha ko'rinadigan moddalar massasining taxminan 75% ni va atomlarning taxminan 90% ni tashkil qiladi. Vodorod Katta portlashdan so'ng, kosmos zarrachalarni proton va elektronlarga bo'lgan yuqori energiyali nurlanish bilan to'ldirilganida hosil bo'lgan. Keyinchalik bu zarralar birlashib, vodorod atomlarini hosil qilgan. Vodorod yulduzlarning asosiy yoqilg'isi bo'lib, yadro sintezi natijasida undan og'irroq elementlarni sintez qiladi. Bizning quyosh sistemamizda vodorod Yupiter va Saturn kabi gazsimon sayyoralarda va ularning Titan va Yevropa kabi yo'ldoshlarida ko'p.

Yer qobig'i va tirik organizmlarda

Er qobig'idagi vodorodning massa ulushi 1% ni tashkil qiladi - bu eng keng tarqalgan o'ninchi element. Biroq, uning tabiatdagi roli massa bilan emas, balki boshqa elementlar orasidagi ulushi 17% bo'lgan atomlar soni bilan belgilanadi ( kisloroddan keyin ikkinchi o'rin , atomlarning ulushi ~ 52%). Shuning uchun Yerda sodir bo'ladigan kimyoviy jarayonlarda vodorodning ahamiyati deyarli kislorodniki kabi katta. Vodorod ham hayot uchun zarur element hisoblanadi, chunki u oqsillar, uglevodlar, lipidlar, nuklein kislotalar va boshqalar kabi biomolekulalarning bir qismidir. Vodorod nafas olish, fotosintez, fermentatsiya va boshqalar kabi ko'plab biokimyoviy jarayonlarda ham ishtirok etadi. Vodorod ba'zi mikroorganizmlar tomonidan energiya manbai yoki metabolik mahsulot sifatida ishlatilishi mumkin.

Olinishi

Sanoatda

Sanoatda vodorod, birinchi navbatda, nikel asosidagi katalizator ishtirokida yuqori harorat va bosimda suv va tabiiy gazni (metan) bug' bilan qayta ishlash orqali ishlab chiqariladi. Reaktsiya quyidagicha ko'rinadi:

CH4 + H2O → CO + 3H2

Natijada hosil bo'lgan sintez gazi (CO va H2 aralashmasi) yana suv bug'i bilan reaksiyaga kirishadi:

CO + H2O → CO2 + H2

Ushbu reaksiyalar natijasida taxminan 95% konsentratsiyali sof vodorod olinadi. Vodorod olishning boshqa usullariga suvni elektroliz qilish, uglevodorodlar yoki suvning termal parchalanishi, biologik ishlab chiqarish va boshqalar kiradi.

Laboratoriyada

Laboratoriyada vodorodni metallarni kislotalar yoki asoslar bilan reaksiyaga kiritish orqali olish mumkin. Misol uchun, rux sulfat kislota bilan reaksiyaga kirishganda, rux sulfat hosil bo'ladi va vodorod gazi ajralib chiqadi:

Zn + H2SO4 → ZnSO4 + H2

Alyuminiy gidroksidlar bilan reaksiyaga kirishganda, alyuminiy gidroksidi hosil bo'ladi va vodorod gazi ajralib chiqadi:

2Al + 6NaOH → 2Na3AlO3 + 3H2

Vodorodni laboratoriya sharoitida kislotalar yoki asoslarning suyultirilgan eritmalarini elektroliz qilish orqali ham olish mumkin. Shu bilan birga, H+ ionlarining qaytarilishi (qayta tiklanishi) katodda (manfiy elektrod) sodir bo'ladi, ular H atomlariga aylanadi va keyin H2 molekulalariga birlashadi:

2H+ + 2e- → H2

Vodorodni tozalash

Ishlab chiqarish usuli va foydalanish maqsadiga qarab, vodorod tarkibida kislorod, azot, karbonat angidrid, vodorod sulfidi, ammiak va boshqalar kabi turli xil aralashmalar bo'lishi mumkin. Vodorodning tozaligi va sifatini yaxshilash uchun turli xil tozalash usullari qo'llaniladi, masalan:

Absorbsiya. Bu vodorodning iflosliklarni o'zlashtiradigan, ammo vodorodning o'tishiga imkon beruvchi materialdan o'tadigan jarayon. Masalan, faollashtirilgan uglerod, metall gidridlar yoki molekulyar elaklardan foydalanish mumkin.

Adsorbsiya. Bu vodorodning sirtdagi aralashmalari Van der Waals kuchlari yoki kimyoviy bog'lanishlar tomonidan ushlab turilgan materialdan o'tadigan jarayondir. Misol uchun, siz aralashmalar bilan murakkab birikmalar hosil qiluvchi palladiy yoki boshqa metallardan foydalanishingiz mumkin.

Membranani ajratish. Bu vodorod yupqa, yarim o'tkazuvchan membrana orqali o'tadigan jarayon bo'lib, u vodorodning o'tishiga imkon beradi, lekin aralashmalarni saqlaydi. Masalan, polimer yoki metall membranalardan foydalanish mumkin.

Kriogen distillash. Bu vodorod va aralashmalar juda past haroratgacha sovutilgach, keyin qaynash nuqtalari farqi bilan ajratilgan jarayondir. Bu usul juda toza vodorod hosil qiladi, lekin juda ko'p energiya talab qiladi.

Vodorodning narxi

Vodorodning narxi uni ishlab chiqarish, tozalash va tashish usuliga bog'liq. Xalqaro energiya agentligi (IEA) ma'lumotlariga ko'ra, 2020 yilda vodorodning o'rtacha narxi bir kilogramm uchun taxminan 2 dollarni tashkil etdi. Biroq, narx mintaqaga va bozorga qarab juda farq qilishi mumkin.

Kelajakda yangi texnologiyalarni ishlab chiqish, ishlab chiqarish ko'lamini oshirish va qayta tiklanadigan energiya manbalaridan foydalanish tufayli vodorodning narxi pasayishi mumkin. IEA hisob-kitoblariga ko‘ra, 2050 yilga borib, vodorod narxi bir kilogramm uchun 1 dollargacha tushishi mumkin.

Fizik xususiyatlari

Vodorod uchta agregat holatda mavjud: gazsimon, suyuq va qattiq. Oddiy sharoitlarda bu ikki atomli H2 molekulalaridan tashkil topgan rangsiz, ta'msiz va hidsiz gazdir. Juda past haroratlarda (-253°C dan past) vodorod suyuq holga keladi, undan pastroq haroratlarda (-259°C dan past) esa qattiq holga keladi.

Metall vodorod

Vodorodning eng noodatiy xususiyatlaridan biri uning juda yuqori bosimlarda metallga aylanish qobiliyatidir. Nazariy jihatdan, taxminan 4 million atmosfera bosimida vodorod yuqori elektr va issiqlik o'tkazuvchanligiga ega bo'lgan metallga aylanishi kerak. Bu holat metall vodorod yoki faza(I) deb ataladi. Bundan ham yuqori bosimlarda (taxminan 25 million atmosfera) metall vodorod supero'tkazgichga, ya'ni elektr tokiga qarshilik ko'rsatmaydigan materialga aylanishi kerak. Bu holat faza(II) bosqich deb ataladi.

Metall vodorodni eksperimental ravishda olish juda qiyin, chunki katta bosim va past harorat talab qilinadi. Metall vodorodni yaratish haqidagi birinchi da'voni 2017 yilda Garvard universiteti olimlari jamoasi vodorod namunasini taxminan -270 ° C haroratda 5 million atmosferaga siqish uchun olmos anvilidan foydalanganlar. Biroq, bu natija uni takrorlay olmagan yoki boshqa usullar bilan tasdiqlay olmagan boshqa tadqiqotchilar tomonidan shubha ostiga olingan va tanqid qilingan.

Metall vodorod katta ilmiy va amaliy ahamiyatga ega. U Yupiter va Saturn kabi gigant sayyoralar, shuningdek, past massali yulduzlar yadrosining asosiy komponenti ekanligiga ishoniladi. Bundan tashqari, metall vodorod toza energiya manbai sifatida ishlatilishi mumkin, chunki u vodorod gaziga aylantirilganda katta miqdorda issiqlik chiqariladi.

Izotoplar

Izotoplar - bu bir xil elementning atomlari bo'lib, ularning yadrosida turli xil miqdordagi neytronlar mavjud bo'ladi. Izotoplarning xossalari ularning massa soniga bog'liq bo'lib, u proton va neytronlar yig'indisiga teng. Masalan, protiyning massa soni 1 ga, chunki unda neytronlar yo'q, deyteriyda bitta neytron bo'lganligi uchun 2 ga, tritiyda ikkita neytron bo'lganligi uchun 3 ga teng.

Vodorod izotoplarining xossalari zichlik, erish va qaynash nuqtalari, issiqlik sig'imi, tovush tezligi va reaktivlik kabi parametrlarda farqlanadi. Masalan, deyteriy protiydan ikki barobar, tritiy esa protiydan uch baravar og‘irroq. Bu shuni anglatadiki, deyteriy yoki tritiy (og'ir suv deb ataladi) bo'lgan suv oddiy suvga qaraganda yuqoriroq zichlikka va yuqori erish va qaynash nuqtasiga ega. Shuningdek, vodorod izotoplari turli kimyoviy reaktsiyalarda ishtirok etishi mumkin. Masalan, tritiy radioaktivdir va energiya ajralib chiqishi bilan geliy-3 ga parchalanishi mumkin. Bu uni termoyadro sintezi uchun potentsial energiya manbaiga aylantiradi.

IzotoplarZNMassasiYarim yemirilish davriSpinTabiatdagi miqdori, %Parchalanish turi va energiyas
1H101,007 825 032 07(10)barqaror12+99,9885(70)
2H112,014 101 777 8(4)barqaror1+0,0115(70)
3H123,016 049 277 7(25)12,32(2) yil12+β18,591(1) кэВ
4H134,027 81(11)1,39(10)⋅10−22 с2-n23,48(10) МэВ
5H145,035 31(11)более 9,1⋅10−22 с(12+)-nn21,51(11) МэВ
6H156,044 94(28)2,90(70)⋅10−22 с2−3n24,27(26) МэВ
7H167,052 75(108)2,3(6)⋅10−23 с12+-nn23,03(101) МэВ

Kimyoviy xossalari

Vodorodning atomida bitta proton va bitta elektron mavjud. U uchta izotopik shaklda bo'lishi mumkin: protiy (oddiy vodorod), deyteriy (og'ir vodorod) va tritiy (o'ta og'ir vodorod). Tabiatda vodorod asosan H2 molekulalari shaklida bo'ladi, ular ikkita vodorod atomi birlashganda hosil bo'ladi. H2 molekulasi atomlar o'rtasida kuchli bog'lanishga va past reaktivlikka ega.

Ishqoriy va ishqoriy yer metallari bilan reaksiyasi

Vodorod ishqoriy va ishqoriy yer metallari bilan reaksiyaga kirishib, gidridlarni hosil qilishi mumkin. Gidridlar - vodorod manfiy zaryadga ega bo'lgan va metall bilan bog'langan birikmalar. Masalan, litiy vodorod bilan reaksiyaga kirishganda, litiy gidrid LiH hosil bo'ladi:

2Li + H2 → 2LiH

Ishqoriy metall gidridlari yuqori erish nuqtasiga ega bo'lgan kristalli qattiq moddalardir. Ular yuqori elektr o'tkazuvchanligiga ega va issiqlik yoki elektrga parchalanganda sof vodorod manbalari bo'lib xizmat qilishi mumkin.

Ishqoriy yer metall gidridlari murakkabroq tuzilishga ega. Metall va vodorod o'rtasidagi bog'lanishning boshqa polariteli darajasiga ega. Masalan, kaltsiy vodorod bilan reaksiyaga kirishganda, kaltsiy gidrid CaH2 hosil bo'ladi:

Ca + H2 → CaH2

Kaltsiy gidrid har bir kaltsiy atomiga ikkita vodorod atomini o'z ichiga oladi, bir vodorod atomi boshqasiga qaraganda ko'proq manfiy zaryadga ega. Kaltsiy gidridi rangsiz qattiq modda bo'lib, qizdirilganda vodorodni ajratib olish uchun parchalanadi.

Metall oksidlari bilan o'zaro ta'siri

Vodorod, shuningdek, suv va metall yoki uning tuzini hosil qilish uchun metall oksidlari bilan reaksiyaga kirishishi mumkin. Masalan, Fe2O3 temir oksidi vodorod bilan reaksiyaga kirishganda, temir va suv hosil bo'ladi:

Fe2O3 + 3 H2 → 2 Fe + 3 H2O

Bu reaksiya uning rudasidan sof temir olish uchun ishlatiladi.

Vodorod metall bo'lmagan oksidlar bilan ham reaksiyaga kirishib, kislotalar yoki ularning tuzlarini hosil qilishi mumkin. Masalan, karbonat angidrid CO2 vodorod bilan reaksiyaga kirishganda, karbonat kislotasi H2CO3 hosil bo'ladi:

CO2 + H2 → H2CO3

Karbon kislotasi kuchsiz kislota boʻlib, qizdirilganda yoki katalizatorlar taʼsirida suv va karbonat angidridga parchalanadi. Karbonatlar hosil qilish uchun asoslar bilan ham reaksiyaga kirishishi mumkin. Masalan, karbonat kislota natriy bilan reaksiyaga kirishganda, natriy karbonat Na2CO3 hosil bo'ladi:

H2CO3 + 2 Na → Na2CO3 + H2

Natriy karbonat - oq kukun bo'lib, sanoat va kundalik hayotda shisha tayyorlash, sovun tayyorlash, suvni tozalash va boshqalar kabi turli maqsadlarda qo'llaniladi.

Organik birikmalarni gidrogenlash

Vodorod, shuningdek, uglerod atomlari orasidagi ikki yoki uch bog'ni o'z ichiga olgan organik birikmalar bilan reaksiyaga kirishishi mumkin. Bunday holda, gidrogenatsiya sodir bo'ladi - uglerod atomlariga vodorod atomlarining qo'shilishi, birikmaning to'yinganlik darajasini pasaytiradi. Masalan, etilen C2H4 vodorod bilan reaksiyaga kirishganda, etan C2H6 hosil bo'ladi:

C2H4 + H2 → C2H6

Organik birikmalarni gidrogenlash kimyo sanoatida katta ahamiyatga ega, chunki u alkanlar, spirtlar, aldegidlar, ketonlar va boshqa turli xil mahsulotlarni olish imkonini beradi. Gidrogenatsiya benzinning oktan sonini oshirish va o'simlik moylaridan yog' hosil qilish uchun ham qo'llaniladi.

Vodorodning geokimyosi

Vodorodning geokimyosi atmosfera, gidrosfera, litosfera va biosfera kabi turli muhitlarda vodorodning kelib chiqishi, tarqalishi, kimyoviy reaktsiyalari va xossalarini o'rganadi. Vodorod turli shakllarda, masalan, erkin gaz, suv molekulasining bir qismi yoki eritmada ion sifatida mavjud bo'lishi mumkin. Sharoitlarga qarab, vodorod oksidlanishi yoki qaytarilishi mumkin, shu bilan uning muhitini o'zgartiradi va boshqa elementlarga ta'sir qiladi.

Masalan, Yer atmosferasida vodorod umumiy miqdorining (millionda taxminan 0,5 qism) mavjud va metan, ozon va karbonat angidridning oksidlanish davrlarida ishtirok etadi. Yer gidrosferasida vodorod suvning asosiy tarkibiy qismi bo'lib, u yer yuzasining taxminan 71% ni tashkil qiladi. Suv, shuningdek, boshqa ko'plab elementlar va birikmalar uchun erituvchidir. Yer litosferasida vodorod kvarts, gil va dala shpati kabi turli minerallarda mavjud. Yer biosferasida vodorod tirik organizmlarning metabolizmida muhim rol o'ynaydi. Masalan, u o'simliklarning fotosintezida, hayvonlarning nafas olishida va bakterial fermentatsiyada ishtirok etadi.

Ehtiyot choralari

Vodorod ma'lum sharoitlarda juda tez yonuvchi va portlovchi gazdir. Shuning uchun uni ishlatishda yuzaga kelishi mumkin bo'lgan xavflarni oldini olish uchun ehtiyot choralarini ko'rish kerak. Ushbu ehtiyot choralariga quyidagilar kiradi:

  • Vodorodni faqat yuqori bosimli maxsus idishlarda saqlash va tashish kerak.
  • Issiqlik manbalari, uchqunlar yoki ochiq olov bilan aloqa qilishdan saqlash.
  • Gaz to'planishining oldini olish uchun tegishli shamollatish tizimidan foydalash.
  • Vodorod bilan ishlashda himoya kiyim, qo'lqop va ko'zoynak taqish.
  • Yong'in xavfsizligi qoidalariga rioya qilish va qo'lingizda o't o'chirish moslamalari bo'lsin.

Vodorodning qo'lanishi

Kimyo sanoatida

Vodorod ammiak, metanol, sintetik uglevodorodlar va boshqa turli xil kimyoviy moddalarni ishlab chiqarish uchun muhim xom ashyo hisoblanadi. Vodorod, shuningdek, yog'lar va yog'larni gidrogenlashda, kauchuk va plastmassa ishlab chiqarishda, neft va gazni oltingugurt va boshqa aralashmalardan tozalash uchun ishlatiladi.

Yoqilg'i-energetika kompleksida

Vodorod har xil turdagi transport va energiya ishlab chiqarish uchun ekologik toza va samarali yoqilg'i sifatida xizmat qilishi mumkin.

Transport

Vodorod transport yoqilg'isi sifatida ham ishlatilishi mumkin, bunda vodorod va kislorod kimyoviy energiyasini elektr energiyasiga aylantiradi, reaksiyada esa faqat suvni chiqaradi. Bunday yonilg'i turi avtomobillar, avtobuslar, poezdlar, kemalar va hatto samolyotlarga o'rnatilishi mumkin. Vodorod, shuningdek, benzin yoki dizel o'rnini bosuvchi ichki yonish dvigatellarida ham yoqilishi mumkin.

Energetika sanoati

Vodorod quyosh panellari yoki shamol turbinalari kabi qayta tiklanadigan manbalarda ortiqcha elektr energiyasini saqlash uchun ishlatilishi mumkin. Vodorod elektroliz yordamida suvdan ishlab chiqarilishi va keyin bosim ostida yoki suyuq metall gidrid sifatida saqlanishi mumkin. Agar kerak bo'lsa, vodorod yoqilg'i dvigatel yoki gaz turbinalari yordamida elektr energiyasiga qaytarilishi mumkin.

Oziq-ovqat va kosmetika sanoati

Vodorod yog' kislotalaridan, masalan, margarin yoki mayonezdan o'simlik yog'ini olish uchun ishlatiladi. Yaroqlilik muddati va ta'mini oshirish uchun mineral suv yoki pivo kabi ba'zi ichimliklarga vodorod ham qo'shiladi. Kosmetika sanoatida vodorod sochni engillashtirish uchun ishlatiladi.

Laboratoriyada

Vodorod laboratoriya amaliyotida eng keng tarqalgan reagentlardan biridir. Turli organik va noorganik birikmalarni qaytarish, shuningdek ularning oksidi yoki tuzlaridan sof metallar olish uchun ishlatiladi. Vodorod shuningdek, kislorod yoki havoga sezgir bo'lgan ba'zi reaktsiyalar uchun inert atmosfera bo'lib xizmat qiladi.

Meteorologiyada

Vodorod atmosferaga ko'tariladigan havo sharlarini to'ldirish va harorat, bosim, namlik va shamol haqidagi ma'lumotlarni uzatish uchun ishlatiladi. Vodorod past zichligi va arzonligi tufayli tanlanadi.

Aviatsiya sanoatida

Hozirgi vaqtda vodorod aviatsiyada qo'llanilmaydi. Bir paytlar dirijabllar va havo sharlari vodorod bilan to'ldirilgan edi. Ammo 20-asr 30-yillarda  bir nechta falokatlar yuz berdi. Hozirgi vaqtda havo kemalari ancha yuqori narxga qaramay, geliy bilan to'ldirilgan.

Boshqalar

Vodorod yirik elektr stansiyalardagi generatorlarni sovutish, metallarni payvandlash va kesish, neytron bombalari va termoyadro zaryadlarini toʻldirish, kvant mexanikasi va astrofizikani oʻrganish uchun ishlatiladi.

https://youtu.be/jfu-OjTHcw8?si=3GXpehlE_0oCeZLR