ไฮโดรเจน: ประวัติโครงสร้างคุณสมบัติและการใช้งาน - เคมี - 2026

ไฮโดรเจนเป็นองค์ประกอบทางเคมีที่เป็นตัวแทนจากเอชสัญลักษณ์อะตอมเป็นที่เล็กที่สุดของทั้งหมดและเป็นผู้ หนึ่ง ที่เริ่มต้นตารางธาตุไม่ว่าอยู่ในตำแหน่งที่ไม่มี ประกอบด้วยก๊าซไม่มีสีประกอบด้วยโมเลกุลของไดอะตอม H ₂ไม่แยกอะตอม H เช่นเดียวกับก๊าซมีตระกูล He, Ne, Ar และอื่น ๆ

ในบรรดาองค์ประกอบทั้งหมดมันอาจเป็นสัญลักษณ์และโดดเด่นที่สุดไม่เพียง แต่สำหรับคุณสมบัติของมันในสภาพบนบกหรือที่รุนแรงเท่านั้น แต่ยังรวมถึงความอุดมสมบูรณ์อันยิ่งใหญ่และความหลากหลายของสารประกอบด้วย ไฮโดรเจนเป็นก๊าซแม้ว่าจะเฉื่อยเมื่อไม่มีไฟไวไฟและเป็นอันตราย ในขณะที่น้ำ H ₂ O เป็นตัวทำละลายสากลและมีชีวิต

ถังสีแดงใช้เก็บไฮโดรเจน ที่มา: Famartin

โดยตัวของมันเองไฮโดรเจนไม่ได้แสดงให้เห็นถึงลักษณะทางสายตาที่ควรค่าแก่การชื่นชมเป็นเพียงก๊าซที่เก็บไว้ในถังหรือขวดสีแดง อย่างไรก็ตามคุณสมบัติและความสามารถในการยึดติดกับองค์ประกอบทั้งหมดซึ่งทำให้ไฮโดรเจนมีความพิเศษ และทั้งหมดนี้แม้ว่ามันจะมีเวเลนซ์อิเล็กตรอนเพียงตัวเดียว

ถ้าไฮโดรเจนไม่ได้ถูกเก็บไว้ในกระบอกสูบตามลำดับมันจะหนีไปในอวกาศในขณะที่ไฮโดรเจนส่วนใหญ่ทำปฏิกิริยาเมื่อขึ้นไป และถึงแม้ว่ามันจะมีความเข้มข้นต่ำมากในอากาศที่เราหายใจออกไปนอกโลกและในส่วนอื่น ๆ ของจักรวาล แต่ก็เป็นองค์ประกอบที่อุดมสมบูรณ์ที่สุดที่พบในดวงดาวและถือว่าเป็นหน่วยของการก่อสร้าง

บนโลกในทางกลับกันมันคิดเป็นประมาณ 10% ของมวลทั้งหมด เพื่อให้เห็นภาพว่าหมายความว่าอย่างไรต้องพิจารณาว่าพื้นผิวของดาวเคราะห์ถูกปกคลุมไปด้วยมหาสมุทรและไฮโดรเจนพบได้ในแร่ธาตุในน้ำมันดิบและในสารประกอบอินทรีย์ใด ๆ นอกเหนือจากการเป็นส่วนหนึ่งของสิ่งมีชีวิตทั้งหมด

เช่นเดียวกับคาร์บอนสารชีวโมเลกุลทั้งหมด (คาร์โบไฮเดรตโปรตีนเอนไซม์ดีเอ็นเอ ฯลฯ ) มีอะตอมของไฮโดรเจน ดังนั้นจึงมีหลายแหล่งที่จะสกัดหรือผลิต; อย่างไรก็ตามมีเพียงไม่กี่รายที่แสดงถึงวิธีการผลิตที่ให้ผลกำไรอย่างแท้จริง

ประวัติศาสตร์

บัตรประจำตัวและชื่อ

แม้ว่าในปี ค.ศ. 1671 โรเบิร์ตบอยล์ได้พบเห็นก๊าซที่เกิดขึ้นเป็นครั้งแรกเมื่อตะไบเหล็กทำปฏิกิริยากับกรด แต่เฮนรีคาเวนดิชนักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษในปี ค.ศ. 1766 ซึ่งระบุว่าเป็นสารใหม่ "อากาศไวไฟ"

คาเวนดิชพบว่าเมื่ออากาศที่ติดไฟได้ถูกเผาไหม้จะเกิดน้ำขึ้น จากผลงานและผลการวิจัยของเขา Antoine Lavoisier นักเคมีชาวฝรั่งเศสได้ตั้งชื่อก๊าซนี้ว่าไฮโดรเจนในปี 1783 ความหมายทางนิรุกติศาสตร์มาจากคำภาษากรีก 'ไฮโดร' และ 'ยีน': การสร้างน้ำ

อิเล็กโทรลิซิสและเชื้อเพลิง

ไม่นานหลังจากนั้นในปี 1800 นักวิทยาศาสตร์ชาวอเมริกัน William Nicholson และ Sir Anthony Carlisle ได้ค้นพบว่าน้ำสามารถสลายตัวเป็นไฮโดรเจนและออกซิเจนได้ พวกเขาพบกระแสไฟฟ้าของน้ำ ต่อมาในปี พ.ศ. 2381 Christian Friedrich Schoenbein นักเคมีชาวสวิสได้นำเสนอแนวคิดในการใช้ประโยชน์จากการเผาไหม้ของไฮโดรเจนเพื่อผลิตกระแสไฟฟ้า

ความนิยมของไฮโดรเจนเป็นเช่นนั้นแม้แต่นักเขียน Jules Verne ยังเรียกมันว่าเป็นเชื้อเพลิงแห่งอนาคตในหนังสือของเขา The Mysterious Island (1874)

การแยกตัว

ในปีพ. ศ. 2442 James Dewar นักเคมีชาวสก็อตแลนด์เป็นคนแรกที่แยกไฮโดรเจนเป็นก๊าซเหลวโดยเป็นตัวเขาเองที่สามารถทำให้เย็นลงได้มากพอที่จะได้รับในขั้นตอนของแข็ง

สองช่อง

จากจุดนี้ประวัติของไฮโดรเจนนำเสนอสองช่องทาง ในแง่หนึ่งการพัฒนาในด้านเชื้อเพลิงและแบตเตอรี่ และในอีกด้านหนึ่งความเข้าใจเกี่ยวกับโครงสร้างของอะตอมและวิธีที่มันเป็นตัวแทนขององค์ประกอบที่เปิดประตูสู่ฟิสิกส์ควอนตัม

โครงสร้างและการกำหนดค่าอิเล็กทรอนิกส์

โมเลกุลไฮโดรเจนไดอะตอม ที่มา: Benjah-bmm27

อะตอมของไฮโดรเจนมีขนาดเล็กมากและมีอิเล็กตรอนเพียงตัวเดียวในการสร้างพันธะโควาเลนต์ เมื่ออะตอมทั้งสองนี้รวมตัวกันจะก่อให้เกิดโมเลกุลไดอะตอม H ₂ ; นี่คือก๊าซไฮโดรเจนระดับโมเลกุล (ภาพบนสุด) ทรงกลมสีขาวแต่ละอันจะสอดคล้องกับอะตอม H แต่ละตัวและทรงกลมโลกกับออร์บิทัลของโมเลกุล

ดังนั้นไฮโดรเจนจึงประกอบด้วยโมเลกุล H ₂ขนาดเล็กมากที่ทำปฏิกิริยาผ่านกองกำลังกระเจิงของลอนดอนเนื่องจากไม่มีโมเมนต์ไดโพลเนื่องจากเป็นโฮโมนิวเคลียร์ ดังนั้นพวกมันจึง "อยู่ไม่สุข" มากและแพร่กระจายอย่างรวดเร็วในอวกาศเนื่องจากไม่มีแรงระหว่างโมเลกุลที่แข็งแกร่งเพียงพอที่จะทำให้พวกมันช้าลง

การกำหนดค่าอิเล็กตรอนของไฮโดรเจนเป็นเพียง 1s 1 ออร์บิทัล 1 วินาทีนี้เป็นผลคูณของการแก้สมการชเรอดิงเงอร์ที่มีชื่อเสียงสำหรับอะตอมไฮโดรเจน ในออร์บิทัลของH ₂สอง 1s ทับซ้อนกันเพื่อสร้างออร์บิทัลโมเลกุลสองตัว: พันธะหนึ่งและการต่อต้านพันธะอื่นตามทฤษฎีการโคจรของโมเลกุล (TOM)

ออร์บิทัลเหล่านี้อนุญาตหรืออธิบายการมีอยู่ของไอออน H ₂ ⁺หรือ H ₂ ^- ; แต่ไฮโดรเจนเคมีถูกกำหนดไว้ภายใต้สภาวะปกติโดย H ₂หรือ H ⁺หรือ H ^-ไอออน

เลขออกซิเดชัน

จากโครงร่างอิเล็กตรอนสำหรับไฮโดรเจน 1s ¹มันง่ายมากที่จะทำนายเลขออกซิเดชันที่เป็นไปได้ โปรดจำไว้ว่าวงโคจร 2s ที่มีพลังงานสูงกว่านั้นไม่สามารถใช้ได้กับพันธะเคมี ดังนั้นในรัฐฐานไฮโดรเจนมีเลขออกซิเดชันของ 0, H 0

ถ้ามันสูญเสียอิเล็กตรอนเพียงตัวเดียวออร์บิทัล 1s จะยังว่างอยู่และไอออนบวกหรือไอออนของไฮโดรเจน H ⁺จะเกิดขึ้นด้วยความคล่องตัวสูงในตัวกลางที่เป็นของเหลวเกือบทุกชนิด โดยเฉพาะน้ำ ในกรณีนี้เลขออกซิเดชันคือ +1

และเมื่อตรงข้ามที่เกิดขึ้นนั่นคือการดึงดูดอิเล็กตรอนที่โคจรในขณะนี้จะมีสองอิเล็กตรอนและจะกลายเป็น 1s 2 แล้วเลขออกซิเดชันจะกลายเป็น -1 และสอดคล้องกับไอออนไฮไดรด์, H - เป็นที่น่าสังเกตว่า H ^- isoelectronic ของก๊าซฮีเลียมมีตระกูล He; นั่นคือทั้งสองชนิดมีจำนวนอิเล็กตรอนเท่ากัน

ในการสรุปตัวเลขการเกิดออกซิเดชันไฮโดรเจนคือ: 1, 0 และ -1 และโมเลกุลของ H ₂มีว่ามีสองอะตอมไฮโดรเจน H 0

ขั้นตอน

เฟสที่ต้องการของไฮโดรเจนอย่างน้อยที่สุดในสภาพพื้นโลกคือก๊าซเนื่องจากสาเหตุที่สัมผัสก่อนหน้านี้ อย่างไรก็ตามเมื่ออุณหภูมิลดลงตามลำดับ -200 ° C หรือถ้าความดันเพิ่มขึ้นหลายแสนเท่าของบรรยากาศไฮโดรเจนสามารถควบแน่นหรือตกผลึกเป็นของเหลวหรือของแข็งได้ตามลำดับ

ภายใต้เงื่อนไขเหล่านี้โมเลกุลของ H ₂สามารถจัดตำแหน่งได้หลายวิธีเพื่อกำหนดรูปแบบโครงสร้าง ลอนดอนกองกำลังกระเจิงตอนนี้กลายเป็นสูงทิศทางและรูปทรงเรขาคณิตหรือสมมาตรจึงนำไปใช้โดย H ₂คู่ปรากฏ

ตัวอย่างเช่นสองคู่ H ₂มันเท่ากับการเขียน (H ₂ ) ₂กำหนดรูปสี่เหลี่ยมสมมาตรหรือไม่สมมาตร ในขณะที่สาม H ₂หรือ (H ₂ ) ₃คู่กำหนดหกเหลี่ยมคล้ายกันมากกับบรรดาของคาร์บอนไดออกไซด์ในผลึกกราไฟท์ ในความเป็นจริงเฟสหกเหลี่ยมนี้เป็นเฟสหลักหรือเสถียรที่สุดสำหรับไฮโดรเจนที่เป็นของแข็ง

แต่ถ้าของแข็งไม่ได้ถูกสร้างขึ้นจากโมเลกุล แต่เป็นอะตอม H ล่ะ? จากนั้นเราจะจัดการกับไฮโดรเจนโลหะ อะตอม H เหล่านี้ซึ่งจำได้ว่าเป็นทรงกลมสีขาวสามารถกำหนดได้ทั้งเฟสของเหลวและของแข็งที่เป็นโลหะ

คุณสมบัติ

ลักษณะทางกายภาพ

ไฮโดรเจนเป็นก๊าซที่ไม่มีสีไม่มีกลิ่นและไม่มีรส ดังนั้นการมีไฟรั่วแสดงถึงความเสี่ยงต่อการระเบิด

จุดเดือด

-253 องศาเซลเซียส

จุดหลอมเหลว

-259 องศาเซลเซียส

จุดวาบไฟและความเสถียร

มันจะระเบิดได้แทบทุกอุณหภูมิหากมีประกายไฟหรือแหล่งความร้อนอยู่ใกล้กับก๊าซแม้แต่แสงแดดก็สามารถจุดไฮโดรเจนได้ อย่างไรก็ตามตราบใดที่เก็บไว้อย่างดีก็เป็นก๊าซที่มีปฏิกิริยาไม่ดี

ความหนาแน่น

0.082 กรัม / ลิตร เบากว่าอากาศ 14 เท่า

การละลาย

1.62 mg / L ที่ 21 ºCในน้ำ โดยทั่วไปแล้วไม่ละลายในของเหลวส่วนใหญ่

ความดันไอ

1.24 · 10 ⁶ mmHg ที่ 25 ° C ค่านี้ทำให้ทราบว่าถังไฮโดรเจนต้องปิดอย่างไรเพื่อป้องกันไม่ให้ก๊าซเล็ดลอดออกไป

อุณหภูมิการสลายตัวอัตโนมัติ

560v องศาเซลเซียส

อิเล็ก

2.20 ในระดับ Pauling

ความร้อนจากการเผาไหม้

-285.8 กิโลจูล / โมล

ความร้อนของการกลายเป็นไอ

0.90 กิโลจูล / โมล

ความร้อนของฟิวชั่น

0.117 กิโลจูล / โมล

ไอโซโทป

อะตอมของไฮโดรเจน "ปกติ" คือโปรเทียม¹ H ซึ่งประกอบด้วยไฮโดรเจนประมาณ 99.985% อีกสองไอโซโทปสำหรับธาตุนี้คือดิวเทอเรียม² H และไอโซโทป³ H ซึ่งมีจำนวนนิวตรอนแตกต่างกัน ดิวเทอเรียมมีหนึ่งนิวตรอนในขณะที่ไอโซโทปมีสอง

ไอโซเมอร์สปิน

ไฮโดรเจนโมเลกุลมีสองประเภทคือ H ₂ : ออร์โธและพารา ในครั้งแรกการหมุนทั้งสอง (ของโปรตอน) ของอะตอม H จะมีทิศทางไปในทิศทางเดียวกัน (ขนานกัน) ในขณะที่ในวินาทีที่สองการหมุนทั้งสองจะอยู่ในทิศทางตรงกันข้ามกัน (เป็นการหมุนแบบขนานกัน)

Hydrogen-para คือไอโซเมอร์ทั้งสองที่เสถียรกว่า แต่เมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้นอัตราส่วน ortho: para จะกลายเป็น 3: 1 ซึ่งหมายความว่าไอโซเมอร์ของไฮโดรเจน - ออร์โธมีอิทธิพลเหนืออีกส่วนหนึ่ง ที่อุณหภูมิต่ำมาก (จากระยะไกลใกล้ถึงศูนย์สัมบูรณ์ 20K) สามารถรับตัวอย่างไฮโดรเจนพาราบริสุทธิ์ได้

ศัพท์เฉพาะ

ระบบการตั้งชื่อที่อ้างถึงไฮโดรเจนเป็นหนึ่งในวิธีที่ง่ายที่สุด แม้ว่าจะไม่ใช่วิธีเดียวกับสารประกอบอนินทรีย์หรืออินทรีย์ก็ตาม H ₂สามารถเรียกได้ด้วยชื่อต่อไปนี้นอกเหนือจาก 'ไฮโดรเจน':

- โมเลกุลไฮโดรเจน

-Dihydrogen

- โมเลกุลไฮโดรเจนไดอะตอม

สำหรับ H ⁺ไอออนชื่อของมันคือโปรตอนหรือไฮโดรเจนไอออน และถ้าอยู่ในน้ำปานกลาง H ₃ O ⁺ไฮโดรเนียมไอออนบวก ในขณะที่ H ^-ไอออนเป็นไอออนไฮไดรด์

อะตอมของไฮโดรเจน

อะตอมของไฮโดรเจนแสดงโดยแบบจำลองดาวเคราะห์ของบอร์ ที่มา: Pixabay

อะตอมของไฮโดรเจนเป็นอะตอมที่ง่ายที่สุดและโดยปกติจะแสดงตามภาพด้านบน: นิวเคลียสที่มีโปรตอนตัวเดียว (สำหรับ¹ H) ล้อมรอบด้วยอิเล็กตรอนที่ดึงวงโคจร ออร์บิทัลของอะตอมทั้งหมดสำหรับองค์ประกอบอื่น ๆ ของตารางธาตุได้รับการสร้างและประมาณไว้ในอะตอมนี้

การแสดงที่ซื่อสัตย์มากขึ้นสำหรับความเข้าใจเกี่ยวกับอะตอมในปัจจุบันน่าจะเป็นของทรงกลมที่รอบนอกถูกกำหนดโดยอิเล็กตรอนและเมฆที่น่าจะเป็นของอิเล็กตรอน (วงโคจร 1s)

หาและผลิตได้ที่ไหน

สาขาดวงดาว: แหล่งไฮโดรเจนที่ไม่รู้จักเหนื่อย ที่มา: Pixabay

แม้ว่าไฮโดรเจนจะอยู่ในระดับที่น้อยกว่าเมื่อเทียบกับคาร์บอน แต่องค์ประกอบทางเคมีที่สามารถกล่าวได้โดยไม่ต้องสงสัยว่ามีอยู่ทั่วไป ในอากาศก่อตัวเป็นส่วนหนึ่งของน้ำที่เติมเต็มทะเลมหาสมุทรและร่างกายของเราในน้ำมันดิบและแร่ธาตุรวมทั้งในสารประกอบอินทรีย์ที่รวมตัวกันเพื่อกำเนิดชีวิต

เพียงแค่อ่านไลบรารีของสารประกอบใด ๆ เพื่อค้นหาอะตอมของไฮโดรเจนในนั้น

คำถามไม่มากเท่าไหร่ แต่ปัจจุบันเป็นอย่างไร ตัวอย่างเช่นโมเลกุล H ₂มีความผันผวนและมีปฏิกิริยาในการเกิดแสงแดดซึ่งอยู่ในชั้นบรรยากาศต่ำมาก ดังนั้นจึงตอบสนองเพื่อเข้าร่วมองค์ประกอบอื่น ๆ และทำให้ได้รับความเสถียร

ในขณะที่อยู่ในคอสมอสสูงขึ้น แต่ส่วนใหญ่พบไฮโดรเจนเป็นอะตอมที่เป็นกลาง H.

ในความเป็นจริงไฮโดรเจนถือเป็นส่วนที่เป็นโลหะและควบแน่นเป็นหน่วยสร้างของดวงดาว เนื่องจากมีปริมาณที่ไม่สามารถวัดได้และเนื่องจากความแข็งแกร่งและขนาดมหึมาทำให้องค์ประกอบนี้มีมากที่สุดในจักรวาลทั้งหมด ประมาณว่า 75% ของสสารที่ทราบนั้นสอดคล้องกับอะตอมของไฮโดรเจน

โดยธรรมชาติ

การรวบรวมอะตอมของไฮโดรเจนในอวกาศนั้นฟังดูไม่น่าจะเป็นไปได้และการสกัดมันออกจากรอบนอกของดวงอาทิตย์หรือเนบิวล่าไม่สามารถเข้าถึงได้ บนโลกซึ่งเงื่อนไขของมันบังคับให้องค์ประกอบนี้ดำรงอยู่ในรูปแบบ H ₂มันสามารถผลิตได้ด้วยกระบวนการทางธรรมชาติหรือทางธรณีวิทยา

ตัวอย่างเช่นไฮโดรเจนมีวัฏจักรตามธรรมชาติของตัวมันเองซึ่งแบคทีเรียจุลินทรีย์และสาหร่ายบางชนิดสามารถสร้างได้โดยใช้ปฏิกิริยาทางเคมี การปรับขนาดของกระบวนการทางธรรมชาติและขนานไปกับสิ่งเหล่านี้รวมถึงการใช้เครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพซึ่งแบคทีเรียกินไฮโดรคาร์บอนเพื่อปล่อยไฮโดรเจนที่มีอยู่ในตัวพวกมัน

สิ่งมีชีวิตยังเป็นผู้ผลิตไฮโดรเจน แต่ในระดับที่น้อยกว่า หากไม่เป็นเช่นนั้นก็จะไม่สามารถอธิบายได้ว่ามันเป็นหนึ่งในองค์ประกอบที่เป็นก๊าซของอาการท้องอืดได้อย่างไร ซึ่งได้รับการพิสูจน์แล้วว่าไวไฟมากเกินไป

สุดท้ายนี้เป็นเรื่องที่ควรค่าแก่การกล่าวถึงว่าภายใต้สภาวะไร้ออกซิเจน (โดยไม่ใช้ออกซิเจน) เช่นในชั้นใต้ดินแร่ธาตุสามารถทำปฏิกิริยากับน้ำอย่างช้าๆเพื่อผลิตไฮโดรเจน ปฏิกิริยาของ Fayelita พิสูจน์ได้:

3Fe ₂ SiO ₄ + 2 H ₂ O → 2 Fe ₃ O ₄ + 3 SiO ₂ + 3 H ₂

ด้านอุตสาหกรรม

แม้ว่าไฮโดรเจนเป็นทางเลือกในการสร้างก๊าซนี้ในระดับอุตสาหกรรม, วิธีการที่ใช้มากที่สุดในทางปฏิบัติประกอบด้วย "ลบ" ไฮโดรเจนจากสารประกอบที่มีมันเพื่อให้อะตอมรวมกันและรูปแบบ H 2

วิธีการผลิตที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมน้อยที่สุดประกอบด้วยการทำปฏิกิริยาโค้ก (หรือถ่าน) ด้วยไอน้ำร้อนยวดยิ่ง:

C (s) + H ₂ O (g) → CO (g) + H ₂ (g)

ในทำนองเดียวกันก๊าซธรรมชาติถูกใช้เพื่อจุดประสงค์นี้:

CH ₄ (g) + H ₂ O (g) → CO (g) + 3H ₂ (g)

และเนื่องจากโค้กหรือก๊าซธรรมชาติมีจำนวนมากจึงสามารถผลิตไฮโดรเจนได้จากปฏิกิริยาทั้งสองนี้

อีกวิธีหนึ่งในการได้รับไฮโดรเจนคือการปล่อยกระแสไฟฟ้ากับน้ำเพื่อแยกย่อยออกเป็นส่วนต่างๆขององค์ประกอบ (อิเล็กโทรลิซิส):

2 H ₂ O (l) → 2 H ₂ (g) + O ₂ (g)

ที่ห้องปฏิบัติการ

ไฮโดรเจนโมเลกุลสามารถเตรียมได้ในปริมาณเล็กน้อยในห้องปฏิบัติการใด ๆ ในการทำเช่นนี้โลหะที่ใช้งานจะต้องทำปฏิกิริยากับกรดแก่ไม่ว่าจะในบีกเกอร์หรือในหลอดทดลอง การเกิดฟองที่สังเกตได้เป็นสัญญาณที่ชัดเจนของการสร้างไฮโดรเจนซึ่งแสดงโดยสมการทั่วไปดังต่อไปนี้:

M (s) + nH ⁺ (aq) → M ^{n +} (aq) + H ₂ (g)

โดยที่ n คือความจุของโลหะ ตัวอย่างเช่นแมกนีเซียมทำปฏิกิริยากับ H ⁺เพื่อผลิต H ₂ :

Mg (s) + 2H ⁺ (aq) → Mg ²⁺ (aq) + H ₂ (g)

ปฏิกิริยา

Redox

ตัวเลขออกซิเดชันด้วยตัวมันเองทำให้เห็นแวบแรกว่าไฮโดรเจนมีส่วนร่วมในปฏิกิริยาทางเคมีอย่างไร ความ H ₂เมื่อทำปฏิกิริยาสามารถยังคงไม่เปลี่ยนแปลงหรือแยกออกเป็นความ H ⁺หรือ H ^-ไอออนซึ่งขึ้นอยู่กับสายพันธุ์มันผูกกับ; ถ้ามีอิเล็กโทรเนกาติวิตีมากกว่าหรือน้อยกว่า

H ₂ไม่มีปฏิกิริยามากนักเนื่องจากความแข็งแรงของพันธะโควาเลนต์ HH; อย่างไรก็ตามนี่ไม่ใช่อุปสรรคแน่นอนที่จะทำปฏิกิริยาและสร้างสารประกอบกับองค์ประกอบเกือบทั้งหมดในตารางธาตุ

ปฏิกิริยาที่รู้จักกันดีคือก๊าซออกซิเจนในการผลิตไอน้ำ:

H ₂ (g) + O ₂ (g) → 2H ₂ O (g)

และนั่นคือความสัมพันธ์ของออกซิเจนในการสร้างโมเลกุลของน้ำที่เสถียรซึ่งมันสามารถทำปฏิกิริยากับมันเป็น O ^2-ไอออนในออกไซด์ของโลหะบางชนิด:

H ₂ (g) + CuO (s) → Cu (s) + H ₂ O (l)

ซิลเวอร์ออกไซด์ยังทำปฏิกิริยาหรือ "ลดลง" ด้วยปฏิกิริยาเดียวกัน:

H ₂ (g) + AgO (s) → Ag (s) + H ₂ O (l)

ปฏิกิริยาไฮโดรเจนเหล่านี้สอดคล้องกับประเภทรีดอกซ์ นั่นคือการลด - ออกซิเดชั่น ไฮโดรเจนออกซิไดซ์ทั้งต่อหน้าออกซิเจนและออกไซด์ของโลหะของโลหะมีปฏิกิริยาน้อยกว่ามัน ตัวอย่างเช่นทองแดงเงินทังสเตนปรอทและทอง

การดูดซึม

โลหะบางชนิดสามารถดูดซับก๊าซไฮโดรเจนเพื่อสร้างไฮไดรด์ของโลหะซึ่งถือว่าเป็นโลหะผสม ตัวอย่างเช่นโลหะทรานซิชันเช่นแพลเลเดียมจะดูดซับ H ₂จำนวนมาก_ซึ่งมีลักษณะคล้ายกับฟองน้ำโลหะ

สิ่งเดียวกันนี้เกิดขึ้นกับโลหะผสมที่ซับซ้อนมากขึ้น ด้วยวิธีนี้สามารถจัดเก็บไฮโดรเจนด้วยวิธีอื่นที่ไม่ใช่กระบอกสูบ

ส่วนที่เพิ่มเข้าไป

โมเลกุลอินทรีย์ยังสามารถ "ดูดซับ" ไฮโดรเจนผ่านกลไกโมเลกุลและ / หรือปฏิสัมพันธ์ที่แตกต่างกัน

สำหรับโลหะโมเลกุล H ₂ล้อมรอบด้วยอะตอมของโลหะภายในผลึก ในขณะที่อยู่ในโมเลกุลอินทรีย์พันธะ HH จะแตกออกเพื่อสร้างพันธะโควาเลนต์อื่น ๆ ในความหมายที่เป็นทางการมากขึ้น: ไฮโดรเจนไม่ถูกดูดซึม แต่ถูกเพิ่มเข้าไปในโครงสร้าง

ตัวอย่างคลาสสิกคือการเพิ่ม H ₂ลงในพันธะคู่หรือสามของอัลคีนหรืออัลไคน์ตามลำดับ:

C = C + H ₂ → HCCH

C≡C + H ₂ → HC = CH

ปฏิกิริยาเหล่านี้เรียกอีกอย่างว่าการเติมไฮโดรเจน

การสร้างไฮไดรด์

ไฮโดรเจนทำปฏิกิริยาโดยตรงกับองค์ประกอบเพื่อสร้างกลุ่มสารประกอบทางเคมีที่เรียกว่าไฮไดรด์ ส่วนใหญ่มีสองประเภทคือน้ำเกลือและโมเลกุล

ในทำนองเดียวกันมีไฮไดรด์ของโลหะซึ่งประกอบด้วยโลหะผสมที่กล่าวถึงแล้วเมื่อโลหะเหล่านี้ดูดซับก๊าซไฮโดรเจน และพอลิเมอร์ที่มีเครือข่ายหรือโซ่พันธะ EH โดยที่ E หมายถึงองค์ประกอบทางเคมี

น้ำเกลือ

ในไฮไดรด์น้ำเกลือมีส่วนร่วมไฮโดรเจนในพันธะไอออนิกเป็นไอออนไฮไดรด์, H - ในการสร้างองค์ประกอบนี้จำเป็นต้องมีอิเล็กโทรเนกาติวิตีน้อย มิฉะนั้นจะไม่ยอมปล่อยอิเล็กตรอนให้กับไฮโดรเจน

ดังนั้นไฮไดรด์ของเกลือจะเกิดขึ้นก็ต่อเมื่อไฮโดรเจนทำปฏิกิริยากับโลหะที่มีอิเลคโตรโพซิทีฟสูงเช่นโลหะอัลคาไลและอัลคาไลน์เอิร์ ธ

ตัวอย่างเช่นไฮโดรเจนทำปฏิกิริยากับโซเดียมโลหะเพื่อผลิตโซเดียมไฮไดรด์:

2Na (s) + H ₂ (g) → 2NaH (s)

หรือด้วยแบเรียมเพื่อผลิตแบเรียมไฮไดรด์:

Ba (s) + H ₂ (g) → BaH ₂ (s)

โมเลกุล

โมเลกุลไฮไดรด์เป็นที่รู้จักกันดีกว่าไอออนิก เรียกอีกอย่างว่าไฮโดรเจนเฮไลด์ HX เมื่อไฮโดรเจนทำปฏิกิริยากับฮาโลเจน:

Cl ₂ (g) + H ₂ (g) → 2HCl (ก.)

ที่นี่มีส่วนร่วมไฮโดรเจนในพันธะโควาเลนเช่น H ⁺ ; เนื่องจากความแตกต่างระหว่างอิเล็กโทรเนกาติวิตีระหว่างอะตอมทั้งสองจึงไม่มากนัก

น้ำถือได้ว่าเป็นออกซิเจนไฮไดรด์ (หรือไฮโดรเจนออกไซด์) ซึ่งเป็นปฏิกิริยาการก่อตัวที่ได้รับการกล่าวถึงแล้ว ปฏิกิริยากับกำมะถันคล้ายกับการให้ไฮโดรเจนซัลไฟด์ซึ่งเป็นก๊าซที่มีกลิ่นเหม็น:

S (s) + H ₂ (g) → H ₂ S (g)

แต่จากโมเลกุลไฮไดรด์ทั้งหมดที่มีชื่อเสียงที่สุด (และอาจสังเคราะห์ได้ยากที่สุด) คือแอมโมเนีย:

N ₂ (g) + 3H ₂ (g) → 2NH ₃ (g)

การประยุกต์ใช้งาน

ในส่วนก่อนหน้านี้ได้กล่าวถึงการใช้ไฮโดรเจนหลักอย่างหนึ่งแล้ว: เป็นวัตถุดิบในการพัฒนาการสังเคราะห์อนินทรีย์หรืออินทรีย์ การควบคุมก๊าซนี้มักจะไม่มีจุดประสงค์อื่นใดนอกจากทำให้มันทำปฏิกิริยาเพื่อสร้างสารประกอบอื่นนอกเหนือจากที่มันถูกสกัดออกมา

วัตถุดิบ

- เป็นรีเอเจนต์ชนิดหนึ่งสำหรับการสังเคราะห์แอมโมเนียซึ่งจะมีการใช้งานทางอุตสาหกรรมที่ไม่สิ้นสุดโดยเริ่มจากการผลิตปุ๋ยแม้กระทั่งเป็นวัสดุในการให้ยาไนโตรเจน

- มีจุดมุ่งหมายเพื่อทำปฏิกิริยากับคาร์บอนมอนอกไซด์และผลิตเมทานอลซึ่งเป็นรีเอเจนต์ที่มีความสำคัญอย่างมากในเชื้อเพลิงชีวภาพ

สารลด

- เป็นตัวรีดิวซ์สำหรับออกไซด์ของโลหะบางชนิดจึงใช้ในการลดโลหะ (อธิบายแล้วในกรณีของทองแดงและโลหะอื่น ๆ )

- ลดไขมันหรือน้ำมันในการผลิตเนยเทียม

อุตสาหกรรมน้ำมัน

ในอุตสาหกรรมน้ำมันไฮโดรเจนถูกใช้เพื่อ "ไฮโดรทรีท" น้ำมันดิบในกระบวนการกลั่น

ตัวอย่างเช่นมันพยายามที่จะแยกโมเลกุลขนาดใหญ่และหนักออกเป็นโมเลกุลขนาดเล็กที่มีความต้องการมากขึ้นในตลาด (hydrocracking); ปล่อยโลหะที่ติดอยู่ในกรง petroporphyrin (hydrodemetalization); เอาอะตอมของกำมะถันเป็น H ₂ S (ไฮโดรดีซัลฟูไรเซชัน); หรือลดพันธะคู่เพื่อสร้างส่วนผสมที่อุดมด้วยพาราฟิน

เชื้อเพลิง

ไฮโดรเจนเป็นเชื้อเพลิงที่ยอดเยี่ยมสำหรับจรวดหรือยานอวกาศเนื่องจากมีปริมาณเพียงเล็กน้อยเมื่อทำปฏิกิริยากับออกซิเจนจะปล่อยความร้อนหรือพลังงานจำนวนมหาศาลออกมา

ปฏิกิริยานี้ใช้ในการออกแบบเซลล์ไฮโดรเจนหรือแบตเตอรี่ในระดับที่เล็กกว่า อย่างไรก็ตามเซลล์เหล่านี้ต้องเผชิญกับปัญหาที่ไม่สามารถกักเก็บก๊าซนี้ได้อย่างเหมาะสม และความท้าทายในการเป็นอิสระจากการเผาไหม้เชื้อเพลิงฟอสซิล

ในด้านบวกไฮโดรเจนที่ใช้เป็นเชื้อเพลิงจะปล่อยน้ำเท่านั้น แทนที่จะเป็นก๊าซที่เป็นตัวแทนของมลพิษต่อบรรยากาศและระบบนิเวศ

อ้างอิง

1. ตัวสั่นและแอตกินส์ (2008) เคมีอนินทรีย์. (พิมพ์ครั้งที่สี่). Mc Graw Hill
2. Hanyu Liu, Li Zhu, Wenwen Cui และ Yanming Ma (Nd) โครงสร้างอุณหภูมิห้องของไฮโดรเจนแข็งที่ความกดดันสูง State Key Lab of Superhard Materials, Jilin University, Changchun 130012, China
3. Pierre-Marie Robitaille (2011) Liquid Metallic Hydrogen: Building Block สำหรับ Liquid Sun ภาควิชารังสีวิทยามหาวิทยาลัยแห่งรัฐโอไฮโอ 395 W. 12th Ave โคลัมบัสโอไฮโอ 43210 สหรัฐอเมริกา
4. กลุ่ม Bodner (เอสเอฟ) เคมีของไฮโดรเจน กู้คืนจาก: chemed.chem.purdue.edu
5. วิกิพีเดีย (2019) ไฮโดรเจน สืบค้นจาก: en.wikipedia.org
6. ไฮโดรเจนยุโรป (2017) การใช้งานไฮโดรเจน ดึงมาจาก: hydrogeneurope.eu
7. Foist Laura (2019) ไฮโดรเจน: คุณสมบัติและการเกิดขึ้น ศึกษา. ดึงมาจาก: study.com
8. โจนาสเจมส์ (4 มกราคม 2552). ประวัติความเป็นมาของไฮโดรเจน ดึงมาจาก: altenergymag.com