เรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับไฮโดรเจน
ไฮโดรเจนเป็นองค์ประกอบทางเคมีที่เบาที่สุดในจักรวาลและสามารถยึดติดกับอะตอมไฮโดรเจนอื่น ๆ ได้ ทำให้เกิดก๊าซที่มีประโยชน์หลายอย่าง
รูปภาพของ Florencia Viadana บน Unsplash
ไฮโดรเจนเป็นองค์ประกอบทางเคมีที่มีมวลอะตอมที่เล็กที่สุด (1 u) และเลขอะตอมที่เล็กที่สุด (Z=1) ในบรรดาองค์ประกอบทั้งหมดที่รู้จักในปัจจุบัน แม้จะอยู่ในตำแหน่งในช่วงแรกของตระกูล IA (โลหะอัลคาไล) ของตารางธาตุ ไฮโดรเจนก็ไม่มีลักษณะทางกายภาพและทางเคมีคล้ายกับองค์ประกอบของตระกูลนี้ ดังนั้นจึงไม่ได้เป็นส่วนหนึ่งของมัน โดยรวมแล้ว ไฮโดรเจนเป็นธาตุที่มีมากที่สุดในจักรวาลทั้งหมด และเป็นธาตุที่มีมากเป็นอันดับสี่ของโลก
ไฮโดรเจนมีลักษณะเฉพาะ กล่าวคือ ไม่เหมือนกับองค์ประกอบทางเคมีอื่นๆ ที่มนุษย์รู้จัก ไฮโดรเจนมักมีส่วนร่วมในองค์ประกอบของสารอินทรีย์และอนินทรีย์หลายชนิด เช่น มีเทนและน้ำ เมื่อไม่ได้เป็นส่วนหนึ่งของสารเคมีจะพบได้เฉพาะในรูปของก๊าซซึ่งมีสูตรคือ H2
ในสภาพธรรมชาติและภายใต้สภาวะปกติ ไฮโดรเจนเป็นก๊าซไม่มีสี ไม่มีกลิ่น และรสจืด เป็นโมเลกุลที่มีความจุสูงในการเก็บพลังงาน และด้วยเหตุนี้จึงมีการวิจัยอย่างกว้างขวางว่าการใช้โมเลกุลนี้เป็นแหล่งพลังงานหมุนเวียนของพลังงานไฟฟ้าและความร้อน
การค้นพบไฮโดรเจน
ในช่วงกลางของศตวรรษที่ 16 Pareselsvs ตัดสินใจทำปฏิกิริยากับโลหะบางชนิดกับกรด และจบลงด้วยการได้รับไฮโดรเจน แม้ว่าการทดสอบก่อนหน้านี้ Henry Cavendish สามารถแยกไฮโดรเจนออกจากก๊าซไวไฟและถือว่าเป็นองค์ประกอบทางเคมีในปี พ.ศ. 2309
ไม่ใช่โลหะ น้อยกว่ามากที่ไม่ใช่โลหะที่ประกอบขึ้นเป็นลักษณะเฉพาะในตารางธาตุ ในปี ค.ศ. 1773 อองตวน ลาวัวซิเยร์ได้ตั้งชื่อสารเคมีว่า ไฮโดรเจน ซึ่งมาจากภาษากรีก พลังน้ำ และ ยีนและหมายถึงเครื่องกำเนิดน้ำ
ไฮโดรเจนในธรรมชาติ
- ไฮโดรเจนเป็นส่วนหนึ่งขององค์ประกอบทางเคมีของสารอินทรีย์หลายชนิด (โปรตีน คาร์โบไฮเดรต วิตามินและไขมัน) และอนินทรีย์ (กรด เบส เกลือ และไฮไดรด์)
- ในอากาศในบรรยากาศ มีอยู่ในรูปของก๊าซ แทนด้วยรูปแบบโมเลกุล H2 ซึ่งก่อตัวผ่านพันธะโควาเลนต์ระหว่างอะตอมของไฮโดรเจนสองอะตอม
- ไฮโดรเจนยังสร้างโมเลกุลของน้ำ ซึ่งเป็นทรัพยากรที่สำคัญสำหรับชีวิต
แหล่งไฮโดรเจน
บนโลก ไม่พบไฮโดรเจนในรูปแบบที่บริสุทธิ์ที่สุด แต่อยู่ในรูปแบบที่รวมกัน (ไฮโดรคาร์บอนและอนุพันธ์) ด้วยเหตุนี้จึงต้องสกัดไฮโดรเจนจากแหล่งต่างๆ แหล่งที่มาหลักของไฮโดรเจนคือ:
- ก๊าซธรรมชาติ;
- เอทานอล;
- เมทานอล;
- น้ำ;
- ชีวมวล;
- มีเทน;
- สาหร่ายและแบคทีเรีย
- เบนซินและดีเซล
ลักษณะของอะตอมไฮโดรเจน
- มีไอโซโทปสามตัว (อะตอมที่มีเลขอะตอมเท่ากันและเลขมวลต่างกัน) ได้แก่ โปรเทียม (1H1) ดิวเทอเรียม (1H2) และทริเทียม (1H3)
- มีระดับอิเล็กทรอนิกส์เพียงระดับเดียวเท่านั้น
- มันมีโปรตอนตัวเดียวอยู่ที่แกนกลางของมัน
- มีอิเล็กตรอนเพียงตัวเดียวที่ระดับอิเล็กทรอนิกส์
- จำนวนนิวตรอนขึ้นอยู่กับไอโซโทป - โปรเทียม (0 นิวตรอน), ดิวเทอเรียม (1 นิวตรอน) และทริเทียม (2 นิวตรอน);
- มีรัศมีอะตอมที่เล็กที่สุดแห่งหนึ่งในตารางธาตุ
- มีอิเล็กโตรเนกาติวีตี้มากกว่าธาตุโลหะใดๆ
- มีศักยภาพในการแตกตัวเป็นไอออนมากกว่าธาตุโลหะใดๆ
- เป็นอะตอมที่สามารถแปลงเป็นไอออนบวก (H+) หรือแอนไอออน (H-)
ความเสถียรของอะตอมไฮโดรเจนจะเกิดขึ้นเมื่อได้รับอิเล็กตรอนในเปลือกเวเลนซ์ (เปลือกนอกสุดของอะตอม) ในพันธะไอออนิก ไฮโดรเจนจะทำปฏิกิริยากับโลหะโดยเฉพาะ และรับอิเล็กตรอนจากมัน ในพันธะโควาเลนต์ ไฮโดรเจนจะแบ่งอิเล็กตรอนกับอโลหะหรือกับตัวมันเอง ทำให้เกิดพันธะเดี่ยว
ลักษณะของโมเลกุลไฮโดรเจน (H2)
- ที่อุณหภูมิห้องจะพบในสถานะก๊าซเสมอ
- เป็นก๊าซไวไฟ
- จุดหลอมเหลวของมันคือ -259.2°C;
- จุดเดือดอยู่ที่ -252.9°C;
- มีมวลโมลาร์เท่ากับ 2 กรัม/โมล ซึ่งเป็นก๊าซที่เบาที่สุด
- มันมีพันธะโควาเลนต์ซิกม่า ชนิด s-s ระหว่างอะตอมไฮโดรเจนสองอะตอมที่เกี่ยวข้อง
- ระหว่างอะตอมมีอิเล็กตรอนสองตัวร่วมกัน
- มีเรขาคณิตโมเลกุลแบบเชิงเส้น
- โมเลกุลของมันไม่มีขั้ว
- โมเลกุลของมันมีปฏิสัมพันธ์ผ่านแรงไดโพลที่ถูกเหนี่ยวนำ
โมเลกุลไฮโดรเจนมีความสัมพันธ์ทางเคมีที่ดีกับสารประกอบหลายชนิด คุณสมบัตินี้เกี่ยวข้องกับความสามารถของสารที่จะทำปฏิกิริยากับสารอื่น เพราะถึงแม้สารสองชนิดขึ้นไปจะถูกสัมผัส แต่ไม่มีความสัมพันธ์กันระหว่างสารทั้งสอง ปฏิกิริยาจะไม่เกิดขึ้น ด้วยวิธีนี้ มันจึงมีส่วนร่วมในปฏิกิริยา เช่น ไฮโดรจิเนชัน การเผาไหม้ และการแลกเปลี่ยนอย่างง่าย
วิธีการรับโมเลกุลไฮโดรเจน (H2)
วิธีการทางกายภาพ
โมเลกุลไฮโดรเจนสามารถหาได้จากอากาศในบรรยากาศ เนื่องจากเป็นก๊าซชนิดหนึ่งที่มีอยู่ในส่วนผสมนี้ สำหรับสิ่งนี้ จำเป็นต้องส่งอากาศในบรรยากาศไปยังวิธีการทำให้เป็นของเหลวแบบเศษส่วนแล้วจึงทำการกลั่นแบบเศษส่วน
วิธีทางเคมี
โมเลกุลไฮโดรเจนสามารถหาได้จากปฏิกิริยาเคมีจำเพาะ เช่น
- การแลกเปลี่ยนอย่างง่าย: ปฏิกิริยาที่โลหะไม่มีตระกูล (Me) แทนที่ไฮโดรเจนที่มีอยู่ในกรดอนินทรีย์ (HX) ก่อตัวเป็นเกลือ (MeX) และโมเลกุลไฮโดรเจน (H2):
- ฉัน + HX → MeX + H2
- การให้น้ำของถ่านโค้ก (ผลพลอยได้จากถ่านหิน): ในปฏิกิริยานี้ คาร์บอน (C) ของถ่านหินจะทำปฏิกิริยากับออกซิเจนในน้ำ (H2O) ทำให้เกิดคาร์บอนมอนอกไซด์และก๊าซไฮโดรเจน:
- C + H2O → CO + H2
- อิเล็กโทรไลซิสของน้ำ: เมื่อน้ำอยู่ภายใต้กระบวนการอิเล็กโทรลิซิส การก่อตัวของก๊าซออกซิเจนและไฮโดรเจน:
- H2O(1) → H2(ก.) + O2(ก.)
ยูทิลิตี้ไฮโดรเจน
- เชื้อเพลิงสำหรับจรวดหรือรถยนต์
- ไฟฉายอาร์ค (ใช้พลังงานไฟฟ้า) เพื่อตัดโลหะ
- รอยเชื่อม;
- การสังเคราะห์สารอินทรีย์ที่แม่นยำยิ่งขึ้นในปฏิกิริยาไฮโดรคาร์บอนไฮโดรเจน
- ปฏิกิริยาอินทรีย์ที่เปลี่ยนไขมันเป็นน้ำมันพืช
- การผลิตไฮโดรเจนเฮไลด์หรือกรดไฮโดรเจน
- การผลิตเมทัลไฮไดรด์ เช่น โซเดียมไฮไดรด์ (NaH)
ระเบิดไฮโดรเจน
ระเบิดไฮโดรเจน ระเบิด H หรือระเบิดเทอร์โมนิวเคลียร์เป็นระเบิดปรมาณูที่มีศักยภาพสูงสุดในการทำลายล้าง การทำงานของมันเกิดจากกระบวนการหลอมนิวเคลียส ดังนั้นจึงเรียกอีกอย่างว่าระเบิดฟิวชัน
การระเบิดของระเบิดไฮโดรเจนเป็นผลมาจากกระบวนการหลอมละลายซึ่งเกิดขึ้นที่อุณหภูมิสูงมาก ประมาณ 10 ล้านองศาเซลเซียส กระบวนการผลิตของระเบิดนี้เริ่มต้นด้วยการรวมตัวของไอโซโทปไฮโดรเจนที่เรียกว่าโพรเทียม ดิวเทอเรียม และทริเทียม การรวมตัวของไอโซโทปไฮโดรเจนทำให้นิวเคลียสของอะตอมสร้างพลังงานมากขึ้น เนื่องจากนิวเคลียสฮีเลียมก่อตัวขึ้น ซึ่งมีมวลอะตอมมากกว่าไฮโดรเจนถึง 4 เท่า
ดังนั้นแกนกลางที่เบาจะหนักขึ้น ดังนั้น กระบวนการนิวเคลียร์ฟิวชันจึงมีความรุนแรงมากกว่ากระบวนการฟิชชันหลายพันเท่า ความแรงของระเบิดไฮโดรเจนสามารถเข้าถึงไดนาไมต์ได้ถึง 10 ล้านตัน โดยปล่อยสารกัมมันตภาพรังสีและรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าออกมาในระดับที่สูงกว่าระเบิดปรมาณูมาก
การทดสอบระเบิดไฮโดรเจนครั้งแรกในปี พ.ศ. 2495 ได้ปล่อยพลังงานออกมาในปริมาณเทียบเท่ากับทีเอ็นทีประมาณ 10 ล้านตัน เป็นที่น่าสังเกตว่าปฏิกิริยาประเภทนี้เป็นแหล่งพลังงานของดาวฤกษ์ เช่น ดวงอาทิตย์ ประกอบด้วยไฮโดรเจน 73% ฮีเลียม 26% และธาตุอื่นๆ 1% สิ่งนี้อธิบายได้จากข้อเท็จจริงที่ว่าปฏิกิริยาฟิวชันเกิดขึ้นในนิวเคลียส ซึ่งอะตอมของไฮโดรเจนหลอมรวมเป็นอะตอมฮีเลียม
เรื่องน่ารู้เกี่ยวกับไฮโดรเจน
- โมเลกุลไฮโดรเจนมีน้ำหนักเบากว่าอากาศ และถูกใช้ในเรือบินแข็งโดยเคานต์เฟอร์ดินานด์ ฟอน เซปเปลินของเยอรมัน จึงเป็นที่มาของชื่อเรือบิน
- โมเลกุลไฮโดรเจนสามารถสังเคราะห์ได้โดยแบคทีเรียและสาหร่ายบางชนิด
- ไฮโดรเจนสามารถใช้ในการผลิตเชื้อเพลิงพลังงานสะอาด
- ก๊าซมีเทน (CH4) เป็นแหล่งไฮโดรเจนที่สำคัญมากขึ้นเรื่อยๆ
