Tài liệu Nguyên tố hóa học Hydro

Nguyên tố hóa học Hydro 1 hiđrô → hêli H ↓ Li Bảng đầy đủ Tổng quát Tên, Ký hiệu, Số hiđrô, H, 1 Phân loại phi kim Nhóm, Chu kỳ, Khối 1, 1, s Khối lượng riêng, Độ cứng 0,0899 kg/m³, Bề ngoài khí không màu Tính chất nguyên tử Khối lượng nguyên tử 1,00794 đ.v.C Bán kính nguyên tử (calc.) 25 (53) pm Bán kính cộng hoá trị 37 pm Bán kính van der Waals 120 pm Cấu hình electron 1s1 e- trên mức năng lượng 1 Trạng thái ôxi hóa (Ôxít) 1 (lưỡng tính) Cấu trúc tinh thể lục phương Tính chất vật lý Trạng thái vật chất Khí Điểm nóng chảy 14,025 K (-434,452 °F) Điểm sôi 20,268 K (-423,166 °F) Trạng thái trật tự từ Thể tích phân tử ×10-6 m³/mol Nhiệt bay hơi 0,44936 kJ/mol Nhiệt nóng chảy 0,05868 kJ/mol Áp suất hơi 209 Pa tại 23 K Vận tốc âm thanh 1.270 m/s tại 293,15 K Thông tin khác Độ âm điện 2,2 (thang Pauling) Nhiệt dung riêng 14.304 J/(kg·K) Độ dẫn điện ? /Ω·m Độ dẫn nhiệt 0,1815 W/(m·K) Năng lượng ion hóa 1. 1.312,0 kJ/mol Chất đồng vị ổn định nhất iso TN (khí quyển) t½ DM DE MeV DP H1 99,985% Ổn định không có nơtron H2 0,015% Ổn định có 1 nơtron H3 tổng hợp 12,32 năm β− 0,019 He3 H4 tổng hợp 9,93696×10−23 s n 2,910 H3 H5 tổng hợp 8,01930×10−23 s n ? H4 H6 tổng hợp 3,26500×10−22 s 3n ? H3 H7 {syn.} không số liệu n? ? H6? Đơn vị SI và STP được dùng trừ khi có ghi chú. Hydro (từ tiếng Latinh: hydrogenium) là một nguyên tố hóa học trong hệ thống tuần hoàn các nguyên tố với nguyên tử số bằng 1. 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 u. 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 biến nhất của hydro là proti, kí 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, kí hiệu là D, với hạt nhân chứa một proton và một neutron và một đồng vị phóng xạ là triti, kí 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 kỉ 16 bằng cách nhúng kim loại vào trong một axit 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 cái tên "hydrogen", trong tiếng Hi Lạp nghĩa là "sinh ra nước". 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 các hợp chất ion, hydro có thể có thể tồn tại ở hai dạng. Trong các hợp chất với kim loại, hydro tồn tại dưới dạng các anion hydrua mang một điện tích âm, kí hiệu H-. Hydro còn có thể tồn tại dưới dạng các 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 tạo chỉ gồm một proton trần trụi (không có electron che chắn) không thể tồn tại được trong thực tế do tính dương điện hay tính axit và do đó khả năng phản ứng với các phân tử khác của H+ là rất cao. Một cation hydro thực sự chỉ tồn tại trong quá trình chuyển proton từ các axit sang các bazơ (phản ứng axit-bazơ). Trong dung dịch nước H+ (do chính nước hoặc một loại axit khác phân ly ra) kết hợp với phân tử nước tạo ra các cation hydroni H3O+, thường cũng được viết gọn là H+. Ion này đóng một vai trò đặc biệt quan trọng trong hóa học axit-bazơ. Hydro tạo thành các hợp chất cộng hóa trị với hầu hết các nguyên tố khác. Nó có mặt trong nước và hầu hết các hợp chất hữu cơ cũng như các cơ thể sống. Thuộc tính 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 có thể phản ứng với hầu hết các nguyên tố hóa học khác. Nguyên tử hydro Nguyên tử hydro là nguyên tử của nguyên tố hydro. Nó bao gồm một electron có điện tích âm quay xung quanh prôton mang điện tích dương là hạt nhân của nguyên tử hiđrô. Điện tử và prôton liên kết với nhau bằng lực Culông. Đồng vị Hiđrô là nguyên tố duy nhất có các tên gọi khác nhau cho các đồng vị của nó. (Trong giai đoạn đầu của nghiên cứu phóng xạ, các đồng vị phóng xạ nặng khác nhau cũng được đặt tên, nhưng các tên gọi này không được sử dụng, mặc dù 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) đôi khi được sử dụng để chỉ đơteri và triti, mặc dù điều này không được chính thức phê chuẩn. (Ký hiệu P đã được sử dụng cho phốtpho và không thể sử dụng để chỉ proti.)  1H: Đồng vị phổ biến nhất của hiđrô, đồng vị ổn định này có hạt nhân chỉ chứa duy nhất một prôton; vì thế trong miêu tả (mặc dù ít) gọi là proti.  2H: Đồng vị ổn định có tên là đơteri, với thêm một nơtron trong hạt nhân. Nó chiếm khoảng 0,0184-0,0082% của toàn bộ hiđrô (IUPAC); tỷ lệ của nó tới proti được xác định liên quan với nước tham chiếu tiêu chuẩn của VSMOW.  3H: Đồng vị phóng xạ tự nhiên có tên là triti. Hạt nhân của nó có hai nơtron và một prôton. Nó phân rã theo phóng xạ bêta và chu kỳ bán rã là 12,32 năm.  4H: Hiđrô-4 được tổng hợp khi bắn phá triti bằng hạt nhân đơteri chuyển động cực nhanh. Nó phân rã tạo ra bức xạ nơtron và có chu kỳ bán rã 9,93696x10-23 giây.  5H: Năm 2001 các nhà khoa học phát hiện ra hiđrô-5 bằng cách bắn phá hiđrô bằng các ion nặng. Nó phân rã tạo ra bức xạ nơtron và có chu kỳ bán rã 8,01930x10-23 giây.  6H: Hiđrô-6 phân rã tạo ra ba bức xạ nơtron và có chu kỳ bán rã 3,26500x10-22 giây.  7H: Năm 2003 hiđrô-7 đã được tạo ra (bài báo [1]) tại phòng thí nghiệm RIKEN ở Nhật Bản bằng cách cho va chạm dòng các nguyên tử hêli-8 năng lượng cao với mục tiêu hiđrô lạnh và phát hiện ra các triton - hạt nhân của nguyên tử triti - và các nơtron từ sự phá vỡ của hiđrô-7, giống như phương pháp sử dụng để sản xuất và phát hiện hiđrô-5. Lịch sử Hiđrô (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 ô xy [2]) lần đầu tiên được Henry Cavendish phát hiện như một chất riêng biệt năm 1766. Cavendish tình cờ tìm ra nó khi thực hiện các thí nghiệm với thủy ngân và các axít. Mặc dù ông đã sai lầm khi cho rằng hiđrô là hợp chất của thủy ngân (và không phải của axít), nhưng ông đã có thể miêu tả rất nhiều thuộc tính của hiđrô rất cẩn thận. Antoine Lavoisier đặt tên cho nguyên tố này và chứng tỏ nước được tạo ra từ hiđrô và ôxy. Một trong những ứng dụng đầu tiên của nó là khinh khí cầu. Hiđrô thu được bằng cách cho axít sulfuric loãng tác dụng với sắt. Đơteri, một trong các đồng vị của hiđrô, được Harold C. Urey phát hiện bằng cách chưng cất một mẫu nước nhiều lần. Urey nhận giải Nobel cho phát minh của mình năm 1934. Trong cùng năm đó, đồng vị thứ ba, triti, đã được phát hiện. Trạng thái thiên nhiên Ống Hiđrô đang phát sáng. Hiđrô 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. Nguyên tố này được tìm thấy với một lượng khổng lồ trong các ngôi sao và các hành tinh khí khổng lồ. Tuy vậy, trên Trái Đất nó có rất ít trong khí quyển (1 ppm theo thể tích). Nguồn chủ yếu của nó là nước, bao gồm hai phần hiđrô và một phần ôxy (H2O). Các nguồn khác bao gồm phần lớn các chất hữu cơ (hiện tại là mọi dạng của cơ thể sống), than, nhiên liệu hóa thạch và khí tự nhiên. Mêtan (CH4) là một nguồn quan trọng của hiđrô. Dưới áp suất cực cao, chẳng hạn như tại trung tâm của các hành tinh khí khổng lồ (như sao Mộc), các phân tử hiđrô mất đặc tính của nó và hiđrô trở thành một kim loại (xem hiđrô kim loại). Dưới áp suất cực thấp, như trong khoảng không vũ trụ, hiđrô có xu hướng tồn tại dưới dạng các nguyên tử riêng biệt, đơn giản vì không có cách nào để chúng liên kết với nhau; các đám mây H2 tạo thành và được liên kết trong quá trình hình thành các ngôi sao. Hydro đóng vai trò sống còn trong việc cung cấp năng lượng trong vũ trụ thông qua các phản ứng prôton-prôton và chu trình cacbon - nitơ. (Đó là các phản ứng nhiệt hạch giải phóng năng lượng khổng lồ thông qua việc tổ hợp hai nguyên tử hiđrô thành một nguyên tử hêli.) Điều chế, sản xuất Trong phòng thí nghiệm, hiđrô được điều chế bằng phản ứng của axít với kim loại, như kẽm chẳng hạn. Để sản xuất công nghiệp có giá trị thương mại nó được điều chế từ khí thiên nhiên. Điện phân nước là biện pháp đơn giản nhưng không kinh tế để sản xuất hàng loạt hiđrô. Các nhà khoa học đang nghiên cứu để tìm ra những phương pháp điều chế mới như sử dụng tảo lục hay việc chuyển hóa các dẫn xuất sinh học như glucôda hay sorbitol ở nhiệt độ thấp bằng các chất xúc tác mới. Hiđrô có thể điều chế theo nhiều cách khác nhau: hơi nước qua than (cacbon) nóng đỏ, phân hủy hiđrôcacbon bằng nhiệt, phản ứng của các bazơ mạnh (kiềm) trong dung dịch với nhôm, điện phân nước hay khử từ axít loãng với một kim loại (có khả năng đẩy hiđrô từ axít) nào đó. Việc sản xuất thương mại của hiđrô thông thường là từ khí tự nhiên được xử lý bằng hơi nước nóng. Ở nhiệt độ cao (700-1.100 °C), hơi nước tác dụng với mêtan để sinh ra mônôxít cacbon và hiđrô. CH4 + H2O → CO + 3 H2 Điện phân dung dịch có màng ngăn : 2NaCl + 2H2O → 2NaOH + H2 + Cl2 Điện phân nước : 2H2O → 2H2 + O2 Lượng hiđrô bổ sung có thể thu được từ mônôxít cacbon thông qua phản ứng nước-khí sau: CO + H2O → CO2 + H2 Hợp chất Là nhẹ nhất trong mọi chất khí, hiđrô liên kết với phần lớn các nguyên tố khác để tạo ra hợp chất. Nó có độ điện âm 2,2 vì thế nó tạo ra hợp chất ở những chỗ mà nó là nguyên tố mang tính phi kim loại nhiều hơn (1) cũng như khi nó là nguyên tố mang tính kim loại nhiều hơn (2). Các chất loại đầu tiên gọi là hiđrua, trong đó hiđrô hoặc là tồn tại dưới dạng ion H- hay chỉ là hòa tan trong các nguyên tố khác (chẳng hạn như hiđrua palađi). Các chất loại thứ hai có xu hướng cộng hóa trị, khi đó ion H+ là một hạt nhân trần và có xu hướng rất mạnh để hút các điện tử vào nó. Các dạng này là các axít. Vì thế thậm chí trong các dung dịch axít người ta có thể tìm thấy các ion như hiđrôni (H3O+) cũng như prôton. Hiđrô kết hợp với ôxy tạo ra nước, H2O và giải phóng ra năng lượng, nó có thể nổ khi cháy trong không khí. Ôxít đơteri, hay D2O, thông thường được nói đến như nước nặng. Hiđrô cũng tạo ra phần lớn các hợp chất với cacbon. Vì sự liên quan của các chất này với các loại hình sự sống nên người ta gọi các hợp chất này là các chất hữu cơ, việc nghiên cứu các thuộc tính của các chất này thuộc về hóa hữu cơ. Cảnh báo Hiđrô là một chất khí dễ bắt cháy, nó cháy khi mật độ chỉ có 4%. Nó có phản ứng cực mạnh với clo và flo, tạo thành các axít hiđrôhalic có thể gây tổn thương cho phổi và các bộ phận khác của cơ thể. Khi trộn với ôxy, hiđrô nổ khi bắt lửa. Hidro cũng có thể nổ khi có dòng điện đi qua