Kur ir ūdeņradis un kam tas ir paredzēts? Kāda veida viela ir ūdeņradis? Ūdeņraža ķīmiskās un fizikālās īpašības

• Apzīmējums - H (Ūdeņradis);
• Latīņu nosaukums - Hydrogenium;
• Periods - I;
• grupa - 1 (Ia);
• Atommasa - 1,00794;
• Atomskaitlis - 1;
• Atoma rādiuss = 53 pm;
• Kovalentais rādiuss = 32 pm;
• Elektronu sadalījums - 1s 1;
• kušanas temperatūra = -259,14 ° C;
• viršanas temperatūra = -252,87 ° C;
• Elektronegativitāte (Paulings / Alpreds un Rohovs) = 2,02 / -;
• Oksidācijas stāvoklis: +1; 0; - viens;
• Blīvums (n. At.) = 0,0000899 g / cm 3;
• Molārais tilpums = 14,1 cm 3 / mol.

Bināri ūdeņraža savienojumi ar skābekli:

Ūdeņradi ("ūdens dzemdēšana") 1766. gadā atklāja angļu zinātnieks G. Kavendišs. Tas ir vienkāršākais elements dabā – ūdeņraža atomam ir kodols un viens elektrons, iespējams, tāpēc ūdeņradis ir visbagātīgākais elements Visumā (tas veido vairāk nekā pusi no vairuma zvaigžņu masas).

Par ūdeņradi mēs varam teikt, ka "spole ir maza, bet dārga". Neskatoties uz savu "vienkāršību", ūdeņradis dod enerģiju visam dzīvajam uz Zemes - uz Saules notiek nepārtraukta kodoltermiskā reakcija, kuras laikā no četriem ūdeņraža atomiem veidojas viens hēlija atoms, šo procesu pavada kolosāla enerģijas daudzuma izdalīšanās. (sīkāku informāciju skatiet sadaļā Kodolsintēze).

Zemes garozā masas daļaūdeņradis ir tikai 0,15%. Tikmēr lielākā daļa (95%) visu uz Zemes zināmo ķīmisko vielu satur vienu vai vairākus ūdeņraža atomus.

Savienojumos ar nemetāliem (HCl, H 2 O, CH 4 ...) ūdeņradis atdod savu vienīgo elektronu vairāk elektronegatīviem elementiem, uzrāda oksidācijas pakāpi +1 (biežāk), veidojot tikai kovalentās saites(sk. Kovalentā saite).

Savienojumos ar metāliem (NaH, CaH 2 ...) ūdeņradis, gluži pretēji, savā vienīgajā s-orbitālē uzņem citu elektronu, tādējādi cenšoties pabeigt savu elektronisko slāni, uzrādot oksidācijas stāvokli -1 (retāk), biežāk veidojot jonu saiti (sk. Jonu saiti), jo ūdeņraža atoma un metāla atoma elektronegativitātes atšķirība var būt diezgan liela.

H 2

Gāzveida stāvoklī ūdeņradis ir divatomisku molekulu veidā, veidojot nepolāru kovalento saiti.

Ūdeņraža molekulām ir:

• lieliska mobilitāte;
• liela izturība;
• zema polarizējamība;
• mazs izmērs un svars.

Ūdeņraža gāzes īpašības:

• vieglākā gāze dabā, bezkrāsains un bez smaržas;
• slikti šķīst ūdenī un organiskajos šķīdinātājos;
• nelielos daudzumos izšķīst šķidros un cietos metālos (īpaši platīnā un pallādijā);
• grūti sašķidrināt (zemās polarizējamības dēļ);
• ir visaugstākā siltumvadītspēja no visām zināmajām gāzēm;
• karsējot, tas reaģē ar daudziem nemetāliem, parādot reducētāja īpašības;
• istabas temperatūrā reaģē ar fluoru (notiek eksplozija): H 2 + F 2 = 2HF;
• reaģē ar metāliem, veidojot hidrīdus, kam piemīt oksidējošas īpašības: H 2 + Ca = CaH 2;

Savienojumos ūdeņradis savas reducējošās īpašības izpaužas daudz spēcīgāk nekā oksidējošais. Ūdeņradis ir spēcīgākais reducētājs pēc oglēm, alumīnija un kalcija. Ūdeņraža reducējošās īpašības plaši izmanto rūpniecībā metālu un nemetālu (vienkāršu vielu) ražošanai no oksīdiem un gallīdiem.

Fe2O3 + 3H2 = 2Fe + 3H2O

Ūdeņraža reakcijas ar vienkāršām vielām

Ūdeņradis uzņem elektronu, spēlējot lomu reducētājs, reakcijās:

• Ar skābeklis(aizdedzinot vai katalizatora klātbūtnē) attiecībā 2:1 (ūdeņradis:skābeklis) veidojas sprādzienbīstama oksiūdeņraža gāze: 2H 2 0 + O 2 = 2H 2 +1 O + 572 kJ
• Ar pelēks(karsējot līdz 150 ° C-300 ° C): H 2 0 + S ↔ H 2 +1 S
• Ar hlors(aizdedzinot vai apstarojot ar UV stariem): H 2 0 + Cl 2 = 2H +1 Cl
• Ar fluors: H20 + F2 = 2H +1 F
• Ar slāpeklis(karsējot katalizatoru klātbūtnē vai augstā spiedienā): 3H 2 0 + N 2 ↔ 2NH 3 +1

Ūdeņradis ziedo elektronu, spēlējot lomu oksidētājs, reakcijās ar sārmains un sārmzeme metāli, kuros veidojas metālu hidrīdi - sāļiem līdzīgi jonu savienojumi, kas satur hidrīdjonus H - ir nestabilas kristāliskas baltas krāsas vielas.

Ca + H 2 = CaH 2 -1 2Na + H 2 0 = 2 NaH -1

Ir neparasti, ka ūdeņradis uzrāda oksidācijas pakāpi -1. Reaģējot ar ūdeni, hidrīdi sadalās, reducējot ūdeni līdz ūdeņradim. Kalcija hidrīda reakcija ar ūdeni ir šāda:

CaH 2 -1 + 2H 2 +1 0 = 2H 2 0 + Ca (OH) 2

Ūdeņraža reakcijas ar sarežģītām vielām

• augstā temperatūrā ūdeņradis reducē daudzus metālu oksīdus: ZnO + H 2 = Zn + H 2 O
• metilspirts tiek iegūts ūdeņraža reakcijas rezultātā ar oglekļa monoksīdu (II): 2H 2 + CO → CH 3 OH
• hidrogenēšanas reakcijās ūdeņradis reaģē ar daudzām organiskām vielām.

Ūdeņraža un tā savienojumu ķīmisko reakciju vienādojumi sīkāk aplūkoti lapā "Ūdeņradis un tā savienojumi - ķīmisko reakciju vienādojumi, kuros iesaistīts ūdeņradis".

Ūdeņraža pielietojums

• v kodolenerģija tiek izmantoti ūdeņraža izotopi - deitērijs un tritijs;
• ķīmiskajā rūpniecībā ūdeņradi izmanto daudzu sintēzei organisko vielu, amonjaks, hlorūdeņradis;
• v Pārtikas rūpniecībaūdeņradi izmanto cieto tauku ražošanā, hidrogenējot augu eļļas;
• metālu metināšanai un griešanai izmanto augstu ūdeņraža sadegšanas temperatūru skābeklī (2600 ° C);
• dažu metālu ražošanā kā reducētāju izmanto ūdeņradi (skat. iepriekš);
• tā kā ūdeņradis ir viegla gāze, to izmanto aeronautikā kā pildvielu gaisa baloniem, gaisa baloniem, dirižabļiem;
• kā degvielu ūdeņradi izmanto maisījumā ar CO.

Pēdējā laikā zinātnieki lielu uzmanību pievērš alternatīvu atjaunojamās enerģijas avotu atrašanai. Viena no perspektīvām jomām ir "ūdeņraža" enerģētika, kurā kā degvielu izmanto ūdeņradi, kura sadegšanas produkts ir parasts ūdens.

Ūdeņraža iegūšanas metodes

Rūpnieciskās metodes ūdeņraža ražošanai:

• metāna pārvēršana (ūdens tvaiku katalītiskā reducēšana) ar ūdens tvaiku augstā temperatūrā (800 ° C) uz niķeļa katalizatora: CH 4 + 2H 2 O = 4H 2 + CO 2;
• oglekļa monoksīda pārvēršana ar tvaiku (t = 500 ° C) uz katalizatora Fe 2 O 3: CO + H 2 O = CO 2 + H 2;
• metāna termiskā sadalīšanās: CH 4 = C + 2H 2;
• cietā kurināmā gazifikācija (t = 1000 ° C): C + H 2 O = CO + H 2;
• ūdens elektrolīze (ļoti dārga metode, kurā iegūst ļoti tīru ūdeņradi): 2H 2 O → 2H 2 + O 2.

Laboratorijas metodes ūdeņraža iegūšanai:

• iedarbība uz metāliem (parasti cinku) ar sālsskābi vai atšķaidītu sērskābi: Zn + 2HCl = ZCl 2 + H 2; Zn + H2SO4 = ZnSO4 + H2;
• ūdens tvaiku mijiedarbība ar karstām dzelzs skaidām: 4H 2 O + 3Fe = Fe 3 O 4 + 4H 2.

Ūdeņradi (Hydrogenium) 16. gadsimta pirmajā pusē atklāja vācu ārsts un dabaszinātnieks Paracelzs. 1776. gadā G. Kavendišs (Anglija) noteica tās īpašības un norādīja uz atšķirībām no citām gāzēm. Lavuazjē bija pirmais, kurš ieguva ūdeņradi no ūdens un pierādīja, ka ūdens ir ķīmisks ūdeņraža savienojums ar skābekli (1783).

Ūdeņradim ir trīs izotopi: protijs, deitērijs jeb D un tritijs jeb T. To masas skaitļi ir 1, 2 un 3. Protijs un deitērijs ir stabili, tritijs ir radioaktīvs (pusperiods 12,5 gadi). Dabiskajos savienojumos deitērijs un protijs ir vidēji proporcijā 1: 6800 (pēc atomu skaita). Tritijs dabā ir atrodams niecīgā daudzumā.

Ūdeņraža atoma kodols satur vienu protonu. Deitērija un tritija kodolos papildus protonam ir attiecīgi viens un divi neitroni.

Ūdeņraža molekula sastāv no diviem atomiem. Šeit ir dažas īpašības, kas raksturo ūdeņraža atomu un molekulu:

Atoma jonizācijas enerģija, eV 13,60

Atoma afinitāte pret elektronu, eV 0,75

Relatīvā elektronegativitāte 2.1

Atoma rādiuss, nm 0,046

Starpkodolu attālums molekulā, nm 0,0741

Standarta molekulu disociācijas eitalpija pie 436,1

115.Ūdeņradis dabā. Ūdeņraža iegūšana.

Brīvais ūdeņradis uz Zemes ir atrodams tikai nelielos daudzumos. Dažreiz tas izdalās kopā ar citām gāzēm vulkānu izvirdumu laikā, kā arī no urbumiem naftas ieguves laikā. Bet ūdeņradis ir ļoti izplatīts savienojumu veidā. To var redzēt jau no tā, ka tas veido vienu devīto daļu no ūdens masas. Ūdeņradis ir daļa no visiem augu un dzīvnieku organismiem, naftas, akmeņoglēm un brūnoglēm, dabasgāzēm un vairākām minerālvielām. Ūdeņraža daļa no visas masas garoza, skaitot ūdeni un gaisu, veido aptuveni 1%. Taču, pārrēķinot procentos no kopējā atomu skaita, ūdeņraža saturs zemes garozā ir 17%.

Ūdeņradis ir visizplatītākais elements kosmosā. Tas veido apmēram pusi no Saules un vairuma citu zvaigžņu masas. Tas ir atrodams gāzveida miglājos, starpzvaigžņu gāzēs un zvaigznēs. Zvaigžņu zarnās ūdeņraža atomu kodoli tiek pārveidoti par hēlija atomu kodoliem. Šis process notiek ar enerģijas izdalīšanos; daudzām zvaigznēm, tostarp Saulei, tas kalpo kā galvenais enerģijas avots. Procesa ātrums, tas ir, ūdeņraža kodolu skaits, kas vienā kubikmetrā sekundē pārvēršas hēlija kodolos, ir mazs. Tāpēc enerģijas daudzums, kas izdalās laika vienībā uz tilpuma vienību, ir mazs. Taču Saules milzīgās masas dēļ kopējais Saules ģenerētās un izstarotās enerģijas daudzums ir ļoti liels. Tas atbilst Saules masas samazinājumam par aptuveni sekundi.

Rūpniecībā ūdeņradi galvenokārt iegūst no dabasgāzes. Šī gāze, kas galvenokārt sastāv no metāna, tiek sajaukta ar tvaiku un skābekli. Kad gāzu maisījumu uzkarsē katalizatora klātbūtnē, notiek reakcija, ko shematiski var attēlot ar vienādojumu:

Iegūtais gāzes maisījums tiek atdalīts. Ūdeņradis tiek attīrīts un libro tiek izmantots ražošanas vietā vai transportēts tērauda balonos zem augsta spiediena.

Svarīga rūpnieciskā metode ūdeņraža iegūšanai ir arī tā atdalīšana no koksa krāsns gāzes vai no naftas rafinēšanas gāzēm. To veic ar dziļu dzesēšanu, kurā visas gāzes, izņemot ūdeņradi, tiek sašķidrinātas.

Laboratorijās ūdeņradi galvenokārt iegūst ūdens šķīdumu elektrolīzes ceļā. Šo šķīdumu koncentrācija ir izvēlēta tā, lai tā atbilstu to maksimālajai elektrovadītspējai. Elektrodi parasti ir izgatavoti no lokšņu niķeļa. Šis metāls nerūsē sārmu šķīdumos, pat kā anods. Ja nepieciešams, iegūtais ūdeņradis tiek attīrīts no ūdens tvaikiem un skābekļa pēdām. Starp citām laboratorijas metodēm visizplatītākā metode ir ūdeņraža ekstrakcija no sērskābes vai sālsskābes šķīdumiem, iedarbojoties uz tiem cinka. Reakciju parasti veic Kipa aparātā (105. att.).

Visbagātākais ķīmiskais elements Visumā ir ūdeņradis. Tas ir sava veida sākumpunkts, jo periodiskajā tabulā tā atomskaitlis ir vienāds ar vienu. Cilvēce cer, ka nākotnē varēs uzzināt vairāk par to kā vienu no iespējamiem transportlīdzekļiem. Ūdeņradis ir vienkāršākais, vieglākais, visizplatītākais elements, tā visur ir daudz - septiņdesmit pieci procenti no kopējās vielas masas. Tas ir atrodams jebkurā zvaigznē, īpaši daudz ūdeņraža gāzes gigantos. Tā loma zvaigžņu saplūšanas reakcijās ir būtiska. Bez ūdeņraža nav ūdens, kas nozīmē, ka nav dzīvības. Ikviens atceras, ka ūdens molekulā ir viens skābekļa atoms, bet divi atomi tajā - ūdeņradis. Šī ir labi zināmā formula H2O.

Kā mēs to lietojam

Ūdeņradi 1766. gadā atklāja Henrijs Kavendišs, kad viņš analizēja metāla oksidācijas reakciju. Pēc vairāku gadu novērojumiem viņš saprata, ka ūdeņraža sadedzināšanas procesā veidojas ūdens. Iepriekš zinātnieki izolēja šo elementu, taču neuzskatīja to par neatkarīgu. 1783. gadā ūdeņradis saņēma nosaukumu ūdeņradis (tulkojumā no grieķu valodas "hidro" - ūdens un "gēns" - dzemdēt). Elements, kas rada ūdeni, ir ūdeņradis. Tā ir gāze, kuras molekulārā formula ir H2. Ja temperatūra ir tuvu istabas temperatūrai un spiediens ir normāls, šis elements ir nemanāms. Ūdeņradi var pat neuztvert cilvēka maņas – tas ir bezgaršīgs, bezkrāsains, bez smaržas. Bet zem spiediena un -252,87 C temperatūrā (ļoti auksts!), Šī gāze sašķidrinās. Tādā veidā tas tiek uzglabāts, jo tas aizņem daudz vairāk vietas gāzes veidā. Tas ir šķidrais ūdeņradis, ko izmanto kā propelentu.

Ūdeņradis var kļūt ciets, metālisks, taču tam ir nepieciešams īpaši augsts spiediens, un to šobrīd dara visievērojamākie zinātnieki – fiziķi un ķīmiķi. Jau tagad šis elements kalpo kā alternatīva degviela transportam. Tā izmantošana ir līdzīga iekšdedzes dzinēja darbībai: ūdeņradim sadedzinot, izdalās liela daļa tā ķīmiskās enerģijas. Praktiski izstrādāta arī uz tās bāzes veidota kurināmā elementa izveides metode: savienojoties ar skābekli, notiek reakcija, un caur to veidojas ūdens un elektrība. Iespējams, drīz transports benzīna vietā "pārslēgsies" uz ūdeņradi - daudzi autoražotāji ir ieinteresēti alternatīvu degošu materiālu radīšanā, ir arī panākumi. Bet tīri ūdeņraža dzinējs joprojām ir nākotnē, šeit ir daudz grūtību. Taču priekšrocības ir tādas, ka degvielas tvertnes izveide ar cieto ūdeņradi rit pilnā sparā, un zinātnieki un inženieri negrasās atkāpties.

Pamatinformācija

Hidrogēnijs (lat.) - ūdeņradis, pirmais kārtas numurs periodiskajā tabulā, apzīmēts ar H. Ūdeņraža atoma masa ir 1,0079, tā ir gāze, kurai normālos apstākļos nav ne garšas, ne smaržas, ne krāsas. Ķīmiķi kopš sešpadsmitā gadsimta ir aprakstījuši noteiktu degošu gāzi ar dažādiem nosaukumiem. Bet tas izrādījās visiem vienādos apstākļos - kad skābe iedarbojas uz metālu. Daudzus gadus pats Kavendišs ūdeņradi sauca vienkārši par "degošu gaisu". Tikai 1783. gadā Lavuazjē pierādīja, ka ūdenim ir sarežģīts sastāvs, izmantojot sintēzi un analīzi, un četrus gadus vēlāk viņš arī piešķīra "degošajam gaisam" tā mūsdienu nosaukumu. Šī sarežģītā vārda sakne tiek plaši izmantota, ja nepieciešams nosaukt ūdeņraža savienojumus un visus procesus, kuros tas piedalās. Piemēram, hidrogenēšana, hidrīds un tamlīdzīgi. Un krievu vārdu 1824. gadā ierosināja M. Solovjovs.

Dabā šī elementa izplatība ir nepārspējama. Zemes garozas litosfērā un hidrosfērā tās masa ir viens procents, bet ūdeņraža atomi pat sešpadsmit procenti. Uz Zemes visizplatītākais ir ūdens, un 11,19% no masas tajā ir ūdeņradis. Tas vienmēr ir arī gandrīz visos savienojumos, no kuriem sastāv nafta, ogles, visas dabasgāzes un māls. Ūdeņradis ir visos augu un dzīvnieku organismos – olbaltumvielu, tauku, nukleīnskābju, ogļhidrātu u.c. sastāvā. Ūdeņraža brīvais stāvoklis nav tipisks un gandrīz nekad nenotiek - dabas un vulkāniskās gāzēs tā ir ļoti maz. Absolūti nenozīmīgs ūdeņraža daudzums atmosfērā - 0,0001%, pēc atomu skaita. No otras puses, veselas protonu plūsmas pārstāv ūdeņradi zemei ​​tuvajā telpā, tas sastāv no mūsu planētas iekšējās radiācijas jostas.

Kosmoss

Kosmosā neviens elements nav sastopams tik bieži kā ūdeņradis. Ūdeņraža tilpums Saules elementu sastāvā ir vairāk nekā puse no tās masas. Lielākā daļa zvaigžņu veido ūdeņradi, kas ir plazmas formā. Arī lielākā daļa dažādu gāzu miglājos un starpzvaigžņu vidē sastāv no ūdeņraža. Tas atrodas komētās, vairāku planētu atmosfērā. Dabiski, ne tīrā veidā, vai nu kā brīvs H 2, tad kā metāns CH 4, tad kā amonjaks NH 3, pat kā ūdens H 2 O. Radikāļi CH, NH, SiN, OH, PH un tamlīdzīgi ir ļoti izplatīti. Kā protonu plūsma ūdeņradis ir daļa no korpuskulārā saules starojuma un kosmiskajiem stariem.

Parastajā ūdeņradi divu stabilu izotopu maisījums ir vieglais ūdeņradis (vai protium 1 H) un smagais ūdeņradis (vai deitērijs - 2 H vai D). Ir arī citi izotopi: radioaktīvais tritijs - 3 H vai T, pretējā gadījumā - supersmagais ūdeņradis. Un arī ļoti nestabils 4 N. Dabā ūdeņraža savienojums satur izotopus šādās proporcijās: uz vienu deitērija atomu ir 6800 protija atomu. Tritijs atmosfērā veidojas no slāpekļa, ko ietekmē kosmisko staru neitroni, taču tas ir niecīgs. Ko apzīmē izotopu masas skaitļi? Attēlā redzams, ka protija kodolā ir tikai viens protons, savukārt deitērija atoma kodolā ir ne tikai protons, bet arī neitrons. Tritijam kodolā ir divi neitroni pret vienu protonu. Bet 4 N satur trīs neitronus uz vienu protonu. Tātad fizikālās īpašības un ūdeņraža ķīmiskie izotopi ir ļoti atšķirīgi salīdzinājumā ar visu pārējo elementu izotopiem - pārāk liela masas atšķirība.

Struktūra un fizikālās īpašības

Ūdeņraža atoma struktūra ir visvienkāršākā salīdzinājumā ar visiem citiem elementiem: viens kodols - viens elektrons. Jonizācijas potenciāls - kodola saistīšanās enerģija ar elektronu - 13,595 elektronvolti (eV). Šīs struktūras vienkāršības dēļ ūdeņraža atoms ir ērts kā modelis kvantu mehānikā, kad nepieciešams aprēķināt sarežģītāku atomu enerģijas līmeņus. H2 molekulā ir divi atomi, kas ir saistīti ar ķīmisku kovalentu saiti. Sabrukšanas enerģija ir ļoti augsta. Var veidoties atomu ūdeņradis ķīmiskās reakcijas piemēram, cinks un sālsskābe. Taču mijiedarbības ar ūdeņradi praktiski nav – ūdeņraža atomu stāvoklis ir ļoti īss, atomi uzreiz rekombinējas H2 molekulās.

No fizikālā viedokļa ūdeņradis ir vieglāks par visām zināmajām vielām - vairāk nekā četrpadsmit reizes vieglāks par gaisu (atcerieties balonus, kas lido prom brīvdienās - tajos ir tikai ūdeņradis). Tomēr tas var vārīties, sašķidrināt, izkausēt, sacietēt, un tikai hēlijs vārās un kūst zemākā temperatūrā. Grūti to sašķidrināt, vajag temperatūru zem -240 grādiem pēc Celsija. Bet tam ir ļoti augsta siltumvadītspēja. Tas gandrīz nešķīst ūdenī, bet mijiedarbība ar metālu ūdeņradi ir lieliska - tas šķīst gandrīz visos, vislabāk pallādijā (vienam tilpumam ūdeņraža ir nepieciešami astoņi simti piecdesmit tilpumi). Šķidrais ūdeņradis ir viegls un šķidrs, un, izšķīdinot metālos, tas bieži iznīcina sakausējumus mijiedarbības ar oglekli (piemēram, tēraudu) dēļ, notiek difūzija un dekarbonizācija.

Ķīmiskās īpašības

Savienojumos lielākoties ūdeņraža oksidācijas pakāpe (valence) ir +1, tāpat kā nātrijs un citi sārmu metāli. Viņš tiek uzskatīts par viņu analogu, kas atrodas Mendeļejeva sistēmas pirmās grupas priekšgalā. Bet ūdeņraža jons metālu hidrīdos ir negatīvi uzlādēts ar oksidācijas pakāpi -1. Arī šis elements ir tuvu halogēniem, kas pat spēj to aizstāt organiskajos savienojumos. Tas nozīmē, ka ūdeņradi var attiecināt uz Mendeļejeva sistēmas septīto grupu. Normālos apstākļos ūdeņraža molekulas neatšķiras pēc aktivitātes, apvienojoties tikai ar aktīvākajiem nemetāliem: labi ar fluoru, un, ja vieglas - ar hloru. Bet sildot, ūdeņradis kļūst citādāks – reaģē ar daudziem elementiem. Salīdzinot ar molekulāro ūdeņradi, atomu ūdeņradis ir ķīmiski ļoti aktīvs, jo saistībā ar skābekli veidojas ūdens, un pa ceļam izdalās enerģija un siltums. Istabas temperatūrā šī reakcija norit ļoti lēni, bet, uzkarsējot virs piecsimt piecdesmit grādiem, notiek sprādziens.

Ūdeņradi izmanto metālu reducēšanai, jo tas atņem skābekli no to oksīdiem. Ar fluoru ūdeņradis veido sprādzienu pat tumsā un pie mīnus divsimt piecdesmit diviem grādiem pēc Celsija. Hlors un broms ierosina ūdeņradi tikai sildot vai apgaismotu, un jodu tikai sildot. Ūdeņradis ar slāpekli veido amonjaku (tādā veidā tiek ražota lielākā daļa mēslošanas līdzekļu). Sildot, tas ļoti aktīvi mijiedarbojas ar sēru, un tiek iegūts sērūdeņradis. Ar telūru un selēnu ir grūti izraisīt ūdeņraža reakciju, un ar tīru oglekli reakcija notiek ļoti augsta temperatūra, un tiek iegūts metāns. Ar oglekļa monoksīdu ūdeņradis veido dažādus organiskus savienojumus, šeit ietekmē spiediens, temperatūra, katalizatori, un tam visam ir liela praktiska nozīme. Un vispār ūdeņraža, kā arī tā savienojumu loma ir ārkārtīgi liela, jo tas piešķir protoskābēm skābas īpašības. Ar daudziem elementiem veidojas ūdeņraža saite, kas ietekmē gan neorganisko, gan organisko savienojumu īpašības.

Saņemšana un lietošana

Ūdeņradi rūpnieciskā mērogā iegūst no dabasgāzēm – degošām, koksa krāsns, naftas pārstrādes gāzēm. To var iegūt arī ar elektrolīzi, kur elektrība nav pārāk dārga. Tomēr vissvarīgākā ūdeņraža iegūšanas metode ir ogļūdeņražu, galvenokārt metāna, katalītiskā mijiedarbība ar tvaiku, kad tiek iegūta konversija. Plaši tiek izmantota arī ogļūdeņražu oksidēšanas metode ar skābekli. Ūdeņraža ieguve no dabasgāzes ir lētākā metode. Pārējās divas ir koksa krāsns gāzes un rafinēšanas gāzes izmantošana – ūdeņradis tiek atbrīvots, kad atlikušās sastāvdaļas tiek sašķidrinātas. Tie ir vieglāk sašķidrināti, un ūdeņradim, kā mēs atceramies, ir nepieciešami -252 grādi.

Ūdeņraža peroksīds ir ļoti populārs lietošanā. Ārstēšana ar šo šķīdumu tiek izmantota ļoti bieži. Molekulāro formulu H 2 O 2 diez vai nosauks visi tie miljoni cilvēku, kuri vēlas būt blondīnes un gaišināt matus, kā arī tie, kam patīk tīrība virtuvē. Pat tie, kas ārstē skrāpējumus no spēlēšanās ar kaķēnu, bieži neapzinās, ka izmanto apstrādi ar ūdeņradi. Bet visi zina stāstu: kopš 1852. gada ūdeņradis aeronautikā tiek izmantots ilgu laiku. Dirižablis, ko izgudroja Henrijs Gifards, tika balstīts uz ūdeņradi. Tos sauca par cepelīniem. Izgrūda cepelīnus no debesīm strauja attīstība lidmašīnu celtniecība. 1937. gadā notika liela avārija, kad nodega Hindenburgas dirižablis. Pēc šī incidenta cepelīnus vairs nelietoja. Bet astoņpadsmitā gadsimta beigās ar ūdeņradi pildītu balonu izplatība bija plaši izplatīta. Papildus amonjaka ražošanai mūsdienās ūdeņradis ir nepieciešams metilspirta un citu spirtu, benzīna, hidrogenētas mazuta un cietā kurināmā ražošanai. Bez ūdeņraža nevar iztikt metinot, griežot metālus - tas var būt skābeklis-ūdeņradis un atomūdeņradis. Un tritijs un deitērijs dod dzīvību kodolenerģijai. Kā mēs atceramies, tie ir ūdeņraža izotopi.

Neumyvakin

Ūdeņradis kā ķīmiskais elements ir tik labs, ka tam nevar palīdzēt, bet tam ir savi fani. Ivans Pavlovičs Neumyvakins ir medicīnas zinātņu doktors, profesors, Valsts balvas laureāts, un viņam ir daudz citu titulu un apbalvojumu, tostarp. Kā tradicionālās medicīnas ārsts viņš tika atzīts par labāko tautas dziednieku Krievijā. Tieši viņš izstrādāja daudzas metodes un principus medicīniskās palīdzības sniegšanai astronautiem lidojuma laikā. Tieši viņš izveidoja unikālu slimnīcu – slimnīcu uz kosmosa kuģa. Vienlaikus viņš bija valsts koordinators kosmētiskās medicīnas jomā. Kosmoss un kosmētika. Viņa aizraušanās ar ūdeņradi nav vērsta uz lielas naudas pelnīšanu, kā tas tagad notiek pašmāju medicīnā, bet gan tieši otrādi - iemācīt cilvēkiem izārstēt jebko no burtiski santīma, bez papildu aptieku apmeklējumiem.

Viņš veicina ārstēšanu ar zālēm, kas ir burtiski katrā mājā. Tas ir ūdeņraža peroksīds. Jūs varat kritizēt Neumyvakin, cik vēlaties, viņš joprojām uzstās uz savu: jā, tiešām, burtiski visu var izārstēt ar ūdeņraža peroksīdu, jo tas piesātina ķermeņa iekšējās šūnas ar skābekli, iznīcina toksīnus, normalizē skābi un sārmainu. līdzsvars, un no šejienes tiek atjaunoti audi, viss organisms. Pagaidām neviens nav redzējis izārstētos ar ūdeņraža peroksīdu, vēl mazāk pārbaudīts, taču Neumyvakin apgalvo, ka, izmantojot šo līdzekli, var pilnībā atbrīvoties no vīrusu, baktēriju un sēnīšu slimībām, novērst audzēju un aterosklerozes attīstību, uzveikt depresiju, atjaunot spēkus. ķermeni un nekad nesaslimt ar SARS un saaukstēšanos.

Panaceja

Ivans Pavlovičs ir pārliecināts, ka, pareizi lietojot šīs vienkāršākās zāles un ievērojot visus vienkāršos norādījumus, jūs varat uzvarēt daudzas slimības, tostarp ļoti nopietnas. Viņu saraksts ir milzīgs: no periodonta slimībām un tonsilīta līdz miokarda infarktam, insultiem un cukura diabētam. Tādi sīkumi kā sinusīts vai osteohondroze aizlido no pirmajām ārstēšanas sesijām. Pat vēža audzēji nobīstas un bēg no ūdeņraža peroksīda, jo tiek stimulēta imunitāte, aktivizējas organisma dzīvība un aizsargspējas.

Tādā veidā var ārstēt pat bērnus, izņemot to, ka grūtniecēm pagaidām labāk atturēties no ūdeņraža peroksīda lietošanas. Tāpat šī metode nav ieteicama cilvēkiem ar transplantētiem orgāniem iespējamās audu nesaderības dēļ. Stingri jāievēro deva: no viena piliena līdz desmit, pievienojot vienu katru dienu. Trīs reizes dienā (trīsdesmit pilieni trīs procentu ūdeņraža peroksīda šķīduma dienā, oho!) Pusstundu pirms ēšanas. Šķīdumu var ievadīt intravenozi un ārsta uzraudzībā. Dažreiz ūdeņraža peroksīds tiek kombinēts ar citām zālēm, lai iegūtu spēcīgāku efektu. Iekšpusē šķīdumu lieto tikai atšķaidītā veidā - ar tīru ūdeni.

Ārēji

Kompreses un skalošanas līdzekļi, pat pirms profesors Neumyvakin radīja savas metodes, bija ļoti populāri. Ikviens zina, ka, tāpat kā spirta kompreses, arī ūdeņraža peroksīdu nevar lietot tīrā veidā, jo tas apdedzinās audus, bet kārpas vai sēnīšu bojājumus eļļo lokāli un ar stipru šķīdumu - līdz piecpadsmit procentiem.

Ādas izsitumiem, galvassāpēm tiek veiktas arī procedūras, kurās tiek iesaistīts ūdeņraža peroksīds. Komprese jāveic ar kokvilnas audumu, kas iemērc šķīdumā, kurā ir divas tējkarotes trīs procentu ūdeņraža peroksīda un piecdesmit miligrami tīra ūdens. Pārklājiet audumu ar foliju un aptiniet ar vilnu vai dvieli. Kompreses darbības laiks ir no ceturtdaļas stundas līdz pusotrai stundai no rīta un vakarā līdz atveseļošanai.

Ārstu viedoklis

Viedokļi dalās, ne visi ir pārsteigti par ūdeņraža peroksīda īpašībām, turklāt tiem ne tikai netic, bet par tiem smejas. Starp ārstiem ir arī tie, kas atbalstīja Neumyvakin un pat paņēma viņa teorijas attīstību, taču viņi ir mazākumā. Lielākā daļa ārstu uzskata, ka šāds ārstēšanas plāns ir ne tikai neefektīvs, bet arī bieži vien destruktīvs.

Patiešām, vēl nav neviena oficiāli pierādīta gadījuma, kad pacients būtu izārstēts ar ūdeņraža peroksīdu. Tajā pašā laikā nav informācijas par veselības pasliktināšanos saistībā ar šīs metodes izmantošanu. Taču tiek zaudēts dārgais laiks, un cilvēks, kurš ir saslimis ar kādu no smagajām slimībām un pilnībā paļāvies uz Neumyvakina panaceju, riskē nokavēt savas īstās tradicionālās ārstēšanas sākumu.

Ūdeņradis kopā ar slāpeklis, skābeklis un ogleklis pieder pie tā saukto grupu organogēnie elementi.

Tieši no šiem elementiem pamatā sastāv cilvēka ķermenis. Ūdeņraža īpatsvars tajā pēc svara sasniedz 10%, bet pēc atomu skaita - 50% ( katrs otrais ķermeņa atoms ir ūdeņradis).

Ūdeņradis un visizplatītākais elements mūsu Visumā - tā daļa ir aptuveni 75% pēc masas un 92% pēc atomu skaita. Atšķirībā no skābekļa, kas eksistē gan dabā, gan organismā brīvā veidā, ūdeņradis gandrīz pilnībā atrodas tā savienojumu veidā (galvenais savienojums ūdeņradis - ūdens).

Ūdeņraža bioloģiskā loma

Ūdeņradim kā atsevišķam elementam nav bioloģiskas vērtības. Savienojumi, kuros tas ir iekļauts, ir svarīgi ķermenim, proti, ūdens, olbaltumvielas, tauki, ogļhidrāti, vitamīni, bioloģiski aktīvās vielas (izņemot minerālvielas) u.c. Vislielākā vērtība, protams, ir ūdeņraža savienojums ar skābekli – ūdeni, kas patiesībā ir visu organisma šūnu eksistences vide. Skābes ir vēl viena svarīgu ūdeņraža savienojumu grupa – to spēja izdalīt ūdeņraža jonu ļauj veidot barotnes pH. Svarīga ūdeņraža funkcija ir arī tā spēja veidot ūdeņraža saites, kas, piemēram, veido aktīvās olbaltumvielu formas un DNS divpavedienu struktūru telpā.

Galvenie ūdeņraža pārtikas avoti

Ūdeņradis ir atrodams gandrīz visās uzturvielās, bet lielākā daļa no tā nonāk organismā ūdens veidā.

Ūdeņraža deficīta iemesli

Ūdeņraža deficīta kā tāda nav, tiek novērots tā savienojumu deficīts, piemēram, ūdens ar tā nepietiekamu iekļūšanu organismā vai nekompensētu paātrinātu izvadīšanu.

Ūdeņraža deficīta sekas

Tāpat kā cēloņu gadījumā, tiek novērotas tā savienojumu, visbiežāk ūdens, deficīta sekas. Šajā gadījumā novērojiet: dehidratāciju, slāpes, samazinātu audu turgoru, sausu ādu un gļotādas, paaugstinātu koncentrāciju asinīs, arteriālo hipotensiju.

Ūdeņraža pārpalikums

Ūdeņraža pārpalikums kā tāds arī nepastāv, ir iespējams tā savienojumu pārpalikums. Šajā gadījumā tiek novērots konkrētam savienojumam raksturīgs modelis. Piemēram, liekā ūdens gadījumā (pārmērīga hidratācija), pietūkums.

Ikdienas nepieciešamība pēc ūdeņraža: nav standartizēta

Ūdeņradis ir ķīmisks elements ar simbolu H un atomskaitli 1. Ar standarta atommasu aptuveni 1,008 ūdeņradis ir vieglākais elements periodiskajā tabulā. Tās monatomiskā forma (H) ir visbagātākā ķīmiskā viela Visumā, kas veido aptuveni 75% no bariona kopējās masas. Zvaigznes galvenokārt ir izgatavotas no ūdeņraža plazmas stāvoklī. Visizplatītākajam ūdeņraža izotopam, ko sauc par protiju (šo nosaukumu lieto reti, simbols 1H), ir viens protons un nav neitronu. Atomu ūdeņraža visuresošais parādīšanās pirmo reizi notika rekombinācijas laikmetā. Standarta temperatūrā un spiedienā ūdeņradis ir bezkrāsaina, bez smaržas, garšas, netoksiska, nemetāla, uzliesmojoša divatomu gāze ar molekulāro formulu H2. Tā kā ūdeņradis viegli veido kovalentās saites ar lielāko daļu nemetālisko elementu, lielākā daļa ūdeņraža uz Zemes pastāv molekulārās formās, piemēram, ūdenī vai organiskos savienojumos. Ūdeņradim ir īpaši svarīga loma skābju-bāzes reakcijās, jo lielākā daļa uz skābēm balstītu reakciju ietver protonu apmaiņu starp šķīstošām molekulām. Jonu savienojumos ūdeņradis var izpausties kā negatīvs lādiņš (t.i., anjons), kurā tas ir pazīstams kā hidrīds, vai kā pozitīvi lādēta (t.i., katjonu) suga, ko apzīmē ar simbolu H +. Tiek aprakstīts, ka ūdeņraža katjons sastāv no vienkārša protona, taču patiesībā jonu savienojumos ūdeņraža katjoni vienmēr ir sarežģītāki. Būdams vienīgais neitrālais atoms, kuram Šrēdingera vienādojumu var atrisināt analītiski, ūdeņradis (proti, enerģijas un tā atoma saites izpēte) spēlēja galveno lomu kvantu mehānikas attīstībā. Ūdeņraža gāze pirmo reizi tika mākslīgi ražota 16. gadsimta sākumā, skābēm reaģējot ar metāliem. 1766.-81. Henrijs Kavendišs bija pirmais, kurš atzina, ka ūdeņraža gāze ir atsevišķa viela un ka tā sadedzinot rada ūdeni, tāpēc tas tika nosaukts šādi: grieķu valodā ūdeņradis nozīmē "ūdens ražotājs". Rūpnieciskā ūdeņraža ražošana galvenokārt ir saistīta ar dabasgāzes pārveidošanu ar tvaiku un retāk ar energoietilpīgākām metodēm, piemēram, ūdens elektrolīzi. Lielāko daļu ūdeņraža izmanto netālu no tā ražošanas vietas, un divi visizplatītākie lietojumi ir fosilā kurināmā apstrāde (piemēram, hidrokrekinga) un amonjaka ražošana, galvenokārt mēslošanas līdzekļu tirgum. Ūdeņradis rada bažas metalurģijā, jo tas var trauslēt daudzus metālus, apgrūtinot cauruļvadu un uzglabāšanas tvertņu projektēšanu.

Īpašības

Degšana

Ūdeņraža gāze (diūdeņradis vai molekulārais ūdeņradis) ir uzliesmojoša gāze, kas sadegs gaisā ļoti plašā koncentrācijas diapazonā no 4% līdz 75% pēc tilpuma. Degšanas entalpija ir 286 kJ / mol:

2 H2 (g) + O2 (g) → 2 H2O (l) + 572 kJ (286 kJ/mol)

Ūdeņraža gāze veido sprādzienbīstamus maisījumus ar gaisu koncentrācijā no 4-74% un ar hloru koncentrācijā līdz 5,95%. Sprādzienbīstamas reakcijas var izraisīt dzirksteles, karstums vai saules gaisma... Ūdeņraža pašaizdegšanās temperatūra, spontānas aizdegšanās temperatūra gaisā, ir 500 ° C (932 ° F). Tīras ūdeņraža-skābekļa liesmas izstaro ultravioleto starojumu un ar augstu skābekļa maisījumu ir gandrīz neredzamas ar neapbruņotu aci, par ko liecina kosmosa kuģa galvenā dzinēja vājais spals, salīdzinot ar labi redzamo kosmosa kuģa cieto raķešu pastiprinātāju, kas izmanto amonija perhlorāta kompozīts. Lai atklātu degošas ūdeņraža noplūdes, var būt nepieciešams liesmas detektors; šādas noplūdes var būt ļoti bīstamas. Ūdeņraža liesma citos apstākļos ir zila un atgādina dabasgāzes zilo liesmu. Hindenburgas dirižabļa nogrimšana ir bēdīgi slavens ūdeņraža sadedzināšanas piemērs, un šī lieta joprojām tiek apspriesta. Redzamo oranžo liesmu šajā incidentā izraisīja pakļaušana ūdeņraža un skābekļa maisījumam, kas apvienots ar oglekļa savienojumiem no dirižabļa ādas. H2 reaģē ar katru oksidējošo elementu. Ūdeņradis istabas temperatūrā var spontāni reaģēt ar hloru un fluoru, veidojot atbilstošus ūdeņraža halogenīdus, ūdeņraža hlorīdu un fluorūdeņradi, kas arī ir potenciāli bīstamas skābes.

Elektronu enerģijas līmeņi

Elektrona pamatstāvokļa enerģijas līmenis ūdeņraža atomā ir -13,6 eV, kas ir līdzvērtīgs ultravioletā fotonam ar viļņa garumu aptuveni 91 nm. Ūdeņraža enerģijas līmeni var aprēķināt diezgan precīzi, izmantojot Bora atoma modeli, kas elektronu konceptualizē kā "orbitējošu" protonu, kas ir līdzīgs Saules orbītai uz Zemes. Taču atoma elektronu un protonu kopā satur elektromagnētiskais spēks, bet planētas un debess objektus kopā satur gravitācija. Tā kā Bora agrīnajā kvantu mehānikā postulēja leņķiskā impulsa diskretizāciju, elektrons Bora modelī var aizņemt tikai noteiktus pieļaujamos attālumus no protona un līdz ar to tikai noteiktas pieļaujamās enerģijas. Precīzāks ūdeņraža atoma apraksts iegūts no tīri kvantu mehāniskās apstrādes, kas izmanto Šrēdingera vienādojumu, Diraka vienādojumu vai pat Feinmena integrēto shēmu, lai aprēķinātu elektrona varbūtības blīvumu ap protonu. Sarežģītākās apstrādes metodes rada nelielus efektus. īpašā teorija relativitāte un vakuuma polarizācija. Kvantu apstrādē elektronam pamatstāvokļa ūdeņraža atomā vispār nav griezes momenta, kas parāda, kā "planētas orbīta" atšķiras no elektrona kustības.

Elementārās molekulārās formas

Divatomu ūdeņraža molekulām ir divi dažādi spin izomēri, kas atšķiras ar to kodolu relatīvo spinu. Ortoūdeņraža formā abu protonu spini ir paralēli un veido tripleta stāvokli ar molekulārā spina kvantu skaitli 1 (1/2 + 1/2); paraūdeņraža formā spini ir pretparalēli un veido singletu ar molekulārā spina kvantu skaitli 0 (1/2 1/2). Standarta temperatūrā un spiedienā ūdeņraža gāze satur aptuveni 25% para-formas un 75% orto-formas, ko sauc arī par "normālo formu". Ortoūdeņraža un paraūdeņraža līdzsvara attiecība ir atkarīga no temperatūras, bet, tā kā orto-forma ir ierosināts stāvoklis un tai ir lielāka enerģija nekā para-formai, tā ir nestabila un to nevar attīrīt. Ļoti zemās temperatūrās līdzsvara stāvoklis sastāv gandrīz tikai no para-formas. Termiskās īpašības Tīra paraūdeņraža šķidrā un gāzveida fāze būtiski atšķiras no normālās formas īpašībām rotācijas siltuma jaudu atšķirību dēļ, par ko sīkāk ir runāts ūdeņraža griešanās izomēros. Orto/pāra atšķirība rodas arī citās ūdeņradi saturošās molekulās vai funkcionālajās grupās, piemēram, ūdenī un metilēnā, taču tas maz ietekmē to termiskās īpašības. Nekatalizētā savstarpējā pārvēršanās starp tvaiku un orto H2 palielinās, palielinoties temperatūrai; tādējādi strauji kondensētais H2 satur lielu daudzumu augstas enerģijas ortogonālās formas, kas ļoti lēni pārvēršas para formā. Orto / tvaika attiecība kondensētā H2 ir svarīgs faktorsšķidrā ūdeņraža sagatavošanā un uzglabāšanā: pārvēršanās no orto uz tvaiku ir eksotermiska un nodrošina pietiekami daudz siltuma, lai iztvaicētu daļu ūdeņraža šķidruma, kā rezultātā tiek zaudēts sašķidrinātais materiāls. Dzesēšanai ar ūdeņradi izmanto orto-para konversijas katalizatorus, piemēram, dzelzs oksīdu, aktivēto ogli, platinizētu azbestu, retzemju metālus, urāna savienojumus, hroma oksīdu vai dažus niķeļa savienojumus.

Fāzes

Ūdeņraža gāze

Šķidrais ūdeņradis

Gļotu ūdeņradis

Cietais ūdeņradis

Metāliskais ūdeņradis

Savienojumi

Kovalentie un organiskie savienojumi

Lai gan H2 standarta apstākļos nav ļoti reaģējošs, tas veido savienojumus ar lielāko daļu elementu. Ūdeņradis var veidot savienojumus ar elementiem, kas ir vairāk elektronegatīvi, piemēram, halogēni (piemēram, F, Cl, Br, I) vai skābekli; šajos savienojumos ūdeņradis iegūst daļēju pozitīvu lādiņu. Saistībā ar fluoru, skābekli vai slāpekli, ūdeņradis var piedalīties vidējas stiprības, nekovalentas saites veidā ar citu līdzīgu molekulu ūdeņradi. Šo parādību sauc par ūdeņraža saiti, kas ir ļoti svarīga daudzu bioloģisko molekulu stabilitātei. Ūdeņradis veido arī savienojumus ar mazāk elektronegatīviem elementiem, piemēram, metāliem un metaloīdiem, kur tas iegūst daļēju negatīvu lādiņu. Šos savienojumus bieži sauc par hidrīdiem. Ūdeņradis veido plašu savienojumu klāstu ar oglekli, ko sauc par ogļūdeņražiem, un vēl lielāku savienojumu klāstu ar heteroatomiem, kurus to kopīgās saites ar dzīvām būtnēm dēļ sauc par organiskiem savienojumiem. To īpašības tiek pētītas organiskajā ķīmijā, un to izpēti dzīvo organismu kontekstā sauc par bioķīmiju. Saskaņā ar dažām definīcijām "organiskajos" savienojumos jāsatur tikai ogleklis. Tomēr lielākā daļa no tām satur arī ūdeņradi, un, tā kā oglekļa-ūdeņraža saite šai savienojumu klasei piešķir lielāko daļu to specifisko ķīmisko īpašību, oglekļa-ūdeņraža saites ir nepieciešamas dažās vārda "organiskā" definīcijās ķīmijā. Ir zināmi miljoniem ogļūdeņražu, un tos parasti veido sarežģīti sintētiskie ceļi, kas reti ietver elementāru ūdeņradi.

Hidrīdi

Ūdeņraža savienojumus bieži sauc par hidrīdiem. Termins "hidrīds" nozīmē, ka H atoms ir ieguvis negatīvu vai anjonu raksturu, ko apzīmē ar H-, un to izmanto, ja ūdeņradis veido savienojumu ar elektropozitīvāku elementu. Hidrīda anjona esamību, ko 1916. gadā ierosināja Gilberts N. Lūiss sāli saturošiem 1. un 2. grupas hidrīdiem, Moers 1920. gadā demonstrēja ar izkausēta litija hidrīda (LiH) elektrolīzi, radot stehiometrisku ūdeņraža daudzumu uz anodu. . Attiecībā uz hidrīdiem, kas nav 1. un 2. grupas metāli, šis termins ir maldinošs, ņemot vērā ūdeņraža zemo elektronegativitāti. Izņēmums 2. grupas hidrīdos ir BeH2, kas ir polimērs. Litija alumīnija hidrīdā AlH-4 anjonam ir hidrīda centri, kas ir cieši saistīti ar Al (III). Lai gan hidrīdi var veidoties gandrīz visos pamatgrupas elementos, iespējamo savienojumu skaits un kombinācija ļoti atšķiras; piemēram, ir zināmi vairāk nekā 100 bināri borāna hidrīdi un tikai viens binārais alumīnija hidrīds. Binārais indija hidrīds vēl nav identificēts, lai gan pastāv lieli kompleksi. Neorganiskajā ķīmijā hidrīdi var kalpot arī kā savienojošie ligandi, kas koordinācijas kompleksā saista divus metāla centrus. Šī funkcija ir īpaši raksturīga 13. grupas elementiem, īpaši borānos (bora hidrīdos) un alumīnija kompleksos, kā arī klasteros karborānos.

Protoni un skābes

Oksidējot ūdeņradi, tiek noņemts tā elektrons un tiek iegūts H +, kas nesatur elektronus un kodolu, kas parasti sastāv no viena protona. Tāpēc H + bieži sauc par protonu. Šis viedoklis ir galvenais diskusijā par skābēm. Saskaņā ar Bronsteda-Lowry teoriju skābes ir protonu donori, un bāzes ir protonu akceptors. Kails protons H + nevar pastāvēt šķīdumā vai jonu kristālos, jo tas neatvairāmi pievelk citus atomus vai molekulas ar elektroniem. Izņemot augstās temperatūras, kas saistītas ar plazmu, šādus protonus nevar noņemt no atomu un molekulu elektronu mākoņiem un tie paliks tiem piesaistīti. Tomēr termins "protons" dažreiz tiek lietots metaforiski, lai apzīmētu pozitīvi lādētu vai katjonu ūdeņradi, kas šādā veidā piesaistīts citām sugām, un kā tāds tiek saukts par "H +", bez jebkādas nozīmes, ka atsevišķi protoni kā suga pastāv brīvi. . Lai izvairītos no kaila "solvatēta protona" parādīšanās šķīdumā, dažreiz tiek uzskatīts, ka skābie ūdens šķīdumi satur mazāk ticamu fiktīvu sugu, ko sauc par "hidronija jonu" (H 3 O +). Tomēr pat šajā gadījumā šādi solvatētie ūdeņraža katjoni tiek reālāk uztverti kā organizētas kopas, kas veido sugas, kas ir tuvu H 9O + 4. Citi oksonija joni tiek atrasti, kad ūdens ir skābā šķīdumā ar citiem šķīdinātājiem. Lai gan tas ir eksotisks uz Zemes, viens no visbagātīgākajiem joniem Visumā ir H + 3, kas pazīstams kā protonēts molekulārais ūdeņradis vai triūdeņraža katjons.

Izotopi

Ūdeņradim ir trīs dabā sastopami izotopi, kas apzīmēti ar 1H, 2H un 3H. Citi ļoti nestabili kodoli (no 4H līdz 7H) ir sintezēti laboratorijā, bet dabā nav novēroti. 1H ir visizplatītākais ūdeņraža izotops, kura izplatība pārsniedz 99,98%. Tā kā šī izotopa kodols sastāv tikai no viena protona, tam dots aprakstošs, bet reti lietots formāls nosaukums protium. 2H, vēl viens stabils ūdeņraža izotops, ir pazīstams kā deitērijs un satur vienu protonu un vienu neitronu savā kodolā. Tiek uzskatīts, ka viss deitērijs Visumā tika ražots laikā Lielais sprādziens un pastāv kopš tā laika līdz šim. Deitērijs nav radioaktīvs elements un nerada būtisku toksicitātes risku. Ūdeni, kas bagātināts ar molekulām, kas satur deitēriju, nevis parasto ūdeņradi, sauc par smago ūdeni. Deitēriju un tā savienojumus izmanto kā neradioaktīvu marķējumu ķīmiskos eksperimentos un šķīdinātājos 1H-NMR spektroskopijai. Smagais ūdens tiek izmantots kā neitronu moderators un kā dzesēšanas šķidrums kodolreaktoros. Deitērijs ir arī potenciāls kurināmais komerciālai kodolsintēzei. 3H ir pazīstams kā tritijs, un tā kodolā ir viens protons un divi neitroni. Tas ir radioaktīvs, beta sabrukšanas rezultātā sadalās hēlijā-3 ar pussabrukšanas periodu 12,32 gadi. Tas ir tik radioaktīvs, ka to var izmantot gaismas krāsā, kas padara to noderīgu, piemēram, pulksteņu izgatavošanā ar gaismas ciparnīcu. Stikls neļauj izplūst nelielam starojuma daudzumam. Neliels tritija daudzums veidojas dabiski, kosmiskajiem stariem mijiedarbojoties ar atmosfēras gāzēm; testēšanas laikā izdalījās arī tritijs atomieroči... To izmanto kodolsintēzes reakcijās kā izotopu ģeoķīmijas indikatoru un specializētās apgaismes ierīces pašpiedziņas. Tritijs ir izmantots arī ķīmiskās un bioloģiskās marķēšanas eksperimentos kā radioaktīvā etiķete. Ūdeņradis ir vienīgais elements, kura izotopiem ir dažādi nosaukumi, kurus mūsdienās plaši izmanto. Agrīnās radioaktivitātes izpētes laikā dažādiem smagajiem radioaktīvajiem izotopiem tika doti savi nosaukumi, taču šādus nosaukumus vairs neizmanto, izņemot deitēriju un tritiju. Simbolus D un T (nevis 2H un 3H) dažreiz izmanto deitērijam un tritijam, bet attiecīgais simbols P jau tiek izmantots fosforam, tāpēc tas nav pieejams protijam. Savās nomenklatūras vadlīnijās Starptautiskā tīrās un lietišķās ķīmijas savienība atļauj izmantot jebkuras rakstzīmes no D, T, 2H un 3H, lai gan priekšroka tiek dota 2H un 3H. Eksotiskais muonija atoms (simbols Mu), kas sastāv no antimūona un elektrona, dažkārt tiek uzskatīts arī par vieglu ūdeņraža radioizotopu, ņemot vērā masu starpību starp antimūnu un elektronu, kas tika atklāta 1960. gadā. Mūona dzīves laikā, 2,2 μs, muonijs var iekļūt tādos savienojumos kā muonija hlorīds (MuCl) vai nātrija mionīds (NaMu), līdzīgi kā attiecīgi hlorūdeņradis un nātrija hidrīds.

Stāsts

Atklāšana un izmantošana

1671. gadā Roberts Boils atklāja un aprakstīja reakciju starp dzelzs šķembām un atšķaidītām skābēm, kas noved pie ūdeņraža gāzes veidošanās. 1766. gadā Henrijs Kavendišs pirmais atpazina ūdeņraža gāzi kā atsevišķu vielu, nodēvējot šo gāzi par "uzliesmojošu gaisu" tās metālskābes reakcijas dēļ. Viņš ierosināja, ka "uzliesmojošs gaiss" ir praktiski identisks hipotētiskajai vielai, ko sauc par "flogistonu", un 1781. gadā atkal atklāja, ka gāze, sadedzinot, rada ūdeni. Tiek uzskatīts, ka tieši viņš atklāja ūdeņradi kā elementu. 1783. gadā Antuāns Lavuazjē šo elementu nosauca par ūdeņradi (no grieķu valodas ὑδρο-hydro nozīmē ūdens un -γενής gēni, kas nozīmē radītājs), kad viņš un Laplass atkārtoja Kavendiša datus, ka, sadedzinot ūdeņradi, rodas ūdens. Lavuazjē ražoja ūdeņradi saviem masu saglabāšanas eksperimentiem, reaģējot tvaika plūsmai ar metālisku dzelzi caur ugunī uzkarsētu kvēlspuldzi. Dzelzs anaerobo oksidēšanu ar ūdens protoniem augstā temperatūrā shematiski var attēlot ar šādu reakciju kopumu:

Fe + H2O → FeO + H2

2 Fe + 3 H2O → Fe2O3 + 3 H2

3 Fe + 4 H2O → Fe3O4 + 4 H2

Daudzi metāli, piemēram, cirkonijs, tiek pakļauti līdzīgai reakcijai ar ūdeni, veidojot ūdeņradi. Ūdeņradi pirmo reizi sašķidrināja Džeimss Devars 1898. gadā, izmantojot reģeneratīvo dzesēšanu un viņa izgudrojumu, vakuuma kolbu. Nākamajā gadā viņš ražoja cieto ūdeņradi. Deitēriju 1931. gada decembrī atklāja Harolds Urijs, bet tritiju 1934. gadā sagatavoja Ernests Raterfords, Marks Olifants un Pols Harteks. Smago ūdeni, kas sastāv no deitērija, nevis parastā ūdeņraža, Jurija grupa atklāja 1932. gadā. Fransuā Īzaks de Rivazs 1806. gadā uzbūvēja pirmo Rivaz dzinēju, iekšdedzes dzinēju, ko darbina ūdeņradis un skābeklis. Edvards Daniels Klārks izgudroja ūdeņraža gāzes cauruli 1819. gadā. Doebereiner Flame (pirmās pilnvērtīgās šķiltavas) tika izgudrots 1823. gadā. Pirmo ūdeņraža balonu izgudroja Žaks Čārlzs 1783. gadā. Ūdeņradis nodrošināja pirmā uzticamā gaisa satiksmes veida pieaugumu pēc Henri Giffard pirmā ar ūdeņradi darbināmā dirižabļa izgudrošanas 1852. gadā. Vācu grāfs Ferdinands fon Cepelīns popularizēja ideju par stingriem dirižabļiem, ko gaisā paceļ ar ūdeņradi un kurus vēlāk sauca par Cepelīniem; pirmais no tiem pirmo reizi pacēlās 1900. gadā. Regulārie reisi sākās 1910. gadā, un līdz Pirmā pasaules kara sākumam 1914. gada augustā tie bija pārvadājuši 35 000 pasažieru bez lieliem starpgadījumiem. Kara laikā ūdeņraža dirižabļi tika izmantoti kā novērošanas platformas un bumbvedēji. Pirmo tiešo transatlantisko lidojumu veica britu dirižablis R34 1919. gadā. 20. gados tika atsākta regulāra pasažieru satiksme, un hēlija krājumu atklāšanai ASV vajadzēja uzlabot lidojumu drošību, taču ASV valdība atteicās pārdot šim nolūkam gāzi, tāpēc H2 tika izmantots Hindenburgas dirižablā, kas tika iznīcināts ugunsgrēks Milānā Ņūdžersijā 1937. gada 6. maijā Incidents tika pārraidīts radio tiešraidē un filmēts. Izskanējuši plaši pieņēmumi, ka aizdegšanos izraisījusi ūdeņraža noplūde, taču turpmākie pētījumi liecina, ka alumīnija auduma pārklājums varētu aizdegties ar statisko elektrību. Taču līdz tam laikam ūdeņraža kā pacelšanas gāzes reputācija jau bija sabojāta. Tajā pašā gadā pirmais ar ūdeņradi dzesējams turbīnas ģenerators ar ūdeņraža gāzi kā aukstumnesēju rotorā un statorā tika nodots ekspluatācijā 1937. gadā Deitonā, Ohaio štatā, uzņēmums Dayton Power & Light Co; Ūdeņraža gāzes siltumvadītspējas dēļ tā mūsdienās ir visizplatītākā gāze, ko izmanto šajā jomā. Niķeļa-ūdeņraža akumulators pirmo reizi tika izmantots 1977. gadā uz ASV navigācijas tehnoloģiju satelīta 2 (NTS-2). ISS, Mars Odyssey un Mars Global Surveyor darbina niķeļa-ūdeņraža baterijas. Orbītas tumšajā daļā Habla kosmosa teleskopu darbina arī niķeļa-ūdeņraža baterijas, kuras beidzot tika nomainītas 2009. gada maijā, vairāk nekā 19 gadus pēc palaišanas un 13 gadus pēc to projektēšanas.

Loma kvantu teorijā

Vienkāršās atomu struktūras dēļ, kas sastāv tikai no protona un elektrona, ūdeņraža atoms kopā ar gaismas spektru, ko tas rada vai absorbē, ir bijis galvenais atomu struktūras teorijas attīstībā. Turklāt ūdeņraža molekulas un atbilstošā H + 2 katjona atbilstošās vienkāršības izpēte ļāva izprast ķīmiskās saites būtību, kas drīz vien sekoja ūdeņraža atoma fiziskajai apstrādei kvantu mehānikā 2020. gada vidū. Viens no pirmajiem kvantu efektiem, kas tika skaidri novērots (bet tajā laikā nebija saprotams), bija Maksvela novērojumi par ūdeņradi pusgadsimtu pirms pilnīgas kvantu mehāniskās teorijas parādīšanās. Maksvels to atzīmēja īpašs karstums H2 neatgriezeniski izdalās no divatomiskās gāzes zem istabas temperatūras un sāk arvien vairāk līdzināties monoatomiskās gāzes īpatnējam siltumam kriogēnās temperatūrās. Saskaņā ar kvantu teoriju šī uzvedība rodas no attāluma starp (kvantētajiem) rotācijas enerģijas līmeņiem, kas H2 ir īpaši plaši izvietoti tā mazās masas dēļ. Šie plaši izvietotie līmeņi neļauj vienmērīgi sadalīt siltumenerģiju ūdeņraža rotācijas kustībā zemā temperatūrā. Diatomu gāzēm, kas sastāv no smagākiem atomi, nav tik plaši izvietotu līmeņu, un tām nav tāda paša efekta. Antiūdeņradis ir antimateriāls ūdeņraža analogs. Tas sastāv no antiprotona ar pozitronu. Antiūdeņradis ir vienīgais antimateriālu atomu veids, kas tika ražots 2015. gadā.

Atrodoties dabā

Ūdeņradis ir visizplatītākais ķīmiskais elements Visumā, kas veido 75% no parastās vielas masas un vairāk nekā 90% pēc atomu skaita. (Tomēr lielākā daļa Visuma masas neatrodas šajā formā ķīmiskais elements, taču tiek uzskatīts, ka tai ir vēl neatklātas masas formas, piemēram, tumšā viela un tumšā enerģija.) Šis elements lielā pārpilnībā ir atrodams zvaigznēs un gāzu gigantos. Molekulārie H2 mākoņi ir saistīti ar zvaigžņu veidošanos. Ūdeņradim ir būtiska nozīme zvaigžņu iedarbināšanā, izmantojot protonu-protonu reakciju un CNO cikla kodolsintēzi. Visā pasaulē ūdeņradis galvenokārt atrodams atomu un plazmas stāvokļos, kuru īpašības ir diezgan atšķirīgas no molekulārā ūdeņraža īpašībām. Kā plazma, ūdeņraža elektrons un protons nav saistīti viens ar otru, kā rezultātā rodas ļoti augsta elektrovadītspēja un augsta izstarojuma spēja (rada gaismu no saules un citām zvaigznēm). Uzlādētās daļiņas spēcīgi ietekmē magnētiskie un elektriskie lauki. Piemēram, iekšā saules vējš tie mijiedarbojas ar Zemes magnetosfēru, radot Birkeland straumes un polārblāzmu. Ūdeņradis starpzvaigžņu vidē atrodas neitrālā atomu stāvoklī. Tiek uzskatīts, ka liels daudzums neitrāla ūdeņraža, kas atrodams slāpētās Laimana-alfa sistēmās, dominē Visuma kosmoloģiskajā barionu blīvumā līdz sarkanajai nobīdei z = 4. Normālos apstākļos uz Zemes elementārais ūdeņradis pastāv kā divatomiskā gāze H2. Tomēr ūdeņraža gāze ir ļoti reti sastopama zemes atmosfērā (1 ppm pēc tilpuma), pateicoties tās vieglajam svaram, kas ļauj vieglāk pārvarēt Zemes gravitāciju nekā smagākas gāzes. Tomēr ūdeņradis ir trešais visbiežāk sastopamais elements uz Zemes virsmas, kas pastāv galvenokārt formā ķīmiskie savienojumi piemēram, ogļūdeņraži un ūdens. Ūdeņraža gāzi ražo dažas baktērijas un aļģes, un tā ir dabiska flautas sastāvdaļa, tāpat kā metāns, kas kļūst arvien svarīgāks ūdeņraža avots. Molekulārā forma, ko sauc par protonētu molekulāro ūdeņradi (H + 3), ir atrodama starpzvaigžņu vidē, kur to ģenerē, jonizējot molekulāro ūdeņradi no kosmiskajiem stariem. Šis uzlādētais jons ir novērots arī planētas Jupitera atmosfēras augšējos slāņos. Jons ir salīdzinoši stabils vide zemas temperatūras un blīvuma dēļ. H + 3 ir viens no visbiežāk sastopamajiem joniem Visumā, un tam ir nozīmīga loma starpzvaigžņu vides ķīmijā. Neitrāls triatomiskais ūdeņradis H3 var pastāvēt tikai ierosinātā formā un ir nestabils. Turpretim pozitīvais ūdeņraža molekulārais jons (H + 2) ir reta molekula Visumā.

Ūdeņraža ražošana

H2 tiek ražots ķīmiskās un bioloģiskās laboratorijās, bieži vien kā citu reakciju blakusprodukts; rūpniecībā nepiesātinātu substrātu hidrogenēšanai; un dabā kā līdzeklis reducējošo ekvivalentu aizstāšanai bioķīmiskajās reakcijās.

Tvaika reformēšana

Ūdeņradi var ražot vairākos veidos, taču ekonomiski vissvarīgākie procesi ir ūdeņraža atdalīšana no ogļūdeņražiem, jo ​​aptuveni 95% no ūdeņraža ražošanas 2000. gadā tika iegūti no tvaika riforminga. Komerciāli lielus ūdeņraža daudzumus parasti iegūst, veicot dabasgāzes tvaika riformingu. Augstā temperatūrā (1000-1400 K, 700-1100 °C vai 1300-2000 °F) tvaiks (ūdens tvaiki) reaģē ar metānu, veidojot oglekļa monoksīdu un H2.

CH4 + H2O → CO + 3 H2

Šī reakcija vislabāk darbojas zemā spiedienā, bet tomēr to var veikt pie augsta spiediena (2,0 MPa, 20 atm vai 600 collas dzīvsudraba). Tas ir tāpēc, ka augstspiediena H2 ir vispopulārākais produkts, un spiediena pārkaršanas tīrīšanas sistēmas darbojas labāk pie augstāka spiediena. Produktu maisījums ir pazīstams kā "sintēzes gāze", jo to bieži izmanto tieši metanola un saistīto savienojumu ražošanai. Ogļūdeņražus, kas nav metāns, var izmantot, lai ražotu sintēzes gāzi ar dažādām produktu attiecībām. Viens no daudzajiem šīs ļoti optimizētās tehnoloģijas sarežģījumiem ir koksa vai oglekļa veidošanās:

CH4 → C + 2 H2

Līdz ar to tvaika reformēšanā parasti tiek izmantots H2O pārpalikums. Papildu ūdeņradi no tvaika var iegūt, izmantojot oglekļa monoksīdu, izmantojot ūdens gāzes pārvietošanas reakciju, īpaši izmantojot dzelzs oksīda katalizatoru. Šī reakcija ir arī izplatīts rūpnieciskais oglekļa dioksīda avots:

CO + H2O → CO2 + H2

Citas svarīgas metodes H2 ir daļēja ogļūdeņražu oksidēšana:

2 CH4 + O2 → 2 CO + 4 H2

Un ogļu reakcija, kas var kalpot kā ievads iepriekš aprakstītajai bīdes reakcijai:

C + H2O → CO + H2

Dažreiz ūdeņradi ražo un patērē vienā un tajā pašā rūpnieciskajā procesā bez atdalīšanas. Hābera procesā amonjaka ražošanai ūdeņradi iegūst no dabasgāzes. Sālījuma elektrolīze, lai iegūtu hloru, rada arī ūdeņradi kā blakusproduktu.

Metāla skābe

Laboratorijā H2 parasti iegūst, reaģējot atšķaidītām neoksidējošām skābēm ar dažiem reaktīviem metāliem, piemēram, cinku, ar Kipp aparātu.

Zn + 2 H + → Zn2 + + H2

Alumīnijs var arī ražot H2, ja to apstrādā ar bāzēm:

2 Al + 6 H2O + 2 OH- → 2 Al (OH) -4 + 3 H2

Ūdens elektrolīze ir vienkāršs veids, kā iegūt ūdeņradi. Caur ūdeni plūst zemsprieguma strāva, un pie anoda tiek ģenerēta skābekļa gāze, savukārt pie katoda rodas ūdeņraža gāze. Parasti katodu izgatavo no platīna vai cita inerta metāla ūdeņraža ražošanā uzglabāšanai. Tomēr, ja gāzi paredzēts sadedzināt in situ, degšanas veicināšanai ir vēlama skābekļa klātbūtne, un tāpēc abi elektrodi būs izgatavoti no inertiem metāliem. (Piemēram, dzelzs tiek oksidēts un tādējādi samazina izdalītā skābekļa daudzumu.) Teorētiskā maksimālā efektivitāte (izlietotā elektroenerģija attiecībā pret saražotā ūdeņraža enerģētisko vērtību) ir 80-94% robežās.

2 H2O (L) → 2 H2 (g) + O2 (g)

Ūdeņraža ražošanai var izmantot alumīnija un gallija sakausējumu, kas pievienots ūdenim granulu veidā. Šis process rada arī alumīnija oksīdu, bet dārgo galliju, kas novērš oksīda apvalka veidošanos uz granulām, var izmantot atkārtoti. Tam ir būtiska ietekme uz ūdeņraža ekonomiku, jo ūdeņradi var ražot uz vietas un tas nav jātransportē.

Termoķīmiskās īpašības

Ir vairāk nekā 200 termoķīmisko ciklu, ko var izmantot, lai atdalītu ūdeni, apmēram ducis no šiem cikliem, piemēram, dzelzs oksīda cikls, cērija (IV) oksīda cikls, cērija (III) oksīds, cinka oksīds, cinks, sēra joda cikls, vara cikls utt. hlors un hibrīda sēra cikls atrodas izpētes un testēšanas stadijās, lai ražotu ūdeņradi un skābekli no ūdens un siltuma, neizmantojot elektrību. Vairākas laboratorijas (tostarp Francijā, Vācijā, Grieķijā, Japānā un ASV) izstrādā termoķīmiskas metodes ūdeņraža iegūšanai no saules enerģijas un ūdens.

Anaerobā korozija

Anaerobos apstākļos dzelzs un tērauda sakausējumus lēnām oksidē ūdens protoni, vienlaikus reducējoties molekulārajā ūdeņradi (H2). Dzelzs anaerobā korozija vispirms noved pie dzelzs hidroksīda (zaļās rūsas) veidošanās, un to var raksturot ar šādu reakciju: Fe + 2 H2O → Fe (OH) 2 + H2. Savukārt anaerobos apstākļos dzelzs hidroksīdu (Fe (OH) 2) var oksidēt ūdens protoni, veidojot magnetītu un molekulāro ūdeņradi. Šo procesu apraksta Šikora reakcija: 3 Fe (OH) 2 → Fe3O4 + 2 H2O + H2 dzelzs hidroksīds → magnijs + ūdens + ūdeņradis. Labi kristalizēts magnetīts (Fe3O4) ir termodinamiski stabilāks nekā dzelzs hidroksīds (Fe (OH) 2). Šis process notiek dzelzs un tērauda anaerobās korozijas laikā bezskābekļa gruntsūdeņos un augsnes atjaunošanas laikā zem ūdens līmeņa.

Ģeoloģiskā izcelsme: serpentinizācijas reakcija

Tā kā dziļos ģeoloģiskos apstākļos, kas dominē tālu no Zemes atmosfēras, trūkst skābekļa (O2), ūdeņradis (H2) veidojas serpentinizācijas procesā, dzelzs silikāta (Fe2 +) anaerobās oksidācijas procesā ar ūdens protoniem (H +), kas atrodas fajalīta kristāliskais režģis (Fe2SiO4, minimālais olivīna dziedzeris). Atbilstošā reakcija, kas noved pie magnetīta (Fe3O4), kvarca (SiO2) un ūdeņraža (H2) veidošanās: 3Fe2SiO4 + 2 H2O → 2 Fe3O4 + 3 SiO2 + 3 H2 faialīts + ūdens → magnetīts + kvarcs + ūdeņradis. Šī reakcija ir ļoti līdzīga Šikora reakcijai, kas novērota dzelzs hidroksīda anaerobās oksidēšanas laikā saskarē ar ūdeni.

Veidošanās transformatoros

No visām bīstamajām gāzēm, kas rodas jaudas transformatoros, ūdeņradis ir visizplatītākais un rodas vairumā bojājumu apstākļos; tādējādi ūdeņraža veidošanās ir agrīna pazīme nopietnām problēmām transformatora dzīves ciklā.

Lietojumprogrammas

Patēriņš dažādos procesos

Liels daudzums H2 ir nepieciešams naftas un ķīmiskajā rūpniecībā. Pārsvarā H2 izmanto fosilā kurināmā pārstrādei ("modernizācijai") un amonjaka ražošanai. Naftas ķīmijas rūpnīcās H2 izmanto hidrodealkilēšanai, hidrodesulfurizācijai un hidrokrekingam. H2 ir vairāki citi svarīgi lietojumi. H2 izmanto kā hidrogenēšanas līdzekli, jo īpaši, lai palielinātu nepiesātināto tauku un eļļu piesātinājuma līmeni (atrodams tādos izstrādājumos kā margarīns) un metanola ražošanā. Tas ir arī ūdeņraža avots sālsskābes ražošanā. H2 izmanto arī kā reducētāju metālu rūdām. Ūdeņradis labi šķīst daudzos retzemju un pārejas metālos un šķīst gan nanokristāliskos, gan amorfos metālos. Ūdeņraža šķīdība metālos ir atkarīga no vietējiem kropļojumiem vai piemaisījumiem kristāliskajā režģī. Tas var būt noderīgi, ja ūdeņradi attīra, laižot cauri karstiem pallādija diskiem, taču gāzes augstā šķīdība ir metalurģijas problēma, kas veicina daudzu metālu trauslumu, sarežģījot cauruļvadu un uzglabāšanas tvertņu projektēšanu. Papildus tam, ka H2 tiek izmantots kā reaģents, tam ir plašs pielietojumu klāsts fizikā un tehnoloģijās. To izmanto kā aizsarggāzi metināšanas metodēs, piemēram, ūdeņraža atomu metināšanā. H2 izmanto kā rotora dzesēšanas šķidrumu elektrostaciju elektriskajos ģeneratoros, jo tam ir visaugstākā siltumvadītspēja no visām gāzēm. Šķidru H2 izmanto kriogēnos pētījumos, tostarp supravadītspējas pētījumos. Tā kā H2 ir vieglāks par gaisu, ar nedaudz vairāk par 1/14 no gaisa blīvuma, to kādreiz plaši izmantoja kā pacelšanas gāzi balonos un dirižabļos. Jaunākos lietojumos ūdeņradi izmanto tīrā veidā vai sajauc ar slāpekli (dažreiz to sauc par veidojošo gāzi) kā indikatorgāzi tūlītējai noplūdes noteikšanai. Ūdeņradi izmanto automobiļu, ķīmijas, enerģētikas, kosmosa un telekomunikāciju nozarēs. Ūdeņradis ir apstiprināta pārtikas piedeva (E 949), kas papildus citām antioksidanta īpašībām ļauj pārbaudīt pārtikas produktu hermētiskumu. Retiem ūdeņraža izotopiem ir arī īpašs lietojums. Deitēriju (ūdeņradi-2) izmanto kodola skaldīšanas lietojumos kā lēnu neitronu regulētāju un kodolsintēzes reakcijās. Deitērija savienojumus izmanto ķīmijas un bioloģijas jomā, lai pētītu reakcijas izotopu ietekmi. Kodolreaktoros ražotais tritijs (ūdeņradis-3) tiek izmantots ražošanā ūdeņraža bumbas, kā izotopu marķējums bioloģijas zinātnēs un kā starojuma avots luminiscējošās krāsās. Līdzsvara ūdeņraža trīskāršais punkts ir noteicošais fiksētais punkts ITS-90 temperatūras skalā pie 13,8033 kelviniem.

Dzesēšanas līdzeklis

Ūdeņradi parasti izmanto spēkstacijās kā aukstumnesēju ģeneratoros, jo tam ir vairākas labvēlīgas īpašības, kas ir tiešs tā vieglo divatomisko molekulu rezultāts. Tie ietver zemu blīvumu, zemu viskozitāti un visu gāzu augstāko īpatnējo siltuma un siltuma vadītspēju.

Enerģijas nesējs

Ūdeņradis nav enerģijas resurss, izņemot hipotētisku komerciālu kodolsintēzes spēkstaciju kontekstā, kurās izmanto deitēriju vai tritiju, un šī tehnoloģija pašlaik ir tālu no attīstības. Saules enerģija nāk no ūdeņraža kodolsintēzes, taču šo procesu uz Zemes ir grūti panākt. Elementāram ūdeņradim, kas iegūts no saules, bioloģiskiem vai elektriskiem avotiem, tā ražošanai ir nepieciešams vairāk enerģijas, nekā tiek patērēts, to sadedzinot, tāpēc šajos gadījumos ūdeņradis darbojas kā enerģijas nesējs pēc analoģijas ar akumulatoru. Ūdeņradi var iegūt no fosilajiem avotiem (piemēram, metāna), taču šie avoti ir izsmelti. Gan šķidrā ūdeņraža, gan saspiestā ūdeņraža gāzes tilpuma vienības enerģijas blīvums pie jebkura praktiski sasniedzama spiediena ir ievērojami mazāks nekā tradicionālajiem enerģijas avotiem, lai gan enerģijas blīvums uz degvielas masas vienību ir lielāks. Tomēr elementārais ūdeņradis ir plaši apspriests enerģētikas kontekstā kā iespējamais nākotnes enerģijas nesējs visai ekonomikai. Piemēram, CO2 sekvestrāciju, kam seko oglekļa uztveršana un uzglabāšana, var veikt H2 ražošanas vietā no fosilā kurināmā. Transportā izmantotais ūdeņradis sadegs salīdzinoši tīri ar nelielām NOx emisijām, bet bez oglekļa emisijām. Tomēr infrastruktūras izmaksas, kas saistītas ar pilnīgu pāreju uz ūdeņraža ekonomiku, būs ievērojamas. Kurināmā elementi var efektīvāk nekā iekšdedzes dzinēji pārvērst ūdeņradi un skābekli tieši elektroenerģijā.

Pusvadītāju rūpniecība

Ūdeņradi izmanto, lai piesātinātu amorfā silīcija un amorfā oglekļa piekārtās saites, kas palīdz stabilizēt materiāla īpašības. Tas ir arī potenciāls elektronu donors dažādos oksīdu materiālos, tostarp ZnO, SnO2, CdO, MgO, ZrO2, HfO2, La2O3, Y2O3, TiO2, SrTiO3, LaAlO3, SiO2, Al2O3, ZrSiO4, HfSiO4 un SrZrO3.

Bioloģiskās reakcijas

H2 ir vairāku veidu anaerobā metabolisma produkts, un to ražo vairāki mikroorganismi, parasti reakcijās, ko katalizē dzelzi vai niķeli saturoši fermenti, ko sauc par hidrogenāzēm. Šie fermenti katalizē atgriezenisku redoksreakciju starp H2 un tā sastāvdaļām, diviem protoniem un diviem elektroniem. Ūdeņraža gāzes veidošanās notiek, pārnesot ūdenī reducējošos ekvivalentus, kas veidojas piruvāta fermentācijas laikā. Dabisko ūdeņraža ražošanas un patēriņa ciklu, ko veic organismi, sauc par ūdeņraža ciklu. Ūdens sadalīšana, process, kurā ūdens sadalās tā sastāvā esošajos protonos, elektronos un skābeklī, notiek gaismas reakcijās visos fotosintēzes organismos. Vairāki šādi organismi, tostarp aļģes Chlamydomonas Reinhardtii un zilaļģes, ir izstrādājuši otro posmu tumšās reakcijās, kurās protoni un elektroni tiek reducēti, veidojot H2 gāzi, izmantojot specializētas hidrogenāzes hloroplastā. Ir veikti mēģinājumi ģenētiski modificēt zilaļģu hidrāzes, lai efektīvi sintezētu H2 gāzi pat skābekļa klātbūtnē. Ir pieliktas arī pūles, izmantojot ģenētiski modificētas aļģes bioreaktorā.