წყალბადი

წყალბადი (< და ; ქიმიური სიმბოლო — H) — ელემენტთა პერიოდული სისტემის პირველი ჯგუფის (მოძველებული კლასიფიკაციით — პირველი/მეშვიდე ჯგუფის მთავარი ქვეჯგუფის, Iა/VIIა), პირველი პერიოდის ქიმიური ელემენტი, ატომური ნომრით 1.
წყალბადის სტანდარტული ატომური წონაა, დიაპაზონი — [1.00784, 1.00811]. ბუნებრივი წყალბადი შედგება ორი სტაბილური იზოტოპისაგან ^1H (პროტიუმი; ≈99.98 %) და ^2H (დეიტერიუმი; ≈0.02%). ხელოვნურად მიღებულია რადიოაქტიული იზოტოპი ^3H (ტრიტიუმი; T1/2=12.33 წ) და არამდგრადი ნუკლიდები, რომელთა მასური რიცხვი 4-დან 7-მდე მერყეობს.
წყალბადის tდნ — (−259.16) °C, tდუღ — (−252.879) °C, სიმკვრივე (ნსპ) — 0.08988 გ/ლ. ჩვეულებრივ ტემპერატურაზე წყალბადი უსუნო, უფერული აირია.
აღმოჩენის ისტორია
XVI-XVII საუკუნეებში ქიმიის როგორც მეცნიერების ჩამოყალიბების ხანაში აღმოაჩინეს, რომ ლითონებისა და მჟავების ურთიერთქმედებისას გამოიყოფოდა ადვილად აალებადი აირი. 1766 წელს ეს აირი გამოიკვლია ინგლისელმა მეცნიერმა ჰ. კავენდიშმა, რომელსაც „საწვავი ჰაერი“ უწოდა. მან შეამჩნია, რომ წვის შედეგად აირიდან მიიღებოდა წყალი, მაგრამ მეცნიერი ფლოგისტონის თეორიის მიმდევარი იყო, რამაც მას სწორი დასკვნების გამოტანაში ხელი შეუშალა და თვლიდა, რომ ეს აირი ფლოგისტონი იყო. 1783 წელს, სპეციალური გაზომეტრების გამოყენებით ა. ლავუაზიემ და ჟ. მენიემ ასინთეზეს წყალი, ხოლო შემდეგ კი მისი ანალიზისა და ცდების შედეგად მეცნიერებმა დადგინეს, რომ ჟანგბადი წყლის შემადგენლობაში შედის. 1787 წელს ლავუაზიე მივიდა იმ დასკვნამდე, რომ წყალბადი წარმოადგენდა ქიმიურ ელემენტს და მას „წყლის დამბადებელი“ („hydrogène“ < და ) უწოდა. წყლის შედგენილობის დადგენამ საბოლოოდ დაანგრია „ფლოგისტონის თეორია“, რამაც დიდი როლი ითამაშა ქიმიის განვითარებაში.
XVIII და XIX საუკუნეთა მიჯნაზე დადგინდა, რომ ქიმიურ ელემენტებს შორის, წყალბადის ატომს გააჩნია ყველაზე მცირე მასა, რის გამოც ეს სიდიდე ეტალონად იყო მიჩნეული.
იზოტოპები
წყალბადის ატომს გააჩნია რამდენიმე იზოტოპი, რომლებიც იმდენად განსხვავდებიან მასით, რომ მათი ფიზიკური თვისებები (ნაწილობრივ ქიმიურიც) მნიშვნელოვნად განსხვავებულია ერთმანეთისგან, რაც განპირობებულია წყალბადის იზოტოპთა ატომურ მასათა დიდი სხვაობით.
პროთიუმი (< ), მასური რიცხვი – 1, აღინიშნება სიმბოლოთი – H, ბირთვს ეწოდება – პროტონი და აღინიშნება ლათინური ასოთი – р.
დეიტერიუმი (< ), მასური რიცხვი – 2, აღინიშნება სიმბოლოთი – D, ბირთვს ეწოდება – დეიტრონი და აღინიშნება ლათინური ასოთი – d.
ტრიტიუმი (< ), მასური რიცხვი – 3, აღინიშნება სიმბოლოთი – Т, ბირთვს ეწოდება – ტრიტონი და აღინიშნება ლათინური ასოთი – t.
ნეიტრალურ მდგომარეობაში წყალბადის ატომის რადიუსია — 0.024 ნმ. ატომის იონიზაციის ენერგიაა – 13.595 ევ. პოლინგის სკალის მიხედვით წყალბადის ელექტროუარყოფითობაა – 2.20. თავისუფალ მდგომარეობაში – უსუნო, უგემო და უფერო ადვილად აალებადი აირია. წყალბადი ყველაზე მსუბუქი და გავრცელებული ელემენტია სამყაროში.
პროთიუმი და დეიტერიუმი წარმოადგენენ სტაბილურ იზოტოპებს მასური რიცხვით 1 და 2. მათი შემცველობა ბუნებაში შესაბამისად შეადგენს 99,9885 ± 0,0070 % და 0,0115 ± 0,0070 %. ეს შეფარდება შეიძლება უმნიშვნელოდ იცვლებოდეს წყალბადი მიღების წყაროსა და ხერხის მიხედვით.
წყალბადის იზოტოპი ტრიტიუმი არასტაბილურია. მისი ნახევარდაშლის პერიოდი შეადგენს 12.32 წელს. ტრიტიუმი ბუნებაში ძალიან მცირე რაოდენობითაა გავრცელებული.
ლიტერატურაში ასევე მოყვანილია მონაცემები წყალბადის იზოტოპები მასური რიცხვით 4 — 7 და ნახევარდაშლის პერიოდით 10−22 — 10−23 წმ.
ბუნებრივი წყალბადი შედგება H2 და HD (დეიტოწყალბადი) ატომებისაგან შეფარდებით 3200:1. სუფთა დეიტერიუმ წყალბადის შემცველობა D2 კიდევ უფრო მცირეა. კონცენტრაციის შეფარდება HD და D2, მიახლოებით, 6400:1.
ქიმიური ელემენტების ყველა იზოტოპებს შორის წყალბადის იზოთოპების ქიმიური და ფიზიკური თვისებები ერთრმანეთისაგან ყველაზე უფრო ძლიერად განსხვავდებიან. ეს დაკავშირებულია ატომების წონის შედარებითი დიდი ცვლილებით.
დეიტერიუმს და ტრიტიუმს ასევე აქვთ ორთო- და პარა- მოდიფიკაციები: p-D2, o-D2, p-T2, o-T2. ჰეტეროიზოტოპურ წყალბადს (HD, HT, DT) არ გააჩნიათ ორთო- და პარა- მოდიფიკაციები.
იზოტოპების თვისებები
წყალბადის მთავარი სტაბილური იზოტოპი ^1H ასევე ცნობილია, როგორც პროტიუმი. შედარებით ნაკლებად სტაბილური იზოტოპია ^2H ცნობილია, როგორც დეიტერიუმი (სიმბოლო D). ბუნებაში ^2H-ის დაბალმა კონცენტრაციამ განაპირობა მისი მხოლოდ 1931 წელს აღმოჩენა, როდესაც გარემოს ნიმუშებში წყალბადის იზოტოპის გამოყოფა მიმდინარეობდა დისტილაციის, ელექტროლიზისა და აორთქლების გზით. წყალბადის ატომური წონა ეფუძნება მას-სპექტრომეტრულ გაზომვებს 1938 წლიდან. 1961 წლის ანგარიშში CIAAW-მ რეკომენდაცია გაუწია წყალბადის Ar(H) = 1.007 97(1) დაახლოებით მნიშვნელობას, რომელიც ეფუძნებოდა ^1H-სა და ^1H-ის საშუალო მნიშვნელობას; თუმცა, იქვე აღინიშნა, რომ წყლის გარდა სხვა ნივთიერებებს შეიძლება ჰქონოდა ატომური წონის უფრო ფართო დიაპაზონი.
ამჟამად მიღებული საუკეთესო გაზომვა წყალბადის იზოტოპური შემადგენლობის ერთი ბუნებრივი წყაროდან განხორციელდა VSMOW-ზე (გავრცელებულ IAEA-სა და NIST-ის მიერ), საცნობარო მასალაზე დამტკიცებული CIAAW-ის მიერ, როგორც დელტას სკალის საფუძველი ფარდობითი იზოტოპური თანაფარდობის გაზომვებისთვის. ამ გაზომვის მიხედვით, VSMOW-ს აქვს სიდიდის ფრაქცია x (²H) = 0.000 155 74(5), რომელიც შეესაბამება A r (H) VSMOW = 1.007 981 75(5). ამ მნიშვნელობის გაურკვევლობა შეესაბამება δ(²H) გაურკვევლობა 0,3 ‰, რომელიც უდრის ან ოდნავ მცირეა H-ის ფარდობითი იზოტოპური თანაფარდობის გაზომვების ტიპურ გაურკვევლობაზე. ცნობილია, რომ წყალბადის იზოტოპური შემადგენლობის ვარიაციები ქიმიურ და ბუნებრივ ხმელეთის სისტემებში აღემატება +1000 ‰-ს, რაც ბევრად აღემატება გაურკვევლობას იზოტოპური თანაფარდობის გაზომვით.
წყლის წყაროებისთვის, გამოქვეყნებული \sigma(^2H) მნიშვნელობების დიაპაზონი ვრცელდება −495 ‰-დან (Ar(H) = 1.007 9042), +129 ‰-მდე (Ar(H) = 1.008 0020). ზღვის წყალს აქვს შედარებით ერთგვაროვანი იზოტოპური შემადგენლობა და ატომური წონა VSMOW-თან ახლოს; ხოლო ნალექების, პოლარული ყინულის, ტბების, მდინარეებისა და მიწისქვეშა წყლების ატომური წონა ფართოდ მერყეობს. იგი ზოგადად მცირდება გრძედისა და სიმაღლეზე და იზრდება აორთქლებასთან ერთად. ყველაზე მაღალი \sigma(^2H) მნიშვნელობა, რომელიც მოხსენებულია ბუნებრივი ხმელეთის წარმოშობის მასალისთვის არის +180 ‰ ატმოსფერული H2-ისთვის. H2S ჭაბურღილიდან წყლის უჩვეულო ანთროპოგენურმა წარმოქმნამ გამოიტანა \sigma(^2H) მნიშვნელობები +375 ‰ (Ar(H) = 1.008 0404). წყალბადის ნიმუშები დაბალი ატომური მასით, რომელთაგან ზოგიერთი სტანდარტული ატომური წონის გაურკვევლობის დიაპაზონს მიღმაა, მოხსენებულია ზოგიერთი ტიპის ბუნებრივი და ხელოვნური H2 აირებიდან, აქედან გამომდინარე, ანოტაცია "g". ბუნებრივად წარმოქმნილი წყალბადის ნიმუში ყველაზე დაბალი ატომური მასით, \sigma(^2H) = −836 ‰ და Ar(H) = 1.007 8507, არის H2 გაზი, რომელიც შეგროვებულია ბუნებრივი აირის ჭაბურღილიდან კანზასში, აშშ. ეს ნიმუში და სხვა მსგავსი ^2H-გამოცლილი H2-სხვაგან მდიდარი ბუნებრივი აირები შეიძლება წარმოიქმნას წყლის ბუნებრივი ქიმიური შემცირებით ულტრამაფიკურ (Fe-Mg-სილიკატური) ქანებთან დაბალი ტემპერატურის რეაქციების დროს. წყალბადის აირები, რომლებიც წარმოიქმნება ხელოვნურად ელექტროლიზით და როგორც ნავთობქიმიური დამუშავების ქვეპროდუქტები, ჩვეულებრივ მცირდება ^2H-ში. თუმცა ეს არ არის ბუნებრივი, ეს აირები ითვლება მნიშვნელოვანად, რადგან ისინი ჩვეულებრივ გამოიყენება ლაბორატორიებში. კომერციულ ავზ H2-ს აქვს δ(²H) −813 ‰ (Ar(H) = 1.007 8543).
რადიოაქტიური იზოტოპი ^3H, ასევე ცნობილია როგორც ტრიტიუმი (სიმბოლო T), იშლება უარყოფითი ბეტა-დაშლით ^3He-მდე, ნახევარდაშლის პერიოდით 12.3 წელი. ტრიტიუმი ბუნებრივად წარმოიქმნება ატმოსფეროში კოსმოსური სხივების ზემოქმედების შედეგად, როგორიცაა ^{14}N(n,t)^{12}C და ხელოვნურად ბირთვულ რეაქტორებში. ატმოსფეროში ძირითადად 1950-იან და 1960-იან წლებში დიდი რაოდენობით ტრიტიუმი მოხვდა, როგორც თერმობირთვული ბომბის ტესტების გვერდითი პროდუქტი. ტრიტიუმი რეაგირებს ატმოსფეროში და წარმოქმნის HTO-ს და სხვა ნაერთებს, რომლებიც გავრცელებულია სხვადასხვა კონცენტრაციით დედამიწის მახლობლად ზედაპირულ გარემოში. ტრიტიუმის კონცენტრაცია წყალბადის ბუნებრივ წყაროებში ძალიან დაბალია რამდენიმე რიგით, რათა იქონიოს ეფექტი წყალბადის ატომურ წონაზე.
მრგვალ ფრჩხილებში მოყვანილია მნიშვნელობის საშუალოკვადრატული გადახრა ბოლო განმუხტვის შესაბამისი რიცხვის ერთეულებში.
სტანდარტული ატომური წონა
2009 წელს თეორიული და გამოყენებითი ქიმიის საერთაშორისო კავშირის კომისიამ შეცვალა წყალბადის სტანდარტული ატომური წონის Ar(H) რეკომენდირებული მნიშვნელობა, ატომური წონის დიაპაზონით [1.00784; 1.00811], რომელიც ეფუძნება დედამიწის ქერქის ნიმუშებში წყალბადის იზოტოპური სიმრავლის ცვალებადობას. წყალბადის სტანდარტული ატომური წონის ეს ცვლილება გამიზნულია იმის ხაზგასასმელად, რომ წყალბადის ატომური წონა ბუნებაში არ არის უცვლელი სიდიდე, არამედ დამოკიდებულია ნიმუშის წარმომავლობაზე. ატომური წონის ინტერვალის ქვედა ზღვარი შეესაბამება წყალბადს ბუნებრივ აირში, ხოლო ზედა ზღვარი — ბენზალდეჰიდის რეაგენტს, რომელიც წარმოიქმნება ტოლუენის კატალიზური დაჟანგვით. სტანდარტული ატომური წონის წინა მნიშვნელობას — Ar(H) = 1.00794(7) — რეკომენდაცია გაეწია 1981 წელს. აღნიშნული მნიშვნელობის ერთ-ერთი პრობლემა არის ის, რომ 1.00794 ატომური წონის ნიმუშის პოვნა საკმაოდ რთული იქნება. მაგალითად, წყალბადის ატომური წონა უმეტეს ჰიდროლოგიურ სისტემებში 1.00797-ზე მეტია.
წყალბადის ატომური მასის Ar(H)-ის ისტორიული მნიშვნელობებია:
1882 — 1.00;
1894 — 1.008;
1931 — 1,0078;
1938 — 1,0081;
1940 — 1.0080;
1961 — 1.00797;
1969 — 1.0080;
1971 — 1.0079;
1981 — 1.00794(7).
გავრცელება
სამყაროში
წყალბადი — ყველაზე გავრცელებული ელემენტია სამყაროში. მასზე მოდის ყველა ატომის მიახლოებით 92 % (8 %-ს შეადგენს ჰელიუმის ატომები, ხოლო ერთად აღებული დანარჩენი ელემენტების ატომების რაოდენობა შეადგენს მხოლოდ — 0,1 %-ზე ნაკლებს). ასე რომ წყალბადი - წარმოადგენს ვარსკვლავების და ვარსკვლავთშორისი გაზის ძირითად კომპონენტსა. ვარსკვლავური ტემპერატურების პირობებში (მაგალითად, მზის ზედაპირის ტემპერატურაა ~ 6000 °C) წყალბადი არსებობს პლაზმის სახით, ვარსკვლავთშორის სივრცეში ეს ელემენტი არსებობს ცალკე მოლეკულების, ატომებისა და იონების სახით და შეუძლია წარმოქმნას მოლეკულური ღრუბელი, რომლებიც მნიშვნელოვნად განსხვავდებიან ზომით, სიმკვრივითა და ტემპერატურით.
დედამიწის ქერქი და ცოცხალი ორგანიზმები
წყალბადის წონითი ხვედრი დედამიწის ქერქში შეადგენს 1 % -ს. ის მეათე ყველაზე გავრცელებული ელემენტია. მაგრამ მისი როლი ბუნებაში განისაზღვრება არა მისი წონით, არამედ ატომების რაოდენობით, რომლის წილი დანარჩენ ელემენტებს შორის შეადგენს 17 % (მეორე ადგილი ჟანგბადის შემდეგ, რომლის ატომების წილი შეადგენს ~ 52 %-ს). ამიტომაც წყალბადის მნიშვნელობა ქიმიურ პროცესებში, რომელიც დედამიწაზე მიმდინარეობს, თითქმის ისეთივე დიდია, როგორც ჟანგბადის.
ჟანგბადისაგან განსხვავებით, დედამიწაზე არსებული წყალბადი პრაქტიკულად ნაერთების სახითაა; მხოლოდ უმნიშვნელო რაოდენობით წყალბადია მარტივი ნივთიერების სახით (0,00005 %).
წყალბადი შედის თითქმის ყველა ორგანული ნივთიერების შემადგენლობაში და არის ყველა ცოცხალ უჯრედში. ცოცხალ უჯრედებში ატომების რაოდენობის მიხედვით წყალბადზე მოდის თითქმის 50 %.
მიღება
მარტივი ნივთიერებების სამრეწველო წარმოება დამოკიდებულია იმაზე, ბუნებაში თუ რა მდგომარეობაში არის ნორმალურ პირობებისას, ანუ რა შეიძლება გამოდგეს მის ნედლეულად, და რისგან მივიღოთ ის.
ჟანგბადი, რომელიც თავისუფალი მდგომარეობაშია, მიიღებენ ფიზიკური მეთოდით — თხევადი ჰაერიდან გამოყოფით. წყალბადი კი პრაქტიკულად მთლიანად ნაერთების სახითაა, ამიტომაც მის მისაღებად გამოიყენებენ ქიმიურ მეთოდებს. კერძოდ, შეიძლება გამოყენებული იქნას დაშლის რეაქციები. ერთ-ერთი ხერხია წყალბადის მიღება წყლის დაშლის რეაქცია ელექტრო დენით.
წყალბადის მიღების ძირითადი ხერხი მრეწველობაში არის — მეთანის რეაქცია წყალთან, რომელიც შედის ბუნებრივი გაზის შემადგენლობაში. ის მიმდინარეობს მაღალი ტემპერატურის პირობებში:
СН4 + 2Н2O = CO2↑ + 4Н2 −165 კჯ
ერთ-ერთი ლაბორატორიული მეთოდი წყალბადის მიღებისა, რომელიც ზოგჯერ გამოიყენება მრეწველობაში არის - წყლის დაშლა ელექტროდენით.
ჩვეულებრივ ლაბორატორიაში წყალბადს მიიღებენ თუთიისა და მარილმჟავას ურთიერთქმედებით.
მრეწველობაში
1.მარილების წყლის ხსნარების ელექტროლიზი
2NaCl + 2H2O → H2↑ + 2NaOH + Cl2
2.გახურებულ კოქსის ზევით წყლის ორთქლის გატარებით მიახლოებით 1000 °C ტემპერატურის პირობებში:
H2O + C ⇄ H2 + CO
3.ბუნებრივი აირიდან.
კონვერსია წყლის ორთქლით:
CH4 + H2O ⇄ CO + 3H2 (1000 °C)
კატალიტიკური ჟანგვა ჟანგბადით:
2CH4 + O2 ⇄ 2CO + 4H2
4. ნახშირწყალბადების კრეკინგი და რიფორმინგი ნავთობის გადამუშავების პროცესში.
ლაბორატორიაში
1.გაზავებული მჟავეების ქმედებით ლითონებზე. ამ რეაქციის ჩასატარებლად ყველაზე ხშირად გამოიყენებენ 7766 82 თუთიას და გაზავებულ მარილმჟავას:
Zn + 2HCl → ZnCl2 + H2↑
2.კალციუმის წყალთან ურთიერთქმედებით:
Ca + 2H2O → Ca(OH)2 + H2↑
3.ჰიდრიდების ჰიდროლიზით:
NaH + H2O → NaOH + H2↑
4.ტუტეების ზემოქმედებით თუთიასა ან ალუმინზე:
2Al + 2NaOH + 6H2O → 2Na[Al(OH)4] + 3H2↑
Zn + 2KOH + 2H2O → K2[Zn(OH)4] + H2↑
5.ელექტროლიზის დახმარებით. ტუტეების ან მჟავეების წყლის ხსნარების ელექტროლიზისას კათოდზე მიმდინარეობს წყალბადის გამოყოფა, მაგალითად:
2H3O+ + 2e− → H2↑ + 2H2O
ფიზიკური თვისებები
წყალბადი შეიძლება არსებობდეს ორ ფორმაში (მოდიფიკაციაში) — ორთო- და
პარა- წყალბადები.
ორთოწყალბადის მოლეკულაში o-H2 (დნ. ტემპ. −259,10 °C, დუღ. ტემპ. −252,56 °C) ბირთვული სპინები მიმართულია ერთნაირად (პარალელურად), ხოლო პარაწყალბადს p-H2 (დნ. ტემპ. −259,32 °C, დუღ. ტემპ. −252,89 °C) — ერთმანეთის საწინააღმდეგოდ
(ანტიპარალელურად). o-H2 და p-H2 გაწონასწორებული ნარევს მოცემული ტემპერატურის დროს ეწოდება გაწონასწორებული წყალბადი e-H2.
წყალბადის მოდიფიკაციის დაყოფა შეიძლება ადსორბციით აქტიურ ნახშირზე თხევადი აზოტის ტემპერატურაზე. ძალიან დაბალ ტემპერატურებზე ორთო და პარაწყალბადებს შორის წონასწორობა თითქმის მთლიანად გადახრილია უკანასკნელის მხარეს. 80 К ტემპერატურისას ფორმების შეფარდება მიახლოებით 1:1 არის. დესორბირებული პარაწყალბადი გახურებისას გარდაიქმნება ორთოწყალბადად გაწონასწორებული ნარევის წარმოქმნით ოთახის ტემპერატურაზე (ორთო-პარა: 75:25). კატალიზატორის გარეშე გარდაქმნა მიმდინარეობს ნელა (ვარსკვლავებს შორის გარემოს პირობებში — დამახასიათებელი დროდადრო კოსმოლოგიურიც კი), რაც იძლევა ცალკეული მოდიფიკაციის შესწავლის საშუალებას.
წყალბადი — ყველაზე მჩატე აირია, ის ჰაერზე 14,5-ჯერ მჩატეა. ნათელია, რომ რაც უფრო ნაკლებია მოლეკულის წონა, მით უფრო მაღალია სიჩქარე ერთი და იგივე ტემპერატურაზე. წყალბადის როგორც ყველაზე მჩატე მოლეკულები მოძრაობენ ყველა სხვა მოლეკულებზე სწრაფად და ამის გამო მას შეუძლია უფრო სწრაფად გადასცეს სითბო ერთი სხეულიდან მეორეს. აქედან გამომდინარეობს ის, რომ წყალბადი ფლობს ყველაზე მაღალ თბოგამტარობას აიროვან ნივთიერებებს შორის. მისი თბოგამტარობა შვიდჯერ უფრო მაღალია ვიდრე ჰაერის თბოგამტარობა.
წყალბადის მოლეკულა ორ ატომიანია — Н2. ნორმალურ პირობებში სიმკვრივეა 0,08987 გ/ლ, დუღულის ტემპერატურაა −252,76 °C, წვის კუთრი სითბო 120.9 ჯ/კგ, ნაკლებად ხსნადია წყალში — 18,8 მლ/ლ.
წყალბადი კარგად იხსნება ბევრ ლითონში (Ni, Pt, Pd და სხვა), განსაკუთრებით პალადიუმში (850 მოცულობა 1 მოცულობა Pd-მზე). წყალბადის ხსნადობასთან ლითონებში დაკავშირებულია მისი უნარი დიფუნდირებისა; ნახშირბადიანი შენადნობების დიფუზიას (მაგალითად, ფოლადი) ზოგჯერ თან ახლავს შენადნობის დაშლა წყალბადისა და ნახშირბადის ურთიერთქმედების შედეგად (ეგრეთ წოდებული დეკარბონიზაცია). პრაქტიკულად არ იხსნება ვერცხლში.
თხევადი წყალბადი არსებობს მეტად ვიწრო ტემპერატურულ ინტერვალში −252,76-დან −259,2 °C-მდე. ეს არის უფერო სითხე, ძალიან მჩატე (სიმკვრივე −253 °C ტემპერატურისას არის 0,0708 გ/სმ³) და დენადი (სიბლანტე −253 °C ტემპერატურისას 13,8 სპუაზი). წყალბადის კრიტიკული პარამეტრები ძალიან დაბალია: ტემპერატურა −240,2 °C და წნევა 12,8 ატმ. ამით აიხსნება წყალბადის გათხევადობის სიძნელეები.
თხევად მდგომარეობაში გაწონასწორებული წყალბადი შედგება 99,79 % პარა-Н2, 0,21 % ორთო-Н2 წყალბადისაგან.
მყარი წყალბადი, დნობით ტემპერატურა −259,2 °C, სიმკვრივე 0,0807 გ/სმ³ (−262 °C ტემპერატურაზე) — თოვლისმაგვარი მასა, კრისტალები ჰექსოგონალური სინგონია, სივრცული ჯგუფი P6/mmc, უჯრედის პარამეტრი a=3,75 c=6,12.
მაღალი წნევის დროს წყალბადი გადადის ლითონის მდგომარეობაში.
ქიმიური თვისებები
წყალბადის მოლეკულები Н2 საკმაოდ მტკიცეა, და იმისათვის რომ, წყალბადი შევიდეს რეაქციაში საჭიროა დიდი ენერგიის დახარჯვა:
Н2 = 2Н − 432 კჯ
ამიტომ ჩვეულებრივი ტემპერატურისას წყალბადი რეაგირებს მხოლოდ ძალიან აქტიურ ლითონებთან, მაგალითად კალციუმთან, კალციუმის ჰიდრიდის წარმოქმნით:
Ca + Н2 = СаН2
და ერთადერთ არალითონთან — ფტორთან, წარმოქმნის ფტორწყალბადს:
F2 + H2 = 2HF
ლითონების უმრავლესობასთან და არალითონებთან წყალბადი რეაგირებს მომატებული ტემპერატურისას ან სხვა ზემოქმედებით, მაგალითად განათებისას:
О2 + 2Н2 = 2Н2О
მას შეუძლია «წაართვას» ჟანგბადი ზოგ ოქსიდს, მაალითად:
CuO + Н2 = Cu + Н2O
ჩაწერილი განტოლება ასახავს წყალბადის აღმდგენ თვისებებს.
N2 + 3H2 → 2NH3
ჰალოგენებთან ის წარმოქმნის ჰალოგენწყალბადებს:
F2 + H2 → 2HF, რეაქცია მიმდინარეობს აფეთქებით სიბნელეში და ყველა ტემპერატურაზე,
Cl2 + H2 → 2HCl, რეაქცია მიმდინარეობს აფეთქებით, მხოლოდ სინათლეზე.
მურთან ურთიერთქმედებს ძლიერი გახურებისას:
C + 2H2 → CH4
ურთიერთქმედება ტუტე და ტუტემიწა ლითონებთან
აქტიურ ლითონებთან ურთიერთქმედებისას წყალბადი წარმოქმნის ჰიდრიდებს:
2Na + H2 → 2NaH
Ca + H2 → CaH2
Mg + H2 → MgH2
ჰიდრიდები — მარილისმაგვარი, მყარი ნივთიერებებია, რომლებიც ადვილად ჰიდროლიზდება:
CaH2 + 2H2O → Ca(OH)2 + 2H2↑
ლითონების ოქსიდებთან ურთიერთქმედება (როგორც წესი, d-ელემენტები)
ოქსიდები აღდგებიან ლითონებამდე:
CuO + H2 → Cu + H2O
Fe2O3 + 3H2 → 2Fe + 3H2O
WO3 + 3H2 → W + 3H2O
ორგანული ნაერთების ჰიდრირება
მოლეკულური წყალბადი ფართოდ გამოიყენება ორგანულ სინთეზში ორგანული ნაერთების აღსადგენად. ამ პროცესებს უწოდებენ ჰიდრირების რეაქციები. ამ რეაქციებს ატარებენ კატალიზატორებთან ერთად მომატებული წნევისა და ტემპერატურის პირობებში. კატალიზატორი შეიძლება იყოს როგორც ჰომოგენური (მაგ. უილკინსონის კატალიზატორი), ისე ჰეტეროგენური (მაგ. რენეის ნიკელი, პალადიუმი ნახშირზე).
კერძოდ, გაუჯერებელი ნაერთების კატალიტიკური ჰიდრირებისას, როგორიცაა ალკენები და ალკინები, წარმოიქმნებიან გაჯერებული ნაერთები — ალკანები.
წყალბადის გეოქიმია
დედამიწაზე წყალბადის შემცველობა შემცირებულია მზესთან, პლანეტა-გიგანტებთან და პირველად მეტეორიტებთან შედარებით, რისგანაც გამომდინარეობს, რომ დედამიწა წარმოქმნისას იყო მნიშვნელოვნად დეგაზირებული და წყალბადმა სხვა მფრინავ ელემენტებთან ერთად დატოვა პლანეტა აკრეციის დროს ან მალევე მის შემდეგ.
თავისუფალი წყალბადი H2 შედარებით იშვიათად გვხვდება დედამიწის აირებში, მაგრამ წყლის სახით ის თამაშობს განსაკუთრებით მნიშვნელოვან როლს გეოქიმიურ პროცესებში.
მინერალების შემადგენლობაში წყალბადი შეიძლება შედიოდეს ამონიუმის იონის, ჰიდროქსილ-იონის და კრისტალური წყლის სახით.
ატმოსფეროში წყალბადი უწყვეტად წარმოიქმნება მზის გამოსხივების შედეგად წყლის დაშლით.
მცირე წონის გამო წყალბადის მოლეკულები ფლობენ დიფუზიური მოძრაობის დიდ სიჩქარეს (ის ახლოსაა მეორე კოსმოსურ სიჩქარესთან) და, ატმოსფეროს ზედა ფენებში მოხვედრისას, შეუძლიათ გაფრინდნენ კოსმოსურ სივრცეში.
წყალბადთან მუშაობის თავისებურებები
წყალბადი ჰაერთან არევისას წარმოქმნის ფეთქებად ნარევს - ეგრეთ წოდებულ ფეთქებად გაზს (гремучий газ). ყველაზე ძლიერ ფეთქებადსაშიშია წყალბადი და ჟანგბადის მოცულობითი შეფარდებით 2:1, ან წყალბადი და ჰაერის მიახლოებით 2:5, რადგანაც ჟანგბადის შემცველობა ჰაერში მიახლოებით 21 %. ასევე წყალბადი ცეცხლსაშიშია. თხევადი წყალბადი კანზე მოხვედრისას იწვევს ძლიერ მოყინვას.
წყალბადის ფეთქებად საშიში კონცენტრაცია ჟანგბადთან წარმოიქმნება მოცულობის 4 %-დან 96 %-მდე. ჰაერთან ნარევებში მოცულობის 4 %-დან 75 (74) %-მდე.
გამოყენება
ატომარულ წყალბადს გამოიყენებენ ატომურ-წყალბადურ შედუღაბებაში.
ქიმიური მრეწველობა
ამიაკის, მეთანოლის, საპონის და პლასტმასის წარმოებისათვის
კვების მრეწველობა
მარგარინის წარმოებაში თხევადი მცენარეული ზეთებისაგან.
დარეგისტრირებულია როგორც საკვები დანამატი E949 (შესაფუთი აირი, კლასი «სხვები»).
საავიაციო მრეწველობა
წყალბადი მეტად მჩატეა და ჰაერში ყოველთვის მაღლა მიიწევს. ოდესღაც დირიჟაბლებს და საჰაერო ბურთებს (აეროსტატი) წყალბადით ავსებდნენ. მაგრამ XX საუკუნის 30-იან წლებში მოხდა რამდენიმე კატასტროფა, რომლის დროსაც დირიჟაბლები ფეთქებოდნენ და იწვებოდნენ. ახლა კი დირიჟაბლებს ავსებენ ჰელიუმით, მიუხედავად მისი მაღალი ღირებულებისა.
მზე
მზე ძირითადად შედგება წყალბადისაგან. მზის სითბო და სინათლე — ეს არის წყალბადის ბირთვების შეერთებისას გამონთავისუფლებული ბირთვული ენერგიის შედეგი.
საწვავი
წყალბადი გამოიყენება როგორც სარაკეტო საწვავი.
მიმდინარეობს კვლევები წყალბადის როგორც მსუბუქი და სატვირთო ავტომანქანების საწვავად გამოყენებისათვის. წყალბადის ძრავები არ აჭუჭყიანებენ გარემოს და გამოყოფენ მხოლოდ წყლის ორთქლს.
წყალბად-ჟანგბადურ საწავავ ელემენტებში გამოიყენება წყალბადი ქიმიური რეაქციის ენერგიის გარდაქმნისათვის ელექტრულ ენერგიად.
ეკონომიკური ეფექტიანობა
საწვავად გამოყენებული ნივთიერებების უმნიშვნელოვანეს მახასიათებელს, წარმოადგენს წვის სითბო. საერთო ქიმიის კურსიდან ცნობილია, რომ წყალბადსა და ჟანგბადს შორის რეაქცია მიმდინარეობს სითბოს გამოყოფით. თუ ავიღებთ 1 მოლ H2 (2გ) და 0,5 მოლ O2 (16 გ) სტანდარტულ პირობებში და აღვძრავთ რეაქციას, მაშინ განტოლების მიხედვით
2Н2 + О2= 2Н2О
რეაქციის დამთავრების შემდეგ წარმოიქმნება 1 მოლი H2O (18 გრ) 285,8 კჯ/მოლი ეერგიის გამოყოფით (შედარებისათვის: აცეტილენის წვის სითბო არის 1300 კჯ/მოლი, პროპანის — 2200 კჯ/მოლი).
1 მ³ წყალბადი იწონის 89,8 გრ (44,9 მოლს). ამიტომაც 1 მ³ წყალბადზე დახარჯული იქნება 12 832,4 კჯ ენერგია იმის გათვალისწინებით, რომ 1 კვტ·სთ = 3600 კჯ, მივიღებთ 3,56 კვტ·სთ ელექტროენერგიას.
თუ ვიცით 1 კვტ·სთ ელ. ენერგიის ტარიფი და აირის 1 მ³-ის ღირებულება, შეიძლება გავაკეთოთ დასკვნა წყალბადის საწვავზე გადასვლის მიზანშეწონილობაზე.
მაგრამ არ უნდა დავივიწყოთ ის, რომ წყალბადის წვისას ჩვენ ვღებულობთ სუფთა წყალს, იმას რისგანაც მივიღეთ ის. ანუ გვაქვს აღმდგენი რესურსი, რომლის გამოყენება არ ვნებს ბუნებას, ბენზინთან და საწვავ აირითან განსხვავებით, რომლებიც წარმოადგენენ ენერგიის პირველად წყაროს
საინტერესო ფაქტები
წყალბადი - ყველაზე გავრცელებული ნივთიერებაა სამყაროში (მიახლოებით ყველა ატომების 90 %).
წყალბადი - ყველაზე მჩატე აირია. 1 ლიტრი წყალბადის წონა აიროვან მდგომარეობაში შეადგენს მხოლოდ 0,08988 გრამს.
წყალბადის ჰორვატიული სახელია — Vodik, ხმარებაში შემოიღო ფილოლოგმა ბოგოსლავ შჩულეკმა.
იხილეთ აგრეთვე
ანტიწყალბადი
თხევადი წყალბადი
წყალბადის ბომბი
წყალბადის ელექტროდი
წყალბადის ზეჟანგი
წყალბადის მაჩვენებელი
წყალბადის მოლეკულა
წყალბადური ბმა
ლიტერატურა
Реми Г., Курс неорганической химии, пер. с нем., т. 1, Москва, 1963
ქიმიის დასაწყისი. თანამედროვე კურსები უმაღლეს სასწ-ში შემსვლელთათვის: სასწავლო სახელმძღ. უმაღლ. სასწ. /ნ. ე. კუზმენკო, ვ. ვ. ერემინი, ვ. ა. პოპკოვი. — მ.: გამომცემლ. „ეკზამენი“, 2005.
რესურსები ინტერნეტში
webelements.com // წყალბადი
chemistry.ge // წყალბადი
სქოლიო