Ūdeņradis

Vēsture

Jau 16. un 17. gadsimtā tika novērota degošas gāzes izdalīšanās, skābēm reaģējot ar metāliem. 1766. gadā slavenais angļu ķīmiķis un fiziķis Henrijs Kevendišs pētīja šo gāzi un nosauca to par "degošo gaisu". Sadedzinot no "degošā gaisa" radās ūdens, taču Kevendišs no tā neizdarīja pareizos secinājumus, jo bija flogistona teorijas piekritējs.
Franču ķīmiķis Antuāns Lavuazjē kopā ar inženieri Žanu Menjē 1783. gadā, izmantojot speciālus gazometrus, veica ūdens sintēzi. Sadalot ūdens tvaiku ar nokaitētu dzelzi, viņš atkal ieguva ūdeņradi un secināja, ka tas ietilpst ūdens sastāvā.
Lavuazjē devis ūdeņradim nosaukumu hydrogène (grieķu: hydōr — ūdens un genos — izcelsme). Vairāk vai mazāk analoģisks nosaukums ūdeņradim ir visās valodās.

Atrašanās dabā

Ūdeņradis ir pats izplatītākais elements Visumā, jo tas sastāda aptuveni trīs ceturtdaļas kosmiskās vielas. Zemes garozā ūdeņraža ir daudz mazāk (0,15% pēc masas jeb 3% pēc atomu skaita). Dabā, jūras līmenī ūdeņradis parasti ir sastopams savienojumu veidā, lai arī augstākajos atmosfēras slāņos ir diezgan daudz brīva ūdeņraža, kur tas veidojas, ūdens molekulām sadaloties UV starojuma iedarbībā. Retumis ūdeņradis sastopams vulkāniskajās gāzēs un dabas gāzē.

Izotopi

Ūdeņradim ir trīs izotopi, no kuriem visizplatītākais un stabilākais ir izotops ¹H ar atommasu 1 jeb protijs. Sastopams arī izotops ²H ar masas skaitli 2, kura kodolā ir viens protons un viens neitrons — deitērijs (D). Dabiskajos ūdeņraža savienojumos deitērija un protija attiecība ir 1 : 6800 (pēc atomu skaita). Ir pazīstams arī izotops ³H ar diviem neitroniem kodolā. To sauc par tritiju un apzīmē ar simbolu T. Tritijs ir β radioaktīvs un tā pussabrukšanas periods ir 12,32 gadi.
Ir iegūti ārkārtīgi nestabili ūdeņraža izotopi ar trim, četriem, pieciem un pat sešiem neitroniem kodolā. To vidējais dzīves laiks ir apmēram 10⁻²²—10⁻²³ sekundes.

Bioloģiskā nozīme

Ūdeņradis pieder pie biogēnajiem elementiem, jo ir visu organisko vielu neatņemama sastāvdaļa. Ūdeņraža saites nosaka dabasvielu sarežģīto molekulu struktūru un mijiedarbību. Ūdeņradis ir ūdens sastāvdaļa, bet bez ūdens nav iespējama dzīvība.
Ūdeņraža peroksīda šķīdumu (perhidrolu) izmanto medicīnā kā dezinficējošu līdzekli. Ūdeņraža peroksīds uzskatāms par toksisku vielu, kas gan ātri sadalās par skābekli un ūdeni.
Deitērija oksīds jeb smagais ūdens var būt kaitīgs, uzņemot to lielos daudzumos. Kā noskaidrots eksperimentos ar dzīvniekiem (pelēm un žurkām), tās iet bojā, ja 30 līdz 35% ķermeņa ūdens aizstāj ar smago ūdeni. Lai kaitētu cilvēka veselībai, cilvēkam vajadzētu izdzert vismaz 5 l smagā ūdens (respektīvi, dzert to vismaz 4 dienas pēc kārtas). Tādēļ tiek uzskatīts, ka smagais ūdens parastos apstākļos nerada veselības traucējumus.
Brīvs gāzveida ūdeņradis nav toksisks. To retumis izmanto kā iesaiņošanas gāzi pārtikas iepakojumu piepildīšanai (pārtikas piedeva E949). Jāņem vērā, ka ūdeņradis, kas iegūts, netīram cinkam reaģējot ar skābēm, var saturēt ārkārtīgi indīgo arsēnūdeņradi.

Fizikālās īpašības

Ūdeņraža divatomu molekulas ir ar ļoti niecīgiem izmēriem un masu, tādēļ tās ir ļoti kustīgas un ūdeņraža kušanas un viršanas temperatūras ir stipri zemas (vēl zemākas ir tikai cēlgāzei hēlijam, kas vispār neveido molekulas). H₂ molekulas ir visai stabilas (sadalīties atomos sāk tikai temperatūrā, kas augstāka par 2000 °C) un maz polarizējamas. Ūdeņradis tikpat kā nešķīst ūdenī un organiskos šķīdinātājos. Cietam ūdeņradim ir heksagonāls kristālrežģis. Ārkārtīgi liela spiediena (miljonos atmosfēru) iedarbībā ūdeņradis veido kristālrežģi no protoniem, bet elektroni kļūst kopīgi (sk. metāliskais ūdeņradis).

Ķīmiskās īpašības

Ūdeņraža atoms ir pats vienkāršākais atoms, taču ūdeņraža ķīmija nav vienkārša un stipri atšķiras no citu elementu ķīmijas. Galvenā ūdeņraža īpatnība ir tā, ka tam nav elektronu čaulas starp kodolu un vērtības elektroniem — ūdeņraža vienīgais valences elektrons atrodas tieši kodola (šajā gadījumā protona — ūdeņraža pozitīvais jons H⁺ ir protons) iedarbības sfērā. Tāda īpatnība ir vēl vienīgi hēlijam, taču tas neveido savienojumus. Šī specifika ir pamatā sevišķam ķīmiskās saites veidam, kas sastopams tikai ūdeņraža savienojumos — ūdeņraža saitei. 

Brīvā veidā protons jeb H⁺ jons parastajās ķīmiskajās reakcijās neeksistē (ja arī vienkāršības labad, piemēram, ūdens vidē norisošu reakciju vienādojumos raksta H⁺, īstenībā tas ir hidroksonija jons H₃O⁺). Ar oksidēšanas pakāpi +1 ūdeņradis veido tikai kovalentos savienojumus (pat ar tādu spēcīgu oksidētāju kā fluors). Tas var būt kompleksa veidotājs anjonu kompleksos. Savukārt oksidēšanas pakāpē -1 ūdeņradim iespējami jonu savienojumi (hidrīdi). Tātad ūdeņradis var būt gan oksidētājs, gan reducētājs.

Organisku savienojumu hidrēšana

Iedarbojoties uz nepiesātinātajiem ogļūdeņražiem niķeļa katalizatora klātienē paaugstinātā temperatūrā, notiek ūdeņraža pievienošana dubultsaitēm (hidrogenēšana jeb hidrēšana):
CH₂=CH₂ + H₂ → CH₃−CH₃
Ūdeņradis reducē aldehīdus līdz spirtiem:
CH₃CHO + H₂ → C₂H₅OH.

Izmantošana

Ūdeņradi plaši lieto ķīmiskajā rūpniecībā — hlorūdeņraža, amonjaka, metanola sintēzēm, kā arī dažādu degvielu un tauku hidrogenēšanai. Maisījumā ar CO (šādu maisījumu sauc par ūdens gāzi) to lieto kā kurināmo. Pēdējā laikā tīru ūdeņradi sāk lietot kā alternatīvo degvielu autotransportā un kā degvielas piedevu transporta līdzekļos ar iekšdedzes dzinējiem ar mērķi samazināt fosilo degvielu patēriņu. Ūdeņradim ir liela siltumietilpība un tas sadegot nerada kaitīgus izmešus, tādēļ ūdeņraža enerģētikai ir labas nākotnes izredzes.
Šķidrs ūdeņradis ir laba raķešdegviela. Ūdeņradis, degot skābeklī, dod ļoti karstu liesmu (līdz 2600 °C), ar kuras palīdzību var griezt un metināt grūti kūstošus metālus, kā arī kvarcu un citus materiālus. Ūdeņradi lieto arī gāzu hromatogrāfijā katarometrisko un liesmas jonizācijas detektoru darbināšanai. Šķidru ūdeņradi izmanto pūslīšu kamerās elementārdaļiņu reģistrēšanai.
Agrāk ūdeņradi lietoja gaisa balonu un dirižabļu uzpildīšanā, bet mūsdienās to aizstāj ar ugunsdrošo hēliju.
Deitērijam un tritijam ir liela nozīme kodolreakciju realizēšanā atomenerģētikā un kodolieročos — litija deiterīds ir ūdeņraža bumbas enerģijas avots.