Hiđro

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.

Vai trò trong thuyết lượng tử

Do cấu trúc nguyên tử tương đối đơn giản của nó chỉ gồm một proton và một electron, nguyên tử hydro, cùng với quang phổ ánh sáng từ nó hoặc nó hấp thụ, là trung tâm của sự phát triển học thuyết về cấu trúc nguyên tử. Hơn thế nữa, sự đơn giản tương ứng của phân tử hydro và cation tương ứng H+2 cho phép hiểu biết đầy đủ hơn về các liên kết hóa học tự nhiên, sau một thời gian ngắn sau khi cơ học lượng tử của nguyên tử hydro đã được phát triển vào giữa thập niên 1920.
Một trong những hiệu ứng lượng tử đầu tiên được nhận thấy rõ ràng là quan sát của Maxwell liên quan đến hydro, nửa thế kỷ trước khi học thuyết cơ học lượng tử được phát triển toàn diện. Maxwell đã quan sát nhiệt dung riêng của H₂ không thể tính được của khí hai nguyên tử dưới nhiệt độ phòng và bắt đầu ngày càng giống với khí đơn nguyên tử ở nhiệt độ đông đặc. Theo thuyết lượng tử, ứng xử này xuất phát từ khoảng cách các mức năng lượng quay (lượng tử hóa), nó làm mở rộng khoảng cách trong H₂ do khối lượng thấp của nó. Các mức khoảng cách rộng này ức chế tỷ lệ bằng nhau của năng lượng nung trong chuyển động quay trong hydro ở các mức nhiệt độ thấp. Các khí hai nguyên tử bao gồm các nguyên tử nặng hơn không có các mức khoảng cách rộng này và không thể hiện cùng hiệu ứng.

Trạng thái thiên nhiên

Hydro 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. Các đám mây phân tử của H₂ liên quan đến sự hình thành sao. Hydro đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp năng lượng ngôi sao thông qua phản ứng proton-proton và tổng hợp hạt nhân chu trình CNO.
Trong khắp vũ trụ, hydro được tìm thấy chủ yếu ở các trạng thái nguyên tử và plasma với các tính chất khác với hydro phân tử. Ở dạng plasma, electron và proton của hydro không liên kết cùng nhau, tạo thành các chất dẫn diện rất cao và phát xạ cao. Các hạt tích điện bị ảnh hưởng cao bởi từ trường và điện trường. Ví dụ, gió mặt trời tương tác với từ quyển của Trái Đất làm tăng dòng Birkeland và Aurora. Hydro được phát hiện ở trạng thái nguyên tử trung hòa điện trong các môi trường liên sao. Một lượng lớn hydro trung hòa được tìm thấy trong các hệ Lyman-alpha bị hãm được cho là thống trị mật độ baryon vũ trụ của Vũ trụ đến dịch chuyển đỏ z=4.
Tuy vậy, trên Trái Đất nó có rất ít trong khí quyển (1 ppm theo thể tích). Tuy nhiên, hydro là nguyên tố phổ biến thứ 3 trên bề mặt Trái Đất, chủ yếu là ở dạng hợp chất hóa học như nước và hydrocacbon. Hydro được tạo ra bởi một số vi khuẩn và tảo và là thành phần tự nhiên của trung tiện như ở dạng metan, là nguồn hydro có độ quan trọng ngày càng cao. 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. Metan (CH₄) là một nguồn quan trọng của hydro. Dưới áp suất cực cao, chẳng hạn như tại trung tâm của các hành tinh khí khổng lồ (như Sao Mộc), các phân tử hydro mất đặc tính của nó và hydro trở thành một kim loại (xem hydro kim loại). Dưới áp suất cực thấp, như trong khoảng không vũ trụ, hydro 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 proton-proton 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 hydro thành một nguyên tử heli.)

Hợp chất

Là nhẹ nhất trong mọi chất khí, hydro 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 hydro 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 axit. Vì thế thậm chí trong các dung dịch axit người ta có thể tìm thấy các ion như hydroni (H₃O⁺) cũng như proton.
Hydro kết hợp với oxy tạo ra nước, H₂O và giải phóng ra năng lượng, nó có thể nổ khi cháy trong không khí. Oxit deuteri, hay D₂O, thông thường được nói đến như nước nặng. Hydro 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.

Các phản ứng sinh học

H₂ là một sản phẩm của nhiều kiểu trao đổi chất kỵ khí và được nhiều dạng vi sinh vật sinh ra, thường thông qua các phản ứng có xúc tác các enzym chứa sắt hoặc nickel được gọi là hydrogenase. Các enzyme này xúc tác phản ứng oxy hóa khử thuận nghịch giữa H₂ và 2 proton và 2 electron của nó. Sự tạo thành khí hydro xảy ra khi chuyển dịch cân bằng theo hướng khử được tạo ra trong khi lên men pyruvate đối với nước.
Việc phân cắt phân tử nước thành các proton, electron, và oxy xảy ra trong các phản ứng phụ thuộc sáng trong tất cả các sinh vật quang hợp. Một số sinh vật này bao gồm cả tảo Chlamydomonas reinhardtii và vi khuẩn lam, đã tiến hóa hai bước trong các phản ứng tối mà trong đó các proton và electron bị khử để tạo ra khí H₂ bởi các enzym biệt hóa trong lục lạp. Nhiều nỗ lực đã được thực hiện để can thiệp về mặt di truyền của các enzym vi khuẩn lam để tổng hợp một cách hiệu quả khí H₂ thậm chí có mặt oxy. Những nỗ lực cũng đã thực hiện đối với gen của tảo trong phản ứng sinh học.

Cảnh báo

Hydro 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 axit hydrohalic có thể gây tổn thương cho phổi và các bộ phận khác của cơ thể. Khi trộn với oxy, hydro nổ khi bắt lửa. Hydro cũng có thể nổ khi có dòng điện đi qua.
Hydro biểu hiện một số mối nguy hiểm đối với sự an toàn của con người như khả năng cháy, nổ khi trộn với không khí với oxy tự do. Ngoài ra, hydro lỏng là một hỗn hợp lạnh và thể hiện các mối nguy hiểm (như làm tê cóng) liên quan đến chất lỏng rất lạnh. Hydro hòa tan trong nhiều kim loại, và khi rò rỉ có thể có những ảnh hưởng xấu đến các kim loại như tính giòn do hydro, làm rạn nứt và gây nổ. Khí hydro rò rỉ vào không khí có thể tự cháy. Hơn thế nữa, hydro cháy khi nhiệt độ rất cao hầu như không nhìn thấy và điều này có thể gây bỏng.
Thậm chí việc giải đoán dữ liệu hydro (bao gồm cả dữ liệu an toàn) vẫn chưa rõ ràng bởi một số hiện tượng. Nhiều tính chất vật lý và hóa học của hydro phụ thuộc tỷ số đồng phân spin parahydro/orthohydron (nó thường mất vài ngày hoặc vài tuần ở một nhiệt độ cho trước để đạt đến tỉ số cân bằng, từ đó mới lấy được số liệu). Các thông số cháy nổ hydro như áp suất và nhiệt độ ngưỡng cháy nổ, phụ thuộc mạnh vào hình dạng của vật thể chứa chúng.