Ջրածին

1.0079

Ջրածինը (H) պարբերական համակարգի առաջին տարրն է։ Առաջին անգամ մաքուր վիճակում ստացել է Հենրի Կավենդիշը 1766 թվականին։ Այն տիեզերքում ամենատարածված տարրն է։ Երկրի վրա այն գտնվում է հիմնականում միացությունների ձևով։ Ջրածինը միացություններում միավալենտ է։

Ջրածնի ատոմը կազմված Է  մեկ պրոտոն ունեցող միջուկից և մեկ էլեկտրոնից։ Հանդես է գալիս H2 պարզ նյութի ձևով։

Պատմություն 
Ջրածինը հայտնաբերվել է 16-րդ դարի կեսերին Պարացելսի կողմից, որը ստացել է երկաթի վրա ծծմբական թթու ազդելով։ 1766 թվականին Կավենդիշը հաստատել է նրա հատկությունները և ցույց է տվել նրա տարբերությունը մյուս գազերից և անվանել է «այրվող օդ»։ Լավուազիեն 1783 թվականին առաջին անգամ ջրածին ստացավ ջրից և ապացուցեց, որ ջուրը ջրածնի և թթվածնի քիմիական միացությունն է և նրան անվանեց «հիդրոգենիում», որը նշանակում է ջուր ծնող։ Ջրածինը երկրի վրա հանդես է գալիս միացություններում՝ ջրում, նավթում, կենդանի հյուսվածքներում, իսկ ազատ վիճակում՝ շատ չնչին քանակներով մթնոլորտի վերին շերտերում։

Ջրածին անջատվում է նաև հրաբխային ժայթքումների ժամանակ։ Սպեկտրոսկոպի օգնությամբ ջրածին հայտնաբերվել է արեգակի և աստղերի վրա։

Տիեզերքի նյութը ժամանակակից պատկերացումներով կազմված է 30-50%-ի չափով ազատ ջրածնից, որի ատոմը հանդիսանում է տիեզերքի կառուցման հիմնական աղյուսիկը։

Բացի ջրածնից՝ 1 ատոմական զանգվածով, հայտնի են նաև 2 և 3 ատոմական զանգվածներով ջրածիններ՝ ծանր ջրածիններ՝ դեյտերիում (D) և տրիտիում (T), որոնք թթվածնի հետ առաջացնում են ծանր ջուր՝ (M=2Օ)։

Անվան ծագում 
1787 թվականին Ա․ Լավուազիեն «այրվող գազը» դասակարգեց քիմիական տարրերի շարքը և անվանեց ջրածին hydrogène ( - «ջուր» և  - «ծնում եմ») - «ջուր ծնող»։

1801 թվականին Ա․ Լավուազիեն հետևորդ ակադեմիկոս Վ. Մ. Սևերգինը ջրածինը անվանեց «ջրաստեղծ նյութ», նա գրել է.

Տարածվածություն

Տիեզերքում 
Ջրածինը ամենատարածված տարրն է տիեզերքում․ կազմում է աստղերի և արևի զանգվածի մոտ կեսը (պլազմայի ձևով), արեգակի մթնոլորտի 84 %-ը, միջաստղային միջավայրի և միգամածությունների հիմնական մասը։ Աստղերի ընդերքում՝ ջրածնի ատոմների միջուկներից՝ պրոտոններից սինթեզվում են հելիումի ատոմի միջուկներ (ջերմամիջուկային սինթեզ), անջատվում է ահռելի քանակներով էներգիա։

Ջրածինը հայտնաբերվել է նաև այլ մոլորակների մթնոլորտում (H2, CH4, NH3, OH-, SiH-, PH- և այլն)։

Երկրի ընդերքում և կենդանի օրգանիզմներում 
Ջրածնի պարունակությունը երկրակեղևում (ըստ զանգվածի) 0,15 % է, ընդհանուր պարունակությունը երկրի վրա՝ 1 % (16 %՝ ըստ ատոմների թվի)։ Ազատ վիճակում հանդիպում է հազվադեպ՝ որոշ հրաբխային և այլ բնական գազերում, օդում՝ 1•10−4։ Մթնոլորտի վերին շերտերում ջրածնի պարունակությունը շատ ավելի մեծ է, մերձերկրյա տարածությունում առաջացնում է երկրի պրոտոնային ռադիացիոն գոտին։

Ջրածինը մտնում է ամենատարածված նյութի՝ ջրի (11, 19% ըստ զանգվածի), նաև քարածխի, նավթի, բնական գազերի, կավերի, կենդանական և բուսական օրգանիզմների բաղադրության մեջ։

Ջրածնի իզոտոպային բաղադրությունը տարբեր տեղերում նույնը չէ․ ծանր ջրածինի (D) պարունակությունը օվկիանոսների վերին շերտերում ավելի մեծ է, քան մթնոլորտային տեղումներում և սառցադաշտերում։

Ստացում 

 Ջրածնից փոքր իոնացման պոտենցիալներով մետաղների և թթուների փոխազդեցությունից (բացի HNO3 և խիտ H2SO4-ից).
 

 

 Ալկալիական և հողալկալիական մետաղների ու ջրի փոխազդեցությունից.

 

 

 Որոշ մետաղների կամ ոչ մետաղների և ալկալու ջրային լուծույթի փոխազդեցությունից.

 

 

 

 Մետաղների հիդրիդների և ջրի կամ թթուների փոխազդեցությունից.

 

 

 Ալկալիների, թթուների և որոշ աղերի ջրային լուծույթների էլեկտրոլիզով.

 

 

 Շիկացած ածխի և ջրային գոլորշու փոխազդեցությունից (1000°С).

 

Երկաթագոլորշային եղանակով՝ շիկացած երկաթի և ջրային գոլորշու փոխազդեցությունից.

 

 Մեթանի կոնվերսիայով (փոխարկմամբ) (900°С).

 
կամ

Ֆիզիկական հատկություններ 

Ջրածինը սովորական պայմաններում անգույն, անհամ, անհոտ գազ է։ 14,5 անգամ թեթև է օդից (ամենաթեթև գազն է)։Ջրում քիչ է լուծվում՝ 1 լ ջրում 20°С-ում լուծվում է 18 մլ ջրածին։-252,8°С-ում 1 մթնոլորտային ճնշման տակ ջրածինը դառնում է շարժուն հեղուկ, որը ևս անգույն է։

Ջրածինը լավ լուծվում է որոշ մետաղներում (Ni, Pd, Pt) 1 ծավալ պալադիումում լուծվում է 850 ծավալ ջրածին՝ տաքացնելիս այն քանակապես անջատվում է։
Ջրածնի դիրքը 1 և 7 րդ խմբում պայմանավորված է նրանով, որ ջրածնի ատոմը կարող է կորցնել էլեկտրոն նմանվելով ալկալիական մետաղներին եվ վերցնել էլեկտրոն նմանվելով հալոգեններին այսպիսով ջրածնի ատոմը օժտված է վերօքս երկակիությամբ կարող է լինել և օքսիդիչ, և վերականգնիչ։

Ջրածնի ատոմը պարզագույնն է՝ բաղկացած է միջուկից և մեկ էլեկտրոնից, իոնացման պոտենցիալը՝ 13,595 Էվ, էլեկտրոնային խնամակցության էներգիան (հիմնական վիճակում գտնվող ատոմի և բացասական իոնի էներգիաների տարբերությունը)՝ 0,754 էվ։ Քվանտային մեխանիկայի օգնությամբ հաշված են ջրածնի ատոմի հնարավոր էներգետիկ վիճակները։

Այլ գազերի հետ համեմատած ջրածինն ունի ամենամեծ տեսակարար ջերմահաղորդականությունը՝ 4,12• 10−4 կալ/սմ վրկ։ Ջրածինը չափազանց դժվար հեղուկացող գազ է (կրիտիկական ջերմաստիճանը՝ -240°С)։

Հեղուկ ջրածինը թեթև (70,8 կգ/մ3, -253°С), անգույն, դյուրաշարժ հեղուկ է։

Պինդ ջրածինը բյուրեղական է, խտությունը՝ 88 կգ/մ3։ Սովորական պայմաններում ջրածնի մոլեկուլը երկատոմ է՝ Н2 (ատոմների հեռավորությունը՝ 0,7414 А), դիսոցման էներգիան՝ 4,776 էվ (մոլ)։

Իզոտոպներ 
Իզոտոպները -պրոտիում (ըստ զանգվածի 99,98 %), -դեյտերիում (ըստ զանգվածի 0,02 %)։ Արհեստական եղանակով ստացվել է  տրիտիում։

Ատոմական համարը՝ 1, ատոմական զանգվածը՝ 1.008։ Ամենաթեթև տարրն է պարբերական համակարգում։ Երկրի կեղևի ամբողջ զանգվածի, ներառյալ ջուրը և օդը ջրածնին բաժին է ընկնում ընդամենը 1%։ Ջրածինը 14 անգամ թեթև է օդից։

Իզոտոպների հատկություններ 
Իզոտոպների հատկությունները ջրածնում բերված է աղյուսակում։

Քիմիական հատկություններ 
Ջրածնի ատոմը խիստ ռեակցիաունակ է և շատ արագ առաջացնում է H2 մոլեկուլը։ Ատոմական ջրածնով աշխատող այրիչը ստեղծում է 4000 °С բարձր ջերմաստիճան, որը պայմանավորված է H2-ի կապի մեծ էներգիայով H+H→H2 ΔH=-436 կՋ է։ Բացի հիդրիդներից, որտեղ ջրածնի օքսիդացման աստիճանը -1 է, մնացած միացություններում ունի +1 օքսիդացման աստիճան։

Տաքացնելիս ջրածինը միանում է ոչ մետաղների մեծ մասի (օքսիդանում է) և ակտիվ մետաղների (վերականգնվում է) հետ, առաջացնում հիդրիդներ։ Ոչ մետաղների հիդրիդներն անգույն, սովորաբար տհաճ հոտով, թունավոր գազեր են, մետաղներինը՝ սպիտակ, բյուրեղական (իոնական) նյութեր։

Ջրածնի և հալոգենների խառնուրդները պայթուցիկ են․ ֆտորի հետ անմիջապես, քլորի հետ պայթում է լուսավորելիս, անգամ -252 °C-ում բրոմի և յոդի հետ՝ տաքացնելիս։ Առաջանում են հալոգենաջրածիններ՝ ֆտորաջրածին (HF), քլորաջրածին (НСl), բրոմաջրածին (HBr) և յոդաջրածին (HI), որոնց ջրային լուծույթներն ուժեղ թթուներ են։

Սովորական պայմաններում թթվածնի հետ ջրածինը միանում է դանդաղ, տաքացնելիս՝ պայթյունով։ Պայթուցիկ են 4-94 ծավավալ % H2 պարունակող խառնուրդները՝ թթվածնի և 4-74% Н2 պարունակող խառնուրդները օդի հետ։

Ջրածինը թթվածնի հետ առաջացնում է նաև ջրածնի պերօքսիդ՝ H202։ Տաքացնելիս ջրածինը ծծմբի հետ միանում է հեշտությամբ, սելենի և տելուրի հետ՝ դժվարությամբ։ Առաջանում են ծծմբաջրածին՝ H2S, սելենաջրածին՝ H2Se, և տելուրաջրածին՝ H2Te, որոնք տհաճ հոտով ջրում լուծելի գազեր են (լուծույթները թթուներ են)։

Ջրածինը ազոտի հետ միանում է կատալիզատորի առկայությամբ՝ տաքացնելիս։ Ստացվում է ամոնիակ, NH3, որի ելքը մեծանում է ճնշումը բարձրացնելիս։ Ազոտի մյուս միացությունները ջրածնի հետ՝ հիդրազինը (N2H4), և ազոտաջրածնական թթուն (NH3), հեղուկներ են։

Ատոմական ջրածինը միանում է ֆոսֆորի, արսենի և անտիմոնի հետ։ Առաջանում են ֆոսֆին՝ PH3, արսին՝ AsH3, և ստիբին՝ SbH3, որոնք տհաճ հոտով, խիստ թունավոր գազեր են։

Ածխածինը ջրածնի հետ միանում է բարձր ջերմաստիճաններում՝ առաջացնելով (կատալիզատորի բացակայությամբ) մեթան՝ CH4, որը ածխաջրածինների պարզագույն ներկայացուցիչն է։ Սիլիցիումաջրածինները և բորաջրածինները՝ В2Н6, В4Н10, В5Н9, В5Н11 և այլն, ստացվում են մագնեզիումի, սիլիցիդի կամ բորիդի և թթուների փոխազդեցությամբ։ Տաքացնելիս ջրածինն իրենց օքսիդներից վերականգնում է բազմաթիվ մետաղներ (Mo, W, Cr, Fe, Си և այլն) և ոչ մետաղներ (Сl, Տ, N, Si և այլն)։

Ածխածնի (II) օքսիդը (СО) կատալիզատորի առկայությամբ Ջրածնով վերականգնելով ստանում են օրգանական նյութեր (НСНО, СН3ОН և այլն)։

Ջրածինը միանում է չհագեցած ածխաջրածինների հետ, վերականգնում օրգանական միացությունները։ Ալկալիական, հողալկալիական և մի քանի այլ մետաղների հետ ջրածինը միանում է բարձր ջերմաստիճաններում առաջացնելով մետաղների հիդրիդներ՝ LiH, NaH, CaH2, ВеН2 և այլն։ Այդ հիդրիդները կայուն են, հալվում են առանց քայքայվելու, ջրի առկայությամբ հիդրոլիզվում են՝ անջատելով ջրածին, ուժեղ վերականգնիչներ են։ Նրանց հալույթները էլեկտրոլիտներ են, ենթարկվում են էլեկտրոլիզի (անոդի վրա անջատվում է ջրածին)։

Ջրածինը լավ է լուծվում բազմաթիվ մետաղներում (Pd, Pt, Ni և այլն)՝ առաջացնելով ներդրման պինդ լուծույթներ։ Մետաղներում լուծվելու ունակության շնորհիվ ջրածինը․ թափանցում է մետաղների միջով (դիֆուզիա), կոռոզիայի է ենթարկում պողպատը (դեկարբոնացում)։

Լույսի կամ ջերմության ազդեցությամբ H2 միանում է հալոգենների և այլ ոչ մետաղների հետ։

 

 

  (400-500°С,p,Fe)

Ջրածինը միանում է թթվածնի հետ՝ հսկայական քանակի էներգիայի անջատմամբ (ջրածնաթթվածնային բոցի ջերմաստիճանը հասնում է 3000°С։

 

այս գազերի 2։1 հարաբերությունը կոչվում է շառաչող գազ, քանի որ ավարտվում է պայթյունով։

Ջրածինը ուժեղ վերականգնիչ է, այն վերականգնում է շատ մետաղներ իրենց օքսիդներից.

 

 

փոխազդում է նաև որոշ ոչ մետաղների օքսիդների հետ, ստացվում է ոչ մետաղ.

 

Մետաղների հետ ջրածինը առաջացնում է հիդրիդներ, որոնք պինդ նյութեր են և կարծես ջրածնի շտեմարան լինեն, որովհետև ջրի հետ՝ տալիս են ջրածին, որը հնարավոր է ապագայում օգտագործել որպես վառելիք՝ բենզինի փոխարեն։

 

 

Օրգանական քիմիական ռեակցիաներում ջրածինը օգտագործում են հիդրացնելու համար։

Կիրառություն 
Ջրածինը կիրառվում է դիրիժաբլների լցման համար, որպես թեթև գազ, վեր բարձրացնող ուժ, ավտոգեն զոդման ժամանակ բոցի ջերմաստիճանը հասնում է 2000 °C–ի։ Քիմիական արդյունաբերությունում որպես վերականգնիչ հատկապես Ni, Pt, Pd-ի առկայությամբ, 1 ծավալ Pd-ի մեջ լուծվում Է 850 ծավալ ջրածին։ Օգտագործվում է քարածուխից արհեստական բենզինի ստացման համար, ամոնիակի, սպիրտների, հալոգենաջրածինների սինթեզում։

Անգլիացի քիմիկոս Ջոն Դալտոնը 19-րդ դարի սկզբին առաջարկել է ջրածնի ատոմի զանգվածը, որպես ամենաթեթև տարր, ընդունել որպես ատոմական զանգվածի միավոր։ 1815 թվականին անգլիացի գիտնական Պրաուտր հայտնել է այն միտքը, որ բոլոր տարրերի ատոմները կառուցված են ջրածնի n ատոմներից։

Արեգակի վրա հայտնաբերվել է 69 քիմիական տարր՝ ջրածնի գերակշռությամբ։ Ջրածինը 5.1 անգամ շատ է, քան հելիումը և 10 հազար անգամ ավելի, քան բոլոր մետաղները միասին վերցրած (վերցրած ոչ թե կշռով, այլ ատոմների թվով)։ Այդ ջրածինը ծախսվում է ոչ միայն էներգիա արտադրելու վրա։ Ջերմա- միջուկային պրոցեսների ընթացքում նրանից առաջանում են նոր քիմիական տարրեր, իսկ արագացված պրոտոնները արտանետվում են՝ մերձարեգակնային քամի։ Այս երևույթը հայտնաբերվել է վերջերս՝ կոսմիկական տարածքն ուսումնասիրելու ժամանակ՝ արհեստական արբանյակների օգնությամբ։

Այն որոշակի վտանգ է ներկայացնում տիեզերագնացների համար։ Բացի այդ՝ պրոտոնների հոսքն առաջ է բերում երկրորդային կոսմիկական ճառագայթում, որը հասնում է մինչև երկրի մակերևույթ։ Առաջացող մագնիսային փոթորիկները կարող են ազդել կենսագործունեության պրոցեսների վրա և երկրի մագնիսային դաշտի կողմից կլանված ջրածնի միջուկը չի կարող չազդել կոսմոսի հետ նրա զանգվածափոխանակության վրա։

Մեծ քանակությամբ ջրածին կիրառվում է ամոնիակ, HCl սինթեզելու համար, հեղուկ ճարպերի հիդրոգենացման համար։ Որպես թեթև գազ հելիումի հետ լցնում էին օդապարիկները։ Ջրածինը օգտագործում են բարձր ջերմաստիճան ստանալու համար (3000-4000°С)։ Սակայն ջրածնի ամենալուրջ խնդիրը՝ միջուկային այս ռեակցիան է 21H+31H=42He+n+17,6 կՋ

Այս ռեակցիան ընթանում է 10 միլիոն աստիճանում, եթե հնարավոր լիներ կառավարել այս ռեակցիան, մարդկությունը կլուծեր էներգիայի պրոբլեմը։

Կարևոր է նաև պինդ վիճակում ջրածնի ստացումը (մետաղական ջրածին), որը օժտված է գերհաղորդականությամբ։

Հետաքրքիր փաստեր 
Ջրածնի խորվաթական անունը՝ Vodik, շրջանառության մեջ է մտցրել բանասեր Բոգոսլև Շուլեկը։

Տես նաև 
 Պարբերական աղյուսակ
 Հիդրոգենացում
Քիմիական կապ
Հիդրոնիում

Ծանոթագրություններ

Գրականություն 
 Մոլորակի աղյուսները, հեղինակ՝ Մ. Գ. Զալինյան, էջեր՝ 7-8

Արտաքին հղումներ 
 The Hydrogen Atom and The Periodic Table - The Feynman Lectures on Physics
 Basic Hydrogen Calculations of Quantum Mechanics 
 Hydrogen at The Periodic Table of Videos (University of Nottingham)

 High temperature hydrogen phase diagram
 Wavefunction of hydrogen
 Low Energy Linear Accelerator - Monatomic Hydrogen diagram 

Ոչ մետաղներ
Սննդային հավելումներ
Վերականգնիչներ
Վառելանյութեր
Ջրածին