Hydro là nguyên tố hóa học có ký hiệu H và số nguyên tử 1,[1][2] đồng thời là nguyên tố nhẹ nhất và nguyên tố đầu tiên trong bảng tuần hoàn.[3] Ở nhiệt độ và áp suất tiêu chuẩn, hydro là khí không màu, không mùi, không vị và dễ cháy.[3][4] Cấu tạo của nguyên tử hydro là đơn giản nhất trong số mọi nguyên tố, chỉ gồm một hạt nhân (thường là một proton) và một electron.[2][3] Trong điều kiện thông thường, trạng thái ổn định của hydro là hydro phân tử (dihydro, H2),[5] hydro nguyên tử chỉ tồn tại ở nhiệt độ rất cao.[6] Mặc dù có cấu hình electron đơn giản 1s1, hydro sở hữu nhiều tính chất hóa học và tạo thành hợp chất với gần như mọi nguyên tố khác.[7]
Hydro là nguyên tố phổ biến nhất trong vũ trụ và phổ biến thứ ba trên Trái Đất, sau oxy và silic.[8][2] Ở phần vũ trụ quan sát thấy, 90% số nguyên tử là nguyên tử hydro.[9][10] Hydro là nhiên liệu của phản ứng nhiệt hạch sơ cấp trong hầu hết các ngôi sao mà ở đó bốn nguyên tử hydro hợp thành một nguyên tử heli: 4H → 1He, giải phóng lượng năng lượng khổng lồ dưới dạng nhiệt và ánh sáng.[11][12] Hydro tồn tại trên Trái Đất chủ yếu dưới dạng hợp chất, tiêu biểu là nước và hydrocarbon.[3] Trong khí quyển, nồng độ hydro là rất thấp bởi nó rất nhẹ nên trọng lực của Trái Đất không đủ để giữ lại.[13][14] Đa phần hydro từng ở trong khí quyển đã thoát vào không gian.[14] Hydro tự do ở dạng khí chỉ có lượng đáng kể trong khí núi lửa và khí tự nhiên.[3][13] Trong cơ thể người, hydro chiếm gần hai phần ba số lượng nguyên tử.[9]
Hydro khá trơ ở nhiệt độ phòng nhưng phản ứng mãnh liệt ở nhiệt độ cao với nhiều kim loại và phi kim.[4] Hydro cháy trong không khí hoặc oxy với nhiệt độ có thể tới 3.000 °C,[15] sinh ra nước: 2H2 + O2 → 2H2O.[11][16] Nguyên tử hydro có thể nhận một electron để trở thành anion H− với cấu hình của heli 1s2 hoặc mất một electron trở thành proton H+.[4] Số oxy hóa của hydro thường là −1 khi kết hợp với kim loại (như trong NaH và AlH3) và +1 khi kết hợp với phi kim (như H2O và HCl).[17] Tính chất của hydro biến đổi từ anion H− là base mạnh đến cation H+ là acid mạnh.[7][9] Hydro có một electron lớp ngoài cùng như kim loại kiềm nhưng năng lượng ion hóa của nó lại cao hơn nhiều nên không phải kim loại.[17] Mặt khác nó giống halogen khi chỉ cần một electron để hoàn thành vỏ ngoài nhưng ái lực electron của nó lại kém xa mọi halogen và ion hydride riêng biệt chỉ thấy ở những hợp chất nhất định.[17] Vì vậy trong bảng tuần hoàn hydro có thể được đặt ở đầu nhóm 1, đầu nhóm 17, hoặc một vị trí đặc biệt là đầu toàn bộ bảng.[17]
Hydro có ba đồng vị là proti (hydro-1, 1H, H), deuteri (hydro-2, 2H, D), và cuối cùng triti (hydro-3, 3H, T) là đồng vị phóng xạ.[18] Proti chỉ có một proton, một electron và phổ biến áp đảo, chiếm tới khoảng 99,98%.[19][20] Deuteri có thêm một neutron trong hạt nhân, cũng là đồng vị bền và chiếm tỷ lệ 0,0156% trong tự nhiên.[21] Hợp chất D2O được gọi là nước nặng và dùng để điều tiết trong lò phản ứng hạt nhân.[22] Triti có một proton, hai neutron, một electron và rất hiếm,[19] cứ 1018 nguyên tử hydro thì mới có một nguyên tử triti.[23] Triti không bền và nó phân rã cho ra một đồng vị bền, hiếm gặp của heli, kèm theo bức xạ beta năng lượng thấp: 3H → 3He + β−.[24][25] Sự khác biệt đáng kể giữa các đồng vị nằm ở khối lượng hạt nhân dẫn đến khác biệt về tính chất hóa học, cùng spin hạt nhân.[26]
Nhà hóa học người Anh Henry Cavendish được công nhận là người khám phá ra hydro vào năm 1766, dù cho khí hydro đã được quan sát từ trước đó (bởi Paracelsus, Jan Baptist van Helmont, Robert Boyle, Mikhail Lomonosov).[27] Thí nghiệm của Cavendish tương tự như Robert Boyle đã làm vào năm 1671, cho kim loại vào acid (hydrochloric và sulfuric), sinh ra khí dễ cháy với ngọn lửa màu xanh mờ (ví dụ: Fe + 2HCl → FeCl2 + H2).[28] Vào năm 1783 nhà hóa học người Pháp Antoine Lavoisier đã đặt tên cho khí dễ cháy này là hydrogène (tiếng Anh: hydrogen, nghĩa là thứ tạo ra nước).[29] Sau này, hydro có nhiều ứng dụng như trong sản xuất amonia hay methanol, sản xuất kim loại nguyên chất (như molybdenum), hydro hóa dầu thành mỡ, đèn xì oxyhydro, nhiên liệu tên lửa, pin nhiên liệu, khinh khí cầu.[30] Hydro được mong đợi sẽ là nguồn năng lượng sạch thay thế nhiên liệu hóa thạch, tạo ra một nền kinh tế hydro, dù vậy tồn tại trở ngại lớn là chi phí.[31] Các phương pháp sản xuất hydro là điện phân nước (rất tốn kém),[32] reforming hydrocarbon (chính trong công nghiệp),[33] và khí hóa than.[34][35]
Tham khảo[sửa]
- ↑ Enghag 2004, tr. 215.
- ↑ a b c Newton 2010, tr. 251.
- ↑ a b c d e Fichtner & Idrissova 2009, tr. 271.
- ↑ a b c Greenwood & Earnshaw 1997, tr. 43.
- ↑ Shriver et al. 2014, tr. 296.
- ↑ Chang & Overby 2018, tr. 954.
- ↑ a b Shriver et al. 2014, tr. 297.
- ↑ Greenwood & Earnshaw 1997, tr. 32.
- ↑ a b c Grochala 2015.
- ↑ Enghag 2004, tr. 225.
- ↑ a b Newton 2010, tr. 253.
- ↑ Enghag 2004, tr. 232.
- ↑ a b Enghag 2004, tr. 226.
- ↑ a b Newton 2010, tr. 254.
- ↑ Fichtner & Idrissova 2009, tr. 274.
- ↑ Chang & Overby 2018, tr. 958.
- ↑ a b c d Shriver et al. 2014, tr. 298.
- ↑ Shriver et al. 2014, tr. 297; Newton 2010, tr. 255; Enghag 2004, tr. 230−231; Chang & Overby 2018, tr. 957.
- ↑ a b Newton 2010, tr. 255.
- ↑ Chang & Overby 2018, tr. 957.
- ↑ Newton 2010, tr. 255; Fichtner & Idrissova 2009; Greenwood & Earnshaw 1997, tr. 34.
- ↑ Shriver et al. 2014, tr. 302; Fichtner & Idrissova 2009, tr. 272; Chang & Overby 2018, tr. 957.
- ↑ Greenwood & Earnshaw 1997, tr. 41.
- ↑ Shriver et al. 2014, tr. 302.
- ↑ Fichtner & Idrissova 2009, tr. 272.
- ↑ Shriver et al. 2014, tr. 297, 302.
- ↑ Enghag 2004, tr. 222.
- ↑ Enghag 2004, tr. 221; Newton 2010, tr. 252; Grochala 2015.
- ↑ Enghag 2004, tr. 221−222; Newton 2010, tr. 252; Grochala 2015.
- ↑ Enghag 2004, tr. 227−230; Newton 2010, tr. 256−257; Greenwood & Earnshaw 1997, tr. 38−39.
- ↑ Newton 2010, tr. 258−259.
- ↑ Newton 2010, tr. 256.
- ↑ Greenwood & Earnshaw 1997, tr. 39.
- ↑ Shriver et al. 2014, tr. 303−304.
- ↑ Enghag 2004, tr. 226−227.
Tạp chí[sửa]
- Grochala, Wojciech (ngày 20 tháng 2 năm 2015), "First there was hydrogen", Nature Chemistry, 7 (3): 264, doi:10.1038/nchem.2186, PMID 25698337, S2CID 205294092
Sách[sửa]
- Greenwood, N. N.; Earnshaw, A., bt. (1997), Chemistry of the Elements (lxb. 2), Elsevier, ISBN 978-0-7506-3365-9
- Enghag, Per (2004), Encyclopedia of the Elements, Wiley, ISBN 978-3-527-61233-8
- Newton, David E. (2010), Chemical Elements (lxb. 2), Gale, ISBN 978-1-4144-7608-7
- Ball, Michael; Wietschel, Martin, bt. (2009), The Hydrogen Economy: Opportunities and Challenges, Cambridge University Press, ISBN 978-0-511-63535-9
- Fichtner, Maximilian; Idrissova, Farikha, "Chapter 9", Fundamental properties of hydrogen, tr. 271–276
- Shriver, Duward; Weller, Mark; Overton, Tina; Rourke, Jonathan; Armstrong, Fraser (2014), Inorganic Chemistry (lxb. 6), W. H. Freeman, ISBN 978-1-4292-9906-0
- Chang, Raymond; Overby, Jason (2018), Chemistry (lxb. 13), McGraw-Hill Education, ISBN 978-1-259-91115-6
