Hidro là gì? Tổng hợp tất tần tật kiến thức về nguyên tố Hidro

Hydrogen là gì? Hydrogen hóa trị mấy? Hydrogen có mấy đồng vị? Các tính chất của Hidro? Cách điều chế và ứng dụng như thế nào? Click ngay bài viết này để tìm hiểu.

Hydrogen là gì? Hydrogen là một nguyên tố hóa học các em sẽ gặp rất nhiều trong chương trình hóa học phổ thông. Hiểu rõ hơn về Hydrogen và có đầy đủ kiến thức về nó sẽ giúp ích rất nhiều cho các em trong quá trình học tập và giải bài tập. Cùng bỏ túi các kiến thức đầy đủ nhất về nguyên tố Hydrogen với chia sẻ đến từ Admin trong bài viết này nhé!

Hydrogen có ký hiệu hóa học là H trong bảng tuần hoàn hóa học. Hydrogen có số hiệu nguyên tử là 1 nằm ở vị trí đầu tiên thuộc nhóm IA, chu kỳ 1 với nguyên tử khối là 1,008 đvC. Trước đây, người ta gọi khí Hydrogen là Khinh khí hay Bom H, hiện nay thuật ngữ này không còn được sử dụng phổ biến nữa.

Hydrogen là gì?

Trong vũ trụ, Hydrogen là nguyên tố phổ biến nhất với khoảng 75% tổng khối lượng vũ trụ và 90% tổng số nguyên tử. Hầu hết, các sao thuộc dải chính đều được cấu tạo từ Hydrogen ở trạng thái Plasma. Ở Trái Đất thì khí Hydrogen tồn tại tương đối hiếm bởi khí này nhẹ, lực hấp dẫn của Trái Đất không đủ mạnh để giữ chúng ở không gian. Vì vậy mà Hydrogen thường tồn tại ở các tầng cao của khí quyển Trái Đất.

Hydrogen là một thành phần quan trọng trong hợp chất hóa học và nhiều phân tử sinh học, bao gồm nước và các hợp chất hữu cơ như hydrocarbon. Nó cũng có vai trò quan trọng trong các quá trình hóa học và năng lượng, chẳng hạn như trong công nghệ pin nhiên liệu và phản ứng hạt nhân.

Hydrogen được sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp, từ sản xuất hóa chất đến nhiên liệu và ngành công nghệ không gian. Nó cũng là một thành phần quan trọng của hệ thống sinh học và được sử dụng trong các quá trình hô hấp và tổng hợp các hợp chất hữu cơ trong cơ thể sống.

Hydrogen là nguyên tố có số hiệu nguyên tử 1 nên cấu hình electron là 1s¹. Vì vậy mà Hydrogen mang hóa trị 1.

Hydrogen hóa trị mấy?

Hydrogen (H) là nguyên tố hóa học có 3 đồng vị tự nhiên là H¹ H² và H³, ngoài ra còn có các đồng vị hạt nhân không bền khác từ 4 - 7 được tổng hợp trong phòng thí nghiệm. Đặc biệt, các đồng vị khác nhau của Hydrogen thường có tên gọi khác nhau, nó thường được ký hiệu là D và T thay vì H² và H³. Chi tiết như sau:

Đồng vị H¹ là phổ biến nhất bởi nó chiếm 99,98%. Đây là một đồng vị ổn định có trong hạt nhất và chứa 1 Proton duy nhất. Vì vậy, số ít miêu tả gọi là Proti.
Đồng vị H² chiếm khoảng 0,0082 - 0,0184% và nó thường được gọi là Deuteri, ký hiệu là D. Đây là đồng vị không có tính phóng xạ, không có độc tính. Nước chứa nhiều đồng vị Deuteri này thường được gọi là nước nặng. Đồng vị này cùng với hợp chất của nó được dùng để đánh dấu đồng vị trong phòng thí nghiệm hóa sinh và trong dung môi dùng H¹ phổ quảng NMR. Đồng vị này có thể là nghiên liệu tiềm năng để tổng hợp hạt nhân thương mại.
Đồng vị H³ có tên gọi là Triti, trong hạt nhân có chứa 2 Notron và 1 Proton. Đồng vị này phân rã theo phóng xạ Beta và có chu kỳ bán phân rã là 12,32 năm. Nó được đưa vào ứng dụng trong sơn quang dạ nhờ tính phóng xạ. Trong tự nhiên, đồng vị H³ tồn tại với một lượng nhỏ do phản ứng xảy ra giữa các tia vũ trụ với các khí trong khí quyền.

Ngoài ra, các đồng vị H⁴ được tổng hợp khi bắn phá Triti bằng hạt nhân Deuteri chuyển động nhanh, nó có chu kỳ bán phân rã là 9,93696.10⁻²³s. Còn đồng vị H⁵ được phát hiện vào năm 2001 bằng cách bắn phá Hydrogen với các ion nặng, nó có chu kỳ bán phân rã là 3,26500.10⁻²²s. Đồng vị H⁶ có chu kỳ bán phân ra là 3,26500.10⁻²²s, còn đồng vị H⁷ được phát hiện năm 2003 tại phòng thí nghiệm Riken ở Nhật.

Hydrogen (H) là nguyên tố hóa học đầu tiên và nhẹ nhất trong bảng tuần hoàn. Năm 1671, Robert Boyle đã phát hiện phản ứng giữa sắt và acid tạo ra khí Hydrogen. Năm 1766, Henry Cavendish phát hiện Hydrogen là một chất riêng biệt và đặt tên là "khí có thể cháy".

Lịch sử phát hiện và sử dụng Hydrogen

Antoine Lavoisier năm 1783 đặt tên cho nguyên tố này và chứng minh nước được tạo ra từ Hydrogen và oxygen. Hydrogen có ứng dụng trong việc tạo lực nâng cho khinh khí cầu và tàu không khí lực nâng hydro. Nó cũng được hóa lỏng bởi James Dewar năm 1898. Deuteri và triti là các đồng vị của Hydrogen được phát hiện sau đó. Hydrogen cũng đã được sử dụng trong các quá trình oxi hóa kim loại và có thể tạo thành nước.

Các tính chất vật lý cơ bản của Hydrogen bao gồm:

Tính chất vật lý của Hydrogen là gì?

Trạng thái: Hydrogen là một nguyên tố không màu, không mùi và không vị. Ở điều kiện tiêu chuẩn (25 ⁰C và áp suất 1 atm), Hydrogen tồn tại dưới dạng khí và dễ bắt cháy.
Cấu trúc tinh thể: Hydrogen có cấu trúc tinh thể ở dạng lục phương.
Khối lượng nguyên tử: Khối lượng nguyên tử của Hydrogen là khoảng 1.008 amu (đơn vị khối nguyên tử). Đây là nguyên tố nhẹ nhất trong bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học.
Điểm sôi và điểm đông: Hydrogen có điểm sôi rất thấp, chỉ khoảng -252,87 ⁰C. Điểm đông của Hydrogen là -259,16 ⁰C. Điều này có nghĩa là Hydrogen có thể tồn tại dưới dạng chất lỏng và rắn ở nhiệt độ rất thấp.
Khối lượng riêng: Khối lượng của Hydrogen ở điều kiện tiêu chuẩn là khoảng 0,08988 g/cm³. Điều này làm cho Hydrogen trở thành một chất khí nhẹ.
Dung tích hơi: Hydrogen có dung tích hơi lớn, tức là nó chiếm nhiều không gian hơn so với trạng thái lỏng hoặc rắn. Điều này làm cho Hydrogen dễ bay hơi và dễ lan tỏa trong không khí.
Tính hòa tan: Hydrogen không hòa tan trong nước và các dung môi không phân cực khác. Tuy nhiên, nó có thể hòa tan trong một số dung môi hữu cơ như Ethanol và Ether.
Điện tích: Hydrogen là một nguyên tử không điện tích, tức là nó không mang điện tích dương hay âm. Điều này làm cho Hydrogen trở thành một nguyên tử không phân cực.

Ở điều kiện thời, các nguyên tử Hydrogen liên kết với nhau tạo thành các phân tử H₂, còn khi ở nhiệt độ cao, các phân tử H₂ sẽ tách thành các nguyên tử Hydrogen đơn. Ở điều kiện tiêu chuẩn, Hydrogen là một chất khí lưỡng nguyên tử, nó là một phi kim. Hydrogen xảy ra phản ứng hóa học với Oxygen, Copper oxide. Chi tiết như sau:

Tính chất hóa học của Hydrogen

Tác dụng với Oxi

Đưa ngọn lửa chỉ chứa Hydrogen vào trong lọ đựng có khí Oxygen, khi đó ta thu được phản ứng: Khi Hydrogen tiếp xúc với Oxygen ở nhiệt độ cao, ngọn lửa sẽ tiếp tục bùng chạy mạnh mẽ hơn. Bên cạnh đó, trên thành lộ chứa sẽ có những giọt nước nhỏ li ti. Khi đốt Hydrogen trong không khí, chúng ta cũng thu được những giọt nước như vậy.

2H₂ + O₂ → 2H₂O

Khí Hydrogen tác dụng với Oxygen ở nhiệt độ cao. Hỗn hợp khí Hydrogen và Oxygen là một hỗn hợp nổ và khi trộn với tỷ lệ 1:2 sẽ xảy ra phản ứng nổ mạnh nhất.

Tác dụng với Đồng oxit

Cho luồng khí Hydrogen ở dạng tinh khiết đi qua bột CuO. Sau đó, đem hỗn hợp đốt chạy ở nhiệt độ trên 400 ⁰C, ta thu được:

Ở điều kiện nhiệt độ thường, Hydrogen không xảy ra phản ứng hóa học với Đồng oxit
Nhưng khí được đốt cháy ở nhiệt độ cao trên 400 ⁰C, copper oxide có màu đen dần chuyển sang màu đỏ gạch và thu được Đồng nguyên chất.

H₂ (khí) + CuO (rắn) → H₂O (hơi) + Cu (rắn)

Như vậy, có thể thấy rằng, Hydrogen đã khử Đồng oxit để thế chỗ của nó liên kết với nguyên tố Oxygen. Phản ứng tạo ra kim loại đồng nguyên chất.

Dựa trên hai thí nghiệm trên, ta có thể kết luận rằng khí Hydrogen không chỉ có khả năng kết hợp với oxi đơn chất, mà còn có khả năng kết hợp với Oxygen trong một số Oxide kim loại khác, và tạo ra phản ứng tỏa nhiều nhiệt. Do đó, tính khử là một trong những tính chất hóa học quan trọng của Hydrogen.

Hydrogen (H) là nguyên tố phổ biến nhất trong vũ trụ, chiếm 75% khối lượng và hơn 90% số lượng nguyên tử của các vật chất thông thường. Nguyên tố này xuất hiện với số lượng lớn trong ngôi sao và hành tinh khí khổng lồ, và đám mây phân tử H₂ liên quan đến quá trình hình thành sao. Hydrogen đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp năng lượng cho ngôi sao thông qua các phản ứng proton-proton và chu trình tổng hợp hạt nhân CNO.

Trạng thái tự nhiên của Hydrogen (H)

Trong toàn vũ trụ, Hydrogen chủ yếu có mặt dưới dạng nguyên tử và plasma, có những đặc điểm khác biệt so với Hydrogen phân tử. Trạng thái plasma của Hydrogen xảy ra khi electron và proton không liên kết với nhau, tạo ra chất dẫn điện cao và phát xạ mạnh. Các hạt điện tích bị ảnh hưởng mạnh bởi từ trường và điện trường. Ví dụ, gió mặt trời tương tác với tầng quyển Trái Đất, gây tăng dòng Birkeland và hiện tượng Aurora. Hydrogen cũng được tìm thấy ở trạng thái nguyên tử trung hòa điện trong môi trường giữa các ngôi sao. Các hệ Lyman-alpha ràng buộc bị ảnh hưởng bởi Hydrogen được cho là chiếm ưu thế trong mật độ baryon của Vũ trụ với độ dịch chuyển đỏ z=4.

Tuy nhiên, trên Trái Đất, Hydrogen tồn tại rất ít trong khí quyển (tỉ lệ 1 ppm theo thể tích). Tuy vậy, Hydrogen là nguyên tố phổ biến thứ ba trên bề mặt Trái Đất, chủ yếu có mặt dưới dạng các hợp chất hóa học như nước và Hydrocacbon. Hydrogen được tạo ra bởi một số vi khuẩn và tảo, là thành phần tự nhiên của trung tiện dưới dạng metan, nguồn Hydrogen quan trọng ngày càng tăng. Các nguồn khác bao gồm chất hữu cơ lớn (bao gồm mọi dạng của các sinh vật sống hiện tại), than, nhiên liệu hóa thạch và khí tự nhiên. Metan (CH₄) là một nguồn Hydrogen quan trọng.

Trong phòng thí nghiệm, người ta điều chế Hydrogen bằng cho kim loại phản ứng (Ví dụ như Kẽm) với acid. Còn trong công nghiệp nhằm sản xuất Hydrogen với lượng lớn thì nó thường được điều chế từ khí tự nhiên. Bên cạnh đó, người ta cùng dùng phương pháp điện phân nước để sản xuất một loạt Hydrogen cực đơn giản. Các nhà khoa học vẫn đang nghiên cứu nhằm tìm ra các cách điều chế Hydrogen mới. Tiêu biểu như, sử dụng quang phân ly nước ở tảo lực nhằm sản xuất Hydrogen sinh sinh, hay dùng các chất xúc tác mới ở nhiệt độ thấp nhằm điều chế Hydrogen ở các dẫn xuất sinh học như: Glucose hay Sorbitol.

Cách điều chế và sản xuất Hydrogen (H)

Có nhiều cách để điều chế Hydrogen khác nhau như: Cho hơi nước qua than (Carbon) nóng đỏ; Tiến hành thủy phần Hidrocacbon bằng nhiệt độ cao; cho phản ứng của các Base kiềm mạnh trong dung dịch với Nhôm; hay điện phân nước hoặc khử từ acid loãng với kim loại bất kỳ.

Việc sản xuất Hydrogen khối lượng lớn nhằm phục vụ mục đích thương mại thường được dùng từ khí tự nhiên. Nó sẽ được điều chế bằng cách xử lý hơi nước nóng ở nhiệt độ cao từ 700 - 1100 ⁰C. Khi đó, hơi nước tác dụng với khí Methane đẻ sinh ra Carbon Monoxide và khí Hydrogen.

CH₄+H₂O ↔ CO + 3H₂ (Điều kiện: Có chất xúc tác Ni và nhiệt độ cao)

Dùng phương pháp điện phân dung dịch có màng ngăn, phản ứng hóa học xảy ra như sau:

2NaCl + 2H₂O ⟶ 2NaOH + H₂+ Cl₂

Dùng phương pháp điện phân nước, phản ứng xảy ra như sau:

2H₂O ⟶ 2H₂ + O₂

Điều chế khí Hydrogen bằng cách cho Carbon Monoxide tác dụng với nước, phản ứng hóa học xảy ra như sau:

CO + H₂O ⟶ CO₂+ H₂

Hydrogen là một nguyên tố có rất nhiều các ứng dụng khác nhau trong đời sống xã hội và các ngành sản xuất khác nhau. Dưới đây Admin sẽ phân tích các ứng dụng tiêu biểu và nổi bật nhất như sau:

Ứng dụng của Hydrogen (H) hiện nay

Nhiên liệu: Hydrogen được sử dụng như một nguồn nhiên liệu sạch trong việc sản xuất năng lượng. Hydrogen có thể đốt trong các động cơ đốt trong (ví dụ: xe hơi, máy bay) hoặc sử dụng trong các pin nhiên liệu để cung cấp điện năng cho các thiết bị di động.
Công nghiệp hóa chất: Hydrogen là thành phần quan trọng trong việc sản xuất nhiều hợp chất hóa học. Ví dụ, Hydrogen được sử dụng trong quá trình sản xuất Ammonia (NH₃) và Methanol (CH₃OH), hai chất cơ bản trong công nghiệp hóa chất.
Công nghiệp dầu khí: Hydrogen được sử dụng trong quá trình chế biến dầu mỏ và khí tự nhiên. Nó có thể được sử dụng để tạo ra Hydrogen hoá (hydrocracking) và thuốc nổ Hydrogen hoá (Hydrodesulfurization), hai quy trình quan trọng để sản xuất nhiên liệu và các sản phẩm dầu khí khác.
Truyền dẫn và lưu trữ năng lượng: Hydrogen có thể được sử dụng như một phương tiện để truyền dẫn và lưu trữ năng lượng. Chẳng hạn như, Hydrogen có thể được sử dụng trong công nghệ pin nhiên liệu để lưu trữ năng lượng và tạo điện năng.
Trong công nghệ viễn thông: Hydrogen được sử dụng trong việc làm lạnh các thiết bị điện tử, chẳng hạn như máy tính và điện thoại di động. Ngoài ra, Hydrogen cũng có thể được sử dụng để làm mát các máy phát sóng và thiết bị truyền thông khác.
Trong công nghệ không gian: Hydrogen được sử dụng như một chất chữa cháy trong các tàu vũ trụ và tên lửa. Nó cũng có thể được sử dụng trong việc tạo ra nhiệt và năng lượng cho các thiết bị và hệ thống không gian.

Khi sử dụng khí Hidro, chúng ta cần phải lưu ý một số vấn đề được cảnh báo như sau:

Một số cảnh báo cần biết khi sử dụng khí Hydrogen (H2)

Khả năng cháy: Hydrogen là một chất khí dễ cháy, có thể cháy khi mật độ chỉ đạt 4%. Điều này đặt ra nguy cơ cháy nổ khi xử lý và lưu trữ Hydrogen không đúng cách.
Phản ứng với Chlorine và Fluorine: Hydrogen có phản ứng mạnh với Chlorine và Fluorine, tạo thành các hydrochloric acid. Các acid này có thể gây tổn thương cho phổi và các bộ phận khác của cơ thể.
Nổ khi trộn với Oxy: Khi Hydrogen trộn với oxy và bị kích thích bằng lửa, nó có thể gây nổ. Điều này cần được lưu ý khi xử lý Hydrogen gần nguồn lửa hoặc các tác nhân gây cháy khác.
Nguy cơ nổ khi có dòng điện đi qua: Hydrogen cũng có khả năng nổ khi có dòng điện đi qua. Việc cách ly và đảm bảo an toàn trong các ứng dụng điện là rất quan trọng.
Mối nguy hiểm của Hydrogen lỏng: Hydrogen lỏng là một hỗn hợp lạnh và có thể gây tổn thương (như làm tê cóng) do chất lỏng rất lạnh. Cần cẩn trọng khi xử lý Hydrogen lỏng để tránh các vấn đề liên quan đến nhiệt độ.
Tác động đến kim loại: Hydrogen có khả năng hòa tan trong nhiều kim loại và khi rò rỉ, nó có thể gây ảnh hưởng xấu đến tính giòn và gây rạn nứt, thậm chí gây nổ.
Nguy cơ tự cháy: Khí Hydrogen rò rỉ vào không khí có thể tự cháy, tạo ra một mối nguy hiểm nếu không được xử lý đúng cách.
Khả năng gây bỏng: Hydrogen cháy ở nhiệt độ rất cao và hầu như không có màu sắc, điều này có thể gây bỏng khi không nhìn thấy được nguyên nhân.

Như vậy, qua tất cả thông tin được Admin cung cấp trong bài, các em không chỉ hiểu Hydrogen là gì? Các em còn có rất nhiều các kiến thức về tính chất vật lý, hóa học, trạng thái tự nhiên, cách điều chế, ứng dụng,... của Hidro. Hy vọng nó bổ ích và giúp các em học tập tốt hơn. Theo dõi Admin đã đón đọc các bài viết chia sẻ về các nguyên tố hóa học khác nữa nhé!