ไฮโดรเจน
![]() Purple glow in its plasma state | ||||||||||||||||||||||||||
ไฮโดรเจน | ||||||||||||||||||||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
รูปลักษณ์ | Colorless gas | |||||||||||||||||||||||||
Standard atomic weight Ar°(H) | ||||||||||||||||||||||||||
| ||||||||||||||||||||||||||
ไฮโดรเจนในตารางธาตุ | ||||||||||||||||||||||||||
| ||||||||||||||||||||||||||
เลขอะตอม (Z) | 1 | |||||||||||||||||||||||||
หมู่ | group 1: hydrogen and alkali metals | |||||||||||||||||||||||||
คาบ | คาบที่ 1 | |||||||||||||||||||||||||
บล็อก | บล็อก-s | |||||||||||||||||||||||||
การจัดเรียงอิเล็กตรอน | 1s1 | |||||||||||||||||||||||||
จำนวนอิเล็กตรอนต่อชั้น | 1 | |||||||||||||||||||||||||
สมบัติทางกายภาพ | ||||||||||||||||||||||||||
วัฏภาค ณ STP | gas | |||||||||||||||||||||||||
จุดหลอมเหลว | (H2) 13.99 K (−259.16 °C, −434.49 °F) | |||||||||||||||||||||||||
จุดเดือด | (H2) 20.271 K (−252.879 °C, −423.182 °F) | |||||||||||||||||||||||||
ความหนาแน่น (ณ STP) | 0.08988 g/L | |||||||||||||||||||||||||
เมื่อเป็นของเหลว (ณ m.p.) | 0.07 g/cm3 (solid: 0.0763 g/cm3)[2] | |||||||||||||||||||||||||
เมื่อเป็นของเหลว (ณ b.p.) | 0.07099 g/cm3 | |||||||||||||||||||||||||
Triple point | 13.8033 K, 7.041 kPa | |||||||||||||||||||||||||
Critical point | 32.938 K, 1.2858 MPa | |||||||||||||||||||||||||
ความร้อนแฝงของการหลอมเหลว | (H2) 0.117 kJ/mol | |||||||||||||||||||||||||
ความร้อนแฝงของการกลายเป็นไอ | (H2) 0.904 kJ/mol | |||||||||||||||||||||||||
ความจุความร้อนโมลาร์ | (H2) 28.836 J/(mol·K) | |||||||||||||||||||||||||
ความดันไอ
| ||||||||||||||||||||||||||
สมบัติเชิงอะตอม | ||||||||||||||||||||||||||
เลขออกซิเดชัน | −1, 0, +1 (ออกไซด์เป็นแอมโฟเทริก) | |||||||||||||||||||||||||
อิเล็กโตรเนกาทิวิตี | Pauling scale: 2.20 | |||||||||||||||||||||||||
พลังงานไอออไนเซชัน |
| |||||||||||||||||||||||||
รัศมีโคเวเลนต์ | 31±5 pm | |||||||||||||||||||||||||
รัศมีวานเดอร์วาลส์ | 120 pm | |||||||||||||||||||||||||
![]() | ||||||||||||||||||||||||||
สมบัติอื่น | ||||||||||||||||||||||||||
โครงสร้างผลึก | hexagonal | |||||||||||||||||||||||||
การนำความร้อน | 0.1805 W/(m⋅K) | |||||||||||||||||||||||||
ความเป็นแม่เหล็ก | diamagnetic[3] | |||||||||||||||||||||||||
Molar magnetic susceptibility | −3.98×10−6 cm3/mol (298 K)[4] | |||||||||||||||||||||||||
ความเร็วของเสียง | 1310 m/s (gas, 27 °C) | |||||||||||||||||||||||||
เลขทะเบียน CAS | 12385-13-6 1333-74-0 (H2) | |||||||||||||||||||||||||
ประวัติศาสตร์ | ||||||||||||||||||||||||||
การค้นพบ | Henry Cavendish[5][6] (1766) | |||||||||||||||||||||||||
Named by | Antoine Lavoisier[7] (1783) | |||||||||||||||||||||||||
ไอโซโทปของไฮโดรเจน | ||||||||||||||||||||||||||
| ||||||||||||||||||||||||||
ไฮโดรเจน (อังกฤษ: Hydrogen; ละติน: hydrogenium ไฮโดรเจเนียม) เป็นธาตุเคมีที่มีเลขอะตอม 1 สัญลักษณ์ธาตุคือ H มีน้ำหนักอะตอมเฉลี่ย 1.00794 u (1.007825 u สำหรับไฮโดรเจน-1) ไฮโดรเจนเป็นธาตุที่เบาที่สุดและพบมากที่สุดในเอกภพ ซึ่งคิดเป็นมวลธาตุเคมีประมาณร้อยละ 75 ของเอกภพ[8] ดาวฤกษ์ในลำดับหลักส่วนใหญ่ประกอบด้วยไฮโดรเจนในสถานะพลาสมา ธาตุไฮโดรเจนที่เกิดขึ้นเองตามธรรมชาติหาได้ค่อนข้างยากบนโลก
ไอโซโทปที่พบมากที่สุดของไฮโดรเจน คือ โปรเทียม (ชื่อพบใช้น้อย สัญลักษณ์ 1H) ซึ่งมีโปรตอนหนึ่งตัวแต่ไม่มีนิวตรอน ในสารประกอบไอออนิก โปรเทียมสามารถรับประจุลบ (แอนไอออนซึ่งมีชื่อว่า ไฮไดรด์ และเขียนสัญลักษณ์ได้เป็น H-) หรือกลายเป็นสปีซีประจุบวก H+ ก็ได้ แคตไอออนหลังนี้เสมือนว่ามีเพียงโปรตอนหนึ่งตัวเท่านั้น แต่ในความเป็นจริง แคตไอออนไฮโดรเจนในสารประกอบไอออนิกเกิดขึ้นเป็นสปีซีที่ซับซ้อนกว่าเสมอ ไฮโดรเจนเกิดเป็นสารประกอบกับธาตุส่วนใหญ่และพบในน้ำและสารประกอบอินทรีย์ส่วนมาก ไฮโดรเจนเป็นส่วนสำคัญในการศึกษาเคมีกรด–เบส โดยมีหลายปฏิกิริยาแลกเปลี่ยนโปรตอนระหว่างโมเลกุลละลายได้ เพราะเป็นอะตอมที่เรียบง่ายที่สุดเท่าที่ทราบ อะตอมไฮโดรเจนจึงได้ใช้ในทางทฤษฎี ตัวอย่างเช่น เนื่องจากเป็นอะตอมที่เป็นกลางทางไฟฟ้าเพียงชนิดเดียวที่มีผลเฉลยเชิงวิเคราะห์ของสมการชเรอดิงเงอร์ การศึกษาการพลังงานและพันธะของอะตอมไฮโดรเจนได้มีบทบาทสำคัญในการพัฒนากลศาสตร์ควอนตัม
มีการสังเคราะห์แก๊สไฮโดรเจนขึ้นเป็นครั้งแรกในต้นคริสต์ศตวรรษที่ 16 โดยการผสมโลหะกับกรดแก่ ระหว่าง ค.ศ. 1766-1781 เฮนรี คาเวนดิชเป็นคนแรกที่สังเกตพบว่า แก๊สไฮโดรเจนเป็นสสารชนิดหนึ่งต่างหาก[9] และจะให้น้ำเมื่อนำไปเผาไหม้ ซึ่งคุณสมบัตินี้เองที่ได้กลายมาเป็นชื่อของไฮโดรเจน ซึ่งเป็นภาษากรีก หมายถึง "ตัวก่อให้เกิดน้ำ" ที่อุณหภูมิและความดันมาตรฐาน ไฮโดรเจนไร้สี ไร้กลิ่น เป็นอโลหะ ไร้รส ไม่มีพิษ และเป็นแก๊สไดอะตอมที่ไวไฟสูง มีสูตรโมเลกุลคือ H2
การผลิตไฮโดรเจนในเชิงอุตสาหกรรมมาจากการนำแก๊สธรรมชาติมาผ่านกระบวนการรีฟอร์มมิงด้วยไอน้ำ (steam reforming) เป็นหลัก และจากวิธีการผลิตไฮโดรเจนที่ต้องใช้พลังงานสูงกว่า เช่น การแยกน้ำด้วยไฟฟ้า[10] ไฮโดรเจนส่วนใหญ่ใช้สอยกันใกล้จุดผลิต กระบวนการเชื้อเพลิงซากดึกดำบรรพ์ (นั่นคือไฮโดรแครกกิง) และการผลิตแอมโมเนีย ซึ่งส่วนใหญ่สำหรับตลาดปุ๋ย เป็นภาคที่มีการใช้ไฮโดรเจนมากที่สุด
ไฮโดรเจนเป็นความกังวลหนึ่งในโลหะวิทยา เพราะไฮโดรเจนสามารถทำให้โลหะหลายชนิดเปราะได้[11] ซึ่งทำให้เป็นการยากขึ้นในการออกแบบสายท่อและถังเก็บ[12]
คุณสมบัติ
[แก้]การเผาไหม้
[แก้]แก๊สไฮโดรเจน (ไดไฮโดรเจนหรือโมเลกุลไฮโดรเจน)[13] ไวไฟสูงและจะเผาไหม้ในอากาศที่มีช่วงความเข้มข้นกว้างมากระหว่างร้อยละ 4 ถึง 75 โดยปริมาตร[14] เอนทัลปีของการเผาไหม้สำหรับไฮโดรเจนคือ -286 กิโลจูลต่อโมล (kJ/mol) [15]
- 2 H2 (g) + O2 (g) → 2 H2O (l) + 572 kJ (286 kJ/mol) [note 1]
แก๊สไฮโดรเจนก่อตัวเป็นสารผสมระเบิดกับอากาศหากมีความเข้มข้นร้อยละ 4–74 และกับคอลรีนหากมีความเข้มข้นร้อยละ 5–95 สารผสมนี้จะระเบิดขึ้นเองตามธรรมชาติเมื่อต้องประกายไฟ ความร้อนหรือแสงอาทิตย์ อุณหภูมิจุดระเบิดเองของไฮโดรเจน อุณหภูมิการติดไฟเองในอากาศ คือ 500 °C[16] เปลวไฟไฮโดรเจน–ออกซิเจนบริสุทธิ์ปลดปล่อยแสงอัลตราไวโอเล็ตและมองด้วยตาเปล่าแทบไม่เห็น เปรียบเทียบได้จากเปลวไฟสีจางของเครื่องยนต์หลักกระสวยอวกาศ กับเปลวไฟที่มองเห็นได้ชัดเจนของจรวดเชื้อเพลิงแข็งกระสวยอวกาศ การตรวจจับการรั่วไหลของไฮโดรเจนที่กำลังเผาไหม้อาจต้องใช้อุปกรณ์ตรวจจับเปลวไฟ การรั่วไหลเช่นนี้อาจเป็นอันตรายได้มาก เรือเหาะฮินเดนบวร์กเป็นตัวอย่างของการเผาไหม้ไฮโดรเจน สาเหตุนั้นยังเป็นที่โต้เถียงกันอยู่ แต่เปลวไฟที่มองเห็นได้นั้นเป็นผลของวัตถุไวไฟในผิวของเรือ[17] เพราะไฮโดรเจนลอยตัวในอากาศ เปลวไฟไฮโดรเจนจึงลอยขึ้นสูงอย่างรวดเร็วและก่อให้เกิดความเสียหายน้อยกว่าเปลวไฟไฮโดรคาร์บอนมาก ผู้โดยสารเรือเหาะฮินเดนบวร์กสองในสามรอดชีวิตจากเหตุไฟไหม้ และการเสียชีวิตจำนวนมากนั้นเกิดจากการตกหรือเชื้อเพลิงดีเซลที่เผาไหม้มากกว่า[18]
H2 ทำปฏิกิริยากับธาตุออกซิไดซ์ทุกชนิด ไฮโดรเจนสามารถเกิดปฏิกิริยาตามธรรมชาติอย่างรุนแรงที่อุณหภูมิห้องกับคลอรีนและฟลูออรีน เกิดเป็นเฮไลด์ของไฮโดรเจน คือ ไฮโดรเจนคลอไรด์กับไฮโดรเจนฟลูออไรด์ตามลำดับ ซึ่งมีศักยะเป็นกรดอันตราย[19]
ระดับพลังงานอิเล็กตรอน
[แก้]ระดับพลังงานที่สถานะพื้นของอิเล็กตรอนในอะตอมไฮโดรเจนมีค่าเท่ากับ -13.6 eV ซึ่งมีค่าเท่ากับโฟตอนจากรังสีอัลตราไวโอเล็ต ที่มีความยาวคลื่น 92 นาโนเมตร[20]
ระดับพลังงานของไฮโดรเจนสามารถคำนวณได้จากแบบจำลองอะตอมของบอร์ ซึ่งได้ลงรายละเอียดเกี่ยวกับอิเล็กตรอนที่วิ่งไปรอบๆโปรตอนเหมือนกับที่โลกโคจรรอบดวงอาทิตย์ ถึงอย่างนั้น แรงแม่เหล็กไฟฟ้าที่เชื่อมระหว่างโปรตอนและอิเล็กตรอนกับอะตอมไฮโดรเจนอื่น ขณะที่ดาวเคราะห์และเทหวัตถุในอวกาศเชื่อมกับวัตถุอื่นโดยแรงโน้มถ่วง เนื่องด้วยการแบ่งของโมเมนตัมเชิงมุม ซึ่งถูกตั้งสมมติฐานไว้ในกลศาสตร์ควอนตัมโดยบอร์ อิเล็กตรอนในแบบจำลองของบอร์เท่านั้นที่สามารถรักษาระยะห่างจากโปรตอนไว้ได้ ด้วยพลังงานบางชนิด[21]
รายละเอียดที่แน่นอนของอะตอมไฮโดรเจนมาจากกลศาสตร์ควอนตัมบริสุทธิ์ซึ่งเกิดจากการใช้สมการชเรอดิงเงอร์ สมการดีแรก เพื่อคำนวณความเป็นไปได้ของความหนาแน่นของอิเล็กตรอนที่อยู่รอบโปรตอน[22] การคำนวณอย่างซับซ้อนที่สุดอนุญาตให้มีผลกระทบเล็กน้อยของสัมพัทธภาพพิเศษและโพลาไรซ์สุญญากาศ
สถานะของไฮโดรเจน
[แก้]สารประกอบไฮโดรเจน
[แก้]สารประกอบโควาเลนต์และสารประกอบอินทรีย์
[แก้]เนื่องด้วยไฮโดรเจนไม่ได้ว่องไวในการทำปฏิกิริยามากในภาวะมาตรฐาน แต่มันสามารถทำสารประกอบกับธาตุได้ส่วนมาก ไฮโดรเจนสามารถทำสารประกอบกับธาตุที่มีอิเล็กโตรเนกาติวิตีสูง เช่น แฮโลเจน (F, Cl, Br, I) หรือออกซิเจน ในสารประกอบเหล่านี้ไฮโดรเจนแสดงส่วนของประจุบวก[23] เมื่อมีพันธะกับธาตุที่มีประจุลบมากกว่า โดยเฉพาะฟลูออรีน ออกซิเจน หรือไนโตรเจน ไฮโดรเจนสามารถมีส่วนร่วมในรูปแบบของพันธะที่ไม่ใช่พันธะโควาเลนต์ ที่มีความแข็งแรงปานกลางกับธาตุที่มีประจุลบอื่นซึ่งมีอิเล็กตรอนคู่โดดเดี่ยว ซึ่งเรียกปรากฏการณ์นี้ว่าพันธะไฮโดรเจน ซึ่งมีความสำคัญอย่างมากกับเสถียรภาพของโมเลกุลชีวภาพจำนวนมาก[24][25] ไฮโดรเจนยังรวมตัวเป็นสารประกอบกับธาตุที่มีประจุลบน้อยกว่าเช่น โลหะ และกึ่งโลหะ ซึ่งไฮโดรเจนจะแสดงส่วนของประจุลบ สารประกอบเหล่านี้มักถูกเรียกว่าไฮไดรด์[26]
![]() | ส่วนนี้รอเพิ่มเติมข้อมูล คุณสามารถช่วยเพิ่มข้อมูลส่วนนี้ได้ |
ประวัติ
[แก้]ไฮโดรเจนถูกรับรองว่ามีอยู่จริงครั้งแรกโดยเฮนรี คาเวนดิช ในปี ค.ศ. 1766 คาเวนดิชค้นพบมันระหว่างทำการทดลองระหว่างกรดกับปรอท แต่เขาสันนิษฐานผิดพลาดว่าไฮโดรเจนนั้นเป็นสารประกอบของปรอท แต่เขาก็ยังสามารถบรรยายคุณสมบัติต่าง ๆ ของไฮโดรเจนได้อย่างถูกต้อง ต่อมา อองตวน ลาวัวซิเอได้ตั้งชื่อให้กับธาตุนี้ว่าไฮโดรเจน และพิสูจน์ว่าไฮโดรเจนและออกซิเจนเป็นส่วนประกอบของน้ำ ไฮโดรเจนถูกใช้ประโยชน์ครั้งแรกในการบรรจุในบอลลูน ไฮโดรเจนสามารถเตรียมได้จากการผสมกรดซัลฟิวริกกับเหล็ก ดิวเทอเรียมซึ่งเป็นไอโซโทปของไฮโดรเจน ถูกค้นพบโดย แฮโรลด์ ซี. อูเรย์ (Harold C. Urey) โดยการกลั่นน้ำหลาย ๆ ครั้ง อูเรย์ได้รับรางวัลโนเบลจากการค้นพบของเขาในปี ค.ศ. 1934 ในปีเดียวกันนั้น มีการค้นพบทริเทียม ไอโซโทปชนิดที่สามของไฮโดรเจน
การนำไปใช้ประโยชน์
[แก้]- การใช้กับรถยนต์ เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการเผาไหม้
- ใช้ในกระบวนการ ไฮโดรจีเนชั่น (Hydrogenation) เพื่อสังเคราะห์น้ำมันพืชและน้ำมันจากสัตว์
- ใช้ร่วมกับ คลอรีน เพื่อผลิตไฮโดรเจนคลอไรด์
- ใช้ร่วมกับออกซิเจน ในการตัดชิ้นงานใต้น้ำ
- ไฮโดรเจนเหลวใช้เป็นเชื้อเพลิงของจรวดและเป็นส่วนผสมสำคัญในการสร้างปฏิกิริยานิวเคลียร์
ศัพท์เฉพาะของไฮโดรเจน
[แก้]- เป็นชื่อของธาตุชนิดหนึ่ง
- "H dot" เป็นชื่อเรียกของโมเลกุลชนิดหนึ่งที่พบมากในอวกาศ แต่ไม่พบในโลก
- โมเลกุล 2 อะตอม ที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติบนบรรยากาศโลก ทางเคมีสามารถเขียนได้ H2 เรียกว่า ไดไฮโดรเจน เพื่อประโยชน์ในการแบ่งแยกกับสารอื่น
หมายเหตุ
[แก้]- ↑ 286 kJ/mol: พลังงานต่อโมลของวัตถุไวไฟ (ไฮโดรเจน)
อ้างอิง
[แก้]- ↑ "Standard Atomic Weights: Hydrogen". CIAAW. 2009.
- ↑ Wiberg, Egon; Wiberg, Nils; Holleman, Arnold Frederick (2001). Inorganic chemistry. Academic Press. p. 240. ISBN 978-0123526519.
- ↑ Lide, D. R., บ.ก. (2005). "Magnetic susceptibility of the elements and inorganic compounds". CRC Handbook of Chemistry and Physics (PDF) (86th ed.). Boca Raton (FL): CRC Press. ISBN 978-0-8493-0486-6.
- ↑ Weast, Robert (1984). CRC, Handbook of Chemistry and Physics. Boca Raton, Florida: Chemical Rubber Company Publishing. pp. E110. ISBN 978-0-8493-0464-4.
- ↑ "Hydrogen". Van Nostrand's Encyclopedia of Chemistry. Wylie-Interscience. 2005. pp. 797–799. ISBN 978-0-471-61525-5.
- ↑ Emsley, John (2001). Nature's Building Blocks. Oxford: Oxford University Press. pp. 183–191. ISBN 978-0-19-850341-5.
- ↑ Stwertka, Albert (1996). A Guide to the Elements. Oxford University Press. pp. 16–21. ISBN 978-0-19-508083-4.
- ↑ Palmer, D. (13 September 1997). "Hydrogen in the Universe". NASA. สืบค้นเมื่อ 2008-02-05. Note that most of the universe's mass is not in the form of chemical elements, however. See dark matter and dark energy
- ↑ Presenter: Professor Jim Al-Khalili (2010-01-21). "Discovering the Elements". Chemistry: A Volatile History. 25:40 นาที. BBC. BBC Four.
- ↑ "Hydrogen Basics — Production". Florida Solar Energy Center. 2007. สืบค้นเมื่อ 2008-02-05.
- ↑ Rogers, H.C. (1999). "Hydrogen Embrittlement of Metals". Science. 159 (3819): 1057–1064. Bibcode:1968Sci...159.1057R. doi:10.1126/science.159.3819.1057. ISSN 0036-8075. PMID 17775040.
- ↑ Christensen, C.H.; Nørskov, J.K.; Johannessen, T. (9 July 2005). "Making society independent of fossil fuels — Danish researchers reveal new technology". Technical University of Denmark. สืบค้นเมื่อ 2008-03-28.
- ↑ "Dihydrogen". O=CHem Directory. University of Southern Maine. คลังข้อมูลเก่าเก็บจากแหล่งเดิมเมื่อ 2012-12-24. สืบค้นเมื่อ 2009-04-06.
- ↑ Carcassi, M.N.; Fineschi, F. (2005). "Deflagrations of H2–air and CH4–air lean mixtures in a vented multi-compartment environment". Energy. 30 (8): 1439–1451. doi:10.1016/j.energy.2004.02.012.
- ↑ The Hydrogen Economy: Opportunities, Costs, Barriers, and R&D Needs. Committee on Alternatives and Strategies for Future Hydrogen Production and Use, US National Research Council, US National Academy of Engineering. National Academies Press. 2004. p. 240. ISBN 0-309-09163-2.
- ↑ Patnaik, P (2007). A comprehensive guide to the hazardous properties of chemical substances. Wiley-Interscience. p. 402. ISBN 0-471-71458-5.
- ↑ Dziadecki, J. (2005). "Hindenburg Hydrogen Fire". สืบค้นเมื่อ 2007-01-16.
- ↑ Kelly, M. "The Hindenburg Disaster". About.com:American history. สืบค้นเมื่อ 2009-08-08.
- ↑ Clayton, D.D. (2003). Handbook of Isotopes in the Cosmos: Hydrogen to Gallium. Cambridge University Press. ISBN 0-521-82381-1.
- ↑ Millar, Tom (10 December 2003). "Lecture 7, Emission Lines — Examples". PH-3009 (P507/P706/M324) Interstellar Physics. University of Manchester. คลังข้อมูลเก่าเก็บจากแหล่งเดิมเมื่อ 2011-11-16. สืบค้นเมื่อ 12 May 2020.
- ↑ Stern, David P. (16 May 2005). "The Atomic Nucleus and Bohr's Early Model of the Atom". NASA Goddard Space Flight Center (mirror). สืบค้นเมื่อ 20 December 2007.
- ↑ Stern, David P. (13 February 2005). "Wave Mechanics". NASA Goddard Space Flight Center. คลังข้อมูลเก่าเก็บจากแหล่งเดิมเมื่อ 2008-05-13. สืบค้นเมื่อ 16 April 2008.
- ↑ Clark, J. (2002). "The Acidity of the Hydrogen Halides". Chemguide. คลังข้อมูลเก่าเก็บจากแหล่งเดิมเมื่อ 20 February 2008. สืบค้นเมื่อ 9 March 2008.
- ↑ Kimball, J. W. (7 August 2003). "Hydrogen". Kimball's Biology Pages. คลังข้อมูลเก่าเก็บจากแหล่งเดิมเมื่อ 4 March 2008. สืบค้นเมื่อ 4 March 2008.
- ↑ IUPAC Compendium of Chemical Terminology, Electronic version, Hydrogen Bond เก็บถาวร 19 มีนาคม 2008 ที่ เวย์แบ็กแมชชีน
- ↑ Sandrock, G. (2 May 2002). "Metal-Hydrogen Systems". Sandia National Laboratories. คลังข้อมูลเก่าเก็บจากแหล่งเดิมเมื่อ 24 February 2008. สืบค้นเมื่อ 23 March 2008.