ไฮโดรเจน

ไฮโดรเจน (อังกฤษ: Hydrogen; ละติน: hydrogenium ไฮโดรเจเนียม) เป็นธาตุเคมีที่มีเลขอะตอม 1 สัญลักษณ์ธาตุคือ H มีน้ำหนักอะตอมเฉลี่ย 1.00794 u (1.007825 u สำหรับไฮโดรเจน-1) ไฮโดรเจนเป็นธาตุที่เบาที่สุดและพบมากที่สุดในเอกภพ ซึ่งคิดเป็นมวลธาตุเคมีประมาณร้อยละ 75 ของเอกภพ ดาวฤกษ์ในลำดับหลักส่วนใหญ่ประกอบด้วยไฮโดรเจนในสถานะพลาสมา ธาตุไฮโดรเจนที่เกิดขึ้นเองตามธรรมชาติหาได้ค่อนข้างยากบนโลก

ไฮโดรเจน
1H - ↑ H ↓ Li - ← ไฮโดรเจน → ฮีเลียม
ไฮโดรเจนในตารางธาตุ
ลักษณะปรากฏ
แก๊สไม่มีสี ไฮโดรเจนเรืองแสงสีม่วงขณะอยู่ในสถานะพลาสมา เส้นสเปคตรัมของไฮโดรเจน
คุณสมบัติทั่วไป
ชื่อ สัญลักษณ์ และเลขอะตอม	ไฮโดรเจน, H, 1
การออกเสียง	/ˈhaɪdrədʒən/ hy-drə-jən
อนุกรมเคมี	อโลหะวาเลนซ์เดียว
หมู่ คาบและบล็อก	1, 1, s
มวลอะตอมมาตรฐาน	1.008(1)
การจัดเรียงอิเล็กตรอน	1s^1 1
ประวัติ
การค้นพบ	เฮนรี คาเวนดิช (1766)
ตั้งชื่อโดย	อองตวน ลาวัวซิเอ (1783)
คุณสมบัติกายภาพ
สี	ไม่มีสี
สถานะ	แก๊ส
ความหนาแน่น	(0 °C, 101.325 kPa) 0.08988 g/L
ความหนาแน่นของเหลวที่จุดหลอมเหลว	0.07 (ของแข็ง 0.0763) g·cm^−3
ความหนาแน่นของเหลวที่จุดเดือด	0.07099 g·cm^−3
จุดหลอมเหลว	13.99 K, -259.16 °C, -434.49 °F
จุดเดือด	20.271 K, -252.879 °C, -423.182 °F
จุดร่วมสาม	13.8033 K, 7.041 kPa
จุดวิกฤต	32.938 K, 1.2858 MPa
ความร้อนของการหลอมเหลว	(H2) 0.117 kJ·mol^−1
ความร้อนของการกลายเป็นไอ	(H2) 0.904 kJ·mol^−1
ความจุความร้อนโมลาร์	(H2) 28.836 J·mol^−1·K^−1
ความดันไอ
P (Pa) 1 10 100 1 k 10 k 100 k ที่ T (K) 15 20
คุณสมบัติอะตอม
สถานะออกซิเดชัน	1, -1 (amphoteric oxide)
อิเล็กโตรเนกาติวิตี	2.20 (Pauling scale)
พลังงานไอออไนเซชัน	: 1312.0 kJ·mol^−1
รัศมีโควาเลนต์	31±5 pm
รัศมีวานเดอร์วาลส์	120 pm
จิปาถะ
โครงสร้างผลึก	เฮกซะโกนัล
ความเป็นแม่เหล็ก	ไดอะแมกเนติก
สภาพนำความร้อน	0.1805 W·m^−1·K^−1
ความเร็วเสียง	(แก๊ส, 27 °C) 1310 m·s^−1
เลขทะเบียน CAS	1333-74-0
ไอโซโทปเสถียรที่สุด
บทความหลัก: ไอโซโทปของไฮโดรเจน
ไอโซโทป NA ครึ่งชีวิต DM DE (MeV) DP ^1H 99.985% H เสถียร โดยมี 0 นิวตรอน ^2H 0.015% H เสถียร โดยมี 1 นิวตรอน ^3H trace 12.32 y β^− 0.01861 ^3He
ด ค ก
อ้างอิง

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. 1766-81 เฮนรี คาเวนดิชเป็นคนแรกที่สังเกตพบว่า แก๊สไฮโดรเจนเป็นสสารชนิดหนึ่งต่างหาก และจะให้น้ำเมื่อนำไปเผาไหม้ ซึ่งคุณสมบัตินี้เองที่ได้กลายมาเป็นชื่อของไฮโดรเจน ซึ่งเป็นภาษากรีก หมายถึง "ตัวก่อให้เกิดน้ำ" ที่อุณหภูมิและความดันมาตรฐาน ไฮโดรเจนไร้สี ไร้กลิ่น เป็นอโลหะ ไร้รส ไม่มีพิษ และเป็นแก๊สไดอะตอมที่ไวไฟสูง มีสูตรโมเลกุลว่า H₂

เล่นมีเดีย

สเปกตรัมไฮโดรเจน

การผลิตไฮโดรเจนในเชิงอุตสาหกรรมมาจากการนำแก๊สธรรมชาติมาผ่านกระบวนการรีฟอร์มมิงด้วยไอน้ำ (steam reforming) เป็นหลัก และจากวิธีการผลิตไฮโดรเจนที่ต้องใช้พลังงานสูงกว่า เช่น การแยกน้ำด้วยไฟฟ้า ไฮโดรเจนส่วนใหญ่ใช้สอยกันใกล้จุดผลิต กระบวนการเชื้อเพลิงซากดึกดำบรรพ์ (นั่นคือไฮโดรแครกกิง) และการผลิตแอมโมเนีย ซึ่งส่วนใหญ่สำหรับตลาดปุ๋ย เป็นภาคที่มีการใช้ไฮโดรเจนมากที่สุด

ไฮโดรเจนเป็นความกังวลหนึ่งในโลหะวิทยา เพราะไฮโดรเจนสามารถทำให้โลหะหลายชนิดเปราะได้ ซึ่งทำให้เป็นการยากขึ้นในการออกแบบสายท่อและถังเก็บ

คุณสมบัติ

การเผาไหม้

แก๊สไฮโดรเจน (ไดไฮโดรเจนหรือโมเลกุลไฮโดรเจน) ไวไฟสูงและจะเผาไหม้ในอากาศที่มีช่วงความเข้มข้นกว้างมากระหว่างร้อยละ 4 ถึง 75 โดยปริมาตร เอนทัลปีของการเผาไหม้สำหรับไฮโดรเจนคือ -286 กิโลจูลต่อโมล (kJ/mol)

2 H₂ (g) + O₂ (g) → 2 H₂O (l) + 572 kJ (286 kJ/mol)

แก๊สไฮโดรเจนก่อตัวเป็นสารผสมระเบิดกับอากาศหากมีความเข้มข้นร้อยละ 4-74 และกับคอลรีนหากมีความเข้มข้นร้อยละ 5-95 สารผสมนี้จะระเบิดขึ้นเองตามธรรมชาติเมื่อต้องประกายไฟ ความร้อนหรือแสงอาทิตย์ อุณหภูมิจุดระเบิดเองของไฮโดรเจน อุณหภูมิการติดไฟเองในอากาศ คือ 500 °C เปลวไฟไฮโดรเจน-ออกซิเจนบริสุทธิ์ปลดปล่อยแสงอัลตราไวโอเล็ตและแทบมองด้วยตาเปล่าไม่เห็น เปรียบเทียบได้จากเปลวไฟสีจางของเครื่องยนต์หลักกระสวยอวกาศ กับเปลวไฟที่มองเห็นได้ชัดเจนของจรวดเชื้อเพลิงแข็งกระสวยอวกาศ การตรวจจับการรั่วไหลของไฮโดรเจนที่กำลังเผาไหม้อาจต้องใช้อุปกรณ์ตรวจจับเปลวไฟ การรั่วไหลเช่นนี้อาจเป็นอันตรายได้มาก เรือเหาะฮินเดนบวร์กเป็นตัวอย่างของการเผาไหม้ไฮโดรเจน สาเหตุนั้นยังเป็นที่โต้เถียงกันอยู่ แต่เปลวไฟที่มองเห็นได้นั้นเป็นผลของวัตถุไวไฟในผิวของเรือ เพราะไฮโดรเจนลอยตัวในอากาศ เปลวไฟไฮโดรเจนจึงลอยขึ้นสูงอย่างรวดเร็วและก่อให้เกิดความเสียหายน้อยกว่าเปลวไฟไฮโดรคาร์บอนมาก ผู้โดยสารเรือเหาะฮินเดนบวร์กสองในสามรอดชีวิตจากเหตุไฟไหม้ และการเสียชีวิตจำนวนมากนั้นกลับเกิดจากการตกหรือเชื้อเพลิงดีเซลที่เผาไหม้มากกว่า

H₂ ทำปฏิกิริยากับธาตุออกซิไดซ์ทุกชนิด ไฮโดรเจนสามารถเกิดปฏิกิริยาตามธรรมชาติอย่างรุนแรงที่อุณหภูมิห้องกับคลอรีนและฟลูออรีน เกิดเป็นเฮไลด์ของไฮโดรเจน คือ ไฮโดรเจนคลอไรด์กับไฮโดรเจนฟลูออไรด์ตามลำดับ ซึ่งมีศักยะเป็นกรดอันตราย

ระดับพลังงานอิเล็กตรอน

ดูบทความหลักที่: อะตอมไฮโดรเจน

ระดับพลังงานที่สถานะพื้นของอิเล็กตรอนในอะตอมไฮโดรเจนมีค่าเท่ากับ –13.6 eV ซึ่งมีค่าเท่ากับโฟตอนจากรังสีอุลตราไวโอเล็ต ที่มีความยาวคลื่น 92 นาโนเมตร

ระดับพลังงานของไฮโดรเจนสามารถคำนวณได้จากแบบจำลองอะตอมของบอร์ ซึ่งได้ลงรายละเอียดเกี่ยวกับอิเล็กตรอนที่วิ่งไปรอบๆโปรตอนเหมือนกับที่โลกโคจรรอบดวงอาทิตย์ ถึงอย่างนั้น แรงแม่เหล็กไฟฟ้าที่เชื่อมระหว่างโปรตอนและอิเล็กตรอนกับอะตอมไฮโดรเจนอื่น ขณะที่ดาวเคราะห์และเทหวัตถุในอวกาศเชื่อมกับวัตถุอื่นโดยแรงโน้มถ่วง เนื่องด้วยการแบ่งของโมเมนตัมเชิงมุม ซึ่งถูกตั้งสมมติฐานไว้ในกลศาสตร์ควอนตัมโดยบอร์ อิเล็กตรอนในแบบจำลองของบอร์เท่านั้นที่สามารถรักษาระยะห่างจากโปรตอนไว้ได้ ด้วยพลังงานบางชนิด

รายละเอียดที่แน่นอนของอะตอมไฮโดรเจนมาจากกลศาสตร์ควอนตัมบริสุทธิ์ซึ่งเกิดจากการใช้สมการชเรอดิงเงอร์ สมการดีแรก เพื่อคำนวณความเป็นไปได้ของความหนาแน่นของอิเล็กตรอนที่อยู่รอบโปรตอน การคำนวณอย่างซับซ้อนที่สุดอนุญาตให้มีผลกระทบเล็กน้อยของสัมพัทธภาพพิเศษและโพลาไรซ์สุญญากาศ

สถานะของไฮโดรเจน

• ไฮโดรเจนบีบอัด
• ไฮโดรเจนเหลว
• โคลนไฮโดรเจน
• ไฮโดรเจนแข็ง
• โลหะไฮโดรเจน

สารประกอบไฮโดรเจน

ดูบทความหลักที่: สารประกอบของไฮโดรเจน

สารประกอบโควาเลนต์และสารประกอบอินทรีย์

เนื่องด้วยไฮโดรเจนไม่ได้ว่องไวในการทำปฏิกิริยามากในภาวะมาตรฐาน แต่มันสามารถทำสารประกอบกับธาตุได้ส่วนมาก ไฮโดรเจนสามารถทำสารประกอบกับธาตุที่มีอิเล็กโตรเนกาติวิตีสูง เช่น แฮโลเจน (F, Cl, Br, I) หรือออกซิเจน ในสารประกอบเหล่านี้ไฮโดรเจนแสดงส่วนของประจุบวก เมื่อมีพันธะกับธาตุที่มีประจุลบมากกว่า โดยเฉพาะฟลูออรีน, ออกซิเจน หรือไนโตรเจน ไฮโดรเจนสามารถมีส่วนร่วมในรูปแบบของพันธะที่ไม่ใช่พันธะโควาเลนต์ ที่มีความแข็งแรงปานกลางกับธาตุที่มีประจุลบอื่นซึ่งมีอิเล็กตรอนคู่โดดเดี่ยว ซึ่งเรียกปรากฏการณ์นี้ว่าพันธะไฮโดรเจน ซึ่งมีความสำคัญอย่างมากกับเสถียรภาพของโมเลกุลชีวภาพจำนวนมาก ไฮโดรเจนยังรวมตัวเป็นสารประกอบกับธาตุที่มีประจุลบน้อยกว่าเช่น โลหะ และกึ่งโลหะ ซึ่งไฮโดรเจนจะแสดงส่วนของประจุลบ สารประกอบเหล่านี้มักถูกเรียกว่าไฮไดรด์

ประวัติ

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

• การใช้กับรถยนต์ เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการเผาไหม้

• ใช้ในกระบวนการ ไฮโดรจีเนชั่น (Hydrogenation) เพื่อสังเคราะห์น้ำมันพืชและน้ำมันจากสัตว์
• ใช้ร่วมกับ คลอรีน เพื่อผลิตไฮโดรเจนคลอไรด์
• ใช้ร่วมกับออกซิเจน ในการตัดชิ้นงานใต้น้ำ
• ไฮโดรเจนเหลวใช้เป็นเชื้อเพลิงของจรวดและเป็นส่วนผสมสำคัญในการสร้างปฏิกิริยานิวเคลียร์

ศัพท์เฉพาะของไฮโดรเจน

• เป็นชื่อของธาตุชนิดหนึ่ง
• "H dot" เป็นชื่อเรียกของโมเลกุลชนิดหนึ่งที่พบมากในอวกาศ แต่ไม่พบในโลก
• โมเลกุล 2 อะตอม ที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติบนบรรยากาศโลก ทางเคมีสามารถเขียนได้ H₂ เรียกว่า ไดไฮโดรเจน เพื่อประโยชน์ในการแบ่งแยกกับสารอื่น

หมายเหตุ

1. 286 kJ/mol: พลังงานต่อโมลของวัตถุไวไฟ (ไฮโดรเจน)

อ้างอิง

1. Simpson, J.A.; Weiner, E.S.C. (1989). "Hydrogen". Oxford English Dictionary. 7 (2nd ed.). Clarendon Press. ISBN 0-19-861219-2.
2. "Hydrogen". Van Nostrand's Encyclopedia of Chemistry. Wylie-Interscience. 2005. pp. 797–799. ISBN 0-471-61525-0.
3. Emsley, John (2001). Nature's Building Blocks. Oxford: Oxford University Press. pp. 183–191. ISBN 0-19-850341-5.
4. Stwertka, Albert (1996). A Guide to the Elements. Oxford University Press. pp. 16–21. ISBN 0-19-508083-1.
5. Wiberg, Egon; Wiberg, Nils; Holleman, Arnold Frederick (2001). Inorganic chemistry. Academic Press. p. 240. ISBN 0123526515.
6. "Magnetic susceptibility of the elements and inorganic compounds". CRC Handbook of Chemistry and Physics (PDF) (81st ed.). CRC Press.
7. 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
8. "Discovering the Elements". Presenter: Professor Jim Al-Khalili. Chemistry: A Volatile History. BBC. BBC Four. 2010-01-21. 25:40 minutes in.
9. "Hydrogen Basics — Production". Florida Solar Energy Center. 2007. สืบค้นเมื่อ 2008-02-05.
10. Rogers, H.C. (1999). "Hydrogen Embrittlement of Metals". Science. 159 (3819): 1057–1064. Bibcode:1968Sci...159.1057R. doi:10.1126/science.159.3819.1057. PMID 17775040.
11. 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.
12. "Dihydrogen". O=CHem Directory. University of Southern Maine. สืบค้นเมื่อ 2009-04-06.
13. 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.
14. 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.
15. Patnaik, P (2007). A comprehensive guide to the hazardous properties of chemical substances. Wiley-Interscience. p. 402. ISBN 0-471-71458-5.
16. Dziadecki, J. (2005). "Hindenburg Hydrogen Fire". สืบค้นเมื่อ 2007-01-16.
17. Kelly, M. "The Hindenburg Disaster". About.com:American history. สืบค้นเมื่อ 2009-08-08.
18. Clayton, D.D. (2003). Handbook of Isotopes in the Cosmos: Hydrogen to Gallium. Cambridge University Press. ISBN 0-521-82381-1.
19. Millar, Tom (10 December 2003). . PH-3009 (P507/P706/M324) Interstellar Physics. University of Manchester. คลังข้อมูลเก่า เก็บจาก แหล่งเดิม เมื่อ 2011-11-16. สืบค้นเมื่อ 12 May 2020.
20. 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.
21. Stern, David P. (13 February 2005). "Wave Mechanics". NASA Goddard Space Flight Center. สืบค้นเมื่อ 16 April 2008.
22. Clark, J. (2002). . Chemguide. คลังข้อมูลเก่า เก็บจาก แหล่งเดิม เมื่อ 20 February 2008. สืบค้นเมื่อ 9 March 2008.
23. Kimball, J. W. (7 August 2003). . Kimball's Biology Pages. คลังข้อมูลเก่า เก็บจาก แหล่งเดิม เมื่อ 4 March 2008. สืบค้นเมื่อ 4 March 2008.
24. IUPAC Compendium of Chemical Terminology, Electronic version, Hydrogen Bond 19 March 2008 at the Wayback Machine.
25. Sandrock, G. (2 May 2002). . Sandia National Laboratories. คลังข้อมูลเก่า เก็บจาก แหล่งเดิม เมื่อ 24 February 2008. สืบค้นเมื่อ 23 March 2008.

ดูเพิ่ม

• อะตอมไฮโดรเจน
• ยานพาหนะพลังไฮโดรเจน