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 | |||||||||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
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 | 1s1 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 | |||||||||||||||
| |||||||||||||||
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 | |||||||||||||||
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
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
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
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
ส่วนนี้รอเพิ่มเติมข้อมูล คุณสามารถช่วยเพิ่มข้อมูลส่วนนี้ได้ |
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
- 286 kJ/mol: พลังงานต่อโมลของวัตถุไวไฟ (ไฮโดรเจน)
อ้างอิง
- Simpson, J.A.; Weiner, E.S.C. (1989). "Hydrogen". Oxford English Dictionary. 7 (2nd ed.). Clarendon Press. ISBN 0-19-861219-2.
- "Hydrogen". Van Nostrand's Encyclopedia of Chemistry. Wylie-Interscience. 2005. pp. 797–799. ISBN 0-471-61525-0.
- Emsley, John (2001). Nature's Building Blocks. Oxford: Oxford University Press. pp. 183–191. ISBN 0-19-850341-5.
- Stwertka, Albert (1996). A Guide to the Elements. Oxford University Press. pp. 16–21. ISBN 0-19-508083-1.
- Wiberg, Egon; Wiberg, Nils; Holleman, Arnold Frederick (2001). Inorganic chemistry. Academic Press. p. 240. ISBN 0123526515.
- "Magnetic susceptibility of the elements and inorganic compounds". CRC Handbook of Chemistry and Physics (PDF) (81st ed.). CRC Press.
- 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
- "Discovering the Elements". Presenter: Professor Jim Al-Khalili. Chemistry: A Volatile History. BBC. BBC Four. 2010-01-21. 25:40 minutes in.
- "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. 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. 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). . PH-3009 (P507/P706/M324) Interstellar Physics. University of Manchester. คลังข้อมูลเก่า เก็บจาก แหล่งเดิม เมื่อ 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. สืบค้นเมื่อ 16 April 2008.
- Clark, J. (2002). . Chemguide. คลังข้อมูลเก่า เก็บจาก แหล่งเดิม เมื่อ 20 February 2008. สืบค้นเมื่อ 9 March 2008.
- Kimball, J. W. (7 August 2003). . Kimball's Biology Pages. คลังข้อมูลเก่า เก็บจาก แหล่งเดิม เมื่อ 4 March 2008. สืบค้นเมื่อ 4 March 2008.
- IUPAC Compendium of Chemical Terminology, Electronic version, Hydrogen Bond 19 March 2008 at the Wayback Machine.
- Sandrock, G. (2 May 2002). . Sandia National Laboratories. คลังข้อมูลเก่า เก็บจาก แหล่งเดิม เมื่อ 24 February 2008. สืบค้นเมื่อ 23 March 2008.