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.
Trạng thái tự nhiên của Hidro (H) 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.
Cách điều chế và sản xuất Hidro (H) 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
Ứng dụng của Hidro (H) hiện nay 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. Một số cảnh báo cần biết khi sử dụng khí Hidro (H2) 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!