Vandenilis (H) – cheminis elementas, lengviausias periodinės lentelės elementas
Vandenilis (H) – lengviausias cheminis elementas, dominuoja Visatoje; sužinokite apie jo savybes, izotopus, fiziką ir panaudojimą energetikoje.
Vandenilis yra cheminis elementas, kurio simbolis yra H, o atominis skaičius - 1. Jo standartinė atominė masė yra 1,008, t. y. lengviausias periodinės elementų lentelės elementas. Vandenilis yra labiausiai paplitęs cheminis elementas Visatoje - 75 % visos barionų masės sudaro vandenilis. Žvaigždės daugiausia sudarytos iš vandenilio. Labiausiai paplitęs vandenilio izotopas turi vieną protoną, aplink kurį skrieja vienas elektronas.
Esant standartinei temperatūrai ir slėgiui, vandenilis neturi spalvos, kvapo, skonio, nėra toksiškas, yra nemetalas ir labai lengvai dega. Kai jis yra vienas, paprastai jungiasi su savimi ir sudaro H 2.
Fizinės ir cheminės savybės
Vandenilis dažniausiai egzistuoja molekuline forma H2. Jo elektroninė konfigūracija yra 1s1, o pirmoji jonizacijos energija yra aukšta (~1312 kJ/mol). Vandenilis turi labai mažą tankį (apie 0,0899 g·L−1 prie 0 °C ir 1 atm). Jo lydymosi temperatūra yra apie −259,16 °C, o virimo temperatūra −252,87 °C.
Chemiškai vandenilis yra reaguojantis: H2 degina su deguonimi, sudarydamas vandenį, reaguoja su daugybe elementų ir junginių, formuoja hidrolius (H+), hidridus (H−) bei įvairias organines ir neorganines jungtis. Vandenilis gali būti reduktorius daugelyje reakcijų (pvz., metalų oksidų redukcija) ir dalyvauja hidrohinimo procesuose.
Izotopai
- Protiumas (^1H) – dažniausias izotop, neturi neutronų.
- Deuteris (^2H arba D) – turi vieną neutroną; randamas gamtoje mažu kiekiu (apie 0,015 % vandenilio atomų) ir naudojamas moksliniuose bei pramoniniuose taikymuose (pvz., kaip izotopinė žyma, branduolinėje sintezėje kaip sunkusis vanduo).
- Tritis (^3H arba T) – radioaktyvus izotop su pusperiodžiu ~12,3 metų; susidaro natūraliai kosminių spindulių sąveikoje ir naudojamas moksliniuose tyrimuose bei branduolinėje pramonėje.
Vandenilio forma ir jonai
Vandenilis gali egzistuoti kaip neutralūs atomai (H), molekulės (H2), įvairūs jonai (H+ – protonas, H− – hidridai) arba dalyvauti pusiau junginiuose (pvz., H2+). Vandens tirpale protonas paprastai susijungia su vandeniu, sudarydamas hidroniumo joną H3O+.
Vandenilio vaidmuo Visatoje ir Žemėje
Vandenilis yra pagrindinis elementas žvaigždžių sudėtyje ir žvaigždžių branduolių fuzijos reakcijose dalyvauja atomams virstant helio branduoliams, išlaisvinant didelius energijos kiekius. Dėl to vandenilis palaiko daugumą žvaigždžių šviesą ir energiją.
Žemėje vandenilis natūraliai randamas daugiausia kombinacinėse formose (pvz., vandenyje H2O, organiniuose junginiuose). Atmosferoje laisvo H2 yra labai mažai dėl jo lengvumo ir polinkio kilti į viršutinę atmosferą bei prarasti į kosmosą.
Gamyba ir tiekimas
Didžiausią pramoninio vandenilio dalį gamina:
- garų metano reformingas (SMR) – metanas (gamtinės dujos) ir vanduo (garai) reaguoja formuodami vandenilį ir anglies monoksidą;
- elektrolizė – vandens skaidymas elektra (alkalinė elektrolizė, PEM elektrolizė ir kt.), ypač aktualu gaminant „žalią“ vandenilį iš atsinaujinančių energijos šaltinių;
- kitais būdais – dujų atskyrimu, anglies dujų transformacija, biomasės skaidymu.
Panaudojimas
- Ammoniako sintezė (Haber–Bosch procesas) – pagrindinė pramoninė vandenilio panaudojimo kryptis trąšų gamyboje.
- Kuro elementai ir energetika – vandenilis naudojamas transportui ir stacionarioms kuro elementų sistemoms kaip energijos nešėjas; jis gali būti deginamas tiesiogiai arba panaudotas elektrocheminėse grandinėse.
- Raketų kuras – skystas vandenilis kartu su skystuoju deguonimi yra įprastas aukšto našumo raketų variklių kuras.
- Hidrogenacija – organinių junginių hidrinimas pramonėje (pvz., maisto pramonėje riebalų sukietinimui).
- Metalurgija, naftos perdirbimas – redukcijos ir hidrokrakavimo procesai, taip pat sieros šalinimas iš kuro.
Saugumas ir saugojimas
Vandenilis yra labai degus ir gali sudaryti sprogias mišinių su oru ribose maždaug 4–75 % tūrio. Dėl mažo molekulinio svorio jis greitai skleidžiasi ir kilęs į viršų, todėl nuotėkio atveju pavojingos koncentracijos gali susidaryti patalpose su prieinamomis uždaromis erdvėmis arba įkalintose vietose. Laikymas reikalauja atitinkamų priemonių: aukšto slėgio balionai arba skystinimas kriogeninėmis sąlygomis. Vandenilis gali sukelti metalų embrittlement'ą (traukimąsi/įskilimą dėl absorbcijos į metalus), todėl pramonėje naudojami specialūs įrenginiai ir medžiagos.
Istorija ir pavadinimas
Vandenilis buvo identifikuotas XVIII a. (Henry Cavendish 1766 m. apibūdino „degų orą“). Antoine Lavoisier vėliau pavadino elementą iš graikų kalbos kilusiu žodžiu reiškiančiu „vandens gamintojas“ (hydro + genes), nes deginant vandenilį susidaro vanduo.
Biologinė reikšmė ir cheminiai ryšiai
Nors laisvas vandenilis gyvose sistemose retas, vandenilio atomai yra esminė organinių molekulių dalis. Be to, vandenilio ryšiai (ne kovalentiniai H-ryšiai tarp elektroneigiamų atomų ir vandenilio) yra gyvybiškai svarbūs vandens, baltymų ir nukleorūgščių struktūrai bei funkcijoms.
Ateities perspektyvos
Vandenilis laikomas svarbiu elementu energetikos tvarumo kontekste: „žalias“ vandenilis, pagamintas elektrolize naudojant atsinaujinančią energiją, gali padėti mažinti šiltnamio efektą sukeliančių dujų emisijas transporto, pramonės ir energetikos sektoriuose. Tačiau platus pritaikymas reikalauja investicijų į gamybos, saugojimo, perdavimo ir kuro elementų infrastruktūrą.
Vandenilis gamtoje
Žemėje grynasis vandenilis paprastai yra dujos. Vandenilis taip pat yra viena iš vandens molekulę sudarančių dalių. Vandenilis yra svarbus, nes jis yra kuras, kuriuo varoma Saulė ir kitos žvaigždės. Vandenilis sudaro apie 74 % visos visatos. Periodinėje elementų lentelėje vandenilio simbolis yra H.
Gryną vandenilį paprastai sudaro du tarpusavyje sujungti vandenilio atomai. Mokslininkai tokias molekules vadina dviatomėmis molekulėmis. Vandenilio cheminė reakcija vyksta maišant jį su dauguma kitų elementų. Jis neturi spalvos ar kvapo.
Grynas vandenilis Žemės atmosferoje pasitaiko labai retai. Gamtoje jo dažniausiai yra vandenyje. Vandenilio taip pat yra visose gyvosiose būtybėse, nes jis yra organinių junginių, iš kurių sudarytos gyvosios būtybės, dalis. Be to, vandenilio atomai gali jungtis su anglies atomais ir sudaryti angliavandenilius. Iš šių angliavandenilių gaminama nafta ir kitas iškastinis kuras, kuris paprastai naudojamas energijai gaminti.
Vandenilis turi tris izotopus, kiti vadinami deuteriu ir tričiu. Kaip ir įprastas vandenilis, jie abu turi tik po vieną protoną ir vieną elektroną, tačiau deuteris taip pat turi vieną neutroną, o tritis - du. Šie kiti vandenilio tipai yra svarbūs branduolinės energijos ir organinės chemijos reakcijose.
Keletas kitų faktų apie vandenilį:
Vandenilio istorija
Pirmą kartą vandenilį 1671 m. išskyrė Robertas Boilas. Henris Kavendišas 1776 m. nustatė jį kaip atskirą elementą ir atrado, kad jį deginant gaunamas vanduo.
Antuanas Lavoazjė pavadino vandenilį iš graikiško žodžio, reiškiančio vandenį, "υδορ (tariama /HEEW-dor/) ir gennen, reiškiančio "generuoti", nes jis sudaro vandenį cheminės reakcijos su deguonimi metu.
Vandenilio panaudojimas
Daugiausia naudojama naftos pramonėje ir amoniako gamyboje pagal Haberio procesą. Dalis jo naudojama kitose chemijos pramonės šakose. Šiek tiek jo naudojama kaip kuras, pavyzdžiui, kosminių laivų raketose. Dauguma žmonių naudojamo vandenilio gaunama vykstant gamtinių dujų ir garų cheminei reakcijai.
Branduolinė sintezė
Branduolių sintezė yra labai galingas energijos šaltinis. Ji remiasi atomų sujungimu, kad susidarytų helis ir energija, kaip tai vyksta tokioje žvaigždėje kaip Saulė arba vandenilinėje bomboje. Šiam procesui pradėti reikia didelio energijos kiekio, o tai padaryti kol kas nėra lengva. Didelis privalumas, palyginti su branduolių dalijimusi, kuris naudojamas dabartinėse atominėse elektrinėse, yra tas, kad susidaro mažiau branduolinių atliekų ir nenaudojamas toksiškas ir retas kuras, pavyzdžiui, uranas. Kiekvieną sekundę Saulėje branduolių sintezė vyksta daugiau kaip 600 mln. tonų vandenilio.
Vandenilio deginimas
Vandens elektrolizės metu, naudojant elektros energiją, vanduo suskaidomas į vandenilį ir deguonį. Degantis vandenilis susijungia su deguonies molekulėmis ir susidaro garai (gryni vandens garai). Kuro elemente vandenilis susijungia su deguonies molekule, išlaisvindamas elektroną kaip elektros energiją. Dėl šių priežasčių daugelis žmonių mano, kad vandenilio energija ilgainiui pakeis kitus sintetinius degalus.
Vandenilį taip pat galima naudoti kaip kurą kuro elementuose arba deginti šilumai gaminti garo turbinose ar vidaus degimo varikliuose. Vandenilį galima gaminti iš daugelio šaltinių, pavyzdžiui, anglies, gamtinių dujų ar elektros energijos, todėl jis yra vertingas elektros energijos tinklo papildymas, atliekantis tokią pačią funkciją kaip ir gamtinės dujos. Tokį tinklą ir infrastruktūrą su kuro elementais varomomis transporto priemonėmis dabar planuoja daugelis šalių, įskaitant Japoniją, Korėją ir daugelį Europos šalių. Tai leidžia šioms šalims pirkti mažiau naftos, o tai yra ekonominis pranašumas. Kitas privalumas yra tas, kad naudojamas kuro elemente arba deginamas vidaus degimo variklyje, kaip vandenilio automobilyje, variklis neteršia aplinkos. Susidaro tik vanduo ir nedidelis kiekis azoto oksidų.
Klausimai ir atsakymai
K: Koks yra vandenilio simbolis?
A: Vandenilio simbolis yra H.
K: Koks yra vandenilio atominis skaičius?
Atsakymas: Vandenilio atominis skaičius yra 1.
K: Kokia yra standartinė vandenilio atominė masė?
A: Standartinė vandenilio atominė masė yra 1,008, todėl jis yra lengviausias periodinės elementų lentelės elementas.
K: Kokią įprastos medžiagos dalį (pagal masę) sudaro vandenilis?
Atsakymas: Vandenilis sudaro 75 % visos įprastinės (barioninės) medžiagos (pagal masę).
K: Ar vandenilis yra įprastas cheminis elementas Visatoje?
A: Taip, vandenilis yra labiausiai paplitęs cheminis elementas Visatoje.
K: Kiek protonų ir elektronų turi labiausiai paplitęs vandenilio izotopas?
A: Dažniausiai pasitaikantis vandenilio izotopas turi vieną protoną, aplink kurį skrieja vienas elektronas.
K: Ar žvaigždės daugiausia sudarytos iš vandenilio?
A: Taip, dauguma žvaigždžių daugiausia sudarytos iš vandenilio.
Ieškoti