Ūdeņradis — kas tas ir: definīcija, īpašības un izotopi
Uzzini visu par ūdeņradi: definīcija, īpašības, izotopi, atoma struktūra, loma Visumā un praktiskā izmantošana — skaidri un saprotami.
Ūdeņradis ir ķīmiskais elements ar simbolu H un atomu skaitu 1. Tā standarta atommasa ir 1,008, kas nozīmē, ka tas ir vieglākais elements periodiskajā tabulā. Ūdeņradis ir visizplatītākais ķīmiskais elements Visumā, jo 75 % no visas barionmasas ir ūdeņradis. Zvaigznes sastāv galvenokārt no ūdeņraža. Ūdeņraža visizplatītākajam izotopam ir viens protons, ap kuru riņķo viens elektrons.
Standarta temperatūrā un spiedienā ūdeņradim nav krāsas, smaržas, garšas, tas nav toksisks, nav metāls un ļoti viegli deg. Ja tas ir viens pats, tas parasti saistās ar sevi, veidojot H 2.
Fizikālās īpašības
Šeit ir daži būtiski ūdeņraža fizikālie rādītāji un īpašības:
- Molekula: divatomiska molekula H2.
- Molekulmasa: aptuveni 2,016 g/mol (molekulārais ūdeņradis).
- Blīvums (STP): apmēram 0,0899 g/l (ļoti zems — vieglāks par gaisu).
- Likumskaistības: ļoti zema viršanas temperatūra: apt. −252,87 °C; kušanas temperatūra: apt. −259,16 °C.
- Enerģijas blīvums: ļoti augsta gravimetriskā enerģija — aptuveni 120 MJ/kg (lieliska kā kurināmais pēc masas), bet zema volumetriskā enerģija, ja netiek augsti saspiests vai sasaldēts.
Ķīmiskās īpašības
Ūdeņradis ir uzliesmojošs un reaģē ar daudzām vielām. Galvenās ķīmiskās īpašības:
- Reaģē ar skābekli, degot veidojot ūdeni: 2 H2 + O2 → 2 H2O.
- Ir reducētājs — daudzos procesos atdod elektronus un samazina citus ķīmiskos savienojumus.
- Veido savienojumus gan kovalenti (piem., organiskajos savienojumos), gan joniski/metāliskā formā ļoti augstā spiedienā vai noteiktos apstākļos.
- Pastāv divas spin izomēras molekuliskajam ūdeņradim: ortho‑H2 un para‑H2, kas atšķiras pēc elektronu precesijas orientācijas un fiziskajām īpašībām zemā temperatūrā.
Izotopi
Ūdeņradim ir vairāki izotopi, no kuriem svarīgākie ir:
- Protiums (¹H) — visizplatītākais izotops; satur 1 protonu un 0 neitronu. Tas ir tas, ko parasti domā, runājot par „parasto” ūdeņradi.
- Deitērijs (²H vai D) — satur 1 protonu un 1 neitronu. Deitērijs ir stabils; no tā iegūst smago ūdeni (D2O), ko izmanto kodolreaktoros kā neitronu moderatoru un dažādās laboratorijas lietojumos.
- Tritijs (³H vai T) — satur 1 protonu un 2 neitronus; radioaktīvs (pusperiods ~12,3 gadi). Izmanto tritiētā ūdenī, kā arī kā izotopu pētniecībā un kodoldegvielas pētījumos (piem., kodolsintēze).
Izcelsme un izplatība
Ūdeņradis ir Visuma pamatbloks — tas radās pēc Lielā sprādziena un dominē zvaigžņu sastāvā. Zemes mērogā brīva molekulārā ūdeņraža (H2) nav ļoti izplatīta, jo tas viegli reaģē un veido savienojumus (piem., ūdeni, ogļūdeņražus). Zemes atmosfērā H2 sastopams nelielos daudzumos un bieži rodas bioloģisko procesu un cilvēku darbības rezultātā.
Ražošana un tehniskie veidi
Biežākās ūdeņraža ražošanas metodes:
- Tvaika metāna reformēšana (SMR): dabiskais gāzes (metāna) pārvēršana ūdeņražā un oglekļa monoksīdā — šobrīd visizplatītākais rūpniecisks veids (saukts par „pelēko” ūdeņradi, ja CO2 netiek uztverts).
- Elektrolīze: ūdens šķelšana uz H2 un O2 ar elektrību — ja elektrība nāk no atjaunojamiem avotiem, rezultāts ir „zaļais” ūdeņradis.
- Gāzes pirolīze un citi termokimiskie procesi: alternatīvas, kas attīstās, lai samazinātu CO2 emisijas.
Galvenā pielietojuma joma
Ūdeņradim ir plašs pielietojums rūpniecībā un enerģētikā:
- Ammonjaka ražošana (Haber–Bosch process) — mēslojumu ražošanas pamats.
- Naftas pārstrāde un rafinēšana (hidrodesulfurizācija, hidrogenēšana).
- Degviela: šķidrā H2 tiek izmantota kā raķeļu degviela; degvielas šūnēs H2 kombinācijā ar skābekli ražo elektrību, atstājot tikai ūdeni kā blakusproduktu.
- Elementu ražošana un ķīmiskā sintēze (piem., metanola ražošana).
- Medicinālie un pētniecības mērķi — izotopu marķēšana, spektroskopija, kodoldegvielas pētījumi.
Drošība un uzglabāšana
Ūdeņradis ir ļoti uzliesmojošs gāzes veids, kam jāievēro īpaša piesardzība:
- Degamība: eksplozijas robežas gaisā ir plašas — aptuveni 4–75 % tilpuma daļu, ļoti zema aizdedzes enerģija.
- Noplūdes risks: maza molekula viegli izplūst caur blīvējumiem un var sakrāties slēgtās telpās vai augšējās vietās, jo H2 ir vieglāks par gaisu.
- Metālu sprieguma un izturības problēmas: ūdeņraža saplūšana metālos var izraisīt krekšķēšanu un spriedzes lūzumus (ūdeņraža embrittlement).
- Uzglabāšana un transports: tiek izmantoti saspiestais gāzes baloni, šķidrais ūdeņradis (ļoti zemas temperatūras) vai ķīmiskie nesēji (piem., amīnīdi, metanols), katram risinājumam ir savi drošības un tehniskie izaicinājumi.
Vēsturisks aspekts
Ūdeņradis tika identificēts 18. gadsimtā; Henry Cavendish aprakstīja vieglo, uzliesmojošo gāzi, un Antoine Lavoisier vēlāk nosauca to par „ūdeņraža” (grieķu sakne nozīmē „ūdens veidotājs”), jo hidrīde reakcijā ar skābekli rada ūdeni.
Vides nozīme
Ja ūdeņradis tiek ražots no atjaunojamiem energoresursiem (elektrolīze ar zaļo elektroenerģiju), tā izmantošana var palīdzēt samazināt CO2 emisijas rūpniecībā, transports un elektroenerģijas sektorā. Tomēr šobrīd liela daļa pasaules ūdeņraža tiek ražota no fosilajiem kurināmajiem, tāpēc pāreja uz „zaļo” ūdeņradi ir būtiska, lai nodrošinātu patiesu klimata labumu.
Šis raksts sniedz pārskatu par ūdeņradi — tā būtību, īpašībām, izotopiem, ražošanas veidiem, pielietojumiem un drošības apsvērumiem.
Ūdeņradis dabā
Uz Zemes ūdeņradis tīrā veidā parasti ir gāze. Ūdeņradis ir arī viena no ūdens molekulas sastāvdaļām. Ūdeņradis ir svarīgs, jo tas ir degviela, kas darbina Sauli un citas zvaigznes. Ūdeņradis veido aptuveni 74 % no visa Visuma. Ūdeņraža simbols periodiskajā elementu tabulā ir H.
Parasti tīru ūdeņradi veido divi kopā savienoti ūdeņraža atomi. Zinātnieki šīs molekulas sauc par divatomu molekulām. Ūdeņradim notiek ķīmiska reakcija, ja tas sajaucas ar lielāko daļu citu elementu. Tam nav krāsas vai smaržas.
Zemes atmosfērā tīrs ūdeņradis ir ļoti reti sastopams. Dabā tas parasti ir ūdenī. Ūdeņradis ir arī visās dzīvās organismos, jo tas ir daļa no organiskajiem savienojumiem, no kuriem sastāv dzīvās radības. Turklāt ūdeņraža atomi var savienoties ar oglekļa atomiem, veidojot ogļūdeņražus. Nafta un citi fosilie kurināmie ir veidoti no šiem ogļūdeņražiem, un tos parasti izmanto, lai radītu enerģiju cilvēku vajadzībām.
Ūdeņradim ir trīs izotopi; pārējos izotopus sauc par deitēriju un tritiju. Tāpat kā parastajam ūdeņradim, abiem ir tikai viens protons un viens elektrons, bet deitērijam ir arī viens neitrons, bet trīcijam - divi. Šie pārējie ūdeņraža veidi ir svarīgi kodolenerģijā un organiskās ķīmijas reakcijās.
Daži citi fakti par ūdeņradi:
Ūdeņraža vēsture
Ūdeņradi 1671. gadā pirmo reizi atdalīja Roberts Boils. Henrijs Kavendišs 1776. gadā identificēja to kā atsevišķu elementu un atklāja, ka, to sadedzinot, rodas ūdens.
Antuāns Lavazjē deva ūdeņradim nosaukumu no grieķu valodas vārda "υδορ" (izrunā /HEEW-dor/) un "gennen", kas nozīmē "radīt", jo tas ķīmiskajā reakcijā ar skābekli veido ūdeni.
Ūdeņraža izmantošana
Galvenokārt to izmanto naftas rūpniecībā un amonjaka ražošanā Hābera procesā. Daļu izmanto arī citur ķīmiskajā rūpniecībā. Nedaudz no tā izmanto kā degvielu, piemēram, kosmosa kuģu raķetēs. Lielākā daļa ūdeņraža, ko izmanto cilvēki, rodas ķīmiskā reakcijā starp dabasgāzi un tvaiku.
Kodolsintēze
Kodolsintēze ir ļoti spēcīgs enerģijas avots. Tās pamatā ir atomu saplūšana, lai iegūtu hēliju un enerģiju, kā tas notiek tādās zvaigznēs kā Saule vai ūdeņraža bumbās. Lai to uzsāktu, ir nepieciešams liels enerģijas daudzums, un pagaidām to nav viegli izdarīt. Liela priekšrocība salīdzinājumā ar kodola skaldīšanu, ko izmanto mūsdienu kodolspēkstacijās, ir tā, ka tā rada mazāk kodolatkritumu un neizmanto tādu toksisku un retu kurināmo kā urāns. Katru sekundi uz Saules notiek vairāk nekā 600 miljonu tonnu ūdeņraža kodolsintēze.
Ūdeņraža dedzināšana
Ūdens elektrolīzes procesā ūdens sadalās ūdeņradī un skābeklī, izmantojot elektrību. Degot ūdeņradim, tas savienojas ar skābekļa molekulām, veidojot tvaiku (tīrus ūdens tvaikus). Kurināmā elements apvieno ūdeņradi ar skābekļa molekulu, atbrīvojot elektronu kā elektrību. Šo iemeslu dēļ daudzi uzskata, ka ūdeņraža enerģija ar laiku aizstās citas sintētiskās degvielas.
Ūdeņradi var izmantot arī kā degvielu kurināmā elementā vai sadedzināt, lai iegūtu siltumu tvaika turbīnās vai iekšdedzes dzinējos. Ūdeņradi var ražot no daudziem avotiem, piemēram, akmeņoglēm, dabasgāzes vai elektrības, un tāpēc tas ir vērtīgs papildinājums energotīklam, līdzīgi kā dabasgāze. Šādu tīklu un infrastruktūru ar transportlīdzekļiem, kas darbināmi ar kurināmā elementiem, pašlaik plāno vairākas valstis, tostarp Japāna, Koreja un daudzas Eiropas valstis. Tas ļauj šīm valstīm pirkt mazāk naftas, kas ir ekonomiska priekšrocība. Otra priekšrocība ir tā, ka, izmantojot kurināmā elementā vai sadedzinot iekšdedzes dzinējā kā ūdeņraža automašīnā, motors nerada piesārņojumu. Veidojas tikai ūdens un neliels daudzums slāpekļa oksīdu.
Jautājumi un atbildes
J: Kāds ir ūdeņraža simbols?
A: Ūdeņraža simbols ir H.
J: Kāds ir ūdeņraža atomu skaits?
A: Ūdeņraža atomu skaits ir 1.
J: Kāda ir ūdeņraža standarta atommasa?
A: Ūdeņraža standarta atommasa ir 1,008, un tas ir vieglākais elements periodiskajā sistēmā.
J: Cik lielu daļu no parastās vielas (pēc masas) veido ūdeņradis?
A: Ūdeņradis veido 75 % no visas parastās (barioniskās) vielas (pēc masas).
J: Vai ūdeņradis ir Visumā izplatīts ķīmiskais elements?
A: Jā, ūdeņradis ir visizplatītākais ķīmiskais elements Visumā.
J: Cik protonu un elektronu ir ūdeņraža visbiežāk sastopamajam izotopam?
A: Ūdeņraža visizplatītākajam izotopam ir viens protons, ap kuru riņķo viens elektrons.
J: Vai zvaigznes lielākoties sastāv no ūdeņraža?
A: Jā, lielākā daļa zvaigžņu sastāv galvenokārt no ūdeņraža.
Meklēt