- Tổng quan về Hydro:
– Hydro là nguyên tố đầu tiên trong bảng HTTH, có cấu tạo đơn giản nhất (1s1), là nguyên tố phổ biến nhất trong vũ trụ
– Hydro có năng lượng ion hoá cao: 13,6eV
– Ion H+ có kích thước nhỏ, có tác dụng phân cực lớn với các ion hoặc nguyên tử khác, có khả năng tạo liên kết hoá học đặc biệt gọi là liên kết Hydro
– Các hợp chất giữa nguyên tử H với nguyên tố khác là liên kết cộng hoá trị
– Có thể nhận 1e để tạo thành ion H-
– Có khả năng hoà tan trong kim loại → liên kết kim loại
Nhận xét:
Hydro giống kim loại kiềm: là nguyên tố họ s, có khả năng nhường 1e → H+ thể hiện tính khử mạnh
Hydro giống các halogen: có khả năng nhận 1e → H- và tạo phức chất
Trong điều kiện thường Hydro là chất khí và được xem là nguyên tố phi kim loại
Vì thế Hydro phải được khảo sát như nguyên tố đặc biệt
Tính chất vật lý:
– Hydro là chất khí, không màu, không mùi, không vị, phân tử gồm 2 nguyên tử
– Khí Hydro nhẹ, độ linh động lớn, độ phân cực bé, lực liên kết phân cực nhỏ → nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ sôi thấp
– Phân tử thuộc loại không cực, khối lượng nhỏ nên ít tan trong nước và dung môi. Tan trong kim loại Ni, Pd, Pt
Một số tính chất hoá lý của Hydro:
Ái lực electron (F, eV): 0,75
Năng lượng ion hoá (I, eV): 13,6
Độ âm điện tương đối (ĐTA): 2,1
Bán kính nguyên tử (Rc, A0): 0,53
Độ dài liên kết H-H (dH-H, A0): 0,749
Năng lượng phân ly H2 (Efl, kJ/mol): 435
Nhiệt độ nóng chảy (tnc, 0C): -259,1
Nhiệt độ sôi (ts, 0C): -252,6
Hàm lượng trong vỏ trái đất (HĐ, %ngtử): 17
Tính chất hoá học:
Ở điều kiện thường phân tử Hydro rất bền
Ở điều kiện nhiệt độ cao Hydro hoạt động mạnh
– Tính khử:
– Tính Oxy Hóa:
Khi đốt nóng, phân tử Hydro phân ly thành nguyên tử H, nguyên tử H có hoạt tính lớn, phản ứng được với S, N, P, Hg, nhiều oxit kim loại và hợp chất khác.
- Hợp chất của Hydro:
– Các dạng hợp chất của Hydro ở trong tự nhiên là: H2O, đất sét, than…. có trong vỏ trái đất và trong cơ thể động thực vật
– Trong vũ trụ chiếm nửa khối lượng mặt trời và các vì sao
– Hydro có 3 đồng vị tự nhiên: proton 1H, doteri 2H, triti 3H và 2 đồng vị nhân tạo 4H, 5H.
Hợp chất H(-1)
– Giống hợp chất Halogen gọi là Hydrua
– Phản ứng thu nhiệt mạnh (hoạt tính oxy hoá kém)
– Bản chất nguyên tố kết hợp với Hydro có thể là ion, cộng hoá trị hay kim loại
– Hydrua cộng hoá trị là hydrua của các phi kim loại BH3, SiH3 hay các kim loại phân nhóm chính nhóm III, IV, V như AlH3, AsH3… những hydrua này không bền và bị nước phân huỷ:
– Các hydrua có cùng tính axit, bazơ hoặc lưỡng tính khi tác dụng với nhau tạo thành phức chất:
– Các hydrua cộng hoá trị có khả năng tạo ra những tinh thể polyme rắn được liên kết với nhau bằng cầu Hydro, ví dụ: B4H10
– Các hydrua kim loại chuyển tiếp có thể có thành phần xác định ( PaH2, UH3…) hay không xác định (TiH1,7, VH0,6…) thường bền, có ánh kim, dẫn điện tốt rất khó xác định dạng liên kết này
– Các hydrua đều là chất khử mạnh và ion H- không thể tồn tại trong dung dịch nước
Hợp chất H(+)
– Hợp chất tương đối phổ biến. Ví dụ: Chất khí HCl, lỏng (H2O), rắn (H2SiO3)
– Liên kết trong hợp chất là liên kết cộng hoá trị
– Ngoài ra còn có trạng thái liên kết hydro trong các liên kết F-H, O-H, N-H dẫn đến các hợp chất HF, H2O, NH3 có nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi cao bất thường so với những hợp chất cùng loại của các nguyên tố trong phân nhóm
– Các liên kết hydro thường là những dung môi ion hoá tốt
- Ứng dụng của Hydro:
– Từ giữa thế kỷ thứ 18, người ta đã bắt đầu dùng khí Hydro để di chuyển trên bầu trời (khinh khí cầu)
– Ngày nay nhiều ngành công nghiệp sử dụng Hydro để tinh chế dầu mỏ và tổng hợp amoniac và metanol
– Nhiều hệ thống tàu vũ trụ cũng dùng khí Hydro để khởi động, tăng tốc
– 1942, động cơ đầu tiên sử dụng Hydro; vào những năm 80, máy bay đầu tiên sử dụng hydro lỏng làm nhiên liệu.
– Hiện nay, ngành năng lượng Hydro – nguyên tử quy mô lớn đang được quan tâm
Hydro có nhiều ưu việt để làm nhiên liệu cho các phương tiện vận tải và ngành công nghiệp ôtô đang tích cực tham gia vào việc sử dụng hydro.
- Điều chế – sản xuất Hydro:
– Trữ lượng hydro gắn kết trong vật chất hữu cơ và trong nước thực tế là vô hạn. Việc cắt rời các mối gắn kết đó cho phép sản xuất hydro và tiếp đó hydro được sử dụng làm nhiên liệu. Người ta đã nghiên cứu triển khai nhiều quá trình phân giải nước thành các nguyên tố Hydro và O xy.
– Khi đốt nóng trên 2500oC nước được phân giải thành hydro và oxy (nhiệt phân trực tiếp). Nhiệt độ cao như vậy có thể thu được nhờ gương hội tụ năng lượng mặt trời. Vấn đề ở đây là ngăn cản sự tái hợp hydro và o xy.
– Ngày nay trên thế giới phần lớn hydro được điều chế ở quy mô công nghiệp thu được trong quá trình biến hoán khí methane bằng hơi nước (BMH).
– Điện phân nước: Hydro được sinh ra từ điện phân nước là khá dễ dàng, nhưng đắt. Trong các thiết bị điện phân nước công nghiệp và thử nghiệm công nghiệp đã đạt hiệu suất điện phân 70 – 80% với mật độ dòng điện dưới 1A/cm2 kể cả điện phân dưới áp suất. Các nhà nghiên cứu Nhật Bản đã nghiên cứu triển khai những khối điện cực kiểu màng với chất điện phân bằng polime rắn đảm bảo điện phân nước với hiệu suất (về điện) trên 90% khi mật độ dòng điện 3A/cm2.