Nguyên tố hydrogen

Số nguyên tử: 1

Trọng lượng nguyên tử: 1,00794

Màu sắc: Không

Pha: Khí

Phân loại: Phi kim

Điểm nóng chảy: - 259oC

Điểm sôi: - 253oC

Cấu trúc tinh thể: Không

Hydrogen

Hydrogen là nguyên tố thứ nhất trong bảng tuần hoàn hóa học và nó giành vị thế này vì nhiều lí do: cùng với helium và lithium, nó là một trong ba nguyên tố đầu tiên được tạo ra trong Vụ Nổ Lớn; nó là nguyên tố dồi dào nhất trong vũ trụ, chiếm 88% số lượng nguyên tử; và nó là nguyên tố nhẹ nhất, với duy nhất một proton (đó là lí do nó mang số 1 trong bảng tuần hoàn) và một electron.

Hydrogen là nguyên tố mang lại sự sống qua nhiều phương thức khác nhau. Nó là nhiên liệu giữ cho Mặt trời của chúng ta và các ngôi sao khác tỏa sáng; mỗi lần bạn tắm nắng hay chiêm ngưỡng nét đẹp của ánh chiều tà là một bạn đang thưởng thức kết quả của một phản ứng hạt nhân dữ dội. Tại lõi của Mặt trời, nhiệt độ xấp xỉ 15 triệu oC và tỉ trọng là 200 kg/lít. Trong những điều kiện như vậy, hydrogen sẽ bắt đầu “cháy” trong một quá trình hạt nhân, và tạo ra hạt nhân helium, phát ra lượng năng lượng khổng lồ.

Ở nhiệt độ và áp suất tiêu chuẩn, hydrogen là một chất khí không màu, không mùi, tồn tại ở dạng lưỡng nguyên tử H2 (lưỡng nguyên tử nghĩa là phân tử của nó gồm hai nguyên tử). Ở dạng này, hydrogen dễ cháy và tạo hợp chất với các nguyên tố khác. Kết hợp cùng oxygen, hydrogen tạo ra nước lấp đầy các đại dương, sông suối, ao hồ và các đám mây. Liên minh với carbon, hydrogen giúp liên kết các tế bào của sinh vật sống.

Hydrogen cũng dồi dào trong lớp vỏ Trái đất, trong các hydrocarbon hình thành từ các sinh vật phân hủy. Đây là nguồn nhiên liệu hiện đại của chúng ta, ví dụ như dầu thô và khí thiên nhiên. Ngày nay, các nhà khoa học tin rằng các hydrocarbon còn có thể hình thành ở sâu trong lòng đất, từ chất khí methane chịu điều kiện nhiệt độ và áp suất cực cao.

Hydrogen là một thành phần chính trong các acid và chính ở phương diện hóa học này mà người ta đã khám phá ra nó. Vào năm 1766, Henry Cavendish, một người Anh giàu có và đam mê khoa học, đã quan sát thấy các bọt khí dâng lên từ một phản ứng của mạt sắt trong acid sulfuric loãng. Ông đã thu gom chất khí đó và thấy nó rất dễ cháy và rất nhẹ: những đặc tính khiến nó trông lạ lẫm đối với Cavendish. Ông cũng là người đầu tiên chứng minh rằng khi hydrogen cháy nó tạo ra nước, cho thấy nước có thể được tạo ra từ chất khác và do đó bác bỏ lí thuyết của Aristotle rằng có bốn nguyên tố cơ bản, trong đó nước là một nguyên tố.

Hydrogen

Phản ứng giữa các miếng kim loại kẽm và acid hydrochloric tạo ra các bọt khí hydrogen. Phân tử acid hydrochloric gồm các nguyên tử hydrogen và chlorine. Kẽm có hoạt tính mạnh hơn hydrogen và thế chỗ nó để tạo ra kẽm chloride hòa tan. Mỗi nguyên tử hydrogen bị khử khỏi acid kết hợp với một nguyên tử khác tạo thành chất khí hydrogen lưỡng nguyên tử.

Hydrogen nhẹ hơn không khí, vì thế nó được sử dụng trong các chuyến bay khí cầu nổi tiếng hồi thế kỉ mười chín, và trong các chuyến bay khí cầu xuyên châu Âu vào đầu thế kỉ hai mươi. Trong Thế chiến thứ nhất, các khí cầu đã được sử dụng cho mục đích trinh thám và ném bom đột kích ở London – độ bay cao giữ chúng khỏi tầm với của các máy bay chiến đấu thời ấy. Vụ nổ khí cầu Hindenburg vào năm 1937 (một khí cầu lớn đã bốc cháy trong khi cố gắng tiếp đất), đã kết thúc kỉ nguyên bay bằng khí cầu, mặc dù nguyên nhân không phải do rò rỉ hydrogen, như lúc ấy người ta nghi ngờ.

Ngày nay, khoảng 55 triệu tấn hydrogen được sản xuất hàng năm và phần lớn được đưa vào trong sản xuất phân bón. Nitrogen và hydrogen được dùng làm một phần của quá trình Haber-Bosch, quá trình sử dụng khí thiên nhiên và không khí để sản xuất ammonia – một chất liệu thô quan trọng trong sản xuất phân bón. Fritz Haber đã giành Giải Nobel Hóa học năm 1918 cho khám phá này và người đồng nghiệp của ông, Carl Bosch, thì giành Giải Nobel năm 1931 cho sự phát triển các phương pháp áp suất cao trong hóa học.

Hydrogen là thành phần chính trong bom nhiệt hạch, loại bom giải phóng năng lượng nổ khủng khiếp, qua sự hợp nhất hạt nhân giữa các đồng vị hydrogen: deuterium và tritium, loại bom nổ có thể quét sạch hoàn toàn các thành phố. Những vũ khí như thế hiện nay đòi hỏi một vụ nổ phân hạch hạt nhân để kích hoạt quá trình nhiệt hạch. Nghiên cứu hiện nay tập trung vào việc sản xuất vũ khí nhiệt hạch mà không cần phản ứng phân hạch để kích hoạt nó. Một quá trình gọi là Hợp nhân Giam cầm Quán tính sẽ sử dụng một chùm laser năng lượng cao sẽ nén hydrogen đến nhiệt độ và tỉ trọng có thể kích hoạt phản ứng nhiệt hạch.

Sự có mặt của hydrogen trong nước xác nhận vị thế hàng đầu của nó trong bảng tuần hoàn hóa học. Nó cũng giải thích một số hóa tính kì lạ của nước và băng. Nếu bạn có bao giờ tự hỏi tại sao nước đá nổi trong nước, và những tảng băng khổng lồ trôi dạt trên biển và đại dương, thì câu trả lời nằm ở hydrogen. Chất rắn thường đậm đặc hơn chất lỏng bởi vì, khi đa số chất lỏng nguội đi, các phân tử chuyển động chậm dần và tiến đến gần nhau, cuối cùng thì tạo ra chất rắn. Điều này có xu hướng làm cho chất rắn đặc hơn chất lỏng, nên bạn muốn thấy nước đá chìm trong nước. Tuy nhiên, khi nước lạnh xuống tới 4oC và các phân tử chuyển động chậm dần thì các liên kết hydrogen xuất hiện, cho phép một phân tử nước liên kết với bốn phân tử nước khác. Điều này tạo ra một mạng lưới kết tinh mở trong đó các phân tử phân tán ra và kém đặc hơn trong một không gian cho trước. Vì thế, nước đá kém đặc hơn nước và sẽ nổi trên mặt nước.

Sự phiền toái của những ống nước bị vỡ vào mùa đông cũng có lời giải thích tương tự. Nếu nhiệt độ nước thật sự thấp, thì sự kết mạng của các phân tử trong băng làm nó dãn nở và gây ra áp suất làm vỡ ống.

Hơi nước là trạng thái khí không nhìn thấy của nước và đặc biệt quan trọng đối với sự điều hòa nhiệt độ trên Trái đất. Là một chất khí nhà kính hiệu nghiệm, hơi nước điều hòa nhiệt độ của Trái đất để nó đủ ấm áp cho con người, động vật và thực vật sinh sống. Nó được lấy ra khỏi không khí qua sự ngưng tụ và được thay thế bởi sự bay hơi và thoát hơi nước (của cây xanh). Nó là một phương diện chủ chốt của chu trình nước trên Trái đất và thiết yếu cho sự hình thành các đám mây và mưa (mưa rào, mưa đá và tuyết rơi).

Hơi nước giải thích tại sao sương đọng trên cành lá và tại sao những sợi tơ mong manh của mạng nhện trở nên lung linh vào buổi sáng mai sau một đêm sương giá lạnh. Khi bề mặt lạnh xuống, hơi nước ngưng tụ ở tốc độ cao hơn tốc độ bay hơi, mang lại sự hình thành của những giọt nước. Nếu nhiệt độ đủ thấp thì sương sẽ trở thành hơi thở băng giá của cậu bé lêu lỗng Jack Frost.

Bom nhiệt hạch

Đám mây hình nấm này được tạo ra bởi vụ nổ của Castle Romeo, một quả bom nhiệt hạch 11 megaton, vào ngày 26 tháng 3, 1954. Bom nhiệt hạch chứa các đồng vị của hydrogen hợp nhất ở điều kiện nhiệt độ cực cao (thường do một vụ nổ phân hạch gây ra). Quá trình nhiệt hạch giải phóng lượng năng lượng khủng khiếp vốn bị giam cầm bên trong các hạt nhân nguyên tử.

Vui lòng ghi rõ "Nguồn Thuvienvatly.com" khi đăng lại bài từ CTV của chúng tôi.

Nếu thấy thích, hãy Đăng kí để nhận bài viết mới qua email
Tin tức vật lý
Downlaod video thí nghiệm

Các bài khác


Tesla vs Edison: những bài học từ cuộc chiến AC/DC
20/08/2018
James McKenzie (Physics World, tháng 8/2018) Trong bài, James McKenzie làm sáng tỏ những điều chúng ta có thể học được từ “cuộc
Phi thuyền Parker của NASA sẽ ‘chạm’ đến Mặt Trời
15/08/2018
NASA vừa phóng một phi thuyền lên nghiên cứu khí quyển Mặt Trời và gió mặt trời. Tàu vũ trụ Parker Solar Probe đã cất cánh
Ngưng tụ Bose-Einstein
07/08/2018
Trong số năm trạng thái mà vật chất có thể tồn tại, có lẽ ngưng tụ Bose-Einstein là trạng thái bí ẩn nhất. Trong khi thể
Vật lí Lượng tử Tốc hành (Phần 16)
31/07/2018
Các lớp vỏ con electron Theo phương trình đã nêu ở phần trước thì các electron thuộc cùng một lớp vỏ có năng lượng y hệt
Vật lí Lượng tử Tốc hành (Phần 15)
30/07/2018
Tính các mức năng lượng Khi phân tích quang phổ, các nhà vật lí thường phải tính các mức năng lượng gần đúng của electron
Lỗ đen thật ra có thể là lỗ sâu đục đang va chạm
14/07/2018
Khi hai lỗ sâu đục va chạm nhau, chúng tạo ra những gợn lăn tăn trong không-thời gian lan tỏa ra mọi phía. Theo một nghiên cứu
Phải chăng các nhà thiên văn đã tìm thấy khối lượng mất tích của vũ trụ?
10/07/2018
Vào thập niên 1960, các nhà thiên văn bắt đầu để ý thấy Vũ trụ dường như thiếu mất một phần khối lượng. Giữa các quan
Vì sao một số vết nứt đẩy nhau ra?
22/06/2018
Một nghiên cứu lí thuyết về sự lan truyền vết nứt đem lại một lời giải thích cho sự đẩy nhau mà người ta quan sát thấy

Chúng tôi hiện có hơn 60 nghìn tài liệu để bạn tìm

360 độ

Vật lý 360 độ là trang tin nhanh, trao đổi chuyên đề vật lý và các khoa học khác cũng như các nội dung liên quan đến dạy và học.
Hi vọng các bạn giúp chúng tôi bằng cách đăng kí làm CTV.
Liên hệ: banquantri@thuvienvatly.com