Atjaunots 2023. gada 24. maijā
Rimants Žogota

ūdeņradis

(latīņu hydrogenium, angļu hydrogen, vācu Wasserstoff, franču hydrogène, krievu водород)

ķīmisko elementu periodiskās tabulas elements ar atomskaitli 1

Saistītie šķirkļi

Ūdeņradis

Ūdeņradis ķīmisko elementu periodiskajā tabulā tiek apzīmēts ar simbolu H un atrodas 1. perioda 1A. grupā. Ūdeņraža atoms sastāv no viena protona un viena elektrona (elektronu konfigurācija 1s¹). Tas ir vieglākais elements visā periodiskajā tabulā (H relatīvā atommasa ir 1,00794 g/mol) un visizplatītākais elements Visumā, jo ir apmēram 74 % no Visuma masas. Standarta apstākļos ūdeņradis ir bezkrāsaina, viegli uzliesmojoša, netoksiska divatomu gāze bez smaržas. Tā ķīmiskā formula (H₂) sastāv no diviem ūdeņraža atomiem. Ūdeņraža plazma iekrāsojas spoži violetā krāsā.

Rūpnieciski ūdeņradi iegūst ūdens tvaika katalītiskās reakcijās ar metānu, oglekļa monoksīdu (CO) vai oglekli (koksu).

Īsa vēsture

Ūdeņraža gāzes izdalīšanās tika novērota jau 16. gs. dažādu metālu reakcijās ar atšķaidītām skābēm. Pirmais savos pētījumos 1776. gadā ūdeņradi kā atsevišķu elementu aprakstīja angļu zinātnieks un ķīmiķis Henrijs Kevendišs (Henry Cavendish), kurš to raksturoja kā “degošo gaisu”. Tomēr H. Kevendišs “degošo gaisu” uzskatīja par flogistonu – hipotētisku degtspējīgu vielu sastāvdaļu. Tikai pēc vairākiem gadiem tika novērots, ka šīs gāzes sadegšanas procesā veidojas ūdens. 1783. gadā franču ķīmiķis Antuāns Lavuazjē (Antoine Laurent de Lavoisier) deva šim elementam nosaukumu hydrogène (no grieķu ὕδωρ, hidōr ‘ūdens’ + γεννάω, gennaō ‘radu, veidoju’), dzelzs un ūdens tvaika reakcijas pētījumu rezultātā iegūstot ūdeņradi.

Atrašanās dabā

Ja Visumā ūdeņradis ir visizplatītākais elements, ietilpstot zvaigžņu un gāzu planētu (Jupitera, Saturna, Urāna un Neptūna) sastāvā, tad Zemes garozā ūdeņraža daudzums ir krietni mazāks – aptuveni 0,14 % pēc masas. Dabā ūdeņradis tīrā veidā atrodas okeānos, ledājos, upēs un ezeros, taču lielākoties tas sastopams dažādu savienojumu veidā, piemēram, ūdens, metālu hidrīdu. Ūdeņradis ietilpst arī organisko savienojumu struktūrā. Savienojumā ar oglekli tas veido ogļūdeņražus, kas ir galvenā naftas sastāvdaļa.

Izotopi

Ūdeņradim kopumā ir zināmi trīs izotopi, no kuriem stabilākais ir tieši ¹H ūdeņradis jeb protijs, kura atoms sastāv no viena protona un viena elektrona. Protija atommasa ir 1, bet otrs stabilākais ūdeņraža izotops ar atommasu 2 ir deitērijs. Deitēriju mēdz saukt arī par smago ūdeņradi un to apzīmē ar ²H vai simbolu D. Deitērija atoms sastāv no viena protona, viena neitrona un viena elektrona. Trešais ūdeņraža izotops, kura kodols sastāv no viena protona un diviem neitroniem, ir tritijs. To apzīmē ar ³H vai simbolu T, un tritija atommasa ir 3. Dabiskajos ūdeņraža savienojumos deitērijs ir vien 0,0156 % daudzumā, kamēr pārējo daļu veido protijs (tritijs atrodas vien 10^-15 līdz 10^-16 % daudzumos). Tritijs ir radioaktīvs elements ar pussabrukšanas periodu 12,32 gadi. Laboratorijas apstākļos ir iegūti arī citi dabā neeksistējoši ūdeņraža izotopi (⁴H – ⁷H), taču tie ir ļoti nestabili.

Fizikālās īpašības

Molekulārā ūdeņraža molekulas ir ļoti mazas un kustīgas, tādēļ to atomu savstarpējās pievilkšanās spēki ir niecīgi. Tāpēc ūdeņradim ir ļoti zema kušanas un viršanas temperatūra (–259,16 ^oC un –252,762 ^oC attiecīgi (dati no “CRC Ķīmijas un fizikas rokasgrāmatas, 95. izdevuma” (CRC Handbook of Chemistry and Physics. 95th Edition, 2014) Viljama Heinsa (William Mickey Haynes) redakcijā). Ūdeņraža molekulas ir salīdzinoši stabilas, taču temperatūrā virs 2000 ^oC tās sāk sadalīties ūdeņraža atomos. Ūdeņraža blīvums ir 0,082 g/L (dati no “CRC Ķīmijas un fizikas rokasgrāmatas, 95. izdevuma”), kas ir mazāk par gaisa blīvumu. H atomam ir zināmas divas oksidēšanās pakāpes (+1 un –1), kas nozīmē, ka ķīmiskajās reakcijās ūdeņradis un tā savienojumi var būt gan oksidētāji, gan reducētāji. Ūdeņraža molekulā (H₂) attālums starp abiem ūdeņraža atomiem ir 74,14 pm. Atkarībā no apstākļiem ūdeņradis var pastāvēt gan gāzveida, gan šķidrā, gan cietā formā. Cietā stāvoklī ūdeņradim ir heksagonāla kristālrežģa uzbūve.

Ūdeņraža tvaika lampa izmantošanai optikas eksperimentos.

Fotogrāfs Shreesha S. Hegde. Avots: Shutterstock.com.

Ķīmiskās īpašības

Gāzveida ūdeņradis ir viegli uzliesmojošs un degošs savienojums. Tas gaisā var degt plašā ūdeņraža koncentrācijas diapazonā – no 4 % līdz 75 % pēc tilpuma. Lai gan ūdeņraža atoms ir stabils un pēc uzbūves vienkāršs atoms, tas reaģē un veido savienojumus ar lielāko daļu citu elementu. Ūdeņraža specifiskākā atšķirība no citiem ķīmiskajiem elementiem ir tā, ka starp kodolu (protonu jeb H⁺) un elektronu tam nav elektronu čaulas, un šis elektrons atrodas tieši kodola iedarbības sfērā. Šī īpatnība ir pamatā atsevišķam ķīmiskās saites veidam, respektīvi, tāpēc veidojas ūdeņraža saites. Ūdeņraža saite pārsvarā veidojas starp ūdeņradi un fluora, skābekļa vai slāpekļa atomu. Ķīmiskajās pārvērtībās ar elektronegatīvākiem elementiem (halogēniem, skābekli) ūdeņradim ir vairāk daļēji pozitīvs lādiņš, bet ar elektropozitīvākiem elementiem (sārmu metāliem) tam ir vairāk daļēji negatīvs lādiņš. Oksidējot ūdeņraža molekulu, tiek iegūts protons jeb H⁺, bet brīvā veidā ķīmiskajās reakcijās protons nepastāv. Piemēram, ūdens vidē protons pievienojas ūdenim un rodas hidroksonija jons H₃O⁺ (šī jona daudzums nosaka vides skābumu). Savienojumos, kuros ūdeņradis veido tikai kovalentās saites, ūdeņraža oksidēšanās pakāpe pārsvarā vienmēr ir +1. Turpretim savienojumus, kurus veido metāli un ūdeņraža atoms, sauc par hidrīdiem. Šādos savienojumos ūdeņraža oksidēšanās pakāpe ir -1.

Izmantošana

Lielākais ūdeņraža patēriņš ir tieši ķīmiskajā rūpniecībā, kur to izmanto par izejvielu amonjaka, metanola un hlorūdeņraža iegūšanai. Ūdeņradis ir arī svarīgs enerģijas avots, ko izmanto kā kurināmo (lielākoties maisījumā ar tvana gāzi) vai alternatīvo degvielu (pārsvarā raķešu degviela, bet strauji attīstās arī izmantošana autotransportā). Rūpniecībā ūdeņradi izmanto arī metālapstrādē, elektrotehnoloģiju un elektrības ražošanā un reducēšanas procesos. Līdz 20. gs. vidum to arī plaši lietoja gaisa balonu uzpildīšanā, taču mūsdienās tas tiek aizstāts ar hēliju. Savukārt ūdeņraža izotopiem (deitērijam un tritijam) ir liela nozīme kodolreakciju veikšanai, piemēram, kodolieroču ražošanai.

Multivide

Ūdeņradis

Ūdeņraža tvaika lampa izmantošanai optikas eksperimentos.

Fotogrāfs Shreesha S. Hegde. Avots: Shutterstock.com.

ūdeņradis

Saistītie šķirkļi

Ūdeņradis

Satura rādītājs

Satura rādītājs

Ūdeņraža tvaika lampa izmantošanai optikas eksperimentos.

Multivide

Autora ieteiktie papildu resursi

ūdeņradis

Saistītie šķirkļi

Ūdeņradis

Satura rādītājs

Satura rādītājs

Ūdeņraža tvaika lampa izmantošanai optikas eksperimentos.

Multivide

Saistītie šķirkļi

Autora ieteiktie papildu resursi

Tīmekļa vietnes

Ieteicamā literatūra