Ūdeņradis (latīņu: hydrogenium) ir periodiskās tabulas pirmais elements. Šo elementu apzīmē ar H un tā atomskaitlis ir 1. Normālos apstākļos ūdeņradis ir viegli uzliesmojoša un bezkrāsaina divatomu gāze bez smaržas. Tās ķīmiskā formula ir H2. Ūdeņraža atommasa ir 1,00794 g/mol. Tā ir mazākā atommasa no visiem ķīmiskajiem elementiem, un tas nozīmē to, ka ūdeņradis ir vieglākais no visiem elementiem. Ūdeņradis vienmēr ir vienvērtīgs. Savienojumos ūdeņradim parasti ir oksidēšanas pakāpe +1, taču dažos savienojumos tā var būt arī -1 (metālu hidrīdos).
Ūdeņradis ir visizplatītākais elements Visumā. Tas sastāda aptuveni 75% no visa Visuma masas.[1]Galvenās secības zvaigznes lielākoties sastāv tieši no ūdeņraža.
Vēsture
Jau 16. un 17. gadsimtā tika novērota degošas gāzes izdalīšanās, skābēm reaģējot ar metāliem. 1766. gadā slavenais angļu ķīmiķis un fiziķis Henrijs Kevendišs pētīja šo gāzi un nosauca to par "degošo gaisu". Sadedzinot no "degošā gaisa" radās ūdens, taču Kevendišs no tā neizdarīja pareizos secinājumus, jo bija flogistona teorijas piekritējs.
Franču ķīmiķis Antuāns Lavuazjē kopā ar inženieri Žanu Menjē1783. gadā, izmantojot speciālus gazometrus, veica ūdens sintēzi. Sadalot ūdens tvaiku ar nokaitētu dzelzi, viņš atkal ieguva ūdeņradi un secināja, ka tas ietilpst ūdens sastāvā.
Lavuazjē devis ūdeņradim nosaukumu hydrogène (grieķu: hydōr — ūdens un genos — izcelsme). Vairāk vai mazāk analoģisks nosaukums ūdeņradim ir visās valodās.
Ūdeņradis ir pats izplatītākais elements Visumā, jo tas sastāda aptuveni trīs ceturtdaļas kosmiskās vielas. Zemes garozā ūdeņraža ir daudz mazāk (0,15% pēc masas jeb 3% pēc atomu skaita). Dabā, jūras līmenī ūdeņradis parasti ir sastopams savienojumu veidā, lai arī augstākajos atmosfēras slāņos ir diezgan daudz brīva ūdeņraža, kur tas veidojas, ūdens molekulām sadaloties UV starojuma iedarbībā. Retumis ūdeņradis sastopams vulkāniskajās gāzēs un dabas gāzē.
Izotopi
Ūdeņradim ir trīs izotopi, no kuriem visizplatītākais un stabilākais ir izotops 1H ar atommasu 1 jeb protijs. Sastopams arī izotops 2H ar masas skaitli 2, kura kodolā ir viens protons un viens neitrons — deitērijs (D). Dabiskajos ūdeņraža savienojumos deitērija un protija attiecība ir 1 : 6800 (pēc atomu skaita). Ir pazīstams arī izotops 3H ar diviem neitroniem kodolā. To sauc par tritiju un apzīmē ar simbolu T. Tritijs ir β radioaktīvs un tā pussabrukšanas periods ir 12,32 gadi.
Ūdeņraža izotopu atomu uzbūve
Ir iegūti ārkārtīgi nestabili ūdeņraža izotopi ar trim, četriem, pieciem un pat sešiem neitroniem kodolā. To vidējais dzīves laiks ir apmēram 10-22—10-23sekundes.
Bioloģiskā nozīme
Ūdeņradis pieder pie biogēnajiem elementiem, jo ietilpst praktiski visu organisko vielu sastāvā. Ūdeņraža saites nosaka dabasvielu sarežģīto molekulu struktūru un mijiedarbību. Ūdeņradis ir ūdens sastāvdaļa, bet bez ūdens nav iespējama dzīvība.
Ūdeņraža peroksīda šķīdumu (perhidrolu) izmanto medicīnā kā dezinficējošu līdzekli. Ūdeņraža peroksīds uzskatāms par toksisku vielu, kas gan ātri sadalās par skābekli un ūdeni.
Deitērija oksīds jeb smagais ūdens var būt kaitīgs, uzņemot to lielos daudzumos. Kā noskaidrots eksperimentos ar dzīvniekiem (pelēm un žurkām), tās iet bojā, ja 30 līdz 35% ķermeņa ūdens aizstāj ar smago ūdeni. Lai kaitētu cilvēka veselībai, cilvēkam vajadzētu izdzert vismaz 5 l smagā ūdens (respektīvi, dzert to vismaz 4 dienas pēc kārtas). Tādēļ tiek uzskatīts, ka smagais ūdens parastos apstākļos nerada veselības traucējumus.[2]
Brīvs gāzveida ūdeņradis nav toksisks. To retumis izmanto kā iesaiņošanas gāzi pārtikas iepakojumu piepildīšanai (pārtikas piedeva E949).[3] Jāņem vērā, ka ūdeņradis, kas iegūts, netīram cinkam reaģējot ar skābēm, var saturēt ārkārtīgi indīgo arsēnūdeņradi.
Iegūšana
Rūpnieciskās ūdeņraža iegūšanas metodes
ūdens tvaika katalītiskā konversija ar dažādiem ogļūdeņražiem (galvenokārt metānu);
elektrolizējot sārmu vai skābju ūdens šķīdumus, pie katoda izdalās ūdeņradis.
2H3O+ + 2e- → H2↑ + 2H2O
Jāatceras, ka nekad nedrīkst pārbaudīt iegūtā ūdeņraža tīrību, aizdedzinot to tieši iegūšanas iekārtas izejā — tas var izraisīt bīstamu sprādzienu! Ar ūdeņradi vispirms jāpiepilda mēģene, turot tās vaļējo galu uz leju, jāaiznes tālāk no iekārtas un jāaizdedzina. Tīrs ūdeņradis sadeg mierīgi, ar klusu troksni, bet netīrs, sajaukts ar gaisu — ar svilpienu vai pat nelielu sprādzienu.[4]
Fizikālās īpašības
Ūdeņraža divatomu molekulas ir ar ļoti niecīgiem izmēriem un masu, tādēļ tās ir ļoti kustīgas un ūdeņraža kušanas un viršanas temperatūras ir stipri zemas (vēl zemākas ir tikai cēlgāzei hēlijam, kas vispār neveido molekulas). H2 molekulas ir visai stabilas (sadalīties atomos sāk tikai temperatūrā, kas augstāka par 2000 °C) un maz polarizējamas. Ūdeņradis tikpat kā nešķīst ūdenī un organiskos šķīdinātājos. Cietam ūdeņradim ir heksagonāls kristālrežģis. Ārkārtīgi liela spiediena (miljonos atmosfēru) iedarbībā ūdeņradis veido kristālrežģi no protoniem, bet elektroni kļūst kopīgi (sk. metāliskais ūdeņradis).
Ķīmiskās īpašības
Ūdeņraža atoms ir pats vienkāršākais atoms, taču ūdeņraža ķīmija nav vienkārša un stipri atšķiras no citu elementu ķīmijas. Galvenā ūdeņraža īpatnība ir tā, ka tam nav elektronu čaulas starp kodolu un vērtības elektroniem — ūdeņraža vienīgais valences elektrons atrodas tieši kodola (šajā gadījumā protona — ūdeņraža pozitīvais jons H+ ir protons) iedarbības sfērā. Tāda īpatnība ir vēl vienīgi hēlijam, taču tas neveido savienojumus. Šī specifika ir pamatā sevišķam ķīmiskās saites veidam, kas sastopams tikai ūdeņraža savienojumos — ūdeņraža saitei.
Brīvā veidā protons jeb H+ jons parastajās ķīmiskajās reakcijās neeksistē (ja arī vienkāršības labad, piemēram, ūdens vidē norisošu reakciju vienādojumos raksta H+, īstenībā tas ir hidroksonija jons H3O+). Ar oksidēšanas pakāpi +1 ūdeņradis veido tikai kovalentos savienojumus (pat ar tādu spēcīgu oksidētāju kā fluors). Tas var būt kompleksa veidotājs anjonu kompleksos. Savukārt oksidēšanas pakāpē -1 ūdeņradim iespējami jonu savienojumi (hidrīdi). Tātad ūdeņradis var būt gan oksidētājs, gan reducētājs.
Ūdeņradis kā reducētājs
Reakcijas ar nemetāliem
Ūdeņraža un gaisa maisījuma eksplozija. Koniskais trauks ir pildīts ar tīru ūdeņradi; augšā ir atvere liesmai, bet apakšā var brīvi ieplūst gaiss. Ūdeņradim izdegot, tas sajaucas ar gaisu; pamazām degšana kļūst nestabila, par ko liecina mainīgā skaņa, bet pašās beigās, maisījuma sastāvam sasniedzot kritisko robežu, notiek eksplozija
Parastajos apstākļos ūdeņradis tieši reaģē tikai ar fluoru, jo saite starp ūdeņraža atomiem tā molekulā ir visai stabila. Karsējot, apgaismojot (ar hloru) vai katalizatoru klātienē tas reaģē kā reducētājs ar daudziem nemetāliem — slāpekli, skābekli, bromu.
Šīs reakcijas var būt arī apgriezeniskas, piemēram, augstā temperatūrā ar karstu dzelzi no ūdens var izdalīt ūdeņradi.
Organisku savienojumu hidrēšana
Iedarbojoties uz nepiesātinātajiem ogļūdeņražiem niķeļa katalizatora klātienē paaugstinātā temperatūrā, notiek ūdeņraža pievienošana dubultsaitēm (hidrogenēšana jeb hidrēšana):
Ūdeņraža binārie savienojumi ir iedalāmi atkarībā no elementa, ar kuru saistījies ūdeņradis, dabas (elektronegativitātes). Ja šis elements ir maz elektronegatīvs (piemēram, sārmu metāls), veidojas hidrīdi ar jonu saiti (piemēram, LiH, CaH2). Ja elements ir vairāk elektronegatīvs (tomēr ar zemāku elektronegativitāti nekā ūdeņradim), attiecīgie hidrīdi ir ar kovalento saiti (piemēram, B2H6). Hidrīdos ūdeņraža oksidēšanas pakāpe ir -1. Ja ūdeņraža un otra elementa elektronegativitātes ir līdzīgas, veidojas tā saucamie starpsavienojumi ar kovalento saiti, kuros ūdeņradis veido maz polāras saites (piemēram, metāns CH4 vai arsēnūdeņradis AsH3). Tādas pašas saites ūdeņradis mēdz veidot organiskajos savienojumos, ja ir savienojies ar oglekli, bet citos gadījumos saite var būt daudz polārāka, piemēram, karboksilgrupā esošajam ūdeņradim.
Savienojoties ar elementiem, kas jūtami elektronegatīvāki par ūdeņradi, tā atoms polarizējas pozitīvi (oksidēšanas pakāpe +1). Pazīstamākais no šādiem kovalentajiem savienojumiem ir ūdeņraža oksīds H2O jeb ūdens. Binārajiem savienojumiem ar fluoru, skābekli un slāpekli (fluorūdeņradim, ūdenim un amonjakam) ir sevišķi raksturīga starpmolekulāro ūdeņraža saišu veidošanās, tādēļ to kušanas un viršanas temperatūras ir anomāli augstas. Ūdeņradim oksidēšanas pakāpe +1 ir arī visās "klasiskajās" skābēs (kā HNO3 vai H2SO4) un to tā saucamajos skābajos sāļos.
Ūdeņradis var veidot anjonu kompleksus, ko sauc par hidrogenātiem.[5] Piemēram, kālija fluorīds ar fluorūdeņražskābi veido kālija hidrogēnfluorīdu jeb kālija difluorohidrogenātu:
KF + HF → K[HF2]
Analoģiski veidojas kālija dinitratohidrogenāts:
KNO3 + HNO3 → K[H(NO3)2]
Hidrogenāti var eksistēt vai nu cietā veidā, vai arī neūdens šķīdumos (dažreiz arī piesātinātos ūdens šķīdumos). Šie kompleksi rodas, veidojoties starpatomārai ūdeņraža saitei (piemēram, [F···H···F]−), kas ir trīsreiz stabilāka, nekā starpmolekulārā ūdeņraža saite.
Ar d un f elementiem (pārejas metāliem) ūdeņradis veido hidrīdus ar metāliskām īpašībām (lielu elektrovadītspēju un siltumvadītspēju). Lielākoties šādiem hidrīdiem ir nestehiometrisks sastāvs.
Izmantošana
Daļiņu treki ūdeņraža pūslīšu kamerā
Ūdeņradi plaši lieto ķīmiskajā rūpniecībā — hlorūdeņraža, amonjaka, metanola sintēzēm, kā arī dažādu degvielu un taukuhidrogenēšanai. Maisījumā ar CO (šādu maisījumu sauc par ūdens gāzi) to lieto kā kurināmo. Pēdējā laikā tīru ūdeņradi sāk lietot kā alternatīvo degvielu autotransportā un kā degvielas piedevu transporta līdzekļos ar iekšdedzes dzinējiem ar mērķi samazināt fosilo degvielu patēriņu. Ūdeņradim ir liela siltumietilpība un tas sadegot nerada kaitīgus izmešus, tādēļ ūdeņraža enerģētikai ir labas nākotnes izredzes.
Šķidrs ūdeņradis ir laba raķešdegviela. Ūdeņradis, degot skābeklī, dod ļoti karstu liesmu (līdz 2600 °C), ar kuras palīdzību var griezt un metināt grūti kūstošus metālus, kā arī kvarcu un citus materiālus. Ūdeņradi lieto arī gāzu hromatogrāfijākatarometrisko un liesmas jonizācijas detektoru darbināšanai. Šķidru ūdeņradi izmanto pūslīšu kamerāselementārdaļiņu reģistrēšanai.
Agrāk ūdeņradi lietoja gaisa balonu un dirižabļu uzpildīšanā, bet mūsdienās to aizstāj ar ugunsdrošo hēliju.
