ไฮโดรเจน

ไฮโดรเจน (อังกฤษ: Hydrogen; ละติน: hydrogenium ไฮโดรเจเนียม) เป็นธาตุเคมีที่มีเลขอะตอม 1 สัญลักษณ์ธาตุคือ H มีน้ำหนักอะตอมเฉลี่ย 1.00794 u (1.007825 u สำหรับไฮโดรเจน-1) ไฮโดรเจนเป็นธาตุที่เบาที่สุดและพบมากที่สุดในเอกภพ ซึ่งคิดเป็นมวลธาตุเคมีประมาณร้อยละ 75 ของเอกภพ ดาวฤกษ์ในลำดับหลักส่วนใหญ่ประกอบด้วยไฮโดรเจนในสถานะพลาสมา ธาตุไฮโดรเจนที่เกิดขึ้นเองตามธรรมชาติหาได้ค่อนข้างยากบนโลก

ไฮโดรเจน, ₁H

Purple glow in its plasma state
ไฮโดรเจน
รูปลักษณ์	Colorless gas
Standard atomic weight Ar°(H)
	[1.00784, 1.00811] 1.0080±0.0002 (abridged)
ไฮโดรเจนในตารางธาตุ
Hydrogen Helium Lithium Beryllium Boron Carbon Nitrogen Oxygen Fluorine Neon Sodium Magnesium Aluminium Silicon Phosphorus Sulfur Chlorine Argon Potassium Calcium Scandium Titanium Vanadium Chromium Manganese Iron Cobalt Nickel Copper Zinc Gallium Germanium Arsenic Selenium Bromine Krypton Rubidium Strontium Yttrium Zirconium Niobium Molybdenum Technetium Ruthenium Rhodium Palladium Silver Cadmium Indium Tin Antimony Tellurium Iodine Xenon Caesium Barium Lanthanum Cerium Praseodymium Neodymium Promethium Samarium Europium Gadolinium Terbium Dysprosium Holmium Erbium Thulium Ytterbium Lutetium Hafnium Tantalum Tungsten Rhenium Osmium Iridium Platinum Gold Mercury (element) Thallium Lead Bismuth Polonium Astatine Radon Francium Radium Actinium Thorium Protactinium Uranium Neptunium Plutonium Americium Curium Berkelium Californium Einsteinium Fermium Mendelevium Nobelium Lawrencium Rutherfordium Dubnium Seaborgium Bohrium Hassium Meitnerium Darmstadtium Roentgenium Copernicium Nihonium Flerovium Moscovium Livermorium Tennessine Oganesson – ↑ H ↓ Li Neutronium ← ไฮโดรเจน → helium
เลขอะตอม (Z)	1
หมู่	group 1: hydrogen and alkali metals
คาบ	คาบที่ 1
บล็อก	บล็อก-s
การจัดเรียงอิเล็กตรอน	1s1
จำนวนอิเล็กตรอนต่อชั้น	1
สมบัติทางกายภาพ
วัฏภาค ณ STP	gas
จุดหลอมเหลว	(H2) 13.99 K ​(−259.16 °C, ​−434.49 °F)
จุดเดือด	(H2) 20.271 K ​(−252.879 °C, ​−423.182 °F)
ความหนาแน่น (ณ STP)	0.08988 g/L
เมื่อเป็นของเหลว (ณ m.p.)	0.07 g/cm3 (solid: 0.0763 g/cm3)
เมื่อเป็นของเหลว (ณ b.p.)	0.07099 g/cm3
Triple point	13.8033 K, ​7.041 kPa
Critical point	32.938 K, 1.2858 MPa
ความร้อนแฝงของการหลอมเหลว	(H2) 0.117 kJ/mol
ความร้อนแฝงของการกลายเป็นไอ	(H2) 0.904 kJ/mol
ความจุความร้อนโมลาร์	(H2) 28.836 J/(mol·K)
ความดันไอ P (Pa) 1 10 100 1 k 10 k 100 k at T (K) 15 20
สมบัติเชิงอะตอม
เลขออกซิเดชัน	−1, 0, +1 (ออกไซด์เป็นแอมโฟเทริก)
อิเล็กโตรเนกาทิวิตี	Pauling scale: 2.20
พลังงานไอออไนเซชัน	1st: 1312.0 kJ/mol
รัศมีโคเวเลนต์	31±5 pm
รัศมีวานเดอร์วาลส์	120 pm
Color lines in a spectral range เส้นสเปกตรัมของไฮโดรเจน
สมบัติอื่น
โครงสร้างผลึก	​hexagonal
การนำความร้อน	0.1805 W/(m⋅K)
ความเป็นแม่เหล็ก	diamagnetic
Molar magnetic susceptibility	−3.98×10−6 cm3/mol (298 K)
ความเร็วของเสียง	1310 m/s (gas, 27 °C)
เลขทะเบียน CAS	12385-13-6 1333-74-0 (H2)
ประวัติศาสตร์
การค้นพบ	Henry Cavendish (1766)
Named by	Antoine Lavoisier (1783)
ไอโซโทปของไฮโดรเจน
ไอโซโทปหลัก การสลายตัว ปริมาณที่พบ ครึ่งชีวิต (t1/2) กระบวนการ ผลิตภัณฑ์ 1H 99.9855% stable 2H 0.0145% stable 3H trace 12.32 y β− 3He

ไอโซโทปที่พบมากที่สุดของไฮโดรเจน คือ โปรเทียม (ชื่อพบใช้น้อย สัญลักษณ์ ¹H) ซึ่งมีโปรตอนหนึ่งตัวแต่ไม่มีนิวตรอน ในสารประกอบไอออนิก โปรเทียมสามารถรับประจุลบ (แอนไอออนซึ่งมีชื่อว่า ไฮไดรด์ และเขียนสัญลักษณ์ได้เป็น H^-) หรือกลายเป็นสปีซีประจุบวก H⁺ ก็ได้ แคตไอออนหลังนี้เสมือนว่ามีเพียงโปรตอนหนึ่งตัวเท่านั้น แต่ในความเป็นจริง แคตไอออนไฮโดรเจนในสารประกอบไอออนิกเกิดขึ้นเป็นสปีซีที่ซับซ้อนกว่าเสมอ ไฮโดรเจนเกิดเป็นสารประกอบกับธาตุส่วนใหญ่และพบในน้ำและสารประกอบอินทรีย์ส่วนมาก ไฮโดรเจนเป็นส่วนสำคัญในการศึกษาเคมีกรด–เบส โดยมีหลายปฏิกิริยาแลกเปลี่ยนโปรตอนระหว่างโมเลกุลละลายได้ เพราะเป็นอะตอมที่เรียบง่ายที่สุดเท่าที่ทราบ อะตอมไฮโดรเจนจึงได้ใช้ในทางทฤษฎี ตัวอย่างเช่น เนื่องจากเป็นอะตอมที่เป็นกลางทางไฟฟ้าเพียงชนิดเดียวที่มีผลเฉลยเชิงวิเคราะห์ของสมการชเรอดิงเงอร์ การศึกษาการพลังงานและพันธะของอะตอมไฮโดรเจนได้มีบทบาทสำคัญในการพัฒนากลศาสตร์ควอนตัม

มีการสังเคราะห์แก๊สไฮโดรเจนขึ้นเป็นครั้งแรกในต้นคริสต์ศตวรรษที่ 16 โดยการผสมโลหะกับกรดแก่ ระหว่าง ค.ศ. 1766-1781 เฮนรี คาเวนดิชเป็นคนแรกที่สังเกตพบว่า แก๊สไฮโดรเจนเป็นสสารชนิดหนึ่งต่างหาก และจะให้น้ำเมื่อนำไปเผาไหม้ ซึ่งคุณสมบัตินี้เองที่ได้กลายมาเป็นชื่อของไฮโดรเจน ซึ่งเป็นภาษากรีก หมายถึง "ตัวก่อให้เกิดน้ำ" ที่อุณหภูมิและความดันมาตรฐาน ไฮโดรเจนไร้สี ไร้กลิ่น เป็นอโลหะ ไร้รส ไม่มีพิษ และเป็นแก๊สไดอะตอมที่ไวไฟสูง มีสูตรโมเลกุลคือ H₂

สเปกตรัมไฮโดรเจน

การผลิตไฮโดรเจนในเชิงอุตสาหกรรมมาจากการนำแก๊สธรรมชาติมาผ่านกระบวนการรีฟอร์มมิงด้วยไอน้ำ (steam reforming) เป็นหลัก และจากวิธีการผลิตไฮโดรเจนที่ต้องใช้พลังงานสูงกว่า เช่น การแยกน้ำด้วยไฟฟ้า ไฮโดรเจนส่วนใหญ่ใช้สอยกันใกล้จุดผลิต กระบวนการเชื้อเพลิงซากดึกดำบรรพ์ (นั่นคือไฮโดรแครกกิง) และการผลิตแอมโมเนีย ซึ่งส่วนใหญ่สำหรับตลาดปุ๋ย เป็นภาคที่มีการใช้ไฮโดรเจนมากที่สุด

ไฮโดรเจนเป็นความกังวลหนึ่งในโลหะวิทยา เพราะไฮโดรเจนสามารถทำให้โลหะหลายชนิดเปราะได้ ซึ่งทำให้เป็นการยากขึ้นในการออกแบบสายท่อและถังเก็บ

คุณสมบัติ

การเผาไหม้

แก๊สไฮโดรเจน (ไดไฮโดรเจนหรือโมเลกุลไฮโดรเจน) ไวไฟสูงและจะเผาไหม้ในอากาศที่มีช่วงความเข้มข้นกว้างมากระหว่างร้อยละ 4 ถึง 75 โดยปริมาตร เอนทัลปีของการเผาไหม้สำหรับไฮโดรเจนคือ -286 กิโลจูลต่อโมล (kJ/mol)

2 H₂ (g) + O₂ (g) → 2 H₂O (l) + 572 kJ (286 kJ/mol)

แก๊สไฮโดรเจนก่อตัวเป็นสารผสมระเบิดกับอากาศหากมีความเข้มข้นร้อยละ 4–74 และกับคอลรีนหากมีความเข้มข้นร้อยละ 5–95 สารผสมนี้จะระเบิดขึ้นเองตามธรรมชาติเมื่อต้องประกายไฟ ความร้อนหรือแสงอาทิตย์ อุณหภูมิจุดระเบิดเองของไฮโดรเจน อุณหภูมิการติดไฟเองในอากาศ คือ 500 °C เปลวไฟไฮโดรเจน–ออกซิเจนบริสุทธิ์ปลดปล่อยแสงอัลตราไวโอเล็ตและมองด้วยตาเปล่าแทบไม่เห็น เปรียบเทียบได้จากเปลวไฟสีจางของเครื่องยนต์หลักกระสวยอวกาศ กับเปลวไฟที่มองเห็นได้ชัดเจนของจรวดเชื้อเพลิงแข็งกระสวยอวกาศ การตรวจจับการรั่วไหลของไฮโดรเจนที่กำลังเผาไหม้อาจต้องใช้อุปกรณ์ตรวจจับเปลวไฟ การรั่วไหลเช่นนี้อาจเป็นอันตรายได้มาก เรือเหาะฮินเดนบวร์กเป็นตัวอย่างของการเผาไหม้ไฮโดรเจน สาเหตุนั้นยังเป็นที่โต้เถียงกันอยู่ แต่เปลวไฟที่มองเห็นได้นั้นเป็นผลของวัตถุไวไฟในผิวของเรือ เพราะไฮโดรเจนลอยตัวในอากาศ เปลวไฟไฮโดรเจนจึงลอยขึ้นสูงอย่างรวดเร็วและก่อให้เกิดความเสียหายน้อยกว่าเปลวไฟไฮโดรคาร์บอนมาก ผู้โดยสารเรือเหาะฮินเดนบวร์กสองในสามรอดชีวิตจากเหตุไฟไหม้ และการเสียชีวิตจำนวนมากนั้นเกิดจากการตกหรือเชื้อเพลิงดีเซลที่เผาไหม้มากกว่า

H₂ ทำปฏิกิริยากับธาตุออกซิไดซ์ทุกชนิด ไฮโดรเจนสามารถเกิดปฏิกิริยาตามธรรมชาติอย่างรุนแรงที่อุณหภูมิห้องกับคลอรีนและฟลูออรีน เกิดเป็นเฮไลด์ของไฮโดรเจน คือ ไฮโดรเจนคลอไรด์กับไฮโดรเจนฟลูออไรด์ตามลำดับ ซึ่งมีศักยะเป็นกรดอันตราย

ระดับพลังงานอิเล็กตรอน

บทความหลัก: อะตอมไฮโดรเจน

ระดับพลังงานที่สถานะพื้นของอิเล็กตรอนในอะตอมไฮโดรเจนมีค่าเท่ากับ -13.6 eV ซึ่งมีค่าเท่ากับโฟตอนจากรังสีอัลตราไวโอเล็ต ที่มีความยาวคลื่น 92 นาโนเมตร

ระดับพลังงานของไฮโดรเจนสามารถคำนวณได้จากแบบจำลองอะตอมของบอร์ ซึ่งได้ลงรายละเอียดเกี่ยวกับอิเล็กตรอนที่วิ่งไปรอบๆโปรตอนเหมือนกับที่โลกโคจรรอบดวงอาทิตย์ ถึงอย่างนั้น แรงแม่เหล็กไฟฟ้าที่เชื่อมระหว่างโปรตอนและอิเล็กตรอนกับอะตอมไฮโดรเจนอื่น ขณะที่ดาวเคราะห์และเทหวัตถุในอวกาศเชื่อมกับวัตถุอื่นโดยแรงโน้มถ่วง เนื่องด้วยการแบ่งของโมเมนตัมเชิงมุม ซึ่งถูกตั้งสมมติฐานไว้ในกลศาสตร์ควอนตัมโดยบอร์ อิเล็กตรอนในแบบจำลองของบอร์เท่านั้นที่สามารถรักษาระยะห่างจากโปรตอนไว้ได้ ด้วยพลังงานบางชนิด

รายละเอียดที่แน่นอนของอะตอมไฮโดรเจนมาจากกลศาสตร์ควอนตัมบริสุทธิ์ซึ่งเกิดจากการใช้สมการชเรอดิงเงอร์ สมการดีแรก เพื่อคำนวณความเป็นไปได้ของความหนาแน่นของอิเล็กตรอนที่อยู่รอบโปรตอน การคำนวณอย่างซับซ้อนที่สุดอนุญาตให้มีผลกระทบเล็กน้อยของสัมพัทธภาพพิเศษและโพลาไรซ์สุญญากาศ

สถานะของไฮโดรเจน

• ไฮโดรเจนบีบอัด
• ไฮโดรเจนเหลว
• โคลนไฮโดรเจน
• ไฮโดรเจนแข็ง
• โลหะไฮโดรเจน

สารประกอบไฮโดรเจน

บทความหลัก: สารประกอบของไฮโดรเจน

สารประกอบโควาเลนต์และสารประกอบอินทรีย์

เนื่องด้วยไฮโดรเจนไม่ได้ว่องไวในการทำปฏิกิริยามากในภาวะมาตรฐาน แต่มันสามารถทำสารประกอบกับธาตุได้ส่วนมาก ไฮโดรเจนสามารถทำสารประกอบกับธาตุที่มีอิเล็กโตรเนกาติวิตีสูง เช่น แฮโลเจน (F, Cl, Br, I) หรือออกซิเจน ในสารประกอบเหล่านี้ไฮโดรเจนแสดงส่วนของประจุบวก เมื่อมีพันธะกับธาตุที่มีประจุลบมากกว่า โดยเฉพาะฟลูออรีน ออกซิเจน หรือไนโตรเจน ไฮโดรเจนสามารถมีส่วนร่วมในรูปแบบของพันธะที่ไม่ใช่พันธะโควาเลนต์ ที่มีความแข็งแรงปานกลางกับธาตุที่มีประจุลบอื่นซึ่งมีอิเล็กตรอนคู่โดดเดี่ยว ซึ่งเรียกปรากฏการณ์นี้ว่าพันธะไฮโดรเจน ซึ่งมีความสำคัญอย่างมากกับเสถียรภาพของโมเลกุลชีวภาพจำนวนมาก ไฮโดรเจนยังรวมตัวเป็นสารประกอบกับธาตุที่มีประจุลบน้อยกว่าเช่น โลหะ และกึ่งโลหะ ซึ่งไฮโดรเจนจะแสดงส่วนของประจุลบ สารประกอบเหล่านี้มักถูกเรียกว่าไฮไดรด์

ประวัติ

ไฮโดรเจนถูกรับรองว่ามีอยู่จริงครั้งแรกโดยเฮนรี คาเวนดิช ในปี ค.ศ. 1766 คาเวนดิชค้นพบมันระหว่างทำการทดลองระหว่างกรดกับปรอท แต่เขาสันนิษฐานผิดพลาดว่าไฮโดรเจนนั้นเป็นสารประกอบของปรอท แต่เขาก็ยังสามารถบรรยายคุณสมบัติต่าง ๆ ของไฮโดรเจนได้อย่างถูกต้อง ต่อมา อองตวน ลาวัวซิเอได้ตั้งชื่อให้กับธาตุนี้ว่าไฮโดรเจน และพิสูจน์ว่าไฮโดรเจนและออกซิเจนเป็นส่วนประกอบของน้ำ ไฮโดรเจนถูกใช้ประโยชน์ครั้งแรกในการบรรจุในบอลลูน ไฮโดรเจนสามารถเตรียมได้จากการผสมกรดซัลฟิวริกกับเหล็ก ดิวเทอเรียมซึ่งเป็นไอโซโทปของไฮโดรเจน ถูกค้นพบโดย แฮโรลด์ ซี. อูเรย์ (Harold C. Urey) โดยการกลั่นน้ำหลาย ๆ ครั้ง อูเรย์ได้รับรางวัลโนเบลจากการค้นพบของเขาในปี ค.ศ. 1934 ในปีเดียวกันนั้น มีการค้นพบทริเทียม ไอโซโทปชนิดที่สามของไฮโดรเจน

การนำไปใช้ประโยชน์

• การใช้กับรถยนต์ เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการเผาไหม้

• ใช้ในกระบวนการ ไฮโดรจีเนชั่น (Hydrogenation) เพื่อสังเคราะห์น้ำมันพืชและน้ำมันจากสัตว์
• ใช้ร่วมกับ คลอรีน เพื่อผลิตไฮโดรเจนคลอไรด์
• ใช้ร่วมกับออกซิเจน ในการตัดชิ้นงานใต้น้ำ
• ไฮโดรเจนเหลวใช้เป็นเชื้อเพลิงของจรวดและเป็นส่วนผสมสำคัญในการสร้างปฏิกิริยานิวเคลียร์

ศัพท์เฉพาะของไฮโดรเจน

• เป็นชื่อของธาตุชนิดหนึ่ง
• "H dot" เป็นชื่อเรียกของโมเลกุลชนิดหนึ่งที่พบมากในอวกาศ แต่ไม่พบในโลก
• โมเลกุล 2 อะตอม ที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติบนบรรยากาศโลก ทางเคมีสามารถเขียนได้ H₂ เรียกว่า ไดไฮโดรเจน เพื่อประโยชน์ในการแบ่งแยกกับสารอื่น

ดูเพิ่ม

• อะตอมไฮโดรเจน
• ยานพาหนะพลังไฮโดรเจน