Քիմիա

                                                    Ջրածին

Ջրածինը (H) պարբերական համակարգի առաջին տարրն է։ Առաջին անգամ մաքուր վիճակում ստացել է Հենրի Կավենդիշը 1766 թվականին։ Այնտիեզերքում ամենատարածված տարրն է։ Երկրի վրա այն գտնվում է հիմնականում միացությունների ձևով։ Ջրածինը միացություններում միավալենտ է։

Ջրածնի ատոմը կազմված է մեկ պրոտոն ունեցող միջուկից և մեկ էլեկտրոնից։ Հանդես է գալիս H₂

պարզ նյութի ձևով։

Պատմություն

Ջրածինը հայտնաբերվել է 16-րդ դարի կեսերին Պարացելսի կողմից, որը ստացել է երկաթի վրածծմբական թթու ազդելով։ 1766 թվականին Կավենդիշը հաստատել է նրա հատկությունները և ցույց է տվել նրա տարբերությունը մյուս գազերից և անվանել է «այրվող օդ»։ Լավուազիեն 1783թվականին առաջին անգամ ջրածին ստացավ ջրից և ապացուցեց, որ ջուրը ջրածնի և թթվածնիքիմիական միացությունն է և նրան անվանեց «հիդրոգենիում», որը նշանակում է ջուր ծնող։ Ջրածինը երկրի վրա հանդես է գալիս միացություններում՝ ջրում, նավթում, կենդանիհյուսվածքներում, իսկ ազատ վիճակում՝ շատ չնչին քանակներով մթնոլորտի վերին շերտերում։

Ջրածին անջատվում է նաև հրաբխային ժայթքումների ժամանակ։ Սպեկտրոսկոպի օգնությամբ ջրածին հայտնաբերվել է արեգակի և աստղերի վրա։

Անվան ծագում

1787 թվականին Ա․ Լավուազիեն «այրվող գազը» դասակարգեց քիմիական տարրերի շարքը և անվանեց ջրածին hydrogène (հին հուն․՝ ὕδωρ - «ջուր» ևγεννάω - «ծնում եմ») - «ջուր ծնող»։

1801 թվականին Ա․ Լավուազիեն հետևորդ ակադեմիկոս Վ. Մ. Սևերգինը ջրածինը անվանեց «ջրաստեղծ նյութ», նա գրել է^[5].

«Ջրածնային նյութերը թթվածնի հետ առաջացնում են ջուր։ Այս փաստը կարելի է ապացուցել, ինչպես բանաձևով, այնպես էլ կազմությամբ։» Տարածվածություն Տիեզերքում Ջրածինը ամենատարածված տարրն է տիեզերքում[6]․ կազմում է աստղերի և արևի զանգվածի մոտ կեսը (պլազմայի ձևով), արեգակի մթնոլորտի 84 %-ը, միջաստղային միջավայրի և միգամածությունների հիմնական մասը։ Աստղերի ընդերքում՝ ջրածնի ատոմների միջուկներից՝ պրոտոններից սինթեզվում են հելիումի ատոմի միջուկներ (ջերմամիջուկային սինթեզ), անջատվում է ահռելի քանակներով էներգիա։ Ջրածինը հայտնաբերվել է նաև այլ մոլորակների մթնոլորտում (H2, CH4, NH3, OH-, SiH-, PH- և այլն)։ Երկրի ընդերքում և կենդանի օրգանիզմներում[խմբագրել | խմբագրել կոդը] Զրածնի պարունակությունը երկրակեղևում (ըստ զանգվածի) 0,15% է, ընդհանուր պարունակությունը երկրի վրա՝ 1% (16% ըստ ատոմների թվի)։ Ազատ վիճակում հանդիպում է հազվադեպ՝ որոշ հրաբխային և այլ բնական գազերում, օդում՝ 1•10−4։ Մթնոլորտի վերին շերտերում ջրածնի պարունակությունը շատ ավելի մեծ է, մերձերկրյա տարածությունում առաջացնում է երկրի պրոտոնային ռադիացիոն գոտին։ Ջրածինը մտնում է ամենատարածված նյութի՝ ջրի (11, 19% ըստ զանգվածի), նաև քարածխի, նավթի, բնական գազերի, կավերի, կենդանական և բուսական օրգանիզմների բաղադրության մեջ։ Ջրածնի իզոտոպային բաղադրությունը տարբեր տեղերում նույնը չէ․ ծանր ջրածինի (D) պարունակությունը օվկիանոսների վերին շերտերում ավելի մեծ է, քան մթնոլորտային տեղումներում և սառցադաշտերում։ Ջրածնից փոքր իոնացման պոտենցիալներով մետաղների և թթուների փոխազդեցությունից (բացի HNO3 և խիտ H2SO4-ից). Ալկալիական և հողալկալիական մետաղների ու ջրի փոխազդեցությունից. Որոշ մետաղների կամ ոչ մետաղների և ալկալու ջրային լուծույթի փոխազդեցությունից. Մետաղների հիդրիդների և ջրի կամ թթուների փոխազդեցությունից. Ալկալիների, թթուների և որոշ աղերի ջրային լուծույթների էլեկտրոլիզով. Շիկացած ածխի և ջրային գոլորշու փոխազդեցությունից (1000°С). Երկաթագոլորշային եղանակով՝ շիկացած երկաթի և ջրային գոլորշու փոխազդեցությունից. Մեթանի կոնվերսիայով (փոխարկմամբ) (900°С). կամ Իզոտոպներ Իզոտոպները 1 1H-պրոտիում (ըստ զանգվածի 99,98 %), 2 1H-դեյտերիում (ըստ զանգվածի 0,02 %)։ Արհեստական եղանակով ստացվել է 3 1H տրիտիում։ Ատոմական համարը՝ 1, ատոմական զանգվածը՝ 1.008։ Ամենաթեթև տարրն է պարբերական համակարգում։ Երկրի կեղևի ամբողջ զանգվածի, ներառյալ ջուրը և օդը ջրածնին բաժին է ընկնում ընդամենը 1%։ Ջրածինը 14 անգամ թեթև է օդից։ Հալման ջերմաստիճան, K Եռման ջերմաստիճան, K Եռակի կետ, K / kPa Կրիտիկական կետ, K / kPa Խտություն հեղուկ / գազ, կգ/մ³ H2 13,96 20,39 13,96 / 7,3 32,98 / 1,31 70,811 / 1,316 HD 16,65 22,13 16,6 / 12,8 35,91 / 1,48 114,0 / 1,802 HT 22,92 17,63 / 17,7 37,13 / 1,57 158,62 / 2,31 D2 18,65 23,67 18,73 / 17,1 38,35 / 1,67 162,50 / 2,23 DT 24.38 19,71 / 19,4 39,42 / 1,77 211,54 / 2,694 T2 20,63 25,04 20,62 / 21,6 40,44 / 1,85 260,17 / 3,136 Իզոտոպների հատկություններ[խմբագրել | խմբագրել կոդը] Իզոտոպների հատկությունները ջրածնում բերված է աղյուսակում[7][8]։ Իզոտոպ Z N Զանգված, ա. է. մ. Կայունություն Սպին Բնության մեջ, % տեսակը և էներգիան 1H 1 0 1,007 825 032 07(10) կայուն 1⁄2+ 99,9885(70) 2H 1 1 2,014 101 777 8(4) կայուն 1+ 0,0115(70) 3H 1 2 3,016 049 277 7(25) 12,32(2) տարի 1⁄2+ β− 18,591(1) ԿէՎ 4H 1 3 4,027 81(11) 1,39(10)×10−22 վ 2− -n 23,48(10) ՄէՎ 5H 1 4 5,035 31(11) ավելի քան 9,1×10−22 վ (1⁄2+) -nn 21,51(11) ՄէՎ 6H 1 5 6,044 94(28) 2,90(70)×10−22 վ 2− −3n 24,27(26) ՄէՎ 7H 1 6 7,052 75(108) 2,3(6)×10−23 վ 1⁄2+ -nn 23,03(101) ՄէՎ Քիմիական հատկություններ Ջրածնի ատոմը խիստ ռեակցիոունակ է և շատ արագ առաջացնում է H2 մոլեկուլը։ Ատոմական ջրածնով աշխատող այրիչը ստեղծում է 4000 °С բարձրջերմաստիճան, որը պայմանավորված է H2-ի կապի մեծ էներգիայով H+H→H2 ΔH=-436 կՋ է։ Բացի հիդրիդներից, որտեղ ջրածնի օքսիդացման աստիճանը -1 է, մնացած միացություններում ունի +1 օքսիդացման աստիճան։ Տաքացնելիս ջրածինը միանում է ոչ մետաղների մեծ մասի (օքսիդանում է) և ակտիվ մետաղների (վերականգնվում է) հետ, առաջացնում հիդրիդներ։ Ոչ մետաղների հիդրիդներն անգույն, սովորաբար տհաճ հոտով, թունավոր գազեր են, մետաղներինը՝ սպիտակ, բյուրեղական (իոնական) նյութեր։ Ջրածնի և հալոգենների խառնուրդները պայթուցիկ են․ ֆտորի հետ անմիջապես, քլորի հետ պայթում է լուսավորելիս, անգամ -252 °C-ում բրոմի և յոդի հետ՝ տաքացնելիս։ Առաջանում են հալոգենաջրածիններ՝ ֆաորաջրածին (HF), քլորաջրածին (НСl), բրոմաջրածին (HBr) և յոդաջրածին (HI), որոնց ջրային լուծույթներն ուժեղ թթուներ են։ Կիրառություն Ջրածինը կիրառվում է դիրիժաբլների լցման համար, որպես թեթև գազ, վեր բարձրացնող ուժ, ավտոգեն զոդման ժամանակ բոցի ջերմաստիճանը հասնում է 2000 °C–ի։ Քիմիական արդյունաբերությունում որպես վերականգնիչ հատկապես Ni, Pt, Pd-ի առկայությամբ, 1 ծավալ Pd-ի մեջ լուծվում Է 850 ծավալ ջրածին։ Օգտագործվում է քարածուխից արհեստական բենզինի ստացման համար, ամոնիակի, սպիրտների, հալոգենաջրածինների սինթեզում։ Անգլիացի քիմիկոս Ջոն Դալտոնը 19-րդ դարի սկզբին առաջարկել է ջրածնի ատոմի զանգվածը, որպես ամենաթեթև տարր, ընդունել որպես ատոմական զանգվածի միավոր։ 1815 թվականին անգլիացի գիտնական Պրաուտր հայտնել է այն միտքր, որ բոլոր տարրերի ատոմները կառուցված են ջրածնի nատոմներից։ Արեգակի վրա հայտնաբերվել է 69 քիմիական տարր՝ ջրածնի գերակշռությամբ։ Ջրածինը 5.1 անգամ շատ է, քան հելիումը և 10 հազար անգամ ավելի, քան բոլոր մետաղները միասին վերցրած (վերցրած ոչ թե կշռով, այլ ատոմների թվով)։ Այդ ջրածինը ծախսվում է ոչ միայն էներգիա արտադրելու վրա։ Ջերմա- միջուկային պրոցեսների ընթացքում նրանից առաջանում են նոր քիմիական տարրեր, իսկ արագացված պրոտոնները արտանետվում են՝ մերձարեգակնային քամի։ Այս երևույթը հայտնաբերվել է վերջերս՝ կոսմիկական տարածքն ուսումնասիրելու ժամանակ՝ արհեստական արբանյակների օգնությամբ։                                                                   Թթվածին Թթվածին (լատ.՝ Oxygenium), պարբերական համակարգի 2-րդ պարբերության, 6-րդ խմբի քիմիական տարր, կարգահամարը՝ 8, ատոմական զանգվածը՝ 15,9994։ Ատոմի էլեկտրոնային թաղանթների կառուցվածքը ls22s22p4 է։ Սովորական պայմաններում (0 °C, 760 մմ սնդիկի սյուն) թթվածինը անգույն, անհոտ և անհամ գազ է։ Թթվածինը ամենատարածված քիմիական տարրն է Երկրի վրա։ Կապված թթվածինը կազմում է Երկրի ջրային շերտի զանգվածի 6/7 մասը (85,82 % ըստ զանգվածի), մթնոլորտում, որտեղ նա գտնվում է ազատ վիճակում, պարունակությամբ երկրորդն է (23,15 % ըստ զանգվածի) ազոտիցհետո։ Փոփոխությունը օդում 0,1 % -ից չի անցնում։ Մթնոլորտում թթվածնի կորուստը օքսիդացման, այրման, նեխման և շնչառության պատճառով լրացվում է ֆոտոսինթեզով։ Թթվածինը առաջին տեղն է առաջացրած միներալների թվով (1364), որոնց մեջ թթվածնի պարունակությամբ գերակշռում են սիլիկատները, քվարցը, երկաթի օքսիդները, կարբոնատները ևսուլֆատները։ Բացահայտման պատմություն Առաջին անգամ միմյանցից անկախ թթվածինը ստացել են շվեդ, գիտնական Շեելեն (1769-1970թվականին՝ մագնեզիումի նիտրատի, թորակների ջերմային քայքայումից) և անգլիացի գիտնական Պրիստելին (1774 թվականին՝ սնդիկի օքսիդի և սուսրի տաքացումից). Անվան ծագում 1775 թվականին Ա. Լավուազիեն հաստատեց օդի բաղադրությունը, ցույց տվեց, որ թթվածինը համարվում է թթուների բաղադրիչ մասը և անվանեց այնoxygene - «թթու առաջացնող» (հին հուն․՝ ὀξύς - «թթու» և γεννάω — «ծնում եմ»), այստեղից էլ հայերեն «թթվածին» անվանումը։ Բնության մեջ Թթվածինը Երկրի կեղևի ամենատարածված էլեմենտն է։ Ազատ վիճակում գտնվում է մթնոլորտային օդում, կապված ձևով մտնում է ջրի, միներալների, լեռնային ապարների, և բոլոր այն բույսերի, որոնցից կազմված են բույսական և կենդանական օրգանիզմները։ Երկիր մոլորակի օդային մթնոլորտը կազմված է հիմնականում երկու գազից՝ թթվածնից (O2) և ազոտից (N2)։ Օդի բաղադրությունում թթվածնի ծավալային բաժինը 20,93 % է, իսկ զանգվածայինը՝ 23,15 %։ Սակայն թթվածնի հիմնական զանգվածը մեր մոլորակում պարունակվում է տարբեր միացությունների (բարդ նյութերի) բաղադրությունում։ Երկրագնդի ջրապաշարներում թթվածնի զանգվածային բաժինը 85,82 % է, ավազում՝ 53 %, կավերում, լեռնային ապարներում ու հանքերում՝ մոտավորապես 56 %։ Բոլոր կենդանի օրգանիզմներում պարունակվող նյութերի (ճարպ, շաքար, սպիտակուց և այլն) բաղադրությունում առկա հիմնական տարրերից մեկը թթվածինն է։ Օրինակ՝ մարդու օրգանիզմում թթվածնի զանգվածային բաժինը 65 % է (իսկ ըստ ատոմների՝ 26 %)։ Ֆիզիկական հատկություններ Համաշխարհային օվիկանոում պարունակվում է առավել շատ սառը ջրում, իսկ ամենիչ քիչ տաք ջրում Թթվածնին (երկթթվածնին)՝ որպես պարզ նյութի, ծանոթ չլինել չեք կարող, քանի որ բոլորս ենք այդ նյութը շնչում։ Հայտնի է, որ թթվածինը. սովորական պայմաններում գազ է, հոտ չունի, անգույն է, համ չունի, եռում է -1830 °C ջերմաստիճանում, պնդանում է -2190 °C ջերմաստիճանում, հեղուկ և պինդ վիճակում երկնագույն է, հեղուկ վիճակում դեպի մագնիսն է ձգվում Թթվածնի խտությունը 0 °C ջերմաստիճանում և 101 կՊա ճնշման տակ հավասար է 1,43 գ/լ, ինչը 1,11 անգամ մեծ է օդի խտությունից։ Թթվածինը ջրում քիչ է լուծվում. 200 °C ջերմաստիճանում 100 ծավալ ջրում լուծվում է 3 ծավալ թթվածին, որն էլ, ապահովում է ջրային կենդանիների ու բույսերի շնչառությունը։ Ջերմաստիճանը բարձրացնելիս թթվածնի, ինչպես և՝ ցանկացած այլ գազի, լուծելիությունը ջրում նվազում է, իսկ իջեցնելիս՝ աճում։ Օրինակ՝ 0 °C ջերմաստիճանում թթվածնի լուծելիությունը 100 ծավալ ջրում 5 ծավալ է, և այդ հանգամանքի հետ է մասամբ կապված հյուսիսային ծովերի ձկնառատությունը։ Կիրառություն Բալոններում խտացված մաքուր թթվածինը օգտագործվում է մեծ բարձրություններում և ստորգետնյա աշխատանքներում Բազմազան են թթվածնի կիրառման բնագավառները. տեխնիկայում գործընթացների գրեթե 80 %-ն այս նյութի կիրառման վրա է հիմնված։ Մետաղների արտադրություն. Դոմենային վառարանում թուջի ստացման գործընթացն արագացնելու նպատակով հաճախ թթվածնով հարստացված օդ է կիրառվում։ Մաքուր թթվածնում այրումն ընթանում է մոտ հինգ անգամ արագ, քան օդում։ Մեծ քանակությամբ թթվածին է օգտագործվում նաև պողպատահալման գործընթացում։ Մետաղների կտրում, զոդում ու եռակցում. Ջրածինը (H2) թթվածնի հետ հատուկ այրիչներում այրելիս բոցի ջերմաստիճանը հասնում է մինչև 3200 °C, իսկ ացետիլեն(C2H2) օգտագործելիս՝ նույնիսկ մինչև 3500 °C։ Ացետիլենի այրման ռեակցիայի հավասարումն է. Այդպիսի բոցն օգտագործվում է մետաղների կտրման (թթվածնի ավելցուկի պայմաններում), զոդման ու եռակցման նպատակներով։ Պայթեցումների իրականացում (օգտագործվում է հեղուկ թթվածին), Շնչառության ապահովում (տիեզերանավերում, ինքնաթիռներում, սուզանավերում, բժշկության մեջ), Բազմաթիվ քիմիական ռեակցիաների իրագործում, Ազոտական ու ծծմբական թթուների, պարարտանյութերի և այլ նյութերի արտադրում, Հրթիռային շարժիչների գործարկում (այստեղ ևս օգտագործվում է հեղուկ թթվածին), Վառելանյութերի այրում (օգտագործվում է հատկապես մեծ քանակություններով թթվածին)։ Ամենակարևորը թթվածինը նպաստում է այրմանը և շնչառությանը։ Այն մեծ չափով նպաստում է մետալուրգիական գործընթացներին՝ թուջի, պողպատի, ինչպես նաև գունավոր մետաղների (Cu, Zn, Sn, Au) արտադրության համար։ Բժշկության մեջ ծանր հիվանդներին տալիս են թթվածին։ Թթվածին ծախսվում է մետաղների կտրման և եռակցման ժամանակ, սուզանավերում, տիեզերանավերում, ջրի տակ աշխատող մարդկանց համար։