წყალბადი

წყალბადი არის ქიმიური ელემენტი ატომური ნომერით 1. იგი გამოისახება სიმბოლოთი H. მისი საშუალო ატომური წონა არის 1.00794 u. (1.007825 u ¹H–თვის). წყალბადი არის ყველაზე მსუბუქი და ყველაზე გავრცელებული ქიმიური ელემენტი, რომელიც წარმოადგენს უნივერსის მასის დაახლოებით 75%–ს. ვარსკვლავები ძირითადად შედგებიან წყალბადისაგან პლაზმურ მდგომარეობაში. ბუნებრივი ელემენტური წყალბადი დედამიწაზე შედარებით ნაკლებად გვხვდება.

წყალბადის ყველაზე გავრცელებული იზოტოპი არის პროტიუმი, თუმცა ეს დასახელება იშვიათად გამოიყენება. მისი სიმბოლო არის H. პროტიუმი მოიცავს მხოლოდ ერთ პროტონს და არ აქვს არც ერთ ნეიტრონი. იონურ ნართებში მას შეუძლია მიიღოს უარყოფითი მუხტი  ან დადებითი მუხტი.  H^- ანიონი, ცნობილია როგორც ჰიდრიდ–ანიონი. კატიონს გამოსახავენ გამარტივებული სახით H⁺, თუმცა  როგორ წესი, იგი უფრო რთული ფორმებით გვხვდება (მაგ. H₃O⁺).

წყალბადი ნაერთებს წარმოქმნის მრავალ ელემენტთან.  იგი შედის წყალში და პრაქტიკულად ყველა ორგანულ ნაერთში. წყალბადი ასრულებს წამყვან როლს მჟავა–ფუძე ქიმიაში პროტონის მიმოცვლით მიმდინარე რეაქციებში. როგორც უმარტივესი ატომი, იგი საფუძველს წარმოადგენს თეორიულ გათვლებშიც. მაგალითად, წყალბადი არის ერთადერთი ნეიტრალური ატომი შრედინგერის განტოლების ანალიზური ამოხსნისათვის. წყალბადის ენერგეტიკისა და ბმების წარმოქმნის უნარიანობის შესწავლა დაედო საფუძვლად კვანტური მექანიკის განვითარებას.

წყალბადის გაზურ მდგომარეობაში  (H₂) პირველად ხელოვნურად მიღებული იქნა მე–16 საუკუნეში მეტალებზე ძლიერი მჟავების მოქმედებით. 1766-81 წლებში ჰენრი კავენდიშმა პირველმა განსაზღვრა, რომ წყალბადი  იყო დისკრეტული სუბსტანცია და რომ იგი წარმოიქმნებოდა წყლის დაშლით. ამ მიზეზით მოგვიანებით მას ეწოდა წყალბადი, რაც ბერძნულიდან პირდაპირი თარგმანით  "წყლის წარმომქმნელს" ნიშნავს -  Hydros - წყალი, genes წარმომქმნელი). 

სტანდარტულ ტემპერატურაზე და წნევაზე წყალბადი არის უფერო, უსუნო, არამეტალური, უგემო, ძლიერ აალებადი დიატომური გაზი მოლეკულური ფორმულით H₂.

წყალბადი საწარმოო მასშტაბით ძირითადად იწარმოება ბუნებრივი გაზის რეფორმინგით და შედარებით ნაკლებად წყლის ელექტოლიზით, ვინაიდან ეს უკანასკნელი მეთოდი გაცილებით ენერგოტევადია. როგორც წესი, წყალბადს აწარმოებენ მისი გამოყენების ადგილზევე. წყალბადის ყველაზე დიდი მომხმარებლები არიან ნავთობგადამამუშავებელი (ჰიდროკრეკინგი) და ამიაკის სინთეზის საწარმოები (სასუქების წარმოება).

ელექტრონების ენერგეტიკული დონეები

წყალბადის ატომში ელექტრონების ძირითადი ენერგეტიკული დონე არის 13.6 ევ, რომელიც 92 ნმ ტალღის სიგრძის ულტრაიისფერი ფოტონის ენერგიის ეკვივალენტურია.

წყალბადში ელექტრონების ენერგეტიკული დონეები შეიძლება მისაღები სიზუსტით გამოთვლილი იქნას ბორის მოდელის საშუალებით, რომლის თანახმადაც ელექტრონები "ბრუნავენ" ატომბირთვის გარშემო ორბიტაზე (მზის გარშემო მოძრავი პლანეტების მსგავსად).  ამიტომ აღძრული ელექტრომაგნიტური ძალებით ატომბირთვი და ელექტონები მიიზიდებიან ერთმანეთისაკენ.  კუთხური მომენტის დისკრეტულობიდან გამომდინარე, როგორც ეს იყო პოსტულირებული ბორის მიერ ქვანტური მექანიკის ადრეულ თეორიაში, ბორის მოდელში ელექტრონს შეუძლია დაიკავოს ატომბირთვიდან მხოლოდ განსაზღვრული მანძილი და შესაბამისად, ჰქონდეს განსაზღვრული ენერგია.

წყალბადის ატომის შედარებით უფრო სრულყოფილი აღწერა შეიძლება მიღებული იქნას შრედიგერის განტოლების საშუალებით ან მისი ექვივალენტური ფეინმანის ტრაექტორიების ინტეგრალური ფორმულირებით, რომელთა საშუალებითაც გამოითვლება პროტონის გარშემო ელექტრონის არსებობის ალბათური სიმკვრივე.

ელემენტარული მოლეკულური ფორმები

თხევადი წყალბადის ბუშტულები

დიატომურ მოლეკულებში არსებობს ორი განსხვავებული წყალბადის სპინ იზომერი, რომლებიც ერთმანეთისაგან განსხვავდებიან ბირთვების სპინებით. ორთოწყალბადის ფორმაში ორივე პროტონის სპინი არის პარალელური და წარმოქმნის ტრიპლეტურ ფორმას, რომლის მოლეკულური სპინის კვანტური რიცხვი არის 1 (½+½). პარაწყალბადურ ფორმაში სპინები არიან ანტიპარალელურები და წარმოქმნიან სინგლეტს მოლეკულური სპინის კვანტური რიცხვით 0 (½-½). სტანდარტულ ტემპერატურასა და წნევაზე წყალბადის გაზი შეიცავს 25% პარა- და 75% ორთო-ფორმას, რომელსაც ხშირად უწოდებენ "ნორმალური ფორმას". ორთოწყალბადსა და პარაწყალბადს შორის წონასწორობა დამოკიდებულია ტემპერატურაზე, მაგრამ ვინაიდან ორთო ფორმა შეესაბამება აღგზნებულ მდგომარეობას და მას პარა ფორმასთან შედარებით მაღალი ენერგია აქვს,  არამდგრადია და არ ექვემდებარება გასუფთავებას.  ძალიან დაბალ ტემპერატურებზე,  წონასწორობა ძირითადად გადახრილია პარა ფორმისაკენ.

არაკატალიზური ურთიერთგარდაქმნის შესაძლებლობა პარა და ორთო წყალბადებს შორის იზრდება ტემპერატურის ზრდასთან ერთად. ასე რომ, სწრაფად კონდენსირებული წყალბადი შედარებით დიდი რაოდენობით მოიცავს მაღალი ენერგიის ორთო–ფორმას, რომელიც პარა–ფორმაში ნელა გარდაიქმნება.  ორთო/პარა თანაფარდობა კონდენსირებულ წყალბადში მნიშვნელოვანი საკითხია თხევადი წყალბადის მიღება–შენახვისას. ორთო–ფორმიდან პარა–ფორმაში გარდაქმნა ეგზოთერმული პროცესია, შეუძლია გარკვეული რაოდენობის წყალბადის აორთლება, რასაც მივყავართ გათხევადებული წყალბადის რაოდენობის შემცირებასთან. ორთო–პარა ურთიერთგარდაქმნაში გამოყენებული კატალიზატორებია რკინის ოქსიდი, გააქტივებული ნახშირბადი, მოპლატინებული აზბესტები, იშვიათ მიწათა მეტალები, ურანის ნაერთები, ქრომის ოქსიდი, ნიკელის ზოგიერთი ნაერთები. აღნიშნული კატალიზატორები გამოიყენებიან წყალბადის გაცივების პირობებში.

მოლეკულური ფორმა, რომელსაც უწოდებენ პროტონირებულ მოლეკულურ წყალბადს და აღნიშნავენ H₃⁺–ით, აღმოჩენილია ვარსკვათშორის სივრცეში, რომელიც წარმოქმნილია მოლეკულური წყალბადის კოსმოსური გამოსხივების შედეგად  იონიზირებით. იგი ასევე აღმოჩენილია იუპიტერის ატმოსფეროს ზედა ფენებში.

თვისებები

კოსმოსური ხომალდის ძირითადი ძრავა საწვავად იყენებს წყალბადსა და ჟანგბადს, წვის დროს ალი პრაქტიკულად არ ჩანს

წყალბადი (დიჰიდროგენი ან მოლეკულური წყალბადი) არის ძლიერ აალებადი ნივთიერება. იგი იწვის  ჰაერზე კონცენტრაციის ფართო 4%–დან 75%–მდე დიაპაზონში. წყალბადის წვის ენთალპია არის 286 კჯ/მოლი.

2 H₂(გაზი) + O₂(გაზი) → 2 H₂O(სითხე) + 572 კჯ (286 კჯ/მოლი)

წყალბადი ჰაერთან წარმოქმნის ფეთქებად ნარევს 4–74% კონცენტრაციის დიაპაზონში (წყალბადის მოცულობითი პროცენტი ჰაერში). ნარევი სპონტანურად ფეთქდება ნაპერწკლით, გაცხელებით ან მზის (უი) დასხივებით. წყალბადის ჰაერზე თვითაალების ტემპერატურა არის 500 °C. სუფთა წყალბად–ჟანგბადის ნარევი იწვის ულტრაიისფერი გამოსხივებით და არის უხილავი შეუიარაღებელი თვალისათვის. აალებული წყალბადის გაჟონვის დასადგენად, როგორც წესი, საჭიროა სპეციალური ალის დეტექტორის გამოყენება. წყალბადის და ასევე მისი ალის გაჟონვა შეიძლება იყოს მეტად სახიფათო. ამის  ერთ–ერთი სავალალო მაგალითი არის ჰინდერბურგის დირიჟაბლის ავარია.

წყალბადი ურთიერთქმედებს მრავალ დამჟანგველ მეტალთან. წყალბადს შეუძლია რეაქციაში შევიდეს სპონტანურად და ძლიერ ენერგიულად ოთახის ტემპერატურაზე ქლორთან და ფთორთან შესაბამისი ჰალოგენწყალბადების – ქლორწყალბადისა და ფთორწყალბადის  წარმოქმნით.

ნაერთები

კოვალენტური და ორგანული ნაერთები

მიუხედავად იმისა, რომ H₂ არ არის ძლიერ რეაქციისუნარიანი ნაერთი სტანდარტულ პირობებში, იგი წარმოქმნის უამრავ ნაერთს სხვადასხვა ელემენტებთან. დღეისათვის მილიონობით ნახშირწყალბადი არის  ცნობილი, თუმცა ისინი არ მიიღებიან ნახშირბადისა და წყალბადის უშუალოდ ურთიერთქმედებით. წყალბადი წარმოქმნის ნაერთებს მასზე უფრო ელექტროუარყოფით ელემენტებთან, მაგ. ჰალოგენებთან (F, Cl, Br, I). აღნიშნულ ნაერთებში წყალბადი იღებს ნაწილობრივ დადებით მუხტს.  მას შეუძლია მონაწილეობა მიიღოს ისეთი არაკოვალენტური კავშირების დამყარებაში, როგორიცაა წყალბადური ბმა. ეს უკანასკნელი კი უმნიშვნელოვანესია მრავალი ბიოლოგიური მოლეკულის სტაბილურობაში.  წყალბადი ასევე წარმოქმნის ნაერთებს  მასზე უფრო ნაკლები ელექტოუარყოფითობის ელემენტებთან, როგორებიცაა მეტალები და მატალოიდები, რომელთანაც იგი იღებს ნაწილობრივ უარყოფით მუხტს. წარმოქმნილ ნაერთებს ჰიდრიდები ეწოდებათ.

ჰიდრიდები

წყალბადის ნაერთებს ეწოდებათ ჰიდრიდები, მაგრამ მას შედარებით იშვიათდ იყენებენ. ტერმინი  "ჰიდრიდი" აღნიშნავს ნაერთს, რომელშიც  H ატომი ატარებს უარყოფით მუხტს (აქვს ანიონური ბუნება და გამოისახება H^-–ით) და დაკავშირებულია  ელექტროდადებით ელემენტებთან. ჰიდრიდ ანიონის არსებობა  პირველად იწინასწარმეტყველა 1916 წელს გილბარტ ნ. ლუისმა I და II ჯგუფის ელემენტებისათვის, რომელიც შემდეგში მორის მიერ (1920) იქნა ექსპერიმენტულად დადასტურებული გამლღვალი ლითიუმის ჰიდრიდის (LiH) მაგალითზე - ლითიუმის ჰიდრიდის ელექტოლიზით ანოდზე გამოყოფილი იქნა წყალბადის ექვიმოლური რაოდენობა.

პროტონები და მჟავები

წყალბადის დაჟანგვა ელექტრონის ჩამოცილების თვალსაზრისით იძლევა კატიონს H⁺, რომელიც მოიცავს მხოლოდ ერთ პროტონს და არც ერთ ნეიტრონსა და ელექტრონს. ამიტომ H⁺ კატიონს ხშირად პროტონსაც უწოდებენ. აღნიშნული ნაწილაკი ერთ–ერთი ცენტრალური ნაწილაკია მჟავებისათვის, ვინაიდან ბრონსტედ–ლოურის თეორიის თანახმად მჟავები ეწოდებათ პროტონების დონორებს.

წყალბადის განმუხტვა  (სპექტრი)


დეიტერიუმის განმუხტვა  (სპექტრი)

H⁺ კატიონი თავისუფალი სახით არ არსებობს ხსნარებსა და იონურ  კრისტალებში, ვინაიდან იგი დიდი ძვრადობის გამო ადვილად მიიზიდება სხვა, ელექტრონების მქონე ნაწილაკების მიერ. გარდა მაღალი ტემპერატურებისა (მაგ. პლაზმებში) ასეთი პროტონის მოცილება "ელექტრონული ღრუბლიდან" პრაქტიკულად შეუძლებელია. აქვე უნდა აღინიშნოს, რომ მიუხედავად ამისა, ქიმიურ რეაქციებში ხშირად იყენებენ ჩანაწერს "H⁺", თითქოს იგი დამოუკიდებელი სახით არსებობდეს.

იზოტოპები

წყალბადი ბუნებაში გავრცელებულია სამი იზოტოპის სახით: ¹H, ²H და ³H. უფრო მეტი ნეიტრონის შემცველი ბირთვები (⁴H-დან ⁷H–მდე) სინთეზირებულია ლაბორატორიულ პირობებში და არ მოიპოვებიან ბუნებაში.

• ¹H არის ყველაზე ფართოდ გავრცელებული იზოტოპი (99.98%).  იგი მოიცავს მხოლოდ ერთ პროტონს. მისი დასახელებაა პროტიუმი, თუმცა იგი შედარებით იშვიათად გამოიყენება.

• ²Hარის გავრცელების თვალსაზრისით მეორე სტაბილური იზოტოპი, რომელიც დეიტერიუმის სახელითაა ცნობილი. იგი ბირთვში მოიცავს ერთ პროტონსა და ერთ ნეიტრონს. პრაქტიკულად, ყველა დეიტერიუმი წარმოქმნილია ე.წ. "დიდი აფეთქების" დროს. იგი არ არის რადიოაქტიური და არ ახასიათებს  რაიმე მნიშვნელოვანი ტოქსიკური მოქმედება. წყალი, რომელიც გამდიდრებულია დეიტერიუმის ატომებით, ეწოდება "მძიმე წყალი". დეიტერიუმი და მისი ნაერთები გამოიყენება არარადიოაქტიური მარკირებისათვის ქიმიურ ექსპერიმენტში და ¹H-მბრ სპექტრომეტრიაში გამოყენებულ გამხსნელებში. მძიმე წყალი გამოიყენება ნეიტრონ მოდერატორად და გამაცივებლად ბირთვულ რეაქციებში. დეიტერიუმი ასევე წარმოადგენს პოტენციურ საწვავს კომერციულ ბირთვულ რექციებში.
• ³H ცნობილია ტრიტიუმის  სახელით და მოიცავს ერთ პროტონსა და ორ ნეიტრონს. იგი რადიოქტიურია და იშლება ბეტა–გამოსხივებით ჰელიუმ–3–ში. ნახევარდაშლის პერიოდი არის 12.32 წელი. მცირე რაოდენობით გავრცელებულია ატმოსფეროში. იგი წარმოიქმნება წყალბადის ურთიერთქმედებით კოსმოსურ გამოსხივებასთან. ტრიტიუმი ასევე წარმოიქმნება ბირთვული აფეთქებების წარმოებისას (მაგალითად, იარაღის გამოცდა). ტრიტიუმი გამოიყენება ბირთვულ რეაქტორებში, იზოტოპურ გეოქიმიაში თრეისერად, თვით–მკვებავ გამანათებელ მოწყობილობებში, ქიმიურ და ბიოლოგიურ ექსპერიმენტებში რადიოაქტიურ მარკერად.

პროტიუმი, ყველაზე მეტად გავრცელებული იზოტოპი, მოიცავს ერთ პროტონსა და ერთ ელექტრონს. უნიკალურია ყველა სხვა სტაბილურ იზოტობებს შორის, ვინაიდან არ მოიცავს არც ერთ ნეიტრონს

წყალბადი ერთადერთი ელემენტია, რომლის იზოტოპებსაც სხვადასხვა სახელი ეწოდებათ. ზოგჯერ ²H და  ^3H აღნიშვნების ნაცვლად გამოიყენება სიმბოლოები  D  და T (აქვე უნდა აღინიშნოს, რომ სიმბოლო P არ გამოიყენება პროტიუმის აღნიშვნისათვის, იგი ეკუთვნის ელემენტს ფოსფორი).

ისტორია

აღმოჩენა და გამოყენება

წყალბადი გაზურ მდგომარეობაში  H² პირველად ხელოვნურად მიღებული იქნა ტ. ვონ ჰოჰენჰეიმის (იგი ასევე ცნობილია პარაცელსის სახელით 1493–1541 წწ) მიერ მეტალების შედარებით ძლიერ მჟავებთან ურთიერთქმედებით. იმ დროისათვის ჯერ კიდევ უცნობი იყო, რომ ამ გზით მიღებული წვადი გაზი იყო ახალი ელემენტი წყალბადი. 1671 წელს რობერტ ბოილის მიერ ხელახლა იქნა აღმოჩენილი წყალბადი რკინასა და განზავებული მჟავების ურთიერთქმედების შესწავლისას. 1966 წელს ჰენრი კავენდიშის მიერ პირველად იქნა დახასიათებული წყალბადი, როგორც "წვადი ჰაერი" და რომ იგი წვისას წარმოქმნიდა წყალს (1781).  1783 წელს ანტუან ლავუაზიემ მას მიანიჭა სახელი წყალბადი (ბერძნ. hydro – წყალი. genes - წარმომქმნელი). 

წყალბადი პირველად გათხევადებული იქნა ჯეიმს დევარის მიერ 1898 წელს . შემდეგ წელს მიიღო მყარი წყალბადი. დეიტერიუმი აღმოჩენილი იქნა 1931 წლის დეკემბერში ჰაროლდ ურეის მიერ, ხოლო ტრიტიუმი მიღებული იქნა 1934 წელს ერნესტ რუთენფორდის, მარკ ოლიფანტისა და პოლ ჰერტეკის მიერ. მძიმე წყალი, რომელიც მოიცავდა დეიტერიუმს ჩვეულებრივი წყალბადის ნაცვლად, აღმოჩენილი იქნს ურეის ჯგუფის მეირ 1932 წელს.

პირველი წყალბადით შევსებული ბალონი გამოგონილი იქნა ჯეკი ჩარლის მიერ 1793 წელს. 1852 წელს ჰენრი გიფარდის მიერ შექმნილი იქნა პირველი დირიჟაბლი, რომელიც წყალბადის ამომდგებ ძალას იყენებდა.

ბუნებაში გავრცელება

წყალბადი არის უნივერსის ყველაზე გავრცელებული ელემენტი (75%).  იგი დიდი რაოდენობით არის ვარსკვალებში და დაბალი სიმკვრივის პლანეტებში (მაგ. იუპიტერი, სატურნი, ურანი, ნეპტუნი და სხვა.)

ჩვეულებრივ პირობებში დედამიწაზე წყალბადი არსებობს ორატომიანი გაზის H₂-ის სახით. თუმცა მისი რაოდენობა ძალიან მცირეა (1 მნ მოცულობის მიხედვით), ვინაიდან იგი ძალიან მსუბუქი გაზია და სხვა გაზებთან შედარებით ადვილად შეუძლია დედამიწის მიზიდულობის ძალას "დააღწიოს თავი" და გადაინაცვლოს ზედა სფეროებში. მაგრამ წყალბადი მესამე ელემენტია, რომელიც ყველაზე მეტად არის გავრცელებული დედამიწის ქერქში, რომელშიც იგი ნაერთების სახით გვხვდება მაგ. წყალი, ნახშირწყალბადები და სხვა.)

NGC 604, სამკუთხა გალაქტიკაში დაბალი სიმკვრივის პლანეტების იონიზირებული წყალბადის რეგიონები

წარმოება

წყალბადი იწარმოება ქიმიურ და ბიოლოგიურ ლაბორატორიებში, ხშირად კი წარმოადგენს თანაურ პროდუქტს. წყალბადის წარმოების ძირითადი მიზანია ჰიდრირების რეაქციების განხორციელება.

წყალბადი შეიძლება მიღებული იქნას სხდადასხვა მეთოდით, მაგრამ საწარმოო მასშტაბით შედარებით ეკონომიურია ნახშირწყალბადების დეჰიდრირება. წარმოებაში წყალბადს ძირითადად იღებენ ბუნებრივი გაზის რეფორმინგით. მაღალ ტემპერატურაზე (700-1000 °C) წყლის ორთქლი რეაქციაში შედის მეთანთან და წარმოქმნის წყალბადსა და ნახშირბადის მონოქსიდს.

CH₄ + H₂O → CO + 3 H₂

ლაბორატორიული მეთოდები

ლაბორატორიაში წყალბადი მიიღება თუთიაზე ან სხვა მეტალებზე მჟავის მოქმედებით კიპის აპარატში.

Zn + 2 H⁺ → Zn²⁺ + H₂

წყალბადი ასევე გამოიყოფა ალუმინზე ტუტის მოქმედებით:

2 Al + 6 H₂O + 2 OH⁻ → 2 Al(OH)⁻₄ + 3 H₂  

წყლის ელექტროლიზი არის ასევე ერთ-ერთი უმარტივესი მეთოდი წყალბადის მისაღებად. წყალში დაბალი ვოლტაჟის დენის გატარებისას ანოდზე გამოიყოფა ჟანგბადი, ხოლო კათოდზე კი - წყალბადი. კათოდს, როგორც წესი, ამზადებენ პლატინის ან სხვა ინერტული მასალისაგან.

2H₂O(თხევადი) → 2H₂(გაზი) + O₂(გაზი)

2007 წელს აღმოჩენილი იქნა, რომ ალუმინისა და გალიუმის შენადნობის გრანულებს წყალთან ურთიერთქმედებისას შეუძლიათ წყალბადის წარმოქმნა. ამ დროს ასევე წარმოიქმნება ალუმინის ოქსიდიც, მაგრამ გალიუმის მაღალი ღირებულების გამო მეთოდს პრაქტიკულად ვერ იყენებენ.

მასალა მომზადებულია www.wikipedia.com -ის მიხედვით