H2 – Hydrogen
Tên cũ: hiđro · Còn gọi là: hydro; hidro; khinh khí (tên cũ)
- Phi kim, chất khử
- Khí, không màu
- Rất ít tan trong nước
- M = 2
Hydrogen (H₂, tên cũ: hiđro; còn gọi: hydro) là đơn chất, chất khí không màu, rất ít tan trong nước; phân tử khối 2. Tính khử (thể hiện ở nhiệt độ cao): Với oxi: 2H₂ + O₂ → 2H₂O (hỗn hợp 2 : 1 về thể tích là hỗn hợp nổ mạnh).
Cấu tạo của H2
- H
- electron
- Mô hình lớp electron (Bohr) — sơ đồ, không theo tỉ lệ thật
- 1 · Mỗi nguyên tử còn thiếu e ở lớp ngoài
- 2 · Góp chung electron thành cặp
- 3 · Mỗi nguyên tử đủ 8e (H: 2e) → phân tử H₂
Thông số vật lý của H2
| Đại lượng | Giá trị | Ghi chú |
|---|---|---|
| Phân tử khối | 2 | tính theo nguyên tử khối làm tròn trong SGK (H 1) |
| Khối lượng mol chính xác | 2,016 g/mol | theo nguyên tử khối IUPAC (H 1,008) |
| Trạng thái, màu | khí, không màu, không mùi; nhẹ nhất trong các chất khí | |
| Nhiệt độ nóng chảy | −259,2 °C | ở 1 atm (NIST: điểm ba 13,95 K) |
| Nhiệt độ sôi | −252,9 °C | ở 1 atm (NIST không có số liệu sôi; lấy theo CRC Handbook qua infobox Wikipedia) |
| Nhiệt độ tới hạn | −240,0 °C | NIST: 33,18 K; không thể hoá lỏng bằng nén ở nhiệt độ thường, nên H₂ chở dưới dạng khí nén hoặc lỏng ở −253 °C |
| Khối lượng riêng (khí) | 0,08988 g/L | ở 0 °C, 1 atm; nhẹ nhất trong các chất khí, nhẹ hơn không khí (M ≈ 29, quy ước SGK) khoảng 14,5 lần |
| Độ tan trong nước | ≈ 0,00016 g/100 mL (≈ 1,8 mL khí) | ở 20 °C dưới 1 bar H₂, tính từ hằng số Henry (NIST, cho theo 100 g nước); tan ít hơn O₂ khoảng 2 lần theo thể tích nên thu được bằng cách đẩy nước |
| Liên kết H–H | 435,7 kJ/mol | rất bền, nên H₂ khá trơ ở nhiệt độ thường; cần đốt, chiếu sáng hoặc xúc tác để phản ứng |
| Nhiệt cháy | 286 kJ/mol | 2H₂ + O₂ → 2H₂O (lỏng); tính theo khối lượng là 141,9 MJ/kg (nhiệt trị cao) |
| Giới hạn cháy trong không khí | 4–74 % thể tích | với Cl₂: 5–95 %; nhiệt độ tự bốc cháy trong không khí 500 °C |
Số liệu làm tròn cho phổ thông; nguồn ghi ở mục Tài liệu tham khảo.
Thành phần nguyên tố của H2
| Nguyên tố | NTKNguyên tử khối | Số ng.tửSố nguyên tử | KLKhối lượng | % khối lượng |
|---|---|---|---|---|
| H hydrogen | 1 | 2 | 2 | 100,00 % |
| TổngPhân tử khối H2 | 2 | 2 | 100 % |
NTK = nguyên tử khối (làm tròn như trong bài tập phổ thông), KL = khối lượng. Ví dụ: %H = 2 ÷ 2 × 100 % = 100,0 %.
Tính nhanh: mol – khối lượng – nồng độ
- Khối lượng
- m = n × M = 0,25 × 2
- 0,5 g
- Số phân tử
- N = n × NA = 0,25 × 6,022 × 10²³
- 1,506 × 10²³
- Nồng độ mol
- CM = n / V = 0,25 / 0,25
- 1 M
M = phân tử khối (g/mol); NA = 6,022 × 10²³ là số Avogadro — số phân tử có trong 1 mol của bất kỳ chất nào; V là thể tích dung dịch tính bằng lít.
Điều chế H2
Phòng thí nghiệm: kim loại (Zn, Fe, Al) tác dụng với acid loãng: Zn + 2HCl → ZnCl₂ + H₂; thu khí bằng cách đẩy nước hoặc đẩy không khí (úp ngược bình). Công nghiệp: điện phân nước 2H₂O → 2H₂ + O₂; từ khí thiên nhiên CH₄ + H₂O → CO + 3H₂; cho hơi nước qua than nóng đỏ C + H₂O → CO + H₂.
Tính chất hoá học của H2
Tính khử (thể hiện ở nhiệt độ cao):
- Với oxi: 2H₂ + O₂ → 2H₂O (hỗn hợp 2 : 1 về thể tích là hỗn hợp nổ mạnh).
- Với halogen: H₂ + Cl₂ → 2HCl (chiếu sáng).
- Khử oxide của kim loại đứng sau Al: CuO + H₂ → Cu + H₂O; Fe₂O₃ + 3H₂ → 2Fe + 3H₂O.
- Với nitơ: N₂ + 3H₂ ⇌ 2NH₃ (nhiệt độ và áp suất cao, xúc tác Fe).
- Cộng vào hydrocarbon không no (xúc tác Ni): C₂H₄ + H₂ → C₂H₆.
Lỗi thường gặp với H2
- Cho H₂ khử được mọi oxide kim loại. H₂ chỉ khử oxide của kim loại đứng sau Al trong dãy hoạt động (ZnO, FeO, Fe₂O₃, CuO, PbO): CuO + H₂ → Cu + H₂O. Với Al₂O₃, MgO, CaO, Na₂O thì không, vì các kim loại này giữ oxygen chặt hơn hydrogen.
- Nghĩ chỉ tỉ lệ 2 : 1 mới nổ. Hỗn hợp H₂ với không khí nổ trong khoảng rất rộng 4–74 % H₂ theo thể tích; tỉ lệ 2 : 1 với O₂ chỉ là tỉ lệ nổ mạnh nhất. Vì thế trước khi đốt H₂ điều chế được phải thử độ tinh khiết: nổ nhẹ "pụp" là tinh khiết, nổ mạnh là còn lẫn không khí.
- Thu H₂ bằng cách đẩy không khí mà để bình ngửa. H₂ nhẹ hơn không khí 14,5 lần nên phải úp ngược bình thu; để ngửa thì khí bay đi hết. Thu qua nước cũng được vì H₂ rất ít tan.
- Coi H₂ là khí độc. H₂ không độc, không xếp loại độc theo GHS; nguy hiểm của nó là cháy nổ và gây ngạt khi chiếm chỗ oxygen trong phòng kín. Ngược lại, CO cũng không màu không mùi nhưng rất độc — không nhầm hai khí này.
- Viết H₂ tác dụng với Cl₂, O₂ ở nhiệt độ thường. Liên kết H–H bền (435,7 kJ/mol) nên ở nhiệt độ thường trong bóng tối H₂ không phản ứng với O₂ hay Cl₂; cần đốt (với O₂) hoặc chiếu sáng (với Cl₂: H₂ + Cl₂ → 2HCl). Với N₂ còn cần nhiệt độ và áp suất cao, xúc tác Fe.
Ứng dụng của H2
| Ứng dụng | Dựa trên tính chất nào |
|---|---|
| Nhiên liệu sạch: pin nhiên liệu, ô tô, tên lửa | Cháy toả 141,9 MJ/kg và sản phẩm chỉ là nước: 2H₂ + O₂ → 2H₂O; tên lửa dùng H₂ lỏng với O₂ lỏng |
| Sản xuất ammonia (phân đạm, HNO₃) | Tính khử với N₂ ở nhiệt độ và áp suất cao, xúc tác Fe: N₂ + 3H₂ ⇌ 2NH₃ (quá trình Haber) |
| Hydrogen hoá dầu thực vật thành bơ thực vật, mỡ rắn | H₂ cộng vào liên kết đôi C=C của chất béo không no (xúc tác Ni), ví dụ C₂H₄ + H₂ → C₂H₆, làm dầu lỏng chuyển thành chất béo rắn |
| Điều chế kim loại tinh khiết từ oxide (W, Mo, Cu) | H₂ khử oxide của kim loại đứng sau Al: WO₃ + 3H₂ → W + 3H₂O; sản phẩm phụ chỉ là hơi nước nên kim loại rất sạch |
| Sản xuất HCl và tổng hợp hữu cơ | H₂ cháy trong Cl₂ tạo hydrogen chloride tinh khiết: H₂ + Cl₂ → 2HCl; H₂ và CO là nguyên liệu tổng hợp methanol: CO + 2H₂ → CH₃OH |
| Khinh khí cầu, bóng bay (nay thay bằng He) | Nhẹ nhất trong các khí nên lực đẩy lớn nhất, nhưng cháy nổ với không khí (4–74 %) nên bóng bay, khí cầu chở người đã chuyển sang helium |
Nhận biết H2
Khí không màu, rất nhẹ; cháy trong không khí với ngọn lửa xanh nhạt và tiếng nổ nhẹ khi đưa que đóm đang cháy vào, sản phẩm là hơi nước; dẫn qua CuO nung nóng thấy bột đen chuyển thành đỏ.
An toàn và bảo quản H2
Cực kì dễ cháy (GHS02), khí nén (GHS04) — H220: khí cực kì dễ cháy
Phân loại trên là phân loại hài hoà của hydrogen dạng khí (ECHA C&L); H₂ không độc. Nổ với không khí trong khoảng 4–74 % thể tích, chỉ cần tia lửa nhỏ hoặc tĩnh điện; ngọn lửa H₂ gần như không màu, ban ngày khó thấy. Bóng bay bơm H₂ gặp lửa, tàn thuốc thì nổ và cháy bùng. Trong phòng kín, H₂ thoát ra tích tụ ở trên trần. Khí nén ở áp suất cao trong bình thép; H₂ lỏng ở −253 °C gây bỏng lạnh.
Rò rỉ: tắt mọi nguồn lửa, không bật tắt công tắc điện, mở cửa thông gió (nhất là phía trên). Cháy: khoá van cấp khí rồi mới dập, nếu không khoá được thì để cháy có kiểm soát và làm mát bình bằng nước, tránh khí tiếp tục tích tụ rồi nổ. Bỏng do H₂ cháy nổ: làm mát dưới vòi nước ít nhất 15 phút, đến cơ sở y tế. Bỏng lạnh do H₂ lỏng: ngâm nước ấm, không chà xát.
Bảo quản: Bình thép chịu áp, dựng đứng, cố định, nơi thoáng và cao ráo, xa O₂, Cl₂, chất oxi hoá và nguồn nhiệt; dây dẫn, van nối kín, kiểm tra rò bằng nước xà phòng, không dùng lửa. Trong phòng thí nghiệm, điều chế lượng vừa đủ dùng ngay từ Zn và HCl, thử độ tinh khiết trước khi đốt, không thu H₂ vào bình lớn để dành.
Phản ứng tiêu biểu của H2 (58)
- Tổng hợp NH₃ từ N₂ và H₂N2 + 3H2 2NH3
- Na tác dụng với nước2Na + 2H2O 2NaOH + H2
- Al tác dụng với HCl2Al + 6HCl 2AlCl3 + 3H2
- H₂ tác dụng với Cl₂H2 + Cl2 2HCl
- CuO bị H₂ khử khi đun nóngCuO + H2 Cu + H2O
- Al tác dụng với NaOH2Al + 2NaOH + 2H2O 2NaAlO2 + 3H2
- Fe tác dụng với HClFe + 2HCl FeCl2 + H2
- Hydrogen cháy trong oxygen2H2 + O2 2H2O
- Zn tác dụng với dung dịch HClZn + 2HCl ZnCl2 + H2
- Điện phân nước2H2O 2H2 + O2
Thí nghiệm có mô phỏng: Thí nghiệm Na tác dụng với C₂H₅OH.
Tự luyện về H2
Gom từ bài tập của các phản ứng có hydrogen và câu hỏi riêng cho chất.
1. Trong phản ứng N₂ + 3H₂ ⇌ 2NH₃, N₂ đóng vai trò
A. chất khửB. chất oxi hoáC. môi trườngD. xúc tác
Đáp án B. N⁰ → N⁻³ nhận 3e mỗi nguyên tử (N₂ nhận 6e); H₂ là chất khử.
2. Hiện tượng khi cho mẩu Na nhỏ vào cốc nước là
A. Na chìm xuống đáy, không có hiện tượngB. Na nóng chảy thành giọt tròn, chạy trên mặt nước, sủi bọt khíC. xuất hiện kết tủa trắngD. dung dịch chuyển màu xanh
Đáp án B. Phản ứng toả nhiệt mạnh làm Na (nhiệt độ nóng chảy 98 °C, nhẹ hơn nước) nóng chảy thành giọt tròn; khí H₂ thoát ra đẩy giọt Na chạy trên mặt nước.
3. Hệ số của HCl trong phương trình Al + HCl → AlCl₃ + H₂ (cân bằng, tối giản) là
A. 3B. 4C. 6D. 8
Đáp án C. 2Al + 6HCl → 2AlCl₃ + 3H₂: 2 Al nhường 6e, 6 H⁺ nhận 6e.
4. Dãy oxide nào đều bị H₂ khử thành kim loại khi nung nóng?
A. CuO, Fe₂O₃, PbOB. Al₂O₃, MgO, CuOC. Na₂O, CaO, ZnOD. MgO, Al₂O₃, Fe₂O₃
Đáp án A. H₂ chỉ khử oxide của kim loại đứng sau Al trong dãy hoạt động: Cu, Fe, Pb (và Zn). Al₂O₃, MgO, CaO, Na₂O thuộc kim loại hoạt động mạnh hơn, H₂ không lấy được oxygen của chúng.
5. Hỗn hợp H₂ và O₂ nổ mạnh nhất khi trộn theo tỉ lệ thể tích
A. 1 : 1B. 1 : 2C. 2 : 1D. 3 : 1
Đáp án C. Theo phương trình 2H₂ + O₂ → 2H₂O, hai chất phản ứng vừa hết khi V(H₂) : V(O₂) = 2 : 1, toàn bộ khí chuyển thành hơi nước và nhiệt nên nổ mạnh nhất. Các tỉ lệ khác vẫn nổ nhưng yếu hơn vì có khí dư.
6. Cho 6,5 g Zn tác dụng hết với dung dịch HCl dư. Thể tích H₂ thu được ở điều kiện chuẩn (24,79 L/mol) là (Zn = 65)
A. 1,24 LB. 2,48 LC. 4,96 LD. 2,24 L
Đáp án B. n(Zn) = 6,5/65 = 0,1 mol; Zn + 2HCl → ZnCl₂ + H₂ nên n(H₂) = 0,1 mol; V = 0,1 × 24,79 = 2,479 ≈ 2,48 L. Đáp án 2,24 L là khi dùng nhầm 22,4 L/mol của điều kiện tiêu chuẩn cũ.
Câu hỏi thường gặp về H2
Khí hydro có độc không?
Không. H₂ không độc, không màu, không mùi và không xếp loại độc theo GHS. Nguy hiểm của hydrogen là cháy nổ: trộn với không khí từ 4 % đến 74 % thể tích đều có thể nổ khi gặp tia lửa. Trong phòng kín, H₂ thoát ra còn chiếm chỗ oxygen gây ngạt, nhưng vì rất nhẹ nó bốc lên và thoát nhanh khi có thông gió.
Hydro nhẹ hơn không khí bao nhiêu lần?
Khoảng 14,5 lần: phân tử khối H₂ là 2, còn không khí tính trung bình 29 (quy ước SGK); khối lượng riêng của H₂ chỉ 0,08988 g/L ở 0 °C, 1 atm. H₂ là chất khí nhẹ nhất, vì thế bóng bay bơm hydrogen bay lên và khi thu H₂ bằng cách đẩy không khí phải úp ngược bình.
Vì sao không nên bơm bóng bay bằng khí hydro?
Vì H₂ cháy nổ với không khí trong khoảng 4–74 % thể tích: chỉ một tàn thuốc, tia lửa hay nguồn nhiệt là chùm bóng nổ và bùng lửa, gây bỏng mặt, tay cho người cầm. Helium cũng nhẹ (M = 4) và làm bóng bay được nhưng là khí trơ, không cháy, nên bóng bay và khí cầu chở người đều dùng He dù đắt hơn.
Hydro có tan trong nước không?
Gần như không: ở 20 °C, 1 bar, 100 mL nước chỉ hoà tan khoảng 1,8 mL khí H₂ (≈ 0,16 mg), ít hơn cả O₂. Nhờ vậy trong phòng thí nghiệm thu H₂ bằng cách đẩy nước rất tiện, và H₂ không làm đổi màu quỳ tím vì không tạo acid hay base trong nước.
Hydro cháy tạo ra gì?
Chỉ tạo ra nước: 2H₂ + O₂ → 2H₂O, toả 286 kJ mỗi mol H₂ (141,9 MJ/kg), không có CO₂, muội hay SO₂. Vì thế H₂ được xem là nhiên liệu sạch, dùng trong pin nhiên liệu và tên lửa. Ngọn lửa H₂ trong không khí màu xanh rất nhạt, gần như không nhìn thấy ban ngày.
Thu khí hydro bằng cách nào?
Hai cách: đẩy nước (H₂ hầu như không tan) hoặc đẩy không khí với bình úp ngược (H₂ nhẹ hơn không khí nhiều). Trong phòng thí nghiệm, H₂ điều chế từ Zn với dung dịch HCl hoặc H₂SO₄ loãng: Zn + 2HCl → ZnCl₂ + H₂; trước khi đốt thử phải kiểm tra độ tinh khiết để tránh nổ.
Tài liệu tham khảo
- Bộ GD&ĐT, Khoa học tự nhiên 7 (Kết nối tri thức), NXB Giáo dục Việt Nam, 2022 — bài 6 Giới thiệu về liên kết hoá học (phân tử H₂: hai nguyên tử góp chung một cặp electron).
- Bộ GD&ĐT, Khoa học tự nhiên 8 (Kết nối tri thức), NXB Giáo dục Việt Nam, 2023 — bài 8 Acid (kim loại tác dụng với acid giải phóng H₂).
- Bộ GD&ĐT, Khoa học tự nhiên 9 (Kết nối tri thức), NXB Giáo dục Việt Nam, 2024 — bài 19 Dãy hoạt động hoá học, bài 20 Tách kim loại và việc sử dụng hợp kim (H₂, CO, C khử oxide của kim loại đứng sau Al).
- NIST Chemistry WebBook, "Hydrogen", Phase change data, webbook.nist.gov/cgi/cbook.cgi?ID=C1333740 — điểm ba 13,95 K, nhiệt độ tới hạn 33,18 K (không có nhiệt độ sôi); Henry's Law data — k°H 0,00078 mol/(kg·bar) ở 25 °C (độ tan tính ra g/100 mL và mL/100 mL ở 20 °C).
- Wikipedia, "Hydrogen" (infobox dẫn CRC Handbook; mục Combustion, Reactivity), en.wikipedia.org — nhiệt độ nóng chảy −259,16 °C, nhiệt độ sôi −252,879 °C, khối lượng riêng 0,08988 g/L, nhiệt cháy 286 kJ/mol và 141,9 MJ/kg, giới hạn nổ 4–74 % (không khí) và 5–95 % (Cl₂), nhiệt độ tự bốc cháy 500 °C, năng lượng liên kết H–H 435,7 kJ/mol.
- ECHA CHEM, C&L Inventory: hydrogen, EC 215-605-7, chỉ số 001-001-00-9, chem.echa.europa.eu — phân loại hài hoà Flam. Gas 1 (H220), Press. Gas, hình đồ GHS02, GHS04; không có phân loại độc.
Cùng nhóm đơn chất
Xem tất cả hợp chất →Cập nhật: