Hydrogen là gì? Các công bố khoa học về Hydrogen

Hydrogen là nguyên tố hóa học đơn giản và nhẹ nhất, là một phi kim có ký hiệu H và số hiệu nguyên tử là 1, gồm một proton và một electron. Đây là nguyên tố phổ biến nhất trong vũ trụ, tồn tại chủ yếu ở dạng khí H₂, không màu, không mùi và có vai trò quan trọng trong năng lượng và công nghiệp.

Hydrogen là gì?

Hydrogen (hay còn gọi là hiđrô) là nguyên tố đầu tiên trong bảng tuần hoàn, có ký hiệu hóa học là H và số hiệu nguyên tử là 1. Đây là nguyên tố nhẹ nhất và đơn giản nhất, gồm một proton và một electron. Hydrogen tồn tại phổ biến trong tự nhiên dưới dạng phân tử diatomic H2 – một khí không màu, không mùi, không vị, dễ cháy và cực kỳ nhẹ.

Hydrogen là nguyên tố phổ biến nhất trong vũ trụ, chiếm khoảng 75% khối lượng của vật chất baryon. Nó đóng vai trò trung tâm trong các phản ứng nhiệt hạch của các ngôi sao, trong đó hydrogen biến đổi thành helium, giải phóng năng lượng duy trì sự sống của Mặt Trời và các thiên thể. Trên Trái Đất, hydrogen không tồn tại tự do nhiều trong khí quyển vì trọng lượng nhẹ khiến nó dễ thoát ra ngoài không gian, nhưng nó xuất hiện rất phổ biến dưới dạng hợp chất như nước (H2O), axit, hydrocarbon và các hợp chất hữu cơ khác.

Cấu trúc nguyên tử và đồng vị của hydrogen

Hydrogen là nguyên tử đơn giản nhất trong tự nhiên. Một nguyên tử hydrogen thông thường gồm:

  • 1 proton: tạo nên hạt nhân nguyên tử.
  • 1 electron: quay xung quanh hạt nhân.

Hydrogen có ba đồng vị chính:

  • Protium (¹H): không có neutron, chiếm hơn 99,98% hydrogen tự nhiên.
  • Deuterium (²H hoặc D): có một neutron, ổn định, được sử dụng trong nghiên cứu, phản ứng nhiệt hạch và nước nặng.
  • Tritium (³H hoặc T): có hai neutron, là đồng vị phóng xạ với chu kỳ bán rã khoảng 12,3 năm, ứng dụng trong vũ khí hạt nhân và thiết bị chiếu sáng.

Hydrogen trong cơ học lượng tử

Do cấu trúc đơn giản, hydrogen là nguyên tử đầu tiên được giải thích chính xác bằng cơ học lượng tử. Mức năng lượng của electron trong nguyên tử hydrogen được xác định theo công thức:

En=13.6n2eVE_n = -\frac{13.6}{n^2} \, \text{eV}

Trong đó \(n\) là số lượng tử chính. Khi electron chuyển giữa các mức năng lượng, nó phát ra hoặc hấp thụ photon tương ứng, tạo nên phổ hydrogen – một công cụ quan trọng trong quang phổ học và thiên văn học.

Tính chất vật lý và hóa học của hydrogen

Tính chất vật lý:

  • Trạng thái: khí ở điều kiện tiêu chuẩn.
  • Màu sắc, mùi vị: không màu, không mùi, không vị.
  • Khối lượng phân tử: 2,016 g/mol đối với H2.
  • Nhiệt độ nóng chảy: -259,16°C.
  • Nhiệt độ sôi: -252,87°C.
  • Khí nhẹ nhất: nhẹ hơn không khí 14 lần.

Tính chất hóa học:

  • Dễ kết hợp với oxy tạo ra nước theo phản ứng tỏa nhiệt:

2H2+O22H2O+nhiệt2\text{H}_2 + \text{O}_2 \rightarrow 2\text{H}_2\text{O} + \text{nhiệt}

  • Có tính khử mạnh, dùng trong các phản ứng hydro hóa trong công nghiệp hóa dầu và thực phẩm.
  • Có thể tạo muối với kim loại (ví dụ: natri hydride NaH) hoặc hợp chất hữu cơ (hydrocarbon).

Phân bố và nguồn gốc

Hydrogen hình thành trong Vụ Nổ Lớn (Big Bang) và là nguyên tố chủ đạo của các đám mây khí vũ trụ, các thiên hà, sao và hành tinh khí khổng lồ như Sao Mộc, Sao Thổ. Trong Mặt Trời, hydrogen chiếm khoảng 74% khối lượng và là nguyên liệu cho phản ứng nhiệt hạch tạo ra năng lượng.

Trên Trái Đất, hydrogen có mặt chủ yếu dưới dạng hợp chất:

  • Nước (H2O): thành phần thiết yếu của sự sống.
  • Hydrocarbon: như metan, etan, dầu mỏ, than đá.
  • Chất hữu cơ: protein, carbohydrate, lipid...

Ứng dụng của hydrogen

Hydrogen có nhiều ứng dụng quan trọng trong khoa học, công nghiệp và năng lượng:

1. Năng lượng sạch

Hydrogen là nhiên liệu tiềm năng cho pin nhiên liệu (fuel cell) – thiết bị tạo ra điện từ phản ứng điện hóa giữa hydrogen và oxy, sản phẩm duy nhất là nước. Công nghệ này đang được ứng dụng trong xe điện dùng pin nhiên liệu, tàu thủy, trạm phát điện và thiết bị di động.

2. Sản xuất công nghiệp

  • Hydrogen được dùng để sản xuất amonia trong quá trình Haber-Bosch:
  • Hydrogen hóa dầu: chuyển hóa hydrocarbon không bão hòa thành bão hòa.
  • Chế biến thực phẩm: chuyển hóa dầu thực vật lỏng thành chất béo rắn.

3. Nghiên cứu khoa học và công nghệ cao

  • Deuterium được dùng làm đồng vị đánh dấu trong hóa học và sinh học phân tử.
  • Tritium ứng dụng trong phản ứng nhiệt hạch, vũ khí hạt nhân, và thiết bị đo lường bức xạ.

4. Công nghệ hàng không và vũ trụ

Hydrogen lỏng là nhiên liệu chính cho các động cơ tên lửa như trong chương trình NASA Space Launch System. Do tỷ lệ năng lượng trên khối lượng rất cao, hydrogen được ưu tiên cho các ứng dụng cần hiệu suất tối đa.

Sản xuất và lưu trữ hydrogen

Các phương pháp sản xuất:

  • Điện phân nước: Dùng dòng điện để tách nước thành H2 và O2. Nếu sử dụng điện tái tạo, đây là phương pháp "hydrogen xanh".
  • Cải tạo khí methane (SMR): Chiết xuất hydrogen từ khí tự nhiên. Tuy hiệu quả cao nhưng sinh CO2 – không thân thiện môi trường.
  • Khí hóa sinh khối: Tạo hydrogen từ các nguồn hữu cơ như rơm rạ, chất thải sinh học.

Lưu trữ hydrogen: Khó khăn do đặc tính dễ bay hơi, đòi hỏi áp suất cao (tới 700 bar) hoặc nhiệt độ cực thấp (-253°C) để hóa lỏng. Ngoài ra, hydrogen có thể được hấp phụ lên vật liệu rắn (metal hydride) hoặc hòa tan trong chất lỏng.

Hydrogen và chuyển dịch năng lượng toàn cầu

Trong bối cảnh biến đổi khí hậu và khủng hoảng năng lượng, hydrogen nổi lên như một trong những giải pháp chiến lược để giảm phát thải carbon. Nhiều quốc gia đang đầu tư vào kinh tế hydrogen (hydrogen economy) như một phần trong mục tiêu trung hòa carbon:

  • Liên minh châu Âu: triển khai Chiến lược hydrogen châu Âu đến năm 2050.
  • Nhật Bản: nước tiên phong thương mại hóa xe chạy bằng pin nhiên liệu hydrogen (Toyota Mirai).
  • Hàn Quốc, Úc, Hoa Kỳ: phát triển hành lang xuất – nhập khẩu hydrogen xanh và cơ sở hạ tầng lưu trữ.

An toàn và thách thức

Dù nhiều tiềm năng, hydrogen vẫn còn đối mặt với các thách thức:

  • Nguy cơ cháy nổ: Dễ bắt lửa, đặc biệt khi trộn với không khí trong tỷ lệ 4–75%.
  • Khó lưu trữ và vận chuyển: Do khối lượng phân tử nhỏ, hydrogen dễ rò rỉ qua các vật liệu thông thường.
  • Chi phí sản xuất cao: Hydrogen xanh vẫn còn đắt hơn nhiều so với nhiên liệu hóa thạch.

Do đó, sự phát triển của hạ tầng công nghệ và chính sách hỗ trợ là yếu tố then chốt để hydrogen trở thành trụ cột năng lượng trong tương lai.

Kết luận

Hydrogen là nguyên tố nền tảng trong khoa học tự nhiên và đang dần trở thành chìa khóa cho quá trình chuyển đổi sang nền kinh tế carbon thấp. Với đặc tính linh hoạt, sạch và hiệu suất cao, hydrogen không chỉ là nhiên liệu của tương lai mà còn là chất trung gian quan trọng trong hóa học, công nghiệp và công nghệ cao. Khi công nghệ sản xuất và lưu trữ phát triển hơn, hydrogen sẽ đóng vai trò then chốt trong chiến lược năng lượng toàn cầu bền vững và trung hòa phát thải.

Các bài báo, nghiên cứu, công bố khoa học về chủ đề hydrogen:

Bộ cơ sở Gaussian sử dụng trong các tính toán phân tử có tương quan. Phần I: Các nguyên tử từ boron đến neon và hydro Dịch bởi AI
Journal of Chemical Physics - Tập 90 Số 2 - Trang 1007-1023 - 1989
Trong quá khứ, các bộ cơ sở dùng cho các tính toán phân tử có tương quan chủ yếu được lấy từ các tính toán cấu hình đơn. Gần đây, Almlöf, Taylor, và các đồng nghiệp đã phát hiện rằng các bộ cơ sở của các quỹ đạo tự nhiên thu được từ các tính toán có tương quan nguyên tử (với tên gọi ANOs) cung cấp một mô tả tuyệt vời về các hiệu ứng tương quan phân tử. Báo cáo này là kết quả từ một nghiên...... hiện toàn bộ
#basis sets #correlated molecular calculations #Gaussian functions #natural orbitals #atomic correlated calculations
Từ điển cấu trúc thứ cấp của protein: Nhận dạng mẫu các đặc điểm liên kết hydro và hình học Dịch bởi AI
Biopolymers - Tập 22 Số 12 - Trang 2577-2637 - 1983
Tóm tắtĐể phân tích thành công mối quan hệ giữa trình tự axit amin và cấu trúc protein, một định nghĩa rõ ràng và có ý nghĩa vật lý về cấu trúc thứ cấp là điều cần thiết. Chúng tôi đã phát triển một bộ tiêu chí đơn giản và có động cơ vật lý cho cấu trúc thứ cấp, lập trình như một quá trình nhận dạng mẫu của các đặc điểm liên kết hydro và hình học trích xuất từ tọa ...... hiện toàn bộ
#cấu trúc thứ cấp protein #liên kết hydro #đặc điểm hình học #phân tích cấu trúc #protein hình cầu #tiên đoán cấu trúc protein #biên soạn protein
A metal-free polymeric photocatalyst for hydrogen production from water under visible light
Nature Materials - Tập 8 Số 1 - Trang 76-80 - 2009
Đánh Giá Phê Bình về Hằng Số Tốc Độ Phản Ứng Của Electron Hydrate, Nguyên Tử Hydro và Gốc Tự Do Hydroxyl (⋅OH/⋅O−) trong Dung Dịch Nước Dịch bởi AI
Journal of Physical and Chemical Reference Data - Tập 17 Số 2 - Trang 513-886 - 1988
Dữ liệu động học cho các gốc tự do H⋅ và ⋅OH trong dung dịch nước, và các anion gốc tự do tương ứng, ⋅O− và eaq−, đã được phân tích kỹ qua phương pháp xung bức, xung quang học và các phương pháp khác. Hằng số tốc độ cho hơn 3500 phản ứng đã được lập bảng, bao gồm phản ứng với phân tử, ion và các gốc tự do khác có nguồn gốc từ các chất tan vô cơ và hữu cơ.
#động học phản ứng #gốc tự do #electron hydrate #nguyên tử hydro #dung dịch nước #xung bức #xung quang học
Xác Định Hàm Lượng Cholesterol Toàn Phần Trong Huyết Thanh Bằng Phương Pháp Enzym Dịch bởi AI
Clinical Chemistry - Tập 20 Số 4 - Trang 470-475 - 1974
Tóm Tắt Một phương pháp enzym học được mô tả để xác định tổng hàm lượng cholesterol trong huyết thanh bằng việc sử dụng một thuốc thử dung dịch duy nhất. Phương pháp này không yêu cầu xử lý mẫu trước và đường chuẩn hiệu chuẩn tuyến tính đến 600 mg/dl. Este cholesterol được thủy phân thành cholesterol tự do nhờ cholesterol ester hydrolase (EC 3.1.1.13...... hiện toàn bộ
#tổng cholesterol #phương pháp enzym học #cholesterol tự do #cholesterol ester hydrolase (EC 3.1.1.13) #cholesterol oxidase #hydrogen peroxide #chromogen #tính đặc hiệu #độ chính xác
Các Mô Hình Liên Kết Hydro: Chức Năng và Phân Tích Tập Hợp Đồ thị Trong Tinh Thể Dịch bởi AI
Wiley - Tập 34 Số 15 - Trang 1555-1573 - 1995
Tóm tắtTrong khi phần lớn hóa học hữu cơ truyền thống tập trung vào việc chuẩn bị và nghiên cứu tính chất của các phân tử đơn lẻ, một phần ngày càng quan trọng của hoạt động nghiên cứu hóa học hiện nay liên quan đến việc hiểu và sử dụng bản chất của tương tác giữa các phân tử. Hai lĩnh vực tiêu biểu của sự phát ...... hiện toàn bộ
#hóa học siêu phân tử #nhận dạng phân tử #lực liên phân tử #liên kết hydro #lý thuyết đồ thị #tinh thể phân tử
Hydrogen-storage materials for mobile applications
Nature - Tập 414 Số 6861 - Trang 353-358 - 2001
Semiconductor-based Photocatalytic Hydrogen Generation
Chemical Reviews - Tập 110 Số 11 - Trang 6503-6570 - 2010
A SPECTROPHOTOMETRIC METHOD FOR MEASURING THE BREAKDOWN OF HYDROGEN PEROXIDE BY CATALASE
Journal of Biological Chemistry - Tập 195 Số 1 - Trang 133-140 - 1952
Tăng cường hấp thụ năng lượng mặt trời cho quang xúc tác bằng các tinh thể nano titanium dioxide đen hydrat hóa Dịch bởi AI
American Association for the Advancement of Science (AAAS) - Tập 331 Số 6018 - Trang 746-750 - 2011
Một lớp bề mặt vô định hình trên các hạt nano titanium dioxide tạo ra các trạng thái điện tử cho phép kích thích quang với bước sóng dài hơn.
Tổng số: 105,234   
  • 1
  • 2
  • 3
  • 4
  • 5
  • 6
  • 10