Phát hiện và sử dụng

Hydro (trong tiếng Pháp, hydrogène, hydr-, thân từ của hydros, tiếng Hy Lạp nghĩa là "nước", và -gène, tiếng Pháp nghĩa là "sinh", có nghĩa là "sinh ra nước" khi hợp với Oxy[28] Năm 1671, Robert Boyle đã phát hiện và miêu tả phản ứng giữa sắt và axit loãng sinh ra khí hydro.[29][30] Năm 1766, Hydro lần đầu tiên được Henry Cavendish phát hiện như một chất riêng biệt, và đặt tên khí từ phản ứng kim loại-axit là "khí có thể cháy".[31][32] và phát hiện năm 1781 rằng khí này tạo ra nước khi đốt. Ông thường được tín dụng cho phát hiện của nó như là một yếu tố.[5][6] Cavendish tình cờ tìm ra nó khi thực hiện các thí nghiệm với thủy ngân và các axit. Mặc dù ông đã sai lầm khi cho rằng hydro là hợp chất của thủy ngân (và không phải của axit), nhưng ông đã có thể miêu tả rất nhiều thuộc tính của hydro rất cẩn thận. Năm 1783, Antoine Lavoisier đặt tên cho nguyên tố này và chứng tỏ nước được tạo ra từ hydro và oxy.[7] Không lâu sau, ông và Laplace lập lại thí nghiệm phát hiện của Cavendish thì nước được tạo ra khi hydro bị đốt cháy.[6] Lavoisier tạo ra hydro từ các thí nghiệm nổi tiếng của ông về bảo tồn khối lượng bằng cách phản ứng của dòng hơi nước với sắt kim loại qua một sống sắt nung trên lửa. Quá trình oxy hóa kỵ khí của sắt của các proton của nước ở nhiệt độ cao có thể được biểu diễn theo các phản ứng sau:

Nhiều kim loại như zirconi trải qua phản ứng tương tự với nước tạo ra hydro.

Hydro được hóa lỏng lần đầu tiên bởi James Dewar năm 1898 bằng cách sử dụng bộ phận làm lạnh và phát minh của ông phích nước.[6] Ông đã tạo ra hydro rắn vào năm sau đó.[6] Deuteri được Harold Urey phát hiện vào tháng 12 năm 1931 bằng cách chưng cất một mẫu nước nhiều lần, với phát minh này Urey nhận giải Nobel năm 1934. Triti được Ernest Rutherford, Mark Oliphant, và Paul Harteck điều chế năm 1934.[5] Nước nặng được nhóm của Urey phát hiện năm 1932.[6] François Isaac de Rivaz đã tạo động cơ de Rivaz đầu tiên sử dụng năng lượng từ việc đốt cháy hỗn hợp hydro và oxy năm 1806. Edward Daniel Clarke đã phát minh ra ống xì hàn hydro năm 1819. Đèn Döbereiner và đèn sân khấu được phát minh năm 1823.[6]

Một trong những ứng dụng đầu tiên của nó là khinh khí cầu, được Jacques Charles phát minh năm 1783.[6]. Hydro tạo lực nâng cho dạng du hành trên không vào năm 1852, đây là phát minh tàu hàng không dùng lực nâng hydro đầu tiên của Henri Giffard.[6] Ferdinand von Zeppelin đã thúc đẩy ý tưởng khi khí cầu cứng dùng lực nâng của hydro mà sau này được gọi là Zeppelin; khinh khí cầu đầu tiên bay năm 1900.[6] Các chuyến bay trở nên thường xuyên hơn bắt đầu năm 1910 và khi nổ ra chiến tranh thế giới thứ nhất vào tháng 8 năm 1914, khi khí cầu đã vận chuyển 35.000 hành khách mà không có tai nạn nghiêm trọng. Tàu không khí lực nâng hydro được dùng làm các điểm qua sát và thả bom trong suốt cuộc chiến.

Vai trò trong thuyết lượng tử

Do cấu trúc nguyên tử tương đối đơn giản của nó chỉ gồm một proton và một electron, nguyên tử hydro, cùng với quang phổ ánh sáng từ nó hoặc nó hấp thụ, là trung tâm của sự phát triển học thuyết về cấu trúc nguyên tử.[33] Hơn thế nữa, sự đơn giản tương ứng của phân tử hydro và cation tương ứng H+2 cho phép hiểu biết đầy đủ hơn về các liên kết hóa học tự nhiên, sau một thời gian ngắn sau khi cơ học lượng tử của nguyên tử hydro đã được phát triển vào giữa thập niên 1920.

Một trong những hiệu ứng lượng tử đầu tiên được nhận thấy rõ ràng là quan sát của Maxwell liên quan đến hydro, nửa thế kỷ trước khi học thuyết cơ học lượng tử được phát triển toàn diện. Maxwell đã quan sát nhiệt dung riêng của H2 không thể tính được của khí hai nguyên tử dưới nhiệt độ phòng và bắt đầu ngày càng giống với khí đơn nguyên tử ở nhiệt độ đông đặc. Theo thuyết lượng tử, ứng xử này xuất phát từ khoảng cách các mức năng lượng quay (lượng tử hóa), nó làm mở rộng khoảng cách trong H2 do khối lượng thấp của nó. Các mức khoảng cách rộng này ức chế tỷ lệ bằng nhau của năng lượng nung trong chuyển động quay trong hydro ở các mức nhiệt độ thấp. Các khí hai nguyên tử bao gồm các nguyên tử nặng hơn không có các mức khoảng cách rộng này và không thể hiện cùng hiệu ứng.[34]