Водород - это газ, который естественным образом существует во Вселенной и является самым распространённым элементом. Это первый элемент периодической таблицы Менделеева и встречается на Земле в огромных количествах в виде воды в океане, ледяных шапках полюсов, реках и озерах, природных химических соединениях.
Поучительные факты о водороде
Смесь водорода и хлора в определённых пропорциях взрывается от малейшей вспышки света. Именно «хлороводородный» детонатор был применён отступающими немцами при минировании одного из костёлов в Кракове. Советский сапёр, разминировавший этот заряд, по счастливой случайности воспользовался не фонариком, а зажигалкой. Света от неё не хватило и заряд не сдетонировал. Таким образом, был спасён один из памятников культурного наследия.
Водород - самый лёгкий элемент в природе. Поэтому пузыри или пена, наполненные водородом, буквально взмывают вверх. Кстати, высоко поднявшийся клок пены, в конце концов, лопнет, выпустив водород и он, имея почти вторую космическую скорость, с огромной вероятностью, улетучится в космос.
Коммерческая стоимость водорода составляет 4-10 долларов за килограмм (это чуть меньше кубического метра при обычных условиях).
Один литр сжиженного водорода весит всего 70 грамм. Для сравнения - вода в таком объеме весит 1000 грамм, а осмий (самый тяжёлый металл) - 22,562 килограмма!
Водород плохо растворяется в воде, но очень хорошо растворяется в некоторых металлах. Да-да! Именно так - в металлах. Причем не в жидких! При этом образуется т.н. твёрдый раствор. Рекордсменами можно считать никель, платину и палладий. Особенно последний! В одном объёме палладия может раствориться до 850 объёмов водорода! Хуже всего из металлов водород растворяется в серебре.
Из-за того, что молекула водорода имеет самый маленький размер (и из-за способности из предыдущего факта), он может проникать буквально через любую преграду. Перевозят водород в специальных стальных баллонах, но даже с самыми лучшими и точно изготовленными вентилями этих баллонов водород, рано или поздно, улетучится из них - и через вентили и даже через сами стенки баллона! Поэтому хранить его стараются как можно меньше по времени.
Есть у водорода и ещё одно агрегатное состояние - твёрдый водород. Это снегоподобная масса, состоящая из кристаллов гексагональной формы с плотностью 0,0807 г/см³. Плавится эта масса уже при −259,2 °C.
Продуктом горения водорода в атмосфере кислорода является... вода! Воду можно рассматривать как оксид и даже гидроксид водорода! Единственное в своём роде соединение! Неполимерное соединение двух газов является жидкостью!
В начале прошлого века учёными было высказано предположение, что при давлении свыше 245 000 атмосфер водород должен перейти в металлическое состояние. И лишь в 2017 году было сообщено о вероятном экспериментальном наблюдении этого процесса. Получение металлического водорода в устойчивом состоянии сулило бы весьма радужные перспективы его применения. Одно из них - применение этого вещества в качестве лёгкого и энергоёмкого ракетного топлива.
Ещё одно соединение водорода с кислородом - перекись водорода - Н2О2. Тоже очень удивительное соединение - это и окислитель и восстановитель, при этом перекись не кислота и не щёлочь. Самое известное её применение - обесцвечивание волос. Так же перекись широко применяется в медицине (антисептик, убивает 100% известных микробов) и агрономии (удобрение и инсектицид).
Так же водород применяется и в пищевой промышленности - пищевая добавка с содержанием водорода Е949 («упаковочный газ») позволяет увеличивать срок хранения продуктов, предотвращая их окисление и брожение, являясь при этом абсолютно инертной по отношению к организму человека.
Именно водородные связи «держат» и не дают распадаться нашей ДНК, а так же белкам, витаминам и углеводам в любых живых организмах.
Солнце и все остальные звёзды (кроме белых карликов, нейтронных звёзд и чёрных дыр) состоят из водородной плазмы. Именно термоядерные реакции синтеза с участием водорода и есть основа «жизни» всех звёзд.
Характеристики водорода
Водород - самый распространенный элемент во Вселенной, в три раза более распространенный, чем гелий (второй по распространенности элемент). На Земле водород занимает девятое место по содержанию среди химических элементов.
Атомный номер водорода равен 1. Это самый легкий элемент в периодической таблице Менделеева со стандартным атомным весом 1,008.
Атом водорода (Н) имеет ядро, состоящее из одного протона с одной единицей положительного электрического заряда и одного электрона с одной единицей отрицательного электрического заряда.
Молекула водорода - самая простая из всех молекул, состоящая из двух протонов и двух электронов.
Самое раннее известное химическое свойство водорода заключается в том, что он сгорает в атмосфере кислорода с образованием воды (H2O).
Водород прозрачен для видимого и инфракрасного света, а также для ультрафиолетового света на определенных длинах волн.
Водород не имеет цвета, запаха, вкуса и нетоксичен. Он легко воспламеняется, но не воспламеняется, если нет окислителя и источника воспламенения.
Водород присутствует во всех растительных и животных тканях, а также в нефти, как часть бесчисленных соединений углерода. Около 10 процентов веса любого живого организма составляет водород, в основном в белках, жирах и воде.
По оценкам, водород составляет более 90 процентов всех атомов и 75 процентов массы Вселенной.
Водород имеет самую низкую плотность из всех газов. Как следствие, скорость движения его молекул является самой высокой во Вселенной, за счёт чего водород может переносить тепло лучше всех других газов.
Водород примерно в 14 раз легче воздуха. Это самый легкий химический элемент. Он настолько легок, что земная гравитация не может удерживать его в атмосфере, и на Земле мало “свободных” атомов водорода - в основной своей массе они уносятся в открытый космос.
Водород - единственная молекула без нейтронов. Поэтому он не является частью какой-либо семьи или группы в периодической таблице. Он обладает уникальными свойствами, не разделяемыми другими элементами.
Природные проявления водорода
Водород содержится в огромных количествах в звездах и гигантских газовых планетах. Молекулярные облака H2 связаны с образованием звезд. Водород производит свет от звезд и солнца. Водород в изобилии встречается на Юпитере.
Его заряженные частицы сильно подвержены влиянию магнитных и электрических полей. Как солнечные ветры, они взаимодействуют с магнитосферой Земли, создавая полярные сияния и течения Биркеланда.
Газообразный водород вырабатывается водорослями, некоторыми бактериями и является естественным компонентом флотуса, как и метан.
История науки о водороде
Производство водорода продолжалось в течение многих лет, прежде чем он был фактически открыт и назван элементом. В середине 1600-х годов Парацельс заметил, что при растворении железа в серной кислоте выделяется легковоспламеняющийся газ, но перепутал его с другими легковоспламеняющимися газами.
В 1671 году Роберт Бойль открыл реакцию кислот и железных опилок, в результате которой образуется водород.
В 1766 году Генри Кавендиш показал, что этот “легковоспламеняющийся воздух” (водород) отличается от других горючих газов своей плотностью, и подтвердил, что вода образуется при сжигании этого газа. Ему приписывают открытие водорода как дискретного вещества.
В 1783 году Антуан-Лоран Лавуазье, отец современной химии, придумал французский эквивалент слова водород, который стал его официальным названием. Оно происходит от греческого и означает “создатель воды".
В том же году был изобретен и запущен первый наполненный водородом воздушный шар, приводимый в действие подъемной силой из смеси водорода и кислорода.
В 1806 году был построен первый двигатель внутреннего сгорания. Анри Гиффард изобрел первый дирижабль на водороде в 1852 году.
В 1824 году российский химик Михаил Соловьёв предложил русское название «водород» по аналогии с названием «кислород» Михаила Ломоносова.
Джеймс Дьюар впервые смог получить жидкий водород в 1898 году.
В 1900 году Фердинанд фон Цеппелин выдвинул идею жестких дирижаблей, поднимаемых водородом. В том же году был запущен первый дирижабль.
В 1913 году была открыта первая цепная реакция - химическая, а не ядерная. Было замечено, что смесь газов водорода и хлора взрывается на свету. К 1918 году полное объяснение механизма этой цепной реакции было разработано Вальтером Нернстом.
Подъемная сила газообразного водорода составляет около 1,15 кг на 1 м3 при температуре 20° C и давлении 760 мм.
В 1929 году было обнаружено, что обычный водород на самом деле представляет собой смесь двух видов молекул: орто- и параводорода. В 1931 и 1934 годах, соответственно, были открыты изотопы дейтерия и трития.
6 мая 1937 года дирижабль "Гинденбург" был уничтожен огнем. В конечном итоге было установлено, что пожар был вызван возгоранием покрытия из алюминиевой ткани статическим электричеством, но непоправимый ущерб был нанесен репутации водорода как подъемного газа.
В 1937 году в эксплуатацию поступил первый турбогенератор с водородным охлаждением.
Первая водородная бомба была испытана 1 ноября 1952 года в США.
В 1977 году на борту спутников была использована первая никель-водородная батарея. Mars Odyssey и Mars Global Surveyor были оснащены никель-водородными батареями, как и космический телескоп Хаббл.
Разрабатываемые сегодня водородные топливные элементы для автомобилей не производят вредных выбросов, выделяя только водяной пар и теплый воздух.
Физико-химические свойства, изотопы и реакционная способность
Молекулярная масса водорода ниже, чем у всех других газов. Его молекулы имеют скорость выше, чем у всех других газов при данной температуре, и он диффундирует быстрее, чем любой другой газ.
Водород имеет три известных изотопа. Их различные названия иллюстрируют существенные различия в их свойствах. Наиболее распространенным изотопом водорода является изотоп массы 1 (H), также называемый протием. В нем нет нейтронов, что делает водород единственным элементом, который может существовать без них.
Изотоп массы 2 известен как тяжелый водород или дейтерий (H2). В нем есть один протон и один нейтрон.
Водород массой 3, известный как тритий (H3 или T), имеет один протон и два нейтрона в ядре каждого атома.
Водород образует как положительные, так и отрицательные ионы, и делает это легче, чем все другие элементы. Это единственный атом, для которого уравнение Шредингера имеет точное решение.
Известно, что существуют два типа молекулярного водорода. Они отличаются магнитными взаимодействиями протонов из-за их вращательного движения. Они рассматриваются как две различные модификации водорода, и превращения между ними обычно не происходят.
В орто-водороде спины двух протонов выровнены в одном направлении: они параллельны. В параводороде спины протонов выровнены в противоположных направлениях: они антипараллельны. Отношения спиновых выравниваний определяют магнитные свойства атомов.
Молекулярный водород может вступать в реакцию со многими элементами и соединениями при повышенных температурах.
Самые прочные водородные связи связаны с высокоэлектронегативными атомами кислорода, азота и фтора. Более высокие температуры кипения обеспечивают тепловую энергию, необходимую для разрушения водородных связей, чтобы обеспечить испарение.
Водородные связи важны в области биологии. Они играют огромную роль в определении конфигураций молекул. Самые прочные водородные связи находятся в маленьких высокоэлектронегативных атомах фтора, азота и кислорода.
Взрыв водородной бомбы включает столкновение и слияние легких ядер, включая дейтерий (H2) и тритий (H3). Если контроль за процессами термоядерного синтеза будет найден, то сырьем для практически неограниченного количества энергии будет дейтерий, содержащийся в воде.
Такие реакции синтеза являются источником солнечной энергии от солнца.
Производство и применение водорода
Наиболее важным промышленным методом получения водорода является каталитический пароуглеводородный процесс. Это эндотермический (поглощающий тепло) процесс.
Еще одним производственным процессом является некаталитическое частичное окисление углеводородов под повышенным давлением. Это экзотермический (производящий тепло) процесс. Коммерческий объем водорода обычно получают путем парового риформинга природного газа.
Основное промышленное применение водорода заключается в производстве аммиака, главным образом для рынка удобрений и взрывчатых веществ.
Другое применение - каталитическое гидрирование органических соединений. Ненасыщенные животные и растительные масла и жиры гидрогенизируются для получения маргарина и мыла.
Водород использовался в качестве основного ракетного топлива в качестве предпочтительного топлива для космических аппаратов.
Водородная атмосфера используется при отжиге металлов, заливке специальных отливок, охлаждении больших электродвигателей и в производстве магния.
Жидкий водород используется в лабораториях для получения низких температур. Он также используется в криогенных исследованиях, включая исследования сверхпроводимости.
Изотоп дейтерия используется в процессах ядерного деления и в реакциях ядерного синтеза.
Оксид дейтерия используется в ядерных реакторах в качестве замедлителя для замедления нейтронов, не поглощая их.
Исследования разрабатывают термохимические методы получения водорода из воды и солнечной энергии.
Технология водородных топливных элементов использует газообразный водород для хранения большого количества электроэнергии.