Что такое водород?
Цель сегодняшней публикации – представить неподготовленному читателю исчерпывающие сведения о том, что такое водород, каковы его физические и химические свойства, сфера применения, значение и способы получения.
Мы также проследим историю открытия этого удивительного вещества, изложив теорию по возможности кратко и без использования излишне заумной терминологии.
Что такое водород: общие сведения
Водород – это один из самых распространенных в природе химических элементов. Доля водорода в массе Солнца составляет примерно половину. Во Вселенной же доля атомов водорода приближается к 90 %, являясь основой межзвездного газа и звезд.
Водород присутствует в подавляющем большинстве органических веществ и живых клеток, в которых на его долю приходится почти две трети атомов.
Фото 1. Водород считается одним из самых распространенных элементов в природе
В периодической системе элементов Менделеева водород занимает почетную первую позицию с атомным весом, равным единице.
Название «водород» (в латинском варианте – Hydrogenium) ведет происхождение от двух древнегреческих слов: ὕδωρ — «вода» и γεννάω — «рождаю» (буквально – «рождающий воду) и впервые было предложено в 1824 г. русским химиком Михаилом Соловьевым.
Водород является одним из водообразующих (наряду с кислородом) элементов (химическая формула воды H2O).
По физическим свойствам водород характеризуется как бесцветный газ (легче воздуха). При смешении с кислородом или воздухом крайне взрывоопасен и горюч.
Способен растворяться в некоторых металлах (титане, железе, платине, палладии, никеле) и в этаноле, однако очень плохо растворим в серебре.
Молекула водорода состоит из двух атомов и обозначается H2. Водород имеет несколько изотопов: протий (H), дейтерий (D) и тритий (T).
История открытия водорода
Еще в первой половине XVI века при проведении алхимических опытов, смешивая металлы с кислотами, Парацельс заметил доселе неизвестный горючий газ, который отделить от воздуха он так и не смог.
Спустя почти полтора столетия – в конце XVII века – французскому ученому Лемери удалось-таки отделить водород (еще не зная, что это именно водород) от воздуха и доказать его горючесть.
Фото 2. Генри Кавендиш - первооткрыватель водорода
Химические опыты в середине XVIII века позволили Михаилу Ломоносову выявить процесс выделения некоего газа в результате некоторых химических реакций, не являющегося, однако, флогистоном.
Настоящий прорыв в исследовании горючего газа удалось совершить английскому химику Генри Кавендишу, которому и приписывается открытие водорода (1766).
Этот газ Кавендиш называл «горючим воздухом». Им же проведена реакция сжигания этого вещества, в результате которой получалась вода.
В 1783 г. французским химикам во главе с Антуаном Лавуазье был осуществлен синтез воды, а впоследствии – разложение воды с выделением «горючего воздуха».
Эти исследования окончательно доказали присутствие водорода в составе воды. Именно Лавуазье предложил именовать новый газ Hydrogenium (1801).
Полезные свойства водорода
Водород легче воздуха в четырнадцать с половиной раз.
Его же отличает и самая высокая теплопроводность среди прочих газов (белее чем в семь раз превышает теплопроводность воздуха).
В былые времена воздушные шары и дирижабли заполняли водородом. После серии катастроф в середине 1930-х, закончившихся взрывами дирижаблей, конструкторам пришлось искать водороду замену.
Теперь для подобных летательных аппаратов используется гелий, который намного дороже водорода, зато не так взрывоопасен.
Водород хорошо зарекомендовал себя в качестве компонента ракетного топлива.
Фото 3. Водород применяется для изготовления ракетного топлива
Во многих странах ведутся исследования по созданию экономичных двигателей для легковых и грузовых автомобилей на основе водорода.
Автомобили на водородном топливе значительно экологичнее своих бензиновых и дизельных собратьев.
При обычных условиях (комнатная температура и естественное атмосферное давление) водород неохотно вступает в реакции.
При нагревании смеси водорода и кислорода до 600 °C начинается реакция, завершающаяся образованием молекул воды.
Эту же реакцию можно спровоцировать с помощью электрической искры.
Реакции при участи водорода завершаются, лишь когда участвующие в реакции компоненты будут израсходованы целиком.
Температура горящего водорода достигает 2500-2800 °C.
С помощью водорода производят очистку различных типов топлива на основе нефти и нефтепродуктов.
В живой природе водород заменить нечем, так как он присутствует в любой органике (включая нефть) и во всех белковых соединениях.
Без участия водорода жизнь на Земле была бы невозможна.
Агрегатные состояния водорода
Водород способен пребывать в трех основных агрегатных состояниях:
- газообразном;
- жидком;
- твердом.
Обычное состояние водорода – газ. Понижая его температуру до -252,8 °C, водород превращается в жидкость, а после температурного порога -262 °C водород становится твердым.
Фото 4. Уже несколько десятилетий вместо дешевого водорода для наполнения воздушных шаров используют дорогой гелий
Ученые предполагают, что водород способен находиться в дополнительном (четвертом) агрегатном состоянии – металлическом.
Для этого нужно всего лишь создать давление в два с половиной миллиона атмосфер.
Пока, увы, это всего лишь научная гипотеза, так как получить «металлический водород» еще никому не удавалось.
Жидкий водород – из-за своей температуры - при попадании на кожу человека способен вызвать сильное обморожение.
Водород в таблице Менделеева
В основе распределения химических элементов в периодической таблице Менделеева лежит их атомный вес, рассчитанный относительно атомного веса водорода.
Фото 5. В таблице Менделеева водороду отведена ячейка с порядковым номером 1
Правильность такого подхода долгие годы никто не мог ни опровергнуть, ни подтвердить.
С возникновением квантовой физики в начале XX века и, в частности, появлением знаменитых постулатов Нильса Бора, объясняющих с позиций квантовой механики строение атома, удалось доказать справедливость гипотезы Менделеева.
Верно и обратное: именно соответствие постулатов Нильса Бора периодическому закону, лежащему в основе таблицы Менделеева, и стало самым веским доводом в пользу признания их истинности.
Участие водорода в термоядерной реакции
Изотопы водорода дейтерий и тритий являются источниками невероятно мощной энергии, высвобождающейся в процессе термоядерной реакции.
Фото 6. Термоядерный взрыв без водорода был бы невозможен
Такая реакция возможна при температуре не ниже 1060 °C и протекают очень быстро – в течение нескольких секунд.
На Солнце термоядерные реакции протекают медленно.
Задача ученых – понять, почему так происходит, чтобы использовать полученные знания для создания новых – практически неисчерпаемых – источников энергии.
Что такое водород (видео):
>
|