Что было до водорода
Водород
Водород – бесцветный горючий газ без запаха. Плотность водорода при нормальных условиях равна 0,09 кг/м3; плотность по воздуху – 0,07 кг/м3; теплота сгорания-28670 ккал/кг; минимальная энергия зажигания – 0,017 мДж. С воздухом и кислородом образует взрывоопасную смесь. Смесь с хлором (1:1) на свету взрывается; с фтором водород соединяется со взрывом в темноте; смесь с кислородом (2:1) – гремучий газ. Пределы взрываемости: с воздухом 4 – 75 об. %, с кислородом 4,1 – 96 об. %.
В день, когда его запасы иссякнут, жизнь во Вселенной прекратится. Вещество, без которого жизнь невозможна, «сидит» в самом центре нашей планеты — в ядре и вокруг него, и оттуда «мигрирует» наружу. Этот газ — начало всех начал. Его название — «водород».
Водород находится в ядре и вокруг него. Далее идет плотная мантия. Но этот газ спокойно мигрирует через толщу горных пород. Когда Земля была молода, водорода в глубинах имелось значительно больше, и из глубин он уходил наружу по всей Земле. Когда же его стало меньше, процесс относительно стабилизировался, и водород стал «выходить» по особым зонам, вдоль разломов океанических хребтов.
Конечно, современная жизнь на Земле возникла при определенном потенциале кислорода. Но если быть объективным, то началом всех начал на нашей планете мы обязаны водороду. Именно динамический цикл водорода, процесс его поступления из недр Земли, а не углерода, как было принято считать раньше, и стал источником зарождения жизни на Земле.
Водород и Вселенная
Обычно для того, чтобы подчеркнуть значение того или иного элемента, говорят: если бы его не было, то случилось бы то-то и то-то. Но, как правило, это не более чем риторический прием. А вот водорода может когда-нибудь действительно не стать, потому что он непрерывно сгорает в недрах звезд, превращаясь в инертный гелий.
Водород — самый распространенный элемент космоса. На его долю приходится около половины массы Солнца и большинства других звезд. Он содержится в газовых туманностях, в межзвездном газе, входит в состав звезд. В недрах звезд происходит превращение ядер атомов водорода в ядра атомов гелия. Этот процесс протекает с выделением энергии; для многих звезд, в том числе для Солнца, он служит главным источником энергии.
Каждую секунду Солнце излучает в космическое пространство энергию, эквивалентную четырем миллионам тонн массы. Эта энергия рождается в ходе слияния четырех ядер водорода, протонов, в ядро гелия. При «сгорании» одного грамма протонов выделяется в двадцать миллионов раз больше энергии, чем при сгорании грамма каменного угля. На Земле такую реакцию еще никто не наблюдал: она идет при температуре и давлении, существующими лишь в недрах звезд и еще не освоенных человеком.
Мощность, эквивалентную ежесекундной убыли массы в четыре миллиона тонн, невозможно представить: даже при мощнейшем термоядерном взрыве в энергию превращается всего около килограмма вещества. Однако скорость процесса, т.е. количество ядер водорода, превращающихся в ядра гелия в одном кубическом метре за одну секунду, мала. Поэтому и количество энергии, выделяющейся за единицу времени в единице объема, невелико. Таким образом, получается, что удельная мощность Солнца ничтожно мала – много меньше, чем мощность такого «тепловыделяющего устройства», как сам человек! И расчеты показывают, что Солнце будет светить, не ослабевая, еще по меньшей мере тридцать миллиардов лет. На наш век хватит.
Рождающий воду
Водород был открыт в первой половине XVI века немецким врачом и естествоиспытателем Парацельсом. В трудах химиков XVI–XVIII вв. упоминался «горючий газ» или «воспламеняемый воздух», который в сочетании с обычным давал взрывчатые смеси. Получали его, действуя на некоторые металлы (железо, цинк, олово) разбавленными растворами кислот — серной и соляной.
Первым ученым, описавшим свойства этого газа, был английский ученый Генри Кавендиш. Он определил его плотность и изучил горение на воздухе, однако приверженность теории флогистона* помешала исследователю разобраться в сути происходящих процессов.
В 1779 г. Антуан Лавуазье получил водород при разложении воды, пропуская ее пары через раскаленную докрасна железную трубку. Лавуазье также доказал, что при взаимодействии «горючего воздуха» с кислородом образуется вода, причем газы реагируют в объемном соотношении 2:1. Это позволило ученому определить состав воды — Н2О. Название элемента – Hydrogenium – Лавуазье и его коллеги образовали от греческих слов «гидор» — вода и «геннао» – рождаю. Русское наименование «водород» предложил химик М. Ф. Соловьев в 1824 году — по аналогии с ломоносовским «кислородом».
Водород — бесцветный газ без вкуса и запаха, слабо растворимый в воде. Он в 14,5 раз легче воздуха — самый легкий из газов. Поэтому водородом раньше наполняли аэростаты и дирижабли. При температуре -253°С водород сжижается. Эта бесцветная жидкость — самая легкая из всех известных: 1 мл ее весит меньше десятой доли грамма. При -259°С жидкий водород замерзает, превращаясь в бесцветные кристаллы.
Молекулы Н2 настолько малы, что способны легко проходить не только через мелкие поры, но и сквозь металлы. Некоторые из них, например, никель, могут поглощать большое количество водорода и удерживать его в атомарном виде в пустотах кристаллической решетки. Нагретая до 250°С палладиевая фольга свободно пропускает водород; этим пользуются для тщательной очистки его от других газов.
С растворимостью водорода в металлах связана его способность диффундировать через металлы. Кроме того, будучи самым легким газом, водород обладает наибольшей скоростью диффузии: его молекулы быстрее молекул всех других газов распространяются в среде другого вещества и проходят через разного рода перегородки.
Водород — активное вещество, легко вступающее в химические реакции. При его горении выделяется много теплоты, а единственным продуктом реакции является вода: 2Н2 + О2 = 2Н2О. О столь экологически чистом топливе можно только мечтать!
Сегодня (правда, пока что ограниченными партиями) уже выпускаются автомобили с водородными двигателями. Это BMW Hydrogen 7, в котором в качестве топлива используется жидкий водород; автобус Mercedes Citaro и легковой автомобиль Mazda RX-8 Hydrogen, работающий одновременно на бензине и водороде. А компания Boeing разрабатывает беспилотный самолёт большой высоты и продолжительности полёта (High Altitude Long Endurance (HALE). На самолёте установлен водородный двигатель производства Ford Motor Company. Однако развитие водородной энергетики сдерживает высокая степень риска при работе с этим газом, а также трудности его хранения.
Опыт, едва не стоивший жизни
С кислородом воздуха водород образует взрывчатую смесь –— гремучий газ. Поэтому при работе с водородом необходимо соблюдать особую осторожность. Чистый водород сгорает почти бесшумно, а в смеси с воздухом издает характерный громкий хлопок. Взрыв гремучего газа в пробирке не представляет опасности для экспериментатора, однако при использовании плоскодонной колбы или посуды из толстого стекла можно серьезно пострадать.
Водород имеет двойственную химическую природу, проявляя как окислительную, так и восстановительную способность. В большинстве реакций он выступает в качестве восстановителя, образуя соединения, в которых его степень окисления равна +1. Но в реакциях с активными металлами он выступает в качестве окислителя: его степень окисления в соединениях с металлами равна -1.
Таким образом, отдавая один электрон, водород проявляет сходство с металлами первой группы периодической системы, а присоединяя электрон, – с неметаллами седьмой группы. Поэтому водород в периодической системе обычно помещают либо в первой группе и в то же время в скобках в седьмой, либо в седьмой группе и в скобках в первой.
Использование и получение водорода
Используется водород в производстве аммиака, метанола, хлороводорода, для гидрирования растительных жиров (при выработке маргарина), также для восстановления металлов (молибдена, вольфрама, индия) из оксидов. Водород-кислородным пламенем (3000°С) сваривают и режут тугоплавкие металлы и сплавы. Жидкий водород служит ракетным топливом.
При гидрогенизации угля и нефти бедные водородом низкосортные виды топлива превращаются в высококачественные.
Водород используют для охлаждения мощных генераторов электрического тока, а его изотопы находят применение в атомной энергетике.
В промышленности водород получают электролизом водных растворов солей (например, NaCl, Na2CO4), а также при конверсии твердого и газообразного топлива – угля и природного газа. Процессы конверсии протекают при температуре порядка 1000°С в присутствии катализаторов. Получаемая при этом газовая смесь называется синтез-газом.
Почти в каждой домашней аптечке имеется пузырек 3-процентного раствора перекиси водорода Н2О2. Его используют для дезинфекции ран, остановке кровотечений.
В зависимости от назначения технический водород выпускается в сжатом и несжатом виде двух марок:
Водород газообразный марка «А» – используется в электронной, фармацевтической, химической промышленностях, в порошковой металлургии: для осаждения тугоплавких соединений из окислов металлов; при спекании изделий из порошковых материалов, содержащих хром и нержавеющие стали.
Водород газообразный марка «Б» – используется в энергетике, электронной, химической, цветной металлургии, фармацевтической промышленности.
Новости
Выходной день: вторник
Залы планетария: 10:00 – 21:00
Кафе: 11:00 – 21:00
+7 (495) 221-76-90
АО «Планетарий» © 2017 г. Москва, ул.Садовая-Кудринская, д. 5, стр. 1
Элементы: Водород – самый распространённый элемент Вселенной
Несмотря на то, что водород является самым распространённым химическим элементом в природе, открыт он был только в 18 веке. В1766 году английский ученый Генри Кавендиш провёл ряд опытов с различными металлами, помещая их в растворы серной и соляной кислот. В результате каждого эксперимента он получал одно и то же легкое газообразное вещество, которое назвал «горючим воздухом». При сжигании «горючий воздух» давал воду. Полученную таким способом воду в 1783 году детально изучил французский химик Антуан Лавуазье, осуществив её анализ, разлагая водяной пар раскалённым железом. Так он установил, что «горючий воздух» входит в состав воды и может быть из неё выделен.
Молекула воды H₂O
Лавуазье дал полученному газу название hydrogène (др. греч. — рождающий воду). Русский термин «водород» предложил химик Михаил Соловьёв в 1824 году — по аналогии с «кислородом» Ломоносова.
Водород – самый легкий, самый простой и самый распространенный химический элемент во Вселенной, обозначается символом H, занимает клетку № 1 в Таблице Менделеева и имеет относительную атомную массу равную 1. При нормальных условиях это бесцветный газ без вкуса и запаха с формулой H2, который, перемешиваясь с воздухом, горюч и взрывоопасен. В больших количествах он присутствует в туманностях, звездах и планетах класса «газовый гигант».
Во Вселенной на долю водорода приходится около 88% всех атомов (примерно 11 % составляют атомы гелия, доля всех остальных вместе взятых элементов — меньше 1 %).
Облако водорода (красное) в созвездии Центавр. Снимок обсерватории Ла-Силья (Чили), 2014 г.
Таким образом, водород — основная составная часть звёзд и межзвёздного газа. Он играет ключевую роль в реакциях первичного и звёздного нуклеосинтеза, который, в свою очередь, является причиной наблюдаемой распространённости химических элементов.
Особое положение, которое занял водород с момента открытия, привлекало внимание ученых различных направлений. Так, в 1815 году английский химик, врач и религиозный философ Уильям Праут анонимно опубликовал статью, в которой впервые предположил, что все атомы построены из простейшего водорода. Если масса водорода равна 1, то атомные массы всех других элементов должны выражаться целыми числами. Противники гипотезы, в частности Якоб Берцелиус, утверждали, что атомные массы элементов не находятся в целочисленных отношениях по отношению к водороду. Уровень развития техники измерения масс атомов в то время был достаточно высок, поэтому изначально ряду учёных удалось опровергнуть его теорию, так как полученный атомный вес (как тогда говорили) например хлора, был равен 35,5. С открытием изотопов в начале 20 века доказательства некорректности гипотезы Праута, основанные на измерениях атомных масс, оказались также ошибочными — дробный атомный вес хлора был следствием того, что природный хлор является смесью разных изотопов, о существовании которых во времена Праута не знали. И сейчас у этой теории есть сторонники и противники, а в историю науки это научное предположение вошло как «Гипотеза Праута».
По распространённости в земной коре водород стоит на 9 месте со средним содержанием около 1% по массе, находясь там, в основном, в виде соединений. Свободный водород H2 относительно редко встречается в земной коре, но в составе воды он принимает активное участие в геохимических процессах. Основной потребитель водорода – химическая промышленность. Более 50 % мирового выпуска водорода идёт на производство аммиака (NH3), ещё 10 % используется для производства метанола (CH3OH). Из этих веществ производят пластмассы, удобрения, взрывчатые вещества и многое другое.
Мир Знаний .
Мы в соцсетях
Популярное
Русский генерал спасает Грузию от персов. В «благодарность» грузинская царица втыкает ему кинжал в живот…
Фаустпатрон — легендарный гранатомет был безвредной «хлопушкой»?
Освобождение Эстонии. Попытка № 1
Корсар Ивана Грозного. Неизвестная страница из истории отечественного «морского разбоя»
Ликвидация Бандеры. Шприц-пистолет против британского агента
История открытия водорода
Водород — самый распространенный химический элемент во Вселенной. Он составляет примерно половину массы Солнца и других звезд, а также межзвездного пространства и газовых туманностей. На Земле водород находится в связанном состоянии — в виде соединений. Вместе с углеродом он входит в состав нефти, природных газов и всех живых организмов. Немного свободного водорода содержится и в воздухе, но там его совсем мало — 0,00005 %. В атмосферу он попадает из вулканов.
Еще средневековый ученый Парацельс заметил, что при действии кислот на железо выделяются пузырьки какого-то «воздуха», но что это такое — объяснить не смог. Теперь известно, что это был водород.
Латинское название элемента Hydrogenium состоит из двух греческих слов — «вода» и «рождаю», то есть «рождающий воду». Так в XVIII в. его назвал французский естествоиспытатель А. Лавуазье. Понятие «водород» было предложено в 1824 г. русским химиком М. Соловьевым по аналогии с «кислородом». А до XIX в. в химической литературе России можно было встретить названия «горючий газ», «загораемый воздух», «водотвор», «водородный газ», «водотворное существо».
Очень долго опыты по изучению и открытию газов оставались без внимания, поскольку ученые попросту не замечали этих невидимых веществ. Лишь со временем стало ясно, что газ — полноценная материя, без исследования которой невозможно полностью понять химическую основу мира.
Открытие водорода произошло еще на заре развития химии как науки. Горение этого газа наблюдали Парацельс, Р. Бойль и другие ученые, а М. Ломоносов в 1745 г. описал получение кислорода при действии кислот на металлы. Тем не менее большинство ученых в те годы были приверженцами теории флогистона — гипотетической «сверхтонкой огненной субстанции», якобы наполняющей все горючие вещества и высвобождающейся из них при горении.
Гипотезу о флогистоне высказывал даже химик Генри Кавендиш (1731—1810), который более или менее подробно исследовал свойства водорода и дал ему название «горючий воздух». В частности, Кавендиш обнаружил, что водород — необычайно легкий газ, в 14 раз легче воздуха, и наполненный им резиновый шарик непременно взлетит в небо. Первый воздушный шар, построенный братьями Монгольфье, был наполнен дымом от горения шерсти и соломы: видимо, братья не были знакомы с законами физики и наивно полагали, будто эта смесь образует «электрический дым», способный поднять их легкий шар. А вот физик Ж. А. Шарль наполнил шар водородом, и этот летательный аппарат (шарльер), в отличие от детища Монгольфье (монгольфьера), не только взлетел, но и одолел 20 км за 45 мин.
В декабре 1783 г. Шарль в сопровождении физика Ф. Робера в присутствии 400 000 зрителей предпринял первый полет на воздушном шаре, заполненном водородом. А в 1804 г. Ж. Л. Гей-Люссак (также не один, а вместе с физиком Ж.-Б. Био) поставил рекорд высоты, поднявшись на водородном шаре на 7 км.
Между тем к концу XVIII в., используя новые лабораторные приборы, Лавуазье впервые осуществил водный синтез, а затем пропустил водяные пары через раскаленную докрасна железную трубку с железными опилками. Кислород из воды прочно соединился с железом, а водород выделился в свободном виде. Благодаря этому опыту стало понятно, что водород присутствует в составе воды, более того, может быть выделен из нее. Сейчас водород тоже получают из воды, но другим способом — с помощью электролиза.
Примечательно, что при составлении таблицы простых веществ Лавуазье поместил водород в один ряд с кислородом, азотом, светом и теплородом — поскольку эти вещества представлены во всех трех царствах природы и являются неотъемлемой частью любых тел.
В конце XIX в. исследованием водорода занимался русский химик Д. Менделеев. И вот какой вывод сделал: «Водород представляет пример газа, на первый взгляд не отличающегося от воздуха… Парацельс, открывший, что при действии некоторых металлов на серную кислоту получается воздухообразное вещество, не определил его отличия от воздуха. Действительно, водород бесцветен и не имеет запаха, так же как воздух; но при ближайшем знакомстве с его свойствами этот газ оказывается совершенно отличным от воздуха».
Уже в ХХ в. ученые обнаружили изотопы этого элемента. В конце 1931 г. группа американских физиков — Г. Юри со своими учениками Ф. Брикведде и Дж. Мерфи — взяли 4 л жидкого водорода и подвергли его фракционной перегонке, получив в остатке всего 1 мл, то есть уменьшив объем в 4000 раз. Этот последний миллилитр жидкости, оставшийся после ее испарения, был исследован спектроскопическим методом, и на спектрограмме обогащенного водорода Юри заметил новые, очень слабые линии, отсутствующие у обычного элемента. При этом положение линий в спектре точно соответствовало квантово-механическому расчету предполагаемого атома 2H. Соотношение интенсивностей линий нового изотопа (Юри назвал его дейтерием по числу входящих в ядро элементарных частиц — 1 протона и 1 нейтрона) и обычного водорода показало, что в исследованном обогащенном образце количество нового изотопа в 800 раз меньше, чем обычного водорода.
После спектроскопического обнаружения дейтерия было предложено разделить изотопы водорода электролизом. Эксперименты показали, что при электролизе воды легкий водород действительно выделяется быстрее, чем тяжелый. Именно эти опыты стали ключевыми для получения тяжелого водорода. Статья, в которой сообщалось об открытии дейтерия, была напечатана весной 1932 г., а уже в июле появились результаты по электролитическому разделению изотопов. В 1934 г. за открытие тяжелого водорода Юри получил Нобелевскую премию по химии.
В том же году в английском журнале Nature была опубликована небольшая заметка, подписанная М. Л. Олифантом, П. Хартеком и Резерфордом (фамилия лорда Резерфорда не требовала при публикации инициалов). Несмотря на скромное название заметки «Эффект трансмутации, полученный с тяжелым водородом», она сообщала миру о выдающемся результате — искусственном выделении третьего изотопа водорода, трития.
В 1946 г. известный авторитет в области ядерной физики, лауреат Нобелевской премии У. Ф. Либби предположил, что тритий непрерывно образуется в ходе атмосферных ядерных реакций. Однако в природе трития так мало (1 атом 3Н на 1018 атомов 1Н), что обнаружить его удалось только по слабой радиоактивности.
Открытие водорода оказалось очень важным не только для науки, но и для других сфер человеческой деятельности. Сейчас этот элемент используют для получения аммиака, необходимого в производстве удобрений и многих других веществ. Из жидких растительных масел с помощью водорода получают твердые жиры, похожие на сливочное масло и применяемые в пищевой промышленности. При производстве изделий из кварцевого стекла требуется очень высокая температура, и здесь водород тоже находит применение: горелка с водородно-кислородным пламенем дает температуру выше 2000 °С, при которой кварц легко плавится. Также водород часто используют в лабораторных экспериментах, а хранят под давлением в стальных баллонах, для безопасности прикрепленных к стене с помощью специальных хомутов.
Источники:
http://www.beliff.ru/vodorod
http://www.planetarium-moscow.ru/about/news/elementy-vodorod-samyy-rasprostranyennyy-element-vselennoy/
http://mir-znaniy.com/istoriya-otkrytiya-vodoroda/
