Глава 3. Рождающий воду

Алхимики, проводя свои опыты в поисках философского камня, конечно же действовали серной кислотой на металлы, например на железо, и наблюдали выделение какого-то газа. Этот газ горел, а иногда происходили и взрывы (водородно-воздушная смесь, содержащая от 4 до 74% водорода, взрывоопасна). Такие наблюдения вел и Парацельс, и Бойль (вспомните его опыт по собиранию газов), а первое название горючему "воздуху", видимо, было дано известным французским химиком Никола Лемери. В 1675 г. в "Курсе химии" им был описан опыт получения "воздуха" при реакции железа с купоросным маслом (серной кислотой). Поскольку газ хорошо горел, Лемери назвал его "горючим паром".

В период господства теории флогистона часть ученых принимала "горючий пар" за чистый флогистон. Так, М. В. Ломоносов в одной из работ писал, что "при растворении какого-либо неблагородного металла, особенно железа, в кислотных спиртах (кислотах - Б. К.) из отверстия склянки вырывается горючий пар, который представляет собой не что иное, как флогистон".

Таким образом, до 1760-х годов ученые и не пытались выделить "горючий пар" в чистом виде, исследовать его физические и химические свойства. Это сделал в 1766 г. знаменитый английский химик и физик Генри Кавендиш.

Он родился в аристократической семье; окончив Кембриджский университет, он оборудовал в Лондоне лабораторию, в которой и работал все последующие годы. Это был очень своеобразный человек: лорд, член Лондонского королевского общества, чрезвычайно богатый, Кавендиш избегал светских приемов и развлечений, встречался лишь с немногими близкими друзьями; почти все свое время он отдавал науке. Круг его научных интересов был чрезвычайно широк-физика, геология, астрономия (он имел даже собственную обсерваторию). Кавендиш был очень требователен к себе, поэтому редко публиковал свои работы и многие из них стали известны лишь после его смерти.

Современникам Кавендиша были более знакомы его исследования по химии. Так, в 1766 г. вышла в свет работа "Опыты с искусственным воздухом", где говорилось о "горючем воздухе". Оказывается, этот газ можно получать, действуя серной или соляной кислотой не только на железо, но и на цинк и олово. Кавендиш изучил некоторые свойства нового газа: он не был пригоден для дыхания, при смешении с воздухом и при поджигании горел и часто взрывался. Он очень легок. Для определения его плотности Кавендиш взвесил колбу с кислотой и цинком до и после опыта, затем определил объем выделившегося "горючего газа" и на основании этих данных вычислил его плотность по воздуху, которая оказалась равной 0,09 (она завышена, так как Кавендиш не мог избавиться от паров воды; по современным данным плотность водорода относительно воздуха 0,0695).

Генри Кавендиш (1731-1810)

Что же представляет собой "горючий газ"? Ученый считал, что это чистый флогистон. Откуда же берется флогистон? Только не из кислот: ведь этот газ выделяется, по мнению Кавендиша, и при гниении овощей (тогда считали, что овощи богаты флогистоном). Но флогистон, как думали в то время, входит и в состав металлов. Значит, "горючий воздух" выделяется из них (?). Реакцию между металлами и кислотами Кавендиш объяснял так: флогистон металлов при растворении их в кислотах, не изменяя своей природы, выделяется, образуя затем "горючий газ". Другими словами, кислоты изгоняют его из металлов так же, как они изгоняют "связанный воздух" из известняка или белой магнезии.

Опыты с "горючим газом" продолжались много лет. Сжигая смесь этого газа с обычным воздухом в герметически закрытом сосуде, Кавендиш заметил, что на стенках сосуда всегда появлялись капельки жидкости. Исследуя жидкость, ученый пришел к выводу, что это чистая вода. Это было в 1781 году.

Шестью годами раньше подобное явление описал французский химик Пьер Макер: он ввел в пламя "горючего газа" фарфоровое блюдце, на котором образовались капельки жидкости. Каково же было удивление Макера, когда он исследовал образовавшуюся жидкость,-это была... вода! Получался какой-то парадокс: вода, гасящая огонь, сама образуется при горении.

Неудивительно, что эти опыты решил проверить Лавуазье. Из одного сосуда в стеклянный колокол поступал кислород, а из другого "горючий воздух". В колоколе смесь газов поджигалась, и происходило горение. 24 июня 1783 г. Лавуазье получил таким способом воду и сообщил о своих опытах в Парижскую Академию наук в ноябре того же года. Он сделал правильный вывод, что вода образуется при соединении "горючего газа" с кислородом и содержит (по массе) 15% первого и 85% второго (современные данные-11,1% и 88,9%).

Кавендиш же опубликовал свой отчет о получении воды только в 1784 г., но он считал, что вода состоит из "дефлогистированного воздуха" (кислорода) и флогистона.

Исходя из того, что "горючий газ" участвует в образовании воды, французский химик Гитон де Морво в 1787 г. предложил назвать его hydrogene (от слов гидровола и геннао - рождаю). Газ стал называться "рождающим воду", водородом.

Академия наук поставила перед Лавуазье практическую задачу-найти дешевый способ получения водорода как самого легкого газа для нужд нарождающегося воздухоплавания. Лавуазье привлек к работе военного инженера, математика и химика Жана Мёнье. В качестве исходного вещества они выбрали воду-вряд ли можно было отыскать сырье дешевле. Зная, что вода - это соединение водорода с кислородом, они пытались найти способ отнять от нее кислород. Для этой цели годились различные восстановители, наиболее же доступным было металлическое железо. Из реторты-кипятильника водяные пары поступали в раскаленный докрасна на жаровне ружейный ствол. Образовавшийся при этом водород собирался в одном приемнике, а непрореагировавшие водяные пары-в другом. Из каждых 100 гран воды получалось 15 гран водорода и 85 гран кислорода.

Эта работа имела и важное теоретическое значение. Она подтвердила ранее сделанные выводы (из опыта по сжиганию водорода в кислороде под колоколом), что вода содержит 15% водорода и 85% кислорода. Кроме того, количественные данные говорили в пользу закона сохранения веса веществ. И практическая цель была достигнута - был разработан дешевый способ получения газа.

Первый воздушный шар, наполненный водородом, сконструировал французский физик Ж. Шарль в 1783 г. Через одиннадцать лет в революционной французской армии, боровшейся с австрийскими интервентами, появились первые военные воздухоплаватели - аэростьеры (главным образом для наблюдения за противником). И хотя летательные аппараты (воздушные шары, аэростаты, дирижабли), наполненные водородом, были очень огнеопасны, вплоть до начала интенсивного развития авиации (первая треть XX в.) водород продолжали использовать в воздухоплавании. Лишь после того, как в 1937 г. загорелся и взорвался в воздухе немецкий дирижабль-гигант "Гинденбург" (при этом 48 человек погибли и десятки людей получили сильные увечья и ожоги), от применения водорода в летательных аппаратах с человеком на борту отказались. Сейчас водородом заполняют лишь научно-исследовательские шары-зонды.

Свойства этого газа описаны в школьном курсе химии, поэтому мы отметим лишь некоторые его особенности. Водород легко проникает в железо и сталь, и они теряют прочность, становятся хрупкими; этот процесс получил название водородной коррозии (от латинского corrodo, что означает разгрызать, разъедать). Водород диффундирует через каучук, резину, фарфор, при 200-300°С он проникает через стенки стеклянных и кварцевых сосудов, а при более высокой температуре проходит сквозь сталь.

При температуре - 252,8°С и давлении выше 1,013 МПа (10 атм) водород превращается в легкую жидкость; впервые ее получил в 1898 г. английский ученый Джеймс Дьюар. Жидкий водород-одно из наиболее эффективных реактивных топлив. Но его пытаются использовать как горючее и для обычных видов транспорта. В 1975 г. сотрудники Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе (США) создали модель почтового автомобиля, работающего на сжиженном водороде. Легковые автомобили, работающие на смеси водорода с кислородом, проходят испытания в настоящее время и в нашей стране.

Если жидкий водород охладить до - 259°С, он превратится в прозрачные кубические кристаллы голубоватого цвета.

Твердый водород может переходить в... металлическое состояние, для которого характерен определенный тип кристаллической решетки: в узлах ее размещены положительные ионы (протоны), среди которых перемещаются свободные электроны. Такой водород обладает металлической проводимостью.

Теория получения металлического водорода была завершена в 1952 г. советским ученым А. А. Абрикосовым. В феврале 1975 г. появилось сообщение, что группа исследователей под руководством академика Л. Ф. Верещагина в Институте физики высоких давлений АН СССР получила металлический водород. Для этого на алмазные наковальни, охлажденные до 4,2 К, осадили тонкий слой водорода, который подвергли огромному давлению. При 304 ГПа водород перешел в металлическое состояние. Правда, при снижении давления до 101,3 ГПа или повышении температуры металлические свойства исчезают. Если удастся сохранить металлическое состояние при обычных условиях, то это будет отличный сверхпроводник.

Водород широко распространен в природе. В воде на его долю приходится 1/9 часть, а ее запасы на земном шаре оцениваются в 244-1015 тонн. Он входит в состав природных горючих газов, нефти, живых организмов (так, в теле человека его около 10%). Но особенно много водорода в космических телах и межзвездном пространстве; в звездах, например, его в 6 раз больше, чем гелия; в 700 раз больше, чем кислорода, не говоря уже о других элементах. В межзвездном пространстве водорода в десятки и сотни раз больше, чем атомов других элементов, вместе взятых.

Вначале ученые считали, что в природе существует только один вид атомов водорода с атомной массой, равной единице. Но вот в 1932 г. американские физики Г. Юри, Ф. Брикведде и Г. Мэрфи обнаружили атомы, по химическим свойствам похожие на атомы водорода, но тяжелее их вдвое. Это был тяжелый водород - дейтерий (от дейтерос - второй). За его открытие Г. Юри был удостоен в 1934 г. Нобелевской премии.

В том же году Э. Резерфорд вместе с М. Олифантом и П. Хартеком, осуществляя ядерные реакции, получили атомы водорода, которые были втрое тяжелее обычных. Это еще одна разновидность легчайшего элемента-сверхтяжелый водород тритий (от латинского тритиум-третий).

Такие разновидности атомов одного элемента, которые имеют одинаковые химические свойства, но разные атомные массы, называются изотопами (изо-одинаковый, топос - место). В настоящее время известно пять изотопов водорода: обычный, или протий (Н), дейтерий (2Н или D), тритий (3Н или Т), терций (4Н) и квинтий (5Н). Последние три получают искусственным путем, они радиоактивны и крайне неустойчивы. Реакции с участием ядер изотопов водорода (протия и дейтерия) играют исключительную роль в процессах, происходящих в звездах. При этом выделяется огромное количество энергии, в миллионы раз превышающее теплоту обычных химических реакций.

У изотопов водорода заманчивые перспективы: их будут использовать в управляемых термоядерных реакциях; а научившись управлять этими процессами, человечество навсегда избавит себя от энергетического голода.

Из всех соединений водорода наибольшее значение для человека имеет вода. Мы уже знаем, как был установлен ее состав, а также помним опыт Ван-Гельмонта по выращиванию ивы, из которого он сделал вывод, что вода может превращаться в части растений. Представление о способности воды превращаться в твердые вещества было опровергнуто только в XVIII в. опытами Шееле и Лавуазье. Шееле (1768) кипятил дистиллированную воду в течение 12 дней и установил, что осадок получается в результате разъедания стеклянных стенок колбы. В следующем году Лавуазье провел аналогичный опыт, но более длительный и с тщательным взвешиванием. Он определил вес стеклянного герметически закрытого сосуда с водой, затем грел его при 90°С сто суток. После этого сосуд с водой был снова взвешен-вес не изменился. После выпаривания воды осталось 20,4 грана землистого осадка, а вес высушенного прибора уменьшился на 17,4 грана. Лавуазье сделал вывод, что образовавшийся осадок-не продукт превращения воды в землю, а результат растворения стекла при нагревании воды в приборе.

По прошествии почти двух веков был обнаружен новый вид воды - тяжелая. Оказывается, если обыкновенную воду подвергать электролизу, то она разлагается электрическим током, а в остатке концентрируется так называемая тяжелая вода: в состав ее вместо водорода входит дейтерий, формула этой воды D₂O. Ее открыли в 1932 г. Г. Юри и Э. Осборн (США), а в следующем году другие американские ученые, Г. Льюис и Р. Макдональд, проведя длительный электролиз, получили почти чистую тяжелую воду и изучили ее свойства.

Тяжелая вода - бесцветная безвкусная жидкость с плотностью 1,106 г/см³ и относительной вязкостью (по воде) 1,232. Ее температура кипения + 101,42°С, а температура замерзания + 3,8°С. Она не участвует в биохимических процессах. Опыты на крысах показали, что она не утоляет жажды, животные вскоре погибали. Семена в этой воде не прорастают, а соли растворяются хуже. Если постепенно заменять в молекуле воды протий на дейтерий, то микроорганизмы могут приспособиться к жизни в тяжелой воде, но тогда для них губительной станет обычная вода. Тяжелая вода гигроскопична, она жадно впитывает обычную воду (вода поглощает воду!).

Тяжелая вода применяется в ядерных реакторах. Дело в том, что только "медленные" нейтроны разбивают ядра урана, "быстрые" же нейтроны могут "проскочить мимо" и не вызвать их распада. Чтобы сделать "быстрые" нейтроны более "меткими", их надо "замедлить", для этого их пропускают через тяжелую воду.

В природных водах содержание тяжелой воды неодинаково: в речной воде ее содержится около 150 г на тонну, в ледниках - около 160 г, а в водах Тихого океана - 165 г.