Водород

Водород (лат. Hydrogenium) - химический элемент I группы периодической системы Менделеева, атомный номер 1, атомная масса 1,0079

Водород широко распространен в природе, его содержание в земной коре составляет по массе 1%. Он входит в состав самого распространенного вещества на Земле - воды, в состав соединений, слагающих угли, нефть, природные газы, а также организмы животных и растений. В космосе водород является самым распространенным элементом. В виде плазмы он составляет около половины массы Солнца, большинства звезд и т. д.

На рисунке изображен работающий на водороде топливный элемент, который используется в электрохимическом генераторе для преобразования химической энергии (топлива и окислителя) в элек трическую. Справа внизу: Автомобиль на водородном топливе. Справа вверху: В будущем, возможно, в ракетах, отправляющихся в космос, будет использоваться в качестве топлива водород; это поможет сэкономить топливные ресурсы Земли

В 1766 г. английский химик Г. Кавендиш собрал вытесняемый металлами из кислот "горючий воздух", исследовал его свойства. Но лишь в 1787 г. А. Лавуазье доказал, что этот "воздух" входит в состав воды, и дал ему название "гидрогениум", т.е. "рождающий воду", "водород".

На долю водорода на Земле, включая воду и воздух, приходится около 1% по массе. Это весьма распространенный и жизненно важный элемент. Он входит в состав всех растений и животных, а также самого распространенного на Земле вещества - воды.

Водород - самый распространенный элемент Вселенной. Он стоит в начале длинного и сложного процесса синтеза элементов в звездах.

Солнечная энергия - основной источник жизни на Земле. А первооснова этой энергии - термоядерная реакция, происходящая на Солнце в несколько стадий. Результат ее - образование из 4 ядер водорода - протонов, одного ядра гелия и двух позитронов. При этом выделяется огромное количество энергии.

Человеку удалось воспроизвести на Земле не очень точное подобие главной солнечной реакции. В земных условиях мы можем заставить вступить в такую реакцию только тяжелые изотопы водорода ²Н-дейтерий и ³Н-тритий. Обычный же водород с атомной массой 1-протий - нам в этом смысле неподвластен. Управляемый термоядерный синтез как безграничный источник мирной энергии пока недоступен человеку.

В периодической системе элементов водород занимает особое место. Это элемент, с которого начинается периодическая таблица Менделеева. Он обычно стоит в I группе над литием. Потому что у атома водорода всего один валентный электрон (и вообще один электрон). Однако в современных изданиях таблицы Менделеева водород помещают также в VII группе над фтором, так как у водорода находят общее с галогенами. К тому же водород способен давать соединения с металлами - гидриды. Практически из них наиболее важно соединение лития с тяжелым водородом дейтерием.

Получение водорода в школьной лаборатории с помощью аппарата Киппа по реакции цинка с разбавленной серной кислотой

У изотопов всех элементов основные физические и химические свойства практически идентичны. Но у изотопов водорода - протия, дейтерия и трития - они отличаются довольно сильно. Например, температуры кипения протия, дейтерия и трития различаются на несколько градусов. Поэтому изотопы водорода разделить легче, чем изотопы любого другого элемента.

Водород - бесцветный газ, без вкуса и запаха. Он самый легкий из всех газов, в 14,4 раза легче воздуха. Водород становится жидким при - 252,6°С и твердым - при - 259,1°С.

В обычных условиях химическая активность водорода невысока, он реагирует с фтором и хлором. Но при повышенной температуре водород взаимодействует с бромом, иодом, серой, селеном, теллуром, а в присутствии катализаторов - с азотом, образуя аммиак NH₃. Смесь 2 объемов Н₂ и 1 объема O₂ - ее называют гремучим газом - при поджигании сильно взрывается. Водород горит в кислороде несветящимся пламенем, образуя воду.

При высокой температуре водород способен "изъять" кислород из молекул многих соединений, в том числе из большинства оксидов металлов. Для химика водород - это прежде всего великолепный восстановитель, правда, пока еще довольно дорогой. Да и работать с ним непросто. Поэтому в промышленных масштабах восстановление водородом (например, металлов из оксидов) применяется весьма ограниченно.

Водород широко используют в процессе гидрогенизации - превращения жидких жиров в твердые, например для получения из растительных масел пищевого маргарина, а также в ряде химических синтезов. Крупнейшими потребителями водорода в химической промышленности до сих пор остаются производства аммиака и метилового спирта.

Все больший интерес в наши дни проявляют к водороду как к источнику тепловой энергии. Действительно, при сгорании чистого водорода выделяется значительно больше тепла, чем при сжигании такого же количества любого горючего. Появились даже конструкции автомобилей на водородном топливе. В большинстве из них источником водорода служат твердые гидриды некоторых металлов, которые при определенных условиях прочно удерживают связанный с ними водород. Но стоит эти условия изменить, например повысить температуру сверх какого-то, обычно довольно невысокого, порога, и водород начинает выделяться в устройство, заменяющее такой машине карбюратор. Конечно, на пути создания массового водородного автомобиля еще стоят многие технические трудности. Но, видимо, они будут преодолены достаточно скоро, так как такое топливо энергетически выгодно. К тому же при сжигании водорода не образуется вредных примесей, загрязняющих атмосферу, а получается только чистая вода.