Водород (Н) является самым распространенным химическим элементом в изученной Вселенной. Он относится к группе неметаллов и занимает первую позицию в периодической системе Менделеева с атомной массой 1,0079 а.е.м. Это самый простой из известных атомов, состоящий из одного протона в ядре, которое вращается вокруг одного электрона. Длительное изучение водорода позволило ученым узнать о нем огромное количество интересных фактов. Однако, многое еще остается неизвестным. В будущем использование водорода может произвести настоящую революцию в области энергетики.
Химический элемент Н был открыт британским физиком и химиком Генри Кавендишем в 1766 году.Еще за несколько веков до Генри Кавендиша это вещество выделяли из кислот и металлов, однако, не считали его самодостаточным. Его относили к флогистону – гипотетическая материя, входящая в состав всех горючих веществ (теория существования «флогистона» была полностью опровергнута к началу XIX века). Только в XVIII веке после череды длительных экспериментов Кавендишу удалось исследовать водород как самостоятельную единицу. Он назвал его «горючий воздух».
Кавендиш первым описал свойства этого элемента и опубликовал их в своей работе «Искусственный воздух». Однако, ученому до конца не удалось разобраться с его особенностями из-за приверженности к теории флогистона. Работа в этой области была продолжена последователями Кавендиша – французскими учеными Антуаном Лавуазье и Жаном Мёнье, которым удалось синтезировать из водорода воду.
Название «hydrogen» было предложено Антуаном Лавуазье, что в переводе с греческого является сочетанием слов «вода» и «рождаю». Термин на русском языке «водород» ввел в обращение химик Михаил Соловьёв в 1824 году. Вода является оксидом водорода.Два атома в молекуле водорода создают простой газ Н2, который значительно легче воздуха, не имеет цвета, запаха и вкуса. Он не токсичен, но очень огнеопасен. Он начинает гореть при взаимодействии с кислородом. В результате реакции выделяется жидкость – вода, которая, по сути, является продуктом горения водорода. Вода представляет собой бинарное неорганическое соединение и имеет формулу Н2О: каждая молекула воды состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода, соединенных между собой ковалентной связью.
Свободный водород редко встречается на Земле. Водород в газообразном состоянии Н2 (также, называемый «свободный») легче воздуха почти в 14 раз. Его редко можно встретить на поверхности Земли, в том числе в сочетании с другими газами, поскольку он просто не может удержаться в атмосфере. В свободном виде он содержится только глубоко под землей и выходит на поверхность во время извержений вулканов, или при добыче полезных ископаемых (таких, как нефть).
В наибольшей степени Н2 распространен в составе воды, которая занимает большую часть планеты (79%). Также, этот химический элемент можно обнаружить в различных соединениях: углеводородах, кислотах и оксидах. Он является обязательной составляющей живых существ и растений, входит в состав природных газов, нефти, минералов. Солнце состоит, в основном, из водорода Солнце, как и вода, обеспечивают жизнь на Земле. Интересным фактом о водороде, является то, что он преобладает в химическом составе Солнца и других звезд во Вселенной (а также некоторых газовых планет). Он играет важную роль в образовании энергии, которая освещает и согревает нашу планету. Н в составе Солнца имеет долю примерно в 75%, 24% — это гелий (Не), и 1% — другие химические элементы. Внутри звезды под действием высоких температур и сильного давления происходят реакции, в результате которых Н превращается в Не. Во время синтеза происходит выделение энергии, которую мы видим как солнечный свет.
Водород участвует в образовании полярного сеяния Природное явление, которое можно наблюдать на полюсах Земли в виде свечения небосвода, возникает в результате столкновения солнечного ветра с атмосферой планеты. Солнечный ветер представляет собой поток ионизованного водородного газа (плазмы), с ускорением движущийся от Солнца в разные стороны. Подобный ветер может возникать в любых звездах, поэтому в общем представлении его корректно называть «звездный ветер». Он также вызывает полярное сияние на других планетах, обладающих магнитосферой.
Изотопы Н могут быть радиоактивными Hydrogen имеет три изотопа, которым присвоены собственные названия: 1H – протий (Н), 2H – дейтерий (D), и 3H – тритий (T). Последний является радиоактивным и применяется в энергетической и военной индустриях. В природе тритий синтезируется в верхних слоях атмосферы. В процессе распада он превращается в изотоп гелий-3 с освобождением электрона и антинейтрино.В промышленных условиях тритий получают, облучая изотоп литий-6 нейтронами в ядерных реакторах. Период полураспада радиоактивного вещества составляет 12,3 года.
В зависимости от внешних условий Н может быть жидким, твердым или газообразным Интересный факт про водород – он может находиться в нескольких агрегатных состояниях. В обычных условиях, при средних температурах окружающей среды он наиболее часто встречается в виде газа – Н2. Температур плавления химического элемента составляет -259,14 С. В этом случае он переходит в жидкое состояние, что очень удобно для его транспортировки (поскольку газ занимает больше места). Также, жидкий Н используют в качестве составляющей для ракетного топлива.
Находясь под воздействием высокого давления, Hydrogen переходит в твердое состояние – металлический водород. Считается, что подобное вещество входит в состав планет «газовых гигантов». Однако, это утверждение пока остается только гипотезой. Водород использовали в качестве наполнителя для воздушных шаров.Поскольку Hydrogen имеет более легкий вес, чем воздух, его применяли для летательных аппаратов – дирижаблей и воздушных шаров. Однако, от этого вида наполнителя пришлось отказаться в связи с его высокой взрывоопасностью. Принято считать, что эра дирижаблей закончилась после катастрофы лайнера «Гинденбург» в 1937 году в Лейкхерсте. Тогда погибло 36 человек (35 на борту и один на земле).
При создании летательного аппарата «Гинденбург» немецкие конструкторы учитывали, что в нем мог использоваться гелий – более безопасный газ. Но, в те времена необходимыми запасами гелия владели США, где он был запрещен для экспорта. В результате «Гинденбург» был наполнен более дешевым водородом. Крушение дирижабля произошла во время посадки. Дирижабль воспламенился на глазах у публики, а весть о катастрофе быстро разлетелась по всему миру. Это окончательно погубило репутацию дирижаблей как безопасного вида транспорта.
Первая водородная бомба
К XX веку человечество осознало, что Hydrogen можно использовать не только в мирных целях. Во время гонки вооружений в период холодно войны советские и американские ученые стремились превзойти друг друга в военной промышленности. Они создавали оружие со значительной поражающей мощностью на основании водородного изотопа дейтерия. Термоядерная реакция возникает во время синтеза легких газов в тяжелые: во время этого процесса высвобождается огромное количество энергии. Первые испытания термоядерного заряда проводились в США 1 ноября 1952 года. По сути, устройство не являлось бомбой, а представляло лабораторный прототип. Спустя год, 12 августа 1953, в СССР продемонстрировали уже полностью готовую к эксплуатации водородную бомбу РДС-6с.
Водородная бомба
Взрыв водородной бомбы
Этот вид оружия имел огромную разрушительную силу. Мощность его взрыва превышала возможности ядерного оружия. При этом считалось, что количество ядерных осадков от него значительно меньше. В процессе дальнейших исследований было выяснено, что все зависит от типа выбранной реакции. Если в изделие включается термоядерный заряд с использованием урана-238 (радиоактивный нуклид урана), то мощность бомбы возрастет в пять раз, в количество радиоактивных осадков увеличится в 10 раз. Никель-водородные батареи используются для космических аппаратов.Водород также активно используется в космосе. Аккумуляторы на его основе обладают хорошей производительностью и длительным сроком эксплуатации (около 15 лет). Никель-водородный аккумулятор часто применяется в космических проектах.
Например, батареи данного вида были установлены на беспилотной исследовательской станции «MarsGlobalSurveyor» – один из наиболее успешных проектов НАСА по исследованию Марса. Никель-водородными батареями оснащены спутники, МКС, космический аппарат «Марс Одиссей», телескоп Хаббла. Интересный факт: батареи в телескопе были заменены спустя 19 лет после его запуска, что показало наибольшую длительность использования аккумуляторов. Hydrogen – топливо будущего Истощение углеводородных видов топлива, а также их негативное влияние на окружающую среду являются одними из главных причин для поиска альтернативного источника энергии. Водород имеет все необходимые характеристики, чтобы заменить имеющиеся виды топлива. Однако, существует несколько сдерживающих факторов для технологического прорыва. Первые водородные двигатели были изобретены еще в XIX веке. Сегодня множество крупных автомобильных компаний работают над совершенствованием транспорта, работающего на этом топливе. К ним относятся BMW, Audi, Ford, Nissan, Toyota, Honda и пр. В ограниченной серии уже выпущены легковые автомобили BMW Hydrogen 7, Mazda RX-8 Hydrogen RE, Audi A7 h-tronquattro. Перевозкой пассажиров занимаются автобусы Ford E-450 и Mercedes-BenzCitaro, поезд CoradiaiLint компании Alstom. Корпорация BoeingCompany также работает над созданием самолета с использованием водородных топливных элементов.
Тем не менее, в работе с данным химическим веществом, есть и свои минусы: снижение мощности двигателя до 80-60% в сравнении с бензиновым аналогом; летучесть вещества; возможность его взаимодействия с корпусом автомобиля, что значительно увеличивает износ материалов; трудности в хранении и транспортировке топлива; сложности при обеспечении безопасного использования (вещество легко воспламеняется). Тем не менее, эти преграды не останавливают прогресс. С каждым годом двигатели и топливные элементы становятся более совершенными. Поэтому можно ожидать, что в недалеком будущем Hydrogen составит серьезную конкуренцию нефти.
Перекись водорода (Н2О2)
Перекись водорода обладает хорошими очищающими и антисептическими свойствами. Раствор 3% Н2О2 широко используется в фармакологии и предназначен для наружного применения в результате нарушения целостности кожных покровов. Он является высокоэффективным средством для обработки некротизированных участков, размягчая ткани и вымывая гной и прочие патологические образования. В то же время, он затормаживает процесс заживления раны, поэтому должен использоваться в разумных мерах. Также, Н2О2 помогает растворить серные пробки в ушах.
Н2О2 является популярным удобрением для комнатных растений. Раствор оказывает положительное воздействие на поврежденные цветки, способствует избавлению от бактерий, ускоряет процесс цветения. Hydrogen активно применяют в пищевой промышленности.В процессе изготовления продуктов питания Н2О2 выступает в роли дезинфектора. Им обрабатывают технологические поверхности, которые непосредственно соприкасаются с пищей. Также, его используют для обработки тетра паков в производстве соков и молочной продукции.
Пищевая водородная добавка Е949, содержащая Н, применяется при производстве продуктов питания для увеличения их срока хранения. Она предотвращает их окисление, поэтому продукты дольше остаются пригодными в пищу. Добавка не наносит вреда организму, поскольку главный ее компонент нетоксичен. При употреблении чрезмерного количества продуктов с содержанием Е949 могут возникать нарушения дыхания.