Водород

Водород находится в самом центре нашей планеты – 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 он 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. И когда его запасы иссякнут, жизнь во Вселенной станет невозможной — и потому, что погаснут солнца, и потому, что не станет воды...

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 он 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 ним 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.

Вот какая история произошла с французским химиком, директором Парижского музея науки Пилатром де Розье (1756–1785). Как-то он решил проверить, что будет, если вдохнуть водород; до него никто такого эксперимента не проводил. Не заметив никакого эффекта, ученый решил убедиться, проник ли водород в легкие. Он еще раз глубоко вдохнул этот газ, а затем выдохнул его на огонь свечи, ожидая увидеть вспышку пламени. Однако водород в легких экспериментатора смешался с воздухом, и произошел сильный взрыв. «Я думал, что у меня вылетели все зубы вместе с корнями», — так Розье характеризовал испытанные ощущения. Впрочем, он остался очень доволен опытом, который чуть не стоил ему жизни.

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 его 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 — 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.

^*Флогистон (от греч. phlogistos — горючий, воспламеняемый) — в истории химии — гипотетическая «сверхтонкая материя» — «огненная субстанция», якобы наполняющая все горючие вещества и высвобождающаяся из них при горении. Термин введён Иоганном Бехером и Георгом Шталем в 1703 году для объяснения процессов горения.