Урок 17 Получить доступ за 75 баллов Водород
На этом уроке мы поговорю о водороде – химическом элементе и простом веществе.
Вы узнаете о его роли в космосе и в нашей жизни, о том, почему люди отказались использовать водород в дирижаблях, можно ли бензобак заменить на водородобак и другие интересные факты.
Химический элемент водород в космосе и на Земле
Если взглянуть на периодическую систему химических элементов, то мы увидим, что на первом месте в ней находится водород Н.
Что такое водород? Это самый простой химический элемент.
Ядро его атома представляет собой один-единственный протон.
Объединившись с электроном, он образует атом водорода.
Именно по причине этой простоты водород составляет 89 % всех атомов вселенной.
В недрах Солнца постоянно происходит термоядерный синтез – превращение ядер атомов водорода в ядра атомов гелия Не.
Этот процесс протекает в несколько стадий и при таких температурах и давлениях, которые невозможно вообразить человеку.
Энергии в этой реакции образуется в 20 млн раз больше, чем при сгорании каменного угля. Это и является основным источником всей энергии, которую излучает Солнце!
На Земле также много водорода. На его долю приходится около 17 % литосферы, в океанах водорода около 1,1 %.
В свободном виде водород встречается крайне редко: в атмосфере его всего 0,00001 %.
Это связано с его очень большой химической активностью. Он легко вступает в химические реакции, а также, попадая в атмосферу в свободном виде, очень легко улетучивается в космос!
Достаточно много водорода содержится в органических веществах: как в живых организмах, так и в продуктах их распада (например, в нефти).
Химический элемент № 1 представлен атомами трех изотопов:
протий 1Н - легкий водород
дейтерий 2Н - тяжелый водород
тритий 3Н или T – сверхтяжелый водород
На 6800 атомов протия в природе приходится 1 атом тяжелого водорода 2Н – дейтерия. Тритий 3Н, или T – сверхтяжелый водород; встречается еще реже, но в природе не является какой-то исключительной редкостью.
Этот атом состоит из одного протона и двух нейтронов.
Такой атом очень неустойчивый, и поэтому тритий радиоактивен.
Ядро атома трития распадается с излучением электрона, который способен вызвать свечение люминофоров, поэтому тритий используется в брелках, которые светятся в темноте.
С радиоактивностью трития связаны определенные предрассудки.
Однако бета-излучение (которое излучает тритий) не проходит даже через стекло или пластмассу.
На ускорителях частиц (аппаратах, работающих по принципу всем известного большого адронного коллайдера) учёные получили изотопы водорода с массовыми числами 4, 5, 6 и 7, но эти атомы существует всего лишь несколько наносекунд.
Изотопам водорода дали свои собственные названия из-за того, что массы их атомов отличаются значительно: в 2 и в 3 раза, а с этим связано значительное различие даже в физических свойствах простых веществ и соединений этих изотопов.
Некоторая информация о водороде как о химическом элементе представлена в таблице:
|
Положение в периодической системе |
№ 1 1 период 1 группа |
|
Символ |
H |
|
Латинское название |
Hydrogenium «рождающий воду» |
|
Валентность |
1 |
|
Степени окисления |
+1, 0, –1 |
Водород как простое вещество
Водород Н – самый легкий из всех газов!
Свойства водорода Н:
- малорастворим в воде
- обладает наибольшей скоростью диффузии среди всех газообразных веществ, т.е. его молекулы быстрее любых иных распространяются в среде другого вещества, будь то керамика или сталь, а также легко проходят почти через любые перегородки
- температуры плавления и кипения водорода очень низки, поэтому получение и хранение жидкого водорода связано с множеством трудностей
Интересно, что для получения твердого водорода сосуд с жидким водородом был помещен в сосуд с жидким воздухом, а пары водорода были откачаны насосом.
Когда давление достаточно снизилось, жидкий водород превратился в прозрачную массу.
Жидкий и твердый водород получают в земных условиях с огромным трудом, но для вселенной это вполне обычные состояния этого вещества! Ученые располагают сведениями о том, что под атмосферой главного гиганта Солнечной системы, Юпитера, находится океан жидкого водорода глубиной много тысяч километров, а под ним ядро, состоящее из твёрдого водорода!
Водород – самый легкий газ, а жидкий водород – самая легкая жидкость: её плотность составляет 0,07 г/см3, это в 14 раз легче воды.
Сравните: литр воды весит 1 кг, а литр жидкого водорода всего 70 граммов!
Из-за крайне малого размера атома водорода он легко растворяется в металлах.
Водород – немного парадоксальное вещество.
Он достаточно химически активен, но в то же время его молекула (H2) очень прочная, и для начала реакции требуется затратить энергию. Однако в ходе большинства реакций с участием водорода эта энергия возвращается с лихвой.
Из-за прочности молекулы водорода при обычных условиях (без дополнительных внешних воздействий) он реагирует только со щелочными металлами и со фтором.
Фтор так вообще выступает в роли великого разрушителя – крушит всё, что попадается на его пути.
Название «фтор» так и переводится с греческого – «разрушающий».
Но мы о водороде.
С другими простыми или сложными веществами водород реагирует только при каком-либо воздействии:
1) С оксидами металлов – при нагревании:
Реакции такого типа используются для получения металлов из оксидов в лабораторных условиях. Для промышленного производства этот способ достаточно дорогой, гораздо дешевле использовать уголь.
2) С кислородом – при пропускании искры:
3) С хлором водород реагирует при воздействии света:
Реакция интересна тем, что смесь водорода и хлора может храниться бесконечно долго, но только в темноте.
Энергии обычного света вполне достаточно для начала реакции. Этот опыт часто демонстрируют в лабораториях.
В два цилиндра набирают водород и хлор. В темноте цилиндры объединяют, сматывают изолентой и обматывают непрозрачной чёрной тканью. Выносят на свет и снимают ткань с помощью привязанной нити.
Достаточно только немного снять ткань, чтобы немедленно произошёл взрыв.
От стеклянных цилиндров в данном случае остаются только осколки, которые приходится собирать за много метров вокруг.
Применение водорода
Герой одного из романов Жюля Верна, Сайрус Смит, говорил: «... наступит день, и вода заменит топливо; водород и кислород, из которых она состоит, будут применяться и раздельно: они окажутся таким неисчерпаемым и таким мощным источником тепла и света, что углю до них далеко». Если будущее ещё и не наступило, то, как видно из этой фразы, мы уже на пороге.
Однако человечество, в первую очередь, обратило внимание на легкость водорода, что неудивительно – это то его свойство, которое первым бросается в глаза.
Впервые водород был использован в 1783 году в качестве наполнителя воздушного шара.
В конце XIX века в Германии были созданы гигантские управляемые дирижабли, наполненные водородом.
Однако при этом люди не учли того, что водород очень легко соединяется с кислородом, причем для этого достаточно самой минимальной искры, которая может возникнуть даже от трения друг об друга кусков ткани (даже металла не требуется).
Из-за этого на дирижаблях произошло несколько катастроф, после чего водород перестали использовать в этом качестве.
Сейчас вместо водорода для подобных целей используют гелий. Он почти такой же легкий, но при этом абсолютно безопасный.
Однако ученые всесторонне изучают вопрос использования водорода в качестве топлива.
И неудивительно, ведь это будет самое экологически чистое топливо из всех, которые можно себе представить, так как при сгорании водорода образуется вода.
Первый полёт с водородом в качестве топлива был совершен в 1988 году советским самолетом ТУ-155.
Баки самолета были заправлены жидким водородом, что представляет определенные трудности.
Температура кипения водорода составляет –253 °С, поэтому во время полёта нужна отличная теплоизоляция, система поддержания высокого давления и правильный подбор материалов, ведь водород способен проходить сквозь стены (причем в прямом смысле).
Но самое главное – водород чрезвычайно огнеопасен!
Однако количество энергии от сгорания водорода в три раза больше, чем от сгорания керосина; при его горении образуется вода, что не наносит никакого вреда окружающей среде.
Поэтому на данный момент в качестве топлива водород используют только для космических ракет.
Шарообразные строения, которые вы можете видеть на фотографиях космодромов, – это на самом деле хранилища сжиженных газов, в том числе водорода и кислорода.
Однако ученые не прекращают поиски способов использования водорода и в нашем повседневном транспорте.
Выяснено, что небольшая добавка водорода к бензину намного повышает энергоотдачу и, следовательно, уменьшает расход топлива и уровень загрязнения.
Топливо – далеко не единственный способ использования водорода.
Из-за своей легкости водород используют в качестве наполнителя метеорологических зондов, чтобы разместить их на определённой высоте.
Водород активно используется в органическом синтезе, например, для улучшения качества нефти, при изготовлении пластмасс.
По этому же принципу с помощью водорода из растительных масел (полиненасыщенных жирных кислот) получают твёрдые жиры (насыщенные жирные кислоты) – этот процесс используется для получения мыла.
В неорганическом синтезе из водорода получают аммиак (как вы уже знаете, из аммиака делают удобрения). И кстати, на получение аммиака уходит около 25 % всего используемого в промышленности водорода.
В некоторых случаях водородом выгоднее восстанавливать металлы из оксидов, чем углём.
Например, при выплавке железа или меди из руды используют уголь (углерод), а вот при получении тугоплавких молибдена, вольфрама, рения и им подобных используется водород.
Это используется также для того, чтобы не загрязнять металл примесью углерода.
Водород широко используют в водородной сварке – температура водородно-кислородного пламени достигает 4000 °C, а это ничем не уступает ацетиленово-кислородной дуге.
Водород в данном случае используют в тех местах, где нельзя использовать ацетилен, например, из-за экологических соображений.
Принцип здесь очень простой – аппарат производит электролиз воды, в результате которого образуется смесь кислорода и водорода в пропорции 1 : 2 – идеальной для получения максимальной температуры пламени.
Учёные ведут активные работы по получению металлического водорода. По расчётам, при определенных усилиях можно получить стабильный металлический водород, который при определенных условиях может оказаться сверхпроводником уже при комнатной температуре.
А это откроет огромные перспективы для бурного скачка в области развития транспорта и энергетики, и как следствие, всей нашей жизни.
В бесплатной версии урока недоступны:
- Видео
- Изображения
- Дополнительная информация
- Таблицы
- Тесты