Урок 17 Бесплатно Водород

На этом уроке мы поговорю о водороде – химическом элементе и простом веществе.

Ты узнаешь о его роли в космосе и в нашей жизни, 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!

У меня есть дополнительная информация к этой части урока!

Закрыть

На водород приходится основная часть межзвездной среды и газовых туманностей.

Он образует атмосферы и тела планет-гигантов Юпитера, Урана, Сатурна, Нептуна.

В виде плазмы водород составляет около 98 % массы большинства звезд.

Конечно, есть звезды особого типа – например, нейтронные, но это уже не химия.

У меня есть дополнительная информация к этой части урока!

Закрыть

Кроме синтеза гелия, в звездах происходит также синтез более тяжелых элементов, но это даёт энергии намного меньше за счёт гораздо меньшего количества таких реакций.

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 с его легкостью- водород, 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.

У меня есть дополнительная информация к этой части урока!

Закрыть

Интересен факт, что в Северном полушарии содержание в атмосфере водорода выше, чем в Южном.

Это связано с тем, что здесь сильно развиты промышленность и транспорт, непременным результатом работы которых является изменение химического состава окружающей среды.

 

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.

У меня есть дополнительная информация к этой части урока!

Закрыть

Учёные отдельно изучали свойства тяжелой воды – D2O– такой воды, в которой присутствует только дейтерий.

Получают тяжелую воду с помощью многократного электролиза обычной воды – в первую очередь разлагается вода, содержащая протий, и остаток постепенно обогащается тяжелой водой.

Тяжелая вода внешне выглядит абсолютно также, но имеет слабый сладковатый вкус!

А также температуру плавления почти 4 градуса. Казалось бы – разница небольшая, но в химии такая разница является значительной.

Также у обычной воды максимальная плотность достигается при +4 °С, а у тяжелой – при +11,6 °С.

Согласитесь, эта разница уже весьма значительна даже на первый взгляд, а не только для химиков.

 

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

Пройти тест
Закрыть тест

Пройти тест и получить оценку можно после входа или регистрации

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.

 

У меня есть дополнительная информация к этой части урока!

Закрыть

Впервые жидкий водород был получен профессором химии Лондонского университета Джеймсом Дьюаром в 1898 г.

Через год последовал новый триумф: был получен твердый водород.

В одной из своих работ Дьюар писал: «Если жидкий водород налить в сосуд с двойными стенками, пространство между которыми наполнено воздухом, то последний немедленно замерзает, и таким образом водород сам себя окружает сильной пустотой».

В наше время такие сосуды называют сосудами Дьюара и широко используют для хранения и переноски жидких газов.

сосуд Дьюара

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.  

У меня есть дополнительная информация к этой части урока!

Закрыть

В 1934 году учёные изучали свойства твёрдого водорода и предположили, что при высоких давлениях твёрдый водород может перейти в металлическое состояние.

И вот совсем недавно, в январе 2017 года, водород в виде стабильного металла был получен!

И хотя был получен образец размером несколько микрометров (микрометр – 10-6метра, или тысячная доля миллиметра), это открывает огромные перспективы – металлический водород становится сверхпроводником уже при –58 °С, а такие температуры уже существуют на Земле в естественных условиях (например, на Северном полюсе и даже в северных регионах России).

Сверхпроводник – металл, который теряет всё внутреннее электрическое сопротивление – способен передавать электричество на любые расстояния без потерь, а это было бы очень и очень полезно для техники.

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:

У меня есть дополнительная информация к этой части урока!

Закрыть

Смесь водорода и кислорода в объемном отношении 2 : 1 называется «гремучий газ» – сила взрыва гремучего газа очень велика.

Но водород легко взрывается не только в смеси с кислородом, но и в смеси с воздухом.

Добавьте сюда тот факт, что из-за малого размера своего атома водород способен в буквальном смысле проходить сквозь стены – запомните, что помещения, где хранятся баллоны с водородом или кислотные аккумуляторы, необходимо проветривать, поскольку в них может накапливаться водород!

При хранении кислотного аккумулятора (когда он не в работе) в нём медленно протекает процесс растворения свинца Pb (катод) и оксида свинца PbO(анод) в серной кислоте H2SO4, и одним из продуктов этих реакций является водород.

Опасность этого процесса состоит в том, что водород не имеет ни вкуса, ни запаха.

Быстро определить его наличие в воздухе можно только с помощью спички, но… если водород есть, то определяющий, к сожалению, может об этом и не узнать... Хмурюсь

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.

Пройти тест
Закрыть тест

Пройти тест и получить оценку можно после входа или регистрации

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 не удивительно – 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.

У меня есть дополнительная информация к этой части урока!

Закрыть

Раньше дирижабли использовали и как средство перемещения гражданских пассажиров и в качестве военного летательного аппарата.

С его помощью можно было практически незаметно подлететь к противнику и скинуть бомбы.

История полетов дирижаблей в прошлом веке была очень трагичной.

 

Так, в апреле 1933 года в США потерпел крушение дирижабль Акрон. Это был один из самых больших и надежных на тот момент дирижаблей.

А всему причина- плохая погода.. Из за сильного ветра Акрон завалился на бок и упал в океан.

Погибло 73 человека...

 

Еще одна катастрофа произошла в 1930 году в Британии. Дирижабль R101 после сильного удара об землю загорелся и взорвался. Погибло 48 человек.

По этим причинам дирижабли в настоящее время распространения не получили.

Однако ученые всесторонне изучают вопрос использования водорода в качестве топлива.

И не удивительно – ведь это будет самое экологически чистое топливо из всех, которые можно себе представить – ведь 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.

Т.е. шарообразные строения, которые вы можете видеть на фотографиях космодромов – это на самом деле хранилища сжиженных газов, в том числе водорода и кислорода.

У меня есть дополнительная информация к этой части урока!

Закрыть

Для газов более удобно употреблять фразу «температура сжижения», однако «температура кипения» с точки зрения химии и физики является более правильным

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 ты уже знаешь, 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, всех сверх нашей жизни.

Пройти тест
Закрыть тест

Пройти тест и получить оценку можно после входа или регистрации

Заключительный тест

Пройти тест