Водород и его соединения.
Космический водород.
В прошлом и сейчас люди относились и относятся к нашему главному светилу с большим уважением. Его всегда отождествляли с жизнью, защитой, энергией, силой. Но в наше время к этому добавили и результаты научных исследований. А они лишний раз подтверждают, что существование всего живого на Земле связано с процессами, происходящими на Солнце.
Каждую секунду Солнце излучает в окружающее пространство огромную энергию, которая рождается в ходе химической реакции превращения водорода в гелий. При сгорании 1 грамма протонов выделяется энергия в 20 миллионов больше, чем при сгорании 1 грамма каменного угля. В земных лабораториях такую реакцию еще никто не осуществил, она идет при температуре и давлении, существующих лишь в недрах звезд.
Несмотря на то, что происходит регулярное сгорания водорода, составляющего половину массы Солнца, расчеты, а мы будем надеяться, что они верны, показывают, что наше главное светило будет радовать все живое на Земле еще 30 млрд лет.
Итак, около половины всей массы Солнца приходится на водород. В условиях звездных температур (на Солнце около 6000°C) водород существует в виде плазмы. Кроме него, ученые обнаружили на нашем главном светиле еще около 69 химических элементов. Но водород преобладает. Солнечный водород расходуется не только на производство энергии, из него образуются новые химические элементы, а ускоренные протоны выбрасываются в околосолнечное пространство. Этот поток ионизированных частиц долетает от Солнца до Земли за 2-3 суток.
Последнее явление получило название «солнечного ветра». Оно было открыто совсем недавно с помощью искусственных спутников. Оказалось, что особенно сильные порывы этого «ветра» возникают во время хромосферных вспышек (хромосфера – это внешняя оболочка Солнца и других звезд толщиной около 10000 км). Достигнув Земли, поток протонов захватывается ее магнитным полем, вызывая полярные сияния, магнитные бури,нарушая радиосвязь, а для космонавтов «солнечный ветер» представляет серьезную опасность.
Хромосферные вспышки или просто солнечные вспышки – это внезапные и кратковременные (от нескольких минут до нескольких часов) увеличения яркости в хромосфере Солнца. Они являются наиболее мощным проявлением солнечной активности. Эти вспышки сопровождаются выбросом огромного количества энергии и заряженных частиц.
Необходимо упомянуть, что водород является самым распространенным элементом во Вселенной, на его долю приходится около 87 % всех атомов, около 11,3% составляют атомы гелия и только 0,1% атомов остальных элементов. Таким образом, водород - основная составная часть всех звезд и межзвездного пространства, где он существует в виде атомов, молекул и ионов, может образовывать молекулярные облака различные по плотности и температуре.
Водород на Земле.
Сейчас в земной коре на каждые 100 атомов элементов приходится 17 атомов водорода, массовая доля водорода в земной коре 1%, он занимает десятое место по распространенности. Тем не менее свободного водорода Н2 на Земле практически нет, он входит в состав воды, минералов, угля, нефти, газа, живых существ... Только вулканические газы иногда содержат немного свободного водорода, который рассеивается в атмосфере. А так как средняя скорость теплового движения молекул водорода из-за малой массы чрезвычайно велика, близка ко второй космической скорости, то из слоев атмосферы эти молекулы улетают в космос.
Но если Земля теряет водород, разве она не может получать его из того же космоса с помощью « солнечного ветра»? В атмосфере Земли, как мы знаем есть свободный кислород, который реагируя с водородом образует воду. Эту реакцию мы уже знаем из темы о кислороде:
2Н2 + О2 → 2Н2О
Эта реакция горения водорода, т.е. для ее проведения нужна высокая температура до 2800°C. Но разве во время гроз не появляется огромная энергия, могущая превратить водород и кислород в так необходимую нам воду?
Исходя из расчетов, масса водорода, содержащегося в воде всех морей, океанов, озер и рек точно равна массе протонов , занесенных «солнечным ветром» за всю историю Земли. Что это, простое совпадение? Или может быть вода, которая нам так необходима для жизни образовалась из «космического» водорода?
Физические свойства водорода.
При стандартной температуре и давлении водород - бесцветный газ, не имеющий вкуса и запаха, нетоксичный, плохо растворим в воде. С некоторыми газами - кислородом, хлором, фтором образует взрывоопасные смеси. Если бы второй компонент воздуха азот был бы заменен водородом, мы бы этого не заметили, на качестве дыхания всего живого этого бы не отразилось. Но природа мудра. Водород и кислород при смешивании образуют гремучую смесь, во время грозы или при других обстоятельствах происходили бы огромные взрывы, что нанесло бы непоправимый ущерб всему живому, поэтому вторым компонентом воздуха природа выбрала азот.
Температура кипения -253°C. Жидкий водород - бесцветная жидкость, легкая и текучая, существует в очень узком интервале от -253°C до -259°C. Он используется в в качестве ракетного топлива. Твердый водород получается при охлаждении ниже температуры -259°C, он представляет собой снегоподобную кристаллическую массу. Сжатый под чудовищным давлением водород, принявший металлизированную форму, может быть намагничен.
Водород растворим в этаноле и ряде металлов - железе, никеле, платине, палладии, титане, но совершенно не растворим в серебре.
Открытие водорода.
Водород впервые получил Парацельс, погружая железные опилки в серную кислоту в 16 веке.
Французский химик Антуан Лавуазье совместно с инженером Жаном Менье в 1783 году осуществил синтез воды из водорода (как его называли тогда горючий газ) и кислорода, используя специальные газометры. А позже провели и анализ воды, разложив водяной пар раскаленным железом. Таким образом они установили, что горючий газ входит в состав воды и может быть из нее получен. Лавуазье дал водороду и название «hydrogène», в переводе с греческого «рождаю воду». Русское название «водород» предложил химик Михаил Соловьев в 1824 году. Это перевод с латинского названия hydrogene.
Металлический водород.
С водородом сейчас связаны три надежды: на производство термоядерной энергии, на передачу энергии почти без потерь и как на горючее, безвредное для окружающей среды. И все эти надежды связывают прежде всего с металлическим водородом., т.е. водородом, который представляет собой твердое тело, обладающим высокой электропроводностью и другими свойствами металлов. Компактный металлический водород должен быть удобным водород-топливом. Кроме того, существуют теоретические предпосылки, согласно которым металлический водород может существовать и при обычной температуре, оставаясь при этом сверхпроводником. Первое сообщение о получении металлического водорода было опубликовано еще в 1975 году, работы продолжаются.
Применение водорода.
В среднем человечество потребляет около 75 миллионов тонн водорода ежегодно. Большую его часть поглощают производство аммиака и нефтяная промышленность.Трудно перечислить все области применения водорода. Это и производство аммиака, который потом направляется в другие области промышленности, это нефтепереработка, металлургия и стекольная промышленность, пищевая отрасль без него не обходится, производство полупроводников, топливо в двигателях автомобилей, автобусов и многое другое. Состоящие преимущественно из водорода газовые гиганты могут стать неисчерпаемым запасом топлива в будущем. Например, Юпитер и Сатурн.
Водород и транспорт.
В Германии с 2017 года на некоторых маршрутах появились необычные поезда производства компании Alstom, они оснащены водородными двигателями.
В настоящее время несколько компаний разрабатывают модели автомобилей с водородными двигателями. Некоторые (Mercedes-Benz, BMW, Toyota и другие) уже приступили к выпуску таких автомобилей и даже автобусов.
В Праге с 14 июля 2023 года впервые на городскую трассу вывели автобус номер 170 марки «Шкода» на водородном двигателе. Это эксперимент, рассчитанный на два года. Предполагается, что расход водорода может составить около 10 килограммов на 100 километров. Если емкость водородного бака составит более 35 килограммов, автобус сможет проезжать от 300 до 350 километров в день, и его не придется заправлять несколько раз в день. Скорость движения автобуса 80 километров в час. Водители, обслуживающие автобус обязаны были пройти специальный курс обучения. В пражском районе Баррандов была установлена и водородная заправка.
Постепенно по всей Чешской Республике строятся все больше водородных заправочных станций. Была открыта водородная станция в Литвинове. Планируется построить еще одну в Праге, а также в Брно и Остраве. Страна постепенно будет покрыта водородом, так как это энергия и топливо будущего.