Водород

В 1766 г. английский химик Г. Кавендиш собрал вытесняемый металлами из кислот «горючий воздух», исследовал его свойства. Но лишь 15 лет спустя было доказано, что этот «воздух» входит в состав воды, и дано ему название «гидрогениум», т. е. «рождающий воду», «водород».

На долю водорода на Земле, включая воду и воздух, приходится около 1 % по массе. Это весьма распространенный и жизненно важный элемент. Он входит в состав всех растений и животных, а также самого распространенного на Земле вещества — воды.

Водород — самый распространенный элемент Вселенной. Он стоит в начале длинного и сложного процесса синтеза элементов в звездах.

Солнечная энергия — основной источник жизни на Земле. А первооснова этой энергии — термоядерная реакция, происходящая на Солнце в несколько стадий. Результат ее — образование из 4 ядер водорода — протонов одного ядра гелия и двух позитронов. При этом выделяется огромное количество энергии.

Человеку удалось воспроизвести на Земле не очень точное подобие главной солнечной реакции. В земных условиях мы можем заставить вступить в такую реакцию только тяжелые изотопы водорода ²Н — дейтерий и ³Н — тритий. Обычный же водород с атомной массой 1 — протий — нам в этом смысле неподвластен. Управляемый термоядерный синтез как безграничный источник мирной энергии пока недоступен человеку.

В периодической системе элементов водород занимает особое место. Это элемент, с которого начинается периодическая таблица Менделеева. Он обычно стоит в I группе над литием. Потому что у атома водорода всего один валентный электрон (и вообще один электрон). Однако в современных изданиях таблицы Менделеева водород помещают также в VII группе над фтором, так как у водорода находят общее с галогенами. К тому же водород способен давать соединения с металлами — гидриды. Практически из них наиболее важно соединение лития с тяжелым водородом дейтерием.

У изотопов всех элементов основные физические и химические свойства практически индентичны. Но у изотопов водорода — протия, дейтерия и трития — они отличаются довольно сильно. Например, температура кипения протия, дейтерия и трития различаются на несколько градусов. Поэтому изотопы водорода разделить легче, чем изотопы любого другого элемента.

Водород — бесцветный газ, без вкуса и запаха. Он самый легкий из всех газов, в 14,4 раза легче воздуха. Водород становится жидким при —252,6° С и твердым при —259,1° С.

В обычных условиях химическая активность водорода невысока, он реагирует с фтором, иодом и хлором. Но при повышенной температуре водород взаимодействует с бромом, иодом, серой, селеном, теллуром, а в присутствии катализаторов — с азотом, образуя аммиак NH3. Смесь 2 объемов Н2 и 1 объема O2 — ее называют гремучим газом — при поджигании сильно взрывается. Водород горит в кислороде несветящимся пламенем, образуя воду.

При высокой температуре водород способен «изъять» кислород из молекул многих соединений, в том числе из большинства оксидов металлов. Для химика водород — это прежде всего великолепный восстановитель, правда пока еще довольно дорогой. Да и работать с ним непросто. Поэтому в промышленных масштабах восстановление водородом (например, металлов из оксидов) применяется весьма ограниченно.

Водород широко используют в процессе гидрогенизации — превращения жидких жиров в твердые, например для получения из растительных масел пищевого маргарина, а также в ряде химических синтезов. Крупнейшими потребителями водорода в химической промышленности до сих пор остаются производства аммиака и метилового спирта.

Все больший интерес в наши дни проявляют к водороду как к источнику тепловой энергии. Действительно, при сгорании чистого водорода выделяется значительно больше тепла, чем при сжигании такого же количества любого горючего. Появились даже конструкции автомобилей на водородном топливе. В большинстве из них источником водорода служат твердые гидриды некоторых металлов, которые при определенных условиях прочно удерживают связанный с ними водород. Но стоит эти условия изменить, например повысить температуру сверх какого-то, обычно довольно невысокого, порога, и водород начинает выделяться в устройство, заменяющее такой машине карбюратор. Конечно, на пути создания массового водородного автомобиля еще стоят многие технические трудности. Но, видимо, они будут преодолены достаточно скоро, так как такое топливо энергетически выгодно. К тому же при сжигании водорода не образуется вредных примесей, загрязняющих атмосферу, а получается только чистая вода.