Ученые нашли способ добычи кислорода в космосе. Водород в природе (0,9% в Земной коре) Нахождение водорода в природе

Бесцветный горючий газ без запаха. Плотность водорода при нормальных условиях равна 0,09 кг/м3; плотность по воздуху - 0,07 кг/м3; теплота сгорания-28670 ккал/кг; минимальная энергия зажигания - 0,017 мДж. С воздухом и кислородом образует взрывоопасную смесь. Смесь с хлором (1:1) на свету взрывается; с фтором водород соединяется со взрывом в темноте; смесь с (2:1) - гремучий газ. Пределы взрываемости: с 4 - 75 об. %, с кислородом 4,1 - 96 об. %.

В день, когда его запасы иссякнут, жизнь во Вселенной прекратится. Вещество, без которого жизнь невозможна, «сидит» в самом центре нашей планеты - в ядре и вокруг него, и оттуда «мигрирует» наружу. Этот газ - начало всех начал. Его название - «водород ».
Водород находится 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 водород 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 .
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 . 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 водород 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 водородом 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.
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 водород 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 , 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 водород 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.

В зависимости от назначения технический водород выпускается в сжатом и несжатом виде двух марок:

Водород газообразный марка «А» - используется в электронной, фармацевтической, химической промышленностях, в порошковой металлургии: для осаждения тугоплавких соединений из окислов металлов; при спекании изделий из порошковых материалов, содержащих хром и нержавеющие стали.
- используется в энергетике, электронной, химической, цветной металлургии, фармацевтической промышленности.

На Земле - кислород, в космосе - водород

Во Вселенной больше всего водорода (74 % по массе). Он сохранился со времен Большого взрыва. Лишь незначительная часть водорода успела превратиться в звездах в более тяжелые элементы. На Земле самый распространенный элемент - кислород (46–47 %). Большая его часть связана в форме оксидов, прежде всего оксида кремния (SiO 2). Земные кислород и кремний возникли в массивных звездах, которые существовали до рождения Солнца. В конце своей жизни эти звезды взрывались сверхновыми и выбрасывали в космос образовавшиеся в них элементы. Конечно, в продуктах взрыва было много водорода и гелия, а также углерода. Однако эти элементы и их соединения обладают большой летучестью. Вблизи молодого Солнца они испарялись и давлением излучения выдувались на окраины Солнечной системы

Десять самых распространенных элементов в Галактике Млечный Путь *

* Массовая доля на миллион.

Астрофизики знают, что для звездообразования необходимо топливо. Современная теория гласит, что реки водорода — известные как «холодные потоки» — могут быть своего рода переправами водорода через межгалактическое пространство и, следовательно, подпитывать процесс звездообразования.

Спиральные галактики, как наш Млечный Путь, как правило, имеют довольно спокойный, но устойчивый темп звездообразования. Другие галактики, такие как NGC 6946, которая находится примерно в 22 млн. световых лет от Земли на границе созвездий Цефея и Лебедя, гораздо более активны в этом плане. Это поднимает вопрос о том, что является питательной средой для устойчивого формирования звезд в этой и аналогичных ей спиральных галактиках.

Предыдущие исследования ближайшего галактического пространства вокруг NGC 6946 с телескопа WSRT в Нидерландах выявили протянутое гало водорода. Однако, холодный поток мог быть сформирован водородом совсем из другого источника — газом из межгалактического пространства, который никогда не нагревался до высоких температур процессом рождения звезд.

Используя Green Bank Telescope (GBT), Пизано удалось обнаружить свечение, испускаемое нейтральным водородом, соединяющим NGC 6946 с его космическими соседями. Этот сигнал был просто ниже порога обнаружения других телескопов, но уникальные возможности GBT позволили ученому обнаружить это слабое излучение.

Астрономы уже давно предположили, что крупные галактики могут получать постоянный приток холодного водорода с помощью его откачки с других менее массивных компаньонов.

Дальнейшие исследования помогут подтвердить природу этого наблюдения и помогут пролить свет на возможную роль, которую холодные потоки играют в эволюции галактик.

Обобщающая схема «ВОДОРОД»

а) Положение в ПСХЭ

• порядковый номер №1
• период 1
• группа I (главная подгруппа «А»)
• относительная масса Ar(Н )=1
• латинское название Hydrogenium (рождающий воду)

б) Распространённость водорода в природе

в) Валентность водорода в соединениях

II . Водород – простое вещество (Н 2)

Получение

Нахождение водорода в природе.

Водород широко распространен в природе, его содержание в земной коре (литосфера и гидросфера) составляет по массе 1%, а по числу атомов 16%. Водород входит в состав самого распространенного вещества на Земле - воды (11,19% Водорода по массе), в состав соединений, слагающих угли, нефть, природные газы, глины, а также организмы животных и растений (то есть в состав белков, нуклеиновых кислот, жиров, углеводов и других). В свободном состоянии Водород встречается крайне редко, в небольших количествах он содержится в вулканических и других природных газах. Ничтожные количества свободного Водорода (0,0001% по числу атомов) присутствуют в атмосфере. В околоземном пространстве Водород в виде потока протонов образует внутренний ("протонный") радиационный пояс Земли. В космосе Водород является самым распространенным элементом. В виде плазмы он составляет около половины массы Солнца и большинства звезд, основную часть газов межзвездной среды и газовых туманностей. Водород присутствует в атмосфере ряда планет и в кометах в виде свободного Н 2 , метана СН 4 , аммиака NH 3 , воды Н 2 О, радикалов. В виде потока протонов Водород входит в состав корпускулярного излучения Солнца и космических лучей.

Существуют три изотопа водорода:
а) легкий водород – протий,
б) тяжелый водород – дейтерий (D),
в) сверхтяжелый водород – тритий (Т).

Тритий неустойчивый (радиоактивный) изотоп, поэтому в природе он практически не встречается. Дейтерий устойчив, но его очень мало: 0,015% (от массы всего земного водорода).

Валентность водорода в соединениях

В соединениях водород проявляет валентность I .

Физические свойства водорода

Простое вещество водород (Н 2) – это газ, легче воздуха, без цвета, без запаха, без вкуса, t кип = – 253 0 С, водород в воде нерастворим , горюч. Собирать водород можно путем вытеснения воздуха из пробирки или воды. При этом пробирку нужно перевернуть вверх дном.

Получение водорода

В лаборатории водород получают в результате реакции

Zn + H 2 SO 4 = ZnSO 4 + H 2 .

Вместо цинка можно использовать железо, алюминий и некоторые другие металлы, а вместо серной кислоты – некоторые другие разбавленные кислоты. Образующийся водород собирают в пробирку методом вытеснения воды (см. рис. 10.2 б) или просто в перевернутую колбу (рис. 10.2 а).

В промышленности в больших количествах водород получают из природного газа (в основном это метан) при взаимодействии его с парами воды при 800 °С в присутствии никелевого катализатора:

CH 4 + 2H 2 O = 4H 2 +CO 2 (t, Ni)

или обрабатывают при высокой температуре парами воды уголь:

2H 2 O + С = 2H 2 + CO 2 . (t)

Чистый водород получают из воды, разлагая ее электрическим током (подвергая электролизу):

2H 2 O = 2H 2 + O 2 (электролиз).