Водород

«Водород представляет пример газа, на первый взгляд не отличающегося от воздуха. Оттого не-мудрено, что Парацельс, открывший, что при действии некоторых металлов на серную кислоту получается воздухообразное вещество, хорошо не определил его отличия от воздуха. Действительно, водород бесцветен и не имеет запаха, так же как и воздух; но, при ближайшем знакомстве с его свойствами, этот газ оказывается совершенно отличным от воздуха.»

Д. И. Менделеев.

Водород — единственный элемент, изотопы которого имеют свои названия: ¹Н — протий (от греч. protos — первый), ²Н (D) — дейтерий (от греч. deuteros — второй), ³Н (Т) — тритий (от греч. tritos — третий). Содержание дейтерия в природном водороде не-постоянно: от 0,0011 до 0,0016%.

Тритий радиоактивен (период полураспада 12,3 года), он образуется в верхних слоях атмосферы под действием космического облучения. В дождевой воде на 1 атом ³Н приходится примерно 1018 (квинтиллионов) атомов ¹Н.

Плотность водорода при нормальных условиях 0,090 г/л, это самый легкий газ, он в 14 раз легче воздуха.

При сильном охлаждении водород становится жидким, а затем твердым. Темпера-тура плавления водорода –259,1 °С, температура кипения –252,9 °С. Жидкий водород — самая легкая жидкость, 1 литр ее весит всего 67 г (при температуре –250 °С), а твердый водород — самое легкое твердое вещество: его плотность 0,076 г/см³. Растворимость водорода в воде при 20 °С 18,2 мл/л. Водород хорошо растворяется в никеле, платине и палладии. Проникают молекулы Н₂ через многие материалы. Поэтому резиновый шарик, надутый водородом, «худеет» намного быстрее шарика, надутого воздухом.

Водород очень близок к идеальному газу: при нормальных условиях 1 моль водорода занимает объем 22,42 л, что практически не отличается от теоретического объема для идеального газа (22,4138 л).

В чистом виде водород впервые получил в 1766 г. английский химик и физик Генри Кавендиш (1731—1810). Но задолго до этого образование водорода наблюдал Филипп Ауреол Теофраст Бомбаст фон Гогенгейм, он же Парацельс (1493—1541).

Лавуазье впервые доказал, что вода состоит из водорода и кислорода. В природе водород практически всегда связан с другими элементами, чаще всего с кислородом (например, в воде) и углеродом (в органических соединениях). В виде соединений с углеродом водород входит в состав нефти, природных газов, всех живых организмов. Свободный водород встречается в небольших количествах в вулканических газах, но легкий газ быстро покидает атмосферу, уходя в космическое пространство. В организме среднего человека (70 кг) содержится около 7 кг водорода.

При комнатной температуре водород мало активен и реагирует только с фтором, а на свету — с хлором. В смесях с кислородом и с воздухом водород при содержании более 4,5% образует взрывчатые смеси («гремучий газ»). Взрыв может произойти даже от маленькой искры.

Скорость звука в водороде почти в четыре раза выше, чем в воздухе. Если вдохнуть водород и произнести несколько слов, то звук даже низкого мужского голоса будет неестественно высоким. Однако вдыхать водород небезопасно: в легких он смешается с остатками воздуха и образует взрывчатую смесь. И если при выдохе поблизости окажется огонь…

Именно так случилось с французским химиком, директором Парижского музея науки Жаном Франсуа Пилатром де Розье (1754—1785). Он решил проверить, что будет, если вдохнуть водород; до него никто такого эксперимента не проводил. Он вдохнул этот газ, а затем выдохнул его на огонь свечи, ожидая увидеть вспышку пламени. Однако водород в его легких был смешан с воздухом, и произошел сильный взрыв. «Я думал, что у меня вылетели все зубы вместе с корнями», — писал он впоследствии, очень до-вольный опытом, который чуть не стоил ему жизни.

И все же отчаянная смелость погубила ученого. В ноябре 1783 г. он первый в мире (в сопровождении армейского офицера маркиза д’Арланда) совершил путешествие на воздушном шаре; аэронавты провели в воздухе 25 минут, поднявшись на высоту 1 км и пролетев около 10 км. Розье изобрел шар с двумя оболочками: в одной был водород, в другой (нижней) — горячий воздух. Такая конструкция позволяла экономить дорогой водород. Первый полет прошел благополучно. Однако в июне 1785 г. Розье решил пере-лететь Ламанш, но шар загорелся, и ученый, не достигший и 30-летнего возраста, погиб вместе со своим спутником Пьером Роменом.

К большим жертвам привело воспламенение в мае 1937 г. гигантского немецкого дирижабля «Гинденбург» — в нем было 190 000 кубометров водорода. Тогда погибли 35 человек. После многих несчастных случаев водород в воздухоплавании больше не используют, его заменяют гелием или горячим воздухом.

В промышленности водород получают в основном в реакции метана с водяным па-ром при высоких температурах. Мировое производство водорода составляет около 60 миллионов тонн. Основное его применение — синтез аммиака, который нужен для производства удобрений, взрывчатых и лекарственных средств и многих других веществ. Водородно-кислородное пламя дает температуру выше 2000 градусов, что используют в производстве изделий из кварцевого стекла.

В лабораториях и в промышленности широко используется реакция гидрирования — присоединение водорода к различным соединениям. С помощью гидрирования из жидких растительных масел получают твердые жиры. Восстановление водородом используют для получения рения, вольфрама, молибдена и платиновых металлов из их соединений.

Большие надежды возлагаются на водородную энергетику. Так, в топливных элементах происходит «холодное» горение водорода, энергия которого непосредственно превращается в электрическую энергию. Такой процесс имеет высокий КПД, а его «вы-хлоп» — безвредный водяной пар. Однако широкому распространению водородной энергетики препятствует высокая стоимость производства водорода, трудность и опасность его хранения и транспортировки. Тем не менее уже созданы экспериментальные автомобили и автобусы, работающие на водородных топливных элементах.