Водород и Вселенная

 

Первая или  седьмая?

Какое место должен занимать водород в периодической системе? Казалось бы, нелепый вопрос: конечно, первое! Да, но в какую группу его  поместить? Долгое время водород  располагали над литием, поскольку  у него один валентный электрон, как и у всех одновалентных  металлов. (Кстати, и теплопроводность водорода для газа необычайно велика – молекулы водорода движутся значительно быстрее молекул других газов и поэтому интенсивнее переносят тепло.)  
В современной таблице элементов водород помещают в VII группу, над фтором. Дело в том, что логика закона периодичности требует, чтобы заряд ядер элементов-аналогов первых трех периодов различался на восемь единиц; поэтому водород (порядковый номер 1) нужно рассматривать как аналог фтора (порядковый номер 9), а не как аналог лития (порядковый номер 3). И все же нужно помнить, что аналогия тут не полная: хотя водород, как и фтор, способен давать соединения с металлами (гидриды), ион водорода – это протон, голая элементарная частица, и его вообще нельзя сравнивать ни с какими другими ионами.  

 

Щелочь или  кислота?

Вещества, отщепляющие в  растворах ион водорода, протон, называются кислотами, а присоединяющие этот ион – щелочами. Концентрация протонов характеризует реакцию  среды: в 1 л нейтрального водного раствора, как и в 1 л чистой воды, содержится 10^–7 грамм-ионов водорода; если концентрация протонов выше, среда приобретает кислую реакцию, а если ниже – щелочную. (Логарифм этой концентрации, взятый с противоположным знаком, – «водородный показатель», или рН.)  
Однако следует помнить, что свободных протонов в водных растворах нет и не может быть: ядро атома водорода настолько мало, что оно как бы внедряется в электронную оболочку воды и образует особое соединение – ион оксония:  
Н⁺ + Н₂О → Н₃О⁺.  
Впрочем, дело тут обстоит скорее наоборот – не ион оксония образуется потому, что протон отщепляется от кислоты, а кислота диссоциирует потому, что образуется ион оксония. Поэтому схему диссоциации, скажем, хлористого водорода, следует записать так:  
HСl + H₂О → H₃О⁺ + Сl^–.  
Это значит, что вода при растворении в ней хлористого водорода ведет себя как щелочь (она присоединяет протон); если же в ней растворяется, например, аммиак, то вода выступает уже в роли кислоты:  
NH₃ + Н₂О → NH₄⁺ + ОН^–.  
Одним словом – все в мире относительно…  

 

Чудеса окклюзии

Представьте себе такой опыт. В приборе для электролиза  воды катод изготовлен в виде пластинки. Вы включаете ток, и… пластинка сама собой начинает изгибаться! Секрет этого фокуса заключается в том, что пластинка изготовлена из палладия и с одной стороны  покрыта слоем лака. При электролизе  на не лакированной стороне пластинки  выделяется водород и тотчас же растворяется в металле; а так как при  этом объем палладия увеличивается, то возникает усилие, изгибающее пластинку.  
Но подождите, – скажете вы, – разве газы растворяются в металлах? Вообще говоря, в этом явлении, называемом окклюзией, нет ничего удивительного. Удивительно другое: в одном объеме палладия растворяется до 850 объемов водорода! Это немногим меньше того количества аммиака, какое может раствориться в одном объеме воды, – а уж какой газ растворяется в воде лучше! Водород же растворяется в воде очень слабо – около 0,02 объема на объем воды.  

 

In statu nascendi

При сгорании водорода в  чистом кислороде развивается температура  до 2800 °C – такое пламя легко плавит кварц и большинство металлов. Но с помощью водорода можно достичь и еще более высокой температуры, если использовать его не как источник, а как переносчик и концентратор энергии.  
Вот как это делается. Струю водорода пропускают через пламя вольтовой дуги. Под действием высокой температуры его молекулы распадаются, диссоциируют на атомы, поглощая большое количество энергии. Образовавшийся атомарный водород соединяется в молекулы не мгновенно: ведь атомы должны прежде отдать запасенную энергию. И если струя атомарного водорода направлена на какую-нибудь твердую поверхность, то именно на ней и происходит соединение атомов в молекулы: выделяется энергия диссоциации, и температура поверхности повышается до 3500…4000 °C. С помощью такой атомарно-водородной горелки можно обрабатывать даже самые тугоплавкие металлы.  
Атомарный водород рождается не только в пламени дуги: он образуется даже при реакции кислот с металлами. В момент своего о выделения (по латыни – in statu nascendi) водород обладает повышенной активностью, и химики используют его для восстановления органических веществ.  

 

Сколько всего  водородов?

Мы уже говорили о четырех  разновидностях водорода – его изотопах. И все же в природе существует гораздо больше разных «водородов», если говорить не только об атомах этого  элемента, но и о его молекулах. Дело в том, что при нормальных условиях молекулярный водород представляет собой смесь двух необычных изомеров – так называемых орто- и пароводорода, которые отличаются ориентацией магнитных моментов ядер составляющих их атомов. У ортоводорода эти моменты имеют одинаковую ориентацию, а у пара водорода – противоположную; орто- и параизомеры отличаются и своими физическими свойствами. А так как подобные же изомеры есть и у дейтерия, и у трития и так как могут существовать молекулы HD, НТ и DT, каждая из которых тоже, по-видимому, может существовать в виде орто- и параизомеров, то это значит, что существует двенадцать разновидностей молекулярного водорода.  
Но и это еще не все. Не так давно ученым удалось получить антиводород – атом, построенный из антипротона и позитрона, а вслед за ним в ускорителях высоких энергий были получены ядра антидейтерия и антитрития. А еще есть мезоатомы, в которых протон или электрон заменены тем или иным мезоном. Их тоже можно рассматривать как своеобразные изотопы водорода…  

 

Первый металлический  водород 

С водородом, как мы знаем, сегодня связаны, по меньшей мере три надежды: на термоядерную энергию, на передачу энергии почти без потерь (в сверхпроводящих устройствах при температуре жидкого водорода, а не жидкого гелия) и – как на горючее, безвредное для окружающей среды. И все эти надежды связывают прежде всего с металлическим водородом, т.е. таким водородом, который представляет собой твердое тело, обладающее высокой электропроводностью и другими свойствами металла. Компактный металлический водород должен быть наиболее удобным водородом-топливом. Кроме того, есть теоретические предпосылки, согласно которым металлический водород может существовать и при обычной температуре, оставаясь при этом сверхпроводником.  
Металлический водород пытались (и продолжают пытаться) получить разными способами, подвергая обыкновенный твердый водород статическим или динамическим нагрузкам. Первое сообщение о возможном успехе при решении этой важной и сложной проблемы было опубликовано в феврале 1975 г. группой ученых Института физики высоких давлений АН СССР (во главе с академиком Л.Ф. Верещагиным). Осадив на охлажденные до 4,2°К алмазные наковальни тонкий слой водорода и воздействовав на него очень высоким давлением, наблюдали необычное явление. Электрическое сопротивление водорода уменьшилось в миллионы раз – он перешел в металлическое состояние. Это произошло под статическим давлением порядка 3 млн. атм. Когда же давление начали снижать, то уже примерно при троекратном уменьшении давления (1 млн. атм.) происходил обратный переход водорода из металлического состояния в обычное, диэлектрическое. Впрочем, этот факт исследователи не воспринимали как фатальную неудачу, означающую невозможность существования металлического водорода при нормальном давлении. Они надеются, что металлический водород как-то удастся «закалить» и со временем сделать доступным для ученых разных специальностей. И для техники, видимо, тоже.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                    План:

1. Введение.

2. Водород. Положение элемента  в периодической системе Д.И.  Менделеева.

3. Водород в природе.

4. Получение водорода.

5. Так кто же виноват в нашей  смерти?

6. Водород и Вселенная.

7. Список использованной литературы.

 

 

 

                                 1.Введение.

Водород (Hudrogenium)  был открыт  в первой  половине  XVI  века  немецким

врачом и  естествоиспытателем  Парацельсом.  В  1776  г.  Кавендиш  (Англия)

установил его свойства и указал отличия от других газов. Водород  имеет  три

изотопа: протий №Н, дейтерий ІН или D, тритий іН или Т.  Их  массовые  числа

равны 1, 2 и 3. Протий и дейтерий стабильны, тритий –  радиоактивен  (период

полураспада 12,5 лет). В природных  соединениях дейтерий и протий  в  среднем

содержатся в отношении 1:6800 (по числу атомов). Тритий в природе  находится

в ничтожно малых количествах.

Ядро атома водорода   №Н  содержит  один  протон.  Ядро  дейтерия  и  трития

включают не только протон,  но  и  один,  два  нейтрона.  Молекула  водорода

состоит из двух атомов. Приведем некоторые  свойства, характеризующие атом  и

молекулу водорода:

Энергия                 ионизации                 атома,                  эВ

          13,60

Сродство            атома            к             электрону,             эВ

           0,75

Относительная                                         электроотрицательность

   2,1

 

Радиус                               атома,                               нм

                    0,046

 

Межъядерное          расстояние           в           молекуле,           нм

0,0741

Стандартная энтальпия диссоциации  молекул при 25єС              436,1

 

   2. Водород. Положение водорода  в периодической таблице Д.И.  Менделеева.

 

В  самом  конце  XVIII  и  в  начале  XIХ  века  химия вступила  в   период

установления количественных закономерностей: в 1803 году  был  сформулирован

закон  кратных  отношений  (вещества  реагируют  между   собой   в   весовых

отношениях, кратных химическим эквивалентам), а  в  1814  году  опубликована

первая в  истории  химической  науки  таблица  относительных  атомных  весов

элементов. В этой таблице на первом месте оказался водород, а атомные  массы

других элементов выражались числами, близкими к целым.

Особое положение, которое  с  самого  начала  занял  водород,  не  могло  не

привлечь внимания ученых,  и  в  1841  году  химики  смогли  ознакомиться  с

теорией  Уильяма  Праута,  развившего  теорию  Древнегреческих философов о

единстве мира и предположившего, что все элементы  образованы  из  водорода

как из самого легкого элемента. Прауту  возражал  Й.Я.  Берцелиус,  как раз

занимавшийся уточнением атомных весов: из его опытов следовало, что атомные

веса элементов не находятся  в  целочисленных  отношениях  к  атомному  весу

водорода. Но, возражали  сторонники  Праута,  атомные веса  определены  еще

недостаточно точно и в  качестве  примера  ссылались  на  эксперименты  Жана

Стаса, который в 1840 году  исправил  атомный  вес  углерода  с  11,26  (эта

величина была установлена Берцелиусом) на 12,0.

И все же привлекательную гипотезу Праута пришлось на время оставить:  вскоре

тот же Стас тщательными и не подлежащими  сомнению исследованиями  установил,

что, например, атомный вес хлора  равен 35,45, т.  е.  никак  не  может  быть

выражен числом, кратным атомному весу водорода...

Но вот в 1869 году Дмитрий  Иванович  Менделеев  создал  свою  периодическую

классификацию элементов, положив  в ее основу атомные веса элементов  как  их

наиболее  фундаментальную  характеристику.  И  на  первом  месте  в  системе

элементов, естественно, оказался водород.

С открытием  периодического  закона  стадо  ясно,  что  химические  элементы

образуют единый ряд, построение  которого  подчиняется  какой-то  внутренней

закономерности. И это не могло  вновь не вызвать к жизни гипотезу  Праута,  —

правда, в несколько измененной форме: в 1888 году Уильям Крукс  предположил,

что все элементы,  в  том  числе  и  водород,  образованы  путем  уплотнения

некоторой первичной материи,  названной  им  протилом.  А так как протил,

рассуждал Крукс, по-видимому, имеет очень малый атомный вес,  то  отсюда

понятно и возникновение дробных  атомных весов.

Но вот что любопытно. Самого Менделеева необычайно занимал вопрос: а  почему

периодическая система  должна  начинаться  именно  с  водорода?  Что  мешает

существованию элементов с  атомным  весом,  меньше  единицы?  И  в  качестве

такого элемента в 1905 году  Менделеев  называет...  «мировой  эфир».  Более

того, он помещает его  в  нулевую  группу  над  гелием  и  рассчитывает  его

атомный вес — 0,000001! Инертный газ  со столь  малым  атомным  весом  должен

быть по мнению Менделеева, всепроникающим, а его упругие колебания могли бы

объяснить световые явления...

Увы,  атому  предвидению  великого  ученого  не  было  суждено  сбыться.  Но

Менделеев  был  прав  в  том  отношении,  что  элементы  не   построены   из

тождественных частиц: мы  знаем  теперь,  что  они  построены  из  протонов,

нейтронов и электронов.

Но позвольте, воскликнете вы, ведь протон — это ядро атома водорода.  Значит

Праут был все-таки прав? Да, он действительно был по-своему  прав.  Но  это

была, если можно так выразиться, преждевременная правота, потому  что  в  то

время  ее  нельзя  было  ни  по-настоящему  подтвердить,  ни   по-настоящему

опровергнуть...

Впрочем, сам водород сыграл в  истории развития  научной  мысли  еще  немалую

роль. В  1913  году  Нильс  Бор  сформулировал  свои  знаменитые  постулаты,

объяснившие на  основе  квантовой  механики  особенности  строения  атома  и

внутреннюю сущность  закона  периодичности.  И  теория  Бора  была  признана

потому, что рассчитанный на ее основе спектр  водорода  полностью  совпал  с

наблюдаемым.

 

 

 

                            3. Водород в природе.

 

Водород  встречается в свободном  состоянии на Земле  лишь  в  незначительных

количествах. Иногда он выделяется вместе с другими газами при вулканических

извержениях, а также из  буровых скважин при добычи  нефти.  Но  в виде

соединений водород весьма распространен. Это  видно  уже  из  того,  что  он

составляет девятую часть массы  воды. Водород входит в состав  всех  животных

и растительных организмов, нефти, каменного  и бурого углей, природных  газов

и ряда минералов. На долю водорода из всей массы земной коры, считая воду  и

воздух, приходится около 1%. Однако при  пересчете  на  проценты  от  общего

числа атомов содержание водорода в  земной коре 17%.

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.  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, мало. Однако, вследствие огромности  массы

Солнца, общее количество энергии, генерируемой и излучаемой  Солнцем,  очень

велико. Оно соответствует уменьшению массы Солнца приблизительно на  4  млн.

т в секунду.

 

 

                           4. Получение водорода.

Наиболее старый способ получения  водорода - электролиз  воды,  при  котором,

пропуская постоянный ток, на  катоде  накапливают  водород,  а  на  аноде  -