Водород: элемент, с которого все начиналось

Во Вселенной в естественном виде существует почти сотня различных химических элементов, комбинации которых составляют всю известную нам материю. Но история нашего мира началась с одного из них — водорода, первого номера в Периодической системе химических элементов Дмитрия Менделеева. Без этого простейшего по своей структуре газа не вспыхивали бы звезды, не существовало бы воды, не смогла бы зародиться жизнь на нашей планете. В этой статье мы подробно поговорим о водороде: узнаем, из чего он состоит, какие свойства проявляет, почему самое распространенное в космосе вещество так сложно получить в чистом виде, как человечество использует водород сегодня и какие надежды возлагает на него в будущем.

Где водород встречается в природе

Если оценивать ситуацию в глобальном масштабе, ни один химический элемент не распространен так же широко, как водород (H). На него приходится порядка 75% массы материи (прим. ред.: в расчет в данном случае не берется темная материя, природа которой ученым неизвестна) и 90% всех атомов во Вселенной. По современным представлениям, вскоре после Большого взрыва вещество было представлено водородом, параллельно с которым в экстремальных условиях молодого мира синтезировалось небольшое количество гелия (He).

Таким образом, водород стал первоначальным «строительным материалом» Вселенной. Поначалу он существовал в виде отдельных атомов, но по мере того как космос остывал, эти атомы начали объединяться парами — делились электронами и образовывали прочную химическую связь. Так зарождались первые молекулы водорода (H2), ставшие основой для всей будущей химии. Коллапсирующие под воздействием гравитации молекулярные облака формировали звезды. В их недрах синтезировался гелий, а затем и более тяжелые элементы, такие как кислород (O) и углерод (C).

Но все же давайте перенесемся из глубин космоса на нашу родную планету. На Земле ситуация выглядит совершенно иначе. По совокупному количеству атомов на долю водорода приходится всего около 17%, а по массе он и вовсе составляет менее 1% всего вещества. Важно отметить, что в природе практически нет чистого молекулярного водорода, однако он достаточно широко представлен в «связке» с другими элементами. При этом распределение водорода по сферам Земли выглядит крайне неравномерно.

Гидросфера. Вода покрывает бо́льшую часть нашей планеты, и именно в молекулах H2O сосредоточен основной массив водорода. В среднем в гидросфере на водород приходится 11,2% массы и 66,6% атомной доли. Биосфера. Ни одна живая клетка не может существовать без водорода. Помимо воды и различных биологических жидкостей, он содержится в ДНК, белках, жирах и углеводах. Водород составляет примерно 10% массы живых организмов и 63% от общего количества их атомов. Литосфера. В составе горных пород и минералов содержится не так уж много связанного водорода. В заметных объемах он представлен в ископаемом топливе: нефти, природном газе и угле. В земной коре водород составляет 0,14% массы и 2,9% количества атомов. При этом считается, что колоссальным «хранилищем» водорода может быть переходная зона мантии, расположенная на глубине от 410 до 670 км. Атмосфера. Встретить водород среди атмосферных газов невероятно сложно. Его молекулы очень легкие и движутся настолько быстро, что гравитация Земли оказывается не в состоянии удержать их. По массе и атомной доле на атмосферный водород приходится 5 * 10-5% и 10-4% соответственно.

Физические и химические свойства водорода

Водород абсолютно заслуженно носит «звание» самого простого химического элемента с самым легким атомом среди всех существующих. Его ядро состоит из одного протона, вокруг которого единственную орбиталь занимает один электрон (прим. ред.: справедливо для основного изотопа в стабильном невозбужденном состоянии). Если мысленно увеличить атом водорода до масштабов футбольного стадиона, протон будет иметь размер горошины, лежащей в центре поля, а электрон — пылинки, летающей по трибунам.

В такой конфигурации электронный слой атома является незаполненным — на нем, согласно законам квантовой физики, могут находиться два электрона. Благодаря этому водород способен отдавать, принимать и делить электроны с другими атомами, то есть вступать в химические реакции и образовывать ионные и ковалентные связи. Молекула водорода — это классический пример одинарной ковалентной связи. Два атома создают общую электронную пару, их орбитали перекрывают друг друга, в результате чего возникает устойчивое и очень прочное соединение.

В стандартных условиях, то есть при комнатной температуре и нормальном атмосферном давлении, водород представляет собой газ. Он полностью прозрачен, не имеет ни цвета, ни запаха, и наши органы чувств попросту не могут обнаружить его. Как мы уже упоминали, водород очень легкий. По плотности он уступает воздуху почти в 15 раз, а потому устремляется в верхние слои атмосферы и далее — в космическое пространство. Водород обладает высокой теплопроводностью, но демонстрирует очень слабое межмолекулярное взаимодействие. Этим объясняются экстремально низкие температуры его фазовых переходов:

температура кипения (переход из жидкого состояния в газообразное): -252,9 °C; температура плавления (переход из твердого состояния в жидкое): -259,2 °C.

Что касается химических свойств водорода, в тех же стандартных условиях он весьма инертен. Однако ситуация кардинально меняется при нагревании, воздействии света или добавлении катализаторов. В случае изменения параметров среды водород получает достаточно энергии, чтобы начать проявлять химическую активность. Он может выступать в качестве восстановителя или окислителя, то есть отдавать или принимать электрон соответственно.

Взаимодействие с кислородом (восстановитель). Смесь водорода и кислорода (O2) в пропорции 2:1 называется гремучим газом (2H2 + O2). При комнатной температуре она остается стабильной, но небольшой искры или контакта с катализатором, например, платиной, достаточно для того, чтобы водород начал отдавать свои электроны. Это приводит к мгновенной детонации и бурному горению, продуктом которого становится обычная вода (2H2 + O2 = H2O). При этом вода может возникать в результате не только горения водорода, но и медленных высокотемпературных химических реакций. Согласно одной из гипотез, в условиях ранней Земли атмосферный водород в течение миллионов лет реагировал с силикатной магмой, богатой соединениями с кислородом. Продуктом этой глобальной реакции стал водяной пар, который конденсировался в океаны по мере остывания нашей планеты. Взаимодействие с галогенами (восстановитель). С галогенами водород реагирует по-разному, в зависимости от их активности. Например, с агрессивным фтором (F2) взрыв происходит даже в темноте и на холоде. Хлор (Cl2) менее активен, и реакция запускается только на свету или при нагревании. А вот при взаимодействии с бромом (Br2) взрыва не будет совсем — реакция протекает плавно и только при постоянном нагреве. Взаимодействие с металлами (окислитель). Сталкиваясь с активными металлами в условиях высокой температуры и без доступа к кислороду или влаге, водород активно забирает их электроны, переходя в редкую для себя отрицательную степень окисления (-1). Это приводит к образованию твердых солеобразных соединений с ионными связями, например, гидрида натрия (NaH) и гидрида кальция (CaH2). Изотопы водорода

Прежде всего давайте вспомним, что такое изотопы. Так называют разновидности одного и того же химического элемента, то есть атомы с одинаковым количество протонов и электронов, но разным количеством нейтронов. Нейтроны не несут электрического заряда и практически не влияют на химические свойства элемента, но из-за них изотопы отличаются по атомной массе и некоторым физическим свойствам, например, стабильности и радиоактивности.

В предыдущем разделе мы говорили о самом распространенном изотопе водорода, на долю которого приходится приблизительно 99,985% всех существующих атомов этого элемента. Обычный водород называется протий и обозначается как 1H (прим. ред.: верхний индекс показывает массовое число, сумму протонов и нейтронов). Говоря о водороде без каких-либо уточнений, ученые и специалисты имеют в виду именно протий. Мы с вами рассмотрим еще два изотопа водорода, которые могут существовать в реальном мире достаточно долго, чтобы участвовать в химических реакциях и физических процессах.

Дейтерий (2H или D) — 1 протон + 1 нейтрон. Благодаря присутствию нейтрона в ядре дейтерий почти в два раза превосходит по массе протий. По этой причине он и получил свое альтернативное название — тяжелый водород. В природе этот изотоп встречается крайне редко, доля его содержания составляет примерно 0,015% от всех атомов водорода. Дейтерий образует тяжелую воду (D2O). Внешне она неотличима от обычной, однако замерзает при 3,8 °C и кипит при 101,4 °C. Тяжелая вода — важнейший компонент ядерной энергетики. В реакторах ее используют как замедлитель нейтронов, помогающий поддерживать управляемую цепную реакцию деления. Тритий (3H или T) — 1 протон + 2 нейтрона. Атомная масса трития примерно в три раза выше, чем у протия, и в науке его часто называют сверхтяжелым водородом. В естественной среде этого изотопа содержится ничтожно мало — на один атом трития приходится 1018 атомов обычного водорода. На Земле он образуется в верхних слоях атмосферы под воздействием космических лучей. Избыток нейтронов делает ядро изотопа нестабильным, а сам атом — радиоактивным. В ходе бета-распада он постепенно превращается в гелий-3 — «облегченный» изотоп гелия с двумя протонами и одним нейтроном. В наши дни искусственно созданный тритий используют в радиолюминесцентных источниках света, а в будущем он должен стать ключевым топливом термоядерной энергетики.

Как получают водород Получение водорода в промышленности

Во всем мире, по усредненным оценкам, ежегодно производится 100 млн тонн водорода, и почти 100% этого объема обеспечивают промышленные методы. Наиболее массовыми среди них являются манипуляции с ископаемым топливом, однако все больше компаний стремятся организовать «чистое», безопасное для окружающей среды производство. Мы с вами поговорим о трех ключевых методах получения водорода в промышленности.

Паровая конверсия метана. Очищенный от примесей метан (CH4) смешивают с водяным паром и нагревают до температур порядка 700 – 1 000 °C. В присутствии никелевого катализатора протекает реакция, в ходе которой образуется смесь водорода и угарного газа (CO). В полученную смесь повторно добавляют водяной пар, но уже при температуре около 300 °C и с другим катализатором. Угарный газ превращается в углекислый (CO2), что сопровождается образованием новых молекул водорода. На финальном этапе смесь пропускают через колонну с адсорбентом, который, будто сито, задерживает все примеси, оставляя на выходе чистый водород. Газификация угля. Этот метод похож на предыдущий, однако вместо метана исходным сырьем служит уголь. Его помещают в реактор, куда также подают кислород, в количествах, недостаточных для полного сгорания. Смесь нагревают до температур 800 – 1 500 °C, в результате чего выделяется угарный газ. В этот же реактор под давлением впрыскивают водяной пар, у которого раскаленный углерод начинает забирать молекулы кислорода. В финале смесь CO и H2 проходит уже знакомые нам этапы: повторное нагревание с водяным паром и очистку адсорбентом. Электролиз воды. Принцип электролиза многие помнят по школьному курсу физики — через воду пропускают сильный электрический ток, который разрывает связи внутри молекул H2O. Промышленную установку заполняют водой и добавляют туда электролит, например, щелочь, в результате чего раствор становится хорошим проводником. Под воздействием электричества на положительном электроде, аноде, молекулы воды отдают свои электроны, что приводит к выделению кислорода. А на отрицательном электроде, катоде, идет обратный процесс — вода принимает электроны, и выделяется водород. Получение водорода в лаборатории

В отличие от огромных заводов, химическим лабораториям не нужны тысячи или даже сотни тысяч тонн водорода. Там газ производят в совсем небольших количествах, а потому на первый план выходят такие факторы как доступная стоимость оборудования и скорость проведения реакций. Чаще всего химики прибегают к методам получения водорода, которые можно разделить на две основные категории.

Взаимодействие металлов с кислотами. Для проведения реакции используют металлы средней активности, например, гранулы цинка (Zn), железа (Fe) или магния (Mg), и растворяют их в разбавленных кислотах — соляной (HCl) или серной (H2SO4). Уже при комнатной температуре в жидкости начинается бурная реакция с выделением пузырьков с водородом. Взаимодействие металлов с водой. Как правило, данный метод предполагает использование очень активных щелочных металлов, таких как калий (K) или натрий (Na). При их взаимодействии с водой также начинает выделяться водород. Важно отметить, что реакция сопровождается выделением большого количества тепла, из-за чего водород может самовоспламениться и взорваться. Поэтому данный метод используют с большой осторожностью, запуская реакции с крошечными кусочками металлов.

Что такое зеленый, серый и голубой водород

В ходе промышленного производства водорода всегда получаются одни и те же бесцветные молекулы H2. Однако экологи и экономисты все же присваивают им определенный «цвет». Он не отражает реальных физических свойств газа, а лишь служит универсальной маркировкой углеродного следа. По этой условной «цветовой палитре» специалисты могут понять, насколько сильно процесс получения водорода связан с выбросами углекислого газа в атмосферу и усилением парникового эффекта.

Черный и коричневый водород производится путем газификации каменного и бурого угля. Это самый «грязный» метод, так как на каждый килограмм полученного водорода в атмосферу выбрасывается до 20 кг CO2. Распространение «темных» разновидностей водорода пытаются ограничить, в том числе с помощью налогов. Однако максимально дешевая себестоимость производства, колоссальные запасы сырья и готовая эффективная инфраструктура тормозят отказ от этого метода. Серый водород производится с помощью паровой конверсии метана. Получать водород из природного газа экологически безопаснее, чем из угля, так как в среднем в атмосферу выбрасывается в два раза меньше CO2. Паровая конверсия также считается недорогим методом, и благодаря своей экономической доступности серый водород обеспечивает до 70% промышленных нужд. Голубой водород также производится из метана, но с использованием технологий улавливания углекислого газа. Технологический «близнец» серого водорода имеет важное отличие — выделяемый в ходе производства CO2 захватывают и закачивают в подземные хранилища, снижая уровень выбросов примерно на 90%. По уровню экологической безопасности голубой водород считается компромиссным вариантом, но все же его производство оставляет углеродный след. Зеленый водород производится с помощью электролиза воды. В этом случае производителям удается достичь нулевого количества выбросов, так как побочным продуктом электролиза является кислород. Важно отметить, что зеленым водород считается в том случае, если электричество для его производства вырабатывается из возобновляемых источников. Если для этих нужд используются атомные электростанции, такой водород обозначают розовым или красным цветом. Для чего используют водород

По объемам целенаправленного промышленного производства водород уступает лишь двум газам, главным компонентам земного воздуха: азоту и кислороду. Пока физики дискутируют о водородной энергетике будущего, водород уже сегодня играет важнейшую роль в самых разных сферах производства. И если представить, что человечество внезапно потеряет доступ к этому газу, оно неизбежно столкнется с голодом, дефицитом бензина и дизельного топлива, а также остановкой множества заводов. Давайте посмотрим, для чего чаще всего используют водород в современном мире.

Химическая промышленность. Более половины всего производимого водорода уходит на единственный процесс — синтез аммиака (NH3). Аммиак необходим для производства азотных удобрений. Водород связывает инертный азот, превращая его в биодоступную форму, в которой он может насыщать истощенную почву. Кроме того, химики используют водород на производстве пластмасс, полиуретана, нейлона и других полимерных материалов. Нефтепереработка. Сырая нефть, добываемая из недр земли, содержит множество примесей, в том числе серу (S). Чтобы очистить будущее топливо от серы, отлично подходит водород. В реакторе под воздействием давления и тепла связь между углеродом и серой ослабевает. Этим «пользуется» водород, который встраивается в цепочку углеводорода и параллельно связывается с серой, что приводит к образованию сероводорода (H2S). Сероводород удаляют из смеси, а затем перерабатывают в чистую твердую серу, которую продают производителям удобрений.

Металлургия. Как мы помним, при взаимодействии с некоторыми металлами водород работает как окислитель, но в случае с их оксидами он выступает в качестве восстановителя. Благодаря этому свойству водород нашел применение в «зеленой» металлургии. Реагируя с железной рудой, например, гематитом (Fe2O3), горячий газ забирает у нее кислород. На выходе остается чистое железо, а вместо углекислого газа побочным продуктом производства становится обычный водяной пар. Электроника. Основой современного процессора или чипа является кремниевая пластина. Когда специалисты обрабатывают кремний (Si), связи между его атомами рвутся. Возникающие свободные валентности работают как «ловушки» для электронов — ток начинает утекать, попутно искажая электрическое поле. Решить проблему помогает отжиг пластин в водородной среде, известный как пассивация. Маленькие атомы водорода легко проникают в структуру кристаллической решетки кремния, «запечатывая» места разрывов. Водород как топливо

Мы привыкли к тому, что для получения энергии необходимо что-нибудь сжечь: дрова, уголь, газ, бензин, — все это может гореть, выделяя тепло. Но, как мы знаем, водород тоже может гореть, и при этом он обладает невероятно высокой теплотой сгорания. Однако инженеры ценят водород не только из-за его горючести, но и за то, что этот газ можно использовать для прямой выработки электричества. Таким образом, водород используют как топливо двумя принципиально разными способами.

Прямое сгорание. Технически водородный двигатель внутреннего сгорания (ДВС) устроен примерно так же, как бензиновый или дизельный. Газ подается в цилиндр, где смешивается с воздухом и поджигается искрой, после чего выделение тепла приводит в движение поршни. Недостаток метода заключается в том, что при высокотемпературном горении выделяются токсичные оксиды азота (NO и NO2). Стоит отметить, что технология горения водорода широко используется в космонавтике. Жидкий водород в связке с жидким кислородом — это классический вид топлива для жидкостных ракетных двигателей (ЖРД), которыми оснащают тяжелые ракеты-носители. Преобразование в электричество. Водород необязательно сжигать в привычном смысле этого слова. Внутри топливного элемента происходит электрохимическая реакция, в ходе которой на аноде молекулы водорода расщепляются. Электроны направляются по внешней цепи, создавая электрический ток, а протоны направляются через мембрану-электролит. Достигая катода, они соединяются с кислородом и электронами из цепи. Таким образом, единственными «выхлопами» этого процесса становятся чистая вода и тепло, которое можно использовать, например, для обогрева салона автомобиля.

Возникает закономерный вопрос, если водородное топливо такое экологичное, почему оно практически не используется? Улицы городов до сих пор не заполнены автомобилями с водородными ДВС, а количество заправочных станций H2 во всем мире исчисляется несколькими сотнями (прим. ред.: для сравнения — только в Москве работает более 1 000 классических топливных АЗС и несколько тысяч точек подзарядки электромобилей).

Главным барьером к использованию водорода является низкий коэффициент полезного действия (КПД) всей цепочки его использования. В отличие от нефти или природного газа, которые уже существуют в природе как источники энергии, чистый водород в природе добыть крайне сложно. Он выступает в роли вторичного энергоносителя, своего рода химического аккумулятора, на производство которого сначала нужно потратить значительные ресурсы.

Даже если мы рассматриваем самый «чистый», зеленый водород, цепочка «от ветряка до колеса» получается крайне неэффективной. Энергия теряется при электролизе воды, сжатии и транспортировке газа, а также внутри самого топливного элемента машины. В результате обычный электромобиль, работающий напрямую от аккумуляторной батареи, суммарно расходует в два–три раза меньше исходной энергии на километр пути, чем водородный транспорт.

Опасен ли водород

В массовом сознании водород воспринимается как опасный газ, и на то есть веские причины. Далеко не последнюю роль в формировании такой «репутации» сыграла катастрофа немецкого дирижабля «Гинденбург», произошедшая в 1937 году. Завершая перелет через Атлантику, цеппелин уже заходил на посадку в американском штате Нью-Джерси, как вдруг в области кормы вспыхнуло пламя. Дирижабль полностью сгорел всего за 34 секунды и упал, унеся жизни 35 человек на борту и одного рабочего на земле. Как показали расследования, трагедия произошла из-за целого комплекса факторов, выстроившихся в трагическую цепочку.

Немецкие инженеры хорошо знали о горючих свойствах водорода и проектировали «Гинденбург» под эксплуатацию с безопасным гелием. Однако из-за эмбарго, введенного США, поставки гелия прекратились, и дирижабль решили заправить водородом, запретив при этом проносить на борт спички и зажигалки. Внутри дирижабля водород надежно хранился в баллонах. Однако при заходе на посадку был совершен резкий маневр, из-за которого лопнул стальной трос, выполнявший функцию внутренней стяжки. Именно этот трос повредил один из баллонов, вызвав утечку — водород начал выходить и скапливаться под обшивкой в хвостовой части «Гинденбурга». Незадолго до планируемой посадки над посадочной базой в Нью-Джерси прошла гроза. Внешняя тканевая обшивка дирижабля сохранила статический заряд, и между ней и корпусом вспыхнула искра, которая и подожгла смесь водорода с воздухом. При этом ткань обшивки была покрыта влагозащитным составом, который поспособствовал более быстрому распространению огня.

Катастрофа «Гинденбурга» оказала колоссальное влияние на разработку правил безопасности водородных технологий. По современным стандартам, топливо может храниться только в сверхпрочных баллонах. Их внутреннюю и внешнюю поверхности изготавливают из негорючих полимеров, а сами баллоны сохраняют целостность при сильных ударах и даже прямых выстрелах. Кроме того, в наши дни транспорт проектируют так, чтобы в случае утечки водород выветривался наружу, а все токопроводящие элементы соединяются в замкнутый контур, что исключает возникновение искры.

Еще больше массовый страх перед водородом укоренился из-за создания в 1950-х годах самого разрушительного оружия в истории — водородной бомбы. Внутри нее происходит реакция неуправляемого термоядерного синтеза. Топливом при этом служит не обычный водород, а его тяжелые изотопы — дейтерий и тритий. Взрыв атомного запала на основе урана или плутония создает внутри бомбы экстремальные условия с температурой в десятки миллионов градусов и давлением в сотни миллионов атмосфер. В этом «аду» ядра изотопов сливаются, образуя гелий, что сопровождается выделением энергии чудовищной силы.

Конечно, в обычных бытовых условиях запуск термоядерного синтеза невозможен. В транспортные баки закачивают исключительно протий. Его ядра физически неспособны вступать во взрывную реакцию синтеза на Земле — необходимую для этого энергию не смогут обеспечить ни пожар в топливном отсеке, ни удар молнии. В современных двигателях водород реагирует с кислородом из воздуха, обмениваясь с ним электронами, тогда как его ядра остаются в целости и сохранности.

Водород и Солнце

В заключение давайте еще раз вернемся к космическим масштабам. В предыдущем разделе мы упомянули, что в земных условиях запустить термоядерный синтез обычного водорода невозможно. Но то, что недостижимо в самых совершенных лабораториях, ежесекундно происходит на Солнце. Ближайшая к нашей планете звезда — это гигантский плазменный шар, 73% массы которого составляет водород. В самом центре сферы поддерживается температура в 15 млн °C, а давление в сотни миллиардов раз превышает земное атмосферное. В условиях колоссальной плотности и жара протоны преодолевают взаимное электростатическое отталкивание, образуя ядра гелия.

Каждую секунду на Солнце 600 млн тонн водорода превращаются в 596 млн тонн гелия. Оставшиеся 4 млн тонн вещества переходят в чистую энергию — световое и тепловое излучение. Короткого импульса такой мощности хватило бы, чтобы моментально испарить все земные океаны. Но, к счастью, наша планета находится на безопасном расстоянии и получает лишь мизерную часть от этого потока. Таким образом, значимость «первого элемента» выходит далеко за пределы нынешних и будущих технологий, ведь во многом благодаря водородному «сердцу» Солнца на Земле существует жизнь.

Интересные факты о водороде На заре своего существования наша планета имела первичную атмосферу из водорода и гелия, такую же, как у Юпитера и Сатурна. Однако удержать ее Земля не смогла — молекулы водорода ускорялись, постоянно превышая критическую отметку в 11,2 км/с, известную как вторая космическая скорость. Этот процесс называется диссипацией атмосферы, и он продолжается до сих пор. Каждые сутки наша планета теряет примерно 250 – 300 тонн водорода. Справедливости ради стоит отметить, что его концентрация восполняется за счет вулканических газов и выбросов метана.

Отдельного упоминания заслуживает поведение водорода в недрах газовых гигантов, все тех же Юпитера и Сатурна. В верхних слоях их атмосфер водород находится в газообразном состоянии, но по мере погружения на глубину с молекулами начинает происходить нечто странное. При сильном сжатии химические связи внутри них разрушаются, и молекулы начинают распадаться на отдельные атомы. Из-за повышения температуры целостность не могут сохранить и атомы — протоны образуют сверхплотную среду, сквозь которую движутся электроны. Астрофизики называют эту среду жидким океаном металлического водорода, который имеет высокую проводимость и генерирует мощнейшие магнитные поля. Ранее мы писали о том, что живые организмы, в том числе и все люди, на 10% по массе состоят из водорода. Но самое поразительное заключается в том, что практически каждый его атом появился на свет 13,8 млрд лет назад. Отдельные ядра сформировались в рамках первичного нуклеосинтеза спустя считанные минуты после Большого взрыва, а через 380 000 лет, в эпоху рекомбинации, они смогли захватить электроны и стать полноценными атомами. Таким образом, наблюдая водород в молекулах воды, белках или нуклеиновых кислотах, мы видим древнейшее вещество во Вселенной. Водород в вопросах и ответах 1. Что такое водород?

Водород — это химический элемент, который в обычных земных условиях представляет собой прозрачный газ без вкуса и запаха.

2. Как обозначается водород?

Водород обозначается латинской буквой H. В свободном виде в природе он существует в виде двухатомных молекул — H2.

3. Какой порядковый номер у водорода?

Водород имеет первый порядковый номер в Периодической системе химических элементов Дмитрия Менделеева, так как имеет самое простое строение среди атомов всех элементов.

4. Почему водород считается самым легким элементом?

Водород является самым легким элементом, потому что ядро его атома состоит всего из одного протона, вокруг которого вращается электрон.

5. Где встречается водород в природе?

На Земле водород чаще всего встречается в связанном виде, в структуре молекул воды, живых клеток и углеводородного топлива. В космическом пространстве из водорода состоят звезды и планеты-гиганты.

6. Есть ли чистый водород на Земле?

Чистый водород в очень небольших количествах содержится в верхних слоях атмосферы, однако из-за своей чрезвычайной легкости он постоянно улетучивается в космос.

7. Почему во Вселенной так много водорода?

Водород — это не только самый простой, но и самый первый во Вселенной элемент. Он сформировался вскоре после Большого взрыва, став основой для зарождающихся звезд и синтеза всех более тяжелых элементов.

8. Как получают водород?

В промышленности водород получают методами паровой конверсии метана, газификации угля и электролиза воды, а в лабораторных условиях его можно получить посредством взаимодействия металлов с кислотами или водой.

9. Для чего используют водород?

Главной сферой применения водорода является химическая промышленность, а именно — производство азотных удобрений и полимерных материалов. Также значительные его объемы используются в процессе нефтепереработки.

10. Горит ли водород?

Да, водород горит, причем с выделением огромного количества тепла. Его пламя может достигать температуры 2 800 °C, оставаясь при этом бесцветным в светлое время суток.

11. Взрывоопасен ли водород?

Водород чрезвычайно взрывоопасен. При смешивании с кислородом в определенных пропорциях он образует гремучий газ, для детонации которого достаточно небольшой искры, даже от статического электричества.

12. Что образуется при горении водорода?

При сгорании водорода выделяется только водяной пар или, в отдельных случаях, капельки жидкой воды.

13. Что такое зеленый водород?

Зеленым водородом называют такой водород, производство которого наносит минимальный ущерб окружающей среде. Его получают методом электролиза воды, а электричество для этого процесса берут из возобновляемых источников энергии.

14. Чем дейтерий отличается от обычного водорода?

Дейтерий — это изотоп водорода, в ядре которого, помимо одного протона, содержится еще и нейтрон. От обычного изотопа, протия, он отличается прежде всего своей массой, из-за чего называется тяжелым водородом.

15. Может ли водород заменить бензин и природный газ?

Технически водород может заменить углеводородное топливо, но это потребует полной перестройки инфраструктуры. Водород превосходит бензин и метан по экологичности и энергоемкости, но для его использования понадобятся специальные сверхпрочные сплавы, новые заправочные станции и двигатели иной конструкции. Тем не менее водород относительно часто используют при эксплуатации тяжелого транспорта: ракет-носителей, самолетов, поездов, автобусов и грузовых автомобилей.

Автор текста Иван Стефанов

Изображение на обложке: Magnific