1 ВОДОРОД 1,0079
Каждую секунду Солнце излучает в космическое пространство энергию, эквивалентную примерно 4 000 000 тонн массы. Эта энергия рождается в ходе слияния четырех ядер водорода (протонов), в ядро гелия. Реакция эта идет в несколько стадий.
Это очень много. Для сравнения: при «сгорании» 1 грамма протонов выделяется в 20 000 000 раз больше энергии, чем при сгорании 1 грамма каменного угля.
На Земле такую реакцию еще никто не наблюдал: она идет при температуре и давлении, существующих лишь в недрах звезд.
Мощность, эквивалентную ежесекундной убыли массы в 4 000 000 тонн невозможно представить: даже при мощнейшем термоядерном взрыве в энергию превращается всего около 1 кг вещества. Но если отнести всю излучаемую Солнцем энергию к его полной массе, то выяснится: удельная мощность Солнца окажется ничтожно малой - намного меньше, чем энергетическая мощность человека.
Солнце, по меньшей мере наполовину состоит из водорода. Всего на Солнце обнаружено 69 химических элементов, но водород - преобладает. Его в 5,1 раза больше, чем гелия, и в 10 000 раз (не по весу, а по числу атомов) больше, чем всех металлов вместе взятых.
В ходе термоядерных процессов из этого водорода образуются новые химические элементы, а ускоренные остатки реакции - протоны - выбрасываются в околосолнечное пространство. Последнее явление получило название солнечного ветра.
Особенно сильные порывы этого «ветра» достигнув Земли, вызывают полярные сияния и нарушают радиосвязь. А для космонавтов «солнечный ветер» представляет серьезную опасность.
Поток ускоренных протонов так же рождает вторичное космическое излучение, достигающее поверхности Земли. Созданные этими потоками магнитные бури могут влиять на процессы жизнедеятельности.
Захваченные магнитным полем Земли протоны водорода из солнечного ветра, не могут не сказываться и на ее массообмене с космосом.
Сейчас в земной коре каждые 17 из 100 атомов - это атомы водорода. Но свободного водорода на Земле практически не существует: он входит в состав воды, минералов, угля, нефти, живых существ...
Лишь вулканические газы иногда содержат немного водорода, который в результате диффузии рассеивается в атмосфере. Но так как средняя скорость теплового движения молекул водорода - из-за их малой массы - очень велика (близка к 2-ой космической скорости) то из слоев атмосферы они тут же улетают в космическое пространство.
Эти факторы являются так же причиной надежды, что возможно именно в диапазоне радиоизлучения межзвездного водорода (21 сантиметр) человечеству однажды удастся связаться с иноземными цивилизациями. Ведь Солнце - лишь заурядная звезда во Вселенной. И существует неисчислимое множество подобных звезд, удаленных от Земли на сотни, тысячи и миллионы световых лет.
Любой атом, за исключением атома водорода, в обычных условиях не может лишиться всех электронов: у него остается хотя бы еще одна электронная оболочка, и эта оболочка, несущая отрицательные заряды, экранирует ядро.
А вот ион водорода - это «голый», положительно заряженный протон. Он может притягиваться к электронным оболочкам других атомов, испытывая при этом не особенно сильное отталкивание от ядра.
Например в молекуле воды, обе валентности атома кислорода насыщены и, казалось бы, между двумя ее молекулами никакой дополнительной связи возникнуть не может. Но когда атом водорода одной молекулы воды приближается к атому кислорода (активной - в данном случае - зоне) другой молекулы, то между протоном водорода и электронной оболочкой кислорода начинает действовать сила дополнительного притяжения, и образуется особая - водородная - связь.
Такие связи раз в 20 слабее обычных, но все же роль их огромна. Многие свойства воды определяются именно необычайно развитыми водородными связями.
Аммиак например, плавится при -77,7°C, фтористый водород при -92,3°C. Следовательно вода вроде бы должна иметь промежуточную температуру плавления около -85°C...
Селенистый водород плавится при -64°C, сероводород при -82,9°C. Следовательно точка плавления воды - как аналогичного производного с меньшим молекулярным весом - должна быть еще ниже...
Но температура плавления воды - почти на 100 градусов! выше предсказанной теоретически. И причина этого - слабые, но многочисленные межмолекулярные водородные связи, которые именно кислород (в силу специфического строения своей электронной оболочки) способен образовывать значительно больше, чем азот, фтор, сера или селен.
Благодаря водородным связям ферменты способны специфически распознавать вещества, реакции которых они ускоряют - белковая цепь каждого фермента имеет строго определенную конфигурацию, закрепленную множеством внутримолекулярных водородных связей между группировками атомов. В свою очередь молекула вещества имеет группировки, способные давать водородные связи с определенным участком (активным центром) молекулы фермента.
В результате внутримолекулярные связи в этом веществе ослабевают и, фермент буквально «раскусывает» молекулу.
Благодаря водородным связям так же происходит точное копирование молекулы ДНК, передающей из поколения в поколение всю генетическую информацию.
Водородные связи определяют специфичность действия многих лекарственных препаратов. Ответственны они и за вкусовые ощущения, и за способность наших мышц сокращаться...
В 1803 году Джон Дальтон сформулировал закон кратных отношений - вещества реагируют между собой в весовых отношениях, кратных их химическим эквивалентам. Тогда же им была составлена первая в истории химической науки таблица относительных атомных весов элементов.
В этой таблице на первом месте оказался водород, а атомные веса других элементов выражались числами, близкими к целым.
С открытием Менделеевым периодического закона, стало ясно что химические элементы образуют единый ряд, построение которого подчиняется какой-то внутренней закономерности.
Одна из задач науки заключается именно в том, чтобы найти закономерность в свойствах элементарных частиц, которых насчитывается уже много десятков.
На практике, химик имеет дело с водородом, прежде всего как с веществом обладающим свойствами идеального восстановителя.
Водород хранят в зеленого цвета баллонах с красной надписью «Водород» и с вентилем с левой (горючий газ!) резьбой. А если баллона нет, то водород можно получать взаимодействием металлов с кислотами. Этот водород не может быть идеально чистым, потому что нужны идеально чистые металл и кислота.
Чистый водород получал еще Лавуазье, пропуская пары воды через раскаленный на жаровне ружейный ствол. Но и этот способ не слишком удобен, хотя в современной лаборатории можно обойтись кварцевой трубкой, наполненной железными стружками и нагреваемой в электропечи.
Электролиз! Дистиллированная вода, в которую для электропроводности добавлено немного серной кислоты (в промышленности в воду добавляют щелочь, а не кислоту - чтобы не разрушалась металлическая аппаратура), разлагается при прохождении постоянного тока. И полученный электролизом водород - почти идеальной чистоты.
Теперь его нужно освободить от мельчайших капелек воды.
Изотопы водорода - дейтерии (2Н или D) и тритий (3Н или Т) - позволяют изучать тончайшие механизмы химических и биохимических процессов. Эти изотопы используют как «метки», потому что атомы дейтерия и трития сохраняют все химические свойства обычного (легкого) изотопа - протия - и способны подменять его в органических соединениях.
При этом дейтерий можно отличить от протия по массе, а тритий - еще и по радиоактивности. Это позволяет проследить судьбу каждого фрагмента меченой молекулы.
Слова «дейтерий» и «тритий» напоминают нам о том, что сегодня человек располагает мощнейшим источником энергии на основе этих изотопов водорода. Энергетическая реакция начинается при 10 000 000 градусов и протекает за ничтожные доли секунды при взрыве термоядерной бомбы, выделяя гигантское (по масштабам Земли) количество энергии.
Водородные бомбы иногда сравнивают с Солнцем. Однако на Солнце, в отличие от Земных взрывов, идут медленные и стабильные термоядерные процессы.
Физические и химические свойства изотопов всех элементов, кроме водорода, практически одинаковы: ведь для атомов, ядра которых состоят из нескольких протонов и нейтронов, не так уж и важно - одним нейтроном меньше или одним нейтроном больше.
А вот ядро атома водорода - это один-единственный протон. И если к нему присовокупить нейтрон - масса ядра возрастет почти вдвое, а если два нейтрона - втрое.
Поэтому легкий водород (протий) кипит при -252,6°C, а температура кипения его изотопов отличается от этой величины на 3,2° (дейтерий) и 4,5° (тритий). Для изотопов это очень большое различие!
Изотопы водорода распространены в природе неодинаково: один атом дейтерия приходится примерно на 7000, а один атом бета-радиоактивного трития - на 1 000 000 000 000 000 000 (квинтиллион - миллиард миллиардов) атомов протия.
Искусственным путем получен еще один, крайне неустойчивый изотоп водорода - 4Н.
Относительная масса легкого изотопа водорода = 1,007276470. Очень трудно соблюсти такую точность, ведь каждая новая цифра требует от экспериментаторов все больших и больших усилий. Но она крайне необходима.
Ядра обычного водорода (протия) - протоны - принимают участие во многих ядерных реакциях. А если известны массы реагирующих ядер и массы продуктов реакции, то пользуясь формулой Е = mc² можно рассчитать ее энергетический эффект. И так как энергетические эффекты даже ядерных реакций сопровождаются лишь незначительным изменением массы, то и приходится эти массы измерять как можно точнее.
Долгое время водород располагали над литием, поскольку у него один валентный электрон - как у всех одновалентных металлов.
Кстати, и теплопроводность водорода необычайно велика для газа - атомы водорода движутся значительно быстрее атомов других газов и соответственно интенсивнее переносят тепло.
В современной таблице элементов водород помещают в VII группу - над фтором. Логика периодичности требует, чтобы заряд ядер элементов-аналогов первых трех периодов различался на 8 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 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.
Вещества, отщепляющие в растворах ион водорода - протон - называются кислотами, а присоединяющие этот ион - щелочами. Концентрация протонов характеризует реакцию среды в целом: в 1 литре нейтрального водного раствора, как и в 1 литре 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 - это «водородный показатель», или рН.
Однако свободных протонов в водных растворах нет и быть не может быть: ядро атома водорода настолько мало, что оно натурально внедряется в электронную оболочку воды и образует особое соединение - ион оксония.
Впрочем причинная связь тут скорее обратная - не ион оксония образуется потому, что протон отщепляется от кислоты, а кислота диссоциирует потому, что образуется ион оксония.
Это значит, что вода при растворении в ней хлористого водорода ведет себя как щелочь (присоединяет протон). Если же в ней растворяется например аммиак, то вода выступает уже в противоположной роли - кислоты
Представьте себе такой опыт. В приборе для электролиза воды катод изготовлен в виде пластинки. Вы включаете ток, и... пластинка сама собой начинает изгибаться!
Секрет в том, что пластинка изготовлена из палладия и с одной стороны покрыта слоем лака. При электролизе на нелакированной стороне пластинки выделяется водород и, тотчас же растворяется в металле. А так как при этом объем палладия увеличивается, то возникает усилие изгибающее пластинку.
В этом явлении, называемом окклюзией, нет ничего удивительного. Удивительно другое: в одном объеме палладия растворяется до 850 объемов водорода! Это немногим меньше количества аммиака (аммиак растворяется в воде лучше многих газов), какое может раствориться в одном объеме воды. Водород же растворяется в воде очень слабо - около 0,02 объема на объем.
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.
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 - сначала атомы должны отдать запасенную энергию.
И если струя атомарного водорода направлена на какую-нибудь твердую поверхность, то именно на ней и происходит соединение атомов в молекулы. При этом выделяется энергия диссоциации, и температура поверхности может повышаться до 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 выделения водород обладает повышенной активностью, и химики используют его для восстановления органических веществ.
В природе существует гораздо больше разных «водородов», если говорить не только об атомах этого элемента, но и о его молекулах - при нормальных условиях молекулярный водород представляет собой смесь двух необычных изомеров - орто- и параводорода - которые отличаются ориентацией магнитных моментов ядер своих атомов.
У ортоводорода эти моменты имеют одинаковую ориентацию, а у параводорода - противоположную.
Орто- и параизомеры отличаются и своими физическими свойствами.
И 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... - это значит, что существует двенадцать разновидностей молекулярного водорода.
Не так давно ученым удалось получить антиводород - атом, построенный из антипротона и позитрона.
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...
С водородом 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);
- на горючее, безвредное для окружающей среды.
И все эти надежды связывают прежде всего с металлическим водородом - представляющим 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.
Первое сообщение о возможном успехе при решении этой проблемы было опубликовано в феврале 1975 года группой ученых Института физики высоких давлений АН СССР. Осадив на охлажденные до 4,2°К алмазные наковальни тонкий слой водорода и воздействовав на него очень высоким давлением, наблюдали как электрическое сопротивление водорода уменьшилось в миллионы раз - он перешел в металлическое состояние.
Это произошло под статическим давлением порядка 3 000 000 атмосфер. Когда же давление начали снижать, то уже примерно при троекратном уменьшении давления (до 1 000 000 атмосфер) происходил обратный переход водорода из металлического состояния в обычное - диэлектрическое.
Карта сайта
Мой адрес Электронной почты: q2212@yandex.ru
Номер моего мобильного телефона: +79030100732
