Ми також простежимо історію відкриття цього дивного речовини, виклавши теорію по можливості коротко і без використання надмірно заумної термінології.
Що таке водень: загальні відомості
Водень - це один з найпоширеніших у природі хімічних елементів. Частка водню в масі Сонця становить приблизно половину. У Всесвіті ж частка атомів водню наближається до 90%, будучи основою міжзоряного газу і зірок.
Водень присутній в переважній більшості органічних речовин і живих клітин, в яких на його частку припадає майже дві третини атомів.
Фото 1. Водень вважається одним з найпоширеніших елементів у природі
У періодичної системі елементів Менделєєва водень займає почесну першу позицію з атомним вагою, рівним одиниці.
Назва «водень» (в латинському варіанті - Hydrogenium) веде походження від двох давньогрецьких слів: ὕδωρ - «вода» і γεννάω - «народжую» (буквально - «що породжує воду) і вперше було запропоновано в 1824 р російським хіміком Михайлом Соловйовим.
Водень є одним з водообразующіх (поряд з киснем) елементів (хімічна формула води H2 O).
За фізичними властивостями водень характеризується як безбарвний газ (легший за повітря). При змішуванні з киснем або повітрям вкрай вибухонебезпечний і горючий.
Здатний розчинятися в деяких металах (титані, залозі, платині, паладії, нікелі) і в етанолі, проте дуже погано розчинний в сріблі.
Молекула водню складається з двох атомів і позначається H2. Водень має кілька ізотопів: протий (H), дейтерій (D) і тритій (T).
Історія відкриття водню
Ще в першій половині XVI століття при проведенні алхімічних дослідів, змішуючи метали з кислотами, Парацельс помітив досі невідомий горючий газ, який відокремити від повітря він так і не зміг.
Майже через півтора століття - в кінці XVII століття - французькому вченому Лемері вдалося-таки відділити водень (ще не знаючи, що це саме водень) від повітря і довести його горючість.
Фото 2. Генрі Кавендіш - першовідкривач водню
Хімічні досліди в середині XVIII століття дозволили Михайлу Ломоносову виявити процес виділення якогось газу в результаті деяких хімічних реакцій, яка не є, однак, флогистоном.
Справжній прорив у дослідженні горючого газу вдалося зробити англійському хіміку Генрі Кавендишу. якому і приписується відкриття водню (1766).
Цей газ Кавендіш називав «горючим повітрям». Їм же проведена реакція спалювання цієї речовини, в результаті якої виходила вода.
У 1783 р французьким хімікам на чолі з Антуаном Лавуазьє був здійснений синтез води, а згодом - розкладання води з виділенням «пального повітря».
Ці дослідження остаточно довели присутність водню в складі води. Саме Лавуазьє запропонував іменувати новий газ Hydrogenium (1801).
Корисні властивості водню
Водень легше повітря в чотирнадцять з половиною разів.
Його ж відрізняє і найвища теплопровідність серед інших газів (біліше ніж в сім разів перевищує теплопровідність повітря).
У минулі часи повітряні кулі та дирижаблі заповнювали воднем. Після серії катастроф в середині 1930-х, що закінчилися вибухами дирижаблів, конструкторам довелося шукати водню заміну.
Тепер для подібних літальних апаратів використовується гелій, який набагато дорожче водню, зате не так вибухонебезпечний.
Водень добре зарекомендував себе в якості компонента ракетного палива.
Фото 3. Водень застосовується для виготовлення ракетного палива
У багатьох країнах ведуться дослідження зі створення економічних двигунів для легкових і вантажних автомобілів на основі водню.
Автомобілі на водневому паливі значно екологічніше своїх бензинових і дизельних побратимів.
При звичайних умовах (кімнатна температура і природне атмосферний тиск) водень неохоче вступає в реакції.
При нагріванні суміші водню і кисню до 600 ° C починається реакція, що завершується утворенням молекул води.
Цю ж реакцію можна спровокувати за допомогою електричної іскри.
Реакції за участю водню завершуються, лише коли беруть участь в реакції компоненти будуть витрачені цілком.
Температура палаючого водню досягає 2500-2800 ° C.
За допомогою водню проводять очищення різних типів палива на основі нафти і нафтопродуктів.
У живій природі водень замінити нічим, так як він є у будь-органіці (включаючи нафту) і у всіх білкових сполуках.
Без участі водню життя на Землі було б неможливе.
Агрегатні стану водню
Водень здатний перебувати в трьох основних агрегатних станах:
Звичайний стан водню - газ. Знижуючи його температуру до -252,8 ° C, водень перетворюється в рідину, а після температурного порога -262 ° C водень стає твердим.
Фото 4. Уже кілька десятиліть замість дешевого водню для наповнення повітряних куль використовують дорогий гелій
Вчені припускають, що водень здатний перебувати в додатковому (четвертому) агрегатному стані - металевому.
Для цього потрібно всього лише створити тиск в два з половиною мільйона атмосфер.
Поки, на жаль, це всього лише наукова гіпотеза, так як отримати «металевий водень» ще нікому не вдавалося.
Рідкий водень - через свою температури - при попаданні на шкіру людини здатний викликати сильне обмороження.
Водень в таблиці Менделєєва
В основі розподілу хімічних елементів в періодичній таблиці Менделєєва лежить їх атомна вага, розрахований щодо атомної ваги водню.
Фото 5. В таблиці Менделєєва водню відведена осередок з порядковим номером 1
Правильність такого підходу довгі роки ніхто не міг ні спростувати, ні підтвердити.
З виникненням квантової фізики на початку XX століття і, зокрема, появою знаменитих постулатів Нільса Бора, що пояснюють з позицій квантової механіки будова атома, вдалося довести справедливість гіпотези Менделєєва.
Вірно і зворотне: саме відповідність постулатів Нільса Бора періодичному закону, який лежить в основі таблиці Менделєєва, і стало найвагомішим аргументом на користь визнання їх істинності.
Участь водню в термоядерної реакції
Ізотопи водню дейтерій і тритій є джерелами неймовірно потужної енергії, що вивільняється в процесі термоядерної реакції.
Фото 6. Термоядерний вибух без водню був би неможливий
Така реакція можлива при температурі не нижче 1060 ° C і протікають дуже швидко - протягом декількох секунд.
На Сонці термоядерні реакції протікають повільно.
Завдання вчених - зрозуміти, чому так відбувається, щоб використовувати отримані знання для створення нових - практично невичерпних - джерел енергії.