Водород
Общие сведения
Водород является первым элементом периодической таблицы химических элементов, имеющим атомный номер один. Это самый легкий и наиболее распространенный химический элемент во Вселенной. Исторически выделение водорода наблюдалось задолго до его официального открытия, однако в качестве самостоятельного химического элемента он был признан в 1766 году Генри Кавендишем. В рамках господствовавшей тогда теории флогистона Кавендиш предполагал, что обнаруженный им газ является чистым флогистоном. В 1783 году Антуан Лавуазье окончательно опроверг теорию флогистона, включил водород в современную систему химических элементов и дал ему латинское название гидроген, что означает рождающий воду. В русском языке закрепилось название водород, предложенное Михаилом Ломоносовым в качестве кальки с латинского термина.
Свойства и характеристики
Водород представляет собой самый легкий газ, молекула которого состоит из двух атомов. Вещество обладает высокой теплопроводностью и малорастворимо в воде. Уникальным свойством водорода является его способность растворяться в металлах и диффундировать через них. Наилучшая растворимость наблюдается в палладии, тогда как в серебре газ нерастворим. При нормальных условиях жидкий водород практически не существует. Переход в жидкое состояние, представляющее собой бесцветную и очень текучую жидкость, происходит лишь при сверхнизких температурах, около минус 259 градусов. При дальнейшем охлаждении образуется твердый водород с гексагональной кристаллической решеткой, внешне напоминающий снег. При экстремально высоких давлениях водород способен переходить в металлическое состояние, что, согласно теоретическим моделям, реализуется в недрах планет-гигантов. Молекулярный водород существует в двух спиновых формах, ортоводород и параводород, которые различаются по физическим свойствам и могут быть разделены методом адсорбции на активном угле при температуре жидкого азота. Известны три изотопа водорода. Стабильный протий не содержит нейтронов, стабильный дейтерий содержит один нейтрон и образует тяжелую воду, отличающуюся повышенной плотностью. Третий изотоп, тритий, содержит два нейтрона, является радиоактивным и претерпевает бета-распад с образованием гелия. В химическом отношении молекула водорода отличается высокой прочностью, поэтому для вступления в реакции требуется затрата энергии. При обычных температурах водород реагирует лишь с наиболее активными металлами, такими как кальций, образуя гидриды, а также со фтором с образованием фтороводорода. При повышенных температурах он взаимодействует с кислородом, образуя воду, а также реагирует с галогенами, неметаллами и оксидами металлов. Взаимодействие с оксидами металлов приводит к их восстановлению до чистых металлов. В органической химии водород активно применяется для реакций гидрирования, в ходе которых происходит восстановление органических соединений и размыкание кратных связей алкенов и алкинов с образованием алканов. Смесь водорода с кислородом в соотношении два к одному, а также смеси с воздухом при концентрации водорода от четырех процентов являются крайне взрывоопасными.
Нахождение в природе
Водород составляет около 75 процентов массы Вселенной и включает в себя порядка 87 процентов всех существующих атомов. Основная масса звезд практически полностью состоит из водородной плазмы. В межзвездном пространстве газ присутствует в виде отдельных атомов, ионов и молекул, образуя молекулярные облака. Несмотря на колоссальную распространенность в космосе, на Земле доля водорода невелика и составляет лишь около 1 процента массы земной коры. В свободном виде в земной атмосфере водород присутствует в ничтожно малых количествах из-за своей легкости, вследствие чего он постоянно улетучивается в космическое пространство. Водород непрерывно образуется в атмосфере в результате процессов окисления метана и другой органики, горения биомассы и фиксации азота, но не накапливается там. Основная масса земного водорода находится в связанном состоянии. Он является ключевым компонентом воды, покрывающей значительную часть планеты, и входит в состав всех органических соединений. Водород присутствует во всех живых организмах, причем живые клетки состоят из атомов водорода примерно на 63 процента. В литосфере газ встречается в вулканических выбросах и входит в состав различных минералов в форме иона аммония, гидроксил-иона или кристаллизационной воды.
Получение
В промышленных масштабах водород получают преимущественно для нужд химического производства. Около 75 процентов мирового объема производится из природного газа методом конверсии метана с водяным паром при температуре около 1000 градусов. Другим способом является пропускание паров воды над раскаленным коксом, в результате чего образуется так называемый серый водород, содержащий примеси углекислого газа, отравляющие катализаторы. Для получения газа высокой степени чистоты, известного как зеленый водород, используется метод электролиза водных растворов гидроксидов активных металлов или солей. Водород также выделяется в качестве побочного продукта при нефтепереработке и крекинге углеводородов. В лабораторных условиях газ получают в небольших объемах путем воздействия разбавленных кислот на металлы, взаимодействия кальция с водой, гидролиза ионных гидридов или действия щелочей на цинк и алюминий. Тяжелый изотоп дейтерий выделяют из тяжелой воды. Для очистки промышленного водорода применяются различные методы, включая глубокое охлаждение смесей для сжижения метана и этана, адсорбционное выделение на цеолитах, позволяющее достичь высокой степени очистки, а также диффузию через мембраны из палладия и различных сплавов.
Применение
Основной объем производимого водорода потребляется химической промышленностью для синтеза аммиака, который в дальнейшем служит сырьем для изготовления пластмасс, удобрений и взрывчатых веществ. Водород необходим для производства метанола и используется в нефтеперерабатывающей отрасли для процессов гидроочистки и гидрокрекинга, повышающих качество нефти. В пищевой промышленности газ применяется для производства саломаса и маргарина, а также зарегистрирован в качестве пищевой добавки под индексом E949. В производстве мыла водород также задействован на начальных этапах технологических цепочек. В аналитической химии водород является необходимым компонентом для проведения газовой хроматографии. Исторически водород широко использовался в воздухоплавании для наполнения дирижаблей, однако из-за высокой взрывоопасности от этого применения отказались в пользу инертных газов. В современной метеорологии водород продолжает использоваться для наполнения метеозондов в силу своей дешевизны. В энергетическом секторе и транспортном машиностроении активно развиваются технологии использования водорода в качестве экологически чистого носителя энергии. Созданы коммерческие поезда и автомобили, работающие на водородных топливных элементах, преобразующих химическую энергию реакции в электрическую, однако массовому переходу препятствует высокая стоимость процессов получения и очистки газа из воды. Водород также применяется в космонавтике в качестве ракетного топлива.