Bezfarebný, horľavý plyn bez zápachu. Hustota vodíka za normálnych podmienok je 0,09 kg/m3; hustota vzduchu - 0,07 kg / m3; výhrevnosť - 28670 kcal / kg; minimálna energia vznietenia - 0,017 mJ. So vzduchom a kyslíkom vytvára výbušnú zmes. Zmes s chlórom (1:1) exploduje na svetle; s fluoridom vodík spája sa s výbuchom v tme; zmes s (2:1) - výbušným plynom. Hranice výbušnosti: od 4 - 75 obj. %, s kyslíkom 4,1 - 96 obj. %.

V deň, keď sa minú jeho zásoby, život vo vesmíre zanikne. Látka, bez ktorej je život nemožný, „sedí“ v samom strede našej planéty – v jadre a okolo neho a odtiaľ „migruje“ von. Tento plyn je začiatkom všetkých začiatkov. Jeho meno - " vodík».
Vodík nachádza v jadre a okolo neho. Ďalej prichádza hustý plášť. Ale tento plyn ticho migruje cez skalný masív. Keď bola Zem mladá, v hĺbkach bolo oveľa viac vodíka a z hlbín vyšiel von po celej Zemi. Keď to bolo menej, proces sa relatívne stabilizoval a vodík začali „vychádzať“ v špeciálnych zónach pozdĺž zlomov oceánskych hrebeňov.
Samozrejme, moderný život na Zemi vznikol pri určitom kyslíkovom potenciáli. Aby sme však boli objektívni, za začiatok všetkých začiatkov na našej planéte vďačíme vodík. Zdrojom vzniku života na Zemi sa stal dynamický cyklus vodíka, proces jeho vstupu z útrob Zeme, a nie uhlík, ako sa predtým verilo.

Vodík a vesmír

Zvyčajne, aby zdôraznili význam konkrétneho prvku, hovoria: keby tam nebol, stalo by sa to a to. Ale spravidla to nie je nič iné ako rétorický nástroj. A tu vodík možno sa jedného dňa naozaj nestane, pretože neustále horí v útrobách hviezd a mení sa na inertný.
Vodík je najrozšírenejším prvkom vo vesmíre. Predstavuje asi polovicu hmotnosti Slnka a väčšiny ostatných hviezd. Nachádza sa v plynových hmlovinách, v medzihviezdnom plyne a je súčasťou hviezd. V hlbinách hviezd dochádza k premene atómových jadier vodík do jadier atómov hélia. Tento proces nastáva pri uvoľňovaní energie; Pre mnohé hviezdy, vrátane Slnka, slúži ako hlavný zdroj energie.
Každú sekundu vyžaruje Slnko do vesmíru energiu zodpovedajúcu štyrom miliónom ton hmoty. Táto energia vzniká pri fúzii štyroch jadier vodík, protóny, do jadra. „Spaľovanie“ jedného gramu protónov uvoľňuje dvadsaťmiliónkrát viac energie ako spaľovanie gramu uhlia. Takúto reakciu na Zemi ešte nikto nepozoroval: vyskytuje sa pri teplote a tlaku, ktoré existujú iba v hĺbke hviezd a ľudia ju ešte nezvládli.
Výkon ekvivalentný hmotnostnej strate štyroch miliónov ton za sekundu si nemožno predstaviť: aj pri najsilnejšom termonukleárnom výbuchu sa na energiu premení len asi kilogram hmoty. Avšak rýchlosť procesu, t.j. Počet jadier vodík, ktorý sa mení na jadrá hélia v jednom kubickom metre za jednu sekundu, je malý. Preto je množstvo energie uvoľnenej za jednotku času na jednotku objemu malé. Ukazuje sa teda, že špecifická sila Slnka je zanedbateľná - oveľa menšia ako sila takého „zariadenia generujúceho teplo“, ako je samotná osoba! A výpočty ukazujú, že Slnko bude nezmenšene svietiť ešte najmenej ďalších tridsať miliárd rokov. Dosť pre náš život.

Pôrod do vody

Bol objavený vodík v prvej polovici 16. storočia nemeckým lekárom a prírodovedcom Paracelsom. V dielach chemikov 16.–18. stor. spomínal sa „horľavý plyn“ alebo „horľavý vzduch“, ktorý po spojení s obyčajným plynom vytváral výbušné zmesi. Získal sa pôsobením na určité kovy (železo, zinok, cín) so zriedenými roztokmi kyselín – sírovej a chlorovodíkovej.
Prvým vedcom, ktorý opísal vlastnosti tohto plynu, bol anglický vedec Henry Cavendish. Určil jeho hustotu a študoval spaľovanie vo vzduchu, ale dodržiavanie teórie flogistónu* bránilo výskumníkovi pochopiť podstatu procesov, ktoré sa vyskytujú.
V roku 1779 dostal Antoine Lavoisier vodík pri rozklade vody, prechodom jej pár cez rozžeravenú železnú trubicu. Lavoisier tiež dokázal, že pri interakcii „horľavého vzduchu“ s kyslíkom vzniká voda a plyny reagujú v objemovom pomere 2:1. To umožnilo vedcovi určiť zloženie vody - H2O. Lavoisier a jeho kolegovia odvodili názov prvku – Hydrogenium – z gréckych slov „gidor“ – voda a „gennao“ – rodím. Ruské meno "vodík" navrhol chemik M.F. Soloviev v roku 1824 - analogicky s Lomonosovovým „kyslíkom“.
Vodík- bezfarebný plyn bez chuti a zápachu, málo rozpustný vo vode. Je 14,5-krát ľahší ako vzduch – najľahší z plynov. Preto vodík Kedysi plnili balóny a vzducholode. Pri teplote -253°C vodík skvapalňuje. Táto bezfarebná tekutina je najľahšia zo všetkých známych: 1 ml váži menej ako desatinu gramu. Pri teplote -259 °C kvapalný vodík zamrzne a zmení sa na bezfarebné kryštály.
Molekuly H2 také malé, že ľahko prejdú nielen malými pórmi, ale aj kovmi. Niektoré z nich, ako napríklad nikel, dokážu absorbovať veľké množstvá vodík a držia ho v atómovej forme v dutinách kryštálovej mriežky. Paládiová fólia nahriata na 250°C voľne prechádza vodík; Slúži na jeho dôkladné vyčistenie od iných plynov.
S rozpustnosťou vodík v kovoch súvisí s jeho schopnosťou difundovať cez kovy. Navyše, keďže ide o najľahší plyn, vodík má najvyššiu rýchlosť difúzie: jeho molekuly sa šíria rýchlejšie ako molekuly všetkých ostatných plynov v prostredí inej látky a prechádzajú rôznymi druhmi priečok.
Vodík- účinná látka, ktorá ľahko vstupuje do chemických reakcií. Pri horení sa uvoľňuje veľa tepla a jediným reakčným produktom je voda: 2H2 + O2 = 2H2O. O takom ekologickom palive môžeme len snívať!
Dnes (aj keď zatiaľ v obmedzenom množstve) autá s vodík motory. Ide o BMW Hydrogen 7, ktorý ako palivo využíva kvapalné palivo. vodík; autobus Mercedes Citaro a osobné auto Mazda RX-8 Hydrogen, jazdiace súčasne na benzín a vodík. A spoločnosť Boeing vyvíja bezpilotné lietadlo s vysokou výškou a dĺžkou letu (High Altitude Long Endurance (HALE). Lietadlo je vybavené vodík motor vyrobený spoločnosťou Ford Motor Company. Avšak, vývoj vodík energetický sektor je brzdený vysokým stupňom rizika pri práci s týmto plynom, ako aj ťažkosťami pri jeho skladovaní.

Zážitok, ktorý vás takmer stál život

So vzdušným kyslíkom vodík tvorí výbušnú zmes – výbušný plyn. Preto pri práci s vodík treba venovať osobitnú pozornosť. Čistý vodík Horí takmer nehlučne a po zmiešaní so vzduchom vydáva charakteristický hlasný tresk. Výbuch detonačného plynu v skúmavke nepredstavuje pre experimentátora nebezpečenstvo, ale pri použití banky s plochým dnom alebo hrubej sklenenej nádoby môže dôjsť k vážnemu zraneniu.
Vodík má dvojakú chemickú povahu, vykazuje oxidačné aj redukčné vlastnosti. Vo väčšine reakcií pôsobí ako redukčné činidlo a vytvára zlúčeniny, v ktorých je jeho oxidačný stav +1. Ale pri reakciách s aktívnymi kovmi pôsobí ako oxidačné činidlo: jeho oxidačný stav v zlúčeninách s kovmi je -1.
Vzdaním sa jedného elektrónu, vodík ukazuje podobnosť s kovmi prvej skupiny periodickej tabuľky a pridaním elektrónu s nekovmi siedmej skupiny. Preto vodík v periodickej tabuľke sú zvyčajne umiestnené buď v prvej skupine a zároveň v zátvorkách v siedmej, alebo v siedmej skupine a v zátvorkách v prvej.

Použitie a výroba vodíka

Použité vodík pri výrobe metanolu, chlorovodíka, na hydrogenáciu rastlinných tukov (pri výrobe margarínu), tiež na získavanie kovov (molybdén, volfrám, indium) z oxidov. Žiaruvzdorné kovy a zliatiny sú zvárané a rezané pomocou vodíkovo-kyslíkového plameňa (3000°C). Kvapalina vodík slúži ako raketové palivo.
Počas hydrogenácie uhlia a ropy, slabé vodík nízkohodnotné palivá sa menia na vysokokvalitné.
Vodík používa sa na chladenie výkonných generátorov elektrického prúdu a jeho izotopy sa využívajú v jadrovej energetike.
V priemysle sa vodík vyrába elektrolýzou vodných roztokov solí (napríklad NaCl, Na2CO4), ako aj pri premene pevných a plynných palív – uhlia a zemného plynu. Procesy konverzie prebiehajú pri teplote asi 1000 °C v prítomnosti katalyzátorov. Výsledná zmes plynov sa nazýva syntézny plyn.

Takmer každá domáca lekárnička obsahuje fľaštičku s 3% roztokom peroxidu. vodík H202. Používa sa na dezinfekciu rán a zastavenie krvácania.

V závislosti od účelu, technického vodík Dostupné v komprimovanej a nekomprimovanej forme v dvoch značkách:

Plynný vodík triedy „A“- používa sa v elektronickom, farmaceutickom, chemickom priemysle, v práškovej metalurgii: na nanášanie žiaruvzdorných zlúčenín z oxidov kovov; pri spekaní produktov vyrobených z práškových materiálov s obsahom chrómu a nehrdzavejúcej ocele.
- používa sa v energetike, elektronike, chemickom, neželeznom hutníctve, farmaceutickom priemysle.

Vesmírne agentúry a súkromné ​​spoločnosti už pripravujú plány na vyslanie ľudí na Mars v najbližších rokoch, čo nakoniec povedie k jeho kolonizácii. A so zvyšujúcim sa počtom objavených planét podobných Zemi okolo blízkych hviezd sa vesmírne cestovanie na veľké vzdialenosti stáva čoraz relevantnejším.

Pre človeka však nie je jednoduché prežiť vo vesmíre dlhší čas. Jednou z hlavných výziev diaľkových vesmírnych letov je preprava dostatočného množstva kyslíka pre astronautov na dýchanie a dostatok paliva na obsluhu zložitej elektroniky. Žiaľ, kyslík vo vesmíre prakticky nie je, preto ho treba skladovať na Zemi.

Nový výskum publikovaný v Nature Communications však ukazuje, že je možné vyrábať vodík (na palivo) a kyslík (na dýchanie) z vody iba pomocou polovodičového materiálu, slnečného svetla (alebo svetla hviezd) a beztiaže, vďaka čomu je cestovanie na veľké vzdialenosti uskutočniteľnejšie.

Využitie neobmedzených zdrojov Slnka na napájanie nášho každodenného života je jednou z najglobálnejších výziev na Zemi. Ako sa pomaly vzďaľujeme od ropy a smerujeme k obnoviteľným zdrojom energie, výskumníci sa zaujímajú o možnosť využitia vodíka ako paliva. Najlepším spôsobom, ako to urobiť, by bolo rozdeliť vodu (H2O) na jej zložky: vodík a kyslík. Je to možné pomocou procesu známeho ako elektrolýza, ktorý zahŕňa prechod prúdu cez vodu obsahujúcu určitý rozpustný elektrolyt (ako je soľ - približne. preklad). V dôsledku toho sa voda rozkladá na atómy kyslíka a vodíka, z ktorých sa každý uvoľňuje na svojej vlastnej elektróde.

Elektrolýza vody.

Aj keď je táto metóda technicky možná a je známa už stáročia, na Zemi stále nie je ľahko dostupná, pretože potrebujeme viac infraštruktúry súvisiacej s vodíkom – napríklad čerpacie stanice na vodík.

Vodík a kyslík takto získané z vody sa dajú využiť aj ako palivo v kozmických lodiach. Spustenie rakety s vodou by bolo v skutočnosti oveľa bezpečnejšie ako jej vypustenie s dodatočným palivom a kyslíkom na palube, pretože zmes môže byť pri nehode výbušná. Teraz vo vesmíre bude špeciálna technológia schopná rozdeliť vodu na vodík a kyslík, ktoré sa zase dajú použiť na udržanie dýchania a funkčnosti elektroniky (napríklad pomocou palivových článkov).

Na to sú dve možnosti. Jedným z nich je elektrolýza, ako na Zemi, využívajúca elektrolyty a solárne články na výrobu prúdu. Ale, bohužiaľ, elektrolýza je veľmi energeticky náročný proces a energia vo vesmíre už má „cenu zlata“.

Alternatívou je použitie fotokatalyzátorov, ktoré fungujú tak, že pohlcujú fotóny polovodičovým materiálom umiestneným vo vode. Fotónová energia „vyrazí“ elektrón z materiálu a zanechá v ňom „dieru“. Voľný elektrón môže interagovať s protónmi vo vode a vytvárať atómy vodíka. Medzitým môže „diera“ absorbovať elektróny z vody a vytvárať protóny a atómy kyslíka.



Proces fotokatalýzy v pozemských podmienkach a v mikrogravitácii (miliónkrát menej ako na Zemi). Ako je možné vidieť, v druhom prípade je počet objavujúcich sa plynových bublín väčší.

Tento proces je možné zvrátiť. Vodík a kyslík je možné rekombinovať (spojiť) pomocou palivového článku, čo má za následok návrat slnečnej energie vynaloženej na fotokatalýzu a tvorbu vody. Táto technológia je teda skutočným kľúčom k cestovaniu do hlbokého vesmíru.

Proces využívajúci fotokatalyzátory je najlepšou voľbou pre vesmírne lety, pretože zariadenie váži oveľa menej, ako je potrebné na elektrolýzu. Teoreticky je s ním aj práca vo vesmíre jednoduchšia. Čiastočne je to spôsobené tým, že intenzita slnečného žiarenia mimo zemskej atmosféry je oveľa vyššia, keďže v atmosfére Zeme je pomerne veľká časť svetla absorbovaná alebo odrazená na ceste k povrchu.

V novej štúdii vedci zhodili plne funkčné experimentálne zariadenie na fotokatalýzu zo 120 metrov vysokej veže, čím sa vytvorili podmienky nazývané mikrogravitácia. Keď predmety padajú na Zem voľným pádom, účinok gravitácie sa znižuje (ale samotná gravitácia nezmizne, preto sa nazýva mikrogravitácia, nie žiadna gravitácia - približne. preklad), keďže neexistujú žiadne sily, ktoré by kompenzovali zemskú gravitáciu - teda pri páde sa v inštalácii vytvárajú podmienky ako na ISS.

Experimentálne usporiadanie a experimentálny proces.

Vedci dokázali, že za takýchto podmienok je skutočne možné rozdeliť vodu. Keďže však pri tomto procese vzniká plyn, vo vode sa tvoria bublinky. Dôležitou úlohou je zbaviť sa bublín materiálu katalyzátora, ktoré narúšajú proces tvorby plynu. Na Zemi gravitácia spôsobuje, že bubliny plávajú na povrch (voda v blízkosti povrchu je hustejšia ako bubliny, čo im umožňuje plávať na povrchu), čím sa uvoľňuje priestor na katalyzátore pre tvorbu ďalších bublín.

Pri nulovej gravitácii je to nemožné a plynové bubliny zostávajú na katalyzátore alebo v jeho blízkosti. Vedci však upravili tvar katalyzátora v nanoúrovni, čím vytvorili pyramídové zóny, kde sa bublina mohla ľahko odtrhnúť od vrcholu pyramídy a vstúpiť do vody bez toho, aby zasahovala do procesu tvorby nových bublín.

Jeden problém však zostáva. V neprítomnosti gravitácie bubliny zostanú v kvapaline, aj keď boli nútené opustiť katalyzátor. Gravitácia umožňuje plynu ľahko uniknúť z kvapaliny, čo je rozhodujúce pre použitie čistého vodíka a kyslíka. Bez gravitácie neplávajú na hladine žiadne bublinky plynu a neoddeľujú sa od kvapaliny – namiesto toho vzniká ekvivalent peny.

To dramaticky znižuje účinnosť procesu blokovaním katalyzátorov alebo elektród. Inžinierske riešenia tohto problému budú kľúčové pre úspešnú implementáciu technológie vo vesmíre – jedným z možných riešení je otočenie inštalácie: týmto spôsobom odstredivé sily vytvoria umelú gravitáciu. No napriek tomu sme vďaka tomuto novému výskumu o krok bližšie k dlhotrvajúcim ľudským vesmírnym letom.

Vodík (H) je veľmi ľahký chemický prvok s obsahom 0,9 % hmotnosti v zemskej kôre a 11,19 % vo vode.

Charakteristika vodíka

Je to prvý medzi plynmi v ľahkosti. Za normálnych podmienok je bez chuti, farby a absolútne bez zápachu. Keď sa dostane do termosféry, pre svoju nízku hmotnosť odletí do vesmíru.

V celom vesmíre je to najpočetnejší chemický prvok (75 % z celkovej hmotnosti látok). Toľko, že mnohé hviezdy vo vesmíre sú vyrobené výlučne z neho. Napríklad Slnko. Jeho hlavnou zložkou je vodík. A teplo a svetlo sú výsledkom uvoľnenia energie, keď sa jadrá materiálu spájajú. Aj vo vesmíre sú celé mraky jeho molekúl rôznych veľkostí, hustôt a teplôt.

Fyzikálne vlastnosti

Vysoká teplota a tlak výrazne menia jeho vlastnosti, ale za normálnych podmienok:

Má vysokú tepelnú vodivosť v porovnaní s inými plynmi,

Netoxický a zle rozpustný vo vode,

S hustotou 0,0899 g/l pri 0 °C a 1 atm.

Pri teplote -252,8°C sa mení na kvapalinu

Stáva sa tvrdým pri -259,1 °C.,

Špecifické spalné teplo 120.9.106 J/kg.

Na premenu na kvapalinu alebo pevnú látku vyžaduje vysoký tlak a veľmi nízke teploty. V skvapalnenom stave je tekutý a ľahký.

Chemické vlastnosti

Pod tlakom a po ochladení (-252,87 stupňov C) získava vodík kvapalný stav, ktorý je ľahší ako akýkoľvek analóg. Zaberá v ňom menej miesta ako v plynnej forme.

Ide o typickú neziskovku. V laboratóriách sa vyrába reakciou kovov (napríklad zinku alebo železa) so zriedenými kyselinami. Za normálnych podmienok je neaktívny a reaguje len s aktívnymi nekovmi. Vodík dokáže oddeliť kyslík od oxidov a redukovať kovy zo zlúčenín. On a jeho zmesi tvoria vodíkové väzby s určitými prvkami.

Plyn je vysoko rozpustný v etanole a v mnohých kovoch, najmä paládium. Striebro ho nerozpúšťa. Vodík sa môže oxidovať počas spaľovania v kyslíku alebo vzduchu a pri interakcii s halogénmi.

Keď sa spojí s kyslíkom, vznikne voda. Ak je teplota normálna, reakcia prebieha pomaly, ak je nad 550°C, exploduje (premení sa na detonačný plyn).

Nájdenie vodíka v prírode

Aj keď je na našej planéte veľa vodíka, nie je ľahké ho nájsť v čistej forme. Trochu sa dá nájsť pri sopečných erupciách, pri výrobe ropy a tam, kde sa rozkladá organická hmota.

Viac ako polovica z celkového množstva je v zložení s vodou. Je obsiahnutý aj v štruktúre ropy, rôznych ílov, horľavých plynov, živočíchov a rastlín (prítomnosť v každej živej bunke je 50% z počtu atómov).

Cyklus vodíka v prírode

Každý rok sa vo vodných útvaroch a pôde rozloží obrovské množstvo (miliardy ton) rastlinných zvyškov a pri tomto rozklade sa do atmosféry uvoľní obrovská masa vodíka. Uvoľňuje sa aj pri akejkoľvek fermentácii spôsobenej baktériami, spaľovaním a spolu s kyslíkom sa podieľa na kolobehu vody.

Aplikácie vodíka

Tento prvok ľudstvo aktívne používa vo svojich aktivitách, takže sme sa ho naučili získať v priemyselnom meradle pre:

Meteorológia, chemická výroba;

Výroba margarínu;

Ako raketové palivo (kvapalný vodík);

Elektrický priemysel na chladenie elektrických generátorov;

Zváranie a rezanie kovov.

Veľa vodíka sa používa pri výrobe syntetického benzínu (na zlepšenie kvality nekvalitného paliva), čpavku, chlorovodíka, alkoholov a iných materiálov. Jadrová energia aktívne využíva svoje izotopy.

Droga „peroxid vodíka“ je široko používaná v hutníctve, elektronickom priemysle, výrobe celulózy a papiera, na bielenie ľanových a bavlnených látok, na výrobu farieb na vlasy a kozmetiky, polymérov a v medicíne na liečenie rán.

„Výbušná“ povaha tohto plynu sa môže stať smrtiacou zbraňou – vodíkovou bombou. Jeho výbuch je sprevádzaný uvoľnením obrovského množstva rádioaktívnych látok a je deštruktívny pre všetko živé.

Kontakt tekutého vodíka a pokožky môže spôsobiť vážne a bolestivé omrzliny.

Na Zemi - kyslík, vo vesmíre - vodík

Vesmír obsahuje najviac vodíka (74 % hmotnosti). Zachoval sa od Veľkého tresku. Len malá časť vodíka sa dokázala vo hviezdach premeniť na ťažšie prvky. Na Zemi je najrozšírenejším prvkom kyslík (46 – 47 %). Väčšina z nich je viazaná vo forme oxidov, predovšetkým oxidu kremičitého (SiO 2). Zemský kyslík a kremík vznikli v masívnych hviezdach, ktoré existovali pred narodením Slnka. Na konci svojho života tieto hviezdy explodovali v supernovách a vyvrhli prvky, ktoré vytvorili, do vesmíru. Produkty výbuchu samozrejme obsahovali veľa vodíka a hélia, ako aj uhlíka. Tieto prvky a ich zlúčeniny sú však veľmi prchavé. V blízkosti mladého Slnka sa vyparili a tlakom žiarenia boli vyfúknuté na okraj slnečnej sústavy.

Desať najbežnejších prvkov v galaxii Mliečna dráha*

* Hmotnostný zlomok na milión.