Авторизация
Наша группа Вконтакте
Наши партнеры
КРЫМ. СТРОЙИНДУСТРИЯ. ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ ВЕСНА — 2016

Водород, предистория

Водород, предистория

Вода из огня! Это кажется невероятным, но это факт. И этот факт впервые установил (1781 – 1782 гг.) английский учёный Генри Кэвендиш. Он сжег в закрытом сосуде бесцветный, без вкуса и запаха газ, который в те времена называли «горючим воздухом», и обнаружил, что продуктом горения была вода. В начале Кэвендиш не поверил полученному результату, но, проделав ряд точных опытов по сжиганию «горючего воздуха», он убедился, что продуктом горения была только вода, «которая не имела ни вкуса, ни запаха и при испарении досуха не оставляла ни малейшего заметного осадка».

Следует заметить, что ещё до Кэвендиша выдающийся английский естествоиспытатель Д. Пристли наблюдал появление влаги при горении и взрыве смеси «горючего воздуха», но… не обратил на это должного внимания.

Несмотря на то, что «горючий воздух» был известен ещё немецкому врачу и естествоиспытателю Парацельсу (XVI в.), а знаменитый английский химик, физик и философ Роберт Бойль в 1660 г. сумел не только получить «горючий воздух» из серной кислоты и железа, но и собрать его в сосуд, чего не умели делать до него, простая (элементарная) природа этого газа была установлена только в 1783 г. В этом году французский ученый Антуан Лоран Лавуазье, желая проверить опыты Кэвендиша, провел точные исследования по изучению продукта горения «горючего воздуха». Они подтвердили опыты Кэвендиша – продуктом горения «горючего воздуха» была только вода. Это было доказано Лавуазье не только путем сжигания «горючего воздуха», но и путем разложения продукта его горения. Правда, поводом к анализу воды послужило отыскание дешевого способа получения водорода, предпринятое Лавуазье по заданию французской Академии наук в связи с начавшимся развитием воздухоплавания.

За способность производить воду «горючий воздух» стали впоследствии называть водородом. Научное название водорода – «хидрогениум» происходит от греческих слов «хидор» - вода и «генао» - рождаю, произвожу. Таким образом, в названии водорода отражено его основное свойство – способность гореть с образованием воды.

Атомы водорода имеют наименьший вес среди всех атомов других химических элементов, и поэтому химический знак водорода занимает первое место в периодической системе Д. И. Менделеева.

Водород – один из наиболее распространенных элементов природы, он всюду обнаружен во Вселенной – на Солнце, звёздах, в туманностях, в мировом пространстве. На земле основная масса водорода находится в связанном состоянии, в виде различных соединений и, главным образом, на поверхности земли в виде воды. Общее количество водорода на земле достигает 1% от веса земной коры. В межзвездном пространстве атомы водорода встречаются в несколько сот раз чаще, чем атомы всех остальных элементов вместе взятых. Водород преобладает над другими элементами в атмосферах звезд и является главной составной частью солнечной атмосферы.

Значение водорода во вселенной исключительно велико, в ней он играет особую роль, являясь «космическим топливом», дающим энергию звездам, а в числе их и нашему Солнцу.

В недрах Солнца, где температура достигает 20 миллионов градусов и вещество находится под давлением восьми миллиардов атмосфер, атомы водорода теряют электроны и ядра таких атомов (протоны) приобретают скорости, при которых протекают ядерные реакции. Ядерные реакции, текущие при очень высокой температуре, называются термоядерными. Термоядерная реакция, при которой из четырех ядер водорода образуется ядро нового химического элемента – гелия, и является источником солнечной энергии. Образование гелия из водорода, как показал немецкий ученый Бете, происходит на солнце значительно сложнее, но конечный итог реакции дает тот же результат: вместо четырех ядер водорода появляется ядро гелия. Энергия, освобождающаяся при этой реакции, обеспечивает излучение того огромного количества тепла и света, которое дает Солнце в течении уже многих миллиардов лет. Чтобы составить себе представление о количестве энергии, излучаемой Солнцем, достаточно сказать, что для создания такой величины понадобилось бы 180 000 000 миллиардов электростанций, обладающих мощностью Куйбышевской ГЭС (около 2 млн. киловатт).

Водород в свободном состоянии встречается на земле в вулканических газах; небольшое количество водорода выделяется растениями. В атмосфере, даже в верхних ее слоях, водород содержится в незначительных количествах, не превышающих 0,00005% по объему.

В чистом виде водород представляет собой газ в 14,54 раз легче воздуха, не имеющий цвета, запаха и вкуса. Водород не ядовит. Водород диффундирует и эффундирует быстрее всех других газов и лучше всех их проводит тепло (теплопроводность водорода в 7 раз больше воздуха).

В природе водород встречается в виде трех изотопов: обычный водород, тяжелый и сверхтяжелый водород. Тяжелый водород содержится в обычном водороде в небольших количествах. На 5 тисяч атомов обычного водорода приходится 1 атом тяжелого. От греческого слова «дейтерос», что значит второй, тяжелый водород, как второй изотоп водорода, називается дейтерием. По аналогии с протоном, ядро этого атома получило название – дейтон; часто его называют дейтерон.

Обозначают дейтерий двояким образом – или латинской буквой “D”, или сохраняют химическое обозначение водорода и указывая цифрой 2 его массовое число пишут H2.

Дейтерий отличается от обычного водорода строением ядра. Ядро дейтерия состоит из протона и нейтрона, поэтому масса атома дейтерия в два раза больше массы атома обычного водорода. Такое резкое расхождение в массах изотопов одного и того же химического элемента является единственным случаем среди известных изотопов различных элементов. Обычный водород, атомы которого являются простейшими (состоят из одного протона и одного электрона) от слова «протос» - простой, называется иногда протием.

Вода, в которой протий заменен дейтерием, называется тяжелой. Она отличается от обычной своими свойствами. Так, тяжелая вода замерзает не при 0*C , как обычная а при +3,8*C , кипит не при 100*C , а при 101,4*C , имеет большую плотность (1,1056), чем обычная; в тяжелой воде невозможна жизнь. В обычной воде всегда содержится примесь тяжелой. Количество ее невелико и составляет 0,02% от веса каждой капли. Однако собранная со всего земного шара она могла бы наполнить водоем, равный по величине объему Черного моря.

Тяжелая вода используется при получении атомной энергии в ядерных реакторах в качестве вещества, замедляющего нейтроны.

Получение воды в чистом виде – длительный и дорогой процесс, основанный на электролизе (разложении электрическим током) воды, при котором в первую очередь разлагаются молекулы «обыкновенной» воды, тогда как тяжелая – накапливается в остатке. Среди стран Западной Европы производство тяжелой воды в промышленном масштабе было впервые осуществлено в годы второй мировой войны в Германии на территории оккупированной Норвегии, располагавшей дешевой энергией гидроэлектростанций, и предназначалось для создания нового вида оружия (по-видимому, атомной бомбы), на которое командование фашистских армий возлагало последние надежды. 28 февраля 1943 г. норвежские патриоты совместно с английскими парашютистами взорвали цех тяжелой воды. Начавшиеся вслед за этим налеты на завод английской авиации вынудили фашистское командование перевезти оборудование и накопленный запас воды в Германию. Норвежские бойцы из армии сопротивления 20 февраля 1945 г. взорвали пароход, уничтожив вместе с оборудованием и 16 куб. метров тяжелой воды.

Стоимость тяжелой воды все еще высока и в настоящее время. По данным зарубежной печати один кубический метр тяжелой воды стоит не менее 300 тысяч долларов.

Известен и третий «сверхтяжелый» изотоп. Тритий – называют этот изотоп от латинского слова «тритиум» - третий. Он может быть получен искусственным путем в результате ядерных реакций, например, при «стрельбе» нейтронами в атомы легкого металла лития. В ядрах атомов трития имеется два нейтрона и один протон. В природе распространенность трития ничтожно мала. Один атом трития приходится на миллиард миллиардов атомов обычного водорода. Тритий является радиоактивным изотопом водорода. Он излучает бета - частици и превращается в изотоп гелия с атомным весом 3. Период полураспада трития около 12,5 лет.

В свободном состоянии водород может быть получен различными способами. Для технических нужд водород получается, главным образом, при реакции взаимодействия водяного пара высокой температуры с угарным газом. Образовавшийся одновременно с водородом углекислый газ легко отделяется от водорода путем превращения в жидкость при охлаждении под повышенным давлением.

Температуры же кипения и плавления очень низки (соответственно: -253*C и – 259*C ,) и он остается в газообразном состоянии.

В некоторых случаях водород получают действием паров воды на раскаленное железо. Удобным способом является также получение водорода из воды путем разложения ее электрическим током. Этот способ предложен в 1802 г. известным русским физиком и электротехником В. В. Петровым.

Практическое применение водорода разнообразно. Являясь наилегчайшим газом, он применяется для наполнения оболочек воздушных шаров, метеорологических зондов, стратостатов и других воздухоплавательных аппаратов. История воздухоплавания, начиная с воздушного шара в 18 куб. метров, созданного французским физиком Шарлем, до гигантских управляемых дирижаблей германского конструктора Цеппелина, неразрывно связана с водородом. Однако горючесть водорода при его легкой воспламеняемости от случайных и трудно устранимых причин (грозовые разряды, искры при электризации трением и др.) ограничивала возможности его использовала в воздухоплавании.

В химической промышленности водород служит исходным материалом для получения различных веществ (аммиака, твердых жиров и т.д.). Высокая температура горения водорода (до 2500о ) в кислороде используется с помощью специальных горелок для плавления кварца, тугоплавких металлов, разрезания стальных плит и т.д.

В связи с известной ограниченностью в природе запасов жидкого топлива водород в будущем может приобрести большое значение в качестве топлива для двигателей.

Водородный мотор, получающий топливо из баллонов с жидким водородом, имеет ряд преимуществ перед обычным двигателем внутреннего сгорания. Водородный двигатель может быть пущен в ход при любых температурах. Коэффициент полезного действия у водородного мотора больше, чем у нефтяного или бензинового. Воздух при работе мотора на водородном топливе не загрязняется вредными отбросами (угарный газ, продукты неполного сгорания – дым и т.д.). Выхлопными газами водородного мотора является водяной пар. В цилиндрах и выхлопных трубах не образуется нагара, что во много раз удлиняет сроки их службы.

Замечательно, что для получения водорода в качестве топлива нужна только … вода. Причем запасы воды – основного «сырья» для получения водорода – на земном шаре буквально неисчерпаемы и составляют 2*1018 (2 миллиарда миллиардов ) тонн. Также неисчерпаемой является и энергия текучей воды крупных рек, которая, превращаясь с помощью электростанций в энергию электричества, может служить для получения водорода из воды разложением ее электрическим током.

Таким образом, используя водород, человечество будет обеспечено моторным топливом на вечные времена. Ныне это ещё неприемлемо из-за сложности и дороговизны получения водорода из воды путем электролиза (это 1961 год).

Успехи атомной физики и химии открыли путь к возможности использования в практических целях изотопов водорода. К сожалению, эти возможности в первую очередь были использованы для целей военного характера, для создания так называемой водородной бомбы.

В водородной бомбе используется энергия термоядерной реакции ( между дейтерием и тритием), ведущей к образованию гелия и выделению нейтронов.

Чтобы между изотопами водорода началась реакция, надо нагреть их до сверхвысоких температур, порядка не менее 10 миллионов градусов. Такая температура возникает при взрыве атомной бомбы, которая играет роль запала в водородной бомбе.

Водородная бомба превосходит по своей силе атомную. Дело в том, что в атомной бомбе количество атомного взрывчатого материала ограничено и не может превышать определенной так называемой критической массы; в водородной бомбе количество взрывчатого вещества (смесь изотопов водорода) не ограничено.

Рассчитывая на монопольное обладание секретом изготовления водородной бомбы, американский империализм пытался запугать миролюбивые народы и сделать их послушными интересам капитализма.

Однако этот расчет поджигателей войны был уничтожен в самой основе. 30 августа 1953 года, было опубликовано правительственное сообщение об успешном испытании водородной бомбы в СССР. Однако в этом сообщении, как и в ряде последующих заявлений, Правительство СССР еще раз подтвердило свою готовность пойти на запрещение всех видов атомного и водородного оружия.

Неисчерпаемая энергия легчайшего элемента должна служить миру и счастью народов!

Фрагмент из книги «От водорода до нобелия»
Рейтинг:
57
  1. Atmombbom
    13 февраля 2012 11:53
    Статья интересная, хоть в ней и описаны действительно простые вещи

  2. Олег
    Oleg
    14 февраля 2012 22:45
    предЫстория правда request ,
    спасибо за статью

Добавить комментарий
Ваше Имя:
Ваш E-Mail:
  • bowtiesmilelaughingblushsmileyrelaxedsmirk
    heart_eyeskissing_heartkissing_closed_eyesflushedrelievedsatisfiedgrin
    winkstuck_out_tongue_winking_eyestuck_out_tongue_closed_eyesgrinningkissingstuck_out_tonguesleeping
    worriedfrowninganguishedopen_mouthgrimacingconfusedhushed
    expressionlessunamusedsweat_smilesweatdisappointed_relievedwearypensive
    disappointedconfoundedfearfulcold_sweatperseverecrysob
    joyastonishedscreamtired_faceangryragetriumph
    sleepyyummasksunglassesdizzy_faceimpsmiling_imp
    neutral_faceno_mouthinnocent
Вопрос:
От чего дают энергию солнечные батареи?
Ответ:*
Важно ваше мнение
Какая на Ваш взгляд самая перспективная технология в энергетике?