Свечение водорода в газоразрядной трубке
Элемент: водород (Hydrogenium)
Химический символ: Н
Порядковый номер: 1
Год открытия: 1766
Стандартная атомная масса: 1.00784
Температура плавления: 13.99 К
Температура кипения: 20.271 К
Плотность при стандартных условиях: 0.08988 г/л
Скорость звука в водороде: 1310 м/с (газ при 27 °C)
Число стабильных изотопов: 2
Кристаллическая решётка: гексагональная
Облака межзвёздного газа, из которого рождаются звёзды, представляют собой в основном водород
Давным-давно, в одной далекой галактике… Впрочем, нет. Давным-давно, примерно 13,799 миллиардов (с точностью в 0, 021 миллиард) лет назад, когда не было еще ни одной галактики, да и Вселенной по сути не было, случилась инфляция. Некое могучее поле, именуемое инфлатоном, за невообразимо короткое время невообразимо сильно раздуло Ничего (или сингулярность). И возник наш мир. Уже через сто секунд после начала Большого взрыва во Вселенной было полным-полно протонов – ядер самого простого химического элемента, водорода. Получилось даже небольшое количество «слипшихся» протонов и нейтронов – ядер стабильного изотопа водорода, дейтерия. Почти все атомы водорода возникли именно тогда – во время Большого взрыва.
Несмотря на то, что уже 13 с лишним миллиардов лет идет процесс превращения водорода в другие элементы, и сейчас 75% всей видимой материи во Вселенной – это атомы водорода (про тёмную материю мы ничего не знаем и не скажем).
Парацельс
С водородом как простым веществом человечество познакомилось примерно полтысячетелия назад. Тогда, около 1520 года Парацельс (да-да, тот самый знаменитый лекарь) впервые описал пузырьки при растворении железа, цинка и олова в кислоте. Веком позже Ян Баптист Ван Гельмонт снова описал водород и впервые дал ему название, произведя его от греческого «хаос». Да, слово «газ» изначально обозначало именно водород.
Ян Баптист ван Гельмонт
В 1671 году Роберт Бойль усовершенствовал метод получения, став всыпать железные опилки в кислоту. Правда, тогда еще то, что выделялось в итоге, еще не выделялось в самостоятельное вещество. Зато он показал, что получаемый газ горит. Права нового вещества и нового элемента нашему герою дали почти век спустя. В 1766 году Генри Кавендиш «признал» в продуктах реакции «опилки-кислота» самостоятельный газ. Правда, тогда само слово «водород» (или hydrogen, что в переводе с греческого обозначает то же самое – «рождающий воду»), еще не появилось.
Генри Кавендиш
Зато Кавендиш назвал его «горючим воздухом» и предположил, что это и есть загадочный «флогистон», переносчик тепла. Впрочем, семнадцатью годами позже Антуан Лоран Лавуазье вместе с Пьером Симоном Лапласом сообразили, что «горючий воздух» при горении образует воду. Так и появилось современное название элемента номер один – его придумал Лавуазье самолично. Кстати, нужно отметить, что из всех четверых выше упомянутых ученых первооткрывателем водорода считается только Кавендиш. Что поделать, вопросы приоритета в истории науки самые странные.
Кстати, если говорить о названиях, то в нашей стране с 1801 года с подачи последователя Ломоносова, Василия Севергина, водород назывался водотворным веществом:
«Водотворное вещество в соединении с кислотворным составляет воду. Сие можно доказать, как через разрешение, так и через составление».
Василий Севергин
Лишь почти четверть века спустя другой почитатель Ломоносова, химик Михаил Соловьев, предложил слово «водород» (опираясь как раз на «кислород» Ломоносова).
До самого конца XIX века человечество имело дело исключительно с газообразным водородом. Но в 1898 году «король холода» Джеймс Дьюар наконец-то сумел получить жидкий водород, а годом позже появился и твердый. Для этого пришлось охладить вещество до 20,27 и 13,99 градусов Кельвина соответственно. Твёрдый водород имел плотность 0,086 г/см3 и стал твердым веществом с одной из самых низких плотностей.
Статья Дьюара Sur la solidification de l’hydrogène вышла в журнале Annales de Chimie et de Physique, (7th series, vol. 18, Oct. 1899).
Джеймс Дьюар
Именно атом водорода стал «полем боя» для новой физики – непротиворечивую модель атома пытались построить и Томсон, и Резерфорд… В 1913 году Нильс Бор сформулировал свои знаменитые постулаты, объяснившие на основе квантовой механики особенности строения атома. И именно атом водорода подтвердил правоту Бора: рассчитанный на ее основе спектр первого элемента совпал с тем, что мы видим в реальности.
Следующее важнейшее открытие в области водорода сделал американец Гарольд Клейтон Юри, ученик физхимика Гилберта Льюиса, автора концепции ковалентной связи, кислот и оснований Льюиса, номинированного на Нобелевскую премию 41 раз, но так и не получившего абсолютно заслуженной награды (о нем мы обязательно напишем в рубрике «История химии»).
Гарольд Клейтон Юри
В конце 1920-х годов были открыты изотопы кислорода.
Исходя из того, что атомный вес кислорода ровно в 16 раз больше атомного веса водорода, а обычные спектрометрические и масс-спектрометрические данные давали разные соотношения, Юри предположил, что и у водорода есть более тяжелый изотоп. Поиски начались в 1931 году.
Юри рассчитал, что тяжелый водород должен иметь красное смещение в бальмеровской линии спектра от 0,1 до 0,18 нанометра. На том спектрографе, который был в распоряжении ученого, разница в линиях спектра обычного и тяжелого водорода должна была быть около 1 миллиметра. Это уже можно было различить, однако по расчетам выходило, что на 1 атом тяжелого изотопа водорода, должно приходиться около 4500 атомов легкого. Линия была, но очень слабая. И Юри не стал делать никакую «предварительную» публикацию, а решил поискать способ более надежного доказательства.
Вместе с Джорджем Мозли Мерфи Юри расчитал, что у тяжелого водорода будет чуть более высокая температура кипения. По всему выходило, что постепенно «упаривая» пять литров жидкого водорода, можно будет получить миллилитр образца, в котором тяжелого изотопа будет на два порядка больше.
Со второй попытки это удалось — дейтерий был открыт. Статья в PhysRev вышла в 1932 году под авторством Юри, Мерфи и знакомца Юри по университету Джонса Хопкинса Фердинанда Брикведде, который и сделал тот самый миллилитр обогащенного дейтерием водорода в криогенной лаборатории Национального бюро стандартов в Вашингтоне. Юри получил за свое открытие Нобелевскую премию по химии (и он был второй «чистый» физик после Резерфорда, получивший «химического Нобеля»). В том же году, в котором Юри открыл дейтерий, Джеймс Чедвик открыл нейтрон, который помог объяснить существование изотопов.
Свечение дейтерия в газоразрядной трубке
Сам Юри и предложил в 1933 году названия для изотопов. Первый, второй, третий – ну, если «третий» откроют. То бишь – протий, дейтерий и тритий. Уже упомянутый здесь Резерфорд не подкачал – и уже в 1934 году синтезировал таки тритий, который, в отличие от дейтерия оказался радиоактивным – с периодом полураспада 12,32 года.
Кстати, нужно помнить, что помимо протия, дейтерия и трития, в современных лабораториях удалось получить ядра водорода, еще более насыщенные нейтронами: от 4Н до 7Н (между прочим, о прогрессе науки говорит тот факт, что к моменту выхода книги «Популярная библиотека химических элементов» был известен только первый изотоп из этого ряда).
Забегая вперед, скажем, что сейчас тритий используется даже в быту: крошечные его количества (один килограмм трития обходится в 30 миллионов долларов) используют в качестве подсветки для часов. Электроны, испускаемые им при распаде, возбуждают люминофор, нанесенный на циферблат часов.
Тритиевая подсветка
Вскоре после открытия изотопов водорода, серьезное и грозное применение получил оксид дейтерия, попросту – тяжёлая вода. Как оказалось, дейтерий – идеальный замедлитель нейтронов, а тяжелая вода может еще и уносить излишнее тепло от реактора.
Ну а в начале 1950-х годов водород стал самым смертельным оружием из имеющегося у человечества: ученые научились воспроизводить процессы, происходящие в природе только в звёздах: термоядерный синтез, в котором из ядер изотопов водорода получаются ядра гелия, а излишек массы полностью превращается в энергию по знаменитой формуле Эйнштейна E=mc2.
Термоядерное оружие стало возможным только после открытия удивительного вещества – дейтерида лития-6. Этот гидрид решает сразу две проблемы. Во-первых, при облучении атомов лития-6 быстрыми нейтронами, которые в избытке образуются при первичном ядерном взрыве, синтезируется тритий.
63Li + 10n → 42Не +31Н + 4,784 МэВ.
А затем с образовавшимся тритием в термоядерную реакцию вступает дейтерий.
21Н + 31Н → 42Не +10n + 17,6 МэВ.
В 1952 году США взорвали первое термоядерное устройство, в 1953 году СССР испытал созданную Андреем Сахаровым водородную бомбу, а там и до стомегатонной «кузькиной матери» было недалеко.
Айви Майк, первое термоядерное испытание
Однако водород дает нам и жизнь. Очень много спорят, возможна ли жизнь на основе углерода. И предлагают взамен, например, кремний – но альтернатив водороду в органической химии нет. Как и водородсодержащим растворителям тоже, особенно воде. Все благодаря тому, что стандартный атом водорода – это протон с единственным электроном. Его ион – «голый» протон, не защищенный электронами. Благодаря этому атомы водорода способны образовывать слабые (намного слабее ковалентных) водородные связи.
Водородные связи между молекулами воды
Но именно из-за водородных связей вода существует в жидком состоянии такой длинный промежуток температур, именно водородные связи удерживают двойную спираль ДНК и позволяют белкам сворачиваться в сложные структуры, в которых они выполняют все свои мириады функций в организмах. Более того, благодаря тому, что атом водорода, самый распространенный атом живых органзимах, обладает собственным магнитным моментом, стало возможным появление любимой игрушки доктора Хауса – МРТ. Те красивые картинки слоев головного мозга, которые мы так часто видим теперь, построены компьютером исключительно благодаря ядерному магнитному резонансу ядер атомов водорода.
Впрочем, выходит водород сейчас на позиции и мирной энергетики, свободной от выбросов парниковых газов. И если до управляемого термоядерного синтеза нам сейчас далеко – пока что не удается обуздать стихию, бушующую в звездах и в термоядерном взрыве (международный термоядерный реактор ITER только начинает создаваться – и насколько он будет успешным, покажет время), то водородная энергетика сейчас на подъеме. Хотя специалисты говорят, что сам термин «водородная энергетика» неточен. Потому что в случае солнечной, угольной, атомной, гидроэнергетики мы пользуемся тем, что есть в природе – солнечным светом, движением воды, ураном, углем. А чистого водорода в природе особо нет. Точнее, есть – еще в 1888 году в одной из донецких шахт Менделеев открыл смесь газов, богатую водородом, но о массовой добыче водорода пока речи и не идет.
Так что в случае водородной энергетики водород – вторичный энергоноситель, из которого электричество получается напрямую, электрохимическим путем – при помощи водородного топливного элемента.
Еще до изобретения аккумулятора, в 1839 году британский химик Уильям Гроув создал устройство, в котором водород и кислород соединялись без горения на платиновых электродах, а на выходе получались вода и электрический ток. Эту систему, которая обеспечивала процесс, обратный электролизу – и с очень высоким КПД – назвали топливным элементом.
Топливный элемент Гроува
В XIX веке топливные элементы не нашли себе места. Новое рождение они обрели тогда, когда человечество вышло в космос, и необходимо было обеспечивать энергией космические корабли, летящие к Луне. И советские, и американские ученые создали водородные генераторы энергии для лунных кораблей. Американские на Луне даже побывали.
Схема работы топливного элемента
А ХХI век принес новые технологии – и водородные элементы стали появляться на автомобилях, поездах и даже самолетах. Появился и «цветной» водород. Но не в смысле – окрашенный. В зависимости от того, как водород получается, и какой при этом образуется водородный след, у нас появляется соответствующая цветная маркировка.
Водоробус – водородный автобус фирмы Solaris
Сейчас в мире производится более 100 миллионов тонн водорода – и почти весь он, полученный из метана и воды (паровая конверсия метана) – «серый», поскольку получающаяся при этом двуокись углерода выбрасывается в атмосферу. Если же этот оксид уловить и захоронить, то водород будет уже «голубым». Если получить водород напрямую из метана, а получившуюся сажу утилизировать, то водород становится «бирюзовым». Если же водород получать электролизом, то его цветность зависит от того, откуда берется электричество. Кажется, энергия от ТЭС даже не рассматривается, в случае же АЭС, водород считается «желтым» или «розовым». Если же энергия берется от Солнца, ветра или воды, то такой водород считается «зеленым». Но он пока и самый дорогой – может стоить в 5-10 раз дороже «серого». Современные водородные технологии только развиваются. В нашей стране ими тоже занимаются активно – например, в ФИЦ проблем химической физики и медицинской химии РАН в Черноголовке, в Институте катализа сибирского отделения РАН имени Г.К. Борескова в Новосибирске, в МФТИ в Долгопрудном…
Водородный коптер, созданный в Центре компетенций “Новые и мобильные источники энергии” ФИЦ ПХФ и МХ РАН
Впрочем, и «чистые экспериментаторы», и теоретики тоже продолжают работать с водородом. Особенно интересуют ученых экзотические состояния первого элемента: что будет с водородом, если его очень сильно сжать. Предполагалось, что водород в таких условиях станет… металлом, испытав фазовый переход. Ядра водорода давлением сближаются друг с другом на расстояние, сравнимое с длиной волны электронов (мы же помним, что в квантовом мире электрон – и волна, и частица одновременно). Таким образом, сила связи электрона с ядром становится нелокализованной, электроны образуют свободный электронный газ так же, как в металлах.
Более того, некоторые ученые считают, что металлический водород может быть сверхпроводником при комнатной температуре.
Штурм металлического водорода длился десятилетиями: существование предсказали уже в 1935 году Евгений Вигнер и Хиллард Гентингтон, однако только в 1996 году его смогли получить на короткое время, а в 2016-2017 годах развернулся настоящий научный детектив. Сначала в октябре 2016 года Ранга Диас и Исаак Сильвера из Гарварда провели эксперимент, в котором сжали водород под давлением почти в пять миллионов атмосфер и заявили, что им удалось увидеть блеск металлического водорода. Статья в Science вышла в январе 2017 года. Последовал вал критики и скептицизма, усилившийся после того, что Сильвера месяцем позже сказал, что повторить эксперимент они не смогут, ибо экспериментальная установка разрушена и образец металлического водорода утерян. В августе 2017 года авторы скорректировали свои данные, заявив, что в главном они правы – металлический водород они получили. В любом случае, было бы неплохо повторить.
Исследователи предполагают, что металлический водород может составлять основу ядер планет-гигантов типа Юпитера, что в свете открываемых сотнями космических тел за пределами Солнечной системы становится еще интереснее.
Металлический водород в разрезе Юпитера. Показан коричневым
…Водород – древнейший элемент нашего мира. Несмотря на то, что он – самый простой атом, важность его сложно переоценить. Мы можем бесконечно о нем рассказывать, написать о нем не одну книгу – и все же не исчерпать его.
Текст: Алексей Паевский
Проект «Новая популярная библиотека химических элементов» реализуется совместно порталами Mendeleev.info и «Виртуальный музей химии» в рамках инициативы «Работа с опытом» Десятилетия науки и технологий.
Материал подготовлен при финансовой поддержке Минобрнауки России в рамках федерального проекта «Популяризация науки и технологий».
