Rambler's Top100Astronet    
  po tekstam   po klyuchevym slovam   v glossarii   po saitam   perevod   po katalogu 		 

Na pervuyu stranicu Populyarnaya biblioteka himicheskih elementov
<< Zakon Mendeleeva - zakon prirody | Oglavlenie | Gelii >>

Vodorod

Izdatel'stvo "Nauka", 1977
Elektronnaya versiya: "Nauka i Tehnika", 2002

Vodorod Obychno, chtoby podcherknut' znachenie togo ili inogo elementa, govoryat: esli by ego ne bylo, to sluchilos' by to-to i to-to. No, kak pravilo, eto ne bolee chem ritoricheskii priem. A vot vodoroda mozhet kogda-nibud' deistvitel'no ne stat', potomu chto on nepreryvno sgoraet v nedrah zvezd, prevrashayas' v inertnyi gelii. I kogda zapasy vodoroda issyaknut, zhizn' vo Vselennoi stanet nevozmozhnoi - i potomu, chto pogasnut solnca, i potomu, chto ne stanet vody...

Vodorod i Vselennaya

Kogda-to lyudi obozhestvlyali Solnce. No teper' ono stalo ob'ektom tochnyh issledovanii, i my redko zadumyvaemsya o tom, chto samo nashe sushestvovanie celikom i polnost'yu zavisit ot proishodyashih na nem processov.

Kazhduyu sekundu Solnce izluchaet v kosmicheskoe prostranstvo energiyu, ekvivalentnuyu primerno 4 mln t massy. Eta energiya rozhdaetsya v hode sliyaniya chetyreh yader vodoroda, protonov, v yadro geliya; reakciya idet v neskol'ko stadii, a ee summarnyi rezul'tat zapisyvaetsya vot takim uravneniem:

411N+ $\to$ 42Ne2+ + 2e+ + 26,7 Mev.

Mnogo eto ili malo -26,7 Mev na odin elementarnyi akt? Ochen' mnogo: pri "sgoranii" 1 g protonov vydelyaetsya v 20 mln raz bol'she energii, chem pri sgoranii 1 g kamennogo uglya. Na Zemle takuyu reakciyu eshe nikto ne nablyudal: ona idet pri temperature i davlenii, sushestvuyushih lish' v nedrah zvezd i eshe ne osvoennyh chelovekom.

Moshnost', ekvivalentnuyu ezhesekundnoi ubyli massy v 4 mln t nevozmozhno predstavit': dazhe pri moshneishem termoyadernom vzryve v energiyu prevrashaetsya vsego okolo 1 kg veshestva. No esli otnesti vsyu izluchaemuyu Solncem energiyu k ego polnoi masse, to vyyasnitsya neveroyatnoe: udel'naya moshnost' Solnca okazhetsya nichtozhno maloi - mnogo men'she, chem moshnost' takogo "teplovydelyayushego ustroistva", kak sam chelovek. I raschety pokazyvayut, chto Solnce budet svetit', ne oslabevaya, eshe, po men'shei mere, 30 mlrd let.

Chto i govorit', na nash vek hvatit.

Nashe Solnce, po men'shei mere, napolovinu sostoit iz vodoroda. Vsego na Solnce obnaruzheno 69 himicheskih elementov, no vodorod - preobladaet. Ego v 5,1 raza bol'she, chem geliya, i v 10 tys. raz (ne po vesu, a po chislu atomov) bol'she, chem vseh metallov, vmeste vzyatyh, Etot vodorod rashoduetsya ne tol'ko na proizvodstvo energii. V hode termoyadernyh processov iz nego obrazuyutsya novye himicheskie elementy, a uskorennye protony vybrasyvayutsya v okolosolnechnoe prostranstvo.

Poslednee yavlenie, poluchivshee nazvanie "solnechnogo vetra", bylo otkryto sravnitel'no nedavno vo vremya issledovaniya kosmicheskogo prostranstva s pomosh'yu iskusstvennyh sputnikov. Okazalos', chto osobenno sil'nye poryvy etogo "vetra" voznikayut vo vremya hromosfernyh vspyshek. Dostignuv Zemli, potok protonov, zahvachennyi ee magnitnym polem, vyzyvaet polyarnye siyaniya i narushaet radiosvyaz', a dlya kosmonavtov "solnechnyi veter" predstavlyaet ser'eznuyu opasnost'.

No tol'ko li etim ogranichivaetsya vozdeistvie na Zemlyu potoka yader solnechnogo vodoroda? Po-vidimomu, net. Vo-pervyh, potok protonov rozhdaet vtorichnoe kosmicheskoe izluchenie, dostigayushee poverhnosti Zemli; vo-vtoryh, magnitnye buri mogut vliyat' na processy zhiznedeyatel'nosti; v-tret'ih, zahvachennye magnitnym polem Zemli yadra vodoroda ne mogut ne skazyvat'sya na ee massoobmene s kosmosom.

Sudite sami: seichas v zemnoi kore iz kazhdyh 100 atomov 17 - eto atomy vodoroda. No svobodnogo vodoroda na Zemle prakticheski ne sushestvuet: on vhodit v sostav vody, mineralov, uglya, nefti, zhivyh sushestv... Tol'ko vulkanicheskie gazy inogda soderzhat nemnogo vodoroda, kotoryi v rezul'tate diffuzii rasseivaetsya v atmosfere. A tak kak srednyaya skorost' teplovogo dvizheniya molekul vodoroda iz-za ih maloi massy ochen' velika - ona blizka ko vtoroi kosmicheskoi skorosti, - to iz sloev atmosfery eti molekuly uletayut v kosmicheskoe prostranstvo.

No esli Zemlya teryaet vodorod, to pochemu ona ne mozhet ego poluchat' ot togo zhe Solnca? Raz "solnechnyi veter" - eto yadra vodoroda, kotorye zahvatyvayutsya magnitnym polem Zemli, to pochemu by im na nei ne ostat'sya?

Ved' v atmosfere Zemli est' kislorod; reagiruya s zaletevshimi yadrami vodoroda, on svyazhet ih, i kosmicheskii vodorod rano ili pozdno vypadet na poverhnost' planety v vide obyknovennogo dozhdya. Bolee togo, raschet pokazyvaet, chto massa vodoroda, soderzhashegosya v vode vseh zemnyh okeanov, morei, ozer i rek, tochno ravna masse protonov, zanesennyh "solnechnym vetrom" za vsyu istoriyu Zemli. Chto eto - prostoe sovpadenie?

...My dolzhny soznavat', chto nashe Solnce, nashe vodorodnoe Solnce, - eto lish' zauryadnaya zvezda vo Vselennoi, chto sushestvuet neischislimoe mnozhestvo podobnyh zvezd, udalennyh ot Zemli na sotni, tysyachi i milliony svetovyh let. I kto znaet, - mozhet byt' imenno v diapazone radioizlucheniya mezhzvezdnogo vodoroda (zapomnite - 21 santimetr!) chelovechestvu vpervye udastsya svyazat'sya s inozemnymi civilizaciyami...

Vodorod i zhizn'

Eshe raz o tom, chto nelepo govorit': "Esli by v prirode ne bylo togo-to, to ne bylo by togo i etogo". Delo v tom, chto kartina mira, kotoruyu my imeem vozmozhnost' seichas nablyudat', slozhilas' imenno v rezul'tate togo, chto sushestvuet v deistvitel'nosti...

Skazhem, pisateli lyubyat naselyat' planety, gde vmesto vody - ftoristyi vodorod ili ammiak, a osnovoi zhizni sluzhit ne uglerod, a kremnii. No pochemu zhe "kremnievaya" zhizn' ne sushestvuet na nashei planete, gde kremniya hot' otbavlyai? Ne potomu li, chto kremnii - prosto nepodhodyashaya osnova dlya zhizni?

Odnako esli i uglerodu, i kislorodu izoshrennaya chelovecheskaya fantaziya inogda vse zhe nahodit zamenu, to nichto ne smozhet zamenit' vodorod. Delo v tom, chto u vseh elementov est' analogi, a u vodoroda - net. Yadro etogo atoma - elementarnaya chastica, i eto ne mozhet ne skazyvat'sya na svoistvah atoma.

Lyuboi atom, za isklyucheniem atoma vodoroda, v obychnyh usloviyah ne mozhet lishit'sya vseh elektronov: u nego ostaetsya hotya by eshe odna elektronnaya obolochka, i eta obolochka, nesushaya otricatel'nye zaryady, ekraniruet yadro. A vot ion vodoroda - eto "golyi", polozhitel'no zaryazhennyi proton, i on mozhet prityagivat'sya k elektronnym obolochkam drugih atomov, ispytyvaya pri etom ne osobenno sil'noe ottalkivanie ot yadra.

I vot chto poluchaetsya. Skazhem, v molekule vody obe valentnosti atoma kisloroda nasysheny i, kazalos' by, mezhdu dvumya molekulami nikakoi dopolnitel'noi svyazi vozniknut' ne mozhet. No kogda atom vodoroda odnoi molekuly vody priblizhaetsya k atomu kisloroda drugoi molekuly, to mezhdu protonom i elektronnoi obolochkoi kisloroda nachinaet devstvovat' sila dopolnitel'nogo prityazheniya, i obrazuetsya osobaya, tak nazyvaemaya vodorodnaya svyaz':

Takie svyazi raz v dvadcat' slabee obychnyh, no vse zhe rol' ih ogromna. Vzyat', k primeru, tu zhe samuyu vodu: mnogie ee udivitel'nye svoistva opredelyayutsya imenno neobychaino razvitymi vodorodnymi svyazyami. Poprobuite hotya by predskazat' ee temperaturu plavleniya, osnovyvayas' na konstantah soedinenii vodoroda s sosedyami kisloroda po periodicheskoi sisteme - azotom i ftorom ili analogami - seroi i selenom.

Ammiak plavitsya pri - 77,7oC, ftoristyi vodorod pri - 92,3oC; sledovatel'no, voda, vrode by, dolzhna imet' promezhutochnuyu temperaturu plavleniya okolo - 85oC. Selenistyi vodorod plavitsya pri - 64oC, serovodorod pri - 82,9oC; sledovatel'no, tochka plavleniya vody, kak analogichnogo proizvodnogo s men'shim molekulyarnym vesom, dolzhna byt' eshe nizhe... No net, ee deistvitel'naya temperatura plavleniya okazyvaetsya pochti na sotnyu gradusov vyshe predskazannoi teoreticheski, i vinoi tomu - slabye, no mnogochislennye mezhmolekulyarnye vodorodnye svyazi, kotorye kislorod v silu specificheskogo stroeniya elektronnoi obolochki sposoben obrazovyvat' v znachitel'no bol'shei mere, chem azot, ftor, sera ili selen.

Vodorodnye svyazi lezhat v osnove samyh tonkih yavlenii zhiznedeyatel'nosti. Naprimer, imenno blagodarya etim svyazyam fermenty sposobny specificheski raspoznavat' veshestva, reakcii kotoryh oni uskoryayut. Delo v tom, chto belkovaya cep' kazhdogo fermenta imeet strogo opredelennuyu prostranstvennuyu konfiguraciyu, zakreplennuyu mnozhestvom vnutrimolekulyarnyh vodorodnyh svyazei mezhdu gruppirovkami atomov S = O i N - N. V svoyu ochered' molekula veshestva imeet gruppirovki, sposobnye davat' vodorodnye svyazi s opredelennym uchastkom molekuly fermenta - tak nazyvaemym aktivnym centrom. V rezul'tate vnutrimolekulyarnye svyazi v etom veshestve oslabevayut, i ferment bukval'no "raskusyvaet" molekulu.

No etim ne ogranichivaetsya rol' slabyh vodorodnyh svyazei v processah zhiznedeyatel'nosti. Imenno blagodarya etim svyazyam proishodit tochnoe kopirovanie molekuly DNK, peredayushei iz pokoleniya v pokolenie vsyu geneticheskuyu informaciyu; vodorodnye svyazi opredelyayut specifichnost' deistviya mnogih lekarstvennyh preparatov; otvetstvenny oni i za vkusovye oshusheniya, i za sposobnost' nashih myshc sokrashat'sya... Odnim slovom, v zhivoi prirode atom vodoroda deistvitel'no nezamenim.

Vodorod i nauka

V samom konce XVIII i nachale XIX v. himiya vstupila v period ustanovleniya kolichestvennyh zakonomernostei: v 1803 g. Dzhon Dal'ton sformuliroval zakon kratnyh otnoshenii (veshestva reagiruyut mezhdu soboi v vesovyh otnosheniyah, kratnyh ih himicheskim ekvivalentam). Togda zhe im byla sostavlena pervaya v istorii himicheskoi nauki tablica otnositel'nyh atomnyh vesov elementov. V etoi tablice na pervom meste okazalsya vodorod, a atomnye vesa drugih elementov vyrazhalis' chislami, blizkimi k celym.

Osoboe polozhenie, kotoroe s samogo nachala zanyal vodorod, ne moglo ne privlech' vnimaniya uchenyh, i v 1811 g. himiki smogli oznakomit'sya s gipotezoi Uil'yama Prauta, razvivshego ideyu filosofov drevnei Grecii o edinstve mira i predpolozhivshego, chto vse elementy obrazovany iz vodoroda kak iz samogo legkogo elementa. Prautu vozrazhal 'ens Yakob Bercelius, kak raz zanimavshiisya utochneniem atomnyh vesov: iz ego opytov sledovalo, chto atomnye vesa elementov ne nahodyatsya v celochislennyh otnosheniyah k atomnomu vesu vodoroda. "No, - vozrazhali storonniki Prauta, - atomnye vesa opredeleny eshe nedostatochno tochno" - i v kachestve primera ssylalis' na eksperimenty Zhana Stasa, kotoryi v 1840 g. ispravil atomnyi ves ugleroda s 11,26 (eta velichina byla ustanovlena Berceliusom) na 12,0.

I vse zhe privlekatel'nuyu gipotezu Prauta prishlos' na vremya ostavit': vskore tot zhe Stas tshatel'nymi i ne podlezhashimi somneniyu issledovaniyami ustanovil, chto, naprimer, atomnyi ves hlora raven 35,45, t.e. nikak ne mozhet byt' vyrazhen chislom, kratnym atomnomu vesu vodoroda...

No vot v 1869 g. Dmitrii Ivanovich Mendeleev sozdal svoyu periodicheskuyu klassifikaciyu elementov, polozhiv v ee osnovu atomnye vesa elementov kak ih naibolee fundamental'nuyu harakteristiku. I na pervom meste v sisteme elementov, estestvenno, okazalsya vodorod.

S otkrytiem periodicheskogo zakona stalo yasno, chto himicheskie elementy obrazuyut edinyi ryad, postroenie kotorogo podchinyaetsya kakoi-to vnutrennei zakonomernosti. I eto ne moglo vnov' ne vyzvat' k zhizni gipotezu Prauta - pravda, v neskol'ko izmenennoi forme: v 1888 g. Uil'yam Kruks predpolozhil, chto vse elementy, v tom chisle i vodorod, obrazovany putem uplotneniya nekotoroi pervichnoi materii, nazvannoi im protilom. A tak kak protil, rassuzhdal Kruks, po-vidimomu, imeet ochen' malyi atomnyi ves, to otsyuda ponyatno i vozniknovenie drobnyh atomnyh vesov.

Protiv etoi gipotezy Mendeleev vozrazhal: "...daite chto-libo individualizirovannoe i stanet legko ponyat' vozmozhnost' vidimogo mnogoobraziya. Inache - edinoe kak zhe dast mnozhestvo?" To est', po mneniyu sozdatelya periodicheskoi sistemy, odin sort chastic ne mozhet sluzhit' osnovoi dlya postroeniya sistemy elementov, obladayushih stol' raznoobraznymi svoistvami.

No vot chto lyubopytno. Samogo Mendeleeva neobychaino zanimal vopros: a pochemu periodicheskaya sistema dolzhna nachinat'sya imenno s vodoroda? Chto meshaet sushestvovaniyu elementov s atomnym vesom, men'she edinicy? I v kachestve takogo elementa v 1905 g. Mendeleev nazyvaet... "mirovoi efir". Bolee togo, on pomeshaet ego v nulevuyu gruppu nad geliem i rasschityvaet ego atomnyi ves - 0,000001! Inertnyi gaz so stol' malym atomnym vesom dolzhen byt', po mneniyu Mendeleeva, vse pronikayushim, a ego uprugie kolebaniya mogli by ob'yasnit' svetovye yavleniya...

Uvy, etomu predvideniyu velikogo uchenogo ne bylo suzhdeno sbyt'sya. No Mendeleev byl prav v tom otnoshenii, chto elementy ne postroeny iz tozhdestvennyh chastic: my znaem teper', chto oni postroeny iz protonov, neitronov i elektronov.

No pozvol'te, voskliknete vy, ved' proton - eto yadro atoma vodoroda. Znachit Praut byl vse-taki prav?

Da, on deistvitel'no byl po-svoemu prav. No eto byla, esli mozhno tak vyrazit'sya, prezhdevremennaya pravota. Potomu chto v to vremya ee nel'zya bylo ni po-nastoyashemu podtverdit', ni po-nastoyashemu oprovergnut'...

Vprochem, sam vodorod sygral v istorii razvitiya nauchnoi mysli eshe nemaluyu rol'. V 1913 g. Nil's Bor sformuliroval svoi znamenitye postulaty, ob'yasnivshie na osnove kvantovoi mehaniki osobennosti stroeniya atoma i vnutrennyuyu sushnost' zakona periodichnosti. I teoriya Bora byla priznana potomu, chto rasschitannyi na ee osnove spektr vodoroda polnost'yu sovpal s nablyudaemym.

I vse zhe istoriya idei, vyskazannoi bolee 150 let nazad, eshe ne okonchena. Odna iz golovolomneishih zadach, stoyashih pered segodnyashnei naukoi, zaklyuchaetsya v tom, chtoby naiti zakonomernost' v svoistvah tak nazyvaemyh elementarnyh chastic, kotoryh seichas naschityvaetsya uzhe mnogo desyatkov. Uchenye delayut popytki svesti ih v svoeobraznuyu periodicheskuyu sistemu, no razve eto ne ukazyvaet na to, chto vse-taki sushestvuyut kakie-to "kirpichi mirozdaniya", iz kotoryh i postroeny vse elementarnye chasticy, - i atomy, i molekuly, i my s vami, v konce koncov?

Fiziki predpolozhili, chto takie chasticy sushestvuyut i dazhe nazvali ih kvarkami. Tol'ko vot beda: eshe nikto v mire ne sumel dokazat', chto takie chasticy - real'nost', a ne mif...

No vspomnim Prauta i sud'bu ego gipotezy. Mysl' o chasticah, iz kotoryh postroeno vse, ostaetsya stol' zhe privlekatel'noi, kak i dva tysyacheletiya, i poltora veka nazad. I pust' kvarki okazhutsya ne tem, chto o nih dumayut sovremennye uchenye, vazhno to, chto ideya edinstva mira zhivet i razvivaetsya. I nastupit vremya, kogda ona poluchit svoe logicheskoe zavershenie.

Vodorod i praktika

Srazu zhe ogovorimsya: v otlichie ot, "nauki", kak oblasti chistyh idei, "praktikoi" my nazovem vse, chto sluzhit prakticheskoi deyatel'nosti cheloveka - pust' eto dazhe budet deyatel'nost' uchenogo-eksperimentatora.

Himik imeet delo s vodorodom, prezhde vsego kak s veshestvom, obladayushim svoistvami ideal'nogo vosstanovitelya.

No otkuda vzyat' vodorod? Konechno, proshe vsego iz ballona. Iz zelenogo ballona s krasnoi nadpis'yu "Vodorod" i s ventilem s "levoi" rez'boi (goryuchii gaz!). No esli ballona pod rukami net?

Vodorod mozhno poluchat' vzaimodeistviem metallov s kislotami:

Zn + H2SO4 $\to$ ZnSO4 + N2$\uparrow$.

No etot vodorod ne mozhet byt' ideal'no chistym, potomu chto nuzhny ideal'no chistye metall i kislota. Chistyi vodorod poluchal eshe Lavuaz'e, propuskaya pary vody cherez raskalennyi na zharovne ruzheinyi stvol:

4N2O + 3Fe $\to$ Fe3O4 + 4N2$\uparrow$.

No i etot sposob ne slishkom udoben, hotya v sovremennoi laboratorii mozhno oboitis' kvarcevoi trubkoi, napolnennoi zheleznymi struzhkami i nagrevaemoi v elektropechi.

Elektroliz! Distillirovannaya voda, v kotoruyu dlya povysheniya elektroprovodnosti dobavleno nemnogo sernoi kisloty, razlagaetsya pri prohozhdenii postoyannogo toka:

2N2O $\to$ 2N2 $\uparrow$ + O2$\uparrow$.

K vashim uslugam - vodorod pochti ideal'noi chistoty, ego nuzhno tol'ko osvobodit' ot mel'chaishih kapelek vody. (V promyshlennosti v vodu dobavlyayut sheloch', a ne kislotu - chtoby ne razrushalas' metallicheskaya apparatura).

A teper' budem medlenno propuskat' etot vodorod cherez vodu, v kotoroi vzmuchen hloristyi palladii. Pochti srazu nachnetsya vosstanovlenie, i osadok pocherneet - poluchitsya palladievaya chern':

PdCl2 + H2 $\to$ Pd + 2HCl.

Palladievaya chern' - prekrasnyi katalizator dlya gidrirovaniya raznoobraznyh organicheskih soedinenii. A katalizator tut nuzhen potomu, chto molekulyarnyi vodorod ves'ma inerten: dazhe s kislorodom pri obychnyh usloviyah on reagiruet neobychaino medlenno. Ved' snachala molekula vodoroda dolzhna dissociirovat' na atomy, a dlya etogo na kazhdyi mol' vodoroda (t.e. vsego na 2 g!) nuzhno zatratit' 104 kkal. A vot na poverhnosti katalizatora etot process idet s gorazdo men'shimi zatratami energii, vodorod rezko aktiviziruetsya.

Pozhalui, ne stoit mnogo govorit' o roli katalizatorov v sovremennoi himicheskoi tehnologii: v ih prisutstvii provoditsya podavlyayushee bol'shinstvo processov. I vazhneishii sredi nih - sintez ammiaka iz vodoroda i atmosfernogo azota:

3H2 + N2 $\to$ 2NH3.

Pri etom vodorod dobyvayut ili iz vody i metana po tak nazyvaemoi reakcii konversii:

CH4 + 2N2O $\to$ 4N2 + CO2.

ili rassheplyaya prirodnye uglevodorody po reakcii, obratnoi reakcii gidrirovaniya:

SN3 - SN3 - SN2 = SN2 + N2.

Sinteticheskii ammiak nezamenim v proizvodstve azotnyh udobrenii. No vodorod nuzhen ne tol'ko dlya polucheniya ammiaka. Prevrashenie zhidkih rastitel'nyh zhirov v tverdye zameniteli zhivotnogo masla, preobrazovanie tverdyh nizkokachestvennyh uglei v zhidkoe toplivo i mnogie drugie processy proishodyat s uchastiem elementarnogo vodoroda. Vyhodit, chto vodorod - eto pisha i dlya cheloveka, i dlya rastenii, i dlya mashin...

No vernemsya v laboratoriyu. Zdes' vodorod primenyayut ne tol'ko v chistom vide, no i v vide ego soedinenii s metallami - naprimer alyumogidrida litiya LiAlH4, bor gidrida natriya NaBH4. Eti soedineniya legko i specificheski vosstanavlivayut opredelennye gruppirovki atomov v organicheskih veshestvah:

Izotopy vodoroda - deiterii (2N ili D) i tritii (3N ili T) - pozvolyayut izuchat' tonchaishie mehanizmy himicheskih i biohimicheskih processov. Eti izotopy ispol'zuyut kak "metki", potomu chto atomy deiteriya i tritiya sohranyayut vse himicheskie svoistva obychnogo legkogo izotopa - protiya - i sposobny podmenyat' ego v organicheskih soedineniyah. No deiterii mozhno otlichit' ot protiya po masse, a tritii - i po radioaktivnosti. Eto pozvolyaet prosledit' sud'bu kazhdogo fragmenta mechenoi molekuly.

Vodorod i budushee

Slova "deiterii" i "tritii" napominayut nam o tom, chto segodnya chelovek raspolagaet moshneishim istochnikom energii, vysvobozhdayusheisya pri reakcii:

21N + 31N $\to$ 42Ne +10n + 17,6 Mev.

Eta reakciya nachinaetsya pri 10 mln gradusov i protekaet za nichtozhnye doli sekundy pri vzryve termoyadernoi bomby, prichem vydelyaetsya gigantskoe po masshtabam Zemli kolichestvo energii.

Vodorodnye bomby inogda sravnivayut s Solncem. Odnako my uzhe videli, chto na Solnce idut medlennye i stabil'nye termoyadernye processy. Solnce daruet nam zhizn', a vodorodnaya bomba - sulit smert'...

No kogda-nibud' nastanet vremya - i eto vremya ne za gorami, - kogda merilom cennosti stanet ne zoloto, a energiya. I togda izotopy vodoroda spasut chelovechestvo ot nadvigayushegosya energeticheskogo goloda: v upravlyaemyh termoyadernyh processah kazhdyi litr prirodnoi vody budet davat' stol'ko zhe energii, skol'ko ee dayut seichas 300 l benzina. I chelovechestvo budet s nedoumeniem vspominat', chto bylo vremya, kogda lyudi ugrozhali drug drugu zhivotvornym istochnikom tepla i sveta...

Protii, deiterii, tritii...

Fizicheskie i himicheskie svoistva izotopov vseh elementov, krome vodoroda, prakticheski odinakovy: ved' dlya atomov, yadra kotoryh sostoyat iz neskol'kih protonov i neitronov, ne tak uzh i vazhno - odnim neitronom men'she ili odnim neitronom bol'she. A vot yadro atoma vodoroda - eto odin-edinstvennyi proton, i esli k nemu prisovokupit' neitron, massa yadra vozrastet pochti vdvoe, a esli dva neitrona - vtroe. Poetomu legkii vodorod (protii) kipit pri minus 252,6oC, a temperatura kipeniya ego izotopov otlichaetsya ot etoi velichiny na 3,2o (deiterii) i 4,5o (tritii). Dlya izotopov eto ochen' bol'shoe razlichie!

Udivitel'nye izotopy rasprostraneny v prirode neodinakovo: odin atom deiteriya prihoditsya primerno na 7000, a odin atom beta radioaktivnogo tritiya - na milliard milliardov atomov protiya. Iskusstvennym putem poluchen eshe odin, kraine neustoichivyi izotop vodoroda - 4N.

Tochnost' - prezhde vsego

Otnositel'naya massa legkogo izotopa vodoroda opredelena pryamo-taki s fantasticheskoi tochnost'yu: 1,007276470 (esli prinyat' massu izotopa ugleroda 12S ravnoi 12,0000000). Esli by s takoi tochnost'yu byla izmerena, k primeru, dlina ekvatora, to oshibka ne prevysila by 4 sm!

No zachem nuzhna takaya tochnost'? Ved' kazhdaya novaya cifra trebuet ot eksperimentatorov vse bol'shih i bol'shih usilii... Sekret raskryvaetsya prosto: yadra protiya, protony, prinimayut uchastie vo mnogih yadernyh reakciyah. A esli izvestny massy reagiruyushih yader i massy produktov reakcii, to, pol'zuyas' formuloi E = mc2, mozhno rasschitat' ee energeticheskii effekt. A tak kak energeticheskie effekty dazhe yadernyh reakcii soprovozhdayutsya lish' neznachitel'nym izmeneniem massy, to i prihoditsya eti massy izmeryat' kak mozhno tochnee.

Pervaya ili sed'maya?

Kakoe mesto dolzhen zanimat' vodorod v periodicheskoi sisteme? Kazalos' by, nelepyi vopros: konechno, pervoe! Da, no v kakuyu gruppu ego pomestit'? Dolgoe vremya vodorod raspolagali nad litiem, poskol'ku u nego odin valentnyi elektron, kak i u vseh odnovalentnyh metallov. (Kstati, i teploprovodnost' vodoroda dlya gaza neobychaino velika - molekuly vodoroda dvizhutsya znachitel'no bystree molekul drugih gazov i poetomu intensivnee perenosyat teplo.)

V sovremennoi tablice elementov vodorod pomeshayut v VII gruppu, nad ftorom. Delo v tom, chto logika zakona periodichnosti trebuet, chtoby zaryad yader elementov-analogov pervyh treh periodov razlichalsya na vosem' edinic; poetomu vodorod (poryadkovyi nomer 1) nuzhno rassmatrivat' kak analog ftora (poryadkovyi nomer 9), a ne kak analog litiya (poryadkovyi nomer 3). I vse zhe nuzhno pomnit', chto analogiya tut ne polnaya: hotya vodorod, kak i ftor, sposoben davat' soedineniya s metallami (gidridy), ion vodoroda - eto proton, golaya elementarnaya chastica, i ego voobshe nel'zya sravnivat' ni s kakimi drugimi ionami.

Sheloch' ili kislota?

Veshestva, otsheplyayushie v rastvorah ion vodoroda, proton, nazyvayutsya kislotami, a prisoedinyayushie etot ion - shelochami. Koncentraciya protonov harakterizuet reakciyu sredy: v 1 l neitral'nogo vodnogo rastvora, kak i v 1 l chistoi vody, soderzhitsya 10-7 gramm-ionov vodoroda; esli koncentraciya protonov vyshe, sreda priobretaet kisluyu reakciyu, a esli nizhe - shelochnuyu. (Logarifm etoi koncentracii, vzyatyi s protivopolozhnym znakom, - "vodorodnyi pokazatel'", ili rN.)

Odnako sleduet pomnit', chto svobodnyh protonov v vodnyh rastvorah net i ne mozhet byt': yadro atoma vodoroda nastol'ko malo, chto ono kak by vnedryaetsya v elektronnuyu obolochku vody i obrazuet osoboe soedinenie - ion oksoniya:

N+ + N2O $\to$ N3O+.

Vprochem, delo tut obstoit skoree naoborot - ne ion oksoniya obrazuetsya potomu, chto proton otsheplyaetsya ot kisloty, a kislota dissociiruet potomu, chto obrazuetsya ion oksoniya. Poetomu shemu dissociacii, skazhem, hloristogo vodoroda, sleduet zapisat' tak:

HSl + H2O $\to$ H3O+ + Sl-.

Eto znachit, chto voda pri rastvorenii v nei hloristogo vodoroda vedet sebya kak sheloch' (ona prisoedinyaet proton); esli zhe v nei rastvoryaetsya, naprimer, ammiak, to voda vystupaet uzhe v roli kisloty:

NH3 + N2O $\to$ NH4+ + ON-.

Odnim slovom - vse v mire otnositel'no...

Chudesa okklyuzii

Predstav'te sebe takoi opyt. V pribore dlya elektroliza vody katod izgotovlen v vide plastinki. Vy vklyuchaete tok, i... plastinka sama soboi nachinaet izgibat'sya! Sekret etogo fokusa zaklyuchaetsya v tom, chto plastinka izgotovlena iz palladiya i s odnoi storony pokryta sloem laka. Pri elektrolize na ne lakirovannoi storone plastinki vydelyaetsya vodorod i totchas zhe rastvoryaetsya v metalle; a tak kak pri etom ob'em palladiya uvelichivaetsya, to voznikaet usilie, izgibayushee plastinku.

No podozhdite, - skazhete vy, - razve gazy rastvoryayutsya v metallah? Voobshe govorya, v etom yavlenii, nazyvaemom okklyuziei, net nichego udivitel'nogo. Udivitel'no drugoe: v odnom ob'eme palladiya rastvoryaetsya do 850 ob'emov vodoroda! Eto nemnogim men'she togo kolichestva ammiaka, kakoe mozhet rastvorit'sya v odnom ob'eme vody, - a uzh kakoi gaz rastvoryaetsya v vode luchshe! Vodorod zhe rastvoryaetsya v vode ochen' slabo - okolo 0,02 ob'ema na ob'em vody.

In statu nascendi

Pri sgoranii vodoroda v chistom kislorode razvivaetsya temperatura do 2800oC - takoe plamya legko plavit kvarc i bol'shinstvo metallov. No s pomosh'yu vodoroda mozhno dostich' i eshe bolee vysokoi temperatury, esli ispol'zovat' ego ne kak istochnik, a kak perenoschik i koncentrator energii.

Vot kak eto delaetsya. Struyu vodoroda propuskayut cherez plamya vol'tovoi dugi. Pod deistviem vysokoi temperatury ego molekuly raspadayutsya, dissociiruyut na atomy, pogloshaya bol'shoe kolichestvo energii. Obrazovavshiisya atomarnyi vodorod soedinyaetsya v molekuly ne mgnovenno: ved' atomy dolzhny prezhde otdat' zapasennuyu energiyu. I esli struya atomarnogo vodoroda napravlena na kakuyu-nibud' tverduyu poverhnost', to imenno na nei i proishodit soedinenie atomov v molekuly: vydelyaetsya energiya dissociacii, i temperatura poverhnosti povyshaetsya do 3500...4000oC. S pomosh'yu takoi atomarno-vodorodnoi gorelki mozhno obrabatyvat' dazhe samye tugoplavkie metally.

Atomarnyi vodorod rozhdaetsya ne tol'ko v plameni dugi: on obrazuetsya dazhe pri reakcii kislot s metallami. V moment svoego o vydeleniya (po latyni - in statu nascendi) vodorod obladaet povyshennoi aktivnost'yu, i himiki ispol'zuyut ego dlya vosstanovleniya organicheskih veshestv.

Skol'ko vsego vodorodov?

My uzhe govorili o chetyreh raznovidnostyah vodoroda - ego izotopah. I vse zhe v prirode sushestvuet gorazdo bol'she raznyh "vodorodov", esli govorit' ne tol'ko ob atomah etogo elementa, no i o ego molekulah. Delo v tom, chto pri normal'nyh usloviyah molekulyarnyi vodorod predstavlyaet soboi smes' dvuh neobychnyh izomerov - tak nazyvaemyh orto- i parovodoroda, kotorye otlichayutsya orientaciei magnitnyh momentov yader sostavlyayushih ih atomov. U ortovodoroda eti momenty imeyut odinakovuyu orientaciyu, a u para vodoroda - protivopolozhnuyu; orto- i paraizomery otlichayutsya i svoimi fizicheskimi svoistvami. A tak kak podobnye zhe izomery est' i u deiteriya, i u tritiya i tak kak mogut sushestvovat' molekuly HD, NT i DT, kazhdaya iz kotoryh tozhe, po-vidimomu, mozhet sushestvovat' v vide orto- i paraizomerov, to eto znachit, chto sushestvuet dvenadcat' raznovidnostei molekulyarnogo vodoroda.

No i eto eshe ne vse. Ne tak davno uchenym udalos' poluchit' antivodorod - atom, postroennyi iz antiprotona i pozitrona, a vsled za nim v uskoritelyah vysokih energii byli polucheny yadra antideiteriya i antitritiya. A eshe est' mezoatomy, v kotoryh proton ili elektron zameneny tem ili inym mezonom. Ih tozhe mozhno rassmatrivat' kak svoeobraznye izotopy vodoroda...

Pervyi metallicheskii vodorod

S vodorodom, kak my znaem, segodnya svyazany, po men'shei mere tri nadezhdy: na termoyadernuyu energiyu, na peredachu energii pochti bez poter' (v sverhprovodyashih ustroistvah pri temperature zhidkogo vodoroda, a ne zhidkogo geliya) i - kak na goryuchee, bezvrednoe dlya okruzhayushei sredy. I vse eti nadezhdy svyazyvayut prezhde vsego s metallicheskim vodorodom, t.e. takim vodorodom, kotoryi predstavlyaet soboi tverdoe telo, obladayushee vysokoi elektroprovodnost'yu i drugimi svoistvami metalla. Kompaktnyi metallicheskii vodorod dolzhen byt' naibolee udobnym vodorodom-toplivom. Krome togo, est' teoreticheskie predposylki, soglasno kotorym metallicheskii vodorod mozhet sushestvovat' i pri obychnoi temperature, ostavayas' pri etom sverhprovodnikom.

Metallicheskii vodorod pytalis' (i prodolzhayut pytat'sya) poluchit' raznymi sposobami, podvergaya obyknovennyi tverdyi vodorod staticheskim ili dinamicheskim nagruzkam. Pervoe soobshenie o vozmozhnom uspehe pri reshenii etoi vazhnoi i slozhnoi problemy bylo opublikovano v fevrale 1975 g. gruppoi uchenyh Instituta fiziki vysokih davlenii AN SSSR (vo glave s akademikom L.F. Vereshaginym). Osadiv na ohlazhdennye do 4,2oK almaznye nakoval'ni tonkii sloi vodoroda i vozdeistvovav na nego ochen' vysokim davleniem, nablyudali neobychnoe yavlenie. Elektricheskoe soprotivlenie vodoroda umen'shilos' v milliony raz - on pereshel v metallicheskoe sostoyanie. Eto proizoshlo pod staticheskim davleniem poryadka 3 mln atm. Kogda zhe davlenie nachali snizhat', to uzhe primerno pri troekratnom umen'shenii davleniya (1 mln atm.) proishodil obratnyi perehod vodoroda iz metallicheskogo sostoyaniya v obychnoe, dielektricheskoe. Vprochem, etot fakt issledovateli ne vosprinimali kak fatal'nuyu neudachu, oznachayushuyu nevozmozhnost' sushestvovaniya metallicheskogo vodoroda pri normal'nom davlenii. Oni nadeyutsya, chto metallicheskii vodorod kak-to udastsya "zakalit'" i so vremenem sdelat' dostupnym dlya uchenyh raznyh special'nostei. I dlya tehniki, vidimo, tozhe.

<< Zakon Mendeleeva - zakon prirody | Oglavlenie | Gelii >>

Publikacii s klyuchevymi slovami: himicheskie elementy - atomy - periodicheskaya tablica Mendeleeva
Publikacii so slovami: himicheskie elementy - atomy - periodicheskaya tablica Mendeleeva
Sm. takzhe:
Vse publikacii na tu zhe temu >>

Mnenie chitatelya [1]
Ocenka: 3.3 [golosov: 177]
 
O reitinge
Versiya dlya pechati Raspechatat'

Astrometriya - Astronomicheskie instrumenty - Astronomicheskoe obrazovanie - Astrofizika - Istoriya astronomii - Kosmonavtika, issledovanie kosmosa - Lyubitel'skaya astronomiya - Planety i Solnechnaya sistema - Solnce

Astronet | Nauchnaya set' | GAISh MGU | Poisk po MGU | O proekte | Avtoram

Kommentarii, voprosy? Pishite: info@astronet.ru ili syuda

Rambler's Top100 Yandeks citirovaniya