가장 흔한 화학 원소는 무엇이며 그 이유는 무엇입니까? 과학자들은 우주에서 산소, 우주에서 수소를 생산하는 방법을 발견했습니다.

수소(H)는 지각에서 0.9중량%, 물 속에 11.19% 함유되어 있는 매우 가벼운 화학 원소입니다.

수소의 특성

가벼움은 가스 중 첫 번째입니다. 정상적인 조건에서는 무미, 무색, 무취입니다. 열권에 들어가면 무게가 가볍기 때문에 우주로 날아갑니다.

전체 우주에서 가장 많은 화학 원소입니다(전체 물질 질량의 75%). 너무 많아서 우주 공간의 많은 별들이 전부 그것으로 만들어졌습니다. 예를 들어, 태양. 그 주성분은 수소이다. 그리고 열과 빛은 물질 핵이 융합되는 동안 에너지 방출의 결과입니다. 또한 우주에는 다양한 크기, 밀도 및 온도의 분자로 구성된 전체 구름이 있습니다.

물리적 특성

높은 온도와 압력은 품질을 크게 변화시키지만 정상적인 조건에서는 다음과 같습니다.

다른 가스에 비해 열전도율이 높고,

독성이 없으며 물에 잘 녹지 않으며,

0°C 및 1 atm.에서 0.0899 g/l의 밀도로,

-252.8°C에서 액체로 변합니다.

-259.1°C에서 단단해지며,

연소 비열 120.9.106 J/kg.

액체나 고체로 변하려면 높은 압력과 매우 낮은 온도가 필요합니다. 액화 상태에서는 유동적이고 가볍습니다.

화학적 특성

압력을 가하고 냉각(-252.87°C)하면 수소는 어떤 유사체보다 무게가 가벼운 액체 상태를 얻습니다. 기체 형태보다 공간을 덜 차지합니다.

전형적인 비금속입니다. 실험실에서는 금속(아연이나 철 등)을 묽은 산과 반응시켜 생성됩니다. 정상적인 조건에서는 비활성이며 활성 비금속과만 반응합니다. 수소는 산화물에서 산소를 분리하고, 화합물에서 금속을 환원할 수 있습니다. 그것과 그 혼합물은 특정 원소와 수소 결합을 형성합니다.

이 가스는 에탄올과 많은 금속, 특히 팔라듐에 잘 녹습니다. 은은 그것을 녹이지 않습니다. 수소는 산소나 공기 중에서 연소하는 동안, 그리고 할로겐과 상호작용할 때 산화될 수 있습니다.

산소와 결합하면 물이 생성됩니다. 온도가 정상이면 550 ° C 이상이면 폭발과 함께 반응이 천천히 진행됩니다 (폭발성 가스로 변합니다).

자연에서 수소 찾기

지구에는 수소가 많지만 순수한 형태의 수소를 찾는 것은 쉽지 않습니다. 화산 폭발, 석유 생산 중, 유기물이 분해되는 곳에서 소량이 발견될 수 있습니다.

전체량의 절반 이상이 물과 함께 구성되어 있습니다. 또한 석유, 다양한 점토, 가연성 가스, 동물 및 식물의 구조에도 포함되어 있습니다(모든 살아있는 세포의 존재는 원자 수의 50%입니다).

자연의 수소 순환

매년 엄청난 양(수십억 톤)의 식물 잔해가 수역과 토양에서 분해되고, 이러한 분해로 인해 엄청난 양의 수소가 대기 중으로 방출됩니다. 또한 박테리아, 연소로 인한 발효 중에 방출되며 산소와 함께 물 순환에 참여합니다.

수소 응용

이 요소는 인류의 활동에 적극적으로 사용되므로 다음과 같은 목적으로 산업적 규모로 요소를 얻는 방법을 배웠습니다.

기상학, 화학 생산;

마가린 생산;

로켓 연료(액체 수소)로서;

발전기 냉각을 위한 전력 산업;

금속 용접 및 절단.

합성 휘발유(저품질 연료의 품질 향상을 위해), 암모니아, 염화수소, 알코올 및 기타 물질의 생산에 많은 수소가 사용됩니다. 원자력은 동위원소를 적극적으로 사용합니다.

"과산화수소"라는 약물은 야금, 전자 산업, 펄프 및 종이 생산, 린넨 및 면직물의 표백, 모발 염색제 및 화장품 생산, 폴리머 생산 및 상처 치료용 의약품에 널리 사용됩니다.

이 가스의 "폭발성" 특성은 치명적인 무기, 즉 수소폭탄이 될 수 있습니다. 폭발은 엄청난 양의 방사성 물질의 방출을 동반하며 모든 생명체에게 파괴적입니다.

액체수소와 피부의 접촉은 심각하고 고통스러운 동상을 일으킬 수 있습니다.

우주 기관과 민간 기업은 이미 향후 몇 년 안에 인간을 화성에 보내 식민지화를 이루려는 계획을 개발하고 있습니다. 그리고 근처 별 주위에서 발견된 지구와 유사한 행성의 수가 증가함에 따라 장거리 우주 여행의 중요성이 점점 더 커지고 있습니다.

하지만 인간이 우주에서 장기간 생존하는 것은 쉽지 않습니다. 장거리 우주 비행의 주요 과제 중 하나는 우주비행사가 숨을 쉴 수 있을 만큼 충분한 산소와 복잡한 전자 장치를 작동하기에 충분한 연료를 운반하는 것입니다. 안타깝게도 우주에는 산소가 거의 없기 때문에 지구에 저장해야 합니다.

그러나 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)에 발표된 새로운 연구에 따르면 반도체 재료, 햇빛(또는 별빛) 및 무중력만을 사용하여 물에서 수소(연료)와 산소(호흡용)를 생산할 수 있어 장거리 여행이 더욱 가능해졌습니다.

태양의 무한한 자원을 사용하여 일상 생활에 전력을 공급하는 것은 지구상에서 가장 세계적인 과제 중 하나입니다. 우리가 점차 석유에서 재생 에너지원으로 전환함에 따라, 연구자들은 수소를 연료로 사용할 가능성에 관심을 갖고 있습니다. 이를 수행하는 가장 좋은 방법은 물(H2O)을 구성 요소인 수소와 산소로 분리하는 것입니다. 이는 일부 수용성 전해질(예: 염분, 대략. 번역). 결과적으로 물은 산소와 수소 원자로 분해되어 각각 자체 전극에서 방출됩니다.

물의 전기 분해.

이 방법은 기술적으로 가능하고 수세기 동안 알려져 왔지만, 수소 충전소와 같은 수소 관련 인프라가 더 필요하기 때문에 지구상에서는 여전히 쉽게 사용할 수 없습니다.

이렇게 물에서 얻은 수소와 산소는 우주선의 연료로도 사용될 수 있다. 물로 로켓을 발사하는 것은 사고 시 혼합물이 폭발할 수 있기 때문에 추가 추진제와 산소를 탑재하여 발사하는 것보다 실제로 훨씬 안전합니다. 이제 우주에서는 특수 기술을 통해 물을 수소와 산소로 분리할 수 있으며, 이를 통해 호흡과 전자 장치의 기능(예: 연료 전지 사용)을 유지하는 데 사용할 수 있습니다.

이에 대한 두 가지 옵션이 있습니다. 하나는 지구에서와 마찬가지로 전해질과 태양전지를 사용하여 전류를 생산하는 전기분해입니다. 그러나 아쉽게도 전기분해는 매우 에너지 집약적인 과정이며 우주에서의 에너지는 이미 "금만큼의 가치가 있습니다".

대안은 물에 배치된 반도체 재료에 의해 광자를 흡수하여 작동하는 광촉매를 사용하는 것입니다. 광자 에너지는 물질에서 전자를 "두드려서" 그 안에 "구멍"을 남깁니다. 자유 전자는 물 속의 양성자와 상호 작용하여 수소 원자를 형성할 수 있습니다. 한편, "정공"은 물에서 전자를 흡수하여 양성자와 산소 원자를 형성할 수 있습니다.



지상 조건과 미세 중력(지구보다 백만 배 적음)에서의 광촉매 과정. 볼 수 있듯이 두 번째 경우에 나타나는 기포의 수가 더 많습니다.

이 과정은 되돌릴 수 있습니다. 연료전지를 사용하여 수소와 산소를 재결합(결합)할 수 있으며, 그 결과 광촉매 작용과 물 형성에 소비된 태양 에너지가 반환됩니다. 따라서 이 기술은 심우주 여행의 진정한 열쇠입니다.

광촉매를 사용하는 공정은 전기분해에 필요한 것보다 장비의 무게가 훨씬 가볍기 때문에 우주 여행에 가장 적합한 옵션입니다. 이론적으로는 우주에서 작업하는 것도 더 쉽습니다. 이는 지구 대기 외부의 햇빛 강도가 훨씬 더 높다는 사실에 부분적으로 기인합니다. 후자에서는 빛의 상당히 많은 부분이 표면으로가는 동안 흡수되거나 반사되기 때문입니다.

새로운 연구에서 과학자들은 120미터 높이의 타워에서 완전히 작동하는 광촉매 실험 시설을 떨어뜨려 미세중력이라는 조건을 만들었습니다. 물체가 자유낙하하면서 지구로 떨어지면서 중력의 영향이 감소합니다. (그러나 중력 자체는 사라지지 않기 때문에 무중력이 아니라 미세중력이라고 부릅니다.) 대략. 번역), 지구의 중력을 보상하는 힘이 없기 때문에 추락하는 동안 ISS에서와 같이 설치 조건이 생성됩니다.

실험 설정 및 실험 과정.

연구자들은 그러한 조건에서 물을 분리하는 것이 실제로 가능하다는 것을 보여줄 수 있었습니다. 그러나 이 과정에서 가스가 발생하기 때문에 물 속에 기포가 형성됩니다. 중요한 작업은 가스 생성 과정을 방해하는 촉매 물질 거품을 제거하는 것입니다. 지구에서는 중력으로 인해 기포가 표면으로 떠오릅니다(표면 근처의 물은 기포보다 밀도가 높아 표면에 떠오를 수 있음). 그러면 더 많은 기포가 형성될 수 있도록 촉매 공간이 확보됩니다.

무중력 상태에서는 이것이 불가능하며 가스 기포가 촉매 위나 근처에 남아 있습니다. 그러나 과학자들은 나노 규모에서 촉매의 모양을 조정하여 기포가 피라미드 꼭대기에서 쉽게 떨어져 나와 새로운 기포 형성 과정을 방해하지 않고 물에 들어갈 수 있는 피라미드 영역을 만들었습니다.

그러나 한 가지 문제가 남아 있습니다. 중력이 없으면 기포는 촉매에서 강제로 빠져나가더라도 액체에 남아 있게 됩니다. 중력은 가스가 액체에서 쉽게 빠져나갈 수 있도록 하며, 이는 순수한 수소와 산소를 사용하는 데 중요합니다. 중력이 없으면 기포가 표면에 떠다니지 않고 액체와 분리됩니다. 대신 거품과 같은 형태가 형성됩니다.

이는 촉매나 전극을 막아 공정 효율을 급격하게 떨어뜨린다. 이 문제에 대한 엔지니어링 솔루션은 우주에서 기술을 성공적으로 구현하는 데 핵심이 될 것입니다. 가능한 솔루션 중 하나는 설치를 회전시키는 것입니다. 이러한 방식으로 원심력이 인공 중력을 생성합니다. 그럼에도 불구하고, 이 새로운 연구 덕분에 우리는 장기간의 인간 우주 비행에 한 걸음 더 가까워졌습니다.

무색, 무취의 가연성 가스입니다. 정상적인 조건에서 수소의 밀도는 0.09kg/m3입니다. 공기 밀도 - 0.07kg/m3; 발열량 - 28670kcal/kg; 최소 점화 에너지 - 0.017 mJ. 공기와 산소와 폭발성 혼합물을 형성합니다. 염소(1:1)와의 혼합물은 빛을 받으면 폭발합니다. 불소와 함께 수소어둠 속에서의 폭발과 연결됩니다. (2:1)과의 혼합물 - 폭발성 가스. 폭발 한계: 4 - 75 vol. %, 산소 포함 4.1 - 96 vol. %.

보유량이 고갈되는 날, 우주의 생명은 중단됩니다. 생명이 없이는 불가능한 물질은 우리 행성의 중심, 즉 핵 안팎에 "앉아"있고 거기에서 바깥쪽으로 "이동"합니다. 이 가스는 모든 시작의 시작입니다. 그의 이름 - " 수소».
수소코어 안팎에서 발견됩니다. 다음은 촘촘한 맨틀입니다. 그러나 이 가스는 암석 덩어리를 통해 조용히 이동합니다. 지구가 어렸을 때에는 깊은 곳에 수소가 훨씬 더 많았고, 깊은 곳에서는 지구 전체로 나갔습니다. 그 양이 적어지면 공정이 비교적 안정되고, 수소해양 능선의 단층을 따라 특수 구역으로 "나가기"시작했습니다.
물론 지구상의 현대 생명체는 특정 산소 전위에서 발생했습니다. 그러나 객관적으로 말하자면, 우리는 지구상의 모든 시작의 시작을 다음과 같이 빚지고 있습니다. 수소. 지구상 생명의 기원이 된 것은 이전에 믿었던 것처럼 탄소가 아니라 지구의 장에서 들어가는 과정인 수소의 역동적인 순환이었습니다.

수소와 우주

일반적으로 특정 요소의 중요성을 강조하기 위해 그들은 그것이 없었다면 그런 일이 일어났을 것이라고 말합니다. 그러나 원칙적으로 이것은 수사적 장치에 지나지 않습니다. 그리고 여기 수소언젠가는 별의 창자에서 계속 타서 불활성으로 변하기 때문에 실제로는 그렇지 않을 수도 있습니다.
수소는 우주에서 가장 풍부한 원소이다. 그것은 태양과 대부분의 다른 별 질량의 약 절반을 차지합니다. 가스 성운, 성간 가스에서 발견되며 별의 일부입니다. 별의 깊은 곳에서는 원자핵의 변형이 일어납니다. 수소헬륨 원자의 핵 속으로. 이 과정은 에너지 방출과 함께 발생합니다. 태양을 포함한 많은 별들에게 그것은 주요 에너지원 역할을 합니다.
매초 태양은 400만 톤의 질량에 해당하는 에너지를 우주 공간으로 방출합니다. 이 에너지는 네 개의 핵이 융합되는 동안 생성됩니다 수소, 양성자를 핵으로. 1g의 양성자가 "연소"되면 석탄 1g이 연소되는 것보다 2천만 배 더 많은 에너지가 방출됩니다. 누구도 지구상에서 그러한 반응을 관찰한 적이 없습니다. 그것은 별의 깊이에만 존재하고 아직 인간이 통제하지 못한 온도와 압력에서 발생합니다.
매초 400만 톤의 질량 손실에 해당하는 전력은 상상하기 불가능합니다. 가장 강력한 열핵 폭발이 발생하더라도 약 1kg의 물질만이 에너지로 변환됩니다. 그러나 프로세스 속도, 즉 코어 수 수소, 1초에 1입방미터의 헬륨 핵으로 변하는 것은 작습니다. 따라서 단위 부피당 단위 시간당 방출되는 에너지의 양은 작습니다. 따라서 태양의 특정 힘은 무시할 수 있다는 것이 밝혀졌습니다. 사람 자신과 같은 "열 발생 장치"의 힘보다 훨씬 적습니다! 그리고 계산에 따르면 태양은 적어도 앞으로 300억 년 동안 계속해서 빛을 발할 것입니다. 우리 평생 동안 충분합니다.

물을 낳다

수소가 발견되었습니다 16세기 전반 독일의 의사이자 박물학자인 파라셀수스(Paracelsus)에 의해 발견되었습니다. 16~18세기 화학자들의 작품에서. "인화성 가스" 또는 "인화성 공기"가 언급되었는데, 이는 일반 가스와 결합하면 폭발성 혼합물을 생성합니다. 이는 황산 및 염산과 같은 묽은 산 용액을 사용하여 특정 금속(철, 아연, 주석)에 작용하여 얻어졌습니다.
이 가스의 특성을 설명한 최초의 과학자는 영국 과학자 Henry Cavendish였습니다. 그는 밀도를 결정하고 공기 중 연소를 연구했지만 플로지스톤 이론*을 고수하여 연구원은 발생하는 과정의 본질을 이해하지 못했습니다.
1779년 앙투안 라부아지에는 수소물을 분해할 때 증기를 뜨겁게 달궈진 철관을 통해 통과시킵니다. 라부아지에는 또한 "가연성 공기"가 산소와 상호 작용할 때 물이 형성되고 가스가 2:1의 부피 비율로 반응한다는 것을 증명했습니다. 이를 통해 과학자는 물(H2O)의 구성을 결정할 수 있었습니다. Lavoisier와 그의 동료들은 그리스어 "gidor"(물)과 "gennao"(내가 낳다)에서 원소 이름인 수소(Hydrogenium)를 파생했습니다. 러시아 이름 "수소" 1824년 화학자 M.F. Soloviev가 Lomonosov의 "산소"와 유사하게 제안했습니다.
수소- 무색, 무미, 무취의 가스로 물에 약간 용해됩니다. 공기보다 14.5배 가볍습니다. 즉, 가장 가벼운 가스입니다. 그렇기 때문에 수소그들은 풍선과 비행선을 채우는 데 사용되었습니다. -253°C의 온도에서 수소는 액화됩니다. 이 무색 액체는 알려진 것 중 가장 가볍습니다. 1ml의 무게는 10분의 1그램 미만입니다. -259°C에서 액체수소는 동결되어 무색 결정으로 변합니다.
분자 H2너무 작아서 작은 구멍뿐만 아니라 금속도 쉽게 통과할 수 있습니다. 니켈과 같은 일부 물질은 많은 양을 흡수할 수 있습니다. 수소결정 격자의 빈 공간에 원자 형태로 유지됩니다. 250°C로 가열된 팔라듐 포일은 자유롭게 통과합니다. 수소; 이는 다른 가스로부터 철저히 청소하는 데 사용됩니다.
용해도 있음 수소금속의 확산은 금속을 통해 확산되는 능력과 관련이 있습니다. 게다가 가장 가벼운 기체이기 때문에 수소확산 속도가 가장 높습니다. 분자는 다른 물질 환경에서 다른 모든 가스의 분자보다 빠르게 확산되고 다양한 종류의 칸막이를 통과합니다.
수소- 쉽게 화학 반응을 일으키는 활성 물질. 연소되면 많은 열이 방출되고 유일한 반응 생성물은 물입니다: 2H2 + O2 = 2H2O. 이런 친환경 연료는 꿈꿀 수 밖에 없습니다!
오늘날(현재는 수량 제한이 있지만) 자동차에는 수소엔진. 액체연료를 연료로 사용하는 BMW 수소7 입니다. 수소; Mercedes Citaro 버스와 Mazda RX-8 수소 승용차가 휘발유와 동시에 운행됩니다. 수소. 그리고 보잉 사는 고고도 및 비행 시간을 갖춘 무인 항공기 (HALE)를 개발하고 있습니다. 항공기에는 다음이 장착되어 있습니다. 수소포드 자동차 회사에서 제조한 엔진. 그러나 개발 수소에너지 부문은 이 가스를 사용할 때 높은 위험도와 저장의 어려움으로 인해 어려움을 겪고 있습니다.

거의 목숨을 잃을 뻔한 경험

공기 산소로 수소폭발성 혼합물(폭발성 가스)을 형성합니다. 그러므로 함께 일할 때 수소특별한 주의를 기울여야 합니다. 깨끗한 수소거의 조용히 타며, 공기와 섞이면 특유의 큰 소리를 냅니다. 시험관 내에서 폭발가스의 폭발은 실험자에게 위험을 초래하지 않지만, 바닥이 평평한 플라스크나 두꺼운 유리 용기를 사용할 경우 심각한 부상을 입을 수 있습니다.
수소산화 및 환원 특성을 모두 나타내는 이중 화학적 특성을 가지고 있습니다. 대부분의 반응에서 환원제로 작용하여 산화 상태가 +1인 화합물을 형성합니다. 그러나 활성 금속과의 반응에서는 산화제로 작용합니다. 금속과의 화합물의 산화 상태는 -1입니다.
따라서 전자 하나를 포기함으로써 수소주기율표 제1족의 금속과 유사성을 보이고, 전자를 첨가함으로써 제7족의 비금속과 유사성을 보인다. 그렇기 때문에 수소주기율표에서 이들은 일반적으로 첫 번째 그룹에 배치되고 동시에 일곱 번째 그룹에 괄호 안에 배치되거나 일곱 번째 그룹에 첫 번째 그룹에 괄호 안에 배치됩니다.

수소의 이용과 생산

사용된 수소메탄올, 염화수소 생산, 식물성 지방의 수소화(마가린 생산), 산화물로부터 금속(몰리브덴, 텅스텐, 인듐) 회수에도 사용됩니다. 수소-산소 화염(3000°C)은 내화성 금속 및 합금을 용접하고 절단하는 데 사용됩니다. 액체 수소로켓 연료로 사용됩니다.
석탄과 석유의 수소화 과정에서 열악한 수소저등급 연료가 고품질 연료로 전환됩니다.
수소강력한 전류 발생기를 냉각하는 데 사용되며 동위원소는 원자력 에너지에 사용됩니다.
산업계에서는 염 수용액(예: NaCl, Na2CO4)의 전기분해와 고체 및 기체 연료(석탄 및 천연 가스)의 변환 과정에서 수소가 생산됩니다. 전환 공정은 촉매 존재 하에 약 1000°C의 온도에서 발생합니다. 생성된 가스 혼합물을 합성 가스라고 합니다.

거의 모든 가정약 캐비닛에는 3% 과산화물 용액 한 병이 들어 있습니다. 수소 H2O2. 상처를 소독하고 출혈을 멈추는 데 사용됩니다.

목적에 따라 기술적 수소두 가지 브랜드에서 압축 및 비압축 형태로 제공됩니다.

수소가스 등급 “A”- 전자, 제약, 화학 산업, 분말 야금에 사용됩니다. 금속 산화물로부터 내화성 화합물을 증착하는 데 사용됩니다. 크롬, 스테인리스강을 함유한 분말재료로 만든 제품을 소결할 때.
- 에너지, 전자, 화학, 비철 야금, 제약 산업에 사용됩니다.