Kuris cheminis elementas yra labiausiai paplitęs ir kodėl? Mokslininkai rado būdą, kaip gaminti deguonį Žemėje – deguonį, kosmose – vandenilį.

Vandenilis (H) yra labai lengvas cheminis elementas, kurio žemės plutoje yra 0,9 % masės, o vandenyje – 11,19 % masės.

Vandenilio charakteristikos

Tai pirmasis tarp lengvumo dujų. Normaliomis sąlygomis jis yra beskonis, bespalvis ir visiškai bekvapis. Patekęs į termosferą, dėl mažo svorio išskrenda į kosmosą.

Visoje visatoje tai yra daugiausiai cheminių elementų (75% visos medžiagų masės). Tiek daug, kad daugelis žvaigždžių kosmose yra sudarytos tik iš jo. Pavyzdžiui, Saulė. Jo pagrindinis komponentas yra vandenilis. O šiluma ir šviesa yra energijos išsiskyrimo materialių branduolių sintezės metu rezultatas. Taip pat erdvėje yra ištisi įvairaus dydžio, tankio ir temperatūros jo molekulių debesys.

Fizinės savybės

Aukšta temperatūra ir slėgis žymiai pakeičia jo savybes, tačiau normaliomis sąlygomis:

Jis turi aukštą šilumos laidumą, palyginti su kitomis dujomis,

Netoksiškas ir blogai tirpus vandenyje,

kurio tankis 0,0899 g/l esant 0°C ir 1 atm.

-252,8°C temperatūroje virsta skysčiu

Kietėja esant -259,1°C,

Savitoji degimo šiluma 120.9.106 J/kg.

Norint virsti skysčiu ar kieta medžiaga, reikalingas aukštas slėgis ir labai žema temperatūra. Suskystintas jis yra skystas ir lengvas.

Cheminės savybės

Esant slėgiui ir atvėsus (-252,87 laipsnių C), vandenilis įgauna skystą būseną, kuri yra lengvesnė už bet kurį analogą. Jame jis užima mažiau vietos nei dujinis.

Tai tipiškas nemetalas. Laboratorijose jis gaminamas reaguojant metalams (pvz., cinkui ar geležiui) su praskiestomis rūgštimis. Normaliomis sąlygomis jis yra neaktyvus ir reaguoja tik su aktyviais nemetalais. Vandenilis gali atskirti deguonį nuo oksidų ir redukuoti metalus iš junginių. Jis ir jo mišiniai sudaro vandenilinius ryšius su tam tikrais elementais.

Dujos gerai tirpsta etanolyje ir daugelyje metalų, ypač paladyje. Sidabras jo netirpdo. Vandenilis gali oksiduotis degdamas deguonimi ar ore bei sąveikaujant su halogenais.

Kai jis susijungia su deguonimi, susidaro vanduo. Jei temperatūra normali, tada reakcija vyksta lėtai, jei aukštesnė nei 550°C, ji sprogsta (virsta detonuojančiomis dujomis).

Vandenilio radimas gamtoje

Nors mūsų planetoje yra daug vandenilio, jo nėra lengva rasti gryno pavidalo. Šiek tiek galima rasti ugnikalnių išsiveržimų metu, naftos gavybos metu ir ten, kur skyla organinės medžiagos.

Daugiau nei pusė viso kiekio yra kompozicijoje su vandeniu. Jis taip pat įtrauktas į naftos, įvairių molių, degiųjų dujų, gyvūnų ir augalų struktūrą (kiekvienoje gyvoje ląstelėje yra 50% atomų skaičiaus).

Vandenilio ciklas gamtoje

Kasmet vandens telkiniuose ir dirvožemyje suyra kolosalus kiekis (milijardai tonų) augalų liekanų ir dėl šio skilimo į atmosferą patenka didžiulė vandenilio masė. Jis taip pat išsiskiria per bet kokią bakterijų sukeltą fermentaciją, degimą ir kartu su deguonimi dalyvauja vandens cikle.

Vandenilio programos

Elementą žmonija aktyviai naudoja savo veikloje, todėl išmokome jį gauti pramoniniu mastu:

Meteorologija, chemijos gamyba;

Margarino gamyba;

Kaip raketų kuras (skystas vandenilis);

Elektros energijos pramonė elektros generatorių aušinimui;

Metalų suvirinimas ir pjovimas.

Daug vandenilio sunaudojama gaminant sintetinį benziną (siekiant pagerinti nekokybiško kuro kokybę), amoniaką, vandenilio chloridą, alkoholius ir kitas medžiagas. Branduolinė energija aktyviai naudoja savo izotopus.

Vaistas „vandenilio peroksidas“ plačiai naudojamas metalurgijoje, elektronikos pramonėje, celiuliozės ir popieriaus gamyboje, lininiams ir medvilniniams audiniams balinti, plaukų dažams ir kosmetikai, polimerams gaminti bei medicinoje žaizdoms gydyti.

Šių dujų „sprogioji“ prigimtis gali tapti mirtinu ginklu – vandeniline bomba. Jo sprogimą lydi didžiulis radioaktyviųjų medžiagų kiekis ir jis yra žalingas visiems gyviems dalykams.

Skysto vandenilio kontaktas su oda gali sukelti sunkų ir skausmingą nušalimą.

Kosmoso agentūros ir privačios bendrovės jau rengia planus per ateinančius kelerius metus siųsti žmones į Marsą, o tai galiausiai paskatins jo kolonizaciją. O aplink netoliese esančias žvaigždes vis daugėjant aptiktų į Žemę panašių planetų, ilgos kelionės kosmose tampa vis aktualesnės.

Tačiau žmonėms nėra lengva išgyventi kosmose ilgą laiką. Vienas iš pagrindinių iššūkių skrydžiams į kosmosą yra tiekti pakankamai deguonies, kad astronautai galėtų kvėpuoti, ir pakankamai degalų, kad galėtų valdyti sudėtingą elektroniką. Deja, deguonies erdvėje praktiškai nėra, todėl jį reikia saugoti Žemėje.

Tačiau nauji tyrimai, paskelbti Nature Communications, rodo, kad vandenilį (kurui) ir deguonį (kvėpavimui) iš vandens galima gaminti naudojant tik puslaidininkines medžiagas, saulės šviesą (arba žvaigždžių šviesą) ir nesvarumą, todėl ilgos kelionės tampa labiau įmanomos.

Naudoti neribotus saulės išteklius mūsų kasdieniniam gyvenimui yra vienas iš globaliausių iššūkių Žemėje. Lėtai tolstant nuo naftos ir prie atsinaujinančių energijos šaltinių, mokslininkai domisi galimybe naudoti vandenilį kaip kurą. Geriausias būdas tai padaryti būtų atskirti vandenį (H2O) į jo komponentus: vandenilį ir deguonį. Tai įmanoma naudojant procesą, žinomą kaip elektrolizė, kai srovė praeina per vandenį, kuriame yra šiek tiek tirpaus elektrolito (pvz., druskos). apytiksliai vertimas). Dėl to vanduo skyla į deguonies ir vandenilio atomus, kurių kiekvienas išsiskiria prie savo elektrodo.

Vandens elektrolizė.

Nors šis metodas yra techniškai įmanomas ir žinomas šimtmečius, jis vis dar nėra lengvai prieinamas Žemėje, nes mums reikia daugiau su vandeniliu susijusios infrastruktūros – pavyzdžiui, vandenilio degalinių.

Tokiu būdu iš vandens gautas vandenilis ir deguonis taip pat gali būti naudojami kaip kuras erdvėlaiviuose. Paleisti raketą vandeniu iš tikrųjų būtų daug saugiau nei paleisti ją su papildomu raketiniu kuru ir deguonimi, nes mišinys gali būti sprogus avarijos metu. Dabar kosmose specialios technologijos galės atskirti vandenį į vandenilį ir deguonį, kurie savo ruožtu gali būti naudojami kvėpavimui ir elektronikos funkcionalumui palaikyti (pavyzdžiui, naudojant kuro elementus).

Tam yra du variantai. Viena iš jų yra elektrolizė, kaip ir Žemėje, naudojant elektrolitus ir saulės elementus srovei gaminti. Bet, deja, elektrolizė yra labai daug energijos reikalaujantis procesas, o energija kosmose jau yra „aukso vertė“.

Alternatyva yra naudoti fotokatalizatorius, kurie absorbuoja fotonus iš puslaidininkinės medžiagos, įdėtos į vandenį. Fotono energija "išmuša" elektroną iš medžiagos, palikdama joje "skylę". Laisvas elektronas gali sąveikauti su protonais vandenyje, sudarydamas vandenilio atomus. Tuo tarpu „skylė“ gali sugerti elektronus iš vandens, kad susidarytų protonai ir deguonies atomai.



Fotokatalizės procesas antžeminėmis sąlygomis ir mikrogravitacijoje (milijoną kartų mažiau nei Žemėje). Kaip matyti, antruoju atveju dujų burbuliukų atsiranda daugiau.

Šis procesas gali būti apverstas. Vandenilį ir deguonį galima rekombinuoti (sujungti) naudojant kuro elementą, dėl to grįžtama saulės energija, sunaudota fotokatalizei ir susidaro vanduo. Taigi ši technologija yra tikrasis raktas į gilias kosmines keliones.

Procesas naudojant fotokatalizatorius yra geriausias pasirinkimas kosminėms kelionėms, nes įranga sveria daug mažiau nei reikia elektrolizei. Teoriškai dirbti su juo erdvėje taip pat lengviau. Taip yra iš dalies dėl to, kad saulės šviesos intensyvumas už Žemės atmosferos ribų yra daug didesnis, nes pastarojoje gana didelė dalis šviesos sugeria arba atsispindi pakeliui į paviršių.

Naujame tyrime mokslininkai iš 120 metrų aukščio bokšto numetė visiškai veikiantį fotokatalizės eksperimentinį įrenginį, sukurdami sąlygas, vadinamas mikrogravitacija. Kai objektai krinta į Žemę laisvo kritimo metu, gravitacijos poveikis mažėja (tačiau pati gravitacija neišnyksta, todėl ji vadinama mikrogravitacija, o ne be gravitacija - apytiksliai vertimas), kadangi nėra jėgų, kompensuojančių Žemės gravitaciją, todėl kritimo metu instaliacijoje susidaro sąlygos kaip ir TKS.

Eksperimentinė sąranka ir eksperimentinis procesas.

Tyrėjai sugebėjo įrodyti, kad tokiomis sąlygomis išties įmanoma suskaidyti vandenį. Tačiau kadangi šis procesas gamina dujas, vandenyje susidaro burbuliukai. Svarbi užduotis yra atsikratyti katalizatoriaus medžiagos burbuliukų, nes jie trukdo dujų susidarymo procesui. Žemėje dėl gravitacijos burbuliukai išplaukia į paviršių (vanduo šalia paviršiaus yra tankesnis nei burbuliukai, todėl jie gali plūduriuoti paviršiuje), atlaisvina vietos prie katalizatoriaus tolesniems burbulams susidaryti.

Esant nulinei gravitacijai, tai neįmanoma, o dujų burbuliukai lieka ant katalizatoriaus arba šalia jo. Tačiau mokslininkai katalizatoriaus formą pakoregavo nanoskalėje, sukurdami piramidines zonas, kuriose burbulas galėtų lengvai atitrūkti nuo piramidės viršūnės ir patekti į vandenį, netrukdydamas naujų burbuliukų susidarymo procesui.

Tačiau viena problema išlieka. Nesant gravitacijos, burbuliukai liks skystyje, net jei jie buvo priversti palikti katalizatorių. Gravitacija leidžia dujoms lengvai išeiti iš skysčio, o tai labai svarbu naudojant gryną vandenilį ir deguonį. Be gravitacijos, jokie dujų burbuliukai neplaukioja paviršiuje ir neatsiskiria nuo skysčio – vietoj jų susidaro putų atitikmuo.

Tai labai sumažina proceso efektyvumą blokuojant katalizatorius arba elektrodus. Šios problemos inžineriniai sprendimai bus raktas į sėkmingą technologijos įgyvendinimą erdvėje – vienas iš galimų sprendimų yra pasukti įrenginį: tokiu būdu išcentrinės jėgos sukurs dirbtinę gravitaciją. Tačiau nepaisant to, šio naujo tyrimo dėka esame vienu žingsniu arčiau ilgalaikio žmogaus skrydžio į kosmosą.

Bespalvės, bekvapės, degios dujos. Vandenilio tankis normaliomis sąlygomis yra 0,09 kg/m3; oro tankis - 0,07 kg/m3; kaloringumas - 28670 kcal/kg; minimali užsidegimo energija – 0,017 mJ. Su oru ir deguonimi sudaro sprogų mišinį. Mišinys su chloru (1:1) sprogsta šviesoje; su fluoru vandenilis jungiasi su sprogimu tamsoje; mišinys su (2:1) – sprogiomis dujomis. Sprogimo ribos: nuo 4 iki 75 t. %, su deguonimi 4,1 - 96 t. %.

Tą dieną, kai jos atsargos baigsis, gyvenimas Visatoje nutrūks. Medžiaga, be kurios neįmanoma gyvybė, „sėdi“ pačiame mūsų planetos centre - šerdyje ir aplink ją, o iš ten „migruoja“ į išorę. Šios dujos yra visų pradų pradžia. Jo vardas - " vandenilis».
Vandenilis randama šerdyje ir aplink ją. Toliau ateina tanki mantija. Tačiau šios dujos tyliai migruoja per uolienų masę. Kai Žemė buvo jauna, vandenilio gelmėse buvo daug daugiau, o iš gelmių jis išėjo visoje Žemėje. Kai jo sumažėjo, procesas santykinai stabilizavosi ir vandenilis pradėjo „išeiti“ į specialias zonas, palei vandenynų kalnagūbrių ydas.
Žinoma, šiuolaikinė gyvybė Žemėje atsirado esant tam tikram deguonies potencialui. Tačiau norėdami būti objektyvūs, mes skolingi visų mūsų planetos pradų pradžiai vandenilis. Gyvybės Žemėje šaltiniu tapo dinaminis vandenilio ciklas, jo patekimo iš Žemės žarnų, o ne anglies, kaip buvo manyta anksčiau, procesas.

Vandenilis ir Visata

Dažniausiai, norėdami pabrėžti konkretaus elemento reikšmę, sakoma: jei jo nebūtų, būtų nutikę taip ir taip. Tačiau, kaip taisyklė, tai yra ne kas kita, kaip retorinis prietaisas. Ir čia vandenilis gali kada nors tikrai netapti, nes nuolat dega žvaigždžių žarnyne, virsdamas inertiška.
Vandenilis yra labiausiai paplitęs elementas erdvėje. Ji sudaro maždaug pusę Saulės ir daugumos kitų žvaigždžių masės. Jis randamas dujų ūkuose, tarpžvaigždinėse dujose ir yra žvaigždžių dalis. Žvaigždžių gelmėse vyksta atomų branduolių transformacija vandenilisį helio atomų branduolius. Šis procesas vyksta išleidžiant energiją; Daugeliui žvaigždžių, įskaitant Saulę, ji yra pagrindinis energijos šaltinis.
Kiekvieną sekundę Saulė į kosmosą išmeta keturių milijonų tonų masės energiją. Ši energija susidaro susiliejus keturiems branduoliams vandenilis, protonų, į branduolį. Vieno gramo protonų „degimas“ išskiria dvidešimt milijonų kartų daugiau energijos nei sudegus gramui anglies. Niekas niekada nepastebėjo tokios reakcijos Žemėje: ji vyksta tokioje temperatūroje ir slėgyje, kuri egzistuoja tik žvaigždžių gelmėse ir žmonių dar neįvaldė.
Neįmanoma įsivaizduoti galios, prilygstančios keturių milijonų tonų masės praradimui kas sekundę: net ir su galingiausiu termobranduoliniu sprogimu energija paverčiama tik apie kilogramą medžiagos. Tačiau proceso greitis, t.y. Šerdžių skaičius vandenilis, virstantis helio branduoliais per vieną kubinį metrą per vieną sekundę, yra nedidelis. Todėl energijos kiekis, išsiskiriantis per laiko vienetą tūrio vienetui, yra mažas. Taigi paaiškėja, kad specifinė Saulės galia yra nereikšminga - daug mažesnė nei tokio „šilumą generuojančio įrenginio“, kaip paties žmogaus, galia! Ir skaičiavimai rodo, kad Saulė nenutrūkstamai švies dar mažiausiai trisdešimt milijardų metų. Užteks mūsų gyvenimui.

Vandens gimdymas

Buvo atrastas vandenilis pirmoje pusėje vokiečių gydytojas ir gamtininkas Paracelsas. Chemikų darbuose XVI–XVIII a. buvo paminėtos „degiosios dujos“ arba „degius oras“, kuriuos sujungus su paprastomis dujomis susidarė sprogūs mišiniai. Jis buvo gautas veikiant tam tikrus metalus (geležį, cinką, alavą) praskiestų rūgščių – sieros ir druskos rūgščių – tirpalais.
Pirmasis mokslininkas, aprašęs šių dujų savybes, buvo anglų mokslininkas Henry Cavendish. Jis nustatė jo tankį ir tyrė degimą ore, tačiau laikymasis flogistono teorijos* neleido tyrėjui suprasti vykstančių procesų esmės.
1779 m. gavo Antoine'as Lavoisier vandenilis skaidant vandenį, perleidžiant jo garus per raudonai įkaitusį geležies vamzdelį. Lavoisier taip pat įrodė, kad kai „degus oras“ sąveikauja su deguonimi, susidaro vanduo, o dujos reaguoja tūrio santykiu 2:1. Tai leido mokslininkui nustatyti vandens sudėtį - H2O. Lavoisier ir jo kolegos elemento pavadinimą „Hydrogenium“ kildino iš graikiškų žodžių „gidor“ – vanduo ir „gennao“ – aš pagimdžiu. Rusiškas pavadinimas "vandenilis" 1824 m. pasiūlė chemikas M. F. Solovjovas - pagal analogiją su Lomonosovo „deguonimi“.
Vandenilis- bespalvės dujos, beskonės ir bekvapės, šiek tiek tirpios vandenyje. Jis yra 14,5 karto lengvesnis už orą – lengviausias dujas. Štai kodėl vandenilis Jie pildydavo balionus ir dirižablius. Esant -253°C temperatūrai vandenilis suskystėja. Šis bespalvis skystis yra lengviausias iš visų žinomų: 1 ml sveria mažiau nei dešimtadalį gramo. -259°C temperatūroje skystas vandenilis užšąla, virsdamas bespalviais kristalais.
Molekulės H2 tokie maži, kad lengvai prasiskverbia ne tik per mažas poras, bet ir per metalus. Kai kurie iš jų, pavyzdžiui, nikelis, gali sugerti didelius kiekius vandenilis ir laikykite jį atominėje formoje kristalinės gardelės tuštumose. Paladžio folija, pašildyta iki 250 ° C, laisvai praeina vandenilis; Tai naudojama kruopščiai išvalyti nuo kitų dujų.
Su tirpumu vandenilis metaluose yra susijęs su jo gebėjimu difunduoti per metalus. Be to, kadangi dujos yra lengviausios, vandenilis turi didžiausią difuzijos greitį: jo molekulės pasklinda greičiau nei visų kitų dujų molekulės kitos medžiagos aplinkoje ir pereina per įvairias pertvaras.
Vandenilis- veiklioji medžiaga, kuri lengvai patenka į chemines reakcijas. Jai degant išsiskiria daug šilumos, o vienintelis reakcijos produktas yra vanduo: 2H2 + O2 = 2H2O. Apie tokį ekologišką kurą galima tik pasvajoti!
Šiandien (nors kol kas ribotu kiekiu) automobiliai su vandenilis variklius. Tai BMW Hydrogen 7, kuris kaip degalus naudoja skystąjį kurą. vandenilis; autobusas „Mercedes Citaro“ ir lengvasis automobilis „Mazda RX-8 Hydrogen“, vienu metu varomas benzinu ir vandenilis. O „Boeing“ kompanija kuria didelio aukščio ir skrydžio trukmės nepilotuojamą orlaivį (High Altitude Long Endurance (HALE). Lėktuvas aprūpintas vandenilis variklis, pagamintas Ford Motor Company. Tačiau plėtra vandenilis energetikos sektoriui trukdo didelė rizika dirbant su šiomis dujomis, taip pat sunkumai jas sandėliuojant.

Patirtis, kuri beveik kainavo tavo gyvybę

Su oro deguonimi vandenilis susidaro sprogus mišinys – sprogios dujos. Todėl dirbant su vandenilis reikia būti ypač atsargiems. Švarus vandenilis Jis dega beveik tyliai, o susimaišęs su oru sukelia būdingą stiprų trenksmą. Detonuojančių dujų sprogimas mėgintuvėlyje nekelia pavojaus eksperimentuotojui, tačiau naudojant plokščiadugnę kolbą ar storą stiklinį indą galima rimtai susižaloti.
Vandenilis yra dvigubos cheminės prigimties, pasižyminčios oksidacinėmis ir redukuojančiomis savybėmis. Daugumoje reakcijų jis veikia kaip reduktorius, sudarydamas junginius, kuriuose jo oksidacijos laipsnis yra +1. Tačiau reakcijose su aktyviais metalais jis veikia kaip oksidatorius: jo oksidacijos laipsnis junginiuose su metalais yra -1.
Taigi, atsisakius vieno elektrono, vandenilis rodo panašumą su pirmosios periodinės lentelės grupės metalais ir, pridėjus elektroną, su septintos grupės nemetalais. Štai kodėl vandenilis periodinėje lentelėje jie dažniausiai pateikiami arba pirmoje grupėje ir tuo pačiu metu septintoje skliaustuose, arba septintoje grupėje ir skliausteliuose pirmoje.

Vandenilio naudojimas ir gamyba

Naudota vandenilis gaminant metanolį, vandenilio chloridą, augaliniams riebalams hidrinti (gaminant margariną), taip pat metalams (molibdenui, volframui, indiui) atgauti iš oksidų. Vandenilio-deguonies liepsna (3000°C) naudojama ugniai atspariems metalams ir lydiniams virinti ir pjaustyti. Skystis vandenilis tarnauja kaip raketų kuras.
Hidrinant anglį ir naftą, prastai vandenilisžemos kokybės degalai paverčiami kokybiškais.
Vandenilis naudojamas galingiems elektros srovės generatoriams aušinti, o jo izotopai naudojami branduolinėje energetikoje.
Pramonėje vandenilis gaunamas elektrolizės būdu iš vandeninių druskų tirpalų (pavyzdžiui, NaCl, Na2CO4), taip pat kietojo ir dujinio kuro – anglies ir gamtinių dujų – konversijos metu. Konversijos procesai vyksta maždaug 1000°C temperatūroje, dalyvaujant katalizatoriams. Gautas dujų mišinys vadinamas sintezės dujomis.

Beveik kiekvienoje namų vaistinėlėje yra 3% peroksido tirpalo buteliukas. vandenilis H2O2. Jis naudojamas žaizdoms dezinfekuoti ir kraujavimui stabdyti.

Priklausomai nuo paskirties, techninės vandenilis Galima įsigyti dviejų prekių ženklų suspaustoje ir nesuspaustoje formoje:

„A“ klasės vandenilio dujos- naudojamas elektronikos, farmacijos, chemijos pramonėje, miltelinėje metalurgijoje: ugniai atsparių junginių nusodinimui iš metalų oksidų; sukepinant gaminius, pagamintus iš miltelinių medžiagų, kurių sudėtyje yra chromo ir nerūdijančio plieno.
- naudojamas energetikos, elektronikos, chemijos, spalvotosios metalurgijos, farmacijos pramonėje.