Unsur kimia manakah yang paling biasa dan mengapa? Para saintis telah menemui cara untuk menghasilkan oksigen di angkasa Di Bumi - oksigen, di angkasa - hidrogen.

Hidrogen (H) ialah unsur kimia yang sangat ringan, dengan kandungan 0.9% berat dalam kerak bumi dan 11.19% dalam air.

Ciri-ciri hidrogen

Ia adalah yang pertama di kalangan gas dalam cahaya. Dalam keadaan biasa, ia tidak berasa, tidak berwarna dan tidak berbau sama sekali. Apabila ia memasuki termosfera, ia terbang ke angkasa kerana beratnya yang rendah.

Di seluruh alam semesta, ia adalah unsur kimia yang paling banyak (75% daripada jumlah jisim bahan). Sehinggakan banyak bintang di angkasa lepas dibuat sepenuhnya daripadanya. Contohnya, Matahari. Komponen utamanya ialah hidrogen. Dan haba dan cahaya adalah hasil daripada pembebasan tenaga semasa pelakuran nukleus bahan. Juga di angkasa terdapat keseluruhan awan molekulnya dalam pelbagai saiz, ketumpatan dan suhu.

Ciri-ciri fizikal

Suhu dan tekanan tinggi mengubah kualitinya dengan ketara, tetapi dalam keadaan biasa ia:

Ia mempunyai kekonduksian terma yang tinggi jika dibandingkan dengan gas lain,

Tidak toksik dan kurang larut dalam air,

Dengan ketumpatan 0.0899 g/l pada 0°C dan 1 atm.,

Berubah menjadi cecair pada suhu -252.8°C

Menjadi keras pada -259.1°C.,

Haba tentu pembakaran 120.9.106 J/kg.

Ia memerlukan tekanan tinggi dan suhu yang sangat rendah untuk bertukar menjadi cecair atau pepejal. Dalam keadaan cair, ia adalah cecair dan ringan.

Sifat kimia

Di bawah tekanan dan apabila disejukkan (-252.87 darjah C), hidrogen memperoleh keadaan cecair, yang lebih ringan dalam berat daripada mana-mana analog. Ia mengambil sedikit ruang di dalamnya berbanding dalam bentuk gas.

Ia adalah bukan logam biasa. Di makmal, ia dihasilkan dengan bertindak balas logam (seperti zink atau besi) dengan asid cair. Dalam keadaan biasa ia tidak aktif dan bertindak balas hanya dengan bukan logam aktif. Hidrogen boleh memisahkan oksigen daripada oksida, dan mengurangkan logam daripada sebatian. Ia dan campurannya membentuk ikatan hidrogen dengan unsur-unsur tertentu.

Gas ini sangat larut dalam etanol dan dalam banyak logam, terutamanya paladium. Perak tidak melarutkannya. Hidrogen boleh teroksida semasa pembakaran dalam oksigen atau udara, dan apabila berinteraksi dengan halogen.

Apabila ia bergabung dengan oksigen, air terbentuk. Jika suhu adalah normal, maka tindak balas berjalan perlahan-lahan jika melebihi 550°C, ia meletup (ia bertukar menjadi gas meletup).

Mencari hidrogen dalam alam semula jadi

Walaupun terdapat banyak hidrogen di planet kita, ia tidak mudah ditemui dalam bentuk tulennya. Sedikit boleh didapati semasa letusan gunung berapi, semasa pengeluaran minyak dan di mana bahan organik terurai.

Lebih separuh daripada jumlah keseluruhan adalah dalam komposisi dengan air. Ia juga termasuk dalam struktur minyak, pelbagai tanah liat, gas mudah terbakar, haiwan dan tumbuhan (kehadiran dalam setiap sel hidup adalah 50% dengan bilangan atom).

Kitaran hidrogen dalam alam semula jadi

Setiap tahun, sejumlah besar (berbilion tan) sisa tumbuhan terurai dalam badan air dan tanah, dan penguraian ini membebaskan jisim hidrogen yang besar ke atmosfera. Ia juga dibebaskan semasa sebarang penapaian yang disebabkan oleh bakteria, pembakaran dan, bersama dengan oksigen, mengambil bahagian dalam kitaran air.

Aplikasi Hidrogen

Unsur ini digunakan secara aktif oleh manusia dalam aktivitinya, jadi kami telah belajar untuk mendapatkannya pada skala perindustrian untuk:

Meteorologi, pengeluaran kimia;

Pengeluaran marjerin;

Sebagai bahan api roket (hidrogen cecair);

Industri kuasa elektrik untuk penyejukan penjana elektrik;

Kimpalan dan pemotongan logam.

Banyak hidrogen digunakan dalam pengeluaran petrol sintetik (untuk meningkatkan kualiti bahan api berkualiti rendah), ammonia, hidrogen klorida, alkohol, dan bahan lain. Tenaga nuklear secara aktif menggunakan isotopnya.

Ubat "hidrogen peroksida" digunakan secara meluas dalam metalurgi, industri elektronik, pengeluaran pulpa dan kertas, untuk pelunturan linen dan kain kapas, untuk pengeluaran pewarna rambut dan kosmetik, polimer dan dalam perubatan untuk rawatan luka.

Sifat "letupan" gas ini boleh menjadi senjata maut - bom hidrogen. Letupannya disertai dengan pembebasan sejumlah besar bahan radioaktif dan merosakkan semua makhluk hidup.

Sentuhan hidrogen cecair dan kulit boleh menyebabkan radang dingin yang teruk dan menyakitkan.

Agensi angkasa lepas dan syarikat swasta sedang membangunkan rancangan untuk menghantar manusia ke Marikh dalam beberapa tahun akan datang, akhirnya membawa kepada penjajahannya. Dan dengan peningkatan bilangan planet seperti Bumi yang ditemui di sekitar bintang berdekatan, perjalanan angkasa lepas jarak jauh menjadi semakin relevan.

Namun, bukan mudah bagi manusia untuk bertahan di angkasa untuk jangka masa yang lama. Salah satu cabaran utama penerbangan angkasa lepas jarak jauh ialah mengangkut oksigen yang cukup untuk angkasawan bernafas dan bahan api yang mencukupi untuk mengendalikan elektronik yang kompleks. Malangnya, hampir tiada oksigen di angkasa, jadi ia perlu disimpan di Bumi.

Tetapi penyelidikan baru yang diterbitkan dalam Nature Communications menunjukkan bahawa adalah mungkin untuk menghasilkan hidrogen (untuk bahan api) dan oksigen (untuk pernafasan) daripada air hanya menggunakan bahan semikonduktor, cahaya matahari (atau cahaya bintang) dan tanpa berat, menjadikan perjalanan jarak jauh lebih mudah dilaksanakan.

Menggunakan sumber Matahari tanpa had untuk menggerakkan kehidupan seharian kita adalah salah satu cabaran paling global di Bumi. Apabila kita perlahan-lahan beralih daripada minyak dan ke arah sumber tenaga boleh diperbaharui, penyelidik berminat dengan kemungkinan menggunakan hidrogen sebagai bahan api. Cara terbaik untuk melakukan ini ialah mengasingkan air (H2O) kepada komponennya: hidrogen dan oksigen. Ini boleh dilakukan menggunakan proses yang dikenali sebagai elektrolisis, yang melibatkan mengalirkan arus melalui air yang mengandungi beberapa elektrolit larut (seperti garam - lebih kurang terjemahan). Akibatnya, air terurai menjadi atom oksigen dan hidrogen, yang masing-masing dilepaskan pada elektrodnya sendiri.

Elektrolisis air.

Walaupun kaedah ini secara teknikal mungkin dan telah diketahui selama berabad-abad, ia masih tidak tersedia di Bumi kerana kita memerlukan lebih banyak infrastruktur berkaitan hidrogen - seperti stesen mengisi minyak hidrogen.

Hidrogen dan oksigen yang diperoleh daripada air dengan cara ini juga boleh digunakan sebagai bahan api dalam kapal angkasa. Melancarkan roket dengan air sebenarnya adalah lebih selamat daripada melancarkannya dengan propelan tambahan dan oksigen di atas kapal, kerana campuran itu boleh meletup dalam kemalangan. Kini di ruang angkasa, teknologi khas akan dapat memisahkan air menjadi hidrogen dan oksigen, yang seterusnya, boleh digunakan untuk mengekalkan pernafasan dan kefungsian elektronik (contohnya, menggunakan sel bahan api).

Terdapat dua pilihan untuk ini. Satu adalah elektrolisis, seperti di Bumi, menggunakan elektrolit dan sel solar untuk menghasilkan arus. Tetapi, malangnya, elektrolisis adalah proses yang sangat intensif tenaga, dan tenaga di angkasa sudah "berbaloi dengan beratnya dalam emas."

Alternatifnya ialah menggunakan fotomangkin, yang berfungsi dengan menyerap foton oleh bahan semikonduktor yang diletakkan di dalam air. Tenaga foton "mengetuk" elektron keluar dari bahan, meninggalkan "lubang" di dalamnya. Elektron bebas boleh berinteraksi dengan proton dalam air untuk membentuk atom hidrogen. Sementara itu, "lubang" boleh menyerap elektron daripada air untuk membentuk proton dan atom oksigen.



Proses fotokatalisis dalam keadaan daratan dan dalam mikrograviti (sejuta kali kurang daripada di Bumi). Seperti yang dapat dilihat, dalam kes kedua bilangan gelembung gas yang muncul adalah lebih besar.

Proses ini boleh diterbalikkan. Hidrogen dan oksigen boleh digabungkan semula (digabungkan) menggunakan sel bahan api, menghasilkan pemulangan tenaga suria yang dibelanjakan untuk fotokatalisis dan pembentukan air. Oleh itu, teknologi ini adalah kunci sebenar untuk perjalanan angkasa lepas.

Proses menggunakan fotomangkin adalah pilihan terbaik untuk perjalanan angkasa lepas kerana berat peralatannya jauh lebih rendah daripada yang diperlukan untuk elektrolisis. Secara teori, bekerja dengannya di angkasa juga lebih mudah. Ini sebahagiannya disebabkan oleh fakta bahawa keamatan cahaya matahari di luar atmosfera Bumi jauh lebih tinggi, kerana di bahagian kedua cahaya yang agak besar diserap atau dipantulkan dalam perjalanan ke permukaan.

Dalam kajian baharu, saintis menggugurkan persediaan eksperimen fotocatalisis yang berfungsi sepenuhnya dari menara setinggi 120 meter, mewujudkan keadaan yang dipanggil mikrograviti. Apabila objek jatuh ke Bumi dalam kejatuhan bebas, kesan graviti berkurangan (tetapi graviti itu sendiri tidak hilang, itulah sebabnya ia dipanggil mikrograviti, bukan tiada graviti - lebih kurang terjemahan), kerana tidak ada daya yang mengimbangi graviti Bumi - oleh itu, semasa musim gugur, keadaan dicipta dalam pemasangan seperti di ISS.

Persediaan eksperimen dan proses eksperimen.

Penyelidik dapat menunjukkan bahawa dalam keadaan sedemikian memang mungkin untuk membelah air. Walau bagaimanapun, kerana proses ini menghasilkan gas, gelembung terbentuk di dalam air. Tugas penting ialah menyingkirkan gelembung bahan mangkin kerana ia mengganggu proses penciptaan gas. Di Bumi, graviti menyebabkan buih terapung ke permukaan (air berhampiran permukaan lebih tumpat daripada buih, membolehkan mereka terapung di permukaan), membebaskan ruang pada pemangkin untuk gelembung selanjutnya terbentuk.

Dalam graviti sifar ini adalah mustahil, dan gelembung gas kekal pada atau berhampiran pemangkin. Walau bagaimanapun, saintis melaraskan bentuk pemangkin pada skala nano, mewujudkan zon piramid di mana gelembung boleh dengan mudah pecah dari bahagian atas piramid dan memasuki air tanpa mengganggu proses pembentukan buih baru.

Tetapi satu masalah kekal. Dengan ketiadaan graviti, gelembung akan kekal dalam cecair walaupun ia telah dipaksa untuk meninggalkan mangkin. Graviti membolehkan gas keluar dengan mudah daripada cecair, yang penting untuk penggunaan hidrogen dan oksigen tulen. Tanpa graviti, tiada gelembung gas terapung di permukaan dan terpisah daripada cecair - sebaliknya, setara dengan bentuk buih.

Ini secara mendadak mengurangkan kecekapan proses dengan menyekat pemangkin atau elektrod. Penyelesaian kejuruteraan di sekitar masalah ini akan menjadi kunci kepada kejayaan pelaksanaan teknologi di angkasa - satu penyelesaian yang mungkin adalah dengan memutarkan pemasangan: dengan cara ini, daya emparan akan mencipta graviti buatan. Namun begitu, terima kasih kepada penyelidikan baharu ini, kami selangkah lebih dekat dengan penerbangan angkasa lepas manusia jangka panjang.

Gas tidak berwarna, tidak berbau, mudah terbakar. Ketumpatan hidrogen dalam keadaan normal ialah 0.09 kg/m3; ketumpatan udara - 0.07 kg/m3; nilai kalori - 28670 kcal/kg; tenaga pencucuhan minimum - 0.017 mJ. Membentuk campuran mudah letupan dengan udara dan oksigen. Campuran dengan klorin (1:1) meletup dalam cahaya; dengan fluorida hidrogen bersambung dengan letupan dalam gelap; campuran dengan (2:1) - gas meletup. Had letupan: dari 4 - 75 jilid. %, dengan oksigen 4.1 - 96 vol. %.

Pada hari rizabnya habis, kehidupan di Alam Semesta akan terhenti. Bahan, yang tanpanya kehidupan mustahil, "duduk" di tengah-tengah planet kita - di dalam dan di sekeliling teras, dan dari sana "berhijrah" ke luar. Gas ini adalah permulaan kepada semua permulaan. Nama dia - " hidrogen».
Hidrogen terdapat di dalam dan di sekeliling teras. Seterusnya datang mantel tebal. Tetapi gas ini secara senyap-senyap berhijrah melalui jisim batu. Semasa Bumi masih muda, terdapat lebih banyak hidrogen di kedalaman, dan dari kedalaman ia keluar ke seluruh Bumi. Apabila ia menjadi kurang, proses menjadi agak stabil, dan hidrogen mula "keluar" di zon khas, di sepanjang sesar rabung lautan.
Sudah tentu, kehidupan moden di Bumi timbul pada potensi oksigen tertentu. Tetapi untuk menjadi objektif, kita berhutang kepada permulaan semua permulaan di planet kita hidrogen. Ia adalah kitaran dinamik hidrogen, proses kemasukannya dari perut Bumi, dan bukan karbon, seperti yang dipercayai sebelum ini, yang menjadi sumber asal usul kehidupan di Bumi.

Hidrogen dan Alam Semesta

Biasanya, untuk menekankan kepentingan unsur tertentu, mereka berkata: jika ia tidak ada, maka ini dan itu akan berlaku. Tetapi, sebagai peraturan, ini tidak lebih daripada peranti retorik. Dan di sini hidrogen mungkin suatu hari nanti benar-benar tidak menjadi, kerana ia terus membakar dalam perut bintang, berubah menjadi lengai.
Hidrogen adalah unsur yang paling banyak di angkasa. Ia menyumbang kira-kira separuh jisim Matahari dan kebanyakan bintang lain. Ia ditemui dalam nebula gas, dalam gas antara bintang, dan merupakan sebahagian daripada bintang. Di kedalaman bintang, transformasi nukleus atom berlaku hidrogen ke dalam nukleus atom helium. Proses ini berlaku dengan pembebasan tenaga; Bagi kebanyakan bintang, termasuk Matahari, ia berfungsi sebagai sumber tenaga utama.
Setiap saat, Matahari memancarkan tenaga bersamaan dengan empat juta tan jisim ke angkasa lepas. Tenaga ini dicipta semasa pelakuran empat nukleus hidrogen, proton, ke dalam nukleus. "Pembakaran" satu gram proton membebaskan dua puluh juta kali lebih banyak tenaga daripada pembakaran satu gram arang batu. Tiada siapa yang pernah melihat reaksi sedemikian di Bumi: ia berlaku pada suhu dan tekanan yang hanya wujud di kedalaman bintang dan belum lagi dikuasai oleh manusia.
Kuasa yang setara dengan kehilangan jisim empat juta tan setiap saat adalah mustahil untuk dibayangkan: walaupun dengan letupan termonuklear yang paling kuat, hanya kira-kira satu kilogram bahan ditukar menjadi tenaga. Walau bagaimanapun, kelajuan proses, i.e. Bilangan Teras hidrogen, bertukar menjadi nukleus helium dalam satu meter padu dalam satu saat, adalah kecil. Oleh itu, jumlah tenaga yang dikeluarkan per unit masa per unit isipadu adalah kecil. Oleh itu, ternyata kuasa khusus Matahari boleh diabaikan - lebih kurang daripada kuasa "peranti penjana haba" seperti seseorang itu sendiri! Dan pengiraan menunjukkan bahawa Matahari akan terus bersinar tanpa henti selama sekurang-kurangnya tiga puluh bilion tahun lagi. Cukup untuk seumur hidup kita.

Melahirkan air

Hidrogen ditemui pada separuh pertama abad ke-16 oleh pakar perubatan dan naturalis Jerman Paracelsus. Dalam karya ahli kimia abad ke-16–18. "gas mudah terbakar" atau "udara mudah terbakar" telah disebut, yang apabila digabungkan dengan gas biasa, menghasilkan campuran mudah letupan. Ia diperoleh dengan bertindak pada logam tertentu (besi, zink, timah) dengan larutan cair asid - sulfurik dan hidroklorik.
Saintis pertama yang menerangkan sifat-sifat gas ini ialah saintis Inggeris Henry Cavendish. Dia menentukan ketumpatannya dan mengkaji pembakaran dalam udara, tetapi pematuhan kepada teori phlogiston* menghalang penyelidik daripada memahami intipati proses yang berlaku.
Pada tahun 1779 Antoine Lavoisier menerima hidrogen apabila air mengurai, melepasi wapnya melalui tiub besi panas-merah. Lavoisier juga membuktikan bahawa apabila "udara mudah terbakar" berinteraksi dengan oksigen, air terbentuk, dan gas bertindak balas dalam nisbah isipadu 2:1. Ini membolehkan saintis menentukan komposisi air - H2O. Lavoisier dan rakan-rakannya memperoleh nama unsur - ​​Hydrogenium - daripada perkataan Yunani "gidor" - air dan "gennao" - Saya melahirkan. nama Rusia "hidrogen" telah dicadangkan oleh ahli kimia M.F. Soloviev pada tahun 1824 - dengan analogi dengan "oksigen" Lomonosov.
Hidrogen- gas tidak berwarna, tidak berasa dan tidak berbau, sedikit larut dalam air. Ia adalah 14.5 kali lebih ringan daripada udara - gas paling ringan. sebab tu hidrogen Mereka digunakan untuk mengisi belon dan kapal udara. Pada suhu -253°C, hidrogen mencair. Cecair tidak berwarna ini adalah yang paling ringan daripada semua yang diketahui: 1 ml beratnya kurang daripada sepersepuluh gram. Pada -259°C, cecair hidrogen membeku, bertukar menjadi kristal tidak berwarna.
Molekul H2 sangat kecil sehingga mereka boleh dengan mudah melalui bukan sahaja melalui liang kecil, tetapi juga melalui logam. Sebahagian daripada mereka, seperti nikel, boleh menyerap jumlah yang besar hidrogen dan tahan dalam bentuk atom dalam lompang kekisi kristal. Kerajang paladium yang dipanaskan hingga 250°C melepasi bebas hidrogen; Ini digunakan untuk membersihkannya secara menyeluruh daripada gas lain.
Dengan keterlarutan hidrogen dalam logam adalah berkaitan dengan keupayaannya untuk meresap melalui logam. Selain itu, sebagai gas paling ringan, hidrogen mempunyai kadar resapan tertinggi: molekulnya merebak lebih cepat daripada molekul semua gas lain dalam persekitaran bahan lain dan melalui pelbagai jenis sekatan.
Hidrogen- bahan aktif yang mudah masuk ke dalam tindak balas kimia. Apabila ia terbakar, banyak haba dibebaskan, dan satu-satunya hasil tindak balas ialah air: 2H2 + O2 = 2H2O. Seseorang hanya boleh mengimpikan bahan api yang mesra alam!
Hari ini (walaupun dalam kuantiti terhad buat masa ini) kereta dengan hidrogen enjin. Ini ialah BMW Hydrogen 7, yang menggunakan bahan api cecair sebagai bahan api. hidrogen; bas Mercedes Citaro dan kereta penumpang Mazda RX-8 Hydrogen, berjalan serentak menggunakan petrol dan hidrogen. Dan syarikat Boeing sedang membangunkan pesawat tanpa pemandu dengan ketinggian tinggi dan tempoh penerbangan (High Altitude Long Endurance (HALE). Pesawat itu dilengkapi dengan hidrogen enjin yang dikeluarkan oleh Ford Motor Company. Namun begitu, pembangunan hidrogen sektor tenaga terhalang oleh tahap risiko yang tinggi apabila bekerja dengan gas ini, serta kesukaran menyimpannya.

Pengalaman yang hampir meragut nyawa anda

Dengan oksigen udara hidrogen membentuk campuran letupan - gas letupan. Oleh itu, apabila bekerja dengan hidrogen penjagaan khas mesti diambil. Bersih hidrogen Ia terbakar hampir senyap, dan apabila dicampur dengan udara ia menghasilkan dentuman kuat yang khas. Letupan gas meletup dalam tabung uji tidak mendatangkan bahaya kepada penguji, tetapi kecederaan serius boleh berlaku jika kelalang alas rata atau bekas kaca tebal digunakan.
Hidrogen mempunyai sifat kimia dwi, ​​mempamerkan kedua-dua sifat pengoksidaan dan pengurangan. Dalam kebanyakan tindak balas ia bertindak sebagai agen penurunan, membentuk sebatian di mana keadaan pengoksidaannya ialah +1. Tetapi dalam tindak balas dengan logam aktif ia bertindak sebagai agen pengoksidaan: keadaan pengoksidaannya dalam sebatian dengan logam ialah -1.
Oleh itu, dengan melepaskan satu elektron, hidrogen menunjukkan persamaan dengan logam kumpulan pertama jadual berkala, dan dengan menambahkan elektron, dengan bukan logam kumpulan ketujuh. sebab tu hidrogen dalam jadual berkala mereka biasanya diletakkan sama ada dalam kumpulan pertama dan pada masa yang sama dalam kurungan di ketujuh, atau dalam kumpulan ketujuh dan dalam kurungan dalam yang pertama.

Penggunaan dan penghasilan hidrogen

terpakai hidrogen dalam pengeluaran metanol, hidrogen klorida, untuk penghidrogenan lemak sayuran (dalam pengeluaran marjerin), juga untuk pemulihan logam (molibdenum, tungsten, indium) daripada oksida. Logam dan aloi refraktori dikimpal dan dipotong menggunakan nyalaan hidrogen-oksigen (3000°C). Cecair hidrogen berfungsi sebagai bahan api roket.
Semasa penghidrogenan arang batu dan minyak, miskin hidrogen bahan api gred rendah diubah menjadi yang berkualiti tinggi.
Hidrogen digunakan untuk menyejukkan penjana arus elektrik yang berkuasa, dan isotopnya digunakan dalam tenaga nuklear.
Dalam industri, hidrogen dihasilkan melalui elektrolisis larutan akueus garam (contohnya, NaCl, Na2CO4), serta semasa penukaran bahan api pepejal dan gas - arang batu dan gas asli. Proses penukaran berlaku pada suhu kira-kira 1000°C dengan kehadiran pemangkin. Campuran gas yang terhasil dipanggil gas sintesis.

Hampir setiap kabinet ubat rumah mengandungi sebotol larutan peroksida 3%. hidrogen H2O2. Ia digunakan untuk membasmi kuman luka dan menghentikan pendarahan.

Bergantung pada tujuan, teknikal hidrogen Tersedia dalam bentuk mampat dan tidak mampat dalam dua jenama:

Gas hidrogen gred "A"- digunakan dalam industri elektronik, farmaseutikal, kimia, dalam serbuk metalurgi: untuk pemendapan sebatian refraktori daripada oksida logam; apabila mensinter produk yang diperbuat daripada bahan serbuk yang mengandungi kromium dan keluli tahan karat.
- digunakan dalam tenaga, elektronik, kimia, metalurgi bukan ferus, industri farmaseutikal.