Hvilket kjemisk grunnstoff er det vanligste og hvorfor? Forskere har funnet en måte å produsere oksygen i verdensrommet På jorden - oksygen, i verdensrommet - hydrogen.
Hydrogen (H) er et veldig lett kjemisk grunnstoff, med et innhold på 0,9 vekt% i jordskorpen og 11,19% i vann.
Kjennetegn på hydrogen
Det er den første blant gasser i letthet. Under normale forhold er den smakløs, fargeløs og helt luktfri. Når den kommer inn i termosfæren, flyr den ut i verdensrommet på grunn av sin lave vekt.
I hele universet er det det mest tallrike kjemiske elementet (75 % av den totale massen av stoffer). Så mye at mange stjerner i verdensrommet er laget utelukkende av det. For eksempel Solen. Hovedkomponenten er hydrogen. Og varme og lys er et resultat av frigjøring av energi når kjernene i et materiale smelter sammen. Også i verdensrommet er det hele skyer av dets molekyler av forskjellige størrelser, tettheter og temperaturer.
Fysiske egenskaper
Høy temperatur og trykk endrer kvalitetene betydelig, men under normale forhold:
Den har høy varmeledningsevne sammenlignet med andre gasser,
Ikke-giftig og lite løselig i vann,
Med en tetthet på 0,0899 g/l ved 0°C og 1 atm.,
Blir til væske ved en temperatur på -252,8°C
Blir hard ved -259,1°C.,
Spesifikk forbrenningsvarme 120.9.106 J/kg.
Det krever høyt trykk og svært lave temperaturer for å bli til væske eller fast stoff. I flytende tilstand er den flytende og lett.
Kjemiske egenskaper
Under trykk og ved avkjøling (-252,87 grader C) får hydrogen en flytende tilstand, som er lettere i vekt enn noen analog. Den tar mindre plass i den enn i gassform.
Det er et typisk ikke-metall. I laboratorier produseres det ved å reagere metaller (som sink eller jern) med fortynnede syrer. Under normale forhold er den inaktiv og reagerer kun med aktive ikke-metaller. Hydrogen kan skille oksygen fra oksider, og redusere metaller fra forbindelser. Det og dets blandinger danner hydrogenbindinger med visse elementer.
Gassen er svært løselig i etanol og i mange metaller, spesielt palladium. Sølv løser det ikke opp. Hydrogen kan oksideres under forbrenning i oksygen eller luft, og ved interaksjon med halogener.
Når det kombineres med oksygen, dannes vann. Hvis temperaturen er normal, fortsetter reaksjonen sakte hvis den er over 550°C, eksploderer den (den blir til detonerende gass).
Finne hydrogen i naturen
Selv om det er mye hydrogen på planeten vår, er det ikke lett å finne i sin rene form. Litt kan finnes under vulkanutbrudd, under oljeproduksjon og der organisk materiale brytes ned.
Mer enn halvparten av den totale mengden er i sammensetningen med vann. Det er også inkludert i strukturen til olje, forskjellige leire, brennbare gasser, dyr og planter (tilstedeværelse i hver levende celle er 50% av antall atomer).
Hydrogens kretsløp i naturen
Hvert år brytes en kolossal mengde (milliarder tonn) planterester ned i vannmasser og jord, og denne nedbrytningen frigjør en enorm masse hydrogen til atmosfæren. Det frigjøres også under enhver gjæring forårsaket av bakterier, forbrenning og deltar sammen med oksygen i vannets syklus.
Hydrogenapplikasjoner
Elementet brukes aktivt av menneskeheten i dens aktiviteter, så vi har lært å skaffe det i industriell skala for:
Meteorologi, kjemisk produksjon;
Margarin produksjon;
Som rakettdrivstoff (flytende hydrogen);
Elektrisk kraftindustri for kjøling av elektriske generatorer;
Sveising og skjæring av metaller.
Mye hydrogen brukes i produksjonen av syntetisk bensin (for å forbedre kvaliteten på drivstoff av lav kvalitet), ammoniakk, hydrogenklorid, alkoholer og andre materialer. Atomenergi bruker aktivt sine isotoper.
Legemidlet "hydrogenperoksid" er mye brukt i metallurgi, elektronikkindustrien, papirmasse- og papirproduksjon, for bleking av lin og bomullsstoffer, for produksjon av hårfarger og kosmetikk, polymerer og i medisin for behandling av sår.
Den "eksplosive" naturen til denne gassen kan bli et dødelig våpen - en hydrogenbombe. Eksplosjonen er ledsaget av frigjøring av en enorm mengde radioaktive stoffer og er ødeleggende for alle levende ting.
Kontakt med flytende hydrogen og hud kan forårsake alvorlige og smertefulle frostskader.
Rombyråer og private selskaper utvikler allerede planer for å sende mennesker til Mars i løpet av de neste årene, noe som til slutt fører til koloniseringen. Og med det økende antallet oppdagede jordlignende planeter rundt stjerner i nærheten, blir romreiser over lengre avstander stadig mer aktuelt.
Det er imidlertid ikke lett for mennesker å overleve i verdensrommet i lange perioder. En av de store utfordringene ved romfart over lang avstand er å transportere nok oksygen til at astronauter kan puste og nok drivstoff til å betjene kompleks elektronikk. Dessverre er det praktisk talt ikke oksygen i verdensrommet, så det må lagres på jorden.
Men ny forskning publisert i Nature Communications viser at det er mulig å produsere hydrogen (for drivstoff) og oksygen (for respirasjon) fra vann ved å bruke kun halvledermateriale, sollys (eller stjernelys) og vektløshet, noe som gjør langdistansereiser mer gjennomførbare.
Å bruke solens ubegrensede ressurs for å drive hverdagen vår er en av de mest globale utfordringene på jorden. Når vi sakte beveger oss bort fra olje og mot fornybare energikilder, er forskere interessert i muligheten for å bruke hydrogen som drivstoff. Den beste måten å gjøre dette på er å separere vann (H2O) i dets komponenter: hydrogen og oksygen. Dette er mulig ved å bruke en prosess kjent som elektrolyse, som innebærer å føre en strøm gjennom vann som inneholder noe løselig elektrolytt (som salt - ca. oversettelse). Som et resultat brytes vann ned til oksygen- og hydrogenatomer, som hver frigjøres ved sin egen elektrode.
Elektrolyse av vann.
Selv om denne metoden er teknisk mulig og har vært kjent i århundrer, er den fortsatt ikke lett tilgjengelig på jorden fordi vi trenger mer hydrogenrelatert infrastruktur – som for eksempel hydrogenstasjoner.
Hydrogen og oksygen hentet fra vann på denne måten kan også brukes som drivstoff i romfartøy. Å skyte opp en rakett med vann ville faktisk vært mye tryggere enn å skyte opp med ekstra drivmiddel og oksygen om bord, siden blandingen kan være eksplosiv i en ulykke. Nå i verdensrommet vil spesiell teknologi kunne skille vann til hydrogen og oksygen, som igjen kan brukes til å opprettholde pusten og funksjonaliteten til elektronikken (for eksempel ved bruk av brenselceller).
Det er to alternativer for dette. Den ene er elektrolyse, som på jorden, ved hjelp av elektrolytter og solceller for å produsere strøm. Men dessverre er elektrolyse en veldig energikrevende prosess, og energi i verdensrommet er allerede «gull verdt».
Et alternativ er å bruke fotokatalysatorer, som fungerer ved å absorbere fotoner av et halvledermateriale plassert i vann. Fotonenergien "slår" et elektron ut av materialet, og etterlater et "hull" i det. Et fritt elektron kan samhandle med protoner i vann for å danne hydrogenatomer. I mellomtiden kan "hullet" absorbere elektroner fra vannet for å danne protoner og oksygenatomer. 
Prosessen med fotokatalyse under terrestriske forhold og i mikrogravitasjon (en million ganger mindre enn på jorden). Som det kan sees, i det andre tilfellet er antallet gassbobler som vises større.
Denne prosessen kan reverseres. Hydrogen og oksygen kan rekombinert (kombinert) ved hjelp av en brenselcelle, noe som resulterer i retur av solenergi brukt på fotokatalyse og dannelse av vann. Dermed er denne teknologien den virkelige nøkkelen til dype romfart.
Prosessen med fotokatalysatorer er det beste alternativet for romfart fordi utstyret veier mye mindre enn det som trengs for elektrolyse. I teorien er det også lettere å jobbe med det i verdensrommet. Dette skyldes blant annet at intensiteten av sollys utenfor jordens atmosfære er mye høyere, siden i sistnevnte blir en ganske stor del av lyset absorbert eller reflektert på vei til overflaten.
I en ny studie droppet forskere et fullt operativt fotokatalyseeksperimentanlegg fra et 120 meter høyt tårn, og skapte forhold kalt mikrogravitasjon. Når objekter faller til jorden i fritt fall, avtar effekten av tyngdekraften (men tyngdekraften i seg selv forsvinner ikke, og det er derfor det kalles mikrogravitasjon, ikke ingen tyngdekraft - ca. oversettelse), siden det ikke er noen krefter som kompenserer for jordens tyngdekraft - og i løpet av høsten skapes det derfor forhold i installasjonen som på ISS.
Eksperimentell oppsett og eksperimentell prosess.
Forskere var i stand til å vise at under slike forhold er det faktisk mulig å splitte vann. Men siden denne prosessen produserer gass, dannes det bobler i vannet. En viktig oppgave er å bli kvitt boblene i katalysatormaterialet ettersom de forstyrrer gassdannelsesprosessen. På jorden får tyngdekraften bobler til å flyte til overflaten (vann nær overflaten er tettere enn bobler, slik at de kan flyte på overflaten), og frigjør plass ved katalysatoren for ytterligere bobler å danne.
I null tyngdekraft er dette umulig, og gassbobler forblir på eller nær katalysatoren. Forskerne justerte imidlertid formen på katalysatoren på nanoskala, og skapte pyramidesoner der boblen lett kunne bryte seg bort fra toppen av pyramiden og komme inn i vannet uten å forstyrre prosessen med dannelse av nye bobler.
Men ett problem gjenstår. I fravær av tyngdekraften vil boblene forbli i væsken selv om de har blitt tvunget til å forlate katalysatoren. Tyngdekraften gjør at gassen lett kan unnslippe væsken, noe som er kritisk for bruk av rent hydrogen og oksygen. Uten tyngdekraften flyter ingen gassbobler på overflaten og skiller seg fra væsken – i stedet dannes tilsvarende skum.
Dette reduserer prosessens effektivitet dramatisk ved å blokkere katalysatorene eller elektrodene. Tekniske løsninger rundt dette problemet vil være nøkkelen til en vellykket implementering av teknologien i verdensrommet – en mulig løsning er å rotere installasjonen: på denne måten vil sentrifugalkrefter skape kunstig tyngdekraft. Men ikke desto mindre, takket være denne nye forskningen, er vi ett skritt nærmere langvarig menneskelig romfart.
En fargeløs, luktfri, brennbar gass. Tettheten av hydrogen under normale forhold er 0,09 kg/m3; lufttetthet - 0,07 kg/m3; brennverdi - 28670 kcal/kg; minimum tenningsenergi - 0,017 mJ. Danner en eksplosiv blanding med luft og oksygen. En blanding med klor (1:1) eksploderer i lyset; med fluor hydrogen forbinder med en eksplosjon i mørket; blanding med (2:1) - eksplosiv gass. Eksplosjonsgrenser: fra 4 - 75 vol. %, med oksygen 4,1 - 96 vol. %.
Den dagen reservene tar slutt, vil livet i universet opphøre. Stoffet, uten hvilket liv er umulig, "sitter" i sentrum av planeten vår - i og rundt kjernen, og derfra "migrerer" utover. Denne gassen er begynnelsen på all begynnelse. Navnet hans - " hydrogen».
Hydrogen funnet i og rundt kjernen. Deretter kommer den tette mantelen. Men denne gassen migrerer stille gjennom steinmassen. Da jorden var ung, var det mye mer hydrogen i dypet, og fra dypet gikk det ut over hele jorden. Når det ble mindre ble prosessen relativt stabilisert, og hydrogen begynte å "gå ut" i spesielle soner, langs forkastningene til oseaniske rygger.
Selvfølgelig oppsto moderne liv på jorden ved et visst oksygenpotensial. Men for å være objektive skylder vi begynnelsen på all begynnelse på planeten vår hydrogen. Det var den dynamiske syklusen av hydrogen, prosessen med dets inntreden fra jordens tarm, og ikke karbon, som tidligere ble antatt, som ble kilden til opprinnelsen til livet på jorden.
Hydrogen og universet
Vanligvis, for å understreke betydningen av et bestemt element, sier de: hvis det ikke var der, ville slikt og slikt ha skjedd. Men som regel er dette ikke noe mer enn et retorisk virkemiddel. Og her hydrogen kan en dag virkelig ikke bli, fordi det kontinuerlig brenner i tarmen av stjerner, blir inert.
Hydrogen er det mest tallrike grunnstoffet i verdensrommet. Den utgjør omtrent halvparten av massen til Solen og de fleste andre stjerner. Den finnes i gasståker, i interstellar gass, og er en del av stjerner. I dypet av stjerner skjer transformasjonen av atomkjerner hydrogen inn i kjernene til heliumatomer. Denne prosessen skjer med frigjøring av energi; For mange stjerner, inkludert solen, fungerer den som hovedkilden til energi.
Hvert sekund sender solen ut energi tilsvarende fire millioner tonn masse ut i verdensrommet. Denne energien skapes under fusjonen av fire kjerner hydrogen, protoner, inn i kjernen. "Forbrenningen" av ett gram protoner frigjør tjue millioner ganger mer energi enn forbrenningen av et gram kull. Ingen har noen gang observert en slik reaksjon på jorden: den skjer ved en temperatur og et trykk som bare eksisterer i stjernedypet og som ennå ikke er mestret av mennesker.
En kraft som tilsvarer et massetap på fire millioner tonn hvert sekund er umulig å forestille seg: selv med den kraftigste termonukleære eksplosjonen blir bare rundt et kilo materie omdannet til energi. Men hastigheten på prosessen, dvs. Antall kjerner hydrogen, som blir til heliumkjerner på én kubikkmeter på ett sekund, er liten. Derfor er mengden energi som frigjøres per tidsenhet per volumenhet liten. Dermed viser det seg at den spesifikke kraften til solen er ubetydelig - mye mindre enn kraften til en slik "varmegenererende enhet" som en person selv! Og beregninger viser at solen vil fortsette å skinne uforminsket i minst tretti milliarder år til. Nok for livet vårt.
Å føde vann
Hydrogen ble oppdaget i første halvdel av 1500-tallet av den tyske legen og naturforskeren Paracelsus. I verkene til kjemikere på 1500- og 1700-tallet. Det ble nevnt «brennbar gass» eller «brennbar luft», som i kombinasjon med vanlig gass ga eksplosive blandinger. Det ble oppnådd ved å virke på visse metaller (jern, sink, tinn) med fortynnede løsninger av syrer - svovelsyre og saltsyre.
Den første vitenskapsmannen som beskrev egenskapene til denne gassen var den engelske vitenskapsmannen Henry Cavendish. Han bestemte dens tetthet og studerte forbrenning i luft, men overholdelse av flogistonteorien* hindret forskeren i å forstå essensen av prosessene som skjedde.
I 1779 mottok Antoine Lavoisier hydrogen når de bryter ned vann, passerer dampene gjennom et glødende jernrør. Lavoisier beviste også at når "brennbar luft" interagerer med oksygen, dannes vann, og gassene reagerer i et volumetrisk forhold på 2:1. Dette gjorde det mulig for forskeren å bestemme sammensetningen av vann - H2O. Lavoisier og hans kolleger hentet navnet på grunnstoffet - Hydrogenium - fra de greske ordene "gidor" - vann og "gennao" - jeg føder. Russisk navn "hydrogen" ble foreslått av kjemikeren M.F. Soloviev i 1824 - i analogi med Lomonosovs "oksygen".
Hydrogen- en fargeløs gass, smakløs og luktfri, lett løselig i vann. Den er 14,5 ganger lettere enn luft - den letteste av gassene. Derfor hydrogen De pleide å fylle ballonger og luftskip. Ved en temperatur på -253°C blir hydrogen flytende. Denne fargeløse væsken er den letteste av alle kjente: 1 ml veier mindre enn en tiendedel av et gram. Ved -259 °C fryser flytende hydrogen og blir til fargeløse krystaller.
Molekyler H2 så små at de lett kan passere ikke bare gjennom små porer, men også gjennom metaller. Noen av dem, som nikkel, kan absorbere store mengder hydrogen og hold den i atomform i hulrommene i krystallgitteret. Palladiumfolie oppvarmet til 250°C passerer fritt hydrogen; Denne brukes til å rense den grundig fra andre gasser.
Med løselighet hydrogen i metaller er relatert til dens evne til å diffundere gjennom metaller. Dessuten, som den letteste gassen, hydrogen har den høyeste diffusjonshastigheten: dens molekyler sprer seg raskere enn molekylene til alle andre gasser i miljøet til et annet stoff og passerer gjennom ulike typer skillevegger.
Hydrogen- et aktivt stoff som lett inngår i kjemiske reaksjoner. Når det brenner frigjøres mye varme, og det eneste reaksjonsproduktet er vann: 2H2 + O2 = 2H2O. Man kan bare drømme om et så miljøvennlig drivstoff!
I dag (dog i begrensede mengder foreløpig) biler med hydrogen motorer. Dette er BMW Hydrogen 7, som bruker flytende drivstoff som drivstoff. hydrogen; en Mercedes Citaro-buss og en Mazda RX-8 Hydrogen personbil, som kjører samtidig på bensin og hydrogen. Og Boeing-selskapet utvikler et ubemannet fly av stor høyde og flyvarighet (High Altitude Long Endurance (HALE) Flyet er utstyrt med hydrogen motor produsert av Ford Motor Company. Imidlertid utvikling hydrogen energisektoren er hemmet av den høye graden av risiko ved arbeid med denne gassen, samt vanskelighetene med å lagre den.
En opplevelse som nesten kostet livet
Med luft oksygen hydrogen danner en eksplosiv blanding - eksplosiv gass. Derfor, når du jobber med hydrogen spesiell forsiktighet må tas. Ren hydrogen Det brenner nesten lydløst, og når det blandes med luft, gir det et karakteristisk høyt smell. En eksplosjon av detonerende gass i et reagensrør utgjør ingen fare for forsøkslederen, men alvorlig skade kan oppstå hvis en flatbunnet kolbe eller tykk glassbeholder brukes.
Hydrogen har en dobbel kjemisk natur, som viser både oksiderende og reduserende egenskaper. I de fleste reaksjoner fungerer det som et reduksjonsmiddel, og danner forbindelser der oksidasjonstilstanden er +1. Men i reaksjoner med aktive metaller fungerer det som et oksidasjonsmiddel: dets oksidasjonstilstand i forbindelser med metaller er -1.
Ved å gi fra seg ett elektron, hydrogen viser likhet med metallene i den første gruppen i det periodiske systemet, og ved å legge til et elektron, med ikke-metaller i den syvende gruppen. Derfor hydrogen i det periodiske systemet er de vanligvis plassert enten i den første gruppen og samtidig i parentes i den syvende, eller i den syvende gruppen og i parentes i den første.
Bruk og produksjon av hydrogen
Brukt hydrogen i produksjon av metanol, hydrogenklorid, for hydrogenering av vegetabilsk fett (ved produksjon av margarin), også for utvinning av metaller (molybden, wolfram, indium) fra oksider. Ildfaste metaller og legeringer sveises og kuttes ved hjelp av en hydrogen-oksygenflamme (3000°C). Væske hydrogen fungerer som rakettdrivstoff.
Under hydrogenering av kull og olje, dårlig hydrogen lavkvalitets drivstoff omdannes til høykvalitets.
Hydrogen brukes til å kjøle kraftige elektriske strømgeneratorer, og dens isotoper brukes i kjernekraft.
I industrien produseres hydrogen ved elektrolyse av vandige løsninger av salter (for eksempel NaCl, Na2CO4), samt under konvertering av fast og gassformig brensel - kull og naturgass. Omdannelsesprosesser finner sted ved en temperatur på ca. 1000°C i nærvær av katalysatorer. Den resulterende gassblandingen kalles syntesegass.
Nesten hvert medisinskap i hjemmet inneholder en flaske med 3 % peroksidløsning. hydrogen H2O2. Det brukes til å desinfisere sår og stoppe blødninger.
Avhengig av formålet, teknisk hydrogen Tilgjengelig i komprimert og ukomprimert form i to merker:
Hydrogengass klasse "A"- brukt i elektronisk, farmasøytisk, kjemisk industri, i pulvermetallurgi: for avsetning av ildfaste forbindelser fra metalloksider; ved sintring av produkter laget av pulvermaterialer som inneholder krom og rustfritt stål.
- brukes i energi, elektronikk, kjemisk industri, ikke-jernholdig metallurgi, farmasøytisk industri.
