Водород. Положение водорода в периодической таблице Д.И. Менделеева

                                 1.Введение.

Водород (Hudrogenium)  был открыт  в первой  половине  XVI  века  немецким

врачом и  естествоиспытателем  Парацельсом.  В  1776  г.  Кавендиш  (Англия)

установил его свойства и  указал отличия от других газов. Водород  имеет  три

изотопа: протий №Н, дейтерий ІН или D, тритий іН или Т.  Их  массовые  числа

равны 1, 2 и 3. Протий и дейтерий стабильны, тритий –  радиоактивен  (период

полураспада 12,5 лет). В природных  соединениях дейтерий и протий  в  среднем

содержатся в отношении 1:6800 (по числу атомов). Тритий в природе  находится

в ничтожно малых количествах.

Ядро атома водорода   №Н  содержит  один  протон.  Ядро  дейтерия  и  трития

включают не только протон,  но  и  один,  два  нейтрона.  Молекула  водорода

состоит из двух атомов. Приведем некоторые свойства, характеризующие  атом  и

молекулу водорода:

Энергия                 ионизации                 атома,                  эВ

          13,60

Сродство            атома            к             электрону,             эВ

           0,75

Относительная                                         электроотрицательность

   2,1

 

Радиус                               атома,                               нм

                    0,046

 

Межъядерное          расстояние           в           молекуле,           нм

0,0741

Стандартная энтальпия диссоциации  молекул при 25єС              436,1

 

   2. Водород. Положение  водорода в периодической таблице  Д.И. Менделеева.

 

В  самом  конце  XVIII  и  в  начале  XIХ  века  химия вступила  в   период

установления количественных закономерностей: в 1803 году  был  сформулирован

закон  кратных  отношений  (вещества  реагируют  между   собой   в   весовых

отношениях, кратных химическим эквивалентам), а  в  1814  году  опубликована

первая в  истории  химической  науки  таблица  относительных  атомных  весов

элементов. В этой таблице  на первом месте оказался водород, а  атомные  массы

других элементов выражались числами, близкими к целым.

Особое положение, которое  с  самого  начала  занял  водород,  не  могло  не

привлечь внимания ученых,  и  в  1841  году  химики  смогли  ознакомиться  с

теорией  Уильяма  Праута,  развившего  теорию  Древнегреческих философов о

единстве мира и предположившего, что все элементы  образованы  из  водорода

как из самого легкого элемента. Прауту  возражал  Й.Я.  Берцелиус,  как раз

занимавшийся уточнением атомных весов: из его опытов следовало, что атомные

веса элементов не находятся  в  целочисленных  отношениях  к  атомному  весу

водорода. Но, возражали  сторонники  Праута,  атомные веса  определены  еще

недостаточно точно и  в  качестве  примера  ссылались  на  эксперименты  Жана

Стаса, который в 1840 году  исправил  атомный  вес  углерода  с  11,26  (эта

величина была установлена  Берцелиусом) на 12,0.

И все же привлекательную  гипотезу Праута пришлось на время оставить:  вскоре

тот же Стас тщательными и  не подлежащими сомнению исследованиями  установил,

что, например, атомный вес  хлора равен 35,45, т.  е.  никак  не  может  быть

выражен числом, кратным атомному весу водорода...

Но вот в 1869 году Дмитрий  Иванович  Менделеев  создал  свою  периодическую

классификацию элементов, положив  в ее основу атомные веса элементов  как  их

наиболее  фундаментальную  характеристику.  И  на  первом  месте  в  системе

элементов, естественно, оказался водород.

С открытием  периодического  закона  стадо  ясно,  что  химические  элементы

образуют единый ряд, построение  которого  подчиняется  какой-то  внутренней

закономерности. И это  не могло вновь не вызвать к  жизни гипотезу  Праута,  —

правда, в несколько измененной форме: в 1888 году Уильям Крукс  предположил,

что все элементы, в  том  числе  и  водород,  образованы  путем  уплотнения

некоторой первичной материи,  названной  им  протилом.  А так как протил,

рассуждал Крукс, по-видимому, имеет очень малый атомный вес,  то  отсюда

понятно и возникновение  дробных атомных весов.

Но вот что любопытно. Самого Менделеева необычайно занимал  вопрос: а  почему

периодическая система  должна  начинаться  именно  с  водорода?  Что  мешает

существованию элементов  с  атомным  весом,  меньше  единицы?  И  в  качестве

такого элемента в 1905 году  Менделеев  называет...  «мировой  эфир».  Более

того, он помещает его  в  нулевую  группу  над  гелием  и  рассчитывает  его

атомный вес — 0,000001! Инертный газ со столь  малым  атомным  весом  должен

быть по мнению Менделеева, всепроникающим, а его упругие колебания могли бы

объяснить световые явления...

Увы,  атому  предвидению  великого  ученого  не  было  суждено  сбыться.  Но

Менделеев  был  прав  в  том  отношении,  что  элементы  не   построены   из

тождественных частиц: мы  знаем  теперь,  что  они  построены  из  протонов,

нейтронов и электронов.

Но позвольте, воскликнете  вы, ведь протон — это ядро атома  водорода.  Значит

Праут был все-таки прав? Да, он действительно был по-своему  прав.  Но  это

была, если можно так выразиться, преждевременная правота, потому  что  в  то

время  ее  нельзя  было  ни  по-настоящему  подтвердить,  ни   по-настоящему

опровергнуть...

Впрочем, сам водород сыграл в истории развития  научной  мысли  еще  немалую

роль. В  1913  году  Нильс  Бор  сформулировал  свои  знаменитые  постулаты,

объяснившие на  основе  квантовой  механики  особенности  строения  атома  и

внутреннюю сущность  закона  периодичности.  И  теория  Бора  была  признана

потому, что рассчитанный на ее основе спектр  водорода  полностью  совпал  с

наблюдаемым.

 

 

 

                            3. Водород в природе.

 

Водород  встречается в  свободном состоянии на Земле  лишь  в  незначительных

количествах. Иногда он выделяется вместе с другими газами при вулканических

извержениях, а также из  буровых скважин при добычи  нефти.  Но  в виде

соединений водород весьма распространен. Это  видно  уже  из  того,  что  он

составляет девятую часть  массы воды. Водород входит в состав  всех  животных

и растительных организмов, нефти, каменного и бурого углей, природных  газов

и ряда минералов. На долю водорода из всей массы земной коры, считая воду  и

воздух, приходится около 1%. Однако при  пересчете  на  проценты  от  общего

числа атомов содержание водорода в земной коре 17%.

Водород самый распространенный  элемент  космоса.  На  его  долю  приходится

около половины массы Солнца и большинства  других  звезд.  Он  содержится  в

газовых туманностях, в межзвездном газе, входит в состав  звезд.  В недрах

звезд происходит превращение  ядер атомов водорода в ядра атомов гелия.  Этот

процесс протекает с выделением энергии; для многих звезд, в  том  числе  для

Солнца, он служит главным  источником  энергии.  Скорость  процесса,  т.  е.

количество ядер водорода, превращающихся в ядра  гелия  в  одном  кубическом

метре за одну секунду, мала. Поэтому и количество энергии,  выделяющейся  за

единицу времени в единице  объема, мало. Однако, вследствие огромности  массы

Солнца, общее количество энергии, генерируемой и излучаемой  Солнцем,  очень

велико. Оно соответствует  уменьшению массы Солнца приблизительно на  4  млн.

т в секунду.

 

 

                           4. Получение водорода.

Наиболее старый способ получения  водорода - электролиз  воды,  при  котором,

пропуская постоянный ток, на  катоде  накапливают  водород,  а  на  аноде  -

кислород. Такая  технология  делает  его  слишком  дорогим  энергоносителем.

Поэтому пока водород используется только для запуска  космических  аппаратов

с  водородно-кислородными   двигателями.   Чаще   для   получения   водорода

используют технологию горячей  переработки водяного пара при температуре 700-

900 °С с участием легкого бензина и тяжелого  жидкого топлива,  отбирающего

кислород. Это тоже дорогой  способ. Существует  несколько  проектов  дешевого

получения водорода. Например, предлагается построить в Гренландии  несколько

грандиозных электростанций, которые будут использовать талую  воду  ледников

для производства электроэнергии, а энергия будет на месте  затрачиваться  на

электролиз  для  получения  водорода,  его  сжижения  и  транспортировку  по

трубопроводам  и  в  танкерах  в  Европу  и  Америку.   Другие   проекты   -

использование энергии атомных  и  специальных  солнечных  электростанций  электростанций  для

получения водорода путем  электролиза воды.

Однако сама природа дает рецепт для получения водорода без  огромных  затрат

энергии. На поверхности частиц взвесей в воде существуют  адсорбированные  и

закрепленные   на   поверхности   ферменты    с    высокой    специфичностью

каталитического действия. Они  способны расщеплять одну-единственную связь  в

одном  из  веществ  при  очень  высокой  активности  в   обычных   условиях.

Иммобилизованные ферменты могут быть использованы  для  получения  водорода.

Представьте себе горсть порошка  с иммобилизованным  на  частицах  ферментом.

Порошок засыпают в банку  с водой, стоящую на  солнце,  и  в  ней  начинается

активное выделение водорода. Уже делаются попытки создания такого

"магического порошка".

Возможен  также  микробиологический  способ  получения  водорода.  В   почве

существует ряд микроорганизмов, которые выделяют водород  в  виде  побочного

продукта. В случае решения  задачи дешевого получения водородного  топлива  и

разработки   технологии   его   накопления,   хранения   и   транспортировки

человечество   получит   неиссякаемый    источник    экологически    чистого

энергоносителя,  встроенного  в  естественную  систему   круговорота   воды.

Наиболее старый способ получения  водорода - электролиз  воды,  при  котором,

пропуская постоянный ток, на  катоде  накапливают  водород,  а  на  аноде  -

кислород. Такая  технология  делает  его  слишком  дорогим  энергоносителем.

Поэтому пока водород используется только для запуска  космических  аппаратов

с  водородно-кислородными   двигателями.   Чаще   для   получения   водорода

используют технологию горячей  переработки водяного пара при температуре

 

700-900  °С  с участием  легкого бензина и тяжелого   жидкого   топлива,

отбирающего  кислород.  Это тоже  дорогой способ.   Существует   несколько

проектов дешевого получения  водорода.  Например,  предлагается  построить  в

Гренландии несколько  грандиозных электростанций, которые  будут  использовать

талую воду ледников для производства  электроэнергии,  а  энергия  будет  на

месте затрачиваться на электролиз для получения водорода,  его сжижения  и

транспортировку по трубопроводам  и в танкерах в  Европу  и  Америку.  Другие

проекты  -   использование   энергии   атомных   и   специальных   солнечных

электростанций для получения  водорода путем электролиза воды.

Однако сама природа дает рецепт для получения водорода без  огромных  затрат

энергии. На поверхности частиц взвесей в воде существуют  адсорбированные  и

закрепленные   на   поверхности   ферменты    с    высокой    специфичностью

каталитического действия. Они  способны расщеплять одну-единственную связь  в

одном  из  веществ  при  очень  высокой  активности  в   обычных   условиях.

Иммобилизованные ферменты могут быть использованы  для  получения  водорода.

Представьте себе горсть порошка  с иммобилизованным  на  частицах  ферментом.

Порошок засыпают в банку  с водой, стоящую на  солнце,  и  в  ней  начинается

активное  выделение  водорода.  Уже   делаются   попытки   создания   такого

"магического порошка".

Возможен  также  микробиологический  способ  получения  водорода.  В   почве

существует ряд микроорганизмов, которые выделяют водород  в  виде  побочного

продукта. В случае решения  задачи дешевого получения водородного  топлива  и

разработки   технологии   его   накопления,   хранения   и   транспортировки

человечество   получит   неиссякаемый    источник    экологически    чистого

энергоносителя, встроенного  в естественную систему круговорота  воды.

 

 

 

5. Так кто же виноват  в нашей смерти?

 

К смерти нас приводит дефицит  протонов. Старение и его многочисленные  лица,

болезни, также  являются  результатом  водородного  дефицита.  Организм  без

ионов водорода (протонов) не  способен  снять  зеленый  экран  смерти  и  мы

покидаем этот мир.

 

Возникновение  зеленого  экрана  зависит  от  дыхания  кислородом   воздуха,

который сжигает розовый гем, превращая его в зеленый биливердин. Кислород  -

сильнейший окислитель. Но убирает зеленый экран водород (протон). Водород  -

сильнейший восстановитель.  И  если  кислород  -  сжигатель,  то  водород -

гаситель.

 

Окисление  и  восстановление  суть  два  противоположных  процесса.  Но  эти

процессы едины: одно не бывает без другого. Более того, там, где  есть  одно

проявляется и прямо противоположное  другое.  Это  хорошо  видно  на  примере

нашего дыхания. Биохимия называет дыхание биологическим  окислением.  Но  та