Водород обозначение в таблице менделеева. II

Заряд ядра атома водорода равен 1 и поэтому в Периодической системе он стоит под номером 1. Водород расположен в первом периоде, где находятся всего два химических элемента H и He. Емкость первого электронного слоя равна 2 и поэтому у атомов гелия имеется завершенная электронная оболочка, а He является аналогом инертных газов (Ne, Ar, Kr, Xe и Rn). У атома водорода один электрон и его электронная конфигурация 1s1. В реакциях окисления или восстановления атом водорода может либо присоединять, либо отдавать один электрон. Какие же (по группам Периодической системы) одновалентные аналоги могут быть у водорода? В первую очередь - это щелочные металлы, у атомов которых на внешнем электронном слое также имеется 1 s электрон. Кроме того, металлические свойства химических элементов уменьшаются при переходе в Периодической системе по группам снизу вверх, а значит увеличиваются неметаллические свойства. И, если мы отнесем водород к первой группе, у него могут появиться слабые неметаллические свойства? Да его считают самым слабым неметаллом. Так что помещение водорода в первую группу не противоречит логике Периодической системы.

У атома водорода для завершения электронной оболочки не хватает всего одного электрона, поэтому при взаимодействии с активными металлами (щелочными и щелочноземельными) атом водорода стремится их внешний валентный электрон присоединить себе и тем самым он ведет себя подобно атомам галогенов. А получаемые водородные соединения (гидриды металлов - MeH) подобны соединениям галогенов со щелочными и щелочноземельными металлам. Значит они являются солями? По внешнему виду, по физическим свойствам, по способности проводить электрический ток в расплавленном состоянии гидриды металлов напоминают хлориды соответствующих металлов. При переходе в группе неметаллические свойства химических элементов снизу вверх возрастают. Тогда водород должен бы быть самым активным неметаллом. Это не так. Самый активный неметалл это фтор. Поскольку свойства водорода в чем-то напоминает свойства галогенов, то условно (в скобках) его можно было бы поместить в 7-ую группу над фтором.

Есть учебники, в которых клетку в первом периоде, предназначенную для водорода - делают размером в семь клеток - от Li до F - и считают водород аналогом сразу всех семи элементов 2-го периода. С этим вряд ли можно согласиться, так как водород во всех своих соединениях является одновалентным, а для элементов 2 - 6 групп валентность равная 1 не характерна.

Мы специально излагаем этот материал не в категоричной, как обычно написаны учебники для школьников, а в дискуссионной форме. Химия как наука все еще находится в стадии становления и развития. И не нужно бояться "противоречий" в разных учебных пособиях по химии. Нужно попробовать понять точку зрения автора, понять его доводы и стремиться формировать собственное обоснованное мнение.

Распространённость в природе. В. широко распространён в природе, его содержание в земной коре (литосфера и гидросфера) составляет по массе 1%, а по числу атомов 16%. В. входит в состав самого распространённого вещества на Земле - воды (11,19% В. по массе), в состав соединений, слагающих угли, нефть, природные газы, глины, а также организмы животных и растений (т. е. в состав белков, нуклеиновых кислот, жиров, углеводов и др.). В свободном состоянии В. встречается крайне редко, в небольших количествах он содержится в вулканических и других природных газах. Ничтожные количества свободного В. (0,0001% по числу атомов) присутствуют в атмосфере. В околоземном пространстве В. в виде потока протонов образует внутренний ("протонный") радиационный пояс Земли. В космосе В. является самым распространённым элементом. В виде плазмы он составляет около половины массы Солнца и большинства звёзд, основную часть газов межзвёздной среды и газовых туманностей. В. присутствует в атмосфере ряда планет и в кометах в виде свободного H2, метана CH4, аммиака NH3, воды H2O, радикалов типа CH, NH, OH, SiH, PH и т.д. В виде потока протонов В. входит в состав корпускулярного излучения Солнца и космических лучей.

Изотопы, атом и молекула. Обыкновенный В. состоит из смеси 2 устойчивых изотопов: лёгкого В., или протия (1H), и тяжёлого В., или дейтерия (2H, или D). В природных соединениях В. на 1 атом 2H приходится в среднем 6800 атомов 1H. Искусственно получен радиоактивный изотоп - сверхтяжёлый В., или тритий (3H, или Т), с мягким β-излучением и периодом полураспада T1/2 = 12,262 года. В природе тритий образуется, например, из атмосферного азота под действием нейтронов космических лучей; в атмосфере его ничтожно мало (4-10-15% от общего числа атомов В.). Получен крайне неустойчивый изотоп 4H. Массовые числа изотопов 1H, 2H, 3H и 4H, соответственно 1,2, 3 и 4, указывают на то, что ядро атома протия содержит только 1 протон, дейтерия - 1 протон и 1 нейтрон, трития - 1 протон и 2 нейтрона, 4H - 1 протон и 3 нейтрона. Большое различие масс изотопов В. обусловливает более заметное различие их физических и химических свойств, чем в случае изотопов других элементов.

Атом В. имеет наиболее простое строение среди атомов всех других элементов: он состоит из ядра и одного электрона. Энергия связи электрона с ядром (потенциал ионизации) составляет 13,595 эв. Нейтральный атом В. может присоединять и второй электрон, образуя отрицательный ион Н-; при этом энергия связи второго электрона с нейтральным атомом (сродство к электрону) составляет 0,78 эв. Квантовая механика позволяет рассчитать все возможные энергетические уровни атома В., а следовательно, дать полную интерпретацию его атомного спектра. Атом В. используется как модельный в квантовомеханических расчётах энергетических уровней других, более сложных атомов. Молекула В. H2 состоит из двух атомов, соединённых ковалентной химической связью. Энергия диссоциации (т. е. распада на атомы) составляет 4,776 эв (1 эв = 1,60210-10-19 дж). Межатомное расстояние при равновесном положении ядер равно 0,7414-Å. При высоких температурах молекулярный В. диссоциирует на атомы (степень диссоциации при 2000°C 0,0013, при 5000°C 0,95). Атомарный В. образуется также в различных химических реакциях (например, действием Zn на соляную кислоту). Однако существование В. в атомарном состоянии длится лишь короткое время, атомы рекомбинируют в молекулы H2.

Физические и химические свойства. В. - легчайшее из всех известных веществ (в 14,4 раза легче воздуха), плотность 0,0899 г/л при 0°C и 1 атм. В. кипит (сжижается) и плавится (затвердевает) соответственно при -252,6°C и -259,1°C (только гелий имеет более низкие температуры плавления и кипения). Критическая температура В. очень низка (-240°C), поэтому его сжижение сопряжено с большими трудностями; критическое давление 12,8 кгс/см2 (12,8 атм), критическая плотность 0,0312 г/см3. Из всех газов В. обладает наибольшей теплопроводностью, равной при 0°C и 1 атм 0,174 вт/(м-К), т. е. 4,16-0-4 кал/(с-см-°C). Удельная теплоёмкость В. при 0°C и 1 атм Ср 14,208-103 дж/(кг-К), т. е. 3,394 кал/(г-°C). В. мало растворим в воде (0,0182 мл/г при 20°C и 1 атм), но хорошо - во многих металлах (Ni, Pt, Pd и др.), особенно в палладии (850 объёмов на 1 объём Pd). С растворимостью В. в металлах связана его способность диффундировать через них; диффузия через углеродистый сплав (например, сталь) иногда сопровождается разрушением сплава вследствие взаимодействия В. с углеродом (так называемая декарбонизация). Жидкий В. очень лёгок (плотность при -253°C 0,0708 г/см3) и текуч (вязкость при - 253°C 13,8 спуаз).

В большинстве соединений В. проявляет валентность (точнее, степень окисления) +1, подобно натрию и другим щелочным металлам; обычно он и рассматривается как аналог этих металлов, возглавляющий 1 гр. системы Менделеева. Однако в гидридах металлов ион В. заряжен отрицательно (степень окисления -1), т. е. гидрид Na+H- построен подобно хлориду Na+Cl-. Этот и некоторые другие факты (близость физических свойств В. и галогенов, способность галогенов замещать В. в органических соединениях) дают основание относить В. также и к VII группе периодической системы (подробнее см. Периодическая система элементов). При обычных условиях молекулярный В. сравнительно мало активен, непосредственно соединяясь лишь с наиболее активными из неметаллов (с фтором, а на свету и с хлором). Однако при нагревании он вступает в реакции со многими элементами. Атомарный В. обладает повышенной химической активностью по сравнению с молекулярным. С кислородом В. образует воду: H2 + 1/2O2 = H2O с выделением 285,937-103 дж/моль, т. е. 68,3174 ккал/моль тепла (при 25°C и 1 атм). При обычных температурах реакция протекает крайне медленно, выше 550°C - со взрывом. Пределы взрывоопасности водородо-кислородной смеси составляют (по объёму) от 4 до 94% H2, а водородо-воздушной смеси - от 4 до 74% H2 (смесь 2 объёмов H2 и 1 объёма О2 называется гремучим газом). В. используется для восстановления многих металлов, так как отнимает кислород у их окислов:

CuO +Н2 = Cu + H2O,
Fe3O4 + 4H2 = 3Fe + 4H2O, и т.д.
С галогенами В. образует галогеноводороды, например:
H2 + Cl2 = 2HCl.

При этом с фтором В. взрывается (даже в темноте и при -252°C), с хлором и бромом реагирует лишь при освещении или нагревании, а с иодом только при нагревании. С азотом В. взаимодействует с образованием аммиака: 3H2 + N2 = 2NH3 лишь на катализаторе и при повышенных температурах и давлениях. При нагревании В. энергично реагирует с серой: H2 + S = H2S (сероводород), значительно труднее с селеном и теллуром. С чистым углеродом В. может реагировать без катализатора только при высоких температурах: 2H2 + С (аморфный) = CH4 (метан). В. непосредственно реагирует с некоторыми металлами (щелочными, щёлочноземельными и др.), образуя гидриды: H2 + 2Li = 2LiH. Важное практическое значение имеют реакции В. с окисью углерода, при которых образуются в зависимости от температуры, давления и катализатора различные органические соединения, например HCHO, CH3OH и др. (см. Углерода окись). Ненасыщенные углеводороды реагируют с В., переходя в насыщенные, например: CnH2n + H2 = CnH2n+2 (см. Гидрогенизация).

Водород - неорганическое вещество, первый и самый легкий элемент таблицы Менделеева. Обозначается буквой H (Hydrogenium), переводится с греческого как «рождающий воду».

В природе существует три устойчивых атома водорода:
протий - стандартный вариант атома, состоящий из протона и электрона;
дейтерий - состоит из протона, нейтрона и электрона;
тритий - в ядре протон и два нейтрона.

Водорода на Земле достаточно много. Если исходить из числа атомов, то его примерно 17%. Больше лишь кислорода - около 52%. И это только в коре земли и атмосфере - ученые не знают, сколько его в мантии и ядре планеты. На Земле водород находится преимущественно в связанном состоянии. Он часть воды, всех живых клеток, природного газа, нефти, угля, некоторых горных пород и минералов. В несвязанном состоянии его можно обнаружить в вулканических газах, в продуктах разложения органики.

Свойства

Самый легкий газ. Не имеет цвета, вкуса и запаха. В воде плохорастворим, хорошо - в этаноле, во многих металлах, например, в железе, титане, палладии - в одном объеме палладия может раствориться 850 объемов Н2. Не растворяется в серебре. Лучше всех газов проводит тепло. При сильном охлаждении преобразуется в очень подвижную текучую бесцветную жидкость, и далее в твердое снегообразное вещество. Интересно, что жидкое состояние элемент сохраняет в очень узком температурном диапазоне: от −252,76 до −259,2 °C. Предполагается, что твердый водород при гигантских давлениях в сотни тысяч атмосфер приобретет металлические свойства. При высоких температурах вещество проникает сквозь мельчайшие поры металлов и сплавов.

Водород - важный биогенный элемент. Образует воду, содержится во всех живых тканях, в амино- и нуклеиновых кислотах, белках, липидах, жирах, углеводах.

С точки зрения химии, водород обладает уникальной особенностью - его относят сразу к двум группам таблицы Менделеева: к щелочным металлам и галогенам. Как щелочной металл, проявляет сильные восстановительные свойства. Реагирует с фтором при обычных условиях, с хлором - под действием света, с другими неметаллами - только при нагревании или в присутствии катализаторов. Вступает в реакции с кислородом, азотом, серой, углеродом, галогенами, угарным газом и др. Образует такие важные соединения как аммиак, сероводород, углеводороды, спирты, фтороводород (фтористоводородную кислоту) и хлороводород (соляную кислоту). При взаимодействии с оксидами и галогенидами металлов восстанавливает их до металлов; это свойство используется в металлургии.

Как галоген Н2 проявляет окислительные свойства при взаимодействии с металлами.

Во Вселенной водорода 88,6%. Большей частью он содержится в звездах и межзвездном газе.

Из-за своей легкости молекулы вещества двигаются с огромными скоростями, сопоставимыми со второй космической скоростью. Благодаря этому его теплопроводность превышает теплопроводность воздуха в 7,3 раза. Из верхних частей атмосферы молекулы Н2 легко улетают в космос. Таким образом наша планета теряет 3 кг водорода каждую секунду.

Техника безопасности

Водород нетоксичен, но пожаро- и взрывоопасен. Смесь с воздухом (гремучий газ) легко взрывается от малейшей искры. Сам водород горит. Это следует учитывать при его получении для лабораторных нужд или при проведении опытов, в ходе которых выделяется водород.

Пролив жидкий водород на кожу, можно получить серьезное обморожение.

Применение

В химпроме с помощью Н2 производят аммиак , спирты, соляную кислоту, мыло, полимеры, искусственное топливо, многие орг.вещества.
В нефтеперерабатывающей индустрии - для получения из нефти и нефтяных остатков различных производных (дизельного топлива, смазочных масел, бензинов, сжиженных газов и др.); для очистки нефтепродуктов, смазочных масел.
В пищепроме: при изготовлении твердых маргаринов методом гидрогенизации из растительных масел; используется как газ для упаковок некоторых продуктов (добавка Е949).
В металлургии в процессах получения металлов и сплавов. Для атомно-водородной (t пламени доходит до +4000 °С) и кислородно-водородной (до +2800 °С) резки и сварки жаростойких сталей и сплавов.
В метеорологии веществом наполняют воздушные зонды и шары.
Как топливо для ракет.
Как охладитель для крупных электрогенераторов.
В стекольной индустрии для выплавки кварцевого стекла в высокотемпературном пламени.
В газовой хроматографии; для заполнения (жидким Н2) пузырьковых камер.
Как хладагент в криогенных вакуумных насосах.
Дейтерий и тритий используются в атомной энергетике и военном деле.

Водород - самый лёгкий газ, он легче воздуха в 14,5 раз. Очевидно, что чем меньше масса молекул, тем выше их скорость при одной и той же температуре. Как самые лёгкие, молекулы водорода движутся быстрее молекул любого другого газа и тем самым быстрее могут передавать теплоту от одного тела к другому. Отсюда следует, что водород обладает самой высокой теплопроводностью среди газообразных веществ. Его теплопроводность примерно в семь раз выше теплопроводности воздуха.

Молекула водорода двухатомна - Н2. При нормальных условиях - это газ без цвета, запаха и вкуса. Плотность 0,08987 г/л (н. у.), температура кипения −252,76 °C, удельная теплота сгорания 120,9·106 Дж/кг, малорастворим в воде - 18,8 мл/л.

Водород хорошо растворим во многих металлах (Ni, Pt, Pd и др.), особенно в палладии (850 объёмов H2 на 1 объём Pd). С растворимостью водорода в металлах связана его способность диффундировать через них; диффузия через углеродистый сплав (например, сталь) иногда сопровождается разрушением сплава вследствие взаимодействия водорода с углеродом (так называемая декарбонизация). Практически не растворим в серебре.

Жидкий водород существует в очень узком интервале температур от −252,76 до −259,2 °C. Это бесцветная жидкость, очень лёгкая (плотность при −253 °C 0,0708 г/см³) и текучая (вязкость при −253 °C 13,8 сП). Критические параметры водорода очень низкие: температура −240,2 °C и давление 12,8 атм. Этим объясняются трудности при ожижении водорода. В жидком состоянии равновесный водород состоит из 99,79 % пара-Н2, 0,21 % орто-Н2.

Твёрдый водород, температура плавления −259,2 °C, плотность 0,0807 г/см³ (при −262 °C) - снегоподобная масса, кристаллы гексагональной сингонии, пространственная группа P6/mmc, параметры ячейки a = 0,378 нм и c = 0,6167 нм. При высоком давлении водород переходит в металлическое состояние.

Молекулярный водород существует в двух спиновых формах (модификациях) - в виде орто- и параводорода. В молекуле ортоводорода o-H2 (т. пл. −259,10 °C, т. кип. −252,56 °C) ядерные спины направлены одинаково (параллельны), а у параводорода p-H2 (т. пл. −259,32 °C, т. кип. −252,89 °C) - противоположно друг другу (антипараллельны). Равновесная смесь o-H2 и p-H2 при заданной температуре называется равновесный водород e-H2.

Разделить модификации водорода можно адсорбцией на активном угле при температуре жидкого азота. При очень низких температурах равновесие между ортоводородом и параводородом почти нацело сдвинуто в сторону последнего. При 80 К соотношение форм приблизительно 1:1. Десорбированный параводород при нагревании превращается в ортоводород вплоть до образования равновесной при комнатной температуре смеси (орто-пара: 75:25). Без катализатора превращение происходит медленно (в условиях межзвёздной среды - с характерными временами вплоть до космологических), что даёт возможность изучить свойства отдельных модификаций.

Свечение водорода в газоразрядной трубке

Элемент: водород (Hydrogenium)

Химический символ: Н

Порядковый номер: 1

Год открытия: 1766

Стандартная атомная масса: 1.00784

Температура плавления: 13.99 К

Температура кипения: 20.271 К

Плотность при стандартных условиях: 0.08988 г/л

Скорость звука в водороде: 1310 м/с (газ при 27 °C)

Число стабильных изотопов: 2

Кристаллическая решётка: гексагональная

Облака межзвёздного газа, из которого рождаются звёзды, представляют собой в основном водород

Давным-давно, в одной далекой галактике… Впрочем, нет. Давным-давно, примерно 13,799 миллиардов (с точностью в 0, 021 миллиард) лет назад, когда не было еще ни одной галактики, да и Вселенной по сути не было, случилась инфляция. Некое могучее поле, именуемое инфлатоном, за невообразимо короткое время невообразимо сильно раздуло Ничего (или сингулярность). И возник наш мир. Уже через сто секунд после начала Большого взрыва во Вселенной было полным-полно протонов – ядер самого простого химического элемента, водорода. Получилось даже небольшое количество «слипшихся» протонов и нейтронов – ядер стабильного изотопа водорода, дейтерия. Почти все атомы водорода возникли именно тогда – во время Большого взрыва.

Несмотря на то, что уже 13 с лишним миллиардов лет идет процесс превращения водорода в другие элементы, и сейчас 75% всей видимой материи во Вселенной – это атомы водорода (про тёмную материю мы ничего не знаем и не скажем).

С водородом как простым веществом человечество познакомилось в 1671 году, когда Роберт Бойль догадался всыпать железные опилки в кислоту. Правда, тогда еще то, что выделялось в итоге, еще не выделялось в самостоятельное вещество. Права нового вещества и нового элемента нашему герою дали почти век спустя. В 1766 году Генри Кавендиш «признал» в продуктах реакции «опилки-кислота» самостоятельный газ. Правда, тогда само слово «водород» (или hydrogen, что в переводе с греческого обозначает то же самое – «рождающий воду», еще не появилось.

Генри Кавендиш

Зато Кавендиш назвал его «горючим воздухом» и предположил, что это и есть загадочный «флогистон», переносчик тепла. Впрочем, семнадцатью годами позже Антуан Лоран Лавуазье вместе с Пьером Симоном Лапласом сообразили, что «горючий воздух» при горении образует воду. Так и появилось современное название элемента номер один – его придумал Лавуазье самолично. Кстати, нужно отметить, что из всех четверых выше упомянутых ученых первооткрывателем водорода считается только Кавендиш. Что поделать, вопросы приоритета в истории науки самые странные.

Кстати, если говорить о названиях, то в нашей стране с 1801 года с подачи последователя Ломоносова, Василия Севергина, водород назывался водотворным веществом:

«Водотворное вещество в соединении с кислотворным составляет воду. Сие можно доказать, как через разрешение, так и через составление».

Василий Севергин

Лишь почти четверть века спустя другой почитатель Ломоносова, химик Михаил Соловьев, предложил слово «водород» (опираясь как раз на «кислород» Ломоносова).

До самого конца XIX века человечество имело дело исключительно с газообразным водородом. Но в 1898 году «король холода» Джеймс Дьюар наконец-то сумел получить жидкий водород, а годом позже появился и твердый. Для этого пришлось охладить вещество до 20,27 и 13,99 градусов Кельвина соответственно. Твёрдый водород имел плотность 0,086 г/см 3 и стал твердым веществом с одной из самых низких плотностей.

Статья Дьюара Sur la solidification de l’hydrogène вышла в журнале Annales de Chimie et de Physique ,
(7th series, vol. 18, Oct. 1899).

Джеймс Дьюар

Именно атом водорода стал «полем боя» для новой физики – непротиворечивую модель атома пытались построить и Томсон, и Резерфорд… В 1913 году Нильс Бор сформулировал свои знаменитые постулаты, объяснившие на основе квантовой механики особенности строения атома. И именно атом водорода подтвердил правоту Бора: рассчитанный на ее основе спектр первого элемента совпал с тем, что мы видим в реальности.

Следующее важнейшее открытие в области водорода сделал американец Гарольд Клейтон Юри, ученик физхимика Гилберта Льюиса, автора концепции ковалентной связи, кислот и оснований Льюиса, номинированного на Нобелевскую премию 41 раз, но так и не получившего абсолютно заслуженной награды (о нем мы обязательно напишем в рубрике «История химии»).

Гарольд Клейтон Юри

В конце 1920-х годов были открыты изотопы кислорода.

Исходя из того, что атомный вес кислорода ровно в 16 раз больше атомного веса водорода, а обычные спектрометрические и масс-спектрометрические данные давали разные соотношения, Юри предположил, что и у водорода есть более тяжелый изотоп. Поиски начались в 1931 году.

Юри рассчитал, что тяжелый водород должен иметь красное смещение в бальмеровской линии спектра от 0,1 до 0,18 нанометра. На том спектрографе, который был в распоряжении ученого, разница в линиях спектра обычного и тяжелого водорода должна была быть около 1 миллиметра. Это уже можно было различить, однако по расчетам выходило, что на 1 атом тяжелого изотопа водорода, должно приходиться около 4500 атомов легкого. Линия была, но очень слабая. И Юри не стал делать никакую «предварительную» публикацию, а решил поискать способ более надежного доказательства.

Вместе с Джорджем Мозли Мерфи Юри расчитал, что у тяжелого водорода будет чуть более высокая температура кипения. По всему выходило, что постепенно «упаривая» пять литров жидкого водорода, можно будет получить миллилитр образца, в котором тяжелого изотопа будет на два порядка больше.

Со второй попытки это удалось - дейтерий был открыт. Статья в PhysRev вышла в 1932 году под авторством Юри, Мерфи и знакомца Юри по университету Джонса Хопкинса Фердинанда Брикведде, который и сделал тот самый миллилитр обогащенного дейтерием водорода в криогенной лаборатории Национального бюро стандартов в Вашингтоне. Юри получил за свое открытие Нобелевскую премию по химии (и он был второй «чистый» физик после Резерфорда, получивший «химического Нобеля»). В том же году, в котором Юри открыл дейтерий, Джеймс Чедвик открыл нейтрон, который помог объяснить существование изотопов.

Свечение дейтерия в газоразрядной трубке

Сам Юри и предложил в 1933 году названия для изотопов. Первый, второй, третий – ну, если «третий» откроют. То бишь – протий, дейтерий и тритий. Уже упомянутый здесь Резерфорд не подкачал – и уже в 1934 году синтезировал таки тритий, который, в отличие от дейтерия оказался радиоактивным – с периодом полураспада 12,32 года.

Кстати, нужно помнить, что помимо протия, дейтерия и трития, в современных лабораториях удалось получить ядра водорода, еще более насыщенные нейтронами: от 4 Н до 7 Н (между прочим, о прогрессе науки говорит тот факт, что к моменту выхода книги «Популярная библиотека химических элементов» был известен только первый изотоп из этого ряда).

Забегая вперед, скажем, что сейчас тритий используется даже в быту: крошечные его количества (один килограмм трития обходится в 30 миллионов долларов) используют в качестве подсветки для часов. Электроны, испускаемые им при распаде, возбуждают люминофор, нанесенный на циферблат часов.

Тритиевая подсветка

Вскоре после открытия изотопов водорода, серьезное и грозное применение получил оксид дейтерия, попросту – тяжёлая вода. Как оказалось, дейтерий – идеальный замедлитель нейтронов, а тяжелая вода может еще и уносить излишнее тепло от реактора.

Ну а в начале 1950-х годов водород стал самым смертельным оружием из имеющегося у человечества: ученые научились воспроизводить процессы, происходящие в природе только в звёздах: термоядерный синтез, в котором из ядер изотопов водорода получаются ядра гелия, а излишек массы полностью превращается в энергию по знаменитой формуле Эйнштейна E=mc 2 .

Термоядерное оружие стало возможным только после открытия удивительного вещества – дейтерида лития-6. Этот гидрид решает сразу две проблемы. Во-первых, при облучении атомов лития-6 быстрыми нейтронами, которые в избытке образуются при первичном ядерном взрыве, синтезируется тритий.

6 3 Li + 1 0 n → 4 2 Не + 3 1 Н + 4,784 МэВ.

А затем с образовавшимся тритием в термоядерную реакцию вступает дейтерий.

2 1 Н + 3 1 Н → 4 2 Не + 1 0 n + 17,6 МэВ.

В 1952 году США взорвали первое термоядерное устройство, в 1953 году СССР испытал созданную Андреем Сахаровым водородную бомбу, а там и до стомегатонной «кузькиной матери» было недалеко.

Айви Майк, первое термоядерное испытание

Однако водород дает нам и жизнь. Очень много спорят, возможна ли жизнь на основе углерода. И предлагают взамен, например, кремний – но альтернатив водороду в органической химии нет. Как и водородсодержащим растворителям тоже, особенно воде. Все благодаря тому, что стандартный атом водорода – это протон с единственным электроном. Его ион – «голый» протон, не защищенный электронами. Благодаря этому атомы водорода способны образовывать слабые (намного слабее ковалентных) водородные связи.

Водородные связи между молекулами воды

Но именно из-за водородных связей вода существует в жидком состоянии такой длинный промежуток температур, именно водородные связи удерживают двойную спираль ДНК и позволяют белкам сворачиваться в структуры, в которых они выполняют все свои мириады функций в организмах. Более того, благодаря тому, что атом водорода, самый распространенный атом живых органзимах, обладает собственным магнитным моментом, стало возможным появление любимой игрушки доктора Хауса – МРТ. Те красивые картинки слоев головного мозга, которые мы так часто видим теперь, построены компьютером исключительно благодаря ядерному магнитному резонансу ядер атомов водорода.

Впрочем, выходит водород сейчас на позиции и мирной энергетики. И если до управляемого термоядерного синтеза нам сейчас далеко – пока что не удается обуздать стихию, бушующую в звездах и в термоядерном взрыве, то водородная энергетика сейчас на подъеме. Водородные автомобили, водородные топливные элементы… Впрочем, и здесь проблем хватает: технологии уперлись в технологические барьеры.

Как говорит крупнейший эксперт по водородным топливным элементам в нашей стране Юрий Добровольский из Института проблем химической физики РАН в Черноголовке, «…барьер состоит именно в комплексной энергоемкости – для летных средств немного тяжеловато, для наземного транспорта – занимает большой объем, а для энергетики – дороговато».

Юрий Добровольский

Кстати, в нашей стране запустили мегаконкурсы UP GREAT «Первый элемент» , посвященные прорыву этих барьеров. Конкурса два: энергоустановки для малых беспилотников («Первый элемент. Воздух») и энергоустановки для автомобилей и малых судов и авиации («Первый элемент. Земля»).

За преодоление технологического барьера полагаются значительные денежные призы, необременённые отчётной документацией: до 60 млн рублей в конкурсе «Воздух», до 140 млн рублей – «Земля». Есть за что побороться.

Впрочем, и «чистые экспериментаторы», и теоретики тоже продолжают работать с водородом. Особенно интересуют ученых экзотические состояния первого элемента: что будет с водородом, если его очень сильно сжать. Предполагалось, что водород в таких условиях станет… металлом, испытав фазовый переход. Ядра водорода давлением сближаются друг с другом на расстояние, сравнимое с длиной волны электронов (мы же помним, что в квантовом мире электрон – и волна, и частица одновременно). Таким образом, сила связи электрона с ядром становится нелокализованной, электроны образуют свободный электронный газ так же, как в металлах.

Более того, некоторые ученые считают, что металлический водород может быть сверхпроводником при комнатной температуре.

Штурм металлического водорода длился десятилетиями: существование предсказали уже в 1935 году Евгений Вигнер и Хиллард Гентингтон, однако только в 1996 году его смогли получить на короткое время, а в 2016-2017 годах развернулся настоящий научный детектив. Сначала в октябре 2016 года Ранга Диас и Исаак Сильвера из Гарварда провели эксперимент, в котором сжали водород под давлением почти в пять миллионов атмосфер и заявили, что им удалось увидеть блеск металлического водорода. Статья в Science вышла в январе 2017 года. Последовал вал критики и скептицизма, усилившийся после того, что Сильвера месяцем позже сказал, что повторить эксперимент они не смогут, ибо экспериментальная установка разрушена и образец металлического водорода утерян. В августе 2017 года авторы скорректировали свои данные, заявив, что в главном они правы – металлический водород они получили. В любом случае, было бы неплохо повторить.

Исследователи предполагают, что металлический водород может составлять основу ядер планет-гигантов типа Юпитера, что в свете открываемых сотнями космических тел за пределами Солнечной системы становится еще интереснее.

Металлический водород в разрезе Юпитера. Показан коричневым

…Водород – древнейший элемент нашего мира. Несмотря на то, что он – самый простой атом, важность его сложно переоценить. Мы можем бесконечно о нем рассказывать, написать о нем не одну книгу – и все же не исчерпать его.

Текст: Алексей Паевский