История

Свойства

Применение

Опыты

         Водород

 
    Водород это самое распространенное вещество во вселенной (по крайней мере по некоторым данным, масса водорода во вселенной составляет около 76% ). Еще водород самый-самый из-за своей молекулярной массы (она у него самая маленькая из всех элементов), теплоты сгорания (одна из самых больших на килограмм), удельных теплопроводности и теплоемкости (так же, одни из самых больших). Все эти, а так же многие другие уникальные свойства обуславливают разнообразные применения водорода в промышленности. Перечисления всех применений водорода и его соединений займет слишком много времени, по этому остановлюсь только на нескольких примерах использования водорода в чистом виде.

    Наверное самое известное но в настоящее время уже не встречающееся применение водорода, это заполнение им шаров и дирижаблей (от воздушных шариков до огромного дирижабля "Гинденбург"). Один литр водорода имеет при атмосферном давлении подъемную силу примерно один 1,2 грамма. То есть, чтобы поднять человека, нужен "шарик" объемом кубометров сто (не забываем про вес оболочки, её тоже надо поднять). В настоящее время, водородом ни шарики ни дирижабли не наполняют и предпочитают использовать более безопасный гелий (который уступает водороду в подъёмной силе всего на несколько процентов, хотя и дороже раз в двести).
    Еще одно, несколько утратившее былую популярность, применение водорода, это его использование в горелках. Точнее сказать водородные горелки и сейчас применяются в стеклодувном деле, для работы с кварцевым стеклом, в специализированных лабораториях, при выращивании монокристаллов по методу Вернейля и т.п. Но в позапрошлом веке, это был один из немногих доступных способов получения высоких температур в относительно большом объеме. Электронно-лучевых и индукционных печей не было, дуговые были очень небольшими и маломощными, а вот впервые для переплавки платины в слитки в в полупромышленном масштабе, было использовано именно водородно-кислородное пламя.
    При использовании в качестве ракетного топлива, пара водород-кислород обладает одним из самых высоких удельных импульсов - 430 секунд (то есть, согласно определению, килограмм горючего из H₂ и O₂, при сгорании в специальном ракетном двигателе, сможет создавать тягу в один килоргамм в течении 430 секунд). Такое топливо прменялось например в ракете носителе "Энергия" и второй ступени американской ракеты "Сатурн 5" (которая доставляла пилотируемые аппараты на луну).
    Из-за высокой теплоты образования оксида и галогенидов, водород является отличным восстановителем. Он используется для получения металлических: рения, вольфрама, молибдена и платиновых металлов из их соединений.
    Не стоит так же забывать об использовании водорода при гидрировании органических соединений (например при получении маргарина).
    Ну и современное направление в науке и промышленности - водородная энергетика. Как правило, сюда относят разработку эффективных, удобных и экологически чистых методов получения водорода, его хранения и превращения в энергию (как правило электрическую).

    Поскольку водород не имеет цвета, для "визуализации", я запаял его в ампулу под давлением в несколько миллибар, что позволило "запустить" в газе высокочастотный разряд от ВЧ течеискателя. Хотя наверное, если опустить ампулку в жидкий гелий, водород можно будет увидеть в виде капелек жидкости или кристаллов (в зависимости от температуры). Но из-за высокой цены жидкого гелия и сложности обращения с ним, такой метод нельзя признать экономичным и пригодным для "домашнего" использования.

 
    Естественно можно купить и газоразрядную трубку с впаянными электродами. Для получения разряда в такой трубке, достаточно источника высокого напряжения (1-2 киловольта). Электрический разряд обладает более интенсивным свечением, а узкий светящийся канал трубки проще использовать для получения спектра водорода.

 
    Как известно, водород имеет несколько изотопов (атомов одного и того же элемента с различной молекулярной массой). Разумеется наличием изотопов могут похвастаться многие элементы, но свойства изотопов водорода различаются наиболее сильно (из-за большой разницы в массе). Дейтерий, это первый изотоп элемента, который был выделен в чистомвиде из природной смеси (там его примерно 0.0015%). Температуры кипения водорода и дейтерия отличаются примерно на три градуса (для изотопов это очень большая разница!), в различные реакции дейтерий так же вступает несколько медленнее водорода но в целом, химические свойства этих двух изотопов практически одинаковы.
    как можно видеть на фотографии, цвет свечения газоразрядных трубок с водородом и дейтерием не отличаются ("в живую" кстати тоже, это не проблемы с цветопередачей) но спектр излучения немного разный (линии испускания дейтерия немного сдвинуты).

 
    Благодаря тому, что электрический разряд в дейтерии испускает довольно интенсивное Уф излучение, дейтериевые лампы используются как источники света в спектроскопии. На фотографии лампа ДДС-30. Корпус лампы сделан из кварца, внутри находится небольшое количество дейтерия. На самом деле существует и водородный вариант такой лампы (ДВС-30), который выглядит точно так же (за исключением маркировки) но он менее распространен.

 
    И наконец последний изотоп водорода, который можно не только увидеть и подержать в руках но даже купить (существут так же ⁴H и ⁵H но они крайне нестабильны).
    Тритий не относится к стабильным изотопам, он радиоактивен и период его полураспада составляет чуть больше двенадцати лет. При радиактивном распаде, тритий испускает бета частицы с энергией до 18 кЭв, которые в воздухе пролетают всего полсантиметра, а стеклом полностью поглощаются уже при его толщине в несколько микрометров. Защиты от такого излучения практически не требуется (отличии от радия с его гамма излучением) и поэтому в настоящее время, тритий используется в разнообразных источниках света, которые могут испускать свет в течени нескольких лет не требуя внешних источников питания. Такие устройства используются например в указателях аварийных выходов (торговая марка "Betalight"), метках не ночных прицелах и даже брелках. На фотографии - брелки выпускаемые фирмой "Nite". Светящаяся часть состоит из тонкой стеклянной трубочки, внутри неё находится тритий под давлением 2.5 атмосферы. На внутренние стенки трубочки, нанесен люминофор, который светится под действием бета-излучения трития. Все излучение поглощается стенками трубочки и дозиметр рядом с таким брелком, показывает уровень радиации соответствующий фону. В Америке тритиевые брелки запрещены к продаже но в Европе их можно приобрести например на www.ebay.co.uk. Стоимость брелка с пересылкой в Россию составляет примерно 1000 рублей. Проблем на почте как правило не возникает. Свечение люминофора не очень сильное но хорошо заметно в темноте. Вторая фотография сделана с выдержкой примерно в три секунды.

 
    Ну и как же не надуть водородом воздушный шарик . Я закачал в него примерно грамм водорода (то есть около 10 литров). Не стоит забывать, что 1 грамм, это МАССА водорода в шарике. ВЕС измеряется в Ньютонах (поскольку это сила действия на опору или подвес) и в данном случае он будет отрицательным (по скольку водород легче воздуха).
    Так как молекулы водорода имеют очень небольшой размер (по сравнению с молекулами азота например), водород легко проникает через различные полимерные материалы, в том числе и через резину. Через пару дней значительная часть водорода из шарика улетела и он уменьшился в размерах примерно наполовину.

 
    Фотографии металов с самой большой и самой маленькой плотностью я уже помещал на страничке посвященной иридию, а тут я решил сравнить плотности абсолютных чемпионов среди всех элементов (ну по крайней мере стабильных). Как уже сообщалось, теоретический рассчет плотностей осмия и иридия показал, что они в принципе равны (с учетом погрешности рассчета). Так что для разнообразия в данном случае возьмем кусочек осмия и сравним его с водородом (тут никаких сомнений нет, при прочих равных условиях это определенно элемент с самой низкой протностью).
    Шарик с водородом - тот же, что и на предыдущем фото. Масса водорода - 1 грамм, объем примерно 10 литров (точный объем должен быть 11.12 литра). Масса кусочка осмия (кстати это кристалик) так же 1 грамм. Размер клеточек на обоих фотографиях (как впрочем и на всех остальных фотографиях на сайте) - 1 см. На первом фото, кусочек осмия лежит на шарике (полностью шарик в кадр не поместился) на втором фото - отделно кристаллик осмия. Плотность водорода - 0.096246 грамма на литр (или 0.000096246 г/см³), осмия - 22.59 г/см³. То есть при нормальных условиях плотности этих двух элементов отличаются в 234711 раз! Не стоит забывать, что плотность газов сильно зависит от давления, и при давлении например в две атмосферы будет в два раза больше.

 
    Любые материалы сайта могут использоваться в некоммерческих целях с указанием источника (или сохранением логотипа сайта на фотографиях). Коммерческая перепубликация и другое использование материалов без разрешения автора сайта запрещено!