Как и кто открыл водород

История открытия водорода

Водород — самый распространенный химический элемент во Вселенной. Он составляет примерно половину массы Солнца и других звезд, а также межзвездного пространства и газовых туманностей. На Земле водород находится в связанном состоянии — в виде соединений. Вместе с углеродом он входит в состав нефти, природных газов и всех живых организмов. Немного свободного водорода содержится и в воздухе, но там его совсем мало — 0,00005 %. В атмосферу он попадает из вулканов.

Еще средневековый ученый Парацельс заметил, что при действии кислот на железо выделяются пузырьки какого-то «воздуха», но что это такое — объяснить не смог. Теперь известно, что это был водород.

Латинское название элемента Hydrogenium состоит из двух греческих слов — «вода» и «рождаю», то есть «рождающий воду». Так в XVIII в. его назвал французский естествоиспытатель А. Лавуазье. Понятие «водород» было предложено в 1824 г. русским химиком М. Соловьевым по аналогии с «кислородом». А до XIX в. в химической литературе России можно было встретить названия «горючий газ», «загораемый воздух», «водотвор», «водородный газ», «водотворное существо».

Очень долго опыты по изучению и открытию газов оставались без внимания, поскольку ученые попросту не замечали этих невидимых веществ. Лишь со временем стало ясно, что газ — полноценная материя, без исследования которой невозможно полностью понять химическую основу мира.

Открытие водорода произошло еще на заре развития химии как науки. Горение этого газа наблюдали Парацельс, Р. Бойль и другие ученые, а М. Ломоносов в 1745 г. описал получение кислорода при действии кислот на металлы. Тем не менее большинство ученых в те годы были приверженцами теории флогистона — гипотетической «сверхтонкой огненной субстанции», якобы наполняющей все горючие вещества и высвобождающейся из них при горении.

Гипотезу о флогистоне высказывал даже химик Генри Кавендиш (1731—1810), который более или менее подробно исследовал свойства водорода и дал ему название «горючий воздух». В частности, Кавендиш обнаружил, что водород — необычайно легкий газ, в 14 раз легче воздуха, и наполненный им резиновый шарик непременно взлетит в небо. Первый воздушный шар, построенный братьями Монгольфье, был наполнен дымом от горения шерсти и соломы: видимо, братья не были знакомы с законами физики и наивно полагали, будто эта смесь образует «электрический дым», способный поднять их легкий шар. А вот физик Ж. А. Шарль наполнил шар водородом, и этот летательный аппарат (шарльер), в отличие от детища Монгольфье (монгольфьера), не только взлетел, но и одолел 20 км за 45 мин.

В декабре 1783 г. Шарль в сопровождении физика Ф. Робера в присутствии 400 000 зрителей предпринял первый полет на воздушном шаре, заполненном водородом. А в 1804 г. Ж. Л. Гей-Люссак (также не один, а вместе с физиком Ж.-Б. Био) поставил рекорд высоты, поднявшись на водородном шаре на 7 км.

Между тем к концу XVIII в., используя новые лабораторные приборы, Лавуазье впервые осуществил водный синтез, а затем пропустил водяные пары через раскаленную докрасна железную трубку с железными опилками. Кислород из воды прочно соединился с железом, а водород выделился в свободном виде. Благодаря этому опыту стало понятно, что водород присутствует в составе воды, более того, может быть выделен из нее. Сейчас водород тоже получают из воды, но другим способом — с помощью электролиза.

Примечательно, что при составлении таблицы простых веществ Лавуазье поместил водород в один ряд с кислородом, азотом, светом и теплородом — поскольку эти вещества представлены во всех трех царствах природы и являются неотъемлемой частью любых тел.

В конце XIX в. исследованием водорода занимался русский химик Д. Менделеев. И вот какой вывод сделал: «Водород представляет пример газа, на первый взгляд не отличающегося от воздуха… Парацельс, открывший, что при действии некоторых металлов на серную кислоту получается воздухообразное вещество, не определил его отличия от воздуха. Действительно, водород бесцветен и не имеет запаха, так же как воздух; но при ближайшем знакомстве с его свойствами этот газ оказывается совершенно отличным от воздуха».

Уже в ХХ в. ученые обнаружили изотопы этого элемента. В конце 1931 г. группа американских физиков — Г. Юри со своими учениками Ф. Брикведде и Дж. Мерфи — взяли 4 л жидкого водорода и подвергли его фракционной перегонке, получив в остатке всего 1 мл, то есть уменьшив объем в 4000 раз. Этот последний миллилитр жидкости, оставшийся после ее испарения, был исследован спектроскопическим методом, и на спектрограмме обогащенного водорода Юри заметил новые, очень слабые линии, отсутствующие у обычного элемента. При этом положение линий в спектре точно соответствовало квантово-механическому расчету предполагаемого атома 2H. Соотношение интенсивностей линий нового изотопа (Юри назвал его дейтерием по числу входящих в ядро элементарных частиц — 1 протона и 1 нейтрона) и обычного водорода показало, что в исследованном обогащенном образце количество нового изотопа в 800 раз меньше, чем обычного водорода.

После спектроскопического обнаружения дейтерия было предложено разделить изотопы водорода электролизом. Эксперименты показали, что при электролизе воды легкий водород действительно выделяется быстрее, чем тяжелый. Именно эти опыты стали ключевыми для получения тяжелого водорода. Статья, в которой сообщалось об открытии дейтерия, была напечатана весной 1932 г., а уже в июле появились результаты по электролитическому разделению изотопов. В 1934 г. за открытие тяжелого водорода Юри получил Нобелевскую премию по химии.

В том же году в английском журнале Nature была опубликована небольшая заметка, подписанная М. Л. Олифантом, П. Хартеком и Резерфордом (фамилия лорда Резерфорда не требовала при публикации инициалов). Несмотря на скромное название заметки «Эффект трансмутации, полученный с тяжелым водородом», она сообщала миру о выдающемся результате — искусственном выделении третьего изотопа водорода, трития.

В 1946 г. известный авторитет в области ядерной физики, лауреат Нобелевской премии У. Ф. Либби предположил, что тритий непрерывно образуется в ходе атмосферных ядерных реакций. Однако в природе трития так мало (1 атом 3Н на 1018 атомов 1Н), что обнаружить его удалось только по слабой радиоактивности.

Открытие водорода оказалось очень важным не только для науки, но и для других сфер человеческой деятельности. Сейчас этот элемент используют для получения аммиака, необходимого в производстве удобрений и многих других веществ. Из жидких растительных масел с помощью водорода получают твердые жиры, похожие на сливочное масло и применяемые в пищевой промышленности. При производстве изделий из кварцевого стекла требуется очень высокая температура, и здесь водород тоже находит применение: горелка с водородно-кислородным пламенем дает температуру выше 2000 °С, при которой кварц легко плавится. Также водород часто используют в лабораторных экспериментах, а хранят под давлением в стальных баллонах, для безопасности прикрепленных к стене с помощью специальных хомутов.

Источник

Водород: история и использование

Химический элемент, опасный и полезный

История и использование водорода

Склонность водорода к сгоранию делает его опасным химическим элементом и полезным источником энергии.
Водород является самым простым и наиболее распространенным из химических элементов, которые являются составными частями многих вещества. Другие атомы состоят из протонов, нейтронов и электронов. Но водород имеет только один электрон и один протон. Это также самый распространенный элемент, фактически, водород составляет около трех четвертей всего вещества во вселенной.

Водород является бесцветным газом без запаха. В своей наиболее распространенной форме он чрезвычайно горюч, другими словами, он имеет тенденцию вспыхивать и эта тенденция делает водород и очень опасным и в то же время очень полезным в области энергообеспечения.

Энергия: Водород — топливо будущего!

Когда был открыт водород?

Источник: ВикипедиЯ

Водород был впервые обнаружен в 1671 году британским ученым Робертом Бойлом. Он экспериментировал с разными металлами, погружая их в кислоту. Когда чистый металл помещают в кислоту, происходит тип реакции, называемый реакцией однократного вытеснения. Например, добавление калия (K) в раствор соляной кислоты (HCl) вызывает следующую реакцию: 2K + 2HCl → 2KCl + H2

Калий реагирует с кислотой, что вызывает образование соли, называемой хлоридом калия. Между тем, оставшиеся атомы водорода объединяются в газообразный водород.

Источник: ВикипедиЯ

В газете 1776 года британский ученый по имени Генри Кавендиш подтвердил, что водород является очень интересным элементом. И Бойл, и Кавендиш заметили, что газообразный водород очень легко воспламеняется. В частности, он быстро и сильно подвергается реакции горения с кислородом.
2H2 + O2 → 2H2O (+ тепло)

Реакция берет молекулы водорода и кислорода и объединяет их вместе, чтобы сформировать H2O (вода). Эта реакция экзотермическая. Это означает, что он генерирует тепловую энергию. Другие ученые позже обнаружат, что водород обеспечивает топливо для реакций ядерного синтеза, которые происходят внутри звезд. Эти реакции синтеза производят весь свет и тепло, которые производят Солнце и другие звезды.

Для чего использовался водород в прошлом?

Наряду с его воспламеняемостью, Бойл и Кавендиш также отметили, что водород менее плотен (легче), чем воздух. Водород отлично поднимает такие предметы, как воздушные шары. Таким образом, он похож на второй самый простой элемент, гелий. На самом деле, водород даже лучше поднимает вещи, чем гелий. Таким образом, это был только вопрос времени, когда люди начали проектировать заполненные водородом воздушные шары для транспортировки.

К началу 1900-х годов большие воздушные корабли, которые использовали водород в качестве подъемного газа, стали популярной формой воздушных путешествий.

Однако увлечение дирижаблем, заполненным водородом, длилось недолго. В 1937 году произошла трагедия в США. Немецкий дирижабль Гинденбург загорелся и взорвался в Лейкхерсте, штат Нью-Джерси, убив 36 человек, кроме того в мире происходило много трагических случаев в которых фигурировал дирижабль.

Разработчики дирижаблей знали, что водород легко воспламеняется и что гелий был более безопасным выбором. Однако гелий был редким и дорогим газом. И именно поэтому они пошли более дешевым, но менее безопасным вариантом. После катастрофы дирижабля от взрыва водорода, от него как от подъёмного газа быстро отказались, а на смену дирижабля пришёл становящийся всё более распространенным самолёт.

1937 г. — Катастрофа германского дирижабля

Для чего использовался H2 совсем недавно?

Наверное, многие видели видео запуска космического челнока или стыковки на Международной космической станции. Эта программа была отменена в 2011 году. Но до тех пор шаттл был для астронавтов НАСА главным способом полета в космос. Вы никогда не задумывались, что приводило в действие эти невероятно огромные двигатели? Это был водород!

Главный двигатель космического челнока приводился в действие сжиганием жидкого водорода и жидкого кислорода. Сколько энергии обеспечивает сжигание водорода? Так много, что трудно представить! Работающие вместе три двигателя «Спейс Шаттл» вырабатывают примерно столько же энергии, сколько 120 железнодорожных локомотивов.

Инженеры НАСА также поняли, насколько опасным может быть водород. Однако они решили, что могут воспользоваться всей этой необузданной силой, если будут очень осторожны.

В последнее время люди проявляют все больший интерес к снижению своего воздействия на окружающую среду. Один из способов сделать это — прекратить сжигать топливо для питания автомобилей. Существует большой интерес к разработке автомобилей на водородных топливных элементах. Преимущество использования водорода для заправки автомобилей заключается в том, что в отличие от бензина, отходы — это не парниковый газ, а вода!

Машина на водородном двигателе: плюсы и минусы

В отличие от дирижабля, автомобили, работающие на водороде, не должны быть сверхлегкими, как воздушные шары, поэтому топливо сжимается и хранится в очень жестких баках, чтобы предотвратить утечки. Лучшим решением было бы хранить топливо как твердое вещество, а не как газ. Материал все еще может сгореть в результате несчастного случая. Однако вряд ли он взорвется. Риск пожара при авариях примерно такой же, как и у автомобиля с бензиновым двигателем.

Водородные топливные элементы. Как это сделано

Но одной из основных проблем использования водорода в качестве источника топлива для автомобилей является хранение. Водород имеет больше энергии, чем бензин по весу, но он имеет меньше энергии по объему. Это означает, что нужен довольно большой бак с водородным газом, чтобы проехать на автомобиле достаточное расстояние, прежде чем заправляться. Бензобаки большинства автомобилей слишком малы, чтобы хранить достаточно газообразного водорода для передвижения в городских условиях или более дальних поездок.

Ученые изучают возможность превращения водорода из газа в твердое вещество. Причиной этого является низкая плотность энергии. Когда водород поглощается твердым химическим веществом, он может получить более высокую плотность энергии. Академические, отраслевые и правительственные исследователи ищут этот инновационный способ выведения водорода на передний план энергетической экономики.

Человеческое понимание водорода прошло долгий путь с момента его открытия в 1671 году. Он использовался для подъема дирижаблей и доставки людей в космос, а сегодня он уже является источником энергии питающей автомобили завтрашнего дня!

Полезной ли оказалась для вас эта статья? Напишите ваше мнение в комментариях!

Источник

Водород – рождающий воду

Содержание

При горении водорода в кислороде образуется чистое, некоптящее и не имеющее четких границ пламя температурой до 2800°С.

Теоретически для полного сгорания 1 мг водорода требуется 0,5 мг кислорода. Практически в горелку на 1 мг водорода подается 0,25 мг кислорода.

История открытия водорода

Доподлино установить кто открыл водорода невозможно, поскольку он известен с XVI века. Алхимики заметили, что при взаимодействии железных опилок с соляной или серной кислотой выделяется «горючий воздух», или «искусственный воздух». Однако его все-таки считали воздухом, получившим почему-то способность гореть.

Но вот сторонник точных измерений Генри Кавендиш (Henry Cavendish) выделил водород из серной и соляной кислот железом, цинком, оловом. Он собирал его в газометре и узнал, что при горении «горючего воздуха» образуется чистая вода. Поэтому считается, что лавры открытия водорода принадлежат именно ему.

Интересны первые русские наименования водорода: «водотворный газ», «водотвор». Легкость водорода, пожалуй, поразила первых наблюдателей больше, чем остальные его свойства. Думали даже, что он и есть тот таинственный с «отрицательным весом» флогистон, который, проникая в тела, сообщает им способность гореть.

Избыток водяных паров, непрерывно поступающих в трубу, проходил через холодильник, а водород по трубам направлялся в аэростат и надувал его.

Когда железо израсходуется, его опять можно получить из накаленной окалины, если через трубу пропустить светильный газ. Уравнение показывает, что 3?56=168 г железа могут вытеснить 8 г водорода, или 4?22,4=89,6 л водорода.

Аэростаты, наполненные водородом, применили впервые революционные войска Франции в битве при Флёрюсе в 1794 г.

В войнах 1904-1905 и 1914-1918 гг. привязанные канатами аэростаты служили главным образом для наблюдения за прицельностью артиллерийского огня, за передвижением войск. Во время Великой Отечественной войны 1941-1945 гг. они защищали военные объекты от авиации противника. Летчики, опасаясь столкновений с аэростатом и канатами, летали на большой высоте, поэтому их бомбовые удары в значительной мере теряли прицельность.

Первый в мире полет на аэростате с научной целью совершил ученый Захаров Яков Дмитриевич в 1804 г. А в 1887 г. для наблюдения солнечного затмения и изучения воздуха поднялся в воздух Менделеев Дмитрий Иванович.

Получение водорода

В промышленности технический водород получают:

Получение водорода из кислот

Вместо цинка можно взять железо в виде стружек или алюминий. Водород получается, загрязненный побочными продуктами разложения серной кислоты, и, если это требуется, его приходится очищать.

Добыча водорода из промышленных газов

При переработке каменного угля на кокс дополнительно получается деготь и коксовый газ. В состав газа входит до 50-60% водорода (H₂), 20-25% метана (СН₄), окись углерода (СО), азот (N) и др.

В статье о свойствах гелия и способах его производства описан процесс получения гелия методом фракционной конденсации. Так же поступают и с коксовым газом. Но чтобы отделить водород от других составных частей, требуется очень глубокое охлаждение из-за низкой критической температуры водорода.

Производство водорода из воды

Единственным исходным сырьем для добычи водорода электролитическим методом служит вода. Чистая, дистиллированная вода обладает огромным сопротивлением и почти совершенно не проводит электрический ток. Вот почему для того чтобы сделать воду электропроводной, в ней нужно растворить какую-нибудь соль, кислоту или основание, которые дают ионы.

В результате получения 2 м 3 водорода, как побочный продукт получается 1 м 3 кислорода.

Большой расход электроэнергии является главным недостатком данного способа, поэтому применение водорода полученного при помощи электролиза целесообразно при одновременном использовании вместе с кислородом. В связи с этим в последнее время портативные водородные сварочные аппараты для газовой сварки и пайки пользуются все большей популярностью.

Применение водорода

Основными направлениями применения водорода являются:

Применение водорода в сварке

Водород использовался в качестве защитного газа еще при первых попытках защиты дугового пространства от воздуха. Однако водород может оказать в ряде случаев вредное воздействие. Это объясняется тем, что при применении водорода в металле сварных швов образуются дефекты в виде пор, а также является одним из главных факторов образования холодных трещин. С увеличением толщины свариваемых элементов пористость в металле сварных швов становится значительной. Поэтому его использование в дальнейшем было значительно ограничено. В чистом виде (и в виде водородно-азотных смесей, получаемых при диссоциации аммиака) он в настоящее время применяется при атомно-водородной сварке (хотя и сам этот способ заменен теперь другими, в частности сваркой неплавящимся электродом).

Если струю водорода пропускать через пламя вольтовой дуги, то водород диссоциирует на атомы с поглощением значительного количество тепла (103,6 ккал/моль) что приводит к значительному увеличению напряжения дуги. Она становится устойчивой только при повышении напряжения источника тока. Так, например, при режимах атомно-водородной сварки наиболее эффективной «звенящей» дугой при вольфрамовых электродах и силе тока 10-20 А напряжение дуги составляет около 100 А, напряжение холостого хода питающего источника должно быть не менее 200-220 В (обычно около 300 В). В этом случае водород является не только защитным газом, но и переносит тепловую энергию из дуги на поверхность не включенного в цепь тока изделия.

Образовавшийся атомный водород направляют на твердую свариваемую поверхность, где происходит нагревание и расплавление металла за счет поглощения тепла, которое выделяется при рекомбинации атомов до молекулярного водорода. Ассоциация атомарного водорода на холодной поверхности металла (в том числе и расплавленной, так как температура плавления большинства металлов ниже температуры возможного существования заметных количеств атомарного водорода) приводит к выделению тепла, потребленного в дуге на диссоциацию. За счет выделяющегося тепла температура свариваемой поверхности металла повышается до 3528-4028°С. Такая атомно-водородная сварка позволяет обрабатывать и сваривать самые тугоплавкие металлы, высококачественные стали, коррозионно-устойчивые материалы, цветные металлы.

Несмотря на то, что атмосфера, окружающая металл, при атомно-водородной сварке представляет собой смесь молекулярного и атомарного водорода, при отсутствии на металле значительного количества окислов швы получаются достаточно плотными и применительно к низкоуглеродистой стали не имеют большого количества диффузионно-подвижного и остаточного водорода.

При струйной защите иногда используется водяной пар. Однако в этом случае получается значительно меньшая стабильность качества сварных швов, чем при сварке с защитой дуги углекислым газом. В связи с этим такой процесс широкого распространения не получил.

При TIG сварке аустенитной нержавеющей стали с целью увеличения напряжения дуги, увеличения теплоэффективности и снижения оксидирования используют аргоно-водородные смеси газов (15% Н₂). Более высокая температуру и сжатие дуги, в свою очередь увеличивает глубину проплавления металла. Однако при этом необходимо учитывать возможность вредного влияния растворяющегося в металле водорода. Более широко водород применяют в специальных областях сварки и металлургии, например в порошковой металлургии при спекании изделий из порошковых материалов.

В других случаях применение водорода и водородосодержащих газов, как защитных при дуговой сварке, нецелесообразно.

Применяют водород для составления плазмообразующих смесей при плазменной сварке и резке. Так, для защиты сварочной ванны от окисления при плазменной сварке легированной стали, меди, никеля и сплавов на его основе используют смесь аргона с 5-8% водорода.

Аргоно-водородную смесь, имеющую до 20% Н₂, применяют при микроплазменной сварке. Наличие водорода в смеси обеспечивает сжатие столба плазмы, делает его более сконцентрированным. Кроме того, водород создает необходимую в ряде случаев восстановительную атмосферу.

Взрывоопасность водорода

При работе с водородом особое внимание следует обращать на герметичность аппаратуры и газовых коммуникаций, так как водород способен проникать через мельчайшие неплотности, образовывать с воздухом взрывоопасные концентрации. В смеси с кислородом (2:1) образует взрывчатую смесь, называемую гремучим газом.

Температура самовоспламенения 510°С. Водород физиологически инертен, при высоких концентрациях вызывает удушье. При высоком давлении проявляется наркотическое действие. При работе в среде водорода необходимо пользоваться изолирующим противогазом (кислородным или шланговым).

Хранение и транспортировка водорода

Водород технический поставляют по ГОСТ 3022. Хранят и транспортируют водород в стальных баллонах вместимостью 40 и 50 дм 3 по ГОСТ 949 под давлением 15 МПа. Баллон окрашивается в темно-зеленый цвет с красной надписью «ВОДОРОД».

Характеристика водорода

Характеристики H₂ представлены в таблицах ниже:

Коэффициенты перевода объема и массы H₂ при Т=15°С и Р=0,1 МПа

Коэффициенты перевода объема и массы H₂ при Т=0°С и Р=0,1 МПа

Водород в баллоне

Благодаря этой таблице теперь можно легко дать ответы на вопросы, которые очень часто задают сварщики:

Рекомендуем к просмотру видео об открытии водорода, его характеристиках и производстве.

Источник