Водород. Водород – (лат. Hydrogenium), Н, химический элемент, первый по порядковому номеру в периодической системе Менделеева; атомная масса 1,00797

Водород – (лат. Hydrogenium), Н, химический элемент, первый по порядковому номеру в периодической системе Менделеева; атомная масса 1,00797. При обычных условиях водород – газ; не имеет цвета, запаха и вкуса.

Распространённость в природе. В недрах Солнца, где температура достигает 20 миллионов градусов и вещество находится под давлением восьми миллиардов атмосфер, атомы водорода теряют электроны и ядра таких атомов (протоны) приобретают скорости, при которых протекают ядерные реакции. Ядерные реакции, происходящие при очень высокой температуре, называются термоядерными. Термоядерная реакция, при которой из 4-х ядер водорода образуется ядро нового химического элемента - гелия, и является источником солнечной энергии.

Образование гелия из водорода, как показал немецкий ученый Бете, происходит на Солнце значительно сложнее, но конечный итог реакции дает тот же результат: вместо 4-х ядер водорода появляется ядро гелия. Энергия, освобождающаяся при этой реакции, обеспечивает излучение того огромного количества тепла и света, которое дает Солнце в течение уже многих миллиардов лет. Чтобы представить себе количество энергии, излучаемой Солнцем, достаточно сказать, что для выработки такой энергии понадобилось бы 180.000.000 миллиардов электростанций, обладающих мощностью Волжской ГЭС.

Водород широко распространён на земле, его содержание в земной коре (литосфера и гидросфера) составляет по массе 1 %, а по числу атомов 16 %. Водород входит в состав самого распространённого вещества на Земле – воды (11,19 % водорода 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 природе встречаются два стабильных изотопа (протия – ¹H и дейтерий – ²H, или D) и один радиоактивный (тритий – ³H, или Т). Свободный водород состоит из двухатомных молекул (Н₂). Получен крайне неустойчивый изотоп ⁴H. В свободном состоянии водород встречается крайне редко, в небольших количествах он содержится в вулканических и других природных газах. Ничтожные количества свободного водорода (0,0001 % по числу атомов) присутствуют в атмосфере. В околоземном пространстве водорода в виде потока протонов образует внутренний («протонный») радиационный пояс Земли. В космосе водород является самым распространённым элементом, составляет (в ионизированном состоянии) более 70 % масс солнца и звезд, основная часть газов межзвездной среды и туманностей. Водород 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 водород входит в состав корпускулярного излучения Солнца и космических лучей.

Физические и химические свойства. Водород – легчайшее из всех известных веществ, плотность 0,0899 г/л при 0 °C и 1 атм. (плотность по отношению к воздуху 0,069, примерно в 14,38 раз легче воздуха). В чистом виде водород не имеет цвета, запаха и вкуса. Не ядовит. Водород диффундирует и эффундирует быстрее всех других газов и лучше всех их проводит тепло.

Водород 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 водорода очень низка (–240 °C), поэтому его сжижение сопряжено с большими трудностями; критическое давление 12,8 кгс/см², критическая плотность 0,0312 г/см³. Из всех газов водород обладает наибольшей теплопроводностью (теплопроводность водорода в 7 раз больше, чем у воздуха). Водород мало растворим в воде (0,0182 мл/г при 20 °C и 1 кгс/см²), но хорошо – во многих металлах (Ni, Pt, Pd и др.), особенно в палладии (850 объёмов 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). Жидкий водород очень лёгок (плотность при –253 °C 0,0708 г/см³) и текуч (вязкость при – 253 °C 13,8 спуаз).

В большинстве соединений водород проявляет валентность (точнее, степень окисления) +1, подобно натрию и другим щелочным металлам; обычно он и рассматривается как аналог этих металлов, возглавляющий 1 группы системы Менделеева. Однако в гидридах металлов ион водорода заряжен отрицательно (степень окисления –1), т. е. гидрид Na⁺H^– построен подобно хлориду Na⁺Cl^–. Этот и некоторые другие факты (близость физических свойств водорода и галогенов, способность галогенов замещать водород в органических соединениях) дают основание относить водород также и к VII группе периодической системы. При обычных условиях молекулярный водород 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 водород обладает повышенной химической активностью по сравнению с молекулярным. С кислородом водород образует воду: H₂+¹/₂O₂=H₂O с выделением 285,937·10³ Дж/моль. При обычных температурах реакция протекает крайне медленно, выше 550 °C – с взрывом. Пределы взрывоопасности водород-кислородной смеси составляют (по объёму) от 4 до 94 % H₂, а водородо-воздушной смеси – от 3,3 до 74 % H₂. Водород 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 водород образует галогеноводороды, например: H₂ Cl₂=2HCl. При этом с фтором водород взрывается (даже в темноте и при –252 °C), с хлором и бромом реагирует лишь при освещении или нагревании, а с йодом только при нагревании. С азотом водород взаимодействует с образованием аммиака: 3H₂+N₂=2NH₃ лишь на катализаторе и при повышенных температурах и давлениях. При нагревании водород энергично реагирует с серой: H₂+S=H₂S (сероводород), значительно труднее с селеном и теллуром. С чистым углеродом водород может реагировать без катализатора только при высоких температурах: 2H₂+С (аморфный)=CH₄ (метан). Водород непосредственно реагирует с некоторыми металлами (щелочными, щёлочноземельными и др.), образуя гидриды: H₂+2Li=2LiH. Важное практическое значение имеют реакции водорода с окисью углерода, при которых образуются в зависимости от температуры, давления и катализатора различные органические соединения, например HCHO, CH₃OH и др. Ненасыщенные углеводороды реагируют с водородом, переходя в насыщенные, например: C_nH_2n+H₂=C_nH_2n+2.

Получение. Основные виды сырья для промышленного получения водорода – газы природные горючие, коксовый газ и газы нефтепереработки, а также продукты газификации твёрдых и жидких топлив (главным образом угля). Водород получают также из воды электролизом (в местах с дешёвой электроэнергией). Важнейшими способами производства водорода из природного газа являются каталитическое взаимодействие углеводородов, главным образом метана, с водяным паром (конверсия): CH₄+ H₂O=CO+3H₂, и неполное окисление углеводородов кислородом: CH₄+¹/₂O₂=CO+2H₂. Образующаяся окись углерода также подвергается конверсии: CO+H₂O=CO₂+H₂. Водород, добываемый из природного газа, самый дешёвый. Очень распространён способ производства водорода из водяного и паровоздушного газов, получаемых газификацией угля. Процесс основан на конверсии окиси углерода. Водяной газ содержит до 50 % H₂ и 40 % CO; в паровоздушном газе, кроме H₂ и CO, имеется значительное количество N₂, который используется вместе с получаемым водородом для синтеза NH₃. Из коксового газа и газов нефтепереработки водород выделяют путём удаления остальных компонентов газовой смеси, сжижаемых более легко, чем водород, при глубоком охлаждении. Электролиз воды ведут постоянным током, пропуская его через раствор KOH или NaOH (кислоты не используются во избежание коррозии стальной аппаратуры). В лабораториях водород получают электролизом воды, а также по реакции между цинком и соляной кислотой. Однако чаще используют готовый заводской водород в баллонах.

Применение. В промышленном масштабе водород стали получать в конце 18 века для наполнения воздушных шаров. Являясь наилегчайшим газом, он используется для наполнения оболочек воздушных шаров, метеорологических зондов, стратостатов и других воздухоплавательных аппаратов. История воздухоплавания неразрывно связана с водородом. Однако горючесть водорода при легкой его воспламеняемости от случайных и трудно устранимых причин (грозовые разряды, искры при электризации трением и др.) ограничивала возможности его использования в воздухоплавании.

В настоящее время водород широко применяют в химической промышленности, главным образом для производства аммиака. Крупным потребителем водород является также производство метилового и других спиртов, синтетического бензина (синтина) и других продуктов, получаемых синтезом из водорода и окиси углерода. Водород применяют для гидрогенизации твёрдого и тяжёлого жидкого топлив, жиров и др., для синтеза HCl, для гидроочистки нефтепродуктов, в сварке и резке металлов кислородо-водородным пламенем (пламя светло-желтого цвета, температура до 2 800 °C) и в атомно-водородной сварке (до 4000 °C). Очень важное применение в атомной энергетике нашли изотопы водорода – дейтерий и тритий.

Весьма заманчива своей дешевизной идея двигателя внутреннего сгорания, использующего в качестве топлива водород. Такой мотор, потребляя водород и воздух, выбрасывает в качестве продукта сгорания воду.

Для получения водорода в качестве топлива нужна только... вода. Запасы воды - основного «сырья» для получения водорода – на земном шаре буквально неисчерпаемы и составляют 2 миллиарда миллиардов тонн. Так же неисчерпаема и энергия текучей воды крупных рек, которая, превращаясь на электростанциях в энергию электричества, может служить для получения водорода из воды разложением ее электрическим током.

Опасность для человека. Основная опасность, связанная с применением водорода, заключается в образовании взрывчатых водородо-воздушных и водородо-кислородных смесей. Смесь водорода и кислорода сильно взрывается при соприкосновении с пламенем или пропускании электрической искры.

Т.к. пределы взрывоопасности водорода с воздухом и кислородом очень широки, то это указывает на особую взрывоопасность водорода. Наиболее сильную взрывчатую смесь водород дает при смешивании двух объемов его с одним объемом кислорода («гремучий газ») или с 4,8 объемами воздуха. Водород непосредственно соединяется со многими неметаллами. Например, с хлором водород соединяется также с взрывом при температуре около 400 °C. Смесь водорода и хлора, взятых в равных объемах, взрывается не только от нагревания, но и от действия солнечных лучей или сильного искусственного света. Взрывается водород в смеси с озоном и закисью азота.

Водород хранится и транспортируется к месту работы, как правило, в стальных баллонах под давлением 150 кгс/см². Под большим давлением при высокой температуре он диффундирует в материал баллона. Это влечет за собой потерю его первоначальной прочности и может закончиться разрывом баллона. Согласно ГОСТ 3022-80 технический водород должен содержать кислорода не более 0,5 %.

Перевозка. Особо чистый водород поставляют в блоках баллонов, изготовленных по конструкторской документации Гипрокислорода и баллонах средней емкости (ГОСТ 949-73). Баллоны окрашиваются в темно-зеленый цвет.

Технические требования по ГОСТ
Водород особой чистоты ТУ 2118-04-181136415-98 Класс опасности 2,3	Объемная доля водорода не менее 99,99999% Кислород и аргон не более 0,000002% Азот не более 0,000005% Метан не более 0,000003% Пары воды не более 0,00002%

Гелий

Гелий (лат. Helium), символ He, химический элемент VIII группы периодической системы, относится к инертным газам; порядковый номер 2, атомная масса 4,0026; газ без цвета и запаха. Природный гелий состоит из 2 стабильных изотопов: ³He и ⁴He (содержание ⁴He резко преобладает).

Гелий в природе. На Земле гелия мало: 1 м³ воздуха содержит всего 5,24 см³ гелия, а каждый килограмм земного материала – 0,003 мг гелия. По распространённости же во Вселенной гелий занимает 2^е место после водорода: на долю гелия приходится около 23 % космической массы.

На Земле гелий (точнее, изотоп ⁴He) постоянно образуется при распаде урана, тория и других радиоактивных элементов (всего в земной коре содержится около 29 радиоактивных изотопов, продуцирующих ⁴He).

Примерно половина всего гелия сосредоточена в земной коре, главным образом в её гранитной оболочке, аккумулировавшей основные запасы радиоактивных элементов. Максимальные концентрации гелия (10–13 %) выявлены в свободных газовых скоплениях и газах урановых рудников и (20–25 %) в газах, спонтанно выделяющихся из подземных вод. Чем древнее возраст газоносных осадочных пород и чем выше в них содержание радиоактивных элементов, тем больше гелия в составе природных газов. Вулканическим газам свойственно обычно низкое содержание гелия.

Добыча гелия в промышленных масштабах производится из природных и нефтяных газов как углеводородного, так и азотного состава. По качеству сырья гелиевые месторождения подразделяются: на богатые (содержание He > 0,5 % по объёму); рядовые (0,10–0,50) и бедные (< 0,10).

В природном гелии любого происхождения (атмосферном, из природных газов, из радиоактивных минералов, метеоритном и т.д.) преобладает изотоп ⁴He. Скорость образования ⁴He при радиоактивном распаде невелика: в 1 т гранита, содержащего, например, 3 г урана и 15 г тория, образуется 1 мг гелия за 7,9 млн. лет; однако, поскольку этот процесс протекает постоянно, за время существования Земли он должен был бы обеспечить содержание гелия в атмосфере, литосфере и гидросфере, значительно превышающее наличное. Такой дефицит гелия объясняется постоянным улетучиванием его из атмосферы. Лёгкие атомы гелия, попадая в верхние слои атмосферы, постепенно приобретают там скорость выше 2^й космической и тем самым получают возможность преодолеть силы земного притяжения. Одновременное образование и улетучивание гелия приводят к тому, что концентрация его в атмосфере практически постоянна.

Физические и химические свойства. При нормальных условиях гелий – одноатомный газ без цвета и запаха. Плотность 0,17846 г/л (примерно в 7,263 раза легче воздуха). Сжижается труднее всех известных газов (t_{кип .} = –268,93 °C). Гелий – единственный элемент, который в жидком состоянии не отвердевает при нормальном давлении, как бы глубоко его ни охлаждали. Наименьшее давление перехода жидкого гелия в твёрдый 25 кгс/см², t_пл при этом равна – 272,1 °C. Эта температура всего на один градус выше температуры абсолютного нуля. В 1 л воды при 20 °C растворяется около
8,8 мл гелия.

До настоящего времени попытки получить устойчивые химические соединения гелия оканчивались неудачами.

Получение и применение. В промышленности гелий получают из гелийсодержащих природных газов (в настоящее время эксплуатируются главным образом месторождения, содержащие > 0,1% гелия). От других газов гелий отделяют методом глубокого охлаждения, используя то, что он сжижается труднее всех остальных газов.

Благодаря инертности гелий широко применяют для создания защитной атмосферы при плавке, резке и сварке активных металлов. Гелий менее электропроводен, чем другой инертный газ – аргон, и поэтому электрическая дуга в атмосфере гелия даёт более высокие температуры, что значительно повышает скорость дуговой сварки. Благодаря небольшой плотности в сочетании с негорючестью гелия применяют для наполнения стратостатов. Гелий – лучший газ для воздухоплавательных аппаратов. Для их наполнения обычно используется смесь гелия (85 %) с водородом (15 %). Огромные количества гелия (до 200.000 м³), в прошлом необходимые для наполнения дирижаблей, добывались в основном из природных газов.

Высокая теплопроводность гелия, его химическая инертность и крайне малая способность вступать в ядерную реакцию с нейтронами позволяют использовать гелий для охлаждения атомных реакторов. Жидкий гелий – самая холодная жидкость на Земле, служит хладагентом при проведении различных научных исследований. На определении содержания гелия в радиоактивных минералах основан один из методов определения их абсолютного возраста.

В водолазном деле гелий используется для получения искусственного воздуха. Искусственный воздух, в составе которого азот частично заменен гелием, применяется для облегчения дыхания водолазов, работающих под особенно большим давлением.

Как известно, растворимость газов в жидкостях, при прочих равных условиях, прямо пропорциональна давлению. У водолазов, работающих под большим давлением, в крови растворено азота гораздо больше в сравнении с нормальными условиями, существующими на поверхности воды. При подъеме с глубины, когда давление приближается к нормальному, растворимость азота понижается и его избыток начинает выделяться. Если подъем совершается быстро, выделение избытка растворенных газов происходит столь бурно, что кровь и богатые водой ткани организма, насыщенные газом, вспениваются от массы пузырьков азота подобно шампанскому при открывании бутылки. Образование пузырьков азота в кровеносных сосудах нарушает работу сердца, появление их в мозгу нарушает его функции, ведет к тяжелым расстройствам жизнедеятельности организма и к смерти. Для того чтобы предупредить развитие описанных явлений, известных под именем «кессонной болезни», подъем водолазов, т. е. переход от повышенного давления к нормальному, производится весьма медленно. При этом избыток растворенных газов выделяется постепенно и никаких болезненных расстройств не происходит.

С применением искусственного воздуха, в котором азот заменяется менее растворимым гелием, возможность вредных расстройств устраняется почти полностью. Это позволяет увеличивать глубину опускания водолазов (до 100 и более метров) и удлинять время пребывания под водой.

«Гелиевый» воздух имеет плотность в три раза меньше плотности обычного воздуха. Поэтому дышать «гелиевым» воздухом легче, чем обычным (уменьшается работа дыхательных мышц). Это обстоятельство имеет важное значение при заболевании дыхательных мышц и некоторых других болезнях, связанных с актом дыхания. Поэтому «гелиевый» воздух применяется также в медицине при лечении астмы, удуший и других болезней.

Перевозка. Гелий газообразный перевозят в стальных баллонах (ГОСТ 949-73) коричневого цвета и специализированных контейнерах, предназначенных для перевозки гелия, всеми видами транспорта в соответствии с правилами перевозок грузов, действующими на данном виде транспорта.

Жидкий гелий перевозят в специальных транспортных сосудах типа СТГ-10, СТГ-25 и СТГ-40 светло-серого цвета объемом 10, 25 и 40 литров соответственно. Сосуды с жидким гелием должны транспортироваться и храниться в вертикальном положении. Могут перевозиться железнодорожным, автомобильным и другими видами транспорта в соответствии с правилами перевозок грузов, действующими на данном виде транспорта.