Газ – одне з агрегатних станів речовин. В такому вигляді вони найчастіше існують у Всесвіті, утворюючи туманності, зірки і міжзоряна речовина. Без газів не обходиться і Земля. Вони входять до складу повітря, присутні в живих організмах. А який газ найлегший? Якими особливостями він володіє? Давайте це з’ясуємо.
Найлегший газ
Хімічний елемент, молекули якого утворюють найлегший газ – це водень. У періодичній системі він позначається символом H і стоїть на першому місці. Він унікальний за своєю природою, адже може бути небезпечний, але разом з тим він вкрай необхідний будь-якій живій істоті.
Водень – найлегший газ, коли два його атоми з’єднуються в молекулу, утворюючи H2. По легкості він перевершує повітря в 14,5 разів. В суміші з киснем або повітрям він може вибухати. Але якщо з’єднати два його атома з атомом оксигена, то вийде звичайна вода, в якій ми так потребуємо. На це вказує і його латинська назва Hydrogenium, що можна перекласти як «що породжує воду».
Якщо з’єднати два атоми водню і два атоми кисню, то вийде вже інша речовина. Вони утворюють перекис водню – безбарвну рідину, яку використовують для знезараження ран, відбілювання волосся, а також в якості ракетного палива.
Стани і властивості речовини водню
Самий легкий хімічний газ при нормальних умовах не володіє кольором, смаком і запахом. Його щільність на один кубічний сантиметр складає всього 0,0000899 грама. Температура його кипіння – 252,6 °С. У вільному стані в природі він зустрічається саме у вигляді газу H2.
Водень прекрасно розчиняється у багатьох металах (в палладие, титані, ниобие, платина, нікель), диффундируя з ними. Він також розчинний в етанолі, а от з сріблом не змішується.
Він має високу теплопровідність, яка в сім разів вище, ніж у повітря. Рідкий водень легкий і теж безбарвний. При зріджуванні його обсяг зменшується, а речовина набуває кріогенні властивості. У такому вигляді він є небезпечним для людини може викликати обмороження шкіри, а його пари викликають набряк легенів.
У твердому стані речовина виглядає як снегоподобная маса білого кольору. Вона плавиться при температурі -259,2 °C, і володіє практично найменшою щільністю серед твердих простих речовин – 0,08667 г/см3. При тиску 300 Гпа він переходить в металеве стан. Передбачається, що металевий водень є в ядрах деяких планет, наприклад Сатурна і Юпітера.
Реакції з воднем
Сам по собі найлегший газ неактивний. Однак при нагріванні він здатний вступати в реакції з різними речовинами, наприклад азотом, киснем, сіркою і т. д. Горіння водню супроводжується виділенням води, це в XVIII столітті виявив ще хімік Лавуазьє, який і дав газу його назва.
Змішуючись з киснем, відбувається окислення. Але при звичайній температурі реакція протікає повільно і малопомітна з боку. Тим не менш, суміш прозвали «гримучої», так як при нагріванні вона вибухає, супроводжуючись гучним бавовною. Щоб активувати суміш достатньо навіть однієї іскри.
З участю світла і тепла реагує з багатьма металами і неметалами. З хлором утворює хлороводород – стійкий газ з яскраво вираженим запахом. Він розчиняється у воді і парує на вологому повітрі. З азотом утворює аміак, із сіркою – сильно пахне сірководень.
При звичайних температурах найлегший газ реагує тільки з фтором і з дуже активними лужними металами, наприклад, кальцій. З фтором він дуже вибухонебезпечний, і вступає в реакцію навіть при нульовій температурі і в темряві.
З оксидами він забирає кисень і поводиться як відновник. Так, з CuO на виході утворюється мідь і вода, а з WO3 – вольфрам і 3H2O.
Поширення в природі
Водень – самий поширений елемент у Всесвіті, але на Землі він поступається першість кисню. У космосі найлегший газ присутній в міжзоряному речовині, утворює туманності, зірки і ядра планет.
На Сонці та інших зірках температура занадто висока, тому водень стає плазмою. З його допомогою в них відбуваються термоядерні реакції, що супроводжуються виділенням величезної кількості енергії. Саме спалювання водню і його перетворення дозволяють зіркам світити і віддавати тепло.
На Землі водень знаходиться переважно у зв’язаному вигляді. У вільному стані В сухому повітрі міститься тільки 0,00005 % цього газу. Він присутній майже у всіх живих клітинах. Так, близько 64% атомів в організмі припадає на водень. Він входить до складу білків, жирів, гормонів і інших з’єднань.
Де його застосовують?
Коли-то найлегший газ використовували для підняття в повітрі повітряних куль і дирижаблів. Однак це не було безпечним. Якщо якимось чином до нього надходив кисень, установка спалахувала. З-за спалаху самого великого дирижабля «Гінденбурга» у 1937 році загинуло 35 осіб. Після цього небезпечний газ замінили гелієм.
Зараз з водню хлороводород і соляну кислоту, а також аміак, необхідний для виробництва добрив. З допомогою нього виготовляють мило, пластмаси. Поєднуючи його з CO2, отримують синтез-газ, для виробництва енергії. Пропускаючи через нього рідкі рослинні жири, отримують тверді, з яких роблять маргарин.
Відновлювальні якості водню допомагають отримувати чисті метали з їх оксидів (мідь, вольфрам, молібден тощо). При його горінні утворюються дуже високі температури (3000-4000 градусів), з їх допомогою варять тугоплавкі метали.
Ефективне паливо
Водень володіє високою теплотою згоряння і не представляє шкоди для навколишнього середовища Коли він горить, то в атмосферу виділяються кисень і вода. Він цілком міг би замінити дорогі нафту і газ, важко видобувається вугілля, а також зупинити виділення шкідливого вуглекислого газу, що неминуче при їх переробці.
Над цим питанням зараз і замислюються вчені. Програми з водневої енергетики вже озвучили Ісландія, США, Японія, ПАР, Індія, Південна Корея. В Італії компанія Enel вже запустила електростанцію на цьому газі, Японія заявила, що відкриє свою станцію в 2018 році. Автомобільні компанії вже давно представили свої водневі моделі.
Можливо, таке паливо могло б вирішити деякі проблеми. Однак воно може породити і нові. Поки невідомо, як ефективно отримувати водень, витрачаючи мінімум коштів і не порушуючи природний баланс. Тому всі ідеї про використання самого легкого газу знаходяться в розробці.
