От водорода до …? - Таубе Петр Рейнгольдович - Страница 8

В межзвездном пространстве атомы водорода встречаются в несколько сот раз чаще, чем атомы всех остальных элементов, вместе взятых. Водород преобладает над другими элементами в атмосферах звезд и является главной составной частью солнечной атмосферы.

Значение водорода во Вселенной исключительно велико, он играет особую роль, являясь «космическим топливом», дающим энергию звездам, а в их числе и нашему Солнцу.

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 четырех 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 четырех 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 в свободном состоянии встречается на земле в вулканических газах; небольшое количество водорода выделяется растениями. В атмосфере, даже в верхних ее слоях, водород содержится в незначительных количествах, не превышающих 0,00005 % по объему.

В чистом виде водород представляет газ в 14,45 раз легче воздуха, не имеющий цвета, запаха и вкуса. Не ядовит. Водород диффундирует и эффундирует быстрее всех других газов и лучше всех их проводит тепло (теплопроводность водорода в 7 раз больше чем у воздуха).

В природе водород встречается в виде трех изотопов: обычный водород, тяжелый и сверхтяжелый водород. Тяжелый водород содержится в обычном водороде в небольших количествах. На 5 тыс. атомов обычного водорода приходится 1 атом тяжелого. От греческого слова «деутерос», что значит второй, тяжелый водород, как второй изотоп водорода, называется дейтерием. По аналогии с протоном ядро этого атома получило название дейтон; часто его называют дейтерон.

Обозначают дейтерий или латинской буквой D, или сохраняют химическое обозначение водорода и, указывая цифрой 2 его массовое число, пишут Н2.

Дейтерий отличается от обычного водорода строением ядра. Ядро дейтерия состоит из протона и нейтрона, поэтому масса атома дейтерия в два раза больше массы атома обычного водорода. Такое резкое расхождение в массах изотопов одного и того же химического элемента является единственным случаем среди известных изотопов различных элементов. Обычный водород, атомы которого являются простейшими (состоят из одного протона и одного электрона), от слова «протос» — простой — называется иногда протием.

Вода, в которой протий заменен дейтерием, называется тяжелой. Она отличается от обычной своими свойствами. Так, тяжелая вода замерзает не при 0°, как обычная, а при +3,8 °C, кипит не при 100 °C, а при 101,4 °C, имеет большую плотность (1,1056), чем обычная; в тяжелой воде невозможна жизнь. В обычной воде всегда содержится примесь тяжелой. Количество ее невелико и составляет 0,02 % от общей массы. Однако собранная со всего земного шара, она могла бы наполнить водоем, равный по величине объему Черного моря.

Тяжелая вода используется при получении атомной энергии в ядерных реакторах в качестве вещества, замедляющего нейтроны.

Получение тяжелой воды в чистом виде — длительный и дорогой процесс, основанный на электролизе (разложении электрическим током) воды, при котором в первую очередь разлагаются молекулы «обыкновенной» воды, тогда как тяжелая накапливается в остатке. В Западной Европе производство тяжелой воды в промышленном масштабе было впервые осуществлено немцами в годы второй мировой войны на территории оккупированной Норвегии, располагавшей дешевой энергией гидроэлектростанций. Тяжелая вода предназначалась для создания нового вида оружия (атомной бомбы), на которое командование фашистских армий возлагало последние надежды. 28 февраля 1943 г. норвежские патриоты совместно с английскими парашютистами взорвали цех тяжелой воды. Начавшиеся вслед за этим налеты на завод английской авиации вынудили фашистское командование перевезти оборудование и накопленный запас воды в Германию. Норвежские бойцы из армии сопротивления 20 февраля 1945 г. взорвали пароход, уничтожив вместе с оборудованием и 16 куб. м тяжелой воды.

Стоимость тяжелой воды все еще высока. По данным зарубежной печати, один кубический метр тяжелой воды стоит не менее 300 тыс. долларов.

Известен и третий «сверхтяжелый» изотоп. Тритий — называют этот изотоп от латинского слова «тритиум» — третий. Он может быть получен искусственным путем в результате ядерных реакций, например, при «стрельбе» нейтронами в атомы легкого металла лития. В ядрах атомов трития имеется два нейтрона и один протон. В природе распространенность трития ничтожно мала. Один атом трития приходится на миллиард миллиардов атомов обычного водорода. Тритий является радиоактивным изотопом водорода. Он излучает бета-частицы и превращается в изотоп гелия с атомным весом 3. Период полураспада трития около 12,5 лет.

Совсем недавно появилось сообщение о новом изотопе, которому еще не дано названия, хотя и установлено, что атомный вес его равен 4. Группа итальянских физиков, изучив несколько тысяч снимков ядерных реакций, обнаружила этого четвертого «брата» в семействе атомов водорода. Насколько трудной была задача обнаружения «сверхтяжелейшего» водорода, говорит время его существования, равное 0,00000000001 доли секунды.

Кроме обычных молекул водорода, состоящих из двух атомов, предполагается возможность получения трехатомной молекулы — гизония. Не исключено, что гизоний столь же недолговечен, как и «сверхтяжелейший» водород.

Практическое применение водорода разнообразно. Являясь наилегчайшим газом, он используется для наполнения оболочек воздушных шаров, метеорологических зондов, стратостатов и других воздухоплавательных аппаратов. История воздухоплавания, начиная с воздушного шара в 18 куб. м, созданного французским физиком Шарлем, до гигантских управляемых дирижаблей германского конструктора Цеппелина, 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.

…С ясного и безоблачного неба в самых неожиданных местах на территории США в годы второй мировой войны падали бомбы, раздавались взрывы, пылали пожары. Но об этих таинственных налетах, без сигналов тревоги и вражеских самолетов в воздухе, хранила молчание даже падкая на сенсации американская печать. Лишь несколько лет назад было сообщено, что эти таинственные бомбардировки осуществлялись воздушными шарами, запущенными с японских островов. Таких шаров было запущено более тысячи.

Прозрачные шары из полиэтиленовой пленки, наполненные водородом (до 10 тыс. куб. м) и снабженные оборудованием для шпионских целей, американская разведка пыталась запускать и на нашу территорию в послевоенные годы.

В химической промышленности водород служит исходным материалом для получения различных веществ (аммиака, твердых жиров и т. д.). Высокая температура горения водорода (до 2500 °C) в кислороде используется с помощью специальных горелок для плавления кварца, тугоплавких металлов, разрезания стальных плит и т. д.

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.