Занятие № 15. Вещества простые. Водород.

Кейс

Впервые этот газ был замечен Парацельсом в первой половине XVI века, но только Лемери в конце XVII века выделил его из обыкновенного воздуха, показав его горючесть. В дальнейшем это вещество было изучено Кавендишом. Лавуазье назвал этот газ - «рождающий воду».

Самый легкий газ. Активно использовался в дирижаблестроении, пока не сгорел немецкий дирижабль Гинденбург.

Вопросы:

1. Назовите самый легкий газ.

2. Какие свойства этого газа обусловили его применение.

 

Водород – самый легкий газ, легче просто быть не может. Он в 14,5 раз легче воздуха. И когда придумали, как получать его в больших количествах, то именно это его свойство стали использовать в первую очередь. Водородом стали наполнять воздушные шары. В первых воздушных шарах подъемную силу создавал горячий воздух. Он легче холодного и поднимается вверх. И если нагреть воздух в шаре – то он будет поднимать и шар, и груз, который к шару прикреплен. Но это хорошо для развлечений. Подъемная сила такого шара невелика, и большие грузы он перевозить не сможет. К тому же воздух в шаре нужно все время подогревать. А вот если наполнить шар газом, который легче воздуха, то такой шар может оказаться куда полезней. Водород и стали использовать в качестве такого газа, причем не только в воздушных шарах. Воздушный шар может поднять груз, а дальше – как ветер дует. Для того чтобы летать туда, куда нужно, придумали дирижабль, воздушный шар с мотором, который крутил пропеллер. В начале XX века дирижабли были главным воздушным транспортом. Самолеты того времени летали недалеко и пассажиров взять не могли. А дирижабли регулярно летали из Германии в США, затрачивая на дорогу около двух дней. Крупнейший из пассажирских дирижаблей, «Отто фон Гинденбург» мог перевозить около 100 человек.

Но водород не только легкий, он еще и очень легко загорается, а в смеси с воздухом – взрывается. При этом получается вода, именно поэтому водород называется порождающим воду (греческое название hydrogen переводится как «порождающий воду»). Горючесть водорода и погубила дирижабли. В последнем рейсе в 1937 году «Отто фон Гинденбург» взорвался и сгорел.

Это стало концом времени летательных аппаратов легче воздуха, им на смену приходили самолеты. Но не везде оказалось легко вытеснить водород. Метеорологам для исследования атмосферы часто нужно знать температуру, ветер и другие погодные условия на большой высоте, скажем в 20-30 км. Проще всего поднять туда нужные приборы на воздушном шаре, наполненном тем самым водородом. Только такой воздушный шар может взлететь достаточно высоко. Но в экспедицию баллон с газом не понесешь, он очень тяжелый, его с трудом несут два взрослых человека. Но водород несложно получить, для этого нужны твердая щелочь, алюминий и вода. Вода есть везде, а щелочь и алюминий гораздо легче баллона, несколько килограмм хватит надолго.

 Но даже такое опасное свойство водорода как горючесть, удалось поставить на службу человеку. Водород горит и при этом выделяется много тепла. Прекрасно. Сделаем специальную горелку с очень горячим пламенем. Температура пламени в кухонной плите – около 600°С. Это не так много, можно расплавить свинец или олово или согнуть стеклянную палочку. Но для приготовления еды более высокой температуры и не нужно. Температура пламени водородной горелки в четыре раза выше – около 2400°С. Такая температура нужна стеклодуву, чтобы сделать из стекла ажурную вазу сложной формы, ювелиру, чтобы расплавить серебро или золото и сделать украшение.

А для дома – железо, из которого сделана кастрюля, расплавится при температуре почти на 1000° меньшей. Наверное, дома нам водородная горелка не пригодится. Но у водорода есть и еще одно полезное качество – когда он горит, то получается только вода. Конечно в виде пара, но атмосферу она загрязнять почти не будет. А это значит, что водород можно использовать как топливо для автомобилей, и они не будут ни чадить, не дымить. Только на пути создания таких автомобилей есть одна серьезная проблема: водород, в отличие от бензина, - газ. И чтобы его хранить, нужно закачать его под давлением в стальной баллон. А чтобы баллон выдержал, его стенки должны быть очень толстыми и баллон – тяжелым и большим. Для обычной машины это не очень удобный вариант и тогда ученые стали придумывать, как хранить водород более просто. Оказалось, что есть вещества, которые растворяют водород. Например, металл палладий поглощает водород в огромных количествах, 1 см³ палладия может растворить в 850 раз больший объем водорода. Но палладий дорогой и такой «топливный бак» может стоить существенно больше, чем остальной автомобиль. Впрочем, ученые такие люди, которым только поставь сложную задачу. Ведь решать такие задачи куда интересней, чем простые. В результате были созданы специальные пористые материалы, которые позволяли хранить водород без вышеупомянутых проблем. И тут ученые задумались – а зачем вообще сжигать водород в двигателе? Обычный бензиновый двигатель – штука сложная и не слишком эффективная. К тому же вы помните – при горении водорода температура очень высокая, и хотя сам водород при горении дает только воду, но при такой температуре начинает «гореть» воздух – кислород взаимодействует с азотом и в итоге получается азотная кислота, которая служит причиной кислотных дождей. С бензиновыми двигателями ситуация похожая, но там и без нее загрязнений достаточно. К тому же такие двигатели еще и шумят. Может быть лучше использовать в машинах по-настоящему чистые электродвигатели? Они не шумят, не загрязняют воздух, можно очень сильно упростить всю схему машины и сделать ее дешевле. Вот только как водород превратить в электричество? Оказывается это можно сделать. Есть такое интересное устройство – топливный элемент, в котором водород «горит» при комнатной температуре, превращаясь в воду и давая сразу электрический ток. По своему устройству он очень похож на обычную батарейку, только батарейка закрыта и в ней расходуется вещество, которое ее производитель положил туда на заводе, а в топливный элемент мы всегда можем добавить новую порцию нужного вещества. Фирма «Самсунг» разрабатывает такие топливные элементы в качестве батарей для телефонов и ноутбуков.

Представьте, что лет через пять, когда заряд вашего телефона будет заканчиваться, вам не нужно будет искать розетку, а потребуется только заправить телефон новой порцией спирта.

С водородом еще интересней. Электромобили на водородных топливных элементах уже выпускают, пусть и небольшими партиями.