Твёрдое доказательство или новые приключения водорода

История открытия водорода – от теории к практике

История открытия водорода занимает важную веху в развитии науки. Согласно современным научным представлениям, этот газ – один из самых распространенных элементов во Вселенной. Он является наиболее важным веществом для существования звезд, а, следовательно, главным источником энергии.

Краткая история открытия водорода

Элемент был обнаружен британским ученым Генри Кавендишем в 1766 году. Происхождение названия восходит к греческим словам «гидро» и «генов», что означает «вода» и «генератор».

Еще в 1671 году Роберт Бойл (1627-1691, английский химик и физик) опубликовал статью «Новые эксперименты, касающиеся отношения между пламенем и воздухом», в которой он описал реакцию между железными опилками и разбавленными кислотами. В процессе экспериментов ученый заметил, что реакция данных веществ приводит к эволюции газообразного водорода («горючий раствор Марса»).

Однако только в 1766 году газ был утвержден в качестве основного элемента Генри Кавендишем (1731-1810, английский химик и физик, который также открыл азот), использовавшим для синтеза ртуть.

Современное название химическому элементу дал французский естествоиспытатель А. Л. Лавуазье.

История открытия водорода (H) на этом не заканчивается. В 1931 году профессором химии Гарольдом Юри, работавшим в Чикаго (США), был обнаружен газ дейтерий. Он является тяжелым изотопом водорода и записывается как 2H и D.

Кирпичики мироздания

Долгое время люди не могли разобраться в свойствах материи. Хотя еще древние греки предполагали, что «эфир» (окружающее пространство) состоит из неких элементов, четкого обоснования и тем более твердых доказательств сему факту не существовало.

Осенью 1803 года англичанин Джон Дальтон смог объяснить результаты некоторых своих исследований, предположив, что вещество состоит из атомов. Также исследователь выяснил, что все образцы любого данного соединения состоят из одной и той же комбинации этих атомов.

Дальтон также отметил, что в ряде соединений отношения масс второго элемента, которые сочетаются с заданным весом первого элемента, могут быть сведены к малым целым числам («Закон множественных пропорций»).

Таким образом, ученый имеет определенное отношение к истории открытия водорода.

Презентация «Теории атомов» Дальтона состоялась в 3-м томе научного издания «Системы химии», изданном Томасом Томсоном в 1807 году. Также материал появился в статье об оксалатах стронция, опубликованной в «Философских транзакциях».

В следующем году Дальтон самостоятельно опубликовал эти идеи, сделав более развернутый анализ в работе «Новая система химической философии». Кстати, в ней ученый предложил использовать в качестве символа водорода круг с точкой в центре.

История открытия водорода богата интересными событиями. В 1839 году британский ученый сэр Уильям Роберт Гроув провел эксперименты по электролизу. Он использовал электричество для разделения воды на водород и кислород.

Позже исследователь задумался, а можно ли сделать обратное действие – генерировать электричество из реакции кислорода с водородом? Гроув закрыл платиновые пластинки в отдельных запечатанных емкостях, в одной из которых содержался водород, а в другой – кислород.

С тех пор на водород возлагаются большие надежды в плане получения компактных экологически чистых источников энергии. Однако пока не решен вопрос 100 %-й безопасности и высокой эффективности конечных устройств для массового потребления. Кстати, термин «топливный элемент» впервые использован химиками Людвигом Мондом и Чарльзом Лангером, продолжившими исследования У. Р. Гроува.

Автономные источники энергии

В 1932 году Фрэнсис Томас Бэкон, инженер Кембриджского университета в Великобритании, продолжил работу над проектами Гроува, Монда и Лангера. Он заменил платиновые электроды менее дорогой никелевой сеткой, а вместо электролита с серной кислотой использовал щелочной гидроксид калия (менее агрессивный к электродам).

Это было по существу создание первого щелочного топливного элемента, получившего название ячейка Бэкона. Британцу потребовалось еще 27 лет, чтобы продемонстрировать установку, способную производить 5 кВт энергии, что достаточно для питания сварочного аппарата.

Примерно в то же время был продемонстрирован первый автомобиль на топливных элементах.

Позже топливные элементы использовались НАСА в 1960 годах для полетов в рамках лунной программы «Аполлон». Ячейки Бэкона стояли (и стоят) на сотнях космических аппаратов. Также «большие батарейки» используются на подводных лодках.

Полезный, но опасный

История открытия водорода сопряжена не только с радостными моментами. О том, насколько небезопасен данный элемент, свидетельствует трагедия дирижабля-гиганта «Гинденбург».

В 1930 годах Германия построила серию воздушных судов – цеппелинов. В качестве газа использовался водород.

Будучи легче азотно-кислородной смеси, составляющей основную часть атмосферы, он позволял перевозить большие объемы грузов.

В 1936 году немецкие конструкторы представили миру крупнейший на то время дирижабль «Гинденбург». 245-метровый гигант вмещал 200000 м3 газа. Его грузоподъемность поразительна: аппарат был способен поднять в небо до 100 тонн грузов.

Воздушное судно использовалось для трансатлантических перевозок между Германией и США. Пассажирская гондола вмещала 50 человек с багажом. 6.05.1937 по прибытии в Нью-Йорк произошла утечка водорода. Легко воспламеняющийся газ загорелся, произошел взрыв, приведший к смерти 36 человек.

С тех пор вместо водорода в летательных аппаратах применяют более безопасный гелий.

Вывод

Водород – один из важнейших элементов во Вселенной. Хотя его свойства хорошо изучены, он не перестает интересовать ученых, инженеров, конструкторов. Данный элемент является темой тысяч научных работ, дипломов и рефератов. История открытия водорода – это история самой науки, системы знаний, пришедшей на смену невежеству и религиозным догмам.

Твёрдое доказательство или новые приключения водорода

Вот уже более ста лет человечеству известно такое физическое явление, как сверхпроводимость. Голландец Х.К.

Оннес в 1911 году, охлаждая ртуть в жидком гелии, обнаружил, что по достижении температуры 4,1 кельвина плавно уменьшающееся до того момента электрическое сопротивление образца резко падает до нуля.

За свои исследования способностей вещества при низких температурах «Господин абсолютного нуля», как восхищённо называли его коллеги, в 1913 году удостоился Нобелевской премии по физике.

С тех пор лучшие умы человечества участвуют в гонке за верхним температурным порогом сверхпроводимости. Ведь тот, кто сумеет добиться нулевого электрического сопротивления в проводнике при комнатной температуре, станет повелителем мира. Преувеличение? Ничуть.

Ключ ко всем мечтам человечества — энергия. Самые смелые проекты, самые дерзкие фантазии станут осуществимы при реализации двух технологических предпосылок: компактного высокоёмкого источника электрической энергии и сведении к нулю потерь передачи этой энергии.

И первое, похоже, недостижимо без второго.

Сегодня самыми «тёплыми» сверхпроводниками являются купраты (соединения на основе меди) различных металлов. Нашими соотечественниками Е. Антиповым и С. Путилиным в 1993 году было зафиксировано рекордное значение критической температуры у вещества HgBa2Ca2Cu3O8+x, и эта температура равна 135 К, или -138 °C. Как видно, до комнатной температуры пока далековато…

Водород Фаза V

Но 7 января 2015 года человечество получило новую благую весть. В статье «Доказательства существования нового состояния плотного водорода при давлении выше 325 гигапаскалей» исследователей Филиппа Далладей-Симпсона, Росса Т.

Хоуи и Евгения Григорянца, опубликованной в журнале Nature, заявлено об открытии новейшего агрегатного состояния водорода, которое учёные назвали «фаза V». Принципиальное отличие нового состояния от полученной ранее «фазы IV» заключается в том, что фазу IV по её свойствам следует относить к полупроводникам, тогда как фаза V демонстрирует свойства металла.

И эти свойства под давлением 350 ГПа (3,4 миллиона атмосфер) были зафиксированы при температуре 465 К, или -8 °C. Доказательством физики считают существенное ослабление подобного эффекта Рамана, проявляющегося в специфической способности поляризации света, которая возникает в результате взаимодействий фотонов с атомами исследуемого вещества.

Структура полученной ранее фазы IV представляла собой нечто вроде слоёв из шестигранников и гораздо дальше отстояла от классической кристаллической решётки металла, вплотную к которой приблизилась судя по её свойствам, структура фазы V.

Металлический водород и сверхпроводимость

Но при чем тут сверхпроводимость? Вроде бы исследователи ничего об этом не упоминают? Действительно, сверхпроводимость не была предметом изучения интернациональной команды Эдинбургского университета.

Однако, как говорят сами учёные, «мы полагаем, что фаза V может быть предшественником немолекулярного (атомизированного и металлического) состояния водорода, предсказанного 80 лет назад». Вот в этом предсказании и скрыта интрига. В 1935 году Юджином Вигнером и Хиллардом Беллом Хантингтоном (E. Wigner, H. B.

Huntington) была опубликована работа, в которой утверждалось, что при превышении определённого давления ядро атома лишится валентного электрона и в объёме водорода образуется свободный электронный газ, свойственный металлам.

Последующие расчёты выявили, что в этом состоянии водород должен будет обладать рядом очень значительных свойств, в том числе сверхпроводимостью при температурах, сопоставимых с комнатной (Ashcroft, N.W. Metallic Hydrogen: A High-Temperature Superconductor? Physical Review Letters. — 1968. — Vol. 21, №. 26. — p. 1748).

До сих пор эти расчёты оставались чистым теоретизированием, поскольку получить металлический водород не удавалось даже в лабораторных условиях, не говоря уж о промышленных объёмах.

Что ж, похоже, сегодня шанхайскому Center for High Pressure Science & Technology Advanced Research удалось ранее недостижимое, и человечество вплотную приблизилось к тому, чтобы воочию увидеть металлическое лицо первого элемента Периодической системы Менделеева.

Остаётся пустяк — зафиксировать это состояние при атмосферном давлении… Очень хочется надеяться, что это случится раньше, чем мир скатится к варварству ортодоксального шариата или станет объектом «исследования» интеллектуальных боеголовок ядерных ракет.