Каковы свойства водорода?
Свойства водорода включают в себя то, что в своем естественном состоянии на Земле он представляет собой бесцветный газ без запаха, который чрезвычайно легко воспламеняется. Это самый легкий элемент, который существует в природе и занимает в среднем 75% всей массы вселенной в звездах, планетах и других звездных объектах. Водород также необходим для всей жизни на Земле, где он составляет 14% живого вещества по весу, так как он легко образует связи с кислородом, чтобы создать воду и углерод, чтобы создать молекулы, которые являются основой, на которой живут структуры и большинство органических молекул. построены.
В то время как наиболее распространенной формой водорода является протий, где он имеет только один протон в своем атомном ядре и один электрон на орбите вокруг ядра, существуют также два других изотопа водорода. На долю протия приходится 99,985% всего природного водорода, а на дейтерий приходится еще около 0,015% с протоном и нейтроном в атомном ядре, что дает ему массу, в два раза превышающую массу протия. Тритий является третьей формой водорода, которая чрезвычайно редка в природе, но может быть получена искусственно. Он нестабилен и обладает радиоактивным распадом с периодом полураспада 12,32 года. Он имеет два нейтрона в атомном ядре для одного протона и является ключевым соединением, производимым и используемым в оружии водородной бомбы для повышения его выхода, а также в производстве энергии ядерного деления и в исследованиях ядерного синтеза.
Химические свойства водорода, когда на орбите находится только один электрон, делают его очень реакционноспособным элементом, который образует связи со многими другими элементами. В своем естественном состоянии в атмосфере он связывается с другим атомом водорода, как кислород, с образованием Н 2 . Молекулы H 2 также могут быть уникальными в зависимости от вращения их ядер, причем молекулы H 2, где оба ядра вращаются в одном и том же направлении, называются ортоводородом, а молекулы с противоположными спинами - парагидрогеном. Ортоводород является наиболее распространенной формой Н 2 при нормальном атмосферном давлении и температуре в газообразной форме, но при охлаждении до жидкой формы, например, для ракетного топлива, ортоводород превращается в параводород.
Физические свойства водорода и его широкое распространение на суше и в океанах Земли делают его важной областью исследований в качестве практически неограниченного запаса топлива. Все виды ископаемого топлива и спиртов, таких как бензин, природный газ и этанол, состоят из углеводородных цепей, в которых водород, углерод, а иногда и кислород связаны друг с другом. Выделение чистого водорода в качестве самого обильного источника топлива с высоким уровнем сжигания легко сделать, но сила, необходимая для освобождения водорода от химических связей и последующего его охлаждения для хранения, часто требует больше энергии, чем может генерировать сам чистый водород. По этой причине свойства водорода означают, что его наиболее распространенное использование - это то, где он находится в химических связях с другими элементами.
Исследования в области производства энергии синтеза также основаны на химических свойствах соединений водорода дейтерия и трития. Свойства водорода, используемые всеми звездами, объединяют атомы водорода под интенсивным давлением, чтобы высвободить гелий и энергию в виде света и тепла. Подобные давления создаются в исследовательских установках, использующих мощные магнитные поля, лазеры инерционного удержания или электрические импульсы в США, Европе и Японии.
Когда происходит слияние атомов водорода, создается атом гелия, который несет 20% избыточной энергии от процесса, а 80% энергии переносится свободным нейтроном. Эта нейтронная энергия или тепло затем поглощаются жидкостью для создания пара и приводят турбину в действие для производства электричества. Однако этот процесс все еще остается экспериментальным по состоянию на 2011 год. Это связано с огромным давлением, которое необходимо поддерживать, чтобы непрерывно плавить атомы водорода и создавать машины, способные выдерживать температуры, полученные при плавлении, которые достигают 212 000 000 ° по Фаренгейту (100 000 000 ° по Цельсию). ).