Водород

Водород — самый простой и самый распространённый элемент во Вселенной: на него приходится около трёх четвертей всей барионной массы. Его атом устроен предельно скупо — один протон и один электрон, — и именно поэтому он стал моделью, на которой проверялась вся квантовая теория строения атома.

На Земле картина другая. Свободного водорода в атмосфере почти нет: он слишком лёгок, чтобы удержаться в поле тяготения планеты. Зато в связанном виде его очень много — прежде всего в воде и во всей органике.

Основной земной резервуар водорода — вода. В океане на каждый атом кислорода приходится два атома водорода, и по числу атомов водород в земной коре и гидросфере уступает только кислороду.

Второй резервуар — органические вещества: нефть, природный газ, уголь, а также всё живое. В метане CH₄ на один атом углерода приходится четыре атома водорода, и именно поэтому природный газ остаётся главным промышленным сырьём для его получения.

В свободном виде водород встречается в вулканических газах и в верхних слоях атмосферы, откуда постоянно улетучивается в космос.

Газ, выделяющийся при действии кислот на металлы, наблюдали ещё в XVI веке — Парацельс описывал «воздух», который вырывается при растворении железа в купоросном масле. Но горючим воздухом занимались как курьёзом.

Отдельным веществом водород признал Генри Кавендиш в 1766 году. Он собрал газ, измерил его плотность и показал, что при сгорании тот даёт воду, — то есть вода перестала быть элементом. Название «водород», буквально «рождающий воду», дал в 1783 году Лавуазье, и оно вошло в русский язык как калька латинского hydrogenium.

Водород занимает в таблице неудобное место: его помещают в первую группу, но по свойствам он не щелочной металл. Он образует и катион H⁺, отдавая единственный электрон, и анион H⁻, достраивая оболочку до гелиевой, — такого не делает больше никто.

Молекула H₂ прочна, и при комнатной температуре водород довольно инертен. Зато при нагревании или в присутствии катализатора он реагирует почти со всем: с кислородом — со взрывом, с азотом — давая аммиак, с металлами — образуя гидриды.

Отдельно стоит водородная связь. Она в двадцать раз слабее обычной ковалентной, но именно она держит воду жидкой при комнатной температуре и удерживает двойную спираль ДНК. Без неё биохимия в известном нам виде невозможна.

Больше половины производимого водорода уходит на синтез аммиака — то есть в конечном счёте на минеральные удобрения. Ещё значительная часть идёт на гидроочистку нефтепродуктов и на гидрирование жиров.

Как топливо водород привлекателен тем, что продукт его сгорания — вода. Проблема не в горении, а в получении: сегодня основную часть водорода делают из природного газа, и углекислый газ при этом всё равно выделяется, только не в двигателе, а на заводе.