Самый легкий газ в мире и его характеристики

Газ – одно из агрегатных состояний веществ. В таком виде они чаще всего существуют во Вселенной, образуя туманности, звезды и межзвёздное вещество. Без газов не обходится и Земля. Они входят в состав воздуха, присутствуют в живых организмах. А какой газ самый лёгкий? Какими особенностями он обладает? Давайте это выясним.

Самый лёгкий газ

Химический элемент, молекулы которого образуют легчайший газ – это водород. В периодической системе он обозначается символом H и стоит на первом месте. Он уникален по своей природе, ведь может быть опасен, но вместе с тем он крайне необходим любому живому существу.

Водород – самый лёгкий газ, когда два его атома соединяются в молекулу, образуя H₂. По легкости он превосходит воздух в 14,5 раз. В смеси с кислородом или воздухом он может взрываться. Но если соединить два его атома с атомом оксигена, то получится обыкновенная вода, в которой мы так нуждаемся. На это указывает и его латинское название Hydrogenium, что можно перевести как «порождающий воду».

Если соединить два атома водорода и два атома кислорода, то выйдет уже другое вещество. Они образуют перекись водорода – бесцветную жидкость, которую используют для обеззараживания ран, отбеливания волос, а также в качестве ракетного топлива.

Состояния и свойства вещества водорода

Самый легкий химический газ при нормальных условиях не обладает цветом, вкусом и запахом. Его плотность на один кубический сантиметр составляет всего 0,0000899 грамма. Температура его кипения - 252,6 °С. В свободном состоянии в природе он встречается именно в виде газа H₂.

Водород прекрасно растворяется во многих металлах (в палладие, титане, ниобие, платине, никеле), диффундируя с ними. Он также растворим в этаноле, а вот с серебром не смешивается.

Он обладает высокой теплопроводностью, которая в семь раз выше, чем у воздуха. Жидкий водород лёгкий и тоже бесцветный. При сжижении его объём уменьшается, а вещество приобретает криогенные свойства. В таком виде он опасен для человека – может вызвать обморожение кожи, а его пары вызывают отёк лёгких.

В твёрдом состоянии вещество выглядит как снегоподобная масса белого цвета. Она плавится при температуре −259,2 °C, и обладает практически самой маленькой плотностью среди твёрдых простых веществ - 0,08667 г/см³. При давлении 300 Гпа он переходит в металлическое состояние. Предполагается, что металлический водород есть в ядрах некоторых планет, например Сатурна и Юпитера.

Реакции с водородом

Сам по себе самый лёгкий газ неактивный. Однако при нагревании он способен вступать в реакции с различными веществами, например азотом, кислородом, серой и т. д. Горение водорода сопровождается выделением воды, это в XVIII веке обнаружил ещё химик Лавуазье, который и дал газу его название.

Смешиваясь с кислородом, происходит его окисление. Но при обычной температуре реакция протекает медленно и малозаметна со стороны. Тем не менее, смесь прозвали «гремучей», так как при нагревании она взрывается, сопровождаясь громким хлопком. Чтобы активировать смесь достаточно даже одной искры.

С участием света и тепла реагирует со многими металлами и неметаллами. С хлором образует хлороводород – устойчивый газ с ярко выраженным запахом. Он растворяется в воде и дымится на влажном воздухе. С азотом образует аммиак, с серой – сильно пахнущий сероводород.

При обычных температурах самый лёгкий газ реагирует только фтором и с очень активными, щелочными металлами, например, кальцием. С фтором он очень взрывоопасен, и вступает в реакцию даже при нулевой температуре и в темноте.

С оксидами он отнимает кислород и ведет себя как восстановитель. Так, из CuO на выходе образуется медь и вода, а из WO₃ – вольфрам и 3H₂O.

Распространение в природе

Водород – самый распространённый элемент во Вселенной, но на Земле он уступает первенство кислороду. В космосе самый лёгкий газ присутствует в межзвёздном веществе, образует туманности, звёзды и ядра планет.

На Солнце и других звездах температура слишком высокая, поэтому водород становится плазмой. С его помощью в них происходят термоядерные реакции, сопровождающиеся выделением огромного количества энергии. Именно сжигание водорода и его превращения позволяют звездам светить и отдавать тепло.

На Земле водород находится преимущественно в связанном виде. В свободном состоянии в сухом воздухе содержится только 0,00005 % этого газа. Он присутствует почти во всех живых клетках. Так, около 64% атомов в организме приходится на водород. Он входит в состав белков, жиров, гормонов и других соединений.

Где его применяют?

Когда-то самый лёгкий газ использовали для поднятия в воздухе воздушных шаров и дирижаблей. Однако это не было безопасным. Если каким-то образом к нему поступал кислород, установка загоралась. Из-за возгорания самого крупного дирижабля «Гинденбурга» в 1937 году погибло 35 человек. После этого опасный газ заменили гелием.

Сейчас из водорода делают хлороводород и соляную кислоту, а также аммиак, необходимый для производства удобрений. С помощью него изготавливают мыло, пластмассы. Соединяя его с CO₂, получают синтез-газ, для производства энергии. Пропуская через него жидкие растительные жиры, получают твердые, из которых делают маргарин.

Восстановительные качества водорода помогают получать чистые металлы из их оксидов (медь, вольфрам, молибден и т. д.). При его горении образуются очень высокие температуры (3000-4000 градусов), с их помощью варят тугоплавкие металлы.

Эффективное топливо

Водород обладает высокой теплотой сгорания и не представляет вред для окружающей среды Когда он горит, то в атмосферу выделяются кислород и вода. Он вполне мог бы заменить дорогие нефть и газ, тяжело добываемый уголь, а также остановить выделение вредного углекислого газа, которое неизбежно при их переработке.

Над этим вопросом сейчас и задумываются учёные. Программы по водородной энергетики уже озвучили Исландия, США, Япония, ЮАР, Индия, Южная Корея. В Италии компания Enel уже запустила электростанцию на этом газе, Япония заявила, что откроет свою станцию в 2018 году. Автомобильные компании уже давно представили свои водородные модели.

Возможно, такое топливо могло бы решить некоторые проблемы. Однако оно может породить и новые. Пока неизвестно, как эффективно получать водород, затрачивая минимум средств и не нарушая природный баланс. Поэтому все идеи об использовании самого легкого газа находятся в разработке.