[МУЗЫКА] Здравствуйте! Сегодня мы начинаем рассмотрение химии элементов. И начинаем мы ее с самого легкого элемента в периодической системе — это водород. Водород имеет порядковый номер 1 и стоит в первой клетке периодической таблицы. Электронная конфигурация атома водорода 1s1, что обуславливает его валентные возможности. Он может принять наполовину заполненную оболочку 1 электрон, превращаясь в гидрид, приобретая степень окисления −1, или отдать находящийся там электрон другому атому, переходя в состояние свободной элементарной частицы — протона, то есть приобретая степень окисления +1. Таким образом, валентные возможности водорода ограничены степенями окисления −1, 0 и +1. Водород является самым распространенным элементом во Вселенной. Считается, что уже через 1 секунду после Большого взрыва во Вселеной сформировался весь набор атомов водорода и запустился процесс синтеза более тяжелых элементов, который продолжается и до сих пор. Однако это процесс прошел не до конца. По современным оценкам содержание атомов водорода составляет более 88 %, и он является наиболее распространенным элементом во Вселенной. Водород входит в состав звезд, где он находится в виде элементарных частиц протонов, а также в состав межзвездного вещества, где он находится в виде протонированной молекулы водорода. В любой из ныне действующих звезд до сих пор протекают реакции ядерного синтеза с участием водорода. Наше Солнце тоже не является исключением, и в его недрах протекают процессы синтеза ядер тяжелых элементов. Первой стадией такого процесса является слияние двух атомов водорода с образованием атома дейтерия, позитрона и нейтрино. Этот процесс достаточно длительный, время полупревращения составляет порядка 10 в 10-й лет. На второй стадии образовавшийся атом дейтерия сливается с еще одним протоном, образуя частицу Гелий-3+. Этот процесс, напротив, чрезвычайно быстрый, период полупревращения составляет 0.6 секунды. Ну и, наконец, на последней стадии 2 ядра Гелия-3 сливаются, превращаясь в Гелий-4 и высвобождая два протона. Этот процесс тоже достаточно длительный. Суммарное уравнение протекающей реакции представлено на слайде. Ввиду большого дефекта масс между четырьмя протонами и атомом Гелия-4 выделяется огромное количество энергии, которая и служит топливом для протекания дальнейших ядерных реакций, а также выделяется в виде излучения, которое достигает нашу Землю. В отличие от Вселенной, где водород занимает по распространенности 1-е место, на Земле водород только третий по распространенности элемент после кислорода и кремния. Это обусловлено тем, что достаточно легкая молекула водорода легко поднимается в верхние слои атмосферы, преодолевает гравитационное поле Земли и покидает нашу планету. Содержание водорода по массе на Земле еще меньше — оно составляет менее 1 %, это девятое место по распространенности. Основное соединение, в котором водород существует на Земле — это обычная вода. Кроме того, водород в больших количествах содержится в углеводородах, нефти и газе, а также во всех живых организмах. Содержание молекулярного водорода в воздухе чрезвычайно мало и составляет менее 5 × 10 в −5-й %. История открытия водорода достаточно продолжительная. Несмотря на то что еще в XVI–XVII веке, начиная с Парацельса и Роберта Бойля, химики замечали, что при взаимодействии металла с кислотой выделяется какой-то газ. До работ Кавендиша этот газ никто не собирал и не анализировал. Кавендиш сделал эту работу и обнаружил, что полученный газ является чрезвычайно горючим, а при анализе продуктов его сгорания установил, что единственным продуктом является обычная вода. Согласно господствующей в то время теории флогистона, Кавендиш сначала посчитал, что он открыл сам флогистон или флогистированный воздух. В конце XVIII века Лавуазье предложил для водорода новое название: с латинского hydrogenium значит буквально «рождающий воду». Это название в русском языке так и закрепилось: водород, рождающий воду. Давайте рассмотрим основные характеристики атомов ионов водорода. Атом водорода имеет электронную конфигурацию 1s1. Если от этого водорода отнять один электрон, то на это нужно затратить большое количество энергии — более 1300 кДж/моль И эта величина будет являться энергией или, как еще ее называют, потенциалом ионизации атома водорода. При этом водород переходит в состояние свободного протона. Обратите внимание, что если радиус атома водорода составляет 0.53 Å, то радиус свободного протона составляет 1.5 × 10 в −5-й Å, то есть в 10 в 5-й раз меньше, чем радиус самого маленького из атомов. Поэтому протон как элементарная частица никогда не может быть свободным — он обязательно найдет себе какое-нибудь соединение, с котором очень сильно экзотермично свяжется. Поэтому одной из важнейших характеристик всех химических соединений является энергия сродства к протону — эта та энергия, которая выделяется при присоединении протона к данному соединению. Напротив, если атому водорода дать один электрон, то процесс его присоединения будет экзотермическим, и эта энергия называется энергия «сродства к электрону». При этом образуется гидридный анион H−, который имеет аномально большой размер, ввиду того, что маленькая 1s орбиталь теперь заселена двумя электронами, и поэтому возникает сильное межэлектронное отталкивание. Большой размер гидрид-аниона обуславливает его высокую поляризуемость и большую реакционную способность. Поэтому гидрид-ион в химических реакциях будет проявлять очень сильные восстановительные свойства. Кроме обычного водорода, состоящего из одного протона и одного электрона, в природе встречаются изотопы водорода, которые отличаются содержанием нейтронов. Так, например, дейтерий в ядре имеет не только один протон, но еще и один нейтрон. А третий имеет один протон и два нейтрона. Поэтому атомные массы водорода, дейтерия и трития относятся примерно как 1:2:3. Водород и дейтерий являются стабильными изотопами, а тритий радиоактивен — он претерпевает бета-распад, превращаясь в ядро атома гелия-3. И период полураспада составляет чуть более 12 лет. Именно поэтому содержания трития в природе чрезвычайно невелико — 10 в −15-й %. Основное содержание среди изотопов водорода занимает как раз протий — это самый обычный водород, его содержание более, чем 99,9 %. 0.015 % приходится на долю дейтерия — тяжелого водорода. В пересчете на количество атомов можно прикинуть, что примерно на 1 атом дейтерия приходится 6800 атомов протия. Изотопы водорода играют чрезвычайно важную роль в ядерном синтезе. Так, например, слияние ядер дейтерия и трития выделяет огромное количество энергии. Именно эта ядерная реакция была использована в так называемой водородной бомбе. Для того чтобы инициировать эту реакцию, необходимо создать колоссальную температуру и очень высокое давление. И это можно сделать при помощи ядерного взрыва. Таким образом, водородная бомба, по сути, из себя представляет заряд, содержащий обычную ядерную бомбу, которая инициирует потом взрыв водородной бомбы. Было бы чрезвычайно перспективно использовать вот эту выделяющуюся энергию в мирных целях. Для этого неплохо бы проводить контролируемый термоядерный синтез. В мире ведутся разработки специальных установок, направленных на создание контролируемой реакции термоядерного синтеза. Такие установки называются токамаки — тороидальные камеры с магнитной катушкой. Эта установка должна удерживать плазму при очень высоких температурах и давлениях достаточно длительное время. Пока что эта задача до конца не решена.
