ВОДОРОД – ГЛАВНЫЙ ЭЛЕМЕНТ ВО ВСЕЛЕННОЙ
Водород – самый древний, самый лёгкий и самый популярный химический элемент во Вселенной, не случайно он занимает первое место в периодической таблице Менделеева. Его атом состоит лишь из одного протона и одного электрона.
Изотопы водорода
Подобно многим химическим элементам, водород имеет разновидности атомов и ядер – изотопы. Учёные даже придумали им названия: протий, дейтерий, тритий и пр. Отличаются они разным количество нейтронов в ядре. Например, у протия – всего один. Кстати, протий – это и есть тот самый, наиболее распространённый (99,98%), «классический» водород.
Водород появился около 14 миллиардов лет назад – сразу после Большого Взрыва и начала мироздания. Можно без преувеличения сказать, что ядра водорода – это основа всей будущей материи во Вселенной, включая звёзды, планеты и даже нас с вами. Водород – прародитель всех остальных химических элементов, его масса составляет не менее 74% от всех веществ. А если считать по количеству атомов – то и все 88%!
Почему во Вселенной так много водорода?
Всё дело в свойствах нейтронов как элементарных частиц. Опытным путём учёные определили, что они могут существовать всего около 14 минут, а крепыш протон – свыше 6 лет! А значит, к тому моменту, когда температура Вселенной немного снизилась и начали образовываться первые ядра химических элементов, протонов оказалось во много раз больше, чем нейтронов. Именно поэтому самыми распространёнными стали «одинокие» ядра водорода (протия).
Водород – топливо звёзд
Все звёзды, как и наше Солнце, выделяют свет и тепло, сжигая внутреннее «топливо» – водород. При его горении возникает сначала газ гелий, а затем остальные элементы. Жизнь звезды напрямую связана с горением водорода: чем меньше его остаётся, тем ближе гибель звезды.
Водород горит не просто так и не потому, что кто-то его «поджигает». Горением называют термоядерные реакции, которые происходят в недрах звёзд. Они возникают при температуре не менее 10 миллионов градусов по Цельсию. На сегодня установлено, что звёзды «зажигаются», если их масса составляет не менее 0,08 массы нашего Солнца. В меньших объектах (планетах, астероидах и прочих космических телах) нет нужной плотности и температуры, чтобы запустилась термоядерная реакция.
Парадокс, но звёздные гиганты, обладающие большим запасом водорода, живут гораздо меньше, чем звёзды умеренной массы. Уж больно быстро они разгораются и расходуют своё топливо. Наше Солнце – совсем скромное и незаметное, если сравнивать с такими звёздами, как Альдебаран, Антарес, Ригель и Бетельгейзе, и светит оно ровно и потихоньку – ещё на пять миллиардов лет хватит!
Водород – источник жизни
Без водорода никогда бы не было воды – уникального вещества, необходимого для зарождения жизни на Земле. Казалось бы, H2O – всего-то комбинация двух газов, водорода и кислорода. Однако вода обладает необычной структурой и свойствами, далёкими от исходных материалов.
Вода – это «сгоревший» водород, так говорят, когда речь идёт о горении водорода в кислородосодержащей атмосфере.
Например, водород в обычных условиях начинает испаряться уже при ˗250 Со, кислород – при ˗200 Со, а вода – при +100 градусах! Причина «стойкости» воды – особые водородные связи. Не будь их, в жидком виде H2O никогда бы не существовала на нашей планете. Не появились бы моря и дожди, влага в растениях и кровь в животных.
Водородные связи
Молекулы воды имеют полярную природу и хорошо притягиваются друг к другу. Положительно заряженный конец одной молекулы – атом водорода – притягивается к отрицательно заряженному концу другой молекулы – к атому кислорода — получается усиленная конструкция. Такое притяжение называется водородной связью. Для её разрушения нужно много энергии, которую и даёт высокая температура кипения. Водородные связи характерны не только для воды, но и для многих кислот, органических соединений и спиртов.
Помимо кислорода, водород образует и другие соединения – с азотом и углеродом, без которых нельзя представит функционирование живых организмов. Как подсчитали учёные, на долю атомов водорода в клетках животных и растений приходится около 63%.
Баланс водорода на Земле
Конечно, Земля – не звезда, а планета, и водорода здесь не так уж много, как в целом во Вселенной. Но и не мало: 17% от всех атомов на Земле составляет водород. Содержится он большей частью в воде и в атмосфере, а также в нефти, природных газах и, конечно, в живой природе. В свободном виде водород на планете бывает редко, а когда и появляется – тут же стремится её покинуть. Например, с каждым извержением вулкана от нас улетает в Космос небольшая часть водорода.
Критично ли это для планеты, даже в перспективе? Ничуть. Ведь Земля не только потихоньку теряет водород, но и захватывает новый. Частицы солнечного ветра регулярно попадают в магнитное поле Земли, а стоит «залётным» протонам (ядрам водорода) встретиться с кислородом в земной атмосфере – они взаимодействуют, образуя воду и, рано или поздно, превращаются в осадки.
По одной из теорий, именно так на Земле и возникла вода. Исследователи подсчитали, что масса водорода в мировом океане примерно соответствует массе протонов, занесённых на Голубую планету (нашу Землю) за всё время её существования — 4,5 млрд. лет.