Водень є першим елементом у таблиці Менделєєва і є найпоширенішою хімічною речовиною у Всесвіті. Водень, що становить приблизно 75% усієї баріонної маси, міститься у великих кількостях у зірках і на газових планетах-гігантах.
Гідроген — хімічний елемент із символом H і атомним номером 1 . Як найлегший елемент, водень складається з одного протона і, у своїй найпоширенішій формі, одного електрона. Зазвичай він зустрічається у вигляді газу, зокрема двоатомної молекули ( \(H_2\) ), при кімнатній температурі.
Газоподібний водень ( \(H_2\) ) не має кольору, запаху, смаку, нетоксичний і легкозаймистий. Він має щільність приблизно \(0.08988 \, \textrm{г/л}\) за стандартної температури та тиску, що робить його менш щільним, ніж повітря. Цей газ утворюється, коли два атоми водню зв’язуються разом і ділять свої електрони.
Газоподібний водень можна отримувати різними методами, включаючи парометановий риформінг і електроліз . Парова метанова конверсія на даний момент є найбільш економічно ефективним методом і включає реакцію метану з високотемпературною парою. Електроліз, з іншого боку, передбачає використання електрики для розщеплення води на водень і кисень.
Водень має широкий спектр застосування. Він використовується в хімічній промисловості для виробництва аміаку (за допомогою процесу Габера), який є ключовим інгредієнтом у добриві. Водень також використовується для переробки нафти, обробки металів і виробництва соляної кислоти. Крім того, як чисте паливо, водень є перспективним для приводу транспортних засобів і виробництва електроенергії, виробляючи лише воду як побічний продукт.
Водень відіграє вирішальну роль у Всесвіті як найпоширеніший елемент. Це основне паливо для ядерного синтезу зірок, включаючи наше Сонце. У ядрі зірок атоми водню зливаються з утворенням гелію, вивільняючи при цьому величезну кількість енергії. Цей ядерний синтез запалює зірки та забезпечує енергією, яка підтримує життя на Землі.
Водень має три основні ізотопи: протий ( \(^1H\) ), дейтерій ( \(^2H\) ) і тритій ( \(^3H\) ). Протій, без нейтронів, є найпоширенішою формою. Дейтерій, або важкий водень, містить один нейтрон і використовується в ядерних реакторах і для виробництва важкої води. Тритій, що містить два нейтрони, є радіоактивним і може використовуватись у ядерній зброї та як індикатор у наукових дослідженнях.
Прості експерименти можуть продемонструвати властивості та реакції водню. Одним із класичних експериментів є реакція металу з кислотою, у результаті якої утворюється водень. Наприклад, реакція цинку з соляною кислотою ( \(Zn + 2HCl \rightarrow ZnCl_2 + H_2\) ) безпечно генерує газоподібний водень, який потім можна перевірити, піднісши палаючий осколок до газу та спостерігаючи характерний звук «хлопки», що вказує на наявність водню.
Хоча водень є чистим паливом, його виробництво та зберігання створюють проблеми. Зараз більшість водню виробляється з викопного палива, що сприяє викидам парникових газів. Однак для пом’якшення цього впливу вживаються зусилля щодо збільшення використання екологічно чистого водню, який виробляється за допомогою електролізу з використанням відновлюваної енергії. Крім того, через свою горючість водень вимагає обережного поводження та зберігання, щоб уникнути вибухів.
Водень є фундаментальним елементом, необхідним як для промисловості, так і для природних процесів у Всесвіті. Його проста атомна структура суперечить його складній ролі в хімічних реакціях, виробництві енергії та потенціалу як чистого джерела палива. Прогрес у його сталому виробництві та використанні може мати значні екологічні та економічні вигоди.
