История открытия водорода – от теории к практике

История открытия водорода занимает важную веху в развитии науки. Согласно современным научным представлениям, этот газ – один из самых распространенных элементов во Вселенной. Он является наиболее важным веществом для существования звезд, а, следовательно, главным источником энергии.

Краткая история открытия водорода

Элемент был обнаружен британским ученым Генри Кавендишем в 1766 году. Происхождение названия восходит к греческим словам «гидро» и «генов», что означает «вода» и «генератор».

Еще в 1671 году Роберт Бойл (1627-1691, английский химик и физик) опубликовал статью «Новые эксперименты, касающиеся отношения между пламенем и воздухом», в которой он описал реакцию между железными опилками и разбавленными кислотами. В процессе экспериментов ученый заметил, что реакция данных веществ приводит к эволюции газообразного водорода («горючий раствор Марса»).

Однако только в 1766 году газ был утвержден в качестве основного элемента Генри Кавендишем (1731-1810, английский химик и физик, который также открыл азот), использовавшим для синтеза ртуть. Ученый охарактеризовал его как «легковоспламеняющийся воздух из металлов». Кавендиш точно описал свойства водорода, но ошибочно считал, что газ происходит от металла, а не от кислоты. Современное название химическому элементу дал французский естествоиспытатель А. Л. Лавуазье.

История открытия водорода (H) на этом не заканчивается. В 1931 году профессором химии Гарольдом Юри, работавшим в Чикаго (США), был обнаружен газ дейтерий. Он является тяжелым изотопом водорода и записывается как ²H и D.

Кирпичики мироздания

Долгое время люди не могли разобраться в свойствах материи. Хотя еще древние греки предполагали, что «эфир» (окружающее пространство) состоит из неких элементов, четкого обоснования и тем более твердых доказательств сему факту не существовало.

Осенью 1803 года англичанин Джон Дальтон смог объяснить результаты некоторых своих исследований, предположив, что вещество состоит из атомов. Также исследователь выяснил, что все образцы любого данного соединения состоят из одной и той же комбинации этих атомов. Дальтон также отметил, что в ряде соединений отношения масс второго элемента, которые сочетаются с заданным весом первого элемента, могут быть сведены к малым целым числам («Закон множественных пропорций»). Таким образом, ученый имеет определенное отношение к истории открытия водорода.

Презентация «Теории атомов» Дальтона состоялась в 3-м томе научного издания «Системы химии», изданном Томасом Томсоном в 1807 году. Также материал появился в статье об оксалатах стронция, опубликованной в «Философских транзакциях». В следующем году Дальтон самостоятельно опубликовал эти идеи, сделав более развернутый анализ в работе «Новая система химической философии». Кстати, в ней ученый предложил использовать в качестве символа водорода круг с точкой в центре.

Первый топливный элемент

История открытия водорода богата интересными событиями. В 1839 году британский ученый сэр Уильям Роберт Гроув провел эксперименты по электролизу. Он использовал электричество для разделения воды на водород и кислород. Позже исследователь задумался, а можно ли сделать обратное действие – генерировать электричество из реакции кислорода с водородом? Гроув закрыл платиновые пластинки в отдельных запечатанных емкостях, в одной из которых содержался водород, а в другой – кислород. Когда контейнеры были погружены в разбавленную серную кислоту, между двумя электродами потек ток с образованием воды в газовых баллонах. Затем ученый связал несколько подобных устройств в последовательную цепь, чтобы увеличить напряжение, создаваемое в газовой батарее.

С тех пор на водород возлагаются большие надежды в плане получения компактных экологически чистых источников энергии. Однако пока не решен вопрос 100 %-й безопасности и высокой эффективности конечных устройств для массового потребления. Кстати, термин «топливный элемент» впервые использован химиками Людвигом Мондом и Чарльзом Лангером, продолжившими исследования У. Р. Гроува.

Автономные источники энергии

В 1932 году Фрэнсис Томас Бэкон, инженер Кембриджского университета в Великобритании, продолжил работу над проектами Гроува, Монда и Лангера. Он заменил платиновые электроды менее дорогой никелевой сеткой, а вместо электролита с серной кислотой использовал щелочной гидроксид калия (менее агрессивный к электродам). Это было по существу создание первого щелочного топливного элемента, получившего название ячейка Бэкона. Британцу потребовалось еще 27 лет, чтобы продемонстрировать установку, способную производить 5 кВт энергии, что достаточно для питания сварочного аппарата. Примерно в то же время был продемонстрирован первый автомобиль на топливных элементах.

Позже топливные элементы использовались НАСА в 1960 годах для полетов в рамках лунной программы «Аполлон». Ячейки Бэкона стояли (и стоят) на сотнях космических аппаратов. Также «большие батарейки» используются на подводных лодках.

Полезный, но опасный

История открытия водорода сопряжена не только с радостными моментами. О том, насколько небезопасен данный элемент, свидетельствует трагедия дирижабля-гиганта «Гинденбург». В 1930 годах Германия построила серию воздушных судов – цеппелинов. В качестве газа использовался водород. Будучи легче азотно-кислородной смеси, составляющей основную часть атмосферы, он позволял перевозить большие объемы грузов.

В 1936 году немецкие конструкторы представили миру крупнейший на то время дирижабль «Гинденбург». 245-метровый гигант вмещал 200000 м3 газа. Его грузоподъемность поразительна: аппарат был способен поднять в небо до 100 тонн грузов. Воздушное судно использовалось для трансатлантических перевозок между Германией и США. Пассажирская гондола вмещала 50 человек с багажом. 6.05.1937 по прибытии в Нью-Йорк произошла утечка водорода. Легко воспламеняющийся газ загорелся, произошел взрыв, приведший к смерти 36 человек. С тех пор вместо водорода в летательных аппаратах применяют более безопасный гелий.

Вывод

Водород – один из важнейших элементов во Вселенной. Хотя его свойства хорошо изучены, он не перестает интересовать ученых, инженеров, конструкторов. Данный элемент является темой тысяч научных работ, дипломов и рефератов. История открытия водорода – это история самой науки, системы знаний, пришедшей на смену невежеству и религиозным догмам.