Водород
- бесцветный газ,
без вкуса и запаха, по виду не отличающийся
от воздуха. Впервые замечен он был Парацельзом в первой половине XVI
века; но только Лемери, в конце XVII века, отличил В. от обыкновенного
воздуха, показав его горючесть. Более подробно изучил это вещество
Кавендиш в прошлом столетии. Это самый легкий газ: один литр В., при 0ш
и 760 мм. давления, весит 0,089538 гр. для широты 45ш и при уровне моря.
Плотность относительно воздуха - 0,06949, т. е. В. почти в 141/2 раз
легче воздуха; благодаря этому он удерживается на некоторое время в
сосуде, обращенном открытым горлом книзу, и очень быстро улетает при
приведении сосуда в нормальное положение. Рассмотрим: 1) физические
свойства В.; 2) атомный его вес; 3) химические отношения; 4)
распространение в природе; 5) происхождение, получение и очищение В.; 6)
техническое применения В.
1) Водород, подобно другим газам, следует законам Бойля-Мариотта и
Гей-Люссака с отклонениями более или менее значительными. По мере
возрастания давления он сжимается все менее и менее, чем следовало бы по
первому закону. Коэффициент расширения вследствие нагревания, вместо
того, чтобы быть постоянным, как требует закон Гей-Люссака, уменьшается
по мере увеличения давления. Вследствие этих отклонений от обоих законов
коэффициент расширения (при постоянном давлении) не одинаков с
коэффициентом (температурного изменения) упругости (при постоянном
объеме); первый равен 0, 003661, для температур от 0ш до 100ш и давления
в 760 мм., второй 0, 003667. До семидесятых годов водород вместе с
некоторыми другими газами относили к числу так называемых совершенных
газов, т. е. неспособных принимать жидкое состояние, при чем В. называли
даже более чем совершенным газом, так как отклонения его от закона
Бойля-Maриотта обратны с отклонениями кислорода и других газов. В
настоящее время сжижены все газы, некоторые обращены даже в твердое
состояние, только В. в жидком виде не наблюдали; однако, никто не
сомневается, что и этот последний может быть сжижен, хотя достигнуть
этого очень трудно, потому что критическая температура В. очень низка и
трудно достижима; она вычисляется не выше - 174ш.
Таким образом водород - газ наиболее трудно сжижаемый. Растворимость
его в воде в связи с этим обстоятельством очень мала: 100 объемов воды
растворяют 2 объема газа при 0ш и 760 мм. давления. Теплоемкость В. при
постоянном объеме относительно воды 2, 411; отношение теплоемкости при
постоянном давлении к теплоемкости при постоянном объеме - 1,41; он
теплопроводнее и электропроводнее других газов, что приводят в связь с
металлическими (в химич. смысле) свойствами этого вещества. Спектр
накаленного в гейслеровой трубке В. обладает тремя яркими линиями -
красной, синевато-зеленой и фиолетовой, убывающей силы; эти линии
отвечают фрауенгоферовым - С, F и G. В. быстрее других газов проникает,
диффундирует чрез тонкие отверстия, что совершается по закону обратной
пропорциональности с корнем квадратным из плотности газа. Закон
справедлив в случае очень тонкой перегородки, чрез которую совершается
диффузия; при пористых перегородках более или менее значительной толщины
диффузия не подчиняется этому закону. Подобно другим газам, водород
способен проникать чрез каучук. Диффузия этого рода зависит от
способности их поглощаться, растворяться в каучуке (Грагам);
растворенный газ собственно и диффундирует. Водород проникает чрез
некоторые металлы при возвышенной температуре и при том гораздо легче
многих других газов, что находится, очевидно, в связи с его способностью
соединяться с металлами; чрез платину, например, проникает 211 к. с. В.
при тех же условиях, при которых других газов проникает 0,2 к. с.
2) Химически знак В. есть Н, от латинского названия Hydrogenium. В.,
самый удельно легкий из газов, обладает, и самым малым частичным
(молекулярным) и атомным весом. Атомный вес его принимается за единицу
атомных весов прочих элементов, Н = 1. Частица его, как и большинство
газообразных простых тел, содержит два атома = Н2. Атомные веса почти
всех элементов определяются в действительности относительно кислорода и
потому находятся в зависимости от точности отношения атомного веса
кислорода к атомному весу В. Это отношение между тем нельзя до сих пор
считать строго установленным. В виду этого ныне вслед за Браунером
выражают атомные веса относительно кислорода, принимая О=16.
3) При обыкновенных температуре и давлении В. трудно вступает в
реакции. Горение смеси В. с кислородом, при чем образуется вода,
начинается только при нагревании (около 600ш) или при действии
электрической искры; раз начавшись, реакция продолжается пока не
исчерпан материал. В. в момент выделения из соединений (in statu
nascenti), а также в присутствии пористых и порошкообразных тел,
способных сгущать на своей поверхности газы, какова губчатая платина)
делается способным вступать в реакции и при обыкновенной температуре.
Водородное пламя бледно, но сильно накалено. Пламя делается ярким, если
В. горит под сильным давлением (Франкданд). Температура водородного
пламени вычисляется из различных опытных данных в 2500ш (Девилль), даже
около 2800ш (Бунзен). Теплота соединения В. с кислородом, при
образовании молекулярного веса водяного пара, насыщающего пространство,
в граммах - около 59000 калорий. Вследствие этого смесь В. с кислородом,
состоящая из 2 объемов первого и 1 объема второго (отношение, в котором
они соединяются для образования воды), сильно взрывает при воспламенении
и потому называется гремучим газом. При образовании воды происходит
собственно сжатие: из 3 объемов смеси образуется 2 объема водяного пара,
но вследствие громадного выделения тепла объем пара возрастает весьма
значительно и крайне быстро - происходит взрыв.
В. соединяется с хлором при обыкновенной температуре под влиянием
света; с бромом, йодом, серою, селеном - при более или менее высокой
температуре (около 400ш). Под влиянием ряда электрических искр,
проскакивающих через смесь азота и водорода, образуется аммиак, но в
очень малых количествах, потому что это вещество под влиянием тех же
искр разлагается; если же образовавшийся аммиак поглотить кислотою, то
вновь при пропускании искр идет образование аммиака, так что смесь и
объема азота, 3 об. водорода и 2-х об. хлористого водорода при
пропускании искр вполне превращается в нашатырь NH4 Cl (Генр. С. К.
Девилль). Вольтова дуга между угольными электродами, образуясь в
атмосфере водорода, дает условия образования ацетилена С2Н2. С прочими
металлоидами прямого соединения В. пока еще не указано. В. восстановляет
металлы из их соединений с кислородом, серою, хлором и другими
галоидами, при чем образуются водородистые соединения этих последних.
Реакция в некоторых случаев обратима в направление ее определяется
присутствующими массами реагирующих веществ и их способностью
диссоциировать, а также и величинами сродства. По химическим отношениям
В. более похож на металл, чем на металлоид; в этом смысле вода
уподобляется с основаниями, а кислоты - с солями, металл которых есть В.
Действительно, цинк, например, вытесняет медь из ее солей и В. - из
кислот (водородных солей); сам В., но только сжатый, вытесняет металлы
из солей (Н. Бекетов). Твердые кислоты, органически, например, или
некоторые гидраты минеральные при низкой температуре, по виду и по
многим другим свойствам, нисколько не отличаются от солей. Будучи
составною частью воды, В. находится во всех гидратах; он соединяется со
всеми металлоидами и со многими металлами в двойные соединения; с
углеродом образует весьма большое число соединений, встречающихся в
природе (нефть, скипидар, газы угольных копей и пр. ), и гораздо большее
- полученных в лаборатории. Формы соединений водорода, на ряду с формами
соединений кислорода, служат для характеристики групп химических
элементов, образующих, как известно, так называемую периодическую
систему элементов. Сам В., обладая самым малым атомным весом, относится
к 1 группе системы.
4) В природе свободный В. встречается крайне редко, именно в газах
фумаролл в Исландии, в Тоскане. В виде соединений В. очень
распространен. Он составляет 1/2 ч. по весу воды; вместе с углеродом,
азотом и кислородом он является непременною составною частью всего
организованного.
5) В. может быть получен при разложены воды или гальваническим током,
или нагреванием пара до температур диссоциации воды, при чем В. может
быть отделен (Г. С. Клер Девилль) от кислорода при помощи платиновой, а
также глиняной пористой перегородки; или действием веществ, отнимающих
от воды кислород. К такого рода веществам относятся: 1) щелочные металлы
действующие на воду при обыкновенной температуре весьма энергично, так
что лучше употреблять их в виде амальгам, - выделение водорода идет
тогда очень правильно: 2) железо и цинк, при накаливании в струе пара и
при обыкновенной температуре, если разлагаемая вода содержит в растворе
кислоту, лучше всего серную; 3) алюминий, цинк и некот. др. при действии
на крепкие растворы едких щелочей; 4) уголь при закаливании в струе
водяного пара дает так называемый водяной газ, который содержит, кроме
водорода (50 - 60%), еще окись углерода и немного углекислоты, а иногда
еще метан, относительные количества меняются в зависимости от условий
ведения операции. При нагревании до 250ш смеси едкого кали и
муравьинокислого калия образуется В.; этою реакциею пользовался Пикте
для получения, а также и для сжижения водорода при известных своих
опытах сжижения постоянных газов. При пропускании гальванического тока
через воду, подкисленную серной кислотой и помещенную в вольтаметре с
платиновыми электродами, на отрицательном электроде выделяется В., на
положительном - кислород. В. получается при этом чистый, если
употреблять прокипяченную дистиллированную воду, подкисленную чистой
серной кислотой. В лабораториях чаще пользуются для получения водорода
действием цинка на разведенную серную кислоту. Наиболее удобный прибор
для этого состоит из двух бутылей, имеющих тубусы у дна, при помощи
которых они соединяются между собою посредством широкой каучуковой
трубки. В одной бутыли, закрывающейся вверху пробкой, через которую
пропущена газоотводная трубка с краном, помещается на дне битый фарфор,
а затем - цинк, гранулированный, более чистый, или в виде обрезков
листового цинка, а в другую бутыль наливается кислота (10%-ный раствор
очень удобен, потому что тогда не происходит сильного разогревания,
вызывающего побочные реакции и слишком бурное выделение водорода). В
кислоту вливают незначительное количество раствора медного купороса,
который выделяет на цинке медь, образуя таким образом гальваническую
пару; это способствует правильности выделения газа. Поднимая бутыль с
кислотой выше или ниже, получают давление внутри прибора, нужное для
того, чтобы В. мог выходить через газоотводную трубку; при помощи крана
регулируют быстроту тока газа. В начале операции выделяется В.,
смешанный с воздухом, который был в приборе, а потому должно
остерегаться зажигать газ в это время, дабы не последовал взрыв гремучей
смеси. Собирают газ в так называемые газометры, предварительно
наполненные водой. В. такого приготовления обладает неприятным запахом,
по причине присутствия газообразных веществ, образующихся вследствие
нечистоты исходных материалов. Продажный цинк содержит серу, мышьяк,
фосфор, кремний. В. в момент выделения дает газообразные соединения с
этими элементами, которые и сообщают упомянутый неприятный запах.
Большая часть мышьяковистого водорода происходит однако из кислородных
соединений мышьяка, присутствующих обыкновенно в продажной серной
кислоте. Свинец, содержащийся также в продажном цинке, выделяется в виде
черного порошка. Употребление вместо цинка железа прибавляет к указанным
примесям еще газообразные углеводороды, очищать от которых В. довольно
затруднительно. В виду этого, где нужен чистый В., предпочитают готовить
его при помощи цинка, пропуская для очищения через растворы
азотнокислого свинца, сернокислого серебра, едкого кали и, наконец, для
сушения через концентрированную серную кислоту. Первый раствор очищает
от сернистого водорода, второй от мышьяковистого и фосфористого, третий
от водородистого кремния. Растворы эти помещают в вульфовы стеклянки или
пропитывают ими прокаленную пемзу, которую помеющают затем в U-образные
трубки.
6) Технические применения водорода основываются на его исключительной
легкости и на способности развивать при горении большое количество
тепла. Первым свойством пользуются при употреблении его для наполнения
воздушных шаров, а вторым преимущественно для плавления платины и для
получения так называемого друммондова света. Для получения водорода в
больших количествах для воздушных шаров пользуются действием
металлического железа в обрезках на разведенную серную кислоту. Аппарат,
употребляющийся при этом, отличается от лабораторных существенно тем,
кроме ббльших размеров, что в нем дана возможность прибавления нового
железа, по мере расходования, и удаления раствора образовавшегося
железного купороса без впускания в атмосферу водорода наружного воздуха
(Жиффар).
Существенную роль в снарядах для нагревания при помощи водородного
пламени играет особого устройства приводящая водород и кислород трубка;
именно, при помощи ее смешение обоих газов совершается в узкой
металлической трубке с толстыми стенками, особенно утолщающимися к
концу; пламя не распространяется внутрь этой трубки, так как газовая
смесь в ней всегда недостаточно нагрета, чтобы воспламениться,
вследствие большой теплопроводности металла; приток водорода и кислорода
регулируется особыми кранами; перед зажиганием пускают сначала водород и
зажигают его, а затем постепенно открывают кран, приводящий кислород.
Направляя такое пламя на кусок извести, заставляют этот последний
раскаливаться до яркого свечения (друммондов свет); впуская пламя в
отражательный горн из извести же, в котором находится платина, переводят
ее в расплавленное состояние и потом употребляют для отливок.
Вместо водорода для нагревания нередко употребляют при технических
надобностях уже упомянутый водяной газ. Водород для друммондова света, а
также и для аэростатов получают еще при накаливании гашеной извести с
углем; реакция совершается по уравнению 2Ca(OH)2+C=2CaO+CO2+2H2; для
удаления угольного ангидрида полученный газ пропускают над известью или
над углекислыми солями, способными образовать двууглекислые соли.
Водородным пламенем пользуются также для спайки металлов без припоя. Для
этой цели употребляются особые свинцовые или медные, но покрытые внутри
свинцом, переносные приборы, в которых водород получается при действии
серной кислоты на цинк; они устроены таким образом, что, когда закрывают
кран, выпускающий водород, серная кислота вытесняется им из той части
прибора, где находится цинк, и образование новых количеств газа
прекращается; при открывании крана - наоборот: серная кислота вытесняет
водород и, придя в соприкосновение с цинком, начинает снова образовывать
его; таким образом, ток водорода из прибора может быть получен
достаточно продолжительный. Спаивание без припоя необходимо для
постройки свинцовых камер для заводского изготовления серной кислоты, а
также для приготовления вообще свинцовых сосудов, имеющих значительное
применение в химической заводской деятельности; таковы: кристаллизаторы
для буры, медного купороса, квасцов; сосуды для получения хлора,
фтористого водорода и т.п. Во всех этих случаях употребление припоя
вредило бы прочности приборов.
Подобный же прибор незначительного размера носит название водородного
прибора огнива; близ крана, выпускающего водород, помещается губчатая
платина; придя с нею в соприкосновение в присутствии воздуха, водород
воспламеняется; водородное огниво, следовательно, заменяет спички, как и
обыкновенное огниво.
С.С. Колотов.
