Водень і Всесвіт
Колись люди обожнювали Сонце. Але тепер воно стало об'єктом точних досліджень, і ми рідко замислюємося про те, що саме наше існування цілком і повністю залежить від відбуваються на ньому.Кожну секунду Сонце випромінює в космічний простір енергію, еквівалентну приблизно 4 млн. т маси. Ця енергія народжується в ході злиття чотирьох ядер водню, протонів, в ядро гелію; реакція йде в декілька стадій, а її сумарний результат записується ось таким рівнянням:
4 1 1 Н + → 4 2 Не 2 + + 2е + + 26,7 МеВ.
Багато це чи мало -26,7 МеВ на один елементарний акт? Дуже багато: при «згоранні» 1 г протонів виділяється в 20 млн. разів більше енергії, ніж при згорянні 1 г кам'яного вугілля. На Землі таку реакцію ще ніхто не спостерігав: вона йде при температурі і тиску, які існують лише в надрах зірок і ще не освоєних людиною.
Потужність, еквівалентну щосекундної убутку маси в 4 млн. т неможливо уявити: навіть при найпотужнішому термоядерному вибуху в енергію перетворюється лише близько 1 кг речовини. Але якщо віднести всю випромінювану Сонцем енергію до його повній масі, то з'ясується неймовірне: питома потужність Сонця виявиться мізерно малою - багато менше, ніж потужність такого «тепловиділяючого пристрої», як сама людина. І розрахунки показують, що Сонце буде світити, не слабшаючи, ще, щонайменше, 30 млрд. років.
Що й казати, на наш вік вистачить.
Наше Сонце, щонайменше, наполовину складається з водню. Всього на Сонце виявлено 69 хімічних елементів, але водень - переважає. Його в 5,1 рази більше, ніж гелію, і в 10 тис. разів (не за вагою, а за кількістю атомів) більше, ніж усіх металів, разом узятих, Цей водень витрачається не тільки на виробництво енергії. У ході термоядерних процесів з нього утворюються нові хімічні елементи, а прискорені протони викидаються в навколосонячний простір.
Останнє явище, що отримало назву «сонячного вітру», було відкрито порівняно недавно під час дослідження космічного простору за допомогою штучних супутників. Виявилося, що особливо сильні пориви цього «вітру» виникають під час хромосферних спалахів. Досягнувши Землі, потік протонів, захоплений її магнітним полем, викликає полярні сяйва і порушує радіозв'язок, а для космонавтів «сонячний вітер» становить серйозну небезпеку.
Але чи тільки цим обмежується вплив на Землю потоку ядер сонячного водню? Мабуть, немає. По-перше, потік протонів народжує вторинне космічне випромінювання, що досягає поверхні Землі, по-друге, магнітні бурі можуть впливати на процеси життєдіяльності, по-третє, захоплені магнітним полем Землі ядра водню не можуть не позначатися на її масообміну з космосом.
Судіть самі: зараз в земній корі з кожних 100 атомів 17 - це атоми водню. Але вільного водню на Землі практично не існує: він входить до складу води, мінералів, вугілля, нафти, живих істот ... Тільки вулканічні гази іноді містять трохи водню, який в результаті дифузії розсіюється в атмосфері. А так як середня швидкість теплового руху молекул водню з-за їх малої маси дуже велика - вона близька до другої космічної швидкості, - то з шарів атмосфери ці молекули відлітають в космічний простір.
Але якщо Земля втрачає водень, то чому вона не може його отримувати від того ж Сонця? Раз «сонячний вітер» - це ядра водню, які захоплюються магнітним полем Землі, то чому б їм на ній не залишитися?
Адже в атмосфері Землі є кисень; реагуючи з залетів ядрами водню, він зв'яже їх, і космічний водень рано чи пізно випаде на поверхню планети у вигляді звичайного дощу. Більш того, розрахунок показує, що маса водню, що міститься у воді всіх земних океанів, морів, озер і річок, точно дорівнює масі протонів, занесених «сонячним вітром» за всю історію Землі. Що це - простий збіг?
Ми повинні усвідомлювати, що наше Сонце, наше водневе Сонце, - це лише пересічна зірка у Всесвіті, що існує незліченна безліч подібних зірок, віддалених від Землі на сотні, тисячі і мільйони світлових років. І хто знає, - може бути саме в діапазоні радіовипромінювання міжзоряного водню (запам'ятайте - 21 сантиметр!) Людству вперше вдасться зв'язатися з іноземними цивілізаціями ...
Водень і життя
Ще раз про те, що безглуздо говорити: «Якщо б у природі не було того-то, то не було б того і цього». Справа в тому, що картина світу, яку ми маємо можливість зараз спостерігати, склалася саме в результаті того, що існує в дійсності ...Скажімо, письменники люблять населяти планети, де замість води - фтористий водень або аміак, а основою життя служить не вуглець, а кремній. Але чому ж «кремнієва» життя не існує на нашій планеті, де кремнію хоч відбавляй? Чи не тому, що кремній - просто невідповідна основа для життя?
Проте якщо і вуглецю, і кисню витончена людська фантазія інколи все ж знаходить заміну, то ніщо не зможе замінити водень. Справа в тому, що у всіх елементів є аналоги, а у водню - ні. Ядро цього атома - елементарна частинка, і це не може не позначатися на властивості атома.
Будь-який атом, за винятком атома водню, в звичайних умовах не може позбутися всіх електронів: у нього залишається хоча б ще один електронний оболонка, і ця оболонка, що несе негативні заряди, екранує ядро. А ось іон водню - це «голий», позитивно заряджений протон, і він може притягатися до електронних оболонок інших атомів, відчуваючи при цьому не особливо сильне відштовхування від ядра.
І ось що виходить. Скажімо, в молекулі води обидві валентності атома кисню насичені і, здавалося б, між двома молекулами ніякої додаткової зв'язку виникнути не може. Але коли атом водню однієї молекули води наближається до атома кисню іншої молекули, то між протоном і електронною оболонкою кисню починає девствовать сила додаткового тяжіння, і утворюється особлива, так звана воднева зв'язок:
Такі зв'язки разів у двадцять слабкіше звичайних, але все-таки роль їх величезна. Взяти, наприклад, ту ж саму воду: багато її дивовижні властивості визначаються саме надзвичайно розвиненими водневими зв'язками. Спробуйте хоча б передбачити її температуру плавлення, грунтуючись на константах сполук водню з сусідами кисню з періодичної системі - азотом і фтором або аналогами - сірої і селеном.
Аміак плавиться при - 77,7 ° C, фтористий водень при - 92,3 ° C; отже, вода, начебто, повинна мати проміжну температуру плавлення близько - 85 ° C. Селенистий водень плавиться при - 64 ° C, сірководень при - 82,9 ° C; отже, точка плавлення води, як аналогічного похідного з меншим молекулярною вагою, повинна бути ще нижче ... Але ні, її дійсна температура плавлення виявляється майже на сотню градусів вище передвіщеної теоретично, і виною тому - слабкі, але численні міжмолекулярні водневі зв'язки, які кисень в силу специфічної будови електронної оболонки здатний утворювати в значно більшій мірі, ніж азот, фтор, сірка або селен.
Водневі зв'язки лежать в основі самих тонких явищ життєдіяльності. Наприклад, саме завдяки цим зв'язкам ферменти здатні специфічно розпізнавати речовини, реакції яких вони прискорюють. Справа в тому, що білкова ланцюг кожного ферменту має строго певну просторову конфігурацію, закріплену безліччю внутрішньомолекулярних водневих зв'язків між угрупованнями атомів С = О і N - Н. У свою чергу молекула речовини має угруповання, здатні давати водневі зв'язки з певною ділянкою молекули ферменту - так званим активним центром. У результаті внутрішньо-молекулярні зв'язки в цій речовині слабшають, і фермент буквально «розкушувати» молекулу.
Але цим не обмежується роль слабких водневих зв'язків у процесах життєдіяльності. Саме завдяки цим зв'язкам відбувається точне копіювання молекули ДНК, що передає з покоління в покоління всю генетичну інформацію; водневі зв'язки визначають специфічність дії багатьох лікарських препаратів; відповідальні вони і за смакові відчуття, і за здатність наших м'язів скорочуватися ... Одним словом, в живій природі атом водню дійсно незамінний.
Водень і наука
У самому кінці XVIII і початку XIX ст. хімія вступила в період встановлення кількісних закономірностей: в 1803 р. Джон Дальтон сформулював закон кратних відносин (речовини реагують між собою у вагових відносинах, кратних їх хімічним еквівалентів). Тоді ж ним була складена перша в історії хімічної науки таблиця відносних атомних ваг елементів. У цій таблиці на першому місці опинився водень, а атомні ваги інших елементів виражалися числами, близькими до цілих.Особливе положення, яке з самого початку зайняв водень, не могло не привернути уваги вчених, і в 1811 р. хіміки змогли ознайомитися з гіпотезою Вільяма Праута, розвинувши ідею філософів древньої Греції про єдність світу і припустив, що всі елементи утворені з водню як із самого легкого елемента. Праута заперечував Йенс Якоб Берцеліус, якраз займався уточненням атомних ваг: з його дослідів випливало, що атомні ваги елементів не знаходяться в цілочисельних відносинах до атомній вазі водню. «Але, - заперечували прихильники Праута, - атомні ваги визначені ще недостатньо точно» - і в якості прикладу посилалися на експерименти Жана Стаса, який у 1840 р. виправив атомну вагу вуглецю з 11,26 (ця величина була встановлена Берцелиусом) на 12, 0.
І все ж привабливу гіпотезу Праута довелося на час залишити: незабаром той же Стас ретельними і не підлягають сумніву дослідженнями встановив, що, наприклад, атомна вага хлору дорівнює 35,45, тобто ніяк не може бути виражений числом, кратним атомній вазі водню ...
Але от у 1869 р. Дмитро Іванович Менделєєв створив свою періодичну класифікацію елементів, поклавши в її основу атомні ваги елементів як їх найбільш фундаментальну характеристику. І на першому місці в системі елементів, природно, виявився водень.
З відкриттям періодичного закону стало ясно, що хімічні елементи утворюють єдиний ряд, побудова якого підпорядковується якоїсь внутрішньої закономірності. І це не могло знову не викликати до життя гіпотезу Праута - правда, в дещо зміненій формі: в 1888 р. Вільям Крукс припустив, що всі елементи, у тому числі і водень, утворені шляхом ущільнення деякої первинної матерії, названої ним протілом. А так як проти, міркував Крукс, мабуть, має дуже малий атомний вагу, то звідси зрозуміло і виникнення дробових атомних ваг.
Проти цієї гіпотези Менделєєв заперечував: «... дайте що-небудь індивідуалізоване і стане легко зрозуміти можливість видимого різноманіття. Інакше - єдине як же дасть безліч? »Тобто, на думку творця періодичної системи, один сорт часток не може служити основою для побудови системи елементів, що володіють настільки різноманітними властивостями.
Але ось що цікаво. Самого Менделєєва надзвичайно цікавило питання: а чому періодична система повинна починатися саме з водню? Що заважає існуванню елементів з атомним вагою, менше одиниці? І в якості такого елемента в 1905 р. Менделєєв називає ... «світовий ефір». Більш того, він поміщає його в нульову групу над гелієм і розраховує його атомна вага - 0,000001! Інертний газ з настільки малим атомним вагою повинен бути, на думку Менделєєва, всі проникаючим, а його пружні коливання могли б пояснити світлові явища ...
На жаль, цьому передбачення великого вченого не судилося збутися. Але Менделєєв був правий в тому відношенні, що елементи не побудовані із тотожних частинок: ми знаємо тепер, що вони побудовані з протонів, нейтронів і електронів.
Але дозвольте, вигукнете ви, адже протон - це ядро атома водню. Значить Праут був все-таки має рацію?
Так, він дійсно був по-своєму правий. Але це була, якщо можна так висловитися, передчасна правота. Бо в той час її не можна було ні по-справжньому підтвердити, ні по-справжньому спростувати ...
Втім, сам водень зіграв в історії розвитку наукової думки ще чималу роль. У 1913 р. Нільс Бор сформулював свої знамениті постулати, що пояснили на основі квантової механіки особливості будови атома і внутрішню сутність закону періодичності. І теорія Бора була визнана тому, що розрахований на її основі спектр водню повністю збігся з піднаглядним.
І все ж історія ідеї, висловленої понад 150 років тому, ще не закінчена. Одна з головоломних завдань, що стоять перед сьогоднішньою наукою, полягає в тому, щоб знайти закономірність у властивостях так званих елементарних часток, яких зараз налічується вже багато десятків. Вчені роблять спроби звести їх у своєрідну періодичну систему, але хіба це не вказує на те, що все-таки існують якісь «цеглини світобудови», з яких і побудовані всі елементарні частинки, - і атоми, і молекули, і ми з вами , врешті-решт?
Фізики припустили, що такі частинки існують і навіть назвали їх кварками. Тільки от лихо: ще ніхто в світі не зумів довести, що такі частинки - реальність, а не міф ...
Але згадаємо Праута і долю його гіпотези. Думка про частки, з яких побудоване все, залишається настільки ж привабливою, як і два тисячоліття, і півтора століття тому. І нехай кварки виявляться не тим, що про них думають сучасні вчені, важливо те, що ідея єдності світу живе і розвивається. І настане час, коли вона отримає своє логічне завершення.
Водень і практика
Відразу ж обмовимося: на відміну від, «науки», як області чистих ідей, «практикою» ми назвемо все, що служить практичній діяльності людини - нехай це навіть буде діяльність вченого-експериментатора.Хімік має справу з воднем, перш за все як з речовиною, що володіє властивостями ідеального відновника.
Але звідки взяти водень? Звичайно, найпростіше з балона. Із зеленого балона з червоним написом «Водень» і з вентилем з «лівою» різьбленням (горючий газ!). Але якщо балона під руками немає?
Водень можна отримувати взаємодією металів з кислотами:
Zn + H 2 SO 4 → ZnSО 4 + Н 2 ↑.
Але цей водень не може бути ідеально чистим, тому що потрібні ідеально чисті метал і кислота. Чистий водень отримував ще Лавуазьє, пропускаючи пари води через розпечений на жаровні рушничний стовбур:
4Н 2 О + 3Fe → Fe 3 О 4 + 4Н 2 ↑.
Але і цей спосіб не дуже зручний, хоча в сучасній лабораторії можна обійтися кварцовою трубкою, наповненою залізними стружками і нагрівається в електропечі.
Електроліз! Дистильована вода, в яку для підвищення електропровідності додано трохи сірчаної кислоти, розкладається при проходженні постійного струму:
2Н 2 О → 2Н 2 ↑ + О 2 ↑.
До ваших послуг - водень майже ідеальної чистоти, його потрібно тільки звільнити від найдрібніших крапельок води. (У промисловості у воду додають луг, а не кислоту - щоб не руйнувалася металева апаратура).
А тепер будемо повільно пропускати цей водень через воду, в якій взмучен хлористий палладій. Майже відразу почнеться відновлення, і осад почорніє - вийде паладієвих чернь:
PdCl 2 + H 2 → Pd + 2HCl.
Паладієвих чернь - прекрасний каталізатор для гідрування різноманітних органічних сполук. А каталізатор тут потрібен тому, що молекулярний водень дуже інертний: навіть з киснем при звичайних умовах він реагує надзвичайно повільно. Адже спочатку молекула водню повинна диссоциировать на атоми, а для цього на кожен моль водню (тобто всього на 2 г!) Потрібно затратити 104 ккал. А ось на поверхні каталізатора цей процес йде з набагато меншими витратами енергії, водень різко активізується.
Мабуть, не варто багато говорити про ролі каталізаторів у сучасної хімічної технології: у їх присутності проводиться переважна більшість процесів. І найважливіший серед них - синтез аміаку з водню і атмосферного азоту:
3H 2 + N 2 → 2NH 3.
При цьому водень видобувають або з води й метану по так званої реакції конверсії:
CH 4 + 2Н 2 О → 4Н 2 + CO 2.
або розщеплюючи природні вуглеводні з реакції, зворотної реакції гідрування:
СН 3 - СН 3 - СН 2 = СН 2 + Н 2.
Синтетичний аміак незамінний у виробництві азотних добрив. Але водень потрібен не тільки для отримання аміаку. Перетворення рідких рослинних жирів у тверді замінники тваринного масла, перетворення твердих низькоякісних вугілля в рідке паливо і багато інші процеси відбуваються за участю елементарного водню. Виходить, що водень - це їжа і для людини, і для рослин, і для машин ...
Але повернемося до лабораторії. Тут водень застосовують не тільки в чистому вигляді, але і у вигляді його сполук з металами - наприклад алюмогідріда літію LiAlH 4, бор гідриду натрію NaBH 4. Ці з'єднання легко і специфічно відновлюють певні угрупування атомів в органічних речовинах:
Ізотопи водню - дейтерії (2 Н або D) і тритій (3 Н чи Т) - дозволяють вивчати найтонші механізми хімічних і біохімічних процесів. Ці ізотопи використовують як «мітки», тому що атоми дейтерію і тритію зберігають всі хімічні властивості звичайного легкого ізотопу - протію - і здатні підміняти його в органічних сполуках. Але дейтерій можна відрізнити від протію за масою, а тритій - і за радіоактивністю. Це дозволяє простежити долю кожного фрагмента міченої молекули.
Водень і майбутнє
Слова «дейтерій» і «тритій» нагадують нам про те, що сьогодні людина має в своєму розпорядженні найпотужнішим джерелом енергії, що вивільняється при реакції:1 лютому Н + 3 1 Н → 4 2 Не + 1 0 n + 17,6 МеВ.
Ця реакція починається при 10 млн. градусів і протікає за незначні частки секунди при вибуху термоядерної бомби, причому виділяється гігантське за масштабами Землі кількість енергії.
Водневі бомби іноді порівнюють із Сонцем. Однак ми вже бачили, що на Сонці йдуть повільні і стабільні термоядерні процеси. Сонце дарує нам життя, а воднева бомба - обіцяє смерть ...
Але коли-небудь настане час - і цей час не за горами, - коли мірилом цінності стане не золото, а енергія. І тоді ізотопи водню врятують людство від наближення енергетичного голоду: у керованих термоядерних процесах кожен літр природної води буде давати стільки ж енергії, скільки її дають зараз 300 л бензину. І людство буде з подивом згадувати, що був час, коли люди погрожували один одному життєдайним джерелом тепла і світла ...
Протій, дейтерій, тритій ...
Фізичні і хімічні властивості ізотопів всіх елементів, крім водню, практично однакові: адже для атомів, ядра яких складаються з декількох протонів і нейтронів, не так вже й важливо - одним нейтроном менше або одним нейтроном більше. А ось ядро атома водню - це один-єдиний протон, і якщо до нього додати нейтрон, маса ядра зросте майже вдвічі, а якщо два нейтрони - втричі. Тому легкий водень (протий) кипить при мінус 252,6 ° C, а температура кипіння його ізотопів відрізняється від цієї величини на 3,2 ° (дейтерій) і 4,5 ° (тритій). Для ізотопів це дуже велика різниця!Дивовижні ізотопи поширені в природі неоднаково: один атом дейтерію припадає приблизно на 7000, а один атом бета радіоактивного тритію - на мільярд мільярдів атомів протию. Штучним шляхом отриманий ще один, дуже нестійкий ізотоп водню - 4 Н.
Точність - перш за все
Відносна маса легкого ізотопу водню визначена прямо-таки з фантастичною точністю: 1,007276470 (якщо прийняти масу ізотопу вуглецю 12 З однаковою 12,0000000). Якщо б з такою точністю була виміряна, наприклад, довжина екватора, то помилка не перевищила б 4 см!Але навіщо потрібна така точність? Адже кожна нова цифра вимагає від експериментаторів все більших і більших зусиль ... Секрет розкривається просто: ядра протію, протони, беруть участь у багатьох ядерних реакціях. А якщо відомі маси реагують ядер і маси продуктів реакції, то, користуючись формулою Е = mc 2, можна розрахувати її енергетичний ефект. А так як енергетичні ефекти навіть ядерних реакцій супроводжуються лише незначною зміною маси, то й доводиться ці маси вимірювати як можна точніше.
Перша чи сьома?
Яке місце має займати водень в періодичній системі? Здавалося б, безглуздий питання: звісно, перше! Так, але в яку групу його помістити? Довгий час водень розташовували над літієм, оскільки у нього один валентний електрон, як і у всіх одновалентних металів. (До речі, і теплопровідність водню для газу надзвичайно велика - молекули водню рухаються значно швидше молекул інших газів і тому інтенсивніше переносять тепло.)У сучасній таблиці елементів водень поміщають в VII групу, над фтором. Справа в тому, що логіка закону періодичності вимагає, щоб заряд ядер елементів-аналогів перших трьох періодів розрізнявся на вісім одиниць; тому водень (порядковий номер 1) потрібно розглядати як аналог фтору (порядковий номер 9), а не як аналог літію (порядковий номер 3). І все ж потрібно пам'ятати, що аналогія тут не повна: хоча водень, як і фтор, здатний давати з'єднання з металами (гідриди), іон водню - це протон, гола елементарна частинка, і його взагалі не можна порівнювати ні з якими іншими іонами.
Луг або кислота?
Речовини, відщеплюють в розчинах іон водню, протон, називаються кислотами, а приєднуються цей іон - лугами. Концентрація протонів характеризує реакцію середовища: в 1 л нейтрального водного розчину, як і в 1 л чистої води, міститься 10 -7 грам-іонів водню; якщо концентрація протонів вище, середовище набуває кислу реакцію, а якщо нижче - лужну. (Логарифм цієї концентрації, узятий з протилежним знаком, - «водневий показник», або рН.)Однак слід пам'ятати, що вільних протонів у водних розчинах немає і не може бути: ядро атома водню настільки мало, що воно як би впроваджується в електронну оболонку води і утворює особливе з'єднання - іон оксония:
Н + + Н 2 О → Н 3 О +.
Втім, справа тут йде скоріше навпаки - не іон оксония утворюється тому, що протон відщеплюється від кислоти, а кислота дисоціює тому, що утворюється іон оксония. Тому схему дисоціації, скажімо, хлористого водню, слід записати так:
HСl + H 2 О → H 3 Про + + Сl -.
Це означає, що вода при розчиненні в ній хлористого водню веде себе як луг (вона приєднує протон); якщо ж у ній розчиняється, наприклад, аміак, то вода виступає вже в ролі кислоти:
NH 3 + Н 2 О → NH 4 + + ОН -.
Одним словом - все в світі відносно ...
Чудеса оклюзії
Уявіть собі такий досвід. У приладі для електролізу води катод виготовлений у вигляді платівки. Ви включаєте струм, і ... платівка сама собою починає згинатися! Секрет цього фокуса полягає в тому, що пластинка виготовлена з палладія і з одного боку покрита шаром лаку. При електролізі на не лакованої стороні пластинки виділяється водень і негайно ж розчиняється в металі, а так як при цьому обсяг паладію збільшується, то виникає зусилля, згинальні платівку.Але зачекайте, - скажете ви, - хіба гази розчиняються в металах? Взагалі кажучи, в цьому явищі, званому оклюзією, немає нічого дивного. Дивно інше: в одному об'ємі паладію розчиняється до 850 об'ємів водню! Це трохи менше від кількості аміаку, яке може розчинитися в одному об'ємі води, - а вже який газ розчиняється у воді краще! Водень ж розчиняється у воді дуже слабо - близько 0,02 обсягу на об'єм води.
In statu nascendi
При згорянні водню в чистому кисні досягається температура до 2800 ° C - таке полум'я легко плавить кварц і більшість металів. Але за допомогою водню можна досягти і ще більш високої температури, якщо використовувати його не як джерело, а як переносник і концентратор енергії.Ось як це робиться. Струмінь водню пропускають через полум'я вольтової дуги. Під дією високої температури його молекули розпадаються, дисоціюють на атоми, поглинаючи велику кількість енергії. Утворився атомарний водень з'єднується в молекули не миттєво: адже атоми повинні перш віддати запасену енергію. І якщо струмінь атомарного водню спрямована на яку-небудь тверду поверхню, то саме на ній і відбувається з'єднання атомів у молекули: виділяється енергія дисоціації, і температура поверхні підвищується до 3500 ... 4000 ° C. За допомогою такої атомарно-водневої пальника можна обробляти навіть самі тугоплавкі метали.
Атомарний водень народжується не тільки в полум'ї дуги: він утворюється навіть при реакції кислот з металами. У момент свого про виділення (з латини - in statu nascendi) водень має підвищену активністю, і хіміки використовують його для відновлення органічних речовин.
Скільки всього водородов?
Ми вже говорили про чотири різновидах водню - його ізотопи. І все ж у природі існує набагато більше різних «водородов», якщо говорити не тільки про атоми цього елементу, але і про його молекулах. Справа в тому, що при нормальних умовах молекулярний водень є сумішшю двох незвичайних ізомерів - так званих орто-і пароводорода, які відрізняються орієнтацією магнітних моментів ядер складових їх атомів. У ортоводорода ці моменти мають однакову орієнтацію, а у пари водню - протилежну; орто-і параізомери відрізняються і своїми фізичними властивостями. А так як подібні ж ізомери є і у дейтерію, і у тритію і так як можуть існувати молекули HD, НТ і DT, кожна з яких теж, мабуть, може існувати у вигляді орто-і параізомеров, то це значить, що існує дванадцять різновидів молекулярного водню.Але і це ще не все. Не так давно вченим вдалося отримати антиводню - атом, побудований з антипротона і позитрона, а слідом за ним у прискорювачах високих енергій були отримані ядра антідейтерія і антітрітія. А ще є мезоатомів, в яких протон або електрон замінені тим чи іншим мезоном. Їх теж можна розглядати як своєрідні ізотопи водню ...
Перший металевий водень
З воднем, як ми знаємо, сьогодні пов'язані, щонайменше три надії: на термоядерну енергію, на передачу енергії майже без втрат (у надпровідних пристроях при температурі рідкого водню, а не рідкого гелію) і - як на пальне, нешкідливе для навколишнього середовища . І всі ці надії пов'язують насамперед з металевим воднем, тобто таким воднем, який представляє собою тверде тіло, що володіє високою електропровідністю і іншими властивостями металу. Компактний металевий водень має бути найбільш зручним воднем-паливом. Крім того, є теоретичні передумови, згідно з якими металевий водень може існувати і при звичайній температурі, залишаючись при цьому надпровідником.Металевий водень намагалися (і продовжують намагатися) отримати різними способами, піддаючи звичайний твердий водень статичним або динамічним навантаженням. Перше повідомлення про можливе успіху при вирішенні цієї важливої та складної проблеми було опубліковано в лютому 1975 р. групою вчених Інституту фізики високих тисків АН СРСР (на чолі з академіком Л. Ф. Верещагіним). Обложивши на охолоджені до 4,2 ° К алмазні ковадла тонкий шар водню і вплинувши на нього дуже високим тиском, спостерігали незвичне явище. Електричний опір водню зменшилося в мільйони разів - він перейшов в металеве стан. Це сталося під статичним тиском близько 3 млн. атм. Коли ж тиск почали знижувати, то вже приблизно при триразовому зменшенні тиску (1 млн. атм.) Відбувався зворотний перехід водню з металевого стану в звичайний, діелектричне. Втім, цей факт дослідники не сприймали як фатальну невдачу, що означає неможливість існування металевого водню при нормальному тиску. Вони сподіваються, що металевий водень як-то вдасться «загартувати» і з часом зробити доступним для вчених різних спеціальностей. І для техніки, мабуть, теж.