Los astrofísicos saben que la formación de estrellas requiere combustible. La teoría actual es que los ríos de hidrógeno, conocidos como "corrientes frías", podrían ser una especie de transbordador de hidrógeno a través del espacio intergaláctico y, por lo tanto, alimentar la formación de estrellas.
Las galaxias espirales, como nuestra propia Vía Láctea, tienden a tener un ritmo de formación de estrellas bastante tranquilo pero constante. Otras galaxias, como NGC 6946, que se encuentra a unos 22 millones de años luz de la Tierra en el límite de las constelaciones Cepheus y Cygnus, son mucho más activas en este sentido. Esto plantea la cuestión de cuál es el caldo de cultivo para la formación estelar sostenida en esta y otras galaxias espirales similares.
Estudios previos del espacio galáctico inmediato alrededor de NGC 6946 del telescopio WSRT en los Países Bajos han revelado un halo de hidrógeno extendido. Sin embargo, la corriente fría podría estar formada por hidrógeno de una fuente completamente diferente: gas del espacio intergaláctico, que nunca fue calentado a altas temperaturas por el proceso de formación estelar.
Usando el Telescopio Green Bank (GBT), Pisano pudo detectar el brillo emitido por el hidrógeno neutro que conecta a NGC 6946 con sus vecinos cósmicos. Esta señal estaba simplemente por debajo del umbral de detección de otros telescopios, pero las capacidades únicas del GBT permitieron al científico detectar esta débil radiación.
Los astrónomos han sugerido durante mucho tiempo que las galaxias grandes pueden obtener un suministro constante de hidrógeno frío extrayéndolo de otras compañeras menos masivas.
La investigación adicional ayudará a confirmar la naturaleza de esta observación y arrojará luz sobre el posible papel que juegan las corrientes frías en la evolución de las galaxias.
Las agencias espaciales y las empresas privadas ya están desarrollando planes para enviar personas a Marte en los próximos años, lo que eventualmente conducirá a su colonización. Y con el aumento en el número de planetas similares a la Tierra descubiertos alrededor de estrellas cercanas, los viajes al espacio profundo se están volviendo más relevantes.
Sin embargo, no es fácil para los humanos sobrevivir en el espacio durante largos períodos de tiempo. Uno de los principales desafíos de los vuelos espaciales de larga distancia es transportar suficiente oxígeno para que los astronautas respiren y suficiente combustible para hacer funcionar dispositivos electrónicos complejos. Desafortunadamente, prácticamente no hay oxígeno en el espacio, por lo que debe almacenarse en la Tierra.
Pero una nueva investigación, publicada en Nature Communications, muestra que es posible producir hidrógeno (como combustible) y oxígeno (para respirar) a partir del agua usando solo material semiconductor, luz solar (o luz de las estrellas) e ingravidez, lo que hace que los viajes de larga distancia sean más reales.
Usar el recurso ilimitado del Sol para alimentar nuestra vida diaria es uno de los desafíos más globales de la Tierra. A medida que nos alejamos lentamente del petróleo hacia las energías renovables, los investigadores están interesados en la posibilidad de utilizar hidrógeno como combustible. La mejor forma de hacerlo sería separar el agua (H2O) en sus componentes: hidrógeno y oxígeno. Esto es posible mediante un proceso conocido como electrólisis, que consiste en hacer pasar corriente a través de agua que contiene algún electrolito soluble (por ejemplo, sal - aprox. traducir). Como resultado, el agua se descompone en átomos de oxígeno e hidrógeno, que se liberan cada uno en su propio electrodo.
Electrólisis del agua.
Aunque este método es técnicamente posible y se conoce desde hace siglos, todavía no está disponible en la Tierra porque necesitamos más infraestructura relacionada con el hidrógeno, como estaciones de servicio de hidrógeno.
El hidrógeno y el oxígeno obtenidos de esta manera del agua también se pueden utilizar como combustible en naves espaciales. Lanzar un cohete con agua en realidad sería mucho más seguro que con propulsor adicional y oxígeno a bordo, ya que la mezcla podría ser explosiva en un choque. Ahora, en el espacio, la tecnología especial podrá dividir el agua en hidrógeno y oxígeno, que, a su vez, se puede usar para mantener la respiración y la electrónica (por ejemplo, usando celdas de combustible).
Hay dos opciones para esto. Una es la electrólisis, como en la Tierra, usando electrolitos y paneles solares para generar corriente. Pero, por desgracia, la electrólisis es un proceso que consume mucha energía, y la energía en el espacio ya "vale su peso en oro".
Una alternativa es utilizar fotocatalizadores, que funcionan absorbiendo fotones en un material semiconductor colocado en agua. La energía de un fotón "elimina" un electrón de un material, dejando un "agujero" en él. Un electrón libre puede interactuar con protones en el agua para formar átomos de hidrógeno. Mientras tanto, el "agujero" puede absorber electrones del agua para formar protones y átomos de oxígeno. 
El proceso de fotocatálisis en condiciones terrestres y en microgravedad (un millón de veces menos que en la Tierra). Como puede verse, en el segundo caso, el número de burbujas de gas emergentes es mayor.
Este proceso se puede invertir. El hidrógeno y el oxígeno se pueden recombinar (combinar) utilizando una celda de combustible, como resultado de lo cual la energía solar gastada en fotocatálisis "retorna" y se forma agua. Por lo tanto, esta tecnología es la verdadera clave para viajar al espacio profundo.
El proceso con fotocatalizadores es la mejor opción para los viajes espaciales porque el equipo pesa mucho menos que el requerido para la electrólisis. En teoría, trabajar con él en el espacio también es más fácil. Esto se debe en parte a que la intensidad de la luz solar fuera de la atmósfera terrestre es mucho mayor, ya que en esta última una parte suficientemente grande de la luz es absorbida o reflejada en su camino hacia la superficie.
En un nuevo estudio, los científicos lanzaron una configuración experimental de fotocatálisis completamente operativa desde una torre de 120 metros de altura, creando un entorno llamado microgravedad. A medida que los objetos caen a la Tierra en caída libre, el efecto de la gravedad disminuye (pero no desaparece por ningún lado, por eso se llama microgravedad, y no ausencia de gravedad - aprox. traducir), ya que no hay fuerzas que compensen la atracción de la Tierra; por lo tanto, durante la caída, se crean condiciones en la instalación como en la ISS.
Configuración experimental y proceso de experimentación.
Los investigadores pudieron demostrar que, de hecho, es posible dividir el agua en tales condiciones. Sin embargo, dado que este proceso produce gas, se forman burbujas en el agua. Una tarea importante es deshacerse de las burbujas del material catalizador, ya que interfieren con el proceso de creación de gas. En la Tierra, la gravedad hace que las burbujas floten hacia la superficie (el agua cerca de la superficie es más densa que las burbujas, lo que les permite flotar en la superficie), liberando espacio en el catalizador para que se formen más burbujas.
En condiciones de ingravidez, esto no es posible y quedan burbujas de gas sobre o cerca del catalizador. Sin embargo, los científicos modificaron la forma del catalizador a nanoescala, creando zonas piramidales donde una burbuja podría desprenderse fácilmente de la parte superior de la pirámide y entrar en el agua sin interferir con el proceso de formación de nuevas burbujas.
Pero queda un problema. En ausencia de la gravedad, las burbujas permanecerán en el líquido aunque hayan sido forzadas a abandonar el catalizador. La gravedad permite que el gas escape fácilmente del líquido, lo cual es fundamental para el uso de hidrógeno y oxígeno puros. Sin gravedad, las burbujas de gas no flotan en la superficie y se separan del líquido; en cambio, se forma un análogo de espuma.
Esto reduce drásticamente la eficiencia del proceso al bloquear los catalizadores o electrodos. Las soluciones de ingeniería en torno a este problema serán clave para la implementación exitosa de la tecnología en el espacio; una de las posibles soluciones es rotar la instalación: de esta manera, las fuerzas centrífugas crearán gravedad artificial. Sin embargo, gracias a esta nueva investigación, estamos un paso más cerca de los vuelos espaciales tripulados a largo plazo.
En la Tierra - oxígeno, en el espacio - hidrógeno
El universo tiene la mayor cantidad de hidrógeno (74% en masa). Se ha conservado desde el Big Bang. Solo una parte insignificante del hidrógeno ha logrado convertirse en elementos más pesados en las estrellas. En la Tierra, el elemento más común es el oxígeno (46-47%). La mayor parte se une en forma de óxidos, principalmente óxido de silicio (SiO 2 ). El oxígeno y el silicio de la Tierra se originaron en estrellas masivas que existían antes del nacimiento del sol. Al final de sus vidas, estas estrellas explotaron en supernovas y arrojaron al espacio los elementos formados en ellas. Por supuesto, los productos de la explosión contenían mucho hidrógeno y helio, además de carbono. Sin embargo, estos elementos y sus compuestos son altamente volátiles. Cerca del joven Sol, se evaporaron y fueron expulsados por la presión de la radiación hacia las afueras del sistema solar.
Los diez elementos más comunes en la Vía Láctea*
* Fracción de masa por millón.
Gas combustible incoloro e inodoro. La densidad del hidrógeno en condiciones normales es de 0,09 kg/m3; densidad del aire - 0,07 kg/m3; calor de combustión - 28670 kcal/kg; la energía mínima de ignición es de 0,017 mJ. Forma una mezcla explosiva con aire y oxígeno. Una mezcla con cloro (1:1) explota a la luz; con flúor hidrógeno conecta con una explosión en la oscuridad; mezcla con (2:1) - gas detonante. Límites explosivos: de 4 - 75 vol. %, con oxígeno 4,1 - 96 vol. %
El día en que se agoten sus reservas, cesará la vida en el universo. La sustancia, sin la cual la vida es imposible, "se asienta" en el mismo centro de nuestro planeta, en el núcleo y alrededor de él, y desde allí "migra" hacia el exterior. Este gas es el comienzo de todos los comienzos. Su nombre - " hidrógeno».
Hidrógeno ubicado dentro y alrededor del núcleo. Luego viene el manto denso. Pero este gas migra silenciosamente a través de la masa rocosa. Cuando la Tierra era joven, había mucho más hidrógeno en las profundidades, y desde las profundidades salió por toda la Tierra. Cuando se hizo más pequeño, el proceso se estabilizó relativamente, y hidrógeno comenzó a "salir" en zonas especiales, a lo largo de las fallas de las dorsales oceánicas.
Por supuesto, la vida moderna en la Tierra surgió con un cierto potencial de oxígeno. Pero para ser objetivos, debemos el comienzo de todos los comienzos en nuestro planeta hidrógeno. Fue el ciclo dinámico del hidrógeno, el proceso de su suministro desde las entrañas de la Tierra, y no el carbono, como se creía anteriormente, lo que se convirtió en la fuente del origen de la vida en la Tierra.
Hidrógeno y el Universo
Por lo general, para enfatizar el significado de este o aquel elemento, dicen: si no estuviera allí, sucedería tal o cual cosa. Pero, por regla general, esto no es más que un recurso retórico. Y aquí hidrógeno puede que algún día realmente no se convierta, porque continuamente se quema en las profundidades de las estrellas, convirtiéndose en inerte.
El hidrógeno es el elemento más abundante en el espacio.. Representa aproximadamente la mitad de la masa del Sol y la mayoría de las otras estrellas. Está contenido en nebulosas gaseosas, en gas interestelar, y forma parte de las estrellas. En las profundidades de las estrellas tiene lugar la transformación de los núcleos de los átomos hidrógeno en los núcleos de los átomos de helio. Este proceso procede con la liberación de energía; para muchas estrellas, incluido el Sol, sirve como fuente principal de energía.
Cada segundo, el Sol irradia energía equivalente a cuatro millones de toneladas de masa al espacio exterior. Esta energía nace durante la fusión de cuatro núcleos. hidrógeno, protones, en el núcleo. La "quema" de un gramo de protones libera veinte millones de veces más energía que la combustión de un gramo de carbón. Nadie ha observado aún una reacción de este tipo en la Tierra: tiene lugar a una temperatura y una presión que existen solo en las profundidades de las estrellas y aún no han sido dominadas por el hombre.
Es imposible imaginar una potencia equivalente a una pérdida de masa de cuatro millones de toneladas por segundo: incluso con la explosión termonuclear más poderosa, solo alrededor de un kilogramo de materia se convierte en energía. Sin embargo, la velocidad del proceso, es decir. Numero de nucleos hidrógeno, convirtiéndose en núcleos de helio en un metro cúbico en un segundo, es pequeño. Por lo tanto, la cantidad de energía liberada por unidad de tiempo por unidad de volumen es pequeña. Por lo tanto, resulta que el poder específico del Sol es insignificante, ¡mucho menos que el poder de un "dispositivo generador de calor" como el hombre mismo! Y los cálculos muestran que el Sol seguirá brillando sin cesar durante al menos otros treinta mil millones de años. Suficiente para nuestro tiempo.
portador de agua
El hidrógeno fue descubierto en la primera mitad del siglo XVI por el médico y naturalista alemán Paracelso. En las obras de los químicos de los siglos XVI-XVIII. se mencionaba el "gas combustible" o el "aire inflamable" que, en combinación con el habitual, daban lugar a mezclas explosivas. Se obtuvo actuando sobre algunos metales (hierro, zinc, estaño) con soluciones diluidas de ácidos: sulfúrico y clorhídrico.
El primer científico en describir las propiedades de este gas fue el científico inglés Henry Cavendish. Determinó su densidad y estudió la combustión en el aire, sin embargo, la adhesión a la teoría del flogisto * impidió que el investigador comprendiera la esencia de los procesos en curso.
En 1779 Antoine Lavoisier recibió hidrógeno durante la descomposición del agua, pasando su vapor a través de un tubo de hierro al rojo vivo. Lavoisier también demostró que cuando el "aire combustible" interactúa con el oxígeno, se forma agua y los gases reaccionan en una proporción de volumen de 2:1. Esto permitió al científico determinar la composición del agua: H2O. El nombre del elemento - Hydrogenium - Lavoisier y sus colegas se formaron a partir de las palabras griegas "gidor" - agua y "gennao" - doy a luz. nombre ruso "hidrógeno" propuesto por el químico M. F. Solovyov en 1824, por analogía con el "oxígeno" de Lomonosov.
Hidrógeno Un gas incoloro, inodoro e insípido que es ligeramente soluble en agua. Es 14,5 veces más ligero que el aire, el más ligero de los gases. Es por eso hidrógeno Se utiliza para inflar globos y dirigibles. A -253°C, el hidrógeno se licua. Este líquido incoloro es el más ligero de todos los conocidos: 1 ml pesa menos de una décima de gramo. A -259 °C, el hidrógeno líquido se congela y se convierte en cristales incoloros.
moléculas H2 son tan pequeños que pueden pasar fácilmente no solo a través de pequeños poros, sino también a través de metales. Algunos de ellos, como el níquel, pueden absorber grandes cantidades de hidrógeno y mantenerlo en forma atómica en los vacíos de la red cristalina. Calentado a 250°C, la hoja de paladio pasa libremente hidrógeno; esto se utiliza para limpiarlo a fondo de otros gases.
con solubilidad hidrógeno en los metales, se asocia su capacidad de difundirse a través de los metales. Además, al ser el gas más ligero, hidrógeno Tiene la tasa de difusión más alta: sus moléculas viajan más rápido que las moléculas de todos los demás gases en el medio de otra sustancia y pasan a través de varios tipos de particiones.
Hidrógeno- una sustancia activa que entra fácilmente en reacciones químicas. Cuando se quema, se libera mucho calor y el único producto de reacción es el agua: 2H2 + O2 = 2H2O. ¡Uno solo puede soñar con un combustible tan ecológico!
Hoy (aunque hasta ahora en cantidades limitadas) ya se fabrican coches con hidrógeno motores Se trata del BMW Hydrogen 7, que utiliza combustible líquido como combustible. hidrógeno; Autobús Mercedes Citaro y automóvil de pasajeros Mazda RX-8 Hydrogen, que funcionan con gasolina y hidrógeno. Y Boeing está desarrollando un avión no tripulado de gran altitud y duración de vuelo (High Altitude Long Endurance (HALE). El avión está equipado con hidrógeno motor fabricado por Ford Motor Company. Sin embargo, el desarrollo hidrógeno El sector energético se ve condicionado por un alto grado de riesgo al trabajar con este gas, así como por la dificultad de almacenarlo.
Una experiencia que casi cuesta la vida
Con oxígeno atmosférico hidrógeno forma una mezcla explosiva - gas explosivo. Por lo tanto, al trabajar con hidrógeno se debe tener especial cuidado. Limpio hidrógeno arde casi en silencio, y cuando se mezcla con el aire emite un estallido fuerte característico. Una explosión de gas explosivo en un tubo de ensayo no representa un peligro para el experimentador; sin embargo, cuando se utiliza un matraz de fondo plano o un material de vidrio grueso, se pueden causar lesiones graves.
Hidrógeno tiene una naturaleza química dual, mostrando tanto capacidad oxidante como reductora. En la mayoría de las reacciones actúa como agente reductor, formando compuestos en los que su estado de oxidación es +1. Pero en reacciones con metales activos, actúa como agente oxidante: su estado de oxidación en compuestos con metales es -1.
Así, al donar un electrón, hidrógeno muestra similitud con los metales del primer grupo del sistema periódico, y al unir un electrón, con los no metales del séptimo grupo. Es por eso hidrógeno en el sistema periódico, se suelen colocar en el primer grupo y al mismo tiempo entre paréntesis en el séptimo, o en el séptimo grupo y entre paréntesis en el primero.
Uso y producción de hidrógeno.
usado hidrógeno en la producción de metanol, cloruro de hidrógeno, para la hidrogenación de grasas vegetales (en la producción de margarina), así como para la recuperación de metales (molibdeno, tungsteno, indio) a partir de óxidos. La llama de hidrógeno-oxígeno (3000°С) suelda y corta metales refractarios y aleaciones. Líquido hidrógeno sirve como combustible para cohetes.
Durante la hidrogenación del carbón y el petróleo, los pobres hidrógeno los combustibles de baja calidad se convierten en combustibles de alta calidad.
Hidrógeno se utiliza para enfriar potentes generadores de corriente eléctrica y sus isótopos se utilizan en la energía nuclear.
En la industria, el hidrógeno se produce por electrólisis de soluciones acuosas de sales (por ejemplo, NaCl, Na2CO4), así como por la conversión de combustibles sólidos y gaseosos: carbón y gas natural. Los procesos de conversión transcurren a una temperatura de alrededor de 1000°C en presencia de catalizadores. La mezcla de gases resultante se denomina gas de síntesis.
Casi todos los botiquines de primeros auxilios para el hogar tienen un vial de una solución de peróxido al 3%. hidrógeno H2O2. Se utiliza para desinfectar heridas y detener el sangrado.
Dependiendo del propósito de la técnica hidrógeno Disponible en forma comprimida y sin comprimir de dos grados:
Hidrógeno gaseoso grado "A"- utilizado en las industrias electrónica, farmacéutica, química, en pulvimetalurgia: para la deposición de compuestos refractarios a partir de óxidos metálicos; al sinterizar productos de materiales en polvo que contienen cromo y aceros inoxidables.
- utilizado en energía, electrónica, química, metalurgia no ferrosa, industria farmacéutica.
El hidrógeno (H) es un elemento químico muy ligero, con un contenido del 0,9% en masa en la corteza terrestre y del 11,19% en el agua.
Caracterización del hidrógeno
En términos de ligereza, es el primero entre los gases. En condiciones normales, es insípido, incoloro y absolutamente inodoro. Cuando entra en la termosfera, vuela al espacio debido a su bajo peso.
En todo el universo, es el elemento químico más numeroso (75% de la masa total de sustancias). Tanto es así que muchas estrellas del espacio exterior están compuestas en su totalidad por él. Por ejemplo, el Sol. Su principal componente es el hidrógeno. Y el calor y la luz son el resultado de la liberación de energía durante la fusión de los núcleos del material. También en el espacio hay nubes enteras de sus moléculas de varios tamaños, densidades y temperaturas.
Propiedades físicas
La temperatura y la presión altas cambian significativamente sus cualidades, pero en condiciones normales:
Tiene una alta conductividad térmica en comparación con otros gases,
No tóxico y poco soluble en agua.
Con una densidad de 0,0899 g/l a 0°C y 1 atm.,
Se convierte en líquido a -252,8 °C
Se solidifica a -259,1°C.,
El calor específico de combustión es 120.9.106 J/kg.
Requiere alta presión y temperaturas muy bajas para convertirse en líquido o sólido. Cuando está licuado, es fluido y ligero.
Propiedades químicas
Bajo presión y enfriamiento (-252,87 gr. C), el hidrógeno adquiere un estado líquido, más ligero que cualquier análogo. En ella ocupa menos espacio que en forma gaseosa.
Es un típico no metal. En los laboratorios, se obtiene haciendo reaccionar metales (como el zinc o el hierro) con ácidos diluidos. En condiciones normales, es inactivo y reacciona solo con no metales activos. El hidrógeno puede separar el oxígeno de los óxidos y reducir los metales de los compuestos. Él y sus mezclas forman enlaces de hidrógeno con ciertos elementos.
El gas es altamente soluble en etanol y en muchos metales, especialmente paladio. La plata no lo disuelve. El hidrógeno se puede oxidar durante la combustión en oxígeno o aire, y cuando interactúa con halógenos.
Cuando se combina con oxígeno, se forma agua. Si la temperatura es normal, entonces la reacción es lenta, si supera los 550 ° C, con una explosión (se convierte en gas explosivo).
Encontrar hidrógeno en la naturaleza
Aunque hay mucho hidrógeno en nuestro planeta, no es fácil encontrarlo en su forma pura. Poco se puede encontrar durante las erupciones volcánicas, durante la extracción de petróleo y en el lugar de descomposición de la materia orgánica.
Más de la mitad de la cantidad total está en la composición con agua. También está incluido en la estructura del petróleo, varias arcillas, gases combustibles, animales y plantas (la presencia en cada célula viva es del 50% por el número de átomos).
ciclo del hidrogeno en la naturaleza
Cada año, una gran cantidad (miles de millones de toneladas) de restos de plantas se descomponen en cuerpos de agua y suelo, y esta descomposición salpica una gran masa de hidrógeno a la atmósfera. También se libera durante cualquier fermentación causada por bacterias, combustión y, junto con el oxígeno, participa en el ciclo del agua.
Aplicaciones del hidrógeno
El elemento es utilizado activamente por la humanidad en sus actividades, por lo que hemos aprendido cómo obtenerlo a escala industrial para:
Meteorología, producción química;
producción de margarina;
como combustible para cohetes (hidrógeno líquido);
Industria energética para la refrigeración de generadores eléctricos;
Soldadura y corte de metales.
La masa de hidrógeno se utiliza en la producción de gasolina sintética (para mejorar la calidad del combustible de bajo grado), amoníaco, cloruro de hidrógeno, alcoholes y otros materiales. La energía nuclear utiliza activamente sus isótopos.
La preparación "peróxido de hidrógeno" se usa ampliamente en la metalurgia, la industria electrónica, la producción de pulpa y papel, en el blanqueo de telas de lino y algodón, en la fabricación de tintes para el cabello y cosméticos, polímeros y en medicina para el tratamiento de heridas.
La naturaleza "explosiva" de este gas puede convertirse en un arma mortal: una bomba de hidrógeno. Su explosión va acompañada de la liberación de una gran cantidad de sustancias radiactivas y es perjudicial para todos los seres vivos.
El contacto del hidrógeno líquido y la piel amenaza con una congelación severa y dolorosa.
