Водень хімічний елемент, перший по порядковому номеру в періодичній системі Д. І. Менделєєва. Атомна маса 1,00792. При звичайних умовах водень - газ без кольору, запаху і смаку, в 14,38 рази легший за повітря. Щільність 0,089870 г / л при нульовій температурі і нормальному тиску. Критична температура -240 ° С. Хімічна формула - H. У звичайних умовах молекула водню двухатомная - H2.
Основними способами отримання водню є - електроліз води, глибоке охолодження газових сумішей, залізо-парової спосіб і т.д. (Див. Способи отримання водню).
При горінні водню в кисні утворюється чисте, не коптить і не має чітких кордонів полум'я температурою до 2800 ° С.
Теоретично для повного згоряння 1 мг водню потрібно 0,5 мг кисню. Практично в пальник на 1 мг водню подається 0,25 мг кисню.
Водень відомий з XVI ст. Алхіміки помітили, що при взаємодії ошурки з соляною або сірчаною кислотою виділяється «горючий повітря», або «штучне повітря». Це був водень. Однак його все-таки вважали повітрям, який отримав чомусь здатність горіти.
Однак остаточне судження про «нафтовий газ», так само як і про кисень, належить Антуану Лорану Лавуазьє (Antoine Laurent de Lavoisier). Він повторив досвід Кавендіша. поставив нові досліди і довів, що «горючий повітря» - це проста речовина, що вода не просте тіло, а хімічна сполука двох елементів - водню і кисню. Лавуазьє дав ім'я «пальному повітрю» hydrogene (від грец. «Народжує воду»).
Цікаві перші російські найменування водню. «Водотворний газ», «водотвор» Легкість водню, мабуть, вразила перших спостерігачів більше, ніж інші його властивості. Думали навіть, що він і є той таємничий з «негативним вагою» флогистон, який, проникаючи в тіла, повідомляє їм здатність горіти.
У 1794 р до водню виник суто військовий інтерес. У той час вже були винайдені повітряні кулі, наповнені гарячим повітрям, - монгольф'єрів Їх називали так на честь братів французів Монгольф'є, які вчинили перший політ на такому аеростаті в 1783 р
Переваги водню перед нагрітим повітрям були очевидні. Нагріте повітря володів підйомної силою, поки він не остигав до температури навколишнього повітря. Отже, щоб зробити більш-менш тривалий політ, треба було під отвором аеростата в гондолі пілота підтримувати вогонь, підігрівати повітря. Звичайно, це було небезпечно і призводило до трагічних катастроф. А водень завжди буде легше повітря більш ніж в 14 разів. І його не треба нагрівати, навпаки - берегти від вогню.
Лавуазьє розробив промисловий спосіб отримання водню. названий «залізо-паровим». Полягав він у наступному. Пари води з котла надходили в залізні труби, наповнені залізними стружками. Труби розпалювалися в жаровнях - протікала хімічна реакція витіснення водню залізом з води з утворенням залізної окалини:
Надлишок водяної пари, безперервно надходять в трубу, проходив через холодильник, а водень по трубах прямував в аеростат і надував його.
Коли залізо витратиться, його знову можна отримати з розжареною окалини, якщо через трубу пропустити світильний газ. Рівняння показує, що 3 × 56 = 168 г заліза можуть витіснити 8 г водню, або 4 × 22,4 = 89,6 л водню
Аеростати, наповнені воднем, застосували вперше революційні війська Франції в битві при Флерюсе в 1794 р
У війнах 1904-1905 і 1914-1918 рр. прив'язані канатами аеростати служили головним чином для спостереження за прицільно артилерійського вогню, за пересуванням військ. Під час Великої Вітчизняної війни 1941-1945 рр. вони захищали військові об'єкти від авіації противника. Льотчики, побоюючись зіткнень з аеростатом і канатами, літали на великій висоті, тому їх бомбові удари в значній мірі втрачали прицільність.
Перший в світі політ на аеростаті з науковою метою здійснив учений Захаров Яків Дмитрович в 1804 р А в 1887 р для спостереження сонячного затемнення і вивчення повітря піднявся в повітря Менделєєв Дмитро Іванович.
Основними напрямками використання водню є:
- хімічна промисловість - синтез аміаку, метанолу, вуглеводнів;
- харчова промисловість - отримання харчових білків;
- нафтохімія - нефтепереработока (гідрогенезаціонная очищення нафтопродуктів);
- автотранспорт - автомобілі на газоподібному і рідкому водні;
- машинобудування - для зварювання та різання металів.
Водень використовувався в якості захисного газу ще при перших спробах захисту дугового простору від повітря. Однак водень може надати в ряді випадків шкідливий вплив. Це пояснюється тим, що при застосуванні водню в металі зварних швів утворюються пори. а також є одним з головних факторів утворення холодних тріщин. Зі збільшенням товщини зварювальних елементів пористість в металі зварних швів стає значною. Тому його використання в подальшому було значно обмежено. У чистому вигляді (і у вигляді воднево-азотних сумішей, одержуваних при дисоціації аміаку) він в даний час застосовується при атомно-водневої зварювання (хоча і сам цей спосіб замінений тепер іншими, зокрема зварюванням TIG).
Якщо струмінь водню пропускати через полум'я вольтової дуги, то водень дисоціює на атоми з поглинанням значної кількість тепла (103,6 ккал / моль) що призводить до значного збільшення напруги дуги. Вона стає стійкою лише при підвищенні напруги джерела струму. Так, наприклад, при режимах атомно-водневої зварювання найбільш ефективною «дзвінкої» дугою при вольфрамових електродах і силі струму 20-10 А напруга дуги складає близько 100 А напруга холостого ходу живильного джерела повинно бути не менше 200-220 В (зазвичай близько 300 В ). В цьому випадку водень є не тільки захисним газом, але і переносить теплову енергію з дуги на поверхня не включеного в ланцюг струму вироби.
Утворився атомний водень направляють на тверду зварює поверхность, де відбувається нагрівання і розплавлення металу за рахунок поглинання тепла. яке виділяється при рекомбінації атомів водню до молекулярного водню. Асоціація атомарного водню на холодній поверхні металу (в тому числі і розплавленої, так як температура плавлення більшості металів нижча за температуру можливого існування помітних кількостей атомарного водню) призводить до виділення тепла, спожитого в дузі на дисоціацію. За рахунок тепла, що виділяється температура свариваемой поверхні металу підвищується до 3528-4028 ° С. Така атомно-воднева зварювання дозволяє обробляти і зварювати тугоплавкі метали, високоякісні стали, корозійно-стійкі матеріали, кольорові метали.
Незважаючи на те, що атмосфера, що оточує метал, при атомно-водневої зварювання є сумішшю молекулярного і атомарного водню, при відсутності на металі значної кількості оксидів шви виходять досить щільними і стосовно низьковуглецевої стали не мають великої кількості дифузійно-рухомого і залишкового водню.
При струменевого захисту іноді використовується водяний нар. Однак в цьому випадку виходить значно менша стабільність якості зварних швів, ніж при зварюванні із захистом дуги вуглекислим газом. У зв'язку з цим такий процес широкого поширення не отримав.
При TIG зварюванні аустенитной нержавіючої сталі з метою збільшення напруги дуги, збільшення теплоеффектівності і зниження оксидування використовують аргоно-водневі суміші (15% Н2). Більш висока температуру і стиснення дуги, в свою чергу збільшує глибину проплавлення металу. Однак при цьому необхідно враховувати можливість шкідливого впливу розчиняється в металі водню. Більш широко водень використовують в спеціальних областях зварювання і металургії, наприклад в порошкової металургії при спіканні виробів з порошкових матеріалів.
В інших випадках застосування водню і водородосодержащих газів як захисних при дугового зварювання недоцільно.
Застосовують водень для складання плазмообразующих сумішей при плазмовому зварюванні й різанні. Так, для захисту зварювальної ванни від окислення при плазмовому зварюванні легованої сталі, міді, нікелю і сплавів на його основі використовують суміш аргону з 5-8% водню.
Аргоно-водневу суміш, що має до 20% Н2. застосовують при микроплазменной зварюванні. Наявність водню в суміші забезпечує стиснення стовпа плазми, робить його більш сконцентрованим. Крім того, водень створює необхідну в ряді випадків відновну атмосферу.
При роботі з воднем особливу увагу слід звертати на герметичність апаратури та газових комунікацій. так як водень здатний проникати через дрібні нещільності, утворювати з повітрям вибухонебезпечні концентрації. У суміші з киснем (2: 1) утворює вибухову суміш, звану гримучим газом.
Температура самозаймання 510 ° С. Водень фізіологічно інертний, при високих концентраціях викликає задуху. При високому тиску проявляється наркотичну дію. При роботі в середовищі водню необхідно користуватися ізолюючим протигазом (кисневим або шланговим).
Водень технічний поставляють по ГОСТ 3022. Зберігають і транспортують водень в сталевих балонах місткістю 40 і 50 дм 3 по ГОСТ 949 під тиском 15 МПа. Баллонокрашівается в темно-зелений колір з червоним написом «ВОДЕНЬ».
