118 элементов. Глава вторая. Шесть «нобелевок» за гелий


Безусловно, что в нашем понимании вселенная это нечто единое целое. Но имеющее свою структуру и состав. Сюда относятся все небесные тела и объекты, материя, энергия, газ, пыль и многое другое. Все это образовалось и существует, независимо от того, видим ли мы это или ощущаем.

Тёмная материя

Учёные давно рассматривают такие вопросы: Что же образовало такую вселенную? И какие элементы её наполняют?

Сегодня мы поговорим о том, какой элемент самый распространённый во вселенной.

Водород

Оказывается этот химический элемент самый лёгкий в мире. Кроме тго, его одноатомная форма составляет примерно 87% всего состава вселенной. Помимо того, он содержится в большинстве молекулярных соединений. Даже в воде, или, к примеру, он является частью органических веществ. Вдобавок водород выступает особенно важной составляющей частью кислотно-основных реакций. Кроме того, элемент растворим в большинстве металлах. Что интересно, водород не обладает запахом, цветом и вкусом.

Водород

В процессе изучения, учёные называли водород горючим газом. Как только не определяли его. В своё время он носил имя рождающий воду, а затем водотворное вещество. Лишь в 1824 году ему присвоили название водород.

Во вселенной водород входит в состав 88,6% всех атомов. Остальное в большем количестве составляет гелий. И лишь малая часть это прочие элементы. Следственно, звёзды и другие газы имеют в своём составе в основном водород. Кстати, опять же он имеется и в звёздных температурах. Однако в виде плазмы. А в космическом пространстве он представлен в виде молекул, атомов и ионов. Интересно, что водород способен формировать молекулярные облака.

Молекулярное облако Ориона

Характеристика водорода

Водород уникальный элемент, так как не имеет нейтрон. Он содержит лишь один протон и электрон. Как указывалось, это самый лёгкий газ. Важно, что чем меньше масса молекул, тем выше их скорость. На это не влияет даже температура. Теплопроводность водорода одна из высоких среди всех газов. Помимо всего прочего, он хорошо растворим в металлах, что влияет на его способность диффундировать через них. Иногда процесс приводит к разрушению. К примеру, взаимодействие водорода и углерода. В этом случае происходит декарбонизация.

Появление водорода

Возник во вселенной после Большого взрыва. Как и все химические элементы. По теории, в первые микросекунды после взрыва температура вселенной была выше 100 млрд градусов. Что образовало связь трёх кварков. В свою очередь, эта взаимодействие создало протон. Таким образом, возникло ядро атома водорода. В процессе расширения температура упала, и кварки образовали протоны и нейтроны. Так, на самом деле, возник водород.

Связь трёх кварков

Эволюция солнечных батарей

Как раз в то время велись активные космические исследования. И всего спустя 4 года солнечные панели впервые начали использовать в космических спутниках. 17 марта 1958 в США был запущен первый спутник на базе солнечных аккумуляторов «Авангард-1», а немного позже 15 мая в СССР – «Спутник-3».

Приборы продолжали совершенствовать. В 70-х удалось добиться КПД в 10%. Но они все еще не годились для использования на Земле из-за сложностей в производстве и дороговизны (цена 1 кг кремния была около $100).

Читай также: Кто и когда придумал первый автомобиль – интересные факты из истории мирового автопрома

Мир уже осознавал огромный потенциал солнечных АКБ и активные исследования продолжались. Так, в 1985 году КПД кремниевой батареи стал 20-22%.

Стабильное и успешное массовое производство солнечных аккумуляторов удалось наладить только в конце 80-х. И спустя около 10 лет группа ученых из США добилась существенного увеличения эффективности батарей. Был создан особый тип, который характеризовался простотой в производстве, небольшой себестоимостью материалов и экономностью.

Именно в 1989 году мир увидел солнечную батарею на тандемных фотоэлектрических преобразователях, КПД которых было более 30%.

Первая в своем роде масштабная промышленная электростанция была возведена в 1985 г. при СССР в Крыму. Это была, СЭС-5 с пиковой мощностью 5МВт. Для понимания, 5 МВт мощности имел первый ядерный реактор. К сожалению, из-за высокой цены вырабатываемого электричества в середине 90-х ее закрыли.

Конец 1989 года ознаменовался в США открытием 80 МВт солнечной станции от Loose Industries. И в течении следующих 5 лет эта же компания запустила еще несколько подобных СЭС суммарной мощностью на 480 МВт.

Гелий

В промежутке от 1 до 100 секунд после образования вселенной часть протонов и нейтронов соединилась. Тем самым образовав другой элемент-гелий. В дальнейшем расширение пространства и как следствие снижение температуры приостановило соединительные реакции. Что важно, они вновь запустились внутри звёзд. Так образовались атомы других химических элементов. В результате получается, что водород и гелий являются основными двигателями образования остальных элементов.

Гелий

Гелий вообще является вторым по распространённости элементом во вселенной. Его доля составляет 11,3% всего космического пространства.

Свойства гелия

Он, так же как и водород, не имеет запаха, цвета и вкуса. Вдобавок, это второй по лёгкости газ. Но его температура кипения самая низкая из всех известных.

Гелий — это инертный, нетоксичный и одноатомный газ. Теплопроводность его высокая. По этой характеристике он вновь стоит на втором месте после водорода. Добыча гелия осуществляется методом разделения при низкой температуре. Интересно, что раньше гелий считали металлом. Но в процессе изучения определили, что это газ. При том, основной в составе вселенной.

Применение гелия

Все элементы на Земле, за исключением водорода и гелия, породила миллиарды лет назад алхимия звезд, часть которых является ныне неприметными белыми карликами где-то на другой стороне Млечного Пути. Азот наших ДНК, кальций наших зубов, железо нашей крови, углерод наших яблочных пирогов созданы в недрах сжимающихся звезд.

Мы сотворены из звездного вещества. Карл Саган

Масштабные правительственные программы

  • 1990 год – Германия запускает программу «1000 Солнечных крыш».
  • 1994 год – Япония активно внедряет кампанию «70000 Солнечных крыш».
  • Компания Spectrolab в 2009 году демонстрирует фотоэлемент со способностью преобразовывать энергию Солнца в электричество на 41,6%.
  • В 2011 году компания из Калифорнии Solar Junction сумела достичь КПД 43,5%.
  • Корпорация Sharp в 2013 году создает фотоэлемент, состоящий из 3-х слоев, на сложной химической базе с 44,4% КПД. А в 2014 Институте им. Фраунгофера создали солнечные батареи с КПД 46%.
  • В 2014 году введена в эксплуатацию самая большая на Земле электрическая станция от Солнца – Ivanpah Solar Electric Generating System. Ее площадь 14,24 кв. км, а мощность – 392 МВт. Этого хватит что бы обеспечить больше 140.000 объектов в Калифорнии.

Читай также: Первая компьютерная мышь появилась 9 декабря 1968 года

Интересно, что одним из трех совладельцев этой электростанции является компания Google.

Применение элементов

Человечество научилось добывать и применять с пользой для себя химические элементы. Так водород и гелий применяют во многих сферах деятельности. Например в:

  • пищевой промышленности;
  • металлургии;
  • химической промышленности;
  • нефтепереработке;
  • производстве электроники;
  • косметической промышленности;
  • геологии;
  • даже в военной сфере и др.

Как видно, эти элементы играют важную роль в жизни вселенной. Очевидно, само наше существование напрямую зависит от них. Мы знаем, что ежеминутно происходит рост и движение вселенной. И несмотря на то, что они по отдельности небольшие, все вокруг основано из этих элементов. Поистине, водород и гелий, также как другие химические элементы, уникальны и удивительны. Пожалуй с этим невозможно поспорить.

Революций без жертв не бывает

На ранних этапах развития планеты кислорода в ее атмосфере было более чем в 100 раз меньше, чем сейчас. Увеличению его относительной доли способствовала геологическая активность земной коры. Пласты ее сталкивались, расходились, опускались, поднимались, наползали друг на друга. Рождала кислород и деятельность некоторых микробов и иных праорганизмов. Все это вместе дало эффект так называемой «кислородной революции».

Развивалась эта важнейшая для человеческой цивилизации революция примерно так:

Источники кислорода

  • Первоорганизмы, вернее, некоторые из них, научились в процессе эволюции получать из воды водород. В результате высвобождался и кислород. Он попадал в свободном виде в воду, а из нее — в атмосферу. Эти организмы вскоре стали доминирующим на земле видом.
  • Кислородная атмосфера стала активно воздействовать на земной ландшафт, началось формирование новых горных пород.
  • На каком-то этапе свою роль сыграло и резкое похолодание.
  • Другим бактериям пришлось перестраиваться. Кислород стал использоваться ими как окислитель для переработки питательных элементов. Праорганизмы стали получать больше энергии. Этот этап можно оценить как изобретение природой дыхания.
  • Стал образовываться озоновый слой. Он выступил в качестве союзника новых организмов, затруднив существование их прямых конкурентов — метановых.
  • Разрушительная стихия свободного кислорода была приручена. Началось образование сложных организмов. Вершиной этого процесса стало человечество.
  • Большая часть праорганизмов не выдержала новых условий и попросту вымерла. Остальные или приспособились, или ушли в бескислородные карманы.
  • Сейчас все больше ученых склоняются к тому, что и «первопоселенцы» смогли бы создать свою цивилизацию. Но революций без жертв не бывает. Она стала для первых обитателей Земли катастрофой.

Как и когда образуется град в природе

Кислород был использован природой как катализатор развития. На самом деле жизнь могла бы обойтись и без него, но развивалась бы куда медленнее. Этот газ помог «захватить» дышащим организмам среду обитания и почти уничтожить изначальных обитателей планеты.

Главный газ природы и цивилизации

Вопреки распространенному мнению, леса не являются главными «легкими» планеты. Хотя именно растения и поддерживают кислородную атмосферу. С помощью фотосинтеза они успешно превращают неорганические вещества в органические. На этот круговорот и замкнуты почти все природные процессы. А человек не только научился использовать кислород для дыхания, но и сделал его незаменимым элементом промышленной цивилизации.

Озоновый щит

Кислород можно рассматривать как побочный продукт жизнедеятельности растительного мира. Объемы его огромны. Подсчитано, что каждый год атмосфера подпитывается примерно 150 миллиардами тонн этого газа. Такого количества хватает пока на все, хотя ученые уже говорят о всеобщем кислородном голодании, которое испытывает планета. А это ставит вопрос о безопасности человечества.

Сейчас общее положение дел имеет такие особенности:

Значение кислорода в природе

  • По разным оценкам, от 60 до 80% общего объема кислорода на Земле идет вовсе не на обеспечение дыхания живых организмов, а направляется природой на «зачистку» планеты от погибших организмов, будь то растения или животные. Такая приборка осуществляется с помощью гниения.
  • Эти своеобразные отходы не уничтожаются сразу, полностью и повсеместно. Они образуют и торфяники. Из болот газ снова поступает в атмосферу.
  • Но еще больше газа дают составляющие фитопланктон океанские микроводоросли. Они производят гораздо больше кислорода, чем это нужно им самим. Океан дает планете около 40% газа. Так что его охрана не менее важна, чем защита лесов.
  • Озоновый щит Земли постепенно выгорает. В нем образуются дыры, которые зарастают с большим трудом. Расширение их ведет к росту заболеваемости, мутациям. Ультрафиолет отрицательно влияет на иммунную систему человека, поражает растительность.
  • Самым большим из известных пробоев щита является антарктический. Особенно велик он весной. Потом он постепенно затягивается, но забирает для этого озон из соседних участков.
  • Считается, что истончение щита способно привести ко всеобщему похолоданию, изменить сложившуюся розу ветров и, в конечном счете, климат планеты. Следствием этого может стать снижение плодородности почвы, голод.

Откуда берётся ветер и почему он дует

Даже если человечество полностью прекратит деятельность, которая разрушает озоновый слой, понадобится не менее 100−150 лет на восстановление щита. Если же все будет продолжаться по-прежнему, то с каждым годом этот срок будет расти.

Кровь промышленности

Основной причиной появления озоновых дыр является промышленная деятельность. Но ее сейчас нельзя представить без использования кислорода и выбросов разрушающих веществ. Природный окислитель применяется повсеместно. Без него невозможно создание качественного ракетного топлива, остановится металлургическое производство, встанут большинство транспортных средств.

Газ нужен машинной цивилизации на каждом шагу:

  • Теплоэлектростанции работают на газе, нефти, угле. Для сжигания топлива и преобразования химической энергии в электрическую необходим кислород. Пока именно эти объекты поставляют большую часть электричества.
  • Бензиновый, дизельный, газовый двигатель «ест» гораздо меньше. Но число личного, общественного и служебного транспорта так велико, что он потребляет кислорода больше, чем все вместе взятые станции.
  • Чистый кислород необходим в металлургии. Без него немыслимо производство металлопроката.
  • Кислородная резка и сварка металлов широко применяется в машиностроении.
  • В медицине используются кислородные ингаляторы, коктейли и смеси.
  • В сельском хозяйстве газ применяют как в растениеводстве, так и в животноводстве.

Кислород на планете Земля

Кислород является настоящей кровью промышленности. Ему находят все новые области применения, часто совершенно противоположные друг другу. Идет он, например, и в качестве пищевой добавки, и для создания токсичных смесей.

В ожидании реванша

Не дышащие кислородом организмы, бактерии есть и сейчас. Они, в частности, существуют в корнях некоторых растений, потребляя азот и вырабатывая аминокислоты. Изменение условий внешней среды, та же промышленная деятельность человечества способны создать такую реальность, в которой древнейшие формы жизни еще возьмут реванш.

Из чего и как добывают и перерабатывают ртуть

Границы между разными основами жизни до сих пор окончательно не стерты:

Кислород на земле

  • Одним из примеров бескислородной жизни является и бактерия ботулизма. Она прекрасно обходится без кислорода, а при определенной реакции с ним становится крайне и даже смертельно опасна для человека.
  • Обходятся без кислорода жители больших глубин, некоторые виды водорослей, грибов, а также гельминты — паразитирующие черви.
  • Некоторые из живых существ умеют переходить в зависимости от обстоятельств от одного образа жизни к другому и обратно.
  • Не всегда нужен кислород и человеческому организму. Так, глюкоза на начальном этапе расщепляется без участия этого газа.
  • Человеческий зародыш в самом начале тоже растет в среде, которая более близка бескислородным предкам. Лишний кислород может убить его. Организм, видимо, имеет внутреннюю память и сам создает «первобытную» атмосферу.

Жизнь без кислорода

При активной кратковременной работе мышцы обходятся без кислорода. «Дыхание» они подключают на длительном этапе нагрузки. Это свойство активно изучается специалистами в военной области для создания современных «универсальных солдат» и соответствующих препаратов.

Кислород является главным газом планеты Земля. Но это не значит, что он незаменим для жизни повсеместно. В других звездных системах, вполне возможно, живые существа обходятся и без него.

Рейтинг
( 2 оценки, среднее 4.5 из 5 )
Понравилась статья? Поделиться с друзьями: