Атом водорода

11.01.2017

Атом (Is') самый легкий (всего один s-электрон) среди элементов. Состоит из двух стабильных изотопов: 1H — протий и 2H — дейтерий (D), имеющих наибольшую разницу масс среди всех элементов — D/H = (158±2)*10в-6; искусственный тяжелый нуклид 3H — тритий Т* (T1/2 = 12,3 года), превращающийся в 3He. Соотношение атомов (1H:2H): 3H = (99,9852:0,0148): 4*10в-15.
Водород имеет наибольшие вариации изотопного состава — до 70% в земных образцах. Для испаряющегося оксида водорода — воды — увеличивается содержание D, а также 18O ( + δD), для океанической воды δ=0 0, в атмосферном водяном паре над океанами значения 5 отрицательные (-δD) и далее уменьшаются с выпадением осадков. δD и δ18O используются для определения солености морской воды и палеотемператур земной поверхности; последняя составляла (°С): 3,4 млрд лет назад — 70; 1,3 млрд лет — 52; в PZ 34→20; триасе 35—40; третичном периоде ~17. В ювенильных водах SD меньше, чем в метеорных, в метеоритах δD близко к 0%, что используется для выявления (вместе с δ18O) генезиса рассолов, пород и руд.
Водород расположен в 1-м периоде таблицы Менделеева в I или VII группе. В поверхностных условиях Земли имеет жидкое или твердое (H2O) и газообразное (обычно в виде молекул H2) состояние; среди газов наиболее легко проходит через самые мелкие поры металлов и других элементов, особенно при высоких температурах. Наиболее теплопроводный из всех газов. В большинстве соединений, как и щелочные металлы, имеет валентность +1, иногда — 1 (гидриды, галогены и др.). В отличие от щелочных металлов I группы обладает кислотными свойствами. Образует воду с O2 с выделением тепла (143,3 МДж/кг при -25 °C и 0,1 МПа), при t≥550 °С со взрывом, а также соединения с Cl и F. Восстанавливает металлы из их оксидов, растворим в H2O (18 г/л при 25 °С), одновременно все металлы (от U до Cu) с отрицательными электродными потенциалами вытесняют водород из разбавленных кислот, анионы которых не проявляют окислительных свойств.
В природе в основном находится в виде соединений: оксида водорода — воды H2O, гидроксила ОН, аммиака NH3, аммония NH4, сероводорода H2S, кислот (HCl и др.), метана CH4 и прочих органических соединений (C2H4, НСНО, CH3OH и др.), а также радикалов HO2 и HO, пероксида H2O2, галогенов и гидридов многих металлов. Во флюидных системах H является главным и аномально наиболее подвижным компонентом, перемещаясь вверх даже в замкнутых системах. Он создает водородный фронт (потоки), особенно в нижних частях коры и мантии за счет дегазации возможного водородно-металлического гидридного ядра. Геохимически к H наиболее близки S, Cl, F и 3d-металлы (рис. 6).
Атом водорода

В газообразном (флюидном) состоянии водород образует устойчивые атомарные группировки с различными элементами, с чем связано их поведение в эндогенных процессах. По М.И. Новгородовой, для двухатомных молекул теоретический ряд снижения сродства (от наиболее устойчивых соединений в начале ряда и к отсутствию взаимодействия в конце), выведенный по величинам энергий диссоциаций, таков: Cl, S, Р, С, Pt, Se, As, Si, Au, Ir, Ti, Te, Ni, V, Al, Pd, Sb, Cr, W, Rh, Os, Co, Re, Cu, Ru, Fe, Sn, Bi, In, Mn, Pb, Ca, Zn, Cd, Hg, благородные газы. Подробно относительное сродство элементов к водороду и взаимодействие его с O2, С и другими проанализированы А.А. Маракушевым.
Самым устойчивым соединением водорода в обычных условиях земной поверхности и самым крупным по потреблению (≥3000 км3/год) среди минеральных соединений является вода (H2O). Она содержит по формуле 11,19% H и 88,81% О, количество которых в природе всегда ниже (на 1—3%) за счет примесей. Свойства воды весьма многообразны, зависят от температуры, давления, состава примесей и особенностей взаимодействия с породами, газами, биосом (и т. д.) и, несмотря на многочисленные исследования, недоизучены.
Большое значение имеют уникальные и аномальные свойства воды: самые высокие среди известных веществ теплоемкость (кроме NH3), теплота плавления (кроме NH3), тепловое расширение, поверхностное натяжение, растворяющая способность, диэлектрическая проницаемость, что определяет высочайшую способность к теплопереносу, теплорегуляции систем, термостатированию, обусловливает большинство химических реакций и биологических явлений.
Геологи больше знакомы с различными свойствами природных вод и воды в гидротермальных растворах. По А.М. Maсаловичу, Л.Н. Овчинникову, они связаны с полиморфизмом H2O, дискретным изменением ее структуры и плотности в определенных «температурных точках», а также количества разрушенных водородных связей. Это определяет дискретный (стадийный волновой) характер минералообразования и кислотность — щелочность растворов. В этих особых точках потенциальная кислотность переходит в активную (например, NaHCO3 + HCl⇔NaCl + CO2 + H2O), а затем снова в потенциальную и так далее до новой особой точки. Эмпирические значения этих переходов, зафиксированные в статистических максимумах образования минералов, выявлены для температур ~ 400, 350, 270, 160 и 70 °C.
По А.М. Блох, природные глубинные воды имеют диссипативную структуру (ионная система с молекулами воды), способны растворять очень высокие количества металлов (в г/л: Na2O 400, FeO до 360, Rb2O5 5,6, Nb2O5 0,6, U 0,56) и неметаллов (F 520 г/л и т. д.) По мнению А.А. Маракушева, по отношению к силикатным расплавам вода может рассматриваться в одном ряду со щелочными металлами (K2O...H2O) и основными летучими (NH3 и др.), сильно влияя на кислый магматизм и являясь индифферентной к ультраосновным и щелочным магмам.
Общий баланс H2O в геосферах Земли, по X. Холленд, таков (n*10в21 г): гидросфера 1400; кора 600; биосфера 1,6; атмосфера ≤0,2. Баланс H2O в гидросфере, по М.И. Львовичу, следующий (10в21 г и %): океаны и моря 1420 и 86,48; озера и реки 0,5 и 0,03; лед 22 и 1,33; атмосфера 0,013 и ≤0,01; стратисфера 201 и 12,16.
В геоэкологическом плане природная вода представляет сложную систему, гигиенические свойства которой в химическом отношении зависят от содержания примесных компонентов. Суммарный фоновый показатель гидроэкофильности близок к 1, т. е. к пределу. При этом каждый элемент вносит свой вклад и по данному значению изученные в отношении ПДКв элементы образуют следующий ряд снижения насыщенности ими речной воды (ГЭФг): Li, Al?, Mg, Fe, Mn, Cu, Se, Be, As, Sr, Ti, Pb, Tl, Ba, Cr и т. д. В кислых водах накапливаются растворимые формы катионогенных элементов, в щелочных — анионогенных.
Минералого-геохимическая формула H для эндогенных объектов верхней земной коры O99C0,5M0,2 (оксифильный), для верхней мантии Л97с2х1 (литофильный). В то же время большое количество H переносится в виде серных, углеродных и других соединений; ему свойственна повышенная халькофильность, и особенно гидро- и био-, а также атмофильность и др.
В метеоритах H накапливается (%) только в углистых хондритах — х=1,23; CI=2,21, CII=1,43, CIII=0,23; в обыкновенных хондритах х=0,02, в том числе H=0,023, L=0,03, LL=0,011; в энстатитовых 0,038 (E5,6). Содержание H2O (при Н2O/Н2≤1) в породах Луны составляет 0,01—0,1%, т. е. гораздо меньше, чем на Земле, а по данным «Аполлона-11» — в среднем 0,55%.
Для Земли кларки H следующие (г/т): литосфера 900, пиролитовый слой 780, кристаллический фундамент 1400, осадочный слой 1400. По А.А. Ярошевскому, содержание в верхней части континентальной коры 1600 г/т.
По А.П. Виноградову, содержание H2O (%): гидро- и атмосфера 97,0; осадочные породы 5,0, изверженные 0,6, мантия 0,5. Континентальная кора содержит H 1,46%, континентальная осадочная оболочка 3,0%, то же океаническая 4,9%.
По А.И. Перельману, вернады H для литосферы 1, гидросферы 71, живого вещества 70, углей 20—33, горючих сланцев — 5, нефти 73.
В настоящее время, по мнению С.Р. Крайнова и В.М. Швец, наблюдается прогрессирующее увеличение содержания свободного H2 в подземных водах верхних горизонтов земной коры. Фоновое содержание его оценивается примерно в n*10в-5 мл/л на контакте с атмосферой и n—100n мл/л на более глубоких горизонтах. Чаще всего высокие концентрации отмечаются в районах с повышенным содержанием органического вещества (угольные, газовые районы), а также в промышленных районах (до 20 мл/л).
Основным естественным источником H является деятельность микроорганизмов. Главное значение имеют анаэробные микроорганизмы. Максимальное количество H2 (от 15 до 54%) выделяется при взаимодействии их с глюкозой. Выделяется H2 и при анаэробном микробиологическом окислении сульфидной серы и т. д.
В космических лучах (к. л.), по И.Н. Толпыгину с соавторами, главное значение имеет 1H — протий, количество которого по сравнению с 8O, принятым за 1, составляет в солнечных к. л. 4600, в галактических к. л. 685; на третьем месте после 8O идет 6C (соответственно 0,5 и 1,8), затем 7N (~0,2 и 0,8), 12Mg (~0,18 и 0,32), l0Ne (~0,16 и 0,30), 14Si (0,13 и 0,12), 26Fe (~0,15 и 0,14), а также 3Li (? и 0,3), 5Be (0,02 и 0,8) и т. д.
Водороду придается все большая роль в общей эволюции Земли. Основываясь на работах В.Н. Ларина, предложившего и обосновавшего «гидридную модель Земли», можно считать, что H был одним из главных виновников «глобальных катастроф». Он считается главным «флюидом» в самый ранний, докислородный период (≥4 млрд лет) и мог явиться разрушителем озонового слоя по реакции Н2 + О3 → Н2О + О2 в более поздние эры.
По Ф.А. Летникову, история H глубинного земного происхождения также менялась. От AR1 к AR2 и PR в общем происходило увеличение доли H в НnСm-флюидах и повышение степени окисленности флюидов. Для астеносферного слоя наибольшие количества Н-флюида типичны для рифейских и более молодых плит. Противопоставляются С- и Н-флюидные системы. Последние характеризуются высокой активностью H2O и широким развитием водосодержащих минералов — амфиболов, слюд и т. д. Эти структуры контролируют размещение зон гранитизации, амфиболитизации, ослюденения и других метасоматитов и обладают рассеянным характером рудной минерализации.
Характер дегазации H претерпел изменения в истории Земли. От AR к Ph все более локализовывалась, а следовательно, увеличивалась мощность флюидных потоков при одновременном увеличении их протяженности. Количество поступающего H прямо зависит от геотектонической активности Земли; оно максимально при раскрытии рифтогенных зон или при столкновениях с крупными космическими телами. Одновременно с нарушением озонового слоя и проникновением в биосферу Земли мощного потока космической радиации существенное влияние на жизненные условия на Земле могла оказывать вода, которая формировалась при водородной «продувке» озонового слоя и количество которой за миллионы лет было весьма значительным. По некоторым оценкам по этому механизму за 1 млн лет образовывалось количество воды, способное поднять уровень мирового океана примерно на 20 м. На этапах интенсивной дегазации H2 происходил резкий разогрев внутренних частей Земли, сменяющийся охлаждением в связи с расширением дегазированной сферы ядра. Возможно, что это, наряду с внешними причинами, влияло на глобальные изменения биосферной температуры, имеющие многоуровневый цикличный характер.
Все больше появляется косвенных данных, свидетельствующих о максимальной обогащенности водородом ядра Земли. Впервые на такую возможность обратил внимание В.И. Вернадский, позднее это было обосновано с геолого-геохимических и петрографо-металлогенических позиций.
Большое значение придается водородным флюидам для развития геотектонических и металлогенических процессов.
Основные глобальные природные объемы H2O, годовой баланс и активность водообмена показаны, по данным М.И. Львовича, в табл. 9. Важно, что величина годового баланса максимальна для H2O атмосферы, как и активность водообмена (9 дней). Имеется несколько рангов циклов (круговоротов) H2O, сбалансированных в природе: океан — речной сток, суша — атмосфера и т. д.
Атом водорода

Большое значение океанической Н2О для рудообразования выявляется в процессе рециклинга и выщелачивания рудных компонентов из базитов океанического дна, а также придается флюидному перераспределению рудного вещества в рудообразовании. Ho главное значение для геоэкологии имеют быстрое истощение запасов чистых питьевых и вообще пресных вод и огромные масштабы потребления вод для техногенных целей. Если недавно было справедливым выражение «Вода — это жизнь», то теперь надо добавлять — и источник экологической опасности.