ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ВОДОРОДА С МЕТАЛЛАМИ

Вся Геология нашей планеты, все ее геологические структуры являются следствием глубинных процессов, которые протекали в недрах Земли в прошлом и происходят в настоящем. Чтобы понять суть этих глубинных процессов, нам следует рассмотреть характер взаимодействия водорода с металлами, поскольку мы определили изначальный состав планеты как гидридный.

Практически все металлы способны реагировать с водородом. Взаимодействие идет по следующей схеме:

Адсорбция на поверхности -> Растворение в объеме металла (окклюзия) -> Химическое взаимодействие (образование гидридов).

Адсорбция и окклюзия являются чисто физическими процессами. При адсорбции молекулы водорода распадаются на атомы и уже в виде отдельных атомов адсорбируются на поверхности металлов. В процессе окклюзии атомы водорода отдают свои электроны в зону проводимости металла, или, как еще говорят физики, при растворении в металле электроны атомов водорода «коллективизируются». Эта коллективизация электронов внешних оболочек атомов явление обычное при растворении в металлах многих химических элементов. Данное явление наблюдается и при образовании твердых растворов. Однако «изюминка» здесь в том, что атом водорода при потере своего (единственного!) электрона оказывается в решетке металла в виде «голого протона». Давайте зафиксируем в памяти этот эмпирически установленный факт, поскольку именно с ним связаны многие характерные особенности глубинной геодинамики планеты, что будет показано в дальнейшем.

Металлы способны растворять в одном своем объеме сотни и даже тысячи объемов водорода. При этом характер решетки остается прежним, что свидетельствует об отсутствии химического взаимодействия.

Химическая реакция водорода с металлами приводит к образованию качественно новых соединений — гидридов с новым типом решеток, в которых водород присутствует в виде гидрид-аниона «Н^—» (это протон с двумя электронами). Вообще-то, в виде гидрид-аниона водород присутствует только в тех гидридах, в которых преобладает ионный тип химической связи. Вместе с тем есть гидриды с ковалентной связью. Тип химической связи обусловлен разницей в величинах электроотрицательностей атомов металлов и водорода, и это прекрасно изложено Лайнусом Полингом в его учебниках по общей химии. С увеличением этой разницы связь становится все более ионной, а с уменьшением — все более ковалентной (эти рассуждения о типе связей нам потребуются в дальнейшем).

В обычных условиях (при комнатных температуре и давлении) различные металлы по-разному взаимодействуют с водородом. У одних оно не идет далее образования адсорбционных пленок на поверхности металла. У других — сопровождается объемной окклюзией, т.е. образованием твердого раствора водорода в решетке металла. У третьих — контакт с водородом вызывает химическую реакцию, в результате которой образуются гидриды.

Окклюзия водорода натрием, кальцием и магнием (а равным образом и другими щелочными и щелочноземельными металлами) приводит к образованию твердых солеобразных соединений — гидридов. Алюминий и кремний образуют с водородом полимерные соединения (алуаны и силаны), построенные по типу углеводородов. Эти соединения с высокими стехиометрическими содержаниями водорода находятся при комнатной температуре в газообразном (силикометан — SiH₄) или жидком состоянии, а с более низкими содержаниями — являются кристаллическими (например, силикоацетилен — Si₂H₂). Железо, никель и другие переходные металлы адсорбируют и растворяют в себе большие количества водорода (особенно при длительной выдержке в атмосфере водорода), но это не сопровождается образованием гидридов. Однако под давлением порядка 60 кбар и выше все переходные металлы, насыщенные водородом, трансформируются в гидриды.

Важно отметить: давление и температура влияют на взаимодействие водорода с металлами прямо противоположным образом. Повышение давления способствует окклюзии и образованию гидридов. Рост температуры, напротив, вызывает разложение гидридов, в процессе которого водород из формы гидридиона переходит в состояние протонного газа, растворенного в металле. При дальнейшем повышении температуры водород дегазируется из кристаллической решетки металла.

При этом повышение температуры до некоторого определенного уровня довольно слабо сказывается на диссоциации, тогда как превышение этого уровня вызывает быстрое разложение гидрида. И еще следует отметить, что повышение давления поднимает температурный уровень диссоциации, т.е. для разложения гидридов в условиях повышающегося давления требуется все более высокая температура.

Таким образом, в условиях высоких и сверхвысоких давлений «наводороженные» металлы должны находиться в виде гидридов. Но повышение температуры вызывает разложение гидридов, переход водорода из гидрид-ионной формы в протонный газ и, наконец, дегазацию водорода из металлов.