Article

May 26, 2022

氢(符号 H,来自希腊语 ὕδωρ、hýdor、“水”,加上词根 γεν-、ghen-、“生成”,因此“水生成器”)是元素周期表的第一个化学元素(原子序数 1)和最轻的。它是可观测宇宙中最丰富的元素,其最常见的同位素是大叔,由形成原子核的质子和电子组成。作为最简单的原子,它已被量子力学深入研究。在游离状态下,在常压和室温(298 K)下,它以双原子气体的形式存在,分子式为H2,无色、无臭、无味,极易燃,沸点20.27 K,熔点14.02 K。在束缚态它存在于水中 (11,19%) 以及所有有机化合物和生物体;此外,它被包裹在一些岩石中,如花岗岩,并与大多数元素形成化合物,通常也通过直接合成。它是恒星的主要成分,以等离子态存在,代表热核反应的燃料,而在地球上,它几乎不以游离态和分子态存在,因此必须为各种用途而生产;特别是它用于氨的生产、植物油的氢化、航空(以前在飞艇中)、作为替代燃料以及最近作为燃料电池的能量储备。它是恒星的主要成分,以等离子态存在,代表热核反应的燃料,而在地球上,它几乎不以游离态和分子态存在,因此必须为各种用途而生产;特别是它被用于氨的生产、植物油的氢化、航空(以前在飞艇中)、作为替代燃料以及最近作为燃料电池的能量储备。它是恒星的主要成分,以等离子态存在,代表热核反应的燃料,而在地球上,它几乎不以游离态和分子态存在,因此必须为各种用途而生产;特别是它被用于氨的生产、植物油的氢化、航空(以前在飞艇中)、作为替代燃料以及最近作为燃料电池的能量储备。在航空领域(以前在飞艇中),作为替代燃料,最近作为燃料电池的能量储备。在航空领域(以前在飞艇中),作为替代燃料,最近作为燃料电池的能量储备。

背景

气态双原子氢 H2 首先由 Theophrastus Von Hohenheim(称为 Paracelsus,1493-1541)正式描述,他通过将金属与强酸混合人工获得。帕拉塞尔苏斯没有意识到在这些化学反应中获得的可燃气体是由一种新的化学元素组成的,后来被称为氢。 1671 年,Robert Boyle 重新发现并描述了当铁屑和稀酸混合时发生的反应,并产生 H2。 1766 年,亨利·卡文迪什首先将气态分子氢 H2 识别为离散物质,将金属-酸反应中产生的气体确定为“可燃空气”,并发现该气体的燃烧会生成水。卡文迪许在这些实验中使用了酸和汞,并错误地得出结论,即二氢是一种不含汞的物质而不是酸,但能够准确地描述氢和二氢的许多基本性质。传统上,卡文迪许被认为是氢的发现者。 1783 年,当安托万·拉瓦锡(Antoine Lavoisier)尝试(与拉普拉斯一起)卡文迪什(Cavendish)发现氢气燃烧生成水。但他能够准确地描述氢和双氢的许多基本性质。传统上,卡文迪许被认为是氢的发现者。 1783 年,当安托万·拉瓦锡(Antoine Lavoisier)尝试(与拉普拉斯一起)卡文迪什(Cavendish)发现氢气燃烧生成水。但他能够准确地描述氢和双氢的许多基本性质。传统上,卡文迪许被认为是氢的发现者。 1783 年,当安托万·拉瓦锡(Antoine Lavoisier)尝试(与拉普拉斯一起)卡文迪什(Cavendish)发现氢气燃烧生成水。)当他(与拉普拉斯一起)证明了卡文迪许的发现,即氢气的燃烧会产生水。)当他(与拉普拉斯一起)证明了卡文迪许的发现,即氢气的燃烧会产生水。

首次使用

氢气的最初用途之一是作为气球的填充气体,后来又用于其他类型的飞艇。著名的是兴登堡飞艇的悲剧,尽管工程师已经对飞艇的结构进行了涂层处理,以免产生火花,但由于气体的易燃性是已知的,这起悲剧还是发生了。这是一个特殊的使用案例,因为没有氦气,几乎是轻质但惰性的气体。当时,由硫酸与铁反应得到分子氢。

同位素

氢是唯一一个最著名的同位素被赋予不同名称的元素。叔叔是最常见的氢同位素,它没有中子;氘有一个中子,氚(放射性)有两个中子。两种稳定同位素是叔叔(1H)和氘(2H,D)。还观察到 4H、5H 和 6H 同位素。

二氢

二氢是一种分子式为H2的物质,其分子由两个氢原子组成。在正常条件下,它表现为易燃、无色、无味的气体。它也经常被简单而错误地称为“氢”。为避免混淆和误解,正确的 H2 命名法是:分子氢、双原子氢、双原子氢和双氢。它是在实验室中通过酸与锌等金属反应获得的,工业上通过水电解、天然气重整、石油精炼残渣气化获得。二氢用于生产氨,用于石油衍生物的脱硫,作为替代燃料,最近,作为燃料电池的能源。

Ortoidrogeno 和 paraidrogeno

在正常情况下,二氢是两种不同类型分子的混合物,根据两个原子核的自旋是平行还是反平行而不同。这两种形式分别称为“正氢”和“副氢”。在标准条件下,邻位与对位的比例约为 3:1,一种形式向另一种形式的转化非常缓慢,以至于在没有催化剂的情况下不会发生。这两种形式在能量上存在差异,这导致它们的物理特性存在微小差异。例如,仲氢的熔点和沸点比正氢低约 0.1 K。这两种形式的存在给液态二氢的工业生产带来了一个缺点:当它液化时,二氢通常是对位:原位混合物约 25:75;留给自己,在一个月内,混合物富含对位形式,变成 90%;这种转化会释放热量,从而蒸发掉大量的二氢。为了避免这种情况,在氧化铁基催化剂的存在下进行二氢的液化;以这种方式获得的液态二氢由 99% 以上的对位形式组成。以这种方式获得的液态二氢由 99% 以上的对位形式组成。以这种方式获得的液态二氢由 99% 以上的对位形式组成。

可用性

氢是宇宙中最丰富的元素,占物质的 75%(按质量计)和 90% 以上(按原子数计)。这种元素主要存在于恒星和气态巨行星中。相对于其一般丰度而言,氢在地球大气中非常稀少 (1 ppm),并且在地表和地下几乎不以 H2 的形式存在。木星和土星由大约 80% 的氢组成,太阳占 90%。这种元素在通过核聚变过程为宇宙提供能量方面发挥着重要作用。当两个氢核(氘或叔叔和氚)结合成一个氦时,会以电磁辐射的形式释放大量能量。在异常高的压力下,例如在气态巨行星(例如木星)中心发现的压力,分子失去其特性,氢变成液态金属(金属氢)。相反,在极低压力的条件下,H2 分子会发生解离,如果受到适当频率的辐射,单个原子可以存活足够长的时间以被检测到。 H2 云的形成与恒星的诞生有关。在地球上,这种元素最常见的来源是水,它由两个氢原子和一个氧 (H2O) 原子组成。其他来源是:大多数有机物质(包括所有已知的生命形式)、化石燃料和天然气。甲烷(CH4),它是有机分解的副产品,正成为越来越重要的氢来源。

生产

H2 在化学和生物实验室中获得,通常作为其他反应的副产品;工业上由饱和底物脱氢制得;在自然界中,它被用作在生化反应中排出还原当量的一种手段。

应用

用作试剂

化学和石化行业需要大量的 H2。H2 的主要应用发生在化石燃料的精炼过程和氨的合成(Haber-Bosch 过程)中。在石化工厂中消耗 H2 的基本过程是加氢脱烷基化、加氢脱硫和加氢裂化。H2 也用作加氢剂,特别是用于增加不饱和脂肪和油的饱和度(以获得人造黄油等产品),以及用于生产甲醇。也用于合成盐酸和进行氢解。

氢的化合物

氢与大多数元素结合。电负性为 2.1,可在非金属成分或金属成分最多的地方形成化合物。前者称为氢化物,其中氢以 H− 离子的形式存在,或通过将自身嵌入金属的晶格中产生所谓的间隙氢化物(如氢化钯)。在第二种情况下,氢往往是共价的,因为 H + 离子只不过是一个简单的原子核,并且具有很强的吸引电子的趋势。双氢 H2 与双氧 O2 结合形成水 (H2O),在此过程中释放大量能量(反应热约为 572.4 kJ)。氧化氘被称为重水。 L'氢与碳形成大量化合物。由于它们与生物的联系,这些化合物被称为“有机物”,对其性质的研究形成了有机化学。

氢作为能量载体

有很多关于氢作为汽车能源的讨论。使用 H2 具有使用化石资源直接获取气体的优势(例如,从甲烷开始)。 H2 然后用作运输工具的燃料,与 O2 反应,将产生水作为唯一的废物,完全消除 CO2 排放和相关的气候环境问题。使用二氢作为燃料有几个优点。当其浓度在其体积的 4% 到 75% 之间时,它会在空气中燃烧,而天然气在浓度在 5.4% 到 15% 之间时会燃烧。自燃温度为585℃,而天然气为540℃。天然气在 6 的浓度下爆炸,3% 和 14%,而二氢需要 13% 到 64% 的浓度。唯一的缺点是液态或气态二氢(在可用压力下)的能量密度明显低于传统燃料,因此在储存期间需要在更高的压力下进行压缩。鉴于当前的技术发展,氢实际上可以用作能源用途,作为某些原型汽车上使用的内燃机的燃料。目前正在开发中的燃料电池也是一种从氧化过程中以电能的形式获取能量的替代方法。氢而不通过直接燃烧,在未来获得更高的效率,其中氢的生产可以从可再生资源而不是化石燃料中进行。根据所谓的氢经济的支持者的说法,这两种氢技术除了解决能源问题外,还能够为目前由化石能源提供动力的内燃机提供清洁的替代品。然而,几个部分提出的真正问题是上游:原子和分子氢在自然界中非常稀缺,或者在地壳上的各种化合物中发现元素本身与其他元素结合;因此它不像天然气、石油和煤炭那样是主要的能源,因为它必须是通过消耗初级能源的能源人工生产的。因此,它只能用作能量向量,即在必要时作为储存和运输可用能量的手段,而从热力学的角度来看,生产/使用循环仍然效率低下,因为它的生产通常需要更多的能量然后通过它的“燃烧”变得可用。事实上,水分子比分离的双氧 O2 和双氢 H2 更稳定,因此能量更小,并且遵循“自然”过程通过转换将系统从较高能量带到较低能量的规律。根据热力学定律,因此,从水中提取氢不能作为逆反应而无需成本,即无需花费工作。因此,如果为此目的使用完全相反的过程,任何提取方法都涉及的成本等于随后燃烧以二氢形式的氢所释放的能量,在这种情况下甚至更高,因为没有机器。 100提取过程中的%收率。换句话说,通过最简单的方法,即电解水生产双氢形式的氢,以及随后在燃料电池中与 O2 逆反应中使用双氢形式的氢不仅不会导致没有能量增益,而是如上所述,净能量增益将为负值,即会因散热而产生损失。有效利用氢作为能源的唯一方法是以牺牲藻类和细菌为代价获得生物氢。目前,从太阳能、生物或电力来源获得的双氢在能源方面的生产成本远高于其燃烧获得能量的成本。 H2 可以从化石来源开始获得净能量增益,例如甲烷(合成反应实际上不同于燃烧反应),但这些是不可再生能源,即注定会随着时间的推移而耗尽直接二氧化碳排放。最后,建造完全转换为氢经济所需的基础设施的成本将非常高。无论生产过程如何,氢都可以有效用作能源的另一种方式是核聚变或在具有由氘或氚驱动的假想核聚变反应堆的热核工厂中,该技术目前仍在使用中ITER 实验反应堆的发展,它有可能解决世界能源问题,因为在这个核反应中,少量的氢会产生大量的能量:太阳的能量实际上来自氢的核聚变;然而,在地球上进行管理是一个技术复杂的过程,并且仍然是深入研究的主题。目前,概括地说,有四种形式的氢用于能源生产: 通过常规燃烧器和催化过程将 H2 与空气中的 O2 化学结合,如发生在内燃机中,也允许在家庭环境中广泛应用。将 H2 与 O2 电化学结合而不产生火焰,直接在称为燃料电池(或电池)的反应器中发电。在称为核聚变的过程中,通过在名为托卡马克的反应堆中结合氢核。在非常规锅炉的水介质中将 H2 与 O2 化学结合以产生动力蒸汽,在称为 Chan K'iin 的循环中。H2 的其他相关问题是其储存和运输。运输可以在压缩或液化气瓶中进行,也可以通过专用网络进行,就像目前甲烷的情况一样。您可以在压力为 200 bar 至 700 bar(仍在批准过程中)的钢瓶中以液态形式储存,另一方面,在完全绝缘的钢瓶中需要 -253 °C 的温度。另一种储存形式包括与不同物质的可逆化学反应形成金属氢化物,或在 -33.4°C 的温度下以氨 NH3 的形式呈液态。在被称为 Chan K'iin 的循环中。H2 的其他相关问题是它的储存和运输。运输可以在压缩或液化气瓶中进行,也可以通过专用网络进行,就像目前的甲烷一样。您可以在压力为 200 bar 至 700 bar(仍在批准过程中)的钢瓶中以液态形式储存,另一方面,在完全绝缘的钢瓶中需要 -253 °C 的温度。另一种储存形式包括与不同物质的可逆化学反应形成金属氢化物,或在 -33.4°C 的温度下以氨 NH3 的形式呈液态。在被称为 Chan K'iin 的循环中。H2 的其他相关问题是它的储存和运输。运输可以在压缩或液化气瓶中进行,也可以通过专用网络进行,就像目前的甲烷一样。您可以在压力为 200 bar 至 700 bar(仍在批准过程中)的钢瓶中以液态形式储存,另一方面,在完全绝缘的钢瓶中需要 -253 °C 的温度。另一种储存形式包括与不同物质的可逆化学反应形成金属氢化物,或在 -33.4°C 的温度下以氨 NH3 的形式呈液态。液化或通过专用网络,如目前甲烷的情况。您可以在压力为 200 bar 至 700 bar(仍在批准过程中)的钢瓶中以液态形式储存,另一方面,在完全绝缘的钢瓶中需要 -253 °C 的温度。另一种储存形式包括与不同物质的可逆化学反应形成金属氢化物,或在 -33.4°C 的温度下以氨 NH3 的形式呈液态。液化或通过专用网络,如目前甲烷的情况。您可以在压力为 200 bar 至 700 bar(仍在批准过程中)的钢瓶中以液态形式储存,另一方面,在完全绝缘的钢瓶中需要 -253 °C 的温度。另一种储存形式包括与不同物质的可逆化学反应形成金属氢化物,或在 -33.4°C 的温度下以氨 NH3 的形式呈液态。另一种储存形式是与不同物质发生可逆的化学反应,形成金属氢化物,或在 -33.4°C 的温度下以氨 NH3 的形式呈液态。另一种储存形式是与不同物质发生可逆的化学反应,形成金属氢化物,或在 -33.4°C 的温度下以氨 NH3 的形式呈液态。

其他用途

在焊接中和作为金属矿物的还原剂。在航空和空间推进中作为火箭和航天器的燃料(液态)。作为发电厂发电机中的制冷剂,因为它是具有最大导热性的气体。液氢用于低温研究,包括超导研究。氢三相点的平衡温度是 ITS-90 温标中定义的固定点。氢分子的自旋可以通过射频波均匀排列。这种性质是核磁共振的基础,通过能够根据生物组织中氢分子(存在于水中)的原始自旋的不同恢复速度获得图像和收集信息的射线照相设备。氘在核应用中用作减速中子的减速剂;氘化合物用于化学和生物学,特别是同位素效应领域的研究。氚 (3H) 在核反应堆中产生,用于生产氢弹,在生命科学和化学动力学中用作放射性标记物,在发光涂料中用作辐射源。氢的一个通常是负面的,但有时也是需要的结果是它对金属的脆化作用。它,由于其原子尺寸小,它固定在分子晶格间隙内的铁原子上,有助于大大降低γs(界面产生能)的值,有利于静态疲劳的断裂。它比空气轻近 15 倍,被用作提升气球和飞船的代理。 1937 年 5 月 6 日 LZ 129 兴登堡飞艇(装满氢气)发生灾难,造成 35 名乘客死亡,公众舆论开始确信这种气体太危险,不能继续在该领域使用。最好使用氦气来填充飞艇(即使它比氢气重,因此提供的升力更小),因为,不像氢气,氦气是惰性气体,因此不会燃烧。然而,氢气仍然用于气球和气象探测器。 1930 年,在奥斯塔山谷的 Verrès,利用 Castel Verrès 公司工厂产生的过剩能量,创建了一个电化学部门,使用旋转转换器和非常耐腐蚀的铂网格,通过这个过程,通过“电解氢”技术获得以极高纯度的状态通过氢气管道输送,穿越整个国家,然后被带到位于 Verrès 的 La Chimica 工厂,该工厂的特点之一正是氢气管道,这是意大利第一个运输氢气与地下管道,产量非常高,达到每天 42000 立方米,该操作允许生产特殊肥料,在几年内超过了 Montecatini 的产量。所有这些公司都是位于米兰 Costruzioni Brambilla 的工业集团的一部分,该集团的负责人是建筑师 Enrico Brambilla。氢与各种金属的溶解性和吸附特性在冶金中非常重要(某些金属可以通过氢)并开发用作燃料的安全储存形式。氢在许多由镧系元素和 d 区金属形成的化合物中高度溶解,并且可以溶解在结晶和非晶态金属中。的溶解度金属中的氢受金属晶格中的局部变形和杂质的影响。

预防措施

燃烧

二氢是一种高度易燃的气体,在空气中燃烧,在 4% 到 74.5% 的浓度(在大气压下每 100 份空气中二氢的份数)和在 5% 到 95% 的氯气氛中,它会与它形成爆炸性混合物。它还与氯和氟发生剧烈反应。与 O2 接触释放 H2 泄漏足以引发猛烈爆炸或不可见且危险的火焰,从而在气体中产生水。由于简单的火花,二氢的混合物很容易引爆,或者如果在高浓度的反应物下,即使只有通过阳光才能引爆,因为该气体与任何氧化性物质发生剧烈和自发反应。21%的 O2) 约为 500 °C . L'二氢的燃烧焓为-286 kJ/mol,在空气中的燃烧反应如下:2 H 2 ( g ) + O 2 ( g ) ⟶ 2 H 2 O ( l ) + 572 kJ / mol {\displaystyle {\ce {2 H2(g) + O2(g) ->2 H2O (l) +572 kJ / mol}}} 当与分子氧以大范围的比例混合时,双氢会爆炸。在空气中,二氢会剧烈燃烧。双氧和纯双氢的火焰肉眼是看不见的;出于这个原因,如果双氢泄漏正在燃烧,则很难通过视觉识别。在兴登堡飞艇事故照片中看到的火焰是由于二氢与船壳材料一起燃烧,船壳材料含有碳和铝自燃粉末,以及其他易燃材料。不管这场火灾的原因是什么,很明显发生了二氢的着火,因为如果没有这种气体,飞艇的屋顶衬里将需要数小时才能燃烧。双氢火灾的另一个特点是,随着气体通过空气,火焰往往会迅速上升(如兴德堡事故照片所示),造成的损害比碳氢化合物火灾要小。事实上,飞艇上三分之二的乘客在火灾中幸存下来,许多人死于从高处坠落或燃烧汽油。 H2 直接与其他氧化元素反应。在氯或氟存在下,它在室温下会发生自发的剧烈反应,生成相应的卤化氢:氯化氢和氟化氢。空气(从兴德堡事故的照片中可以看出),造成的损害比碳氢化合物燃料火灾要小。事实上,飞艇上三分之二的乘客在火灾中幸存下来,许多人死于从高处坠落或燃烧汽油。 H2 直接与其他氧化元素反应。在氯或氟存在下,它在室温下会发生自发的剧烈反应,生成相应的卤化氢:氯化氢和氟化氢。空气(从兴德堡事故的照片中可以看出),造成的损害比碳氢化合物燃料火灾要小。事实上,飞艇上三分之二的乘客在火灾中幸存下来,许多人死于从高处坠落或燃烧汽油。 H2 直接与其他氧化元素反应。在氯或氟存在下,它在室温下会发生自发的剧烈反应,生成相应的卤化氢:氯化氢和氟化氢。H2 直接与其他氧化元素反应。在氯或氟存在下,它在室温下会发生自发的剧烈反应,生成相应的卤化氢:氯化氢和氟化氢。H2 直接与其他氧化元素反应。在氯或氟存在下,它在室温下会发生自发的剧烈反应,生成相应的卤化氢:氯化氢和氟化氢。

重水毒性

符号 2H 必须与双原子气体的 H2 符号区分开来。2H 是氘 (D),一种由质子和中子形成的稳定氢同位素,可用于富集水,生成重水(或氧化氘)D2O,高浓度时对许多物种有毒。

文学名言

Primo Levi 的“周期系统”中的一个故事是关于氢的。

笔记

参考书目

Francesco Borgese,周期表的元素。发现、属性、用途。化学、物理、地质手册,罗马,CISU,1993,ISBN 88-7975-077-1。R. Barbucci, A. Sabatini, P. Dapporto, Periodic table and properties of the elements, Florence, Edizioni V. Morelli, 1998(从原始网址存档于 2010 年 10 月 22 日)。Luigi Rolla,化学和矿物学。对于高中,第 29 版,Dante Alighieri,1987 年。(EN)Klaus Weissermel、Hans-Jürgen Arpe、Charlet R. Lindley,工业有机化学,第 4 版,Wiley-VCH,2003 年,第 26-29,ISBN 3-527-30578-5。Ezio Alliod 和 Ezia Bovo 出版社 Musumeci Aosta 的 La Brambilla

相关项目

其他项目

维基语录包含对氢的引用 维基词典包含字典引理«氢» 维基共享资源包含有关氢的图像或其他文件

外部链接

氢,在 Treccani.it - 在线百科全书,意大利百科全书研究所。(EN) Hydrogen,在 Encyclopedia Britannica,Encyclopædia Britannica, Inc. 制备 Hydrogen,在 itchiavari.org。在酸性和碱性环境中从铝制氢,在 itchiavari.org。(EN) Hydrogen,在 WebElements.com 上。(EN) Hydrogen,在 EnvironmentalChemistry.com 上。元素,在education.jlab.org。氢作为燃料,在 hforo.org。(CN) thenewatlantis.com 上的氢恶作剧。