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December 5, 2021

氢(hydrogen,hydrogen;化学符号-H,Latin Hydrogenium)-原子序数为1的化学元素,属于第1组(按旧分类-第1组的主要亚组),第1期化学元素周期表,是所有化学元素的第一个也是最简单的代表。宇宙中最常见的元素。属于非金属。此外,氢 (H2) 是由化学元素氢形成的单一物质 -(在正常条件下)非常轻(最轻),是一种没有气味、颜色和味道的双原子气体。氢在水和其他溶剂(酒精、己烷)中的溶解性很差,在许多金属中溶解性也很差,尤其是在钯中(8 体积的氢溶解于 1 体积的钯中)。氢是众多天然化合物之一,其中最重要的是水。具有非金属和金属的化合物称为氢化物。氢气和氧气的混合物(爆炸性气体)是爆炸性的。氢气是还原剂。工业制氢的原料是炼油气、天然气、煤气化产品和水。获得氢气的主要实验室方法是锌和盐酸在 Kip 装置中的相互作用。氢气用于合成氨、甲醇、加氢过程、焊接和切割金属等。氢气是一种很有前途的气体燃料。氢的三种同位素有自己的名称:1H - 锑 (H)、2H - 氘 (D) 和 3H - 氚 (T)。氘和氚用于核能。煤和水气化产品。获得氢气的主要实验室方法是锌和盐酸在 Kip 装置中的相互作用。氢气用于合成氨、甲醇、加氢过程、焊接和切割金属等。氢气是一种很有前途的气体燃料。氢的三种同位素有自己的名称:1H - 锑 (H)、2H - 氘 (D) 和 3H - 氚 (T)。氘和氚用于核能。煤和水气化产品。获得氢气的主要实验室方法是锌和盐酸在 Kip 装置中的相互作用。氢气用于合成氨、甲醇、加氢过程、焊接和切割金属等。氢气是一种很有前途的气体燃料。氢的三种同位素有自己的名称:1H - 锑 (H)、2H - 氘 (D) 和 3H - 氚 (T)。氘和氚用于核能。氘和氚用于核能。氘和氚用于核能。

历史

在 16 世纪和 17 世纪化学作为一门科学形成之初,例如帕拉塞尔苏斯或罗伯特·博伊尔等科学家,观察到酸和金属相互作用释放可燃气体。米哈伊尔·罗蒙诺索夫 (Mikhail Lomonosov) 在他的论文“论金属光泽”中描述了酸对铁和其他金属作用的结果,并且是第一个 (1745) 假设氢是燃素的人。 1766年,详细研究氢性质的英国著名物理学家、化学家亨利·卡文迪什提出了类似的假说。在研究氢在燃烧过程中如何产生水时,他将其称为源自“金属”的“可燃空气”,并相信,像所有后勤学家一样,当溶解在酸中时,金属会失去燃素。卡文迪什对燃素理论的坚持使他无法得出正确的结论。1783年,法国化学家安托万·拉瓦锡和工程师让·莫尼耶利用特殊的煤气表,进行了水的合成,后来对其进行了分析,用热铁分解水蒸气。因此,他们发现氢是水 (H2O) 的一部分,可以从中获得。氢同位素是在 1930 年代发现的,它们很快在科学和技术中变得重要。 1931 年底,尤里·布雷克德和墨菲研究了液态氢长时间蒸发后的残留物,发现了原子质量为 2 的重氢 2H。这种同位素在希腊语中被称为氘 (Deuterium, D)。 - 另一个。四年后,在长期电解的水中发现了一种更重的 3H 氢同位素,称为氚(氚,T)。 “第三”。1783年,他们进行了水的合成,后来又进行了分析,用热铁分解水蒸气。因此,他们发现氢是水 (H2O) 的一部分,可以从中获得。氢同位素是在 1930 年代发现的,它们很快在科学和技术中变得重要。 1931 年底,尤里·布雷克德和墨菲研究了液态氢长时间蒸发后的残留物,发现了原子质量为 2 的重氢 2H。这种同位素在希腊语中被称为氘 (Deuterium, D)。 - 另一个。四年后,在长期电解的水中发现了一种更重的 3H 氢同位素,称为氚(氚,T)。 “第三”。1783年,他们进行了水的合成,后来又进行了分析,用热铁分解水蒸气。因此,他们发现氢是水 (H2O) 的一部分,可以从中获得。氢同位素是在 1930 年代发现的,它们很快在科学和技术中变得重要。 1931 年底,尤里·布雷克德和墨菲研究了液态氢长时间蒸发后的残留物,发现了原子质量为 2 的重氢 2H。这种同位素在希腊语中被称为氘 (Deuterium, D)。 - 另一个。四年后,在长期电解的水中发现了一种更重的 3H 氢同位素,称为氚(氚,T)。 “第三”。氢同位素是在 1930 年代发现的,它们很快在科学和技术中变得重要。 1931 年底,尤里·布雷克德和墨菲研究了液态氢长时间蒸发后的残留物,发现了原子质量为 2 的重氢 2H。这种同位素在希腊语中被称为氘 (Deuterium, D)。 - 另一个。四年后,在长期电解的水中发现了一种更重的 3H 氢同位素,称为氚(氚,T)。 “第三”。氢同位素是在 1930 年代发现的,它们很快在科学和技术中变得重要。 1931 年底,尤里·布雷克德和墨菲研究了液态氢长时间蒸发后的残留物,发现了原子质量为 2 的重氢 2H。这种同位素在希腊语中被称为氘 (Deuterium, D)。 - 另一个。四年后,在长期电解的水中发现了一种更重的 3H 氢同位素,称为氚(氚,T)。 “第三”。经受长时间的电解,一种更重的氢同位素 3H,称为氚(Tritium,T),来自希腊语。 “第三”。经受长时间的电解,一种更重的氢同位素 3H,称为氚(Tritium,T),来自希腊语。 “第三”。

名字的由来

A. Lavoisier 给了“氢”这个名字(来自希腊语 ὕδωρ - 水和 γενναω - 生)——“生水的人”。1801 年,AL Lavoisier 的追随者、VM Severgin 院士称其为“成水物质”,他写道:化学元素“氢”的传统乌克兰名称也表明它是水的一部分。俄语名称“氢”是拉丁名称氢的直译。

传播

在宇宙中

氢是宇宙中最常见的化学元素。它占所有原子的大约 88.6%(大约 11.3% 是氦原子,所有其他元素的份额总和 - 大约 0.1%)。因此,氢是恒星和星际气体的主要成分。在恒星温度下(例如太阳表面温度≈6000°C),氢以等离子体的形式存在,在星际空间中,这种元素以单个分子、原子和离子的形式存在,可以形成差异很大的分子云尺寸、密度和温度。

地壳和生物

地壳含有约 1% 的重量 - 这是第十种最常见的元素。然而,它在自然界中的作用不是由质量决定的,而是由原子数决定的,原子数在其他元素中的份额为 17.25%(仅次于氧,其原子份额约为 52%)。因此,在地球上发生的化学过程中,氢的价值几乎与氧一样大。与地球上以束缚态和游离态存在的氧不同,地球上几乎所有的氢都以化合物的形式存在。大气中仅含有极少量的单质形式的氢。大气中的相对氢含量随海拔升高而增加。在海平面上,它占体积的 0.00005%,而上层(100 公里以上)主要由它组成。游离氢包含在从地球内部释放的易燃气体中。它是在有机物质的腐烂和发酵过程中形成的,因此包含在人和动物的肠道气体中。大部分氢以各种化合物的形式处于束缚状态。其中最常见的是水,其中含有 11.19% 的氢。有大量氢与碳的化合物(烃)。氢是石油、煤和一些矿物的一部分。氢是几乎所有有机物质的一部分,存在于所有活细胞中。在活细胞中,每个氢原子的数量几乎是 63%。有大量氢与碳的化合物(烃)。氢是石油、煤和一些矿物的一部分。氢是几乎所有有机物质的一部分,存在于所有活细胞中。在活细胞中,每个氢原子的数量几乎是 63%。有大量氢与碳的化合物(烃)。氢是石油、煤和一些矿物的一部分。氢是几乎所有有机物质的一部分,存在于所有活细胞中。在活细胞中,每个氢原子的数量几乎是 63%。

地球化学

在地球上,与太阳、巨行星和原生陨石相比,地球上的氢含量减少了,这意味着在地球形成过程中显着脱气:大部分氢,像其他挥发性元素一样,在吸积过程中或吸积后不久离开了地球.然而,我们星球的地圈(不包括地壳)——软流圈、地幔、地核——中这种气体的确切含量是未知的。游离氢 H2 在天然气中相对较少,但以水的形式存在,它在地球化学过程中起着极其重要的作用。众所周知,火山气体成分中的氢含量,沿着裂谷带中的断层泄漏一定量的氢,这种气体在一些煤层中的释放。矿物质的组成,氢可以是铵离子、氢氧根离子和水的形式。在大气中,甲烷或其他有机物氧化链中形成的甲醛分解、太阳辐射(31-67×109公斤/年)、各种燃料和生物质的不完全燃烧(5-25 × 109 公斤/年),在微生物从空气中固氮的过程中(3-22 × 109 公斤/年).. 质量小,氢分子扩散率高(接近第二宇宙速度),落入高层大气,可以飞入外太空(见行星风)。损失量估计为每秒 3 公斤。在微生物从空气中固氮的过程中(3-22 × 109 kg / 年).. 氢分子质量小,扩散率高(接近第二宇宙速度),落入上层大气,可以飞入太空空间(见行星风)。损失量估计为每秒 3 公斤。在微生物从空气中固氮的过程中(3-22 × 109 kg / 年).. 氢分子质量小,扩散率高(接近第二宇宙速度),落入上层大气,可以飞入太空空间(见行星风)。损失量估计为每秒 3 公斤。

同位素

氢以三种同位素的形式出现,它们有各自的名称:1H - 氚 (H),2H - 氘 (D),3H - 氚(放射性)(T)。氚和氘是质量数为 1 和 2 的稳定同位素。它们在自然界中的含量分别为 99.9885 ± 0.0070% 和 0.0115 ± 0.0070%。该比率可能会因生产氢气的来源和方法而略有不同。氢同位素 3H(氚)不稳定。其半衰期为 12.32 年。氚在自然界中的含量非常少。文献还提供了质量数为 4-7 且半衰期为 10-22-10-23 秒的氢同位素数据。天然氢由比例为 3200:1 的 H2 和 HD(氘代)分子组成。纯氘氢D2的含量甚至更低。 HD 和 D2 的浓度比约为 6400:1。在所有化学元素的同位素中,氢同位素的物理化学性质差异最大。这是由于原子质量的最大相对变化。分子氢,如果分子中的两个原子相同(质子、氘或氚),也就是说,如果分子是同同位素,则可以存在于原子核自旋方向不同的正和副变体中;更低)。异同位素氢(HD、HT、DT)没有正变和超变。可以存在于正变和超变中,它们的核自旋方向不同 - 在核自旋的正变中是平行的,在超变反平行中(见下文)。异同位素氢(HD、HT、DT)没有正变和超变。可以存在于正变和超变中,它们的核自旋方向不同 - 在核自旋的正变中是平行的,在超变反平行中(见下文)。异同位素氢(HD、HT、DT)没有正变和超变。

同位素的性质

氢同位素的性质列于表中。括号中给出了以相应数字的最后一位为单位的值的标准偏差。1H 核的特性允许核磁共振光谱在有机物分析中的广泛应用。

物理特性

氢气是最轻的气体,比空气轻14.5倍。因此,例如,充满氢气的肥皂泡在空气中上升。显然,分子的质量越小,它们在相同温度下的速度就越高。作为最轻的分子,氢分子的运动速度比任何其他气体的分子都要快,因此可以更快地将热量从一个物体传递到另一个物体。因此,氢在气态物质中具有最高的热导率。它的热导率大约是空气热导率的七倍。氢分子由两个氢原子 - H2 组成。在正常情况下,氢气是一种无色、无臭、无味的气体,密度为0.08987克/升(nu),沸点为-252.76℃,燃烧热为142.9 kJ/kg。氢气微溶于水 - 18.8 毫升/升。但它能很好地溶解在许多金属(Ni、Pt、Pd 等)中,尤其是钯(每 1 体积 Pd 850 体积)。氢在金属中的溶解度与其在金属中扩散的能力有关;由于氢与碳的相互作用(所谓的脱碳),通过碳合金(例如钢)的扩散有时伴随着合金的破坏。几乎不溶于银。液态氢存在于-252.76至-259.2°C的非常窄的温度范围内。它是一种无色液体,很轻(-253°C 时的密度 - 0.0708 g/cm³)和流体(-253°C 时的粘度 - 13.8 泊)。氢气的临界参数非常低:温度-240.2°C,压力12.8 atm。这解释了液化氢的困难。在液态下,平衡氢由 99.79% 的对位 H2 和 0.21% 的邻位 H2 组成。固体氢的熔点为-259.2°C,密度为0,0807 g/cm2 (在-262°C) 是具有六方共晶晶体的白色物质,空间群是P6/mmc,电池参数a 0.378 nm 和c 0.6167 nm。 1935 年,温格和亨廷顿提出,在超过 250,000 个大气压的压力下,氢可以变成金属态。以稳定状态获得这种物质为其使用开辟了非常有吸引力的前景——因为它是一种超轻金属,是轻质和能源密集型火箭燃料的组成部分。 2014年发现,在大约1.5-200万个大气压的压力下,氢开始吸收红外辐射,这意味着氢分子的电子壳层被极化。在更高的压力下,氢可能会变成金属。1935 年,温格和亨廷顿提出,在超过 250,000 个大气压的压力下,氢可以变成金属态。以稳定状态获得这种物质为其使用开辟了非常有吸引力的前景——因为它是一种超轻金属,是轻质和能源密集型火箭燃料的组成部分。 2014年发现,在大约1.5-200万个大气压的压力下,氢开始吸收红外辐射,这意味着氢分子的电子壳层被极化。在更高的压力下,氢可能会变成金属。1935 年,温格和亨廷顿提出,在超过 250,000 个大气压的压力下,氢可以变成金属态。以稳定状态获得这种物质为其使用开辟了非常有吸引力的前景——因为它是一种超轻金属,是轻质和能源密集型火箭燃料的组成部分。 2014年发现,在大约1.5-200万个大气压的压力下,氢开始吸收红外辐射,这意味着氢分子的电子壳层被极化。在更高的压力下,氢可能会变成金属。在 1.5-200 万个大气压的压力下,氢开始吸收红外辐射,这意味着氢分子的电子壳被极化。在更高的压力下,氢可能会变成金属。在 1.5-200 万个大气压的压力下,氢开始吸收红外辐射,这意味着氢分子的电子壳被极化。在更高的压力下,氢可能会变成金属。

正氢和仲氢

分子氢以两种自旋形式(修饰)存在 - 以正氢和仲氢的形式存在。在正氢分子 o-H2(熔点 -259.10 °C,沸点 -252.56 °C)中,核自旋以相同的方式(平行)指向,而在氢列中 p-H2(熔点 -259.32 °C) C,常温沸点-252.89°C)——彼此相反(反平行)。 o-H2 和 n-H2 在给定温度下的平衡混合物称为平衡氢 e-H2。 ortho-H2 ⇆ para-H2 ΔH0R -0.08 kJ / mol 当系统中的能量发生变化(去除或添加)时,分别发生从一种形式到另一种形式的转变。氢的同素异形变体可以通过在液氮温度下吸附在活性炭上来分离。在非常低的温度下,氢气和蒸汽之间的平衡强烈地向蒸汽移动。在液态下,平衡氢由 99.79% 的对位 H2 和 0.21% 的邻位 H2 组成。在 80 K 时,形式的比例约为 1:1。加热时解吸的氢蒸汽转化为正氢,直到在室温下形成平衡混合物(正:蒸汽 75:25)。在没有催化剂的情况下,转化会缓慢发生(在星际介质的条件下 - 具有高达宇宙学的特征时间),这使得研究单个修改的特性成为可能。氘和氚分子也有邻位和对位修饰:p-D2、o-D2、p-T2、o-T2,这取决于原子核的自旋方向。异同位素分子 HD、HT、DT 没有原位和副位修饰。加热时解吸的氢蒸汽转化为正氢,直到在室温下形成平衡混合物(正:蒸汽 75:25)。在没有催化剂的情况下,转化会缓慢发生(在星际介质的条件下 - 具有高达宇宙学的特征时间),这使得研究单个修改的特性成为可能。氘和氚分子也有邻位和对位修饰:p-D2、o-D2、p-T2、o-T2,这取决于原子核的自旋方向。异同位素分子 HD、HT、DT 没有原位和副位修饰。加热时解吸的氢蒸汽转化为正氢,直到在室温下形成平衡混合物(正:蒸汽 75:25)。在没有催化剂的情况下,转化会缓慢发生(在星际介质的条件下 - 具有高达宇宙学的特征时间),这使得研究单个修改的特性成为可能。氘和氚分子也有邻位和对位修饰:p-D2、o-D2、p-T2、o-T2,这取决于原子核的自旋方向。异同位素分子 HD、HT、DT 没有原位和副位修饰。取决于原子核的自旋方向。异同位素分子 HD、HT、DT 没有原位和副位修饰。取决于原子核的自旋方向。异同位素分子 HD、HT、DT 没有原位和副位修饰。

氢分子的特征

氢分子、其同位素和分子氢离子的原子间距离和解离能: 分子氢的解离反应常数 (Kp) 和转化度 (α) 取决于绝对温度:

化学性质

氢分子由两个原子组成。氢分子中的化学键是共价非极性的,因为该分子是由具有相同电负性的原子(同一物种的原子)形成的。由于电子的结合,氢分子比单独的氢原子在能量上更稳定。在正常情况下,氢气不是很活跃。解离能 436 kJ/mol,所以要激活反应性质需要激活分子——升温、电火花、光(消耗大量能量):H 2 → 2 H {\ displaystyle {\ mathsf {H_ {2 } \ rightarrow {} \ 2H}}} - 432 kJ

与非金属的相互作用

最活泼的与卤素反应形成卤化物:F 2 + H 2 → 2 HF {\ displaystyle {\ mathsf {F_ {2} + H_ {2} \ rightarrow {} \ 2HF}}},反应进行并爆炸在任何温度下,C l 2 + H 2 → 2 H C l {\ displaystyle {\ mathsf {Cl_ {2} + H_ {2} \ rightarrow {} \ 2HCl}}},反应只在光下进行。当点燃或在铂催化剂存在下,氢与氧反应 O 2 + 2 H 2 → 2 H 2 O {\ displaystyle {\ mathsf {O_ {2} + 2H_ {2} \ rightarrow {} \ 2H_ {2 } O}} },反应进行时会发生爆炸,两体积氢气和一体积氧气的混合物称为爆炸性气体。加热时,氢会与硫发生相反的反应:S + H 2 → H 2 S {\ displaystyle {\ mathsf {S + H_ {2} \ rightarrow {} \ H_ {2} S}}}(硫化氢)与氮气 - 加热时,增加压力并存在催化剂(铁):N 2 + 3 H 2 → 2 N H 3 {\ displaystyle {\ mathsf {N_ {2} + 3H_ {2} \ rightarrow {} \ 2NH_ {3}}}} (氨) 氢在强烈加热时与煤烟相互作用:C + 2 H 2 → C H 4 {\displaystyle {\mathsf {C+2H_{2}\rightarrow {}\ CH_{4}}}} (метан)

与碱金属和碱土金属的相互作用

氢与活性金属形成氢化物:2 N a + H 2 → 2 N a H {\displaystyle {\mathsf {2Na+H_{2}\rightarrow {}\ 2NaH}}} (гідрид натрію) C a + H 2 → C a H 2 {\displaystyle {\mathsf {Ca+H_{2}\rightarrow {}\ CaH_{2}}}} (гідрид钙) M g + H 2 → M g H 2 {\ displaystyle {\ mathsf {Mg + H_ {2} \ rightarrow {} \ MgH_ {2}}}} (氢化镁) 金属氢化物 - 盐状,固体,易水解:C a H 2 + 2 H 2 O → C a ( OH ) 2 + 2 H 2 ↑ {\displaystyle {\mathsf {CaH_{2}+2H_{2}O\rightarrow {}\ Ca(OH)_{2 }+2H_{2}\uparrow }}}) 2 + 2 H 2 ↑ {\displaystyle {\mathsf {CaH_{2}+2H_{2}O\rightarrow {}\ Ca(OH)_{2}+2H_{2}\uparrow }}}) 2 + 2 H 2 ↑ {\displaystyle {\mathsf {CaH_{2}+2H_{2}O\rightarrow {}\ Ca(OH)_{2}+2H_{2}\uparrow }}}

与金属氧化物(通常是 d 元素)的相互作用

氧化物被还原成金属:C u O + H 2 → 150 − 250 o CC u + H 2 O {\displaystyle \mathrm {CuO+H_{2}{\xrightarrow {150-250^{o}C}}Cu+H_{2}O } } F e 2 O 3 +3 H 2 → 900 o C 2 Fe + 3 H 2 O {\displaystyle \mathrm {Fe_{2}O_{3}+3H_{2}{\xrightarrow {900^{o}C}}2Fe+3H_{ 2}O} } WO 3 + 3 H 2 →550 − 900 o C W + 3 H 2 O {\displaystyle {\mathsf {WO_{3}+3H_{2}\xrightarrow {550-900^{o}C} W+3H_{2}O}}}{\displaystyle {\mathsf {WO_{3}+3H_{2}\xrightarrow {550-900^{o}C} W+3H_{2}O}}}{\displaystyle {\mathsf {WO_{3}+3H_{2}\xrightarrow {550-900^{o}C} W+3H_{2}O}}}

与非金属氧化物(通常是氮氧化物和碳氧化物)的相互作用

氢气是生产甲醇 CO + 2 H 2 → CH 3 OH {\ displaystyle {\ mathsf {CO + 2H_ {2} \ rightarrow {} \ CH_ {3} OH}}}(甲醇)

有机化合物的加氢

分子氢广泛用于有机合成以还原有机化合物。这些过程称为氢化反应。这些反应在催化剂存在下在升高的压力和温度下进行。催化剂可以是均相的(例如威尔金森催化剂)和非均相的(例如雷尼镍、钯碳)。因此,特别是不饱和化合物(例如烯烃和炔烃)的催化氢化产生饱和化合物 - 烷烃。R − C H C H − R ′ + H 2 → R − C H 2 − C H 2- R ′ {\ displaystyle {\ mathsf {R \! \! - \! \! CH \! \! \! \! CH \! \! - \! \! R '+ H_ {2}}} \ rightarrow {\mathsf {R \! \! - \! \! CH_ {2} \! \! - \! \! CH_ {2} \! \! - \! \! R '}}} 在氢的作用下在镍催化剂存在下,在升高的温度下,不饱和烃发生加氢反应:(乙烯) CH 2 CH 2 + H 2 → CH 3 - CH 3 {\ displaystyle {\ mathsf {CH_ {2} CH_ {2} + H_ {2} \ rightarrow {} \ CH_ {3} -CH_ {3} }}}(乙烷)氢将醛还原为醇:(奥斯丁醛)CH 3 CHO + H 2 → C 2 H 5 OH {\ displaystyle {\ mathsf {CH_ {3} CHO + H_ {2} \ rightarrow {} \ C_ {2} H_ {5} OH}}} (乙醇)H 2 → C 2 H 5 O H {\displaystyle {\mathsf {CH_{3}CHO+H_{2}\rightarrow {}\ C_{2}H_{5}OH}}} (етанол)H 2 → C 2 H 5 O H {\displaystyle {\mathsf {CH_{3}CHO+H_{2}\rightarrow {}\ C_{2}H_{5}OH}}} (етанол){\ displaystyle {\ mathsf {CH_ {3} CHO + H_ {2} \ rightarrow {} \ C_ {2} H_ {5} OH}}}(乙醇){\ displaystyle {\ mathsf {CH_ {3} CHO + H_ {2} \ rightarrow {} \ C_ {2} H_ {5} OH}}}(乙醇)

接收

今天,氢主要 (90%) 来自化石来源。集中生产与燃料电池小吨位车辆库的对接,需要大量投资布局和建设配送基础设施。氢能的任务之一是确保车上氢气的紧凑和安全储存,以延长加氢间隔。

在工业

来自天然气,主要由甲烷组成,与水蒸气和氧气混合,并在催化剂存在下加热到 800-900°C 的温度:2 CH 4 + O 2 + 2 H 2 O → 2 CO 2 + 6 H 2 {\ displaystyle {\ mathsf {2CH_ {4} + O_ {2} + 2H_ {2} O \ rightarrow {} \ 2CO_ {2} + 6H_ {2}}}} 1000 °C 时的蒸汽转化率:CH 4 + H 2 O ⇄ CO + 3 H 2 {\ displaystyle {\ mathsf {CH_ {4} + H_ {2} O \ \ rightleftarrows {} \ CO + 3H_ {2}}}} 热焦炭上的水蒸气渗透在大约 1000°C 的温度下:H 2 O + C ⇄ CO ↑ + H 2 ↑ {\ displaystyle {\ mathsf {H_ {2} O + C \ \ rightleftarrows {} \ CO \ uparrow + H_ {2} \ uparrow}}} 电解氯化钠溶液和氯化钾作为碱、次氯酸盐和氯酸盐生产的副产品:2 N a C l + 2 H 2 O → 2 N a OH + C l 2 ↑ + H 2 ↑ {\ displaystyle {\ mathsf {2NaCl + 2H_ {2} O \ {\ xrightarrow {}} \ 2NaOH + Cl_ { 2} \ uparrow + H_ {2} \ uparrow}}} 氧催化氧化:2 C H 4 + O 2 ⇄ 2 C O + 4 H 2 {\displaystyle {\mathsf {2CH_{4}+O_{2}\rightleftarrows {}\ 2CO+4H_{2}}}}2 CO + 4 H 2 {\displaystyle {\mathsf {2CH_{4}+O_{2}\rightleftarrows {}\ 2CO+4H_{2}}}}2 CO + 4 H 2 {\displaystyle {\mathsf {2CH_{4}+O_{2}\rightleftarrows {}\ 2CO+4H_{2}}}}

在实验室

稀酸对金属的作用,如盐酸对锌的作用:2 HC l + Z n → H 2 + Z n C l 2 {\ displaystyle {\ mathsf {2HCl + Zn \ rightarrow {} \ H_ { 2} + ZnCl_ { 2}}}}. 钙与水的相互作用:C a + 2 H 2 O → C a (OH) 2 + H 2 ↑ {\ displaystyle {\ mathsf {Ca + 2H_ {2} O \ rightarrow Ca (OH) _ {2} + H_ {2} \ uparrow} }} 碱对锌或铝的作用:2 A l + 2 N a OH + 6 H 2 O → 2 N a [ A l ( OH ) 4 ] + 3 H 2 ↑ {\displaystyle {\mathsf {2Al+2NaOH+6H_{2}O\rightarrow 2Na[ Al(OH)_{4}]+3H_{2}\uparrow }}} Zn + 2 KOH + 2 H 2 O → K 2 [Z n (OH) 4] + H 2 ↑ {\ displaystyle {\ mathsf {Zn + 2KOH + 2H_ {2} O \ rightarrow K_ {2} [Zn ) _ {4}] + H_ {2} \ uparrow}}} 氢化物的水解:N a H + H 2 O → N a OH + H 2 ↑ {\ displaystyle {\ mathsf {NaH + H_ {2} O \ rightarrow NaOH + H_ {2} \ uparrow}}} 在碱水溶液的电解中或阴极上的酸是释放氢气,例如:2 H 3 O + + 2 e − → 2 H 2 O + H 2 ↑ {\displaystyle {\mathsf {2H_{3}O^{+}+2e^{-}\rightarrow 2H_{2}O+H_{ 2}\向上箭头}}}2 O + H 2 ↑ {\displaystyle {\mathsf {2H_{3}O^{+}+2e^{-}\rightarrow 2H_{2}O+H_{2}\uparrow }}}2 O + H 2 ↑ {\displaystyle {\mathsf {2H_{3}O^{+}+2e^{-}\rightarrow 2H_{2}O+H_{2}\uparrow }}}

制作方法

在正常的自然条件下,地球上几乎不存在分子氢。地球上的大部分氢都与水中的氧结合。元素氢的生产需要对氢载体进行处理,例如化石燃料和水。化石资源被消耗,二氧化碳被释放,但通常除了化石燃料之外不需要进一步的能源输入。水的分解需要消耗从任何一次能源(化石燃料、核能或可再生能源的燃烧)获得的电力或热量。

现代生产方式

在工业中,氢气是通过蒸汽转化产生的,使用化石燃料,如天然气、石油或煤。产生的氢的能量消耗少于源燃料中包含的能量,但由于燃料电池的高效率,它可以比直接使用源燃料更充分地利用。由于源燃料的转化,二氧化碳可以释放到大气中,以及由于汽车发动机的运行。但由于燃料电池效率高,其数量可能比直接使用燃料时少。一小部分氢气(2006 年为 4%)是通过电解水获得的。以这种方式生产一公斤氢气大约需要 50 千瓦时的电力。

克瓦纳工艺

Kvarner 工艺,或烟尘和氢气 quarner (CB & H),是 1980 年代由一家同名挪威公司开发的一种方法,用于从甲烷、天然气和沼气等碳氢化合物中生产氢气。在此过程中物质中的能量分布大致如下:大约 48% 的能量包含在氢原子中,40% - 在碳中,10% - 在过热蒸汽中。

生物生产

酶促产氢是一组细菌使用多酶促系统分三步将有机底物酶促转化为生物氢,类似于厌氧转化。暗发酵不需要光能,因此可以日夜不停地从有机化合物中生产氢气。光发酵与暗发酵的不同之处在于它仅在有光的情况下发生。例如,球状红杆菌 SH2C 的光发酵可用于将低级脂肪酸转化为氢。电解氢用于微生物燃料电池,其中氢气在 0.2 至 0.8 V 的电压下由有机物质(例如废水或固体)产生。生物氢可以在含有藻类的生物反应器中产生。在 1990 年代后期,人们发现如果从藻类中去除硫,它们会像正常的光合作用一样产生氢气而不是氧气。生物氢可以在使用其他原材料的生物反应器中生产,这种原材料通常是废物。该过程由吸收碳氢化合物并释放氢气和二氧化碳的细菌进行。有几种方法可以进一步释放 CO2,只留下氢气。原型废氢生物反应器在宾夕法尼亚州的韦尔奇葡萄汁厂投入使用。吸收碳氢化合物并放出氢气和二氧化碳。有几种方法可以进一步释放 CO2,只留下氢气。原型废氢生物反应器在宾夕法尼亚州的韦尔奇葡萄汁厂投入使用。吸收碳氢化合物并放出氢气和二氧化碳。有几种方法可以进一步释放 CO2,只留下氢气。原型废氢生物反应器在宾夕法尼亚州的韦尔奇葡萄汁厂投入使用。

生物催化剂电解

除了传统的电解之外,还可以使用微生物进行电解。使用生物催化剂进行电解时,通过微生物燃料电池会生成氢气,也可以使用各种水生植物。这些包括家庭 Glyceria、Spartina、大米、西红柿、羽扇豆、藻类。

电解水

氢气可以通过高压电解或低压电解水产生。在今天的市场条件下,用于生产 1 公斤压缩氢气的 50 千瓦时电力的成本与以 8 美分/(千瓦时)生产氢气的成本大致相同。价格等价的原因是大多数氢气是由化石燃料生产的,直接用于生产化学产品比用于生产电力和随后的电解更有效。无论如何,氢能的主要任务是从其他来源获取氢,因此未来计划不使用化石燃料作为原材料。

高压电解

高压电解是水的电解,其中水(H2O)由于电流通过水而分解为氧气(O2)和氢气(H2)。这种电池与传统电池之间的区别在于,氢气在大约 120-200 巴的压力下被去除。当氢气在电解槽中被压缩时,不再需要外部氢气压缩机,内部压缩机的平均能耗约为 3%。

高温电解

氢气可以在高温电解(HTE)过程中获得,以热和电的形式提供能量。由于 HTE 中的部分能量是热能,因此需要进行二次转化(从热能到电能再到化学形式)的能量更少,因此用于生产一千克氢的能量要少得多。核能可用于电解,而核热能可直接用于将水分解为氧气和氢气。在核反应堆中加热到高温(950-1000℃)的气体,通过利用核热能,以热化学的方式将水分解成氧气和氢气。对高温核反应堆能力的研究可能最终导致氢气生产的组织,这将与基于天然气转化的生产竞争。 General Atomics 估计,在高温气体反应堆 (HGH) 中生产的氢气将花费 1.53 美元/公斤。 2003 年,从天然气加工中获得的氢气成本为 1.40 美元/公斤。以2005年天然气成本计算,氢气成本为2.70美元/公斤。高温电解是在实验室进行的,每公斤氢气消耗108 MJ的热能,但没有达到工业规模。此外,这些过程会产生低质量的“工业”氢,不适用于燃料电池。2003 年,从天然气加工中获得的氢气成本为 1.40 美元/公斤。以2005年天然气成本计算,氢气成本为2.70美元/公斤。高温电解是在实验室进行的,每公斤氢气消耗108 MJ的热能,但没有达到工业规模。此外,这些过程会产生低质量的“工业”氢,不适用于燃料电池。2003 年,从天然气加工中获得的氢气成本为 1.40 美元/公斤。以2005年天然气成本计算,氢气成本为2.70美元/公斤。高温电解是在实验室进行的,每公斤氢气消耗108 MJ的热能,但没有达到工业规模。此外,这些过程会产生低质量的“工业”氢,不适用于燃料电池。不适用于燃料电池。不适用于燃料电池。

光电化学分解水

最纯净的制氢方式是基于使用光伏系统产生的电力。水通过电解分解为氢和氧,这是一种光电化学 (PEC) 过程,也称为人工光合作用。在光伏产业中,正在进行旨在开发多结元件的高效技术的研究。

聚光太阳能

将水分解成氧气和氢气需要非常高的温度。该过程需要催化剂才能在较低温度下进行。由于太阳能的集中,可能会发生水加热。Hydrosol-2 是西班牙 Plataforma Solar de Almería 的 100 千瓦实验工厂,可利用阳光将水加热至所需的 800-1200°C。Hydrosol II 自 2008 年开始运行。这个 100 千瓦的实验工厂的开发基于模块化概念。因此,通过增加反应堆单元的数量并将工厂连接到适当大小的定日镜场(自动聚焦太阳的镜场),该技术的范围有可能扩大到兆瓦。

光电催化生产

该方法由东英吉利大学的 Thomas Nunn 和他的团队研究,由涂有磷化铟纳米颗粒 (InP) 层的金电极组成。他们将铁硫配合物引入涂层的层中,结果将其浸入水中并在小电流下用光照射后,以60%的效率产生氢气。

热化学生产

有超过 352 个热化学循环可用于分解水。大约有十几种(例如,氧化铁循环、铈(IV)-氧化铈(III)循环、锌-氧化锌循环、硫-碘循环、铜-氯和杂化硫循环(现在正在研究并处于测试阶段,以便在不使用电力的情况下使用热能从水中获取氢气和氧气。这些过程比高温下的电解更有效,效率范围为 35% - 49% LHV。通常不考虑使用煤或天然气的化学能热化学生产氢气,因为化学方法本身更有效。尽管其中一些已在实验室中得到证明,但没有任何一种制氢热化学过程已用于工业规模。生产氢气的主要工业方法是甲烷(天然气的一部分)与水的反应。在高温下进行:CH4 + 2H2O CO2 ↑ + 4H2 −165 kJ

应用

原子氢用于原子氢焊接。

燃料

液态氢被用作火箭燃料和冷却剂,因为它在所有气体中具有最高的热导率。正在研究使用氢气作为汽车和卡车的燃料。氢发动机不污染环境,只排放水蒸气。一个有前景的领域是使用液态氢作为新型发动机的燃料,即所谓的燃料电池。美国和欧洲已经有加氢站,为在其上运行的汽车和公共汽车供应氢气。这个行业被称为氢能。氢氧燃料电池使用氢气将化学反应的能量直接转化为电能。

化学工业

氢气用于生产甲醇、肥皂和塑料,用于合成氨 NH3、氯化氢 HCl、甲醇 CH3OH,用于天然烃的加氢裂化(在氢气气氛中裂化),在某些生产中作为还原剂金属。

食品工业

天然植物油的氢化作用产生一种固体脂肪——人造黄油。注册为食品添加剂 E949(包装气体,“其他”类)。列入食品添加剂清单,允许在食品工业中用作食品生产的辅助手段。

航空工业

氢气很轻,总是在空气中上升。曾经飞艇和气球充满了氢气。但在二十世纪三十年代。发生了几起灾难,其中飞艇爆炸并燃烧。如今,飞艇充满了氦气,尽管它的成本要高得多。

气象

在气象学中用于填充子弹壳。

预防措施

氢气与空气混合形成爆炸性混合物——所谓的爆炸性气体。这种气体在氢气和氧气的体积比为 2:1 或氢气和空气的体积比为 2:5 时爆炸性最大,因为空气中含有约 21% 的氧气。氢气也是易燃的。液态氢与皮肤接触会导致严重冻伤。据信,氢气与氧气的爆炸性浓度包含 4% 至 96%(体积),当与空气混合时,其浓度为 4% 至 75(74)%(体积)。这些数字现在出现在大多数参考书中,它们可用于近似估计。然而,应该记住,后来的研究(大约 80 年代后期)发现,大量的氢在较低浓度下可能会爆炸。体积越大,氢气浓度越低越危险。这种普遍错误的根源是在实验室中对炸药进行了小批量研究。由于氢与氧的反应是通过自由基机制发生的链式化学反应,因此壁上(或者说,灰尘颗粒的表面)上自由基的损失对于链的延续至关重要。在可能产生大量(场所、机库、商店)“极限”浓度的情况下,应牢记实际爆炸物浓度在较大和较小方向上可能相差 4%。这是通过自由基机制发生的,壁上(或者说,锯末的表面)上自由基的损失对于链的延续至关重要。在可能产生大量(场所、机库、商店)“极限”浓度的情况下,应牢记实际爆炸物浓度在较大和较小方向上可能相差 4%。这是通过自由基机制发生的,壁上(或者说,锯末的表面)上自由基的损失对于链的延续至关重要。在可能产生大量(场所、机库、商店)“极限”浓度的情况下,应牢记实际爆炸物浓度在较大和较小方向上可能相差 4%。

氢原子 氢分子 氢化合物 氢能 反氢

笔记

文学

化学术语表 // J. Opeida, O. Shvaika。物理有机化学与煤炭化学研究所 乌克兰的 LM Litvinenko NAS,顿涅茨克国立大学 - 顿涅茨克:“韦伯”,2008 年。 - 758 页。ISBN 978-966-335-206-0 小型采矿百科全书:3 卷/版。VS 比列茨基。- Д.: Донбас, 2004. - Т. 1: А - К. - 640 с. - ISBN 966-7804-14-3。

关联

HYDROGEN // 医药百科全书