Водород в природе (0,9% в Земной коре). Жидкий водород: свойства и применение Агрегатное состояние водорода с повышением температуры
ВОДОРОД, Н (лат. hydrogenium; а. hydrogen; н. Wasserstoff; ф. hydrogene; и. hidrogeno), — химический элемент периодической системы элементов Менделеева, который относят одновременно к I и VII группам, атомный номер 1, атомная масса 1,0079. Природный водород имеет стабильные изотопы — протий (1 Н), дейтерий (2 Н, или D) и радиоактивный — тритий (3 Н, или Т). Для природных соединений среднее отношение D/Н = (158±2).10 -6 Равновесное содержание 3 Н на Земле ~5.10 27 атомов.
Физические свойства водорода
Водород впервые описал в 1766 английский учёный Г. Кавендиш. При обычных условиях водород — газ без цвета, запаха и вкуса. В природе в свободном состоянии находится в форме молекул Н 2 . Энергия диссоциации молекулы Н 2 — 4,776 эВ; потенциал ионизации атома водорода 13,595 эВ. Водород — самое лёгкое вещество из всех известных, при 0°С и 0,1 МПа 0,0899 кг/м 3 ; t кипения- 252,6°С, t плавления — 259,1°С; критические параметры: t — 240°С, давление 1,28 МПа, плотность 31,2 кг/ м 3 . Наиболее теплопроводный из всех газов — 0,174 Вт/(м.К) при 0°С и 1 МПа, удельная теплоёмкость 14,208.10 3 Дж(кг.К).
Химические свойства водорода
Жидкий водород очень лёгок (плотность при -253°С 70,8 кг/м 3) и текуч ( при -253°С равна 13,8 сП). В большинстве соединений водород проявляет степень окисления +1 (подобен щелочным металлам), реже -1 (подобен гидридам металлов). В обычных условиях молекулярный водород малоактивен; растворимость в воде при 20°С и 1 МПа 0,0182 мл/г; хорошо растворим в металлах — Ni, Pt, Pd и др. С кислородом образует воду с выделением тепла 143,3 МДж/кг (при 25°С и 0,1 МПа); при 550°С и выше реакция сопровождается взрывом. При взаимодействии с фтором и хлором реакции идут также со взрывом. Основные соединения водорода: Н 2 О, аммиак NH 3 , сероводород Н 2 S, CH 4 , гидриды металлов и галогенов CaH 2 , HBr, Hl, а также органические соединения С 2 Н 4 , HCHO, CH 3 OH и др.
Водород в природе
Водород — широко распространённый в природе элемент, содержание его в 1 % (по массе). Главный резервуар водорода на Земле — вода (11,19%, по массе). Водород — один из основных компонентов всех природных органических соединений. В свободном состоянии присутствует в вулканических и других природных газах, в (0,0001%, по числу атомов). Составляет основную часть массы Солнца, звёзд, межзвёздного газа, газовых туманностей. В атмосферах планет присутствует в форме Н 2 , CH 4 , NH 3 , Н 2 О, CH, NHOH и др. Входит в состав корпускулярного излучения Солнца (потоки протонов) и космических лучей (потоки электронов).
Получение и применение водорода
Сырьё для промышленного получения водорода — газы нефтепереработки, продукты газификации и др. Основные способы получения водорода: реакция углеводородов с водяным паром, неполное окисление углеводородов , конверсия окиси , электролиз воды. Водород применяют для производства аммиака, спиртов, синтетического бензина, соляной кислоты, гидроочистки нефтепродуктов, резки металлов водородно-кислородным пламенем.
Водород — перспективное газообразное горючее. Дейтерий и тритий нашли применение в атомной энергетике.
/моль (эВ)
(по Полингу)
вещества
| H | 1 |
| 1,00794 | |
| 1s 1 | |
| Водород | |
Водород является первым элементом периодической системы элементов . Широко распространён в природе. Катион (и ядро) самого распространённого изотопа водорода 1 H— протон. Свойства ядра 1 H позволяют широко использовать ЯМР-спектроскопию в анализе органических веществ.
История водорода
Выделение горючего газа при взаимодействии кислот и металлов наблюдали в XVI и XVII веках на заре становления химии как науки. Прямо указывал на выделение его и М. В. Ломоносов, но уже определённо сознавая, что это не флогистон . Английский физик и химик Г. Кавендиш в 1766 году исследовал этот газ и назвал его «горючим воздухом». При сжигании «горючий воздух» давал воду, но приверженность Кавендиша теории флогистона помешала ему сделать правильные выводы. Французский химик А. Лавуазье совместно с инженером Ж. Менье, используя специальные газометры, в 1783г. осуществил синтез воды, а затем и её анализ, разложив водяной пар раскалённым железом. Таким образом он установил, что «горючий воздух» входит в состав воды и может быть из неё получен.
Происхождение названия водород
Лавуазье дал водороду название hydrogène (отὕδωρ — «вода» и γενναω — «рождаю»)— «рождающий воду». Русское наименование «водород» предложил химик М.Ф.Соловьев в 1824 году— по аналогии с ломоносовским «кислородом ».
Распространённость водорода
Во Вселенной
Водород — самый распространённый элемент во Вселенной . На его долю приходится около 92% всех атомов (8% составляют атомы гелия, доля всех остальных вместе взятых элементов — менее 0,1%). Таким образом, водород — основная составная часть звёзд и межзвёздного газа. В условиях звёздных температур (например, температура поверхности Солнца ~6000 °C) водород существует в виде плазмы , в межзвёздном пространстве этот элемент существует в виде отдельных молекул , атомов и ионов и может образовывать молекулярные облака, значительно различающиеся по размерам, плотности и температуре.
Земная кора и живые организмы
Массовая доля водорода в земной коре составляет 1%— это десятый по распространённости элемент. Однако его роль в природе определяется не массой, а числом атомов, доля которых среди остальных элементов составляет 17% (второе место после кислорода, доля атомов которого равна ~52%). Поэтому значение водорода в химических процессах, происходящих на Земле, почти так же велико, как и кислорода. В отличие от кислорода, существующего на Земле и в связанном, и в свободном состояниях, практически весь водород на Земле находится в виде соединений; лишь в очень незначительном количестве водород в виде простого вещества содержится в атмосфере (0,00005% по объёму).
Водород входит в состав практически всех органических веществ и присутствует во всех живых клетках. В живых клетках по числу атомов на водород приходится почти 50%.
Получение Водорода
Промышленные способы получения простых веществ зависят от того, в каком виде соответствующий элемент находится в природе, то есть что может быть сырьём для его получения. Так, кислород, имеющийся в свободном состоянии, получают физическим способом— выделением из жидкого воздуха. Водород же практически весь находится в виде соединений, поэтому для его получения применяют химические методы. В частности, могут быть использованы реакции разложения. Одним из способов получения водорода служит реакция разложения воды электрическим током.
Основной промышленный способ получения водорода— реакция с водой метана, который входит в состав природного газа. Она проводится при высокой температуре (легко убедиться, что при пропускании метана даже через кипящую воду никакой реакции не происходит):
В лаборатории для получения простых веществ используют не обязательно природное сырьё, а выбирают те исходные вещества, из которых легче выделить необходимое вещество. Например, в лаборатории кислород не получают из воздуха. Это же относится и к получению водорода. Один из лабораторных способов получения водорода, который иногда применяется и в промышленности,— разложение воды электротоком.
Обычно в лаборатории водород получают взаимодействием цинка с соляной кислотой.
Получение водорода в промышленности
1.Электролиз водных растворов солей:
2NaCl +2H 2 O → H 2 +2NaOH +Cl 2
2.Пропускание паров воды над раскаленным коксом при температуре около 1000°C:
H 2 O + ⇄ H 2 +CO
3.Из природного газа.
Конверсия с водяным паром:
CH 4 +H 2 O ⇄ CO +3H 2 (1000°C)
Каталитическое окисление кислородом:
2CH 4 +O 2 ⇄ 2CO +4H 2
4. Крекинг и риформинг углеводородов в процессе переработки нефти.
Получение водорода в лаборатории
1.Действие разбавленных кислот на металлы. Для проведения такой реакции чаще всего используют цинк и разбавленную соляную кислоту:
+2HCl → ZnCl 2 +H 2
2.Взаимодействие кальция с водой:|
+2H 2 O → Ca(OH) 2 +H 2
3.Гидролиз гидридов:
NaH +H 2 O → NaOH +H 2
4.Действие щелочей на цинк или алюминий:
2 +2NaOH +6H 2 O → 2Na +3H 2
+2KOH +2H 2 O → K 2 +H 2
5.С помощью электролиза. При электролизе водных растворов щелочей или кислот на катоде происходит выделение водорода, например:
2H 3 O + +2e - → H 2 +2H 2 O
Дополнительная информация про Водород
Биореактор для производства водорода
Физические свойства Водорода
Спектр излучения водорода
Эмиссионный спектр водорода
Разделить модификации водорода можно адсорбцией на активном угле при температуре жидкого азота. При очень низких температурах равновесие между ортоводородом и параводородом почти нацело сдвинуто в сторону последнего. При 80 К соотношение форм приблизительно 1:1. Десорбированный параводород при нагревании превращается в ортоводород вплоть до образования равновесной при комнатной температуре смеси (орто-пара: 75:25). Без катализатора превращение происходит медленно (в условиях межзвездной среды— с характерными временами вплоть до космологических), что даёт возможность изучить свойства отдельных модификаций.
Водород — самый лёгкий газ , он легче воздуха в 14,5 раз. Очевидно, что чем меньше масса молекул, тем выше их скорость при одной и той же температуре. Как самые лёгкие, молекулы водорода движутся быстрее молекул любого другого газа и тем самым быстрее могут передавать теплоту от одного тела к другому. Отсюда следует, что водород обладает самой высокой теплопроводностью среди газообразных веществ. Его теплопроводность примерно в семь раз выше теплопроводности воздуха.
Молекула водорода двухатомна — Н 2 . При нормальных условиях — это газ без цвета, запаха и вкуса. Плотность 0,08987 г/л (н.у.), температура кипения −252,76 °C, удельная теплота сгорания 120.9·10 6 Дж/кг, малорастворим в воде — 18,8 мл/л. Водород хорошо растворим во многих металлах ( , , и др.), особенно в палладии (850 объёмов на 1объём Pd). С растворимостью водорода в металлах связана его способность диффундировать через них; диффузия через углеродистый сплав (например, сталь) иногда сопровождается разрушением сплава вследствие взаимодействия водорода с углеродом (так называемая декарбонизация). Практически не растворим в серебре.
Фазовая диаграмма водорода
Жидкий водород существует в очень узком интервале температур от −252,76 до −259,2 °C. Это бесцветная жидкость, очень лёгкая (плотность при −253 °C 0,0708 г/см 3) и текучая (вязкость при −253 °C 13,8 спуаз). Критические параметры водорода очень низкие: температура −240,2 °C и давление 12,8 атм. Этим объясняются трудности при ожижении водорода. В жидком состоянии равновесный водород состоит из 99,79% пара-Н 2 , 0,21% орто-Н 2 .
Твердый водород, температура плавления −259,2 °C, плотность 0,0807 г/см 3 (при −262 °C) — снегоподобная масса, кристаллы гексогональной сингонии, пространственная группа P6/mmc, параметры ячейки a =3,75 c =6,12. При высоком давлении водород переходит в металлическое состояние.
Изотопы
Водород встречается в виде трёх изотопов , которые имеют индивидуальные названия: 1 H— протий (Н), 2 Н— дейтерий (D), 3 Н— тритий (радиоактивный) (T).
Протий и дейтерий являются стабильными изотопами с массовыми числами 1и 2. Содержание их в природе соответственно составляет 99,9885±0,0070% и 0,0115 ± 0,0070%. Это соотношение может незначительно меняться в зависимости от источника и способа получения водорода.
Изотоп водорода 3 Н (тритий) нестабилен. Его период полураспада составляет 12,32 лет. Тритий содержится в природе в очень малых количествах.
В литературе также приводятся данные об изотопах водорода с массовыми числами 4— 7и периодами полураспада 10 −22 — 10 −23 с.
Природный водород состоит из молекул H 2 и HD (дейтероводород) в соотношении 3200:1. Содержание чистого дейтерийного водорода D 2 ещё меньше. Отношение концентраций HD и D 2 , примерно, 6400:1.
Из всех изотопов химических элементов физические и химические свойства изотопов водорода отличаются друг от друга наиболее сильно. Это связано с наибольшим относительным изменением масс атомов.
|
Температура плавления, K |
Температура кипения, K |
Тройная точка, K /kPa |
Критическая точка, K /kPa |
Плотность жидкий /газ, кг/м³ |
|
|---|---|---|---|---|---|
| H 2 | 13.95 | 20,39 | 13,96 /7,3 | 32,98 /1,31 | 70,811 /1,316 |
| HD | 16,60 | 22,13 | 16,60 /12,8 | 35,91 /1,48 | 114,80 /1,802 |
| HT | 22,92 | 17,63 /17,7 | 37,13 /1,57 | 158,62 /2,310 | |
| D 2 | 18,62 | 23,67 | 18,73 /17,1 | 38,35 /1,67 | 162,50 /2,230 |
| DT | 24.38 | 19,71 /19,4 | 39,42 /1,77 | 211,54 /2,694 | |
| T 2 | 25,04 | 20,62 /21,6 | 40,44 /1,85 | 260,17 /3,136 |
Дейтерий и тритий также имеют орто- и пара- модификации: p -D 2 , o -D 2 , p -T 2 , o -T 2 . Гетероизотопный водород (HD, HT, DT) не имеют орто- и пара- модификаций.
Химические свойства
Молекулы водорода Н 2 довольно прочны, и для того, чтобы водород мог вступить в реакцию, должна быть затрачена большая энергия:
Н 2 =2Н − 432 кДж
Поэтому при обычных температурах водород реагирует только с очень активными металлами, например с кальцием, образуя гидрид кальция:
Н 2 =СаН 2
и с единственным неметаллом— фтором, образуя фтороводород:
F 2 +H 2 =2HF
С большинством же металлов и неметаллов водород реагирует при повышенной температуре или при другом воздействии, например при освещении:
О 2 +2Н 2 =2Н 2 О
Он может «отнимать» кислород от некоторых оксидов, например:
CuO +Н 2 = +Н 2 O
Записанное уравнение отражает восстановительные свойства водорода.
N 2 +3H 2 → 2NH 3
С галогенами образует галогеноводороды:
F 2 +H 2 → 2HF, реакция протекает со взрывом в темноте и при любой температуре, Cl 2 +H 2 → 2HCl, реакция протекает со взрывом, только на свету.
С сажей взаимодействует при сильном нагревании:
2H 2 → CH 4
Взаимодействие со щелочными и щёлочноземельными металлами
При взаимодействии с активными металлами водород образует гидриды:
2 +H 2 → 2NaH +H 2 → CaH 2 +H 2 → MgH 2
Гидриды — солеобразные, твёрдые вещества, легко гидролизуются:
CaH 2 +2H 2 O → Ca(OH) 2 +2H 2
Взаимодействие с оксидами металлов (как правило, d-элементов)
Оксиды восстанавливаются до металлов:
CuO +H 2 → Cu +H 2 O Fe 2 O 3 +3H 2 → 2Fe +3H 2 O WO 3 +3H 2 → W+3H 2 O
Гидрирование органических соединений
Молекулярный водород широко применяется в органическом синтезе для восстановления органических соединений. Эти процессы навзывают реакциями гидрирования . Эти реакции проводят в присутствии катализатора при повышенных давлении и температуре. Катализатор может быть как гомогенным (напр. Катализатор Уилкинсона), так и гетерогенным (напр. никель Ренея, палладий на угле).
Так, в частности, при каталитическом гидрировании ненасыщенных соединений, таких как алкены и алкины, образуются насыщенные соединения — алканы.
Геохимия водорода
Свободный водород H 2 относительно редко встречается в земных газах, но в виде воды он принимает исключительно важное участие в геохимических процессах.
В состав минералов водород может входить в виде иона аммония, гидроксил-иона и кристаллической воды.
В атмосфере водород непрерывно образуется в результате разложения воды солнечным излучением. Имея малую массу, молекулы водорода обладают высокой скоростью диффузионного движения (она близка ко второй космической скорости) и, попадая в верхние слои атмосферы, могут улететь в космическое пространство.
Особенности обращения
Применение водорода
Атомарный водород используется для атомно-водородной сварки.
Химическая промышленность
При производстве аммиака, метанола, мыла и пластмасс
Пищевая промышленность
При производстве маргарина из жидких растительных масел.
Зарегистрирован в качестве пищевой добавки E949
(упаковочный газ)
Авиационная промышленность
Водород очень лёгок и в воздухе всегда поднимается вверх. Когда-то дирижабли и воздушные шары наполняли водородом. Но в 30-х гг. XXв. произошло несколько катастроф, когда дирижабли взрывались и сгорали. В наше время дирижабли наполняют гелием.
Топливо
Водород используют в качестве ракетного топлива. Ведутся исследования по применению водорода как топлива для легковых и грузовых автомобилей. Водородные двигатели не загрязняют окружающей среды и выделяют только водяной пар.
В водородно-кислородных топливных элементах используется водород для непосредственного преобразования энергии химической реакции в электрическую.
Водород, Hydrogenium, Н (1)
Как горючий (воспламеняемый) воздух водород известен довольно давно. Его получали действием кислот на металлы, наблюдали горение и взрывы гремучего газа Парацельс, Бойль, Лемери и другие ученые XVI— XVIII вв. С распространением теории флогистона некоторые химики пытались получить водород в качестве «свободного флогистона». В диссертации Ломоносова «О металлическом блеске» описано получение водорода действием «кислотных спиртов» (например, «соляного спирта», т. е. соляной кислоты) на железо и другие металлы; русский ученый первым (1745) выдвинул гипотезу, о том что водород («горючий пар»— vapor inflammabilis) представляет собой флогистон. Кавендиш, подробно исследовавший свойства водорода, выдвинул подобную же гипотезу в 1766 г. Он называл водород «воспламеняемым воздухом», полученным из «металлов» (Inflammable air from metals), и полагал, как и все флогистики, что при растворении в кислотах металл теряет свой флогистон. Лавуазье, занимавшийся в 1779 г. исследованием состава воды путем ее синтеза и разложения, назвал водород Hydrogine (гидроген), или Hydrogene (гидрожен), от греч. гидор— вода и гайноме— произвожу, рождаю.
Номенклатурная комиссия 1787 г. приняла словопроизводство Hydrogene от геннао, рождаю. В «Таблице простых тел» Лавуазье водород (Hydrogene) упомянут в числе пяти (свет, теплота, кислород, азот, водород) «простых тел, относящихся ко всем трем царствам природы и которые следует рассматривать как элементы тел»; в качестве старых синонимов названия Hydrogene Лавуазье называет горючий газ (Gaz inflammable), основание горючего газа. В русской химической литературе конца XVIII и начала XIX в. встречаются два рода названий водорода: флогистические (горючий газ, горючий воздух, воспламенительный воздух, загораемый воздух) и антифлогистические (водотвор, водотворное существо, водотворный гас, водородный гас, водород). Обе группы слов представляют собой переводы французских названий водорода.
Изотопы водорода были открыты в 30-x годах текущего столетия и быстро приобрели большое значение в науке и технике. В конце 1931 г. Юри, Брекуэдд и Мэрфи исследовали остаток после длительного выпаривания жидкого водорода и обнаружили в нем тяжелый водород с атомным весом 2. Этот изотоп назвали дейтерием (Deuterium, D) от греч.— другой, второй. Спустя четыре года в воде, подвергнутой длительному электролизу, был обнаружен еще более тяжелый изотоп водорода 3Н, который назвали тритием (Tritium, Т), от греч.— третий.
Водоро́д (калька с латинского: лат. Hydrogenium - hydro = «вода», gen = «порождающий»; hydrogenium - «порождающий воду»; обозначается символом H) - первый элемент периодической системы элементов . Широко распространён в природе. Катион (и ядро) самого распространённого изотопа водорода 1 H - протон. Свойства ядра 1 H позволяют широко использовать ЯМР-спектроскопию в анализе органических веществ.
Три изотопа водорода имеют собственные названия: 1 H - протий (Н), 2 H - дейтерий (D) и 3 H - тритий (радиоактивен) (T).
Простое вещество водород - H 2 - лёгкий бесцветный газ. В смеси с воздухом или кислородом горюч и взрывоопасен. Нетоксичен. Растворим в этаноле и ряде металлов: железе, никеле, палладии, платине.
История
Выделение горючего газа при взаимодействии кислот и металлов наблюдали в XVI и XVII веках на заре становления химии как науки. Прямо указывал на выделение его и Михаил Васильевич Ломоносов, но уже определённо сознавая, что это не флогистон. Английский физик и химик Генри Кавендиш в 1766 году исследовал этот газ и назвал его «горючим воздухом». При сжигании «горючий воздух» давал воду, но приверженность Кавендиша теории флогистона помешала ему сделать правильные выводы. Французский химик Антуан Лавуазье совместно с инженером Ж. Менье, используя специальные газометры, в 1783 г. осуществил синтез воды, а затем и её анализ, разложив водяной пар раскалённым железом. Таким образом он установил, что «горючий воздух» входит в состав воды и может быть из неё получен.
Происхождение названия
Лавуазье дал водороду название hydrogène (от др.-греч. ὕδωρ - вода и γεννάω - рождаю) - «рождающий воду». Русское наименование «водород» предложил химик М. Ф. Соловьев в 1824 году - по аналогии с «кислородом» М. В. Ломоносова.
Распространённость
Во Вселенной
Водород - самый распространённый элемент во Вселенной. На его долю приходится около 92 % всех атомов (8 % составляют атомы гелия, доля всех остальных вместе взятых элементов - менее 0,1 %). Таким образом, водород - основная составная часть звёзд и межзвёздного газа. В условиях звёздных температур (например, температура поверхности Солнца ~ 6000 °C) водород существует в виде плазмы, в межзвёздном пространстве этот элемент существует в виде отдельных молекул, атомов и ионов и может образовывать молекулярные облака, значительно различающиеся по размерам, плотности и температуре.
Земная кора и живые организмы
Массовая доля водорода в земной коре составляет 1 % - это десятый по распространённости элемент. Однако его роль в природе определяется не массой, а числом атомов, доля которых среди остальных элементов составляет 17 % (второе место после кислорода, доля атомов которого равна ~ 52 %). Поэтому значение водорода в химических процессах, происходящих на Земле, почти так же велико, как и кислорода. В отличие от кислорода, существующего на Земле и в связанном, и в свободном состояниях, практически весь водород на Земле находится в виде соединений; лишь в очень незначительном количестве водород в виде простого вещества содержится в атмосфере (0,00005 % по объёму).
Водород входит в состав практически всех органических веществ и присутствует во всех живых клетках. В живых клетках по числу атомов на водород приходится почти 50 %.
Получение
Промышленные способы получения простых веществ зависят от того, в каком виде соответствующий элемент находится в природе, то есть что может быть сырьём для его получения. Так, кислород, имеющийся в свободном состоянии, получают физическим способом - выделением из жидкого воздуха. Водород же практически весь находится в виде соединений, поэтому для его получения применяют химические методы. В частности, могут быть использованы реакции разложения. Одним из способов получения водорода служит реакция разложения воды электрическим током.
Основной промышленный способ получения водорода - реакция с водой метана, который входит в состав природного газа. Она проводится при высокой температуре:
СН 4 + 2Н 2 O = CO 2 + 4Н 2 −165 кДж
Один из лабораторных способов получения водорода, который иногда применяется и в промышленности, - разложение воды электротоком. Обычно в лаборатории водород получают взаимодействием цинка с соляной кислотой.
Хранение водорода.
Гладышева Марина Алексеевна, 10А,школа №75, г. Черноголовка. Доклад на конференции "Старт в науку", МФТИ, 2004.
Привлекательность водорода как универсального энергоносителя определяется экологической чистотой, гибкостью и эффективностью процессов преобразования энергии с его участием. Технологии разномасштабного производства водорода достаточно хорошо освоены и имеют практически неограниченную сырьевую базу. Однако низкая плотность газообразного водорода, низкая температура его ожижения, а также высокая взрывоопасность в сочетании с негативным воздействием на свойства конструкционных материалов, ставят на первый план проблемы разработки эффективных и безопасных систем хранения водорода - именно эти проблемы сдерживают развитие водородной энергетики и технологии в настоящее время.
В соответствии с классификацией департамента энергетики США, методы хранения водородного топлива можно разделить на 2 группы:
Первая группа включает физические методы, которые используют физические процессы (главным образом, компрессирование или ожижение) для переведения газообразного водорода в компактное состояние. Водород, хранимый с помощью физических методов, состоит из молекул Н 2 , слабо взаимодействующих со средой хранения. На сегодня реализованы следующие физические методы, хранения водорода:
Сжатый газообразный водород:
газовые баллоны;
стационарные массивные системы хранения, включая подземные резервуары;
хранение в трубопроводах;
стеклянные микросферы.
Жидкий водород: стационарные и транспортные криогенные контейнеры.
В химических методах хранение водорода обеспечивается физическими или химическими процессами его взаимодействия с некоторыми материалами. Данные методы характеризуются сильным взаимодействием молекулярного либо атомарного водорода с материалом среды хранения. Данная группа методов главным образом включает следующие:
Адсорбционный:
цеолиты и родственные соединения;
активированный уголь;
углеводородные наноматериалы.
Абсорбция в объёме материала (металлогидриды)
Химическое взаимодействие:
алонаты;
фуллерены и органические гидриды;
аммиак;
губчатое железо;
водореагирующие сплавы на основе алюминия и кремния.
Хранение газообразного водорода не является более сложной проблемой, чем хранение природного газа. На практике для этого применяют газгольдеры, естественные подземные резервуары (водоносные породы, выработанные месторождения нефти и газа), хранилища, созданные подземными атомными взрывами. Доказана принципиальная возможность хранения газообразного водорода в соляных кавернах, создаваемых путём растворения соли водой через боровые скважины.
Для хранения газообразного водорода при давлении до 100 Мпа используют сварные сосуды с двух- или многослойными стенками. Внутренняя стенка такого сосуда выполнена из аустенитной нержавеющей стали или другого материала, совместимого с водородом в условиях высокого давления, внешние слои – из высокопрочных сталей. Для этих целей применяют и бесшовные толстостенные сосуды из низкоуглеродистых сталей, расчитанных на давление до 40 – 70 Мпа.
Широкое распространение получило хранение газообразного водорода в газгольдерах с водяным бассейном (мокрые газгольдеры), поршневых газгольдерах постоянного давления (сухие газгольдеры), газгольдерах постоянного объёма (ёмкости высокого давления). Для хранения малых количеств водорода используют баллоны.
Следует иметь в виду, что мокрые, а также сухие (поршневые) газгольдеры сварной конструкции не обладают достаточной герметичностью. Согласно техническим условиям допускается утечка водорода при нормальной эксплуатации мокрых газгольдеров вместимостью до 3000 м 3 – около 1,65%, а вместимостью от 3000 м 3 и более - около 1,1% в сутки (считая на номинальный объём газгольдера).
Одним из наиболее перспективных способов хранения больших количеств водорода является хранение его в водоносных горизонтах. Годовые потери составляют при таком способе хранения 1 – 3%. Эту величину потерь подтверждает опыт хранения природного газа.
Газообразный водород возможно хранить и перевозить в стальных сосудах под давлением до 20 Мпа. Такие ёмкости можно подвозить к месту потребления на автомобильных или железнодорожных платформах, как в стандартной таре, так и в специально сконструированных контейнерах.
Для хранения и перевозки небольших количеств сжатого водорода при температурах от –50 до +60 0 С используют стальные бесшовные баллоны малой ёмкости до 12 дм 3 и средней ёмкости 20 – 50 дм 3 с рабочим давлением до 20 Мпа. Корпус вентиля изготавливают из латуни. Баллоны окрашивают в тёмно-зелёный цвет, они имеют красного цвета надпись “Водород”.
Баллоны для хранения водорода достаточно просты и компактны. Однако для хранения 2 кг Н 2 требуются болоны массой 33 кг. Прогресс в материаловедении даёт возможность снизить массу материала баллона до 20 кг на 1 кг водорода, а в дальнейшем возможно снижение до 8 – 10 кг. Пока масса водорода при хранении его в баллонах составляет примерно 2 – 3% от массы самого баллона.
Большие количества водорода можно хранить в крупных газгольдерах под давлением. Газгольдеры обычно изготовляют из углеродистой стали. Рабочее давление в них обычно не превышает 10 Мпа. Вследствие малой плотности газообразного водорода хранить его в таких ёмкостях выгодно лишь в сравнительно небольших количествах. Повышение же давление сверх указанного, например, до сотен мега Паскаль, во-первых, вызывает трудности, связанные с водородной коррозией углеродистых сталей, и, во-вторых, приводит к существенному удорожанию подобных ёмкостей.
Для хранения очень больших количеств водорода экономически эффективным является способ хранения истощённых газовых и водоносных пластах. В США насчитывается более 300 подземных хранилищ газа.
Газообразный водород в очень больших количествах хранится в соляных кавернах глубиной 365 м при давлении водорода 5 Мпа, в пористых водонаполненных структурах вмещающих до 20·10 6 м 3 водорода.
Опыт продолжительного хранения (более 10 лет) в подземных газохранилищах газа с содержанием 50 % водорода показал полную возможность его хранения без заметных утечек. Слои глины, пропитанные водой, могут обеспечивать герметичное хранение ввиду слабого растворения водорода в воде.
Хранение жидкого водорода
Среди многих уникальных свойств водорода, которые важно учитывать при его хранении в жидком виде, одно является особенно важным. Водород в жидком состоянии находится в узком интервале температур: от точки кипения 20К до точки замерзания 17К, когда он переходит в твёрдое состояние. Если температура поднимается выше точки кипения, водород мгновенно переходит из жидкого состояния в газообразное.
Чтобы не допустить местных перегревов, сосуды, которые заполняют жидким водородом, следует предварительно охладить до температуры, близкой к точки кипения водорода, только после этого можно заполнять их жидким водородом. Для этого через систему пропускают охлаждающий газ, что связано с большими расходами водорода на захолаживание ёмкости.
Переход водорода из жидкого состояния в газообразное связан с неизбежными потерями от испарения. Стоимость и энергосодержание испаряющегося газа значительны. Поэтому организация использования этого газа с точки зрения экономики и техники безопасности необходимы. По условиям безопасной эксплуатации криогенного сосуда необходимо, чтобы после достижения максимального рабочего давления в ёмкости газовое пространство составляло не менее 5 %.
К резервуарам для хранения жидкого водорода предъявляют ряд требований:
конструкция резервуара должна обеспечивать прочность и надёжность в работе, длительную безопасную эксплуатацию;
расход жидкого водорода на предварительное охлаждение хранилища перед его заполнением жидким водородом должен быть минимальным;
резервуар для хранения должен быть снабжён средствами для быстрого заполнения жидким водородом и быстрой выдачи хранимого продукта.
Главная часть криогенной системы хранения водорода – теплоизолированные сосуды, масса которых примерно в 4 – 5 раз меньше на 1 кг хранимого водорода, чем при баллонном хранении под высоким давлением. В криогенных системах хранения жидкого водорода на 1 кг водорода приходится 6 – 8 кг массы криогенного сосуда, а по объёмным характеристикам криогенные сосуды соответствуют хранению газообразного водорода под давлением 40 Мпа.
Жидкий водород в больших количествах хранят в специальных хранилищах объёмом до 5 тыс. м 3 . Крупное шарообразное хранилище для жидкого водорода объёмом 2850 м 3 имеет внутренний диаметр алюминиевой сферы 17,4 м 3 .
Хранение и транспортирование водорода в химически связанном состоянии
Преимущества хранения и транспортирование водорода в форме аммиака, метанола, этанола на дальние расстояния состоят в высокой плотности объёмного содержания водорода. Однако в этих формах хранения водорода среда хранения используется однократно. Температура сжижения аммиака 239,76 К, критическая температура 405 К, так что при нормальной температуре аммиак сжижается при давлении 1,0 Мпа и его можно транспортировать по трубам и хранить в жидком виде. Основные соотношения приведены ниже:
1 м 3 Н 2 (г) » 0,66 м 3 NH 3 » 0?75 дм 3 Н 2 (ж);
1 т NH 3 » 1975 м 3 Н 2 + 658 м 3 N 2 – 3263 МДж;
2NH 3 ?N 2 + 3Н 2 – 92 кДж.
В диссоциаторах для разложения аммиака (крекерах), которое протекает при температурах примерно порядка 1173 – 1073 К и атмосферном давлении, используется отработанный железный катализатор для синтеза аммиака. Для получения одного кг водорода затрачивается 5,65 кг аммиака. Что касается затрат тепла на диссоциацию аммиака при использовании этого тепла со стороны, то теплота сгорания полученного водорода может до 20% превосходить теплоту сгорания использованного в процессе разложения аммиака. Если же для процесса диссоциации используется водород, полученный в процессе, то КПД такого процесса (отношение теплоты полученного газа к теплоте сгорания затраченного аммиака) не превышает 60 – 70%.
Водород из метанола может быть получен по двум схемам: либо методом каталитического разложения:
СН 3 ОН? СО+2Н 2 – 90 кДж
с последующей каталитической конверсией СО, либо каталитической паровой конверсии в одну стадию:
Н 2 О+СН 3 ОН?СО 2 +3Н 2 – 49 кДж.
Обычно для процесса используют цинк-хромовый катализатор синтеза метанола. Процесс протекает при 573 – 673 К. Метанол можно использовать как горючее для процессов конверсии. В этом случае КПД процесса получения водорода составляет 65 – 70% (отношение теплоты полученного водорода к теплоте сгорания затраченного метанола); если теплота для процесса получения водорода подводится извне, теплота сгорания водорода, полученного методом каталитического разложения, на 22%, а водорода, полученного методом паровой конверсии, на 15% превосходят теплоту сгорания затраченного метанола.
К сказанному следует добавить, что при создании энерго-технологичекой схемы с использованием отходящего тепла и применения водорода, полученного из метанола, аммиака или этанола, можно получить КПД процесса более высокий, чем при использовании указанных продуктов как синтетических жидких горючих. Так, при прямом сжигании метанола и газотурбинной установке КПД составляет 35%, при проведении же за счёт тепла отходящих газов испарения и каталитической конверсии метанола и сжигания смеси СО+Н 2 КПД возрастает до 41,30%, а при проведении паровой конверсии и сжигания полученного водорода – до 41,9%.
Гидридная система хранения водорода
В случае хранения водорода в гидридной форме отпадает необходимость в громоздких и тяжёлых баллонах, требуемых при хранении газообразного водорода в сжатом виде, или сложных в изготовлении и дорогих сосудов для хранения жидкого водорода. При хранении водорода в виде гидридов объём системы уменьшается примерно в 3 раза по сравнению с объёмом хранения в баллонах. Упрощается транспортирование водорода. Отпадают расходы на конверсию и сжижение водорода.
Водород из гидридов металлов можно получить по двум реакциям: гидролиза и диссоциации.
Методом гидролиза можно получать вдвое больше водорода, чем его находится в гидриде. Однако этот процесс практически необратим. Метод получения водорода термической диссоциацией гидрида даёт возможность создать аккумуляторы водорода, для которых незначительное изменение температуры и давления в системе вызывает существенное изменение равновесия реакции образования гидрида.
Стационарные устройства для хранения водорода в форме гидридов не имеет строгих ограничений по массе и объёму, поэтому лимитирующим фактором выбора того или иного гидрида буде, по всей вероятности, его стоимость. Для некоторых направлений использования может оказаться полезным гидрид ванадия, поскольку он хорошо диссоциирует при температуре, близкой в 270 К. Гидрид магния является относительно недорогим, но имеет сравнительно высокую температуру диссоциации 560 – 570 К и высокую теплоту образования. Железо-титановый сплав сравнительно недорог, а гидрид его диссоциирует при температурах 320 – 370 К с низкой теплотой образования. Использование гидридов имеет значительные преимущества в отношении техники безопасности. Повреждённый сосуд с гидридом водорода представляет значительно меньшую опасность, чем повреждённый жидководородный танк или сосуд высокого давления, заполненный водородом.
В настоящий момент в Институте проблем химической физики РАН в Черноголовке ведутся работы по созданию аккумуляторов водорода на основе гидридов металла.
Список используемой литературы :
1. Справочник. “Водород. Свойства, получение, хранение, транспортирование, применение”. Москва “Химия” - 1989 г.
2. “Обзор методов хранения водорода”. Институт проблем материаловедения НАН Украины. http://shp.by.ru/sci/fullerene/rorums/ichms/2003/
Водород (Н) очень легкий химический элемент, с содержанием в Земной коре 0,9% по массе, а в воде 11,19%.
Характеристика водорода
По легкости он первый среди газов. При нормальных условиях безвкусен, бесцветен, и абсолютно без запаха. При попадании в термосферу улетает в космос из-за малого веса.
Во всей вселенной это самый многочисленный химический элемент (75% от всей массы веществ). Настолько, что многие звезды в космическом пространстве состоят полностью из него. Например, Солнце. Его основной компонент - водород. А тепло и свет это итог выделения энергии при слиянии ядер материала. Так же в космосе есть целые облака из его молекул различной величины, плотности и температуры.
Физические свойства
Высокая температура и давление значительно меняют его качества, но при обычных условиях он:
Обладает высокой теплопроводностью, если сравнивать с другими газами,
Нетоксичен и плохо растворим в воде,
С плотностью 0,0899 г/л при 0°С и 1 атм.,
Превращается в жидкость при температуре -252,8°С
Становится твердым при -259,1°С.,
Удельная теплота сгорания 120,9.106 Дж/кг.
Для превращения в жидкость или твердое состояние требуются высокое давление и очень низкие температуры. В сжиженном состоянии он текуч и легок.
Химические свойства
Под давлением и при охлаждении (-252,87 гр. С) водород обретает жидкое состояние, которое по весу легче любого аналога. В нем он занимает меньше места, чем в газообразном виде.
Он типичный неметалл. В лабораториях его получают путем взаимодействия металлов (например, цинка или железа) с разбавленными кислотами. При обычных условиях малоактивен и вступает в реакцию только с активными неметаллами. Водород может отделять кислород из оксидов, и восстанавливать металлы из соединений. Он и его смеси образуют водородную связь с некоторыми элементами.
Газ хорошо растворяется в этаноле и во многих металлах, особенно в палладии. Серебро его не растворяет. Водород может окисляться во время сжигания в кислороде или на воздухе, и при взаимодействии с галогенами.
Во время соединения с кислородом, образуется вода. Если температура при этом обычная, то реакция идет медленно, если выше 550°С - со взрывом (превращается в гремучий газ).
Нахождение водорода в природе
Хотя водорода очень много на нашей планете, но в чистом виде его найти нелегко. Немного можно обнаружить при извержении вулканов, во время добычи нефти и в месте разложения органических веществ.
Больше половины всего количества находится в составе с водой. Так же он входит в структуру нефти, различной глины, горючих газов, животных и растений (присутствие в каждой живой клетке 50% по числу атомов).
Круговорот водорода в природе
Каждый год в водоемах и почве разлагается колоссальное количество (миллиарды тонн) остатков растений и это разложение выплескивает в атмосферу огромную массу водорода. Так же он выделяется при любом брожении, вызываемом бактериями, сжигании и наравне с кислородом участвует в круговороте воды.
Области применения водорода
Элемент активно используется человечеством в своей деятельности, поэтому мы научились получать его в промышленных масштабах для:
Метеорологии, химпроизводства;
Производства маргарина;
Как горючее для ракет (жидкий водород);
Электроэнергетики для охлаждения электрических генераторов;
Сварки и резки металлов.
Масса водорода используется при производстве синтетического бензина (для улучшения качества топлива низкого качества), аммиака, хлороводорода, спиртов, и других материалов. Атомная энергетика активно использует его изотопы.
Препарат «перекись водорода» широко применяют в металлургии, электронной промышленности, целлюлозно-бумажном производстве, при отбеливании льняных и хлопковых тканей, для изготовления красок для волос и косметики, полимеров и в медицине для обработки ран.
«Взрывной» характер этого газа может стать гибельным оружием - водородной бомбой. Ее взрыв сопровождается выбросом огромного количества радиоактивных веществ и губительно для всего живого.
Соприкосновение жидкого водорода и кожных покровов грозит сильным и болезненным обморожением.