Vodik

Iz Wikipedije, proste enciklopedije
Pojdi na navigacijo Pojdi v iskanje
Vodik
Nevtronij | Helij
1 H

Li
ВодородГелийЛитийБериллийБорУглеродАзотКислородФторНеонНатрийМагнийАлюминийКремнийФосфорСераХлорАргонКалийКальцийСкандийТитанВанадийХромМарганецЖелезоКобальтНикельМедьЦинкГаллийГерманийМышьякСеленБромКриптонРубидийСтронцийИттрийЦирконийНиобийМолибденТехнецийРутенийРодийПалладийСереброКадмийИндийОловоСурьмаТеллурИодКсенонЦезийБарийЛантанЦерийПразеодимНеодимПрометийСамарийЕвропийГадолинийТербийДиспрозийГольмийЭрбийТулийИттербийЛютецийГафнийТанталВольфрамРенийОсмийИридийПлатинаЗолотоРтутьТаллийСвинецВисмутПолонийАстатРадонФранцийРадийАктинийТорийПротактинийУранНептунийПлутонийАмерицийКюрийБерклийКалифорнийЭйнштейнийФермийМенделевийНобелийЛоуренсийРезерфордийДубнийСиборгийБорийХассийМейтнерийДармштадтийРентгенийКоперницийНихонийФлеровийМосковийЛиверморийТеннессинОганесонPeriodni sistem elementov
1 H
Šesterokotna.svg
Elektronska lupina 001 Hydrogen.svg
Videz preproste snovi
Plin brez barve, vonja in okusa
Cev za odvod vodika.jpg
Vodik v izpustni cevi
Lastnosti atoma
Ime, simbol, številka Vodik (H), 1
Atomska masa
( molska masa )
[ 1,008[1] ; 1.00811] [comm 1] [2] a. e.m. ( g / mol )
Elektronska konfiguracija 1s 1
Polmer atoma 53.00
Kemijske lastnosti
Kovalentni polmer 32.00
Ionski polmer 54 (-1 e) popoldan
Elektronegativnost 2,20 [3] (Paulingova lestvica)
Stanja oksidacije +1, 0, −1
Energija ionizacije
(prvi elektron)
1311,3 (13,595) kJ / mol ( eV )
Termodinamične lastnosti preproste snovi
Gostota (pri št. ) 0,0000899 (pri 273 K (0 ° C)) g / cm³
Temperatura taljenja 14,01 K ; -259,14 ° C
Temperatura vrelišča 20,28 K ; -252,87 ° C
Trojna točka 13,96 K (-259,19 ° C ), 7,205[5] kPa
Kritična točka 32,24 K , 1,30[6] MPa
Ud. toplota fuzije 0,117 kJ / mol
Ud. toplota uparjanja 0,904 kJ / mol
Molarna toplotna zmogljivost 28,47 [4] J / (K · mol)
Molarni volumen 14,1 cm ³ / mol
Kristalna rešetka preproste snovi
Rešetkasta struktura šesterokotne
Parametri rešetke a = 3,780 c = 6,167 Å
C / a razmerje 1.631
Debaj temperatura 110 K.
Druge značilnosti
Toplotna prevodnost (300 K) 0,1815 W / (m K)
Številka CAS 12385-13-6
Emisijski spekter
410.0 нм434.0 нм486.1 нм656.2 нмVidljiv vodikov spekter.png
1
Vodik
H
1,008[1]
1s 1

Vodik ( H , lat. Hydrogenium ) je kemični element periodnega sistema z oznako H in atomsko številko 1, najlažji element v periodnem sistemu. Njegova enoatomska oblika je najbolj razširjena kemikalija v vesolju , ki predstavlja približno 75% vse barionske mase. Zvezde, razen kompaktnih, so v glavnem sestavljene iz vodikove plazme .

Trije izotopi vodika imajo svoja imena : 1 H - protij , 2 H - devterij in 3 H - tritij ( radioaktiven ). Jedro najpogostejšega izotopa, protija, je sestavljeno samo iz enega protona in ne vsebuje nevtronov .

Pri standardni temperaturi in tlaku je vodik brezbarven, brez vonja in okusa nestrupen dvoetažni plin s kemijsko formulo H 2 , ki je v mešanici z zrakom ali kisikom vnetljiv ter zelo vnetljiv in eksploziven [4] . V prisotnosti drugih oksidirajočih plinov, kot sta fluor ali klor , je vodik tudi eksploziven. Ker vodik zlahka tvori kovalentne vezi z večino nekovin , večina vodika na Zemlji obstaja v molekularnih spojinah, kot sta voda ali organska snov . Vodik ima še posebej pomembno vlogo pri kislinsko-bazičnih reakcijah .

Raztopimo v etanolu in številnih kovinah : železo , nikelj , paladij , titan , platina , niobij .

Zgodovina odkritja

Sproščanje gorljivega plina med interakcijo kislin in kovin so opazili v 16. in 17. stoletju na začetku nastanka kemije kot znanosti. Paracelsus je prvič dobil vodik tako, da je v 16. stoletju potopil železove opilke v žveplovo kislino .

Leta 1671 je Robert Boyle podrobno opisal reakcijo med železnimi opilki in razredčenimi kislinami, pri kateri nastaja vodikov plin [7] [8] .

Leta 1766 je Henry Cavendish prvi prepoznal vodikov plin kot posamezen element, pri čemer je plin, ki se sprošča, ko kovina reagira s kislino, označil za "vnetljiv zrak". Predlagal je, da je "gorljiv zrak" enak hipotetični snovi, imenovani " phlogiston ", in leta 1781 odkril, da se pri gorenju tvori voda [9] [10] .

Tudi Mihail Lomonosov je neposredno pokazal na razvoj vodika, vendar je že razumel, da to ni flogiston .

Francoski kemik Antoine Lavoisier je skupaj z inženirjem Jeanom Meunierjem s pomočjo posebnih števcev plina leta 1783 sintetiziral vodo, nato pa jo analiziral in razgradil vodno paro z vročim železom. Tako je ugotovil, da je "gorljiv zrak" del vode in ga je mogoče dobiti iz njega.

izvor imena

Lavoisier je vodiku dal ime hidrogen (iz starogrščine ὕδωρ - voda in γεννάω - roditi) - "rojstvo vode". Leta 1801 je Lavoisierjev privrženec, akademik Vasilij Severgin , to imenoval "snov, ki daje vodo", in zapisal [11] :

Snov, ki proizvaja vodo, v kombinaciji s snovjo, ki tvori kislino, sestavlja vodo. To je mogoče dokazati tako z dovoljenjem kot s kompilacijo.

Rusko ime "vodik" je predlagal kemik Mihail Solovjev leta 1824 - po analogiji z " kisikom " Lomonosova .

Razširjenost

V vesolju

Širjenje ioniziranega vodika v medzvezdnem mediju v različnih delih naše galaksije . H-alfa slika

Trenutno je vodik najpogostejši element v vesolju [12] . Predstavlja približno 88,6% vseh atomov (približno 11,3% je atomov helija , delež vseh ostalih elementov skupaj je približno 0,1%) [13] . Tako je vodik glavna sestavina zvezd in medzvezdnega plina . Vseprisotni pojav atomskega vodika se je prvič zgodil v dobi rekombinacije .

V pogojih zvezdnih temperatur (na primer površinska temperatura Sonca je ~ 6000 ° C) vodik obstaja v obliki plazme ; v medzvezdnem prostoru ta element obstaja v obliki posameznih molekul , atomov in ionov in lahko tvori molekularni oblaki, ki se bistveno razlikujejo po velikosti, gostoti in temperaturi.

Zemeljska skorja in živi organizmi

Maseni delež vodika v zemeljski skorji je 1% - to je deseti najpogostejši element. Vendar njegova vloga v naravi ni določena z maso, ampak s številom atomov, katerih delež med drugimi elementi je 17% (drugo mesto po kisiku , katerega delež atomov je ~ 52%). Zato je pomen vodika v kemičnih procesih na Zemlji skoraj tako velik kot kisik.

Za razliko od kisika, ki obstaja na Zemlji v vezanem in prostem stanju, je skoraj ves vodik na Zemlji v obliki spojin; v ozračju je le zelo majhna količina vodika v obliki preproste snovi (0,00005 vol.% za suh zrak [14] [15] ).

Vodik je del skoraj vseh organskih snovi in ​​je prisoten v vseh živih celicah, kjer vodik predstavlja skoraj 63% števila atomov [16] .

Prejemanje

V industriji

Leta 2019 se v svetu porabi 75 milijonov ton vodika, predvsem pri rafiniranju nafte in proizvodnji amoniaka . Več kot 3/4 jih proizvajajo iz zemeljskega plina , za katerega se porabi več kot 205 milijard kubičnih metrov plin [17] . Skoraj vse ostalo prihaja iz premoga. Približno 0,1% (~ 100 tisoč ton) nastane z elektrolizo. Ko se proizvede vodik, se v ozračje sprosti ~ 830 milijonov ton CO 2 . Stroški vodika, pridobljenega iz zemeljskega plina, so ocenjeni na 1,5-3 USD na kg.

  • Prehod vodne pare nad vroče koks pri temperaturi približno 1000 ° C:
Poleg tega obstaja industrijska tehnologija za elektrolizo kemično čiste vode, brez uporabe kakršnih koli dodatkov. Pravzaprav je naprava reverzibilna gorivna celica s trdno polimerno membrano [18] (angleščina) ali brez membrane http://kyivtoulouse.univ.kiev.ua/journal/index.php/fruajc/article/view/201 .

V laboratoriju

  • Delovanje razredčenih kislin na kovine . Za izvedbo takšne reakcije se najpogosteje uporabljata cink in razredčena žveplova kislina :

Čiščenje

V industriji je bilo uporabljenih več načinov čiščenja vodika iz surovin, ki vsebujejo ogljik (tako imenovani plin, ki vsebuje vodik-HSG) [19] .

  • Nizkotemperaturna kondenzacija : HSG se ohladi na kondenzacijske temperature metana in etana , nato pa se vodik loči s popravljanjem . Postopek se izvaja pri temperaturi –158 ° C in tlaku 4 MPa . Čistost prečiščenega vodika je 93–94%, njegova koncentracija v začetnem HSG pa do 40%.
  • Adsorpcijska ločitev na zeolitih : Ta metoda je daleč najbolj razširjena na svetu. Metoda je dovolj prilagodljiva in se lahko uporablja tako za ekstrakcijo vodika iz WAG kot za dodatno čiščenje že prečiščenega vodika. V prvem primeru se postopek izvaja pri tlakih 3,0-3,5 MPa . Stopnja ekstrakcije vodika je 80-85% s čistostjo 99%. V drugem primeru se pogosto uporablja postopek PSA Union Carbide PSA. Prvič je bil komercializiran leta 1978. Trenutno deluje več kot 250 obratov, ki delujejo od 0,6 do 3,0 milijona m 3 H 2 / dan. Nastane vodik visoke čistosti - 99,99%.
  • Ločevanje absorpcije s tekočimi topili : Ta metoda se redko uporablja, čeprav vodik dobimo z visoko čistostjo 99,9%.
  • Koncentracija vodika na membranah : Na najboljših vzorcih metoda omogoča pridobivanje vodika s čistočo 95–96%, vendar je produktivnost takšnih naprav nizka.
  • Selektivna absorpcija vodika s kovinami : Metoda temelji na sposobnosti zlitin lantana z nikljem , železa s titanom , cirkonija z nikljem in drugih, da absorbirajo do 30 volumnov vodika.

Cena

Stroški vodika za obsežne veleprodajne zaloge se gibljejo v razponu od 2 do 7 USD / kg [20] . Majhne količine se prevažajo v jeklenkah iz zelenega ali temno zelenega jekla.

Fizične lastnosti

Emisijski spekter sevanja vodikovih atomov na ozadju neprekinjenega spektra v vidnem območju
Emisijski spekter atomov vodika. Štiri spektralne črte serije Balmer, vidne očesu

Vodik je najlažji plin : 14,5 -krat lažji od zraka. Zato se na primer milni mehurčki, napolnjeni z vodikom, nagibajo navzgor v zraku [21] . Manjša je masa molekul, večja je njihova hitrost pri isti temperaturi. Najlažje molekule vodika se premikajo hitreje kot molekule katerega koli drugega plina, zaradi česar lahko hitreje prenašajo toploto iz enega telesa v drugo. Iz tega sledi, da ima vodik najvišjo toplotno prevodnost med plinastimi snovmi. Njegova toplotna prevodnost je približno 7 -krat večja od toplotne prevodnosti zraka.

Molekula vodika je dvoatomska - N 2 . V normalnih pogojih je plin brez barve, vonja in okusa. Gostota 0,08987 g / l ( n y .. ), temperatura vrelišča -252,76 ° C, specifična toplota zgorevanja 120,9⋅10 6 J / kg , rahlo topen v vodi - 18,8 ml / l .

Vodik je lahko topen v številnih kovinah ( Ni , Pt , Pd itd.), Zlasti v paladiju (850 volumnov H 2 na 1 prostornino Pd). Topnost vodika v kovinah je povezana z njegovo sposobnostjo difuzije po njih; difuzijo skozi ogljikovo zlitino (na primer jeklo) včasih spremlja uničenje zlitine zaradi interakcije vodika z ogljikom (tako imenovana dekarbonizacija). Praktično netopen v srebru .

Tekoči vodik obstaja v zelo ozkem temperaturnem območju od -252,76 do -259,2 ° C. Je brezbarvna tekočina, zelo lahka ( gostota pri -253 ° C 0,0708 g / cm³ ) in tekoča ( viskoznost pri -253 ° C 13,8 cP ). Kritični parametri vodika: temperatura -240,2 ° C, tlak 12,8 atm , kritična gostota 0,0312 g / cm3 in kritična prostornina 66,95-68,9 cm³ / mol ( 0,033 m³ / kg ). Navedene vrednosti kritičnih parametrov pojasnjujejo težave pri utekočinjanju vodika.

Ravnotežna tekočina vodika, sestavljena iz 99,79% para-H 2, 0,21% o-2 H [⇨] .

Trdni vodik , tališče -259,2 ° C, gostota 0,0807 g / cm³ (pri -262 ° C) -snegu podobna masa, kristali šesterokotnega sistema , vesoljska skupina P6 / mmc, parametri celic a = 0,378 nm in c = 0, 6167 nm .

Kovinski vodik

Leta 1935 sta Winger in Huntington predlagala, da se vodik pri tlakih nad 250.000 atm lahko spremeni v kovinsko stanje . Pridobitev te snovi v stabilnem stanju je odprla zelo mamljive možnosti za njeno uporabo-navsezadnje bi bila to ultra lahka kovina, sestavina lahkega in energetsko intenzivnega raketnega goriva. В 2014 году было установлено, что при давлении порядка 1,5—2,0 млн атм водород начинает поглощать инфракрасное излучение , а это означает, что электронные оболочки молекул водорода поляризуются . Возможно, при ещё более высоких давлениях водород превратится в металл [22] . В 2017 году появилось сообщение о возможном экспериментальном наблюдении перехода водорода в металлическое состояние под высоким давлением [23] [24] .

Спиновые изомеры

Спиновые изомеры молекулярного водорода

Молекулярный водород существует в двух спиновых формах (модификациях): ортоводород и параводород . Модификации немного различаются по физическим свойствам, оптическим спектрам, также по характеристикам рассеивания нейтронов. В молекуле ортоводорода o -H 2 ( т. пл. −259,10 °C, т. кип. −252,56 °C) спины ядер параллельны, а у параводорода p -H 2 (т. пл. −259,32 °C, т. кип. −252,89 °C) — противоположны друг другу (антипараллельны). Равновесная смесь o -H 2 и p -H 2 при заданной температуре называется равновесный водород e -H 2 .

Равновесная мольная концентрация параводорода в смеси в зависимости от температуры

Разделить спиновые изомеры водорода можно адсорбцией на активном угле при температуре жидкого азота . При очень низких температурах равновесие между ортоводородом и параводородом почти нацело сдвинуто в сторону параводорода, так как энергия пара-молекулы немного ниже энергии орто-молекулы. При 80 К соотношение модификаций приблизительно 1:1. Десорбированный с угля параводород при нагревании превращается в ортоводород с образованием равновесной смеси. При комнатной температуре равновесна смесь ортоводорода и параводорода в отношении около 75:25 [25] . Без катализатора взаимное превращение происходит относительно медленно, что даёт возможность изучить свойства обеих модификаций. В условиях разреженной межзвёздной среды характерное время перехода в равновесную смесь очень велико, вплоть до космологических.

Изотопы

Термодинамическое состояние насыщенного пара водорода с различным изотопным составом

Наиболее известны три изотопа водорода: протий 1 H (атомное ядро — протон ), дейтерий 2 Н (ядро состоит из одного протона и одного нейтрона ) и тритий 3 Н (ядро состоит из одного протона и двух нейтронов). Эти изотопы имеют собственные химические символы: протий — H, дейтерий — D, тритий — T.

Протий и дейтерий стабильны. Содержание этих изотопов в природном водороде составляет 99,9885 ± 0,0070 % и 0,0115 ± 0,0070 % соответственно [26] . Оно может незначительно меняться в зависимости от источника и способа получения водорода. Тритий нестабилен, претерпевает бета-распад с периодом 12,32 года , превращаясь в стабильный гелий-3 [26] . Тритий встречается в природе в следовых количествах, образуясь главным образом при взаимодействии космических лучей со стабильными ядрами, при захвате дейтерием тепловых нейтронов и при взаимодействии природного изотопа лития-6 с нейтронами, порождёнными космическими лучами.

Искусственно получены также тяжёлые радиоактивные изотопы водорода с массовыми числами 4—7 и периодами полураспада 10 −21 —10 −23 с [26] .

Природный молекулярный водород состоит из молекул H 2 и HD (дейтероводород) в соотношении 3200:1. Содержание в нём молекул из чистого дейтерия D 2 ещё меньше, отношение концентраций HD и D 2 составляет примерно 6400:1.

Из всех изотопов химических элементов физические свойства изотопов водорода отличаются друг от друга наиболее сильно. Это связано с наибольшим относительным изменением масс атомов [27] .

Температура
плавления,
K
Температура
кипения,
K
Тройная
точка
Критическая
точка
Плотность,
кг/м³
T , K P , кПа T , K P , МПа жидкий газ
H 2 13,96 20,39 13,96 7,3 32,98 1,31 70,811 1,316
HD 16,65 22,13 16,6 12,8 35,91 1,48 114,0 1,802
HT 22,92 17,63 17,7 37,13 1,57 158,62 2,31
D 2 18,65 23,67 18,73 17,1 38,35 1,67 162,50 2,23
DT 24.38 19,71 19,4 39,42 1,77 211,54 2,694
T 2 20,63 25,04 20,62 21,6 40,44 1,85 260,17 3,136

Молекулы чистых протия, дейтерия и трития могут существовать в двух аллотропных модификациях (отличающихся взаимной ориентацией спинов ядер) — орто- и параводород: o -D 2 , p -D 2 , o -T 2 , p -T 2 . Молекулы водорода с другим изотопным составом (HD, HT, DT) не имеют орто- и парамодификаций.

Свойства изотопов

Свойства изотопов водорода представлены в таблице [26] [28] .

Изотоп Z N Масса, а. е. м. Период полураспада Спин Содержание в природе, % Тип и энергия распада
1 H 1 0 1,007 825 032 07(10) стабилен 1 2 + 99,9885(70)
2 H 1 1 2,014 101 777 8(4) стабилен 1 + 0,0115(70)
3 H 1 2 3,016 049 277 7(25) 12,32(2) года 1 2 + β 18,591(1) кэВ
4 H 1 3 4,027 81(11) 1,39(10)⋅10 −22 с 2 -n 23,48(10) МэВ
5 H 1 4 5,035 31(11) более 9,1⋅10 −22 с ( 1 2 + ) -nn 21,51(11) МэВ
6 H 1 5 6,044 94(28) 2,90(70)⋅10 −22 с 2 −3n 24,27(26) МэВ
7 H 1 6 7,052 75(108) 2,3(6)⋅10 −23 с 1 2 + -nn 23,03(101) МэВ

В круглых скобках приведено среднеквадратическое отклонение значения в единицах последнего разряда соответствующего числа.

Свойства ядра 1 H позволяют широко использовать ЯМР - спектроскопию в анализе органических веществ.

Химические свойства

Доля диссоциировавших молекул водорода при атмосферном давлении в зависимости от температуры

Молекулы водорода достаточно прочны, и для того, чтобы водород мог вступить в реакцию, должна быть затрачена большая энергия:

Поэтому при обычных температурах водород реагирует только с очень активными металлами, например, с кальцием , образуя гидрид кальция :

и с единственным неметаллом — фтором , образуя фтороводород :

С большинством же металлов и неметаллов водород реагирует при повышенной температуре или при другом воздействии, например, при освещении:

Записанное уравнение отражает восстановительные свойства водорода.

С галогенами образует галогеноводороды:

, реакция протекает со взрывом в темноте и при любой температуре,
, реакция протекает со взрывом, только на свету.

С сажей взаимодействует при сильном нагревании:

Взаимодействие со щелочными и щёлочноземельными металлами

При взаимодействии с активными металлами водород образует гидриды:

Гидриды — солеобразные, твёрдые вещества, легко гидролизуются:

Взаимодействие с оксидами металлов

Оксиды металлов (как правило, d-элементов ) восстанавливаются до металлов:

Гидрирование органических соединений

Молекулярный водород широко применяется в органическом синтезе для восстановления органических соединений. Эти процессы называют 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

На Земле содержание водорода понижено по сравнению с Солнцем, планетами-гигантами и первичными метеоритами, из чего следует, что во время образования Земля была значительно дегазирована: основная масса водорода, как и других летучих элементов, покинула планету во время аккреции или вскоре после неё. [ источник не указан 3005 дней ] Однако точное содержание данного газа в составе геосфер нашей планеты (исключая земную кору ) — астеносферы , мантии ,ядра Земли — неизвестно. [ источник не указан 3005 дней ]

Свободный водород H 2 относительно редко встречается в земных газах, но в виде воды он принимает исключительно важное участие в геохимических процессах. Известно содержание водорода в составе вулканических газов, истечение некоторых количеств водорода вдоль разломов в зонах рифтогенеза, выделение этого газа в некоторых угольных месторождениях [29] [30] .

В состав минералов водород может входить в виде иона аммония , гидроксил -иона и воды .

В атмосфере молекулярный водород непрерывно образуется в результате разложения формальдегида, образующегося в цепочке окисления метана или другой органики, солнечным излучением (31—67 гигатонн /год), неполного сгорания различных топлив и биомасс (по 5—25 гигатонн/год), в процессе фиксации азота микроорганизмами из воздуха (3—22 гигатонн/год) [31] [32] [33] .

Имея малую массу, молекулы водорода в составе воздуха обладают высокой тепловой скоростью (она близка ко второй космической скорости) и, попадая в верхние слои атмосферы, могут навсегда улететь в космическое пространство (см. Диссипация атмосфер планет ). Объёмы потерь оцениваются в 3 кг в секунду [34] [35] .

Меры предосторожности

Hazard FF.svg

Водород при смеси с воздухом образует взрывоопасную смесь — так называемый гремучий газ . Наибольшую взрывоопасность этот газ имеет при объёмном отношении водорода и кислорода 2:1, или водорода и воздуха приближённо 2:5, так как в воздухе кислорода содержится примерно 21 %. Также водород пожароопасен . Жидкий водород при попадании на кожу может вызвать сильное обморожение .

Считается, что взрывоопасные концентрации водорода с кислородом возникают от 4 % до 96 % объёмных. При смеси с воздухом от 4 % до 75 (74) % по объёму. Такие цифры фигурируют сейчас в большинстве справочников, и ими вполне можно пользоваться для ориентировочных оценок. Однако следует иметь в виду, что более поздние исследования (примерно конец 80-х) выявили, что водород в больших объёмах может быть взрывоопасен и при меньшей концентрации. [ источник не указан 500 дней ] Чем больше объём, тем меньшая концентрация водорода опасна.

Источник этой широко растиражированной ошибки в том, что взрывоопасность исследовалась в лабораториях на малых объёмах. Поскольку реакция водорода с кислородом — это цепная химическая реакция, которая проходит по свободнорадикальному механизму, «гибель» свободных радикалов на стенках (или, скажем, поверхности пылинок) критична для продолжения цепочки. В случаях, когда возможно создание «пограничных» концентраций в больших объёмах (помещения, ангары, цеха), следует иметь в виду, что реально взрывоопасная концентрация может отличаться от 4 % как в большую, так и в меньшую стороны.

Применение

Водород сегодня применяется во многих областях. Структура мирового потребления водорода представлена в следующей таблице

Структура мирового потребления водорода (2007) (англ.) [36]
Применение Доля
Производство аммиака 54 %
Нефтепереработка и химическая промышленность 35 %
Производство электроники 6 %
Металлургия и стекольная промышленность 3 %
Пищевая промышленность 2 %

Химическая промышленность

Химическая промышленность — это крупнейший потребитель водорода. Около 50 % мирового выпуска водорода идёт на производство аммиака . Ещё около 8 % используется для производства метанола [37] . Из аммиака производят пластмассы, удобрения, взрывчатые вещества и прочее. Метанол является основой для производства некоторых пластмасс.

Нефтеперерабатывающая промышленность

В нефтепереработке водород используется в процессах гидрокрекинга и гидроочистки , способствуя увеличению глубины переработки сырой нефти и повышению качества конечных продуктов. Для этих целей используется порядка 37 % всего производимого в мире водорода [37] .

Пищевая и косметическая промышленность

При производстве саломаса (твёрдый жир, производимый из растительных масел ). Саломас является основой для производства маргарина , косметических средств, мыла. Водород зарегистрирован в качестве пищевой добавки под номером E949 .

Транспорт

Водород используется в качестве топлива для серийно выпускаемых автомобилей на Водородных топливных элементах : Toyota Mirai , Hyundai Nexo [en] . Американская компания Nikola представила линейку коммерческих автомобилей на водороде, а также пикап Nikola Badger с запасом хода 960 км [38]

Компания Alstom в 2018 году запустила в Германии первый коммерческий поезд на топливных элементах Coradia iLint, способный проходить 1000 км на одном резервуаре с водородом. Поезда будут совершать 100-километровые рейсы со скоростью до 140 километров в час [39] .

Лабораторное

Водород используется в химических лабораториях в качестве газа-носителя в газовой хроматографии . Такие лаборатории есть на многих предприятиях в пищевой, парфюмерной, металлургической и химической промышленности. Несмотря на горючесть водорода, его использование в такой роли считается достаточно безопасным, поскольку водород используется в незначительных количествах. Эффективность водорода как газа-носителя при этом лучше, чем у гелия, при существенно более низкой стоимости [40] .

Авиационная промышленность

В настоящее время водород в авиации не используется. Когда-то дирижабли и воздушные шары наполняли водородом. Но в 30-х гг. XX в. произошло несколько катастроф , в ходе которых дирижабли взрывались и сгорали. В наше время дирижабли наполняют гелием, несмотря на его существенно более высокую стоимость.

Метеорология

Водород используется в метеорологии для заполнения оболочек метеозондов . Водород в этом качестве имеет преимущество перед гелием, так как он дешевле. Ещё более существенно, что водород вырабатывается прямо на метеостанции с помощью простого химического генератора или с помощью электролиза воды. Гелий же должен доставляться на метеостанцию в баллонах, что может быть затруднительно для удалённых мест [41] .

Топливо

Водород используют в качестве ракетного топлива . Ввиду крайне узкого диапазона температур (менее 7 кельвинов), при котором водород остаётся жидкостью, на практике чаще используется смесь жидкой и твёрдой фаз.

В водородно-кислородных топливных элементах используется водород для непосредственного преобразования энергии химической реакции в электрическую.

Электроэнергетика

В электроэнергетике водород применяется для охлаждения мощных электрических генераторов [42] .

Прочее

Атомарный водород используется для атомно-водородной сварки . Высокая теплопроводность водорода используется для заполнения сфер гирокомпасов и стеклянных колб филаментных LED-лампочек .

См. также

Антиводород

Примечания

Комментарии
  1. Указан диапазон значений атомной массы в связи с различной распространённостью изотопов в природе.
Источники
  1. 1 2 Atomic weights of the elements 2013 (IUPAC Technical Report) (англ.) IUPAC , 1960. — ISSN 0033-4545 ; 1365-3075 ; 0074-3925doi:10.1515/PAC-2015-0305
  2. Michael E. Wieser, Norman Holden, Tyler B. Coplen, John K. Böhlke, Michael Berglund, Willi A. Brand, Paul De Bièvre, Manfred Gröning, Robert D. Loss, Juris Meija, Takafumi Hirata, Thomas Prohaska, Ronny Schoenberg, Glenda O'Connor, Thomas Walczyk, Shige Yoneda, Xiang‑Kun Zhu. Atomic weights of the elements 2011 (IUPAC Technical Report) (англ.) // Pure and Applied Chemistry . — 2013. — Vol. 85 , no. 5 . — P. 1047—1078 . — doi : 10.1351/PAC-REP-13-03-02 .
  3. Hydrogen: electronegativities (англ.) . Webelements. Дата обращения: 15 июля 2010.
  4. 1 2 Водород // Химическая энциклопедия : в 5 т. / Гл. ред. И. Л. Кнунянц . — М. : Советская энциклопедия , 1988. — Т. 1: А—Дарзана. — С. 400—402. — 623 с. — 100 000 экз.ISBN 5-85270-008-8 .
  5. Фёдоров П. И. , Тройная точка, 1998 , с. 12.
  6. Хазанова Н. Е. , Критическое состояние, 1990 , с. 543.
  7. Boyle, R. (1672). «Tracts written by the Honourable Robert Boyle containing new experiments, touching the relation betwixt flame and air…» London.
  8. Winter, M. Hydrogen: historical information . WebElements Ltd (2007). Дата обращения: 5 февраля 2008. Архивировано 10 апреля 2008 года.
  9. Musgrave, A. Why did oxygen supplant phlogiston? Research programmes in the Chemical Revolution // Method and appraisal in the physical sciences (англ.) / Howson, C.. — Cambridge University Press , 1976. — (The Critical Background to Modern Science, 1800–1905).
  10. Cavendish, Henry. Three Papers, Containing Experiments on Factitious Air, by the Hon. Henry Cavendish , FR S (англ.) // Philosophical Transactions : journal. — 1766. — 12 May ( vol. 56 ). — P. 141—184 . — doi : 10.1098/rstl.1766.0019 . — Bibcode : 1766RSPT...56..141C . — JSTOR 105491 .
  11. Севергин В. М. Пробирное искусство, или руководство к химическому испытанию металлических руд и других ископаемых тел. СПб.: Издание Имп. АН, 1801. C. 2.
  12. [www.chemister.ru/Chemie/records.htm Книга рекордов Гиннесса для химических веществ]
  13. Н. Гринвуд, А. Эрншо. Химия элементов: в 2 томах. — БИНОМ. Лаборатория знаний, 2008. — Т. 1. — С. 11. — 607 с. — (Лучший зарубежный учебник). — ISBN 978-5-94774-373-9 .
  14. Gribbin, John. Science. A History (1543-2001). — L. : Penguin Books, 2003. — 648 с. — ISBN 978-0-140-29741-6 .
  15. Source for figures: Carbon dioxide, NOAA Earth System Research Laboratory , (updated 2010.06). Methane, IPCC TAR table 6.1 , (updated to 1998). The NASA total was 17 ppmv over 100 %, and CO 2 was increased here by 15 ppmv. To normalize, N 2 should be reduced by about 25 ppmv and O 2 by about 7 ppmv.
  16. Хорнак Д. П. Основы МРТ
  17. «Перепись ВОДОРОДА» Журнал «Газпром», сентябрь 2019, стр 42-43
  18. 1 2 Da Rosa, Aldo Vieira. Fundamentals of renewable energy processes . — Amsterdam: Elsevier Academic Press, 2005. — С. 370. — xvii, 689 pages с. — ISBN 0120885107 .
  19. А.К.Мановян. Технология переработки природных энергоносителей. — Москва: Химия, КолосС, 2004. — 456 с. — ISBN 5-98109-004-9 , 5-9532-0219-97.
  20. Аркадий Шварц. Снова о водороде . Вестник online № 19(356) 15 сентября 2004.
  21. Мыльные пузыри с водородом Архивная копия от 26 июля 2014 на Wayback Machine — видеоопыт в Единой коллекции цифровых образовательных ресурсов.
  22. Неограническая химия. Том 2. Химия непереходных элементов / под ред. акад. Ю. Д. Третьякова . — Москва: Академия, 2004. — 368 с. — ISBN 5-7695-1436-1 .
  23. Dias Ranga P. , Silvera Isaac F. Observation of the Wigner-Huntington transition to metallic hydrogen // Science. — 2017. — 26 января ( т. 355 , № 6326 ). — С. 715—718 . — ISSN 0036-8075 . — doi : 10.1126/science.aal1579 . [ исправить ]
  24. Алексей Понятов. Десять крупнейших событий 2017 года в физике и астрономии. Стабильный металлический водород (рус.) // Наука и жизнь . — 2018. — № 1 . — С. 9 .
  25. Фаркаш Л. Орто- и параводород. Успехи физических наук , т. 15, вып. 3. 1935 г.
  26. 1 2 3 4 Audi G. , Bersillon O. , Blachot J. , Wapstra AH The NUBASE evaluation of nuclear and decay properties // Nuclear Physics A . — 2003. — Т. 729 . — С. 3—128 . — doi :10.1016/j.nuclphysa.2003.11.001 . — Bibcode : 2003NuPhA.729....3A . Открытый доступ
  27. Züttel A., Borgschulte A., Schlapbach L. Hydrogen as a Future Energy Carrier. — Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, 2008. — ISBN 978-3-527-30817-0 .
  28. Audi G. , Wapstra AH , Thibault C. The AME2003 atomic mass evaluation (II). Tables, graphs, and references (англ.) // Nuclear Physics A . — 2003. — Vol. 729 . — P. 337—676 . — doi :10.1016/j.nuclphysa.2003.11.003 . — Bibcode : 2003NuPhA.729..337A .
  29. Портнов Александр. Вулканы — месторождения водорода. / Промышленные ведомости, № 10—12, октябрь—декабрь 2010.
  30. Гресов А. И., Обжиров А. И., Яцук А. В. К вопросу водородоносности угольных бассейнов Дальнего востока/ Вестник КРАУНЦ. Науки о Земле. 2010, № 1, Выпуск 15. С. 19—32.
  31. http://www.atmos-chem-phys.net/11/3375/2011/acp-11-3375-2011.pdf A new estimation of the recent tropospheric molecular hydrogen budget using atmospheric observations and variational inversion] doi:10.5194/acp-11-3375-2011 , 2011 «The main sources of H2 are photochemical production by the transformation of formaldehyde (HCHO) in the atmosphere and incomplete combustion processes. Photolysis of HCHO, a product in the oxidation chain of methane and other volatile organic compounds (VOCs) accounts for 31 to 77 Tg yr−1 and represents half of the total H2 source. Fossil fuel and biomass burning emissions, two incomplete combustion sources, account for similar shares of the global H2 budget (5−25 Tg yr−1). H2 emissions (3−22 Tg yr−1) originating from nitrogen fixation in the continental and marine biosphere complete the sources. H2 oxidation by free hydroxyl radicals (OH) and enzymatic H2 destruction in soils must balance these sources because tropospheric H2 does not show a significant long term trend (Grant et al., 2010)»
  32. Chemistry of the Natural Atmosphere pages 207—201, table 4.14
  33. Global environmental impacts of the hydrogen economy page 61 table 1
  34. David C. Catling and Kevin J. Zahnle, The Planetary Air Leak. As Earth's atmosphere slowly trickles away into space, will our planet come to look like Venus? //SCIENTIFIC AMERICAN, May 2009
  35. Ferronsky VI, Denisik SA, Ferronsky SV Chapter 8. Global Dynamics of the Earth // Jacobi Dynamics: Many-Body Problem in Integral Characteristics. — (Astrophysics and Space Science Library. Vol. 130) . — Springer Science & Business Media, 1986. — P. 296. — ISBN 9027724180 , 9789027724182.
  36. Olu Ajayi-Oyakhire. Hydrogen – Untapped Energy? (недоступная ссылка) . Institution of Gas Engineers and Managers . Institution of Gas Engineers and Managers (2012). Дата обращения: 24 марта 2018. Архивировано 17 апреля 2018 года.
  37. 1 2 Р. В. Радченко, А. С. Мокрушин, В. В. Тюльпа. Водород в энергетике. — Екатеринбург: Издательство Уральского университета, 2014. — С. 24. — 229 с. — ISBN 978-5-7996-1316-7 .
  38. Nikola Badger .
  39. Первый водородный поезд в Германии .
  40. Helium - what is the current cost to labs? . www.peakscientific.com. Дата обращения: 17 ноября 2015.
  41. А.А. Иванов (руководитель разработки). Наставление гидрометеорологическим постам и станциям. Выпуск 4. . Росгидромет . Росгидромет (16 июля 2003).
  42. Принцип действия и конструкция синхронных машин

Литература

Ссылки

  • Hydrogen at The Periodic Table of Videos ( University of Nottingham )
  • Ferreira-Aparicio, P.; Benito, MJ; Sanz, JL New Trends in Reforming Technologies: from Hydrogen Industrial Plants to Multifuel Microreformers (англ.) // Catalysis Reviews : journal. — 2005. — Vol. 47 , no. 4 . — P. 491—588 . — doi : 10.1080/01614940500364958 .