Vodik

Iz Wikipedije, besplatne enciklopedije
Idi na navigaciju Idi na pretraživanje
Vodik
Neutronium | Helijum
1 H

Li
ВодородГелийЛитийБериллийБорУглеродАзотКислородФторНеонНатрийМагнийАлюминийКремнийФосфорСераХлорАргонКалийКальцийСкандийТитанВанадийХромМарганецЖелезоКобальтНикельМедьЦинкГаллийГерманийМышьякСеленБромКриптонРубидийСтронцийИттрийЦирконийНиобийМолибденТехнецийРутенийРодийПалладийСереброКадмийИндийОловоСурьмаТеллурИодКсенонЦезийБарийЛантанЦерийПразеодимНеодимПрометийСамарийЕвропийГадолинийТербийДиспрозийГольмийЭрбийТулийИттербийЛютецийГафнийТанталВольфрамРенийОсмийИридийПлатинаЗолотоРтутьТаллийСвинецВисмутПолонийАстатРадонФранцийРадийАктинийТорийПротактинийУранНептунийПлутонийАмерицийКюрийБерклийКалифорнийЭйнштейнийФермийМенделевийНобелийЛоуренсийРезерфордийДубнийСиборгийБорийХассийМейтнерийДармштадтийРентгенийКоперницийНихонийФлеровийМосковийЛиверморийТеннессинОганесонPeriodni sistem elemenata
1 H
Hexagonal.svg
Elektronska ljuska 001 Hydrogen.svg
Izgled jednostavne tvari
Plin bez boje, mirisa i okusa
Cijev za ispuštanje vodika.jpg
Vodik u ispusnoj cijevi
Svojstva atoma
Ime, simbol, broj Hidrogenijum (H), 1
Atomska masa
( molarna masa )
[ 1.008[1] ; 1.00811] [comm 1] [2] a. e.m. ( g / mol )
Elektronska konfiguracija 1s 1
Radijus atoma 53 popodne
Hemijska svojstva
Kovalentni radijus 32 popodne
Ionski radijus 54 (-1 e) popodne
Elektronegativnost 2,20 [3] (Paulingova ljestvica)
Stanja oksidacije +1, 0, −1
Energija jonizacije
(prvi elektron)
1311,3 (13,595) kJ / mol ( eV )
Termodinamička svojstva jednostavne tvari
Gustoća (na n.o. ) 0,0000899 (na 273 K (0 ° C)) g / cm³
Temperatura topljenja 14,01 K ; −259,14 ° C
Temperatura vrenja 20,28 K ; −252,87 ° C
Trostruka tačka 13,96 K (-259,19 ° C ), 7,205[5] kPa
Kritična tačka 32,24 K , 1,30[6] MPa
Ud. toplina fuzije 0,117 kJ / mol
Ud. toplina isparavanja 0,904 kJ / mol
Molarni toplotni kapacitet 28,47 [4] J / (K · mol)
Molarni volumen 14,1 cm ³ / mol
Kristalna rešetka jednostavne tvari
Struktura rešetke šesterokutni
Parametri rešetke a = 3.780 c = 6.167 Å
C / a odnos 1,631
Debaye temperatura 110 K
Ostale karakteristike
Toplinska vodljivost (300 K) 0,1815 W / (m K)
CAS broj 12385-13-6
Emisijski spektar
410.0 нм434.0 нм486.1 нм656.2 нмSpektar vodika vidljiv.png
1
Vodik
H
1.008[1]
1s 1

Vodik ( H , lat. Hydrogenium ) je hemijski element periodnog sistema sa oznakom H i atomskim brojem 1, najlakši od elemenata u periodnom sistemu. Njegov jednoatomski oblik je najrasprostranjenija kemikalija u svemiru i čini približno 75% sve barionske mase. Zvijezde, osim kompaktnih , uglavnom se sastoje od vodikove plazme .

Tri izotopa vodika imaju svoja imena : 1 H - protij , 2 H - deuterij i 3 H - tricij ( radioaktivan ). Jezgro najčešćeg izotopa, protija, sastoji se od samo jednog protona i ne sadrži neutrone .

Pri standardnoj temperaturi i tlaku, vodik je bezbojan, bez mirisa i okusa netoksičan dvoatomni plin kemijske formule H 2 , koji je, pomiješan s zrakom ili kisikom, zapaljiv i izuzetno zapaljiv i eksplozivan [4] . U prisutnosti drugih oksidirajućih plinova, poput fluora ili klora , vodik je također eksplozivan. Budući da vodik lako stvara kovalentne veze s većinom nemetala , većina vodika na Zemlji postoji u molekularnim spojevima poput vode ili organske tvari . Vodik ima posebno važnu ulogu u kiselinsko-baznim reakcijama .

Otopimo se u etanolu i nizu metala : željezo , nikal , paladij , titan , platina , niobij .

Istorija otkrića

Oslobađanje zapaljivog plina tokom interakcije kiselina i metala primijećeno je u 16. i 17. stoljeću u osvit formiranja hemije kao nauke. Po prvi put, Paracelsus je dobio vodik potapanjem željeznih strugotina u sumpornu kiselinu u 16. stoljeću.

Godine 1671. Robert Boyle je detaljno opisao reakciju između piljevina željeza i razrijeđene kiseline, koja proizvodi plin vodik [7] [8] .

Godine 1766. Henry Cavendish je prvi prepoznao plin vodik kao pojedinačni element, nazivajući plin koji se oslobađa kada metal reagira s kiselinom "zapaljivim zrakom". Predložio je da je "zapaljivi zrak" identičan hipotetičkoj tvari koja se zove " flogiston " i 1781. otkrio da se pri gorenju stvara voda [9] [10] .

Mihail Lomonosov je takođe direktno ukazao na evoluciju vodonika, ali je već shvatio da to nije flogistona .

Francuski hemičar Antoine Lavoisier, zajedno s inženjerom Jean Meunier -om , pomoću posebnih mjerača plina, 1783. sintetizirali su vodu, a zatim je analizirali, razgrađujući vodenu paru vrućim željezom. Tako je otkrio da je "zapaljivi zrak" dio vode i da se iz njega može dobiti.

porijeklo imena

Lavoisier je vodiku dao ime hydrogène (od starogrčkog ὕδωρ - voda i γεννάω - roditi) - "rađanje vode". 1801. Lavoisierov sljedbenik, akademik Vasilij Severgin , nazvao ju je "tvari koja daje vodu", napisao je [11] :

Tvar koja proizvodi vodu u kombinaciji sa tvari koja tvori kiselinu čini vodu. To se može dokazati, i dopuštenjem i kompilacijom.

Ruski naziv "vodonik" predložio je hemičar Mihail Solovjev 1824. godine - po analogiji sa " kiseonikom " Lomonosova .

Prevalencija

U svemiru

Širenje ioniziranog vodika u međuzvjezdanom mediju u različitim dijelovima naše galaksije . H-alfa slika

Trenutno je vodik najrasprostranjeniji element u svemiru [12] . On čini oko 88,6% svih atoma (oko 11,3% su atomi helija , udio svih ostalih elemenata uzetih zajedno je oko 0,1%) [13] . Dakle, vodik je glavni sastojak zvijezda i međuzvjezdanog plina . Sveprisutna pojava atomskog vodika prvi put se dogodila u doba rekombinacije .

U uvjetima zvjezdanih temperatura (na primjer, površinska temperatura Sunca je ~ 6000 ° C), vodik postoji u obliku plazme ; u međuzvjezdanom prostoru ovaj element postoji u obliku pojedinačnih molekula , atoma i iona. molekularni oblaci koji se značajno razlikuju po veličini, gustoći i temperaturi.

Zemljina kora i živi organizmi

Maseni udio vodika u zemljinoj kori je 1% - ovo je deseti najrasprostranjeniji element. Međutim, njegovu ulogu u prirodi ne određuje masa, već broj atoma, čiji udio među ostalim elementima iznosi 17% (drugo mjesto nakon kisika , čiji udio atoma iznosi ~ 52%). Stoga je važnost vodika u kemijskim procesima koji se odvijaju na Zemlji gotovo jednako velika kao i kisik.

Za razliku od kisika, koji postoji na Zemlji u vezanim i slobodnim stanjima, gotovo sav vodik na Zemlji je u obliku spojeva; u atmosferi se nalazi samo vrlo mala količina vodika u obliku jednostavne tvari (0,00005% volumena za suhi zrak [14] [15] ).

Vodik je dio gotovo svih organskih tvari i prisutan je u svim živim stanicama, gdje vodik čini gotovo 63% broja atoma [16] .

Prijem

U industriji

U 2019. godini u svijetu se troši 75 miliona tona vodika, uglavnom u preradi nafte i proizvodnji amonijaka . Više od 3/4 njih se proizvode od prirodnog plina , za koje se troši više od 205 milijardi kubnih metara plina [17] . Gotovo sve ostalo dolazi iz uglja. Elektrolizom se proizvodi oko 0,1% (~ 100 hiljada tona). Kada se proizvede vodik, ~ 830 miliona tona CO 2 se ispušta u atmosferu. Troškovi vodika dobivenog iz prirodnog plina procjenjuju se na 1,5-3 USD po kg.

  • Prolaz vodene pare preko usijanog koksa na temperaturi od oko 1000 ° C:
Osim toga, postoji industrijska tehnologija za elektrolizu kemijski čiste vode, bez upotrebe ikakvih dodataka. U stvari, uređaj je reverzibilna gorivna ćelija sa čvrstom polimernom membranom [18] (engleski) ili bez membrane http://kyivtoulouse.univ.kiev.ua/journal/index.php/fruajc/article/view/201 .

U laboratoriji

  • Djelovanje razrijeđenih kiselina na metale . Za izvođenje takve reakcije najčešće se koriste cink i razrijeđena sumporna kiselina :

Čišćenje

U industriji je primijenjeno nekoliko metoda pročišćavanja vodika iz sirovina koje sadrže ugljik (tzv. Plin koji sadrži vodik-HSG) [19] .

  • Kondenzacija na niskim temperaturama : HSG se hladi do temperatura kondenzacije metana i etana , nakon čega se vodik odvaja ispravljanjem . Proces se izvodi na temperaturi od -158 ° C i pritisku od 4 MPa . Čistoća pročišćenog vodika je 93–94%, s koncentracijom u početnom HSG -u do 40%.
  • Adsorpciono odvajanje na zeolitima : Ova metoda je daleko najraširenija u svijetu. Metoda je dovoljno fleksibilna i može se koristiti i za ekstrakciju vodika iz WAG -a i za dodatno pročišćavanje već pročišćenog vodika. U prvom slučaju, proces se izvodi pri pritiscima od 3,0-3,5 MPa . Stupanj ekstrakcije vodika je 80-85% sa čistoćom 99%. U drugom slučaju, često se koristi postupak Union Carbide PSA. Prvi put je komercijalizovan 1978. Trenutno postoji više od 250 pogona koji rade od 0,6 do 3,0 miliona m 3 H 2 / dan. Formira se vodik visoke čistoće - 99,99%.
  • Odvajanje apsorpcije tekućim otapalima : Ova se metoda rijetko koristi, iako se vodik dobiva s visokom čistoćom od 99,9%.
  • Koncentracija vodika na membranama : Na najboljim uzorcima metoda omogućava dobijanje vodika čistoće 95-96%, ali je produktivnost takvih instalacija niska.
  • Selektivna apsorpcija vodika metalima : Metoda se temelji na sposobnosti legura lantana s niklom , željeza s titanijem , cirkonija s niklom i drugih da apsorbiraju do 30 volumena vodika.

Cijena

Cijena vodika za velike veleprodajne zalihe varira u rasponu od 2-7 USD / kg [20] . Male količine transportiraju se u zelenim ili tamnozelenim čeličnim cilindrima.

Fizička svojstva

Emisijski spektar zračenja atoma vodika na pozadini kontinuiranog spektra u vidljivom području
Emisijski spektar atoma vodika. Četiri spektralne linije Balmerove serije vidljive oku

Vodik je najlakši plin : 14,5 puta je lakši od zraka. Stoga, na primjer, mjehurići sapuna ispunjeni vodikom teže prema gore u zraku [21] . Što je masa molekula manja, veća je njihova brzina na istoj temperaturi. Kao najlakši, molekule vodika kreću se brže od molekula bilo kojeg drugog plina, zbog čega mogu brže prenositi toplinu s jednog tijela na drugo. Iz toga slijedi da vodik ima najveću toplinsku provodljivost među plinovitim tvarima. Njegova toplotna provodljivost je oko 7 puta veća od toplotne provodljivosti vazduha.

Molekula vodika je dvoatomna - N 2 . U normalnim uslovima, to je gas bez boje, mirisa i ukusa. Gustoća 0,08987 g / l ( n y .. ), Temperatura ključanja -252,76 ° C, specifična toplina sagorijevanja 120,9⋅10 6 J / kg , slabo topljiv u vodi - 18,8 ml / l .

Vodik je lako topiv u mnogim metalima ( Ni , Pt , Pd , itd.), Posebno u paladiju (850 zapremina H 2 po 1 zapremini Pd). Topljivost vodika u metalima povezana je sa njegovom sposobnošću da difundira kroz njih; difuziju kroz leguru ugljika (na primjer čelik) ponekad prati uništavanje legure zbog interakcije vodika s ugljikom (tzv. dekarbonizacija). Praktično nerastvorljiv u srebru .

Tečni vodik postoji u vrlo uskom temperaturnom rasponu od -252,76 do -259,2 ° C. To je bezbojna tečnost, veoma lagana ( gustina na -253 ° C 0,0708 g / cm³ ) i tečna ( viskoznost na -253 ° C 13,8 cP ). Kritični parametri vodika: temperatura -240,2 ° C, pritisak 12,8 atm , kritična gustoća 0,0312 g / cm³ i kritična zapremina 66,95-68,9 cm³ / mol ( 0,033 m³ / kg ). Navedene vrijednosti kritičnih parametara objašnjavaju poteškoće pri ukapljivanju vodika.

Ravnotežna tekućina vodika sastavljena od 99,79% para-H 2, 0,21% o-2 H [⇨] .

Čvrsti vodonik , tačka topljenja -259,2 ° C, gustina 0,0807 g / cm³ (na -262 ° C) -masa nalik snijegu, kristali heksagonalnog sistema , prostorna grupa P6 / mmc, parametri ćelije a = 0,378 nm i c = 0, 6167 nm .

Metalni vodonik

Godine 1935. Winger i Huntington sugerirali su da bi se pri pritiscima iznad 250.000 atm vodik mogao transformirati u metalno stanje . Dobivanje ove tvari u stabilnom stanju otvorilo je vrlo primamljive izglede za njezinu upotrebu-na kraju krajeva, to bi bio ultralaki metal, komponenta lakog i energetski intenzivnog raketnog 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 .