Cos'è l'idrogeno? Ebollizione dell'idrogeno.

Ha una sua posizione specifica nella tavola periodica, che riflette le proprietà che mostra e parla della sua struttura elettronica. Tuttavia, tra tutti ce n'è uno speciale, che occupa due celle contemporaneamente. Si trova in due gruppi di elementi che sono completamente opposti nelle loro proprietà. Questo è idrogeno. Tali caratteristiche lo rendono unico.

L'idrogeno non è solo un elemento, ma anche una sostanza semplice, nonché parte integrante di molti composti complessi, un elemento biogenico e organogeno. Consideriamo quindi le sue caratteristiche e proprietà in modo più dettagliato.

Idrogeno come elemento chimico

L'idrogeno è un elemento del primo gruppo del sottogruppo principale, nonché del settimo gruppo del sottogruppo principale nel primo periodo minore. Questo periodo è costituito da soli due atomi: l'elio e l'elemento che stiamo considerando. Descriviamo le caratteristiche principali della posizione dell'idrogeno nella tavola periodica.

1. Il numero atomico dell'idrogeno è 1, il numero di elettroni è lo stesso e, di conseguenza, il numero di protoni è lo stesso. Massa atomica - 1.00795. Esistono tre isotopi di questo elemento con numeri di massa 1, 2, 3. Tuttavia, le proprietà di ciascuno di essi sono molto diverse, poiché un aumento di massa anche di uno per l'idrogeno è immediatamente doppio.
2. Il fatto che contenga un solo elettrone sulla sua superficie esterna gli consente di esibire con successo sia proprietà ossidanti che riducenti. Inoltre, dopo aver donato un elettrone, rimane con un orbitale libero, che prende parte alla formazione di legami chimici secondo il meccanismo donatore-accettore.
3. L’idrogeno è un forte agente riducente. Pertanto, il suo posto principale è considerato il primo gruppo del sottogruppo principale, dove sono diretti i metalli più attivi: gli alcali.
4. Tuttavia, quando interagisce con forti agenti riducenti, come i metalli, può anche essere un agente ossidante, accettando un elettrone. Questi composti sono chiamati idruri. Secondo questa caratteristica, è a capo del sottogruppo di alogeni con cui è simile.
5. A causa della sua massa atomica molto piccola, l'idrogeno è considerato l'elemento più leggero. Inoltre, anche la sua densità è molto bassa, quindi è anche un punto di riferimento per la leggerezza.

Pertanto, è ovvio che l'atomo di idrogeno è un elemento completamente unico, a differenza di tutti gli altri elementi. Di conseguenza anche le sue proprietà sono speciali e le sostanze semplici e complesse che si formano sono molto importanti. Consideriamoli ulteriormente.

Sostanza semplice

Se parliamo di questo elemento come di una molecola, allora dobbiamo dire che è biatomico. Cioè, l'idrogeno (una sostanza semplice) è un gas. La sua formula empirica sarà scritta come H2 e la sua formula grafica sarà scritta attraverso una relazione H-H a singolo sigma. Il meccanismo di formazione del legame tra gli atomi è covalente non polare.

1. Reforming del metano a vapore.
2. Gassificazione del carbone: il processo prevede il riscaldamento del carbone a 1000 0 C, con conseguente formazione di idrogeno e carbone ad alto contenuto di carbonio.
3. Elettrolisi. Questo metodo può essere utilizzato solo per soluzioni acquose di vari sali, poiché le fusioni non comportano uno scarico di acqua al catodo.

Metodi di laboratorio per la produzione di idrogeno:

1. Idrolisi degli idruri metallici.
2. L'effetto degli acidi diluiti sui metalli attivi e sull'attività media.
3. Interazione dei metalli alcalini e alcalino terrosi con l'acqua.

Per raccogliere l'idrogeno prodotto è necessario tenere la provetta capovolta. Dopotutto, questo gas non può essere raccolto allo stesso modo, ad esempio, dell'anidride carbonica. Questo è idrogeno, è molto più leggero dell'aria. Evapora rapidamente e in grandi quantità esplode se miscelato con l'aria. Pertanto, la provetta deve essere capovolta. Dopo averlo riempito è necessario chiuderlo con un tappo di gomma.

Per verificare la purezza dell'idrogeno raccolto, dovresti portare un fiammifero acceso al collo. Se l'applauso è sordo e silenzioso, significa che il gas è pulito, con minime impurità nell'aria. Se è rumoroso e fischia, è sporco, con una grande percentuale di componenti estranei.

Aree di utilizzo

Quando l'idrogeno viene bruciato, viene rilasciata una quantità di energia (calore) così grande che questo gas è considerato il combustibile più redditizio. Inoltre, è rispettoso dell'ambiente. Tuttavia, ad oggi, la sua applicazione in questo ambito è limitata. Ciò è dovuto a problemi mal concepiti e irrisolti relativi alla sintesi dell'idrogeno puro, che sarebbe adatto all'uso come combustibile in reattori, motori e dispositivi portatili, nonché caldaie per il riscaldamento residenziale.

Dopotutto, i metodi per produrre questo gas sono piuttosto costosi, quindi è necessario prima sviluppare un metodo di sintesi speciale. Uno che ti consentirà di ottenere il prodotto in grandi volumi e ad un costo minimo.

Esistono diversi ambiti principali in cui viene utilizzato il gas che stiamo considerando.

1. Sintesi chimiche. L'idrogenazione viene utilizzata per produrre saponi, margarine e plastica. Con la partecipazione di idrogeno, vengono sintetizzati metanolo e ammoniaca, nonché altri composti.
2. Nell'industria alimentare - come additivo E949.
3. Industria aeronautica (scienza missilistica, produzione di aeromobili).
4. Industria dell'energia elettrica.
5. Meteorologia.
6. Carburante ecologico.

Ovviamente l’idrogeno è tanto importante quanto abbondante in natura. I vari composti che forma svolgono un ruolo ancora maggiore.

Composti dell'idrogeno

Queste sono sostanze complesse contenenti atomi di idrogeno. Esistono diversi tipi principali di tali sostanze.

1. Alogenuri di idrogeno. La formula generale è HHal. Di particolare importanza tra questi è l'acido cloridrico. È un gas che si dissolve in acqua per formare una soluzione di acido cloridrico. Questo acido è ampiamente utilizzato in quasi tutte le sintesi chimiche. Inoltre, sia organico che inorganico. Il cloruro di idrogeno è un composto con la formula empirica HCL ed è uno dei più grandi prodotti ogni anno nel nostro paese. Gli alogenuri di idrogeno includono anche idrogeno ioduro, acido fluoridrico e acido bromidrico. Tutti formano gli acidi corrispondenti.
2. Volatili Quasi tutti sono gas piuttosto velenosi. Ad esempio, idrogeno solforato, metano, silano, fosfina e altri. Allo stesso tempo, sono molto infiammabili.
3. Gli idruri sono composti con metalli. Appartengono alla classe dei sali.
4. Idrossidi: basi, acidi e composti anfoteri. Contengono necessariamente atomi di idrogeno, uno o più. Esempio: NaOH, K 2, H 2 SO 4 e altri.
5. Idrossido di idrogeno. Questo composto è meglio conosciuto come acqua. Un altro nome è ossido di idrogeno. La formula empirica è simile a questa: H 2 O.
6. Perossido di idrogeno. Questo è un forte agente ossidante, la cui formula è H 2 O 2.
7. Numerosi composti organici: idrocarburi, proteine, grassi, lipidi, vitamine, ormoni, oli essenziali e altri.

È ovvio che la varietà dei composti dell'elemento che stiamo considerando è molto ampia. Ciò conferma ancora una volta la sua grande importanza per la natura e l’uomo, nonché per tutti gli esseri viventi.

- questo è il miglior solvente

Come accennato in precedenza, il nome comune di questa sostanza è acqua. È costituito da due atomi di idrogeno e uno di ossigeno, collegati da legami polari covalenti. La molecola d'acqua è un dipolo, questo spiega molte delle proprietà che esibisce. In particolare, è un solvente universale.

È nell'ambiente acquatico che si verificano quasi tutti i processi chimici. Anche le reazioni interne del metabolismo plastico ed energetico negli organismi viventi vengono effettuate utilizzando l'ossido di idrogeno.

L'acqua è giustamente considerata la sostanza più importante del pianeta. È noto che nessun organismo vivente può vivere senza di essa. Sulla Terra può esistere in tre stati di aggregazione:

• liquido;
• gas (vapore);
• solido (ghiaccio).

A seconda dell'isotopo dell'idrogeno contenuto nella molecola si distinguono tre tipi di acqua.

1. Luce o protio. Un isotopo con numero di massa 1. Formula - H 2 O. Questa è la forma abituale utilizzata da tutti gli organismi.
2. Deuterio o pesante, la sua formula è D 2 O. Contiene l'isotopo 2 H.
3. Super pesante o trizio. La formula assomiglia a T 3 O, isotopo - 3 H.

Le riserve di acqua dolce protium del pianeta sono molto importanti. In molti paesi ne esiste già una carenza. Sono in fase di sviluppo metodi per trattare l'acqua salata per produrre acqua potabile.

Il perossido di idrogeno è un rimedio universale

Questo composto, come accennato in precedenza, è un ottimo agente ossidante. Ma con rappresentanti forti può anche comportarsi da restauratore. Inoltre, ha un pronunciato effetto battericida.

Un altro nome per questo composto è perossido. È in questa forma che viene utilizzato in medicina. Una soluzione al 3% di idrato cristallino del composto in questione è un medicinale che viene utilizzato per trattare piccole ferite allo scopo di disinfettarle. Tuttavia, è stato dimostrato che ciò aumenta il tempo di guarigione della ferita.

Il perossido di idrogeno viene utilizzato anche nel carburante per missili, nell'industria per la disinfezione e lo sbiancamento e come agente schiumogeno per la produzione di materiali appropriati (schiuma, ad esempio). Inoltre, il perossido aiuta a pulire gli acquari, a decolorare i capelli e a sbiancare i denti. Tuttavia, provoca danni ai tessuti, quindi non è raccomandato dagli specialisti per questi scopi.

Prevalenza in natura. V. è molto diffuso in natura, il suo contenuto nella crosta terrestre (litosfera e idrosfera) è dell'1% in massa e del 16% in numero di atomi. V. fa parte della sostanza più comune sulla Terra: l'acqua (11,19% di V. in peso), nella composizione dei composti che compongono carbone, petrolio, gas naturali, argille, nonché organismi animali e vegetali (cioè nella composizione proteine, acidi nucleici, grassi, carboidrati, ecc.). Allo stato libero V. è estremamente raro, si trova in piccole quantità nei gas vulcanici e in altri gas naturali. Nell'atmosfera sono presenti quantità minori di idrogeno libero (0,0001% in numero di atomi). Nello spazio vicino alla Terra, la radiazione forma la cintura di radiazione interna (“protone”) della Terra sotto forma di un flusso di protoni. Nello spazio V. è l'elemento più comune. Sotto forma di plasma, costituisce circa la metà della massa del Sole e della maggior parte delle stelle, la maggior parte dei gas del mezzo interstellare e delle nebulose gassose. V. è presente nell'atmosfera di numerosi pianeti e nelle comete sotto forma di H2 libero, metano CH4, ammoniaca NH3, acqua H2O, radicali come CH, NH, OH, SiH, PH, ecc. Sotto forma di flusso di protoni, l'energia fa parte della radiazione corpuscolare del Sole e dei raggi cosmici.

Isotopi, atomo e molecola. Il vetriolo ordinario è costituito da una miscela di due isotopi stabili: vetriolo leggero, o protio (1H), e vetriolo pesante, o deuterio (2H, o D). Nei composti naturali, ci sono in media 6800 atomi 1H per 1 atomo 2H. È stato prodotto artificialmente un isotopo radioattivo: il V. superpesante, o trizio (3H, o T), con radiazioni β deboli e un'emivita T1/2 = 12.262 anni. In natura, il trizio si forma, ad esempio, dall'azoto atmosferico sotto l'influenza dei neutroni dei raggi cosmici; nell'atmosfera è trascurabile (4-10-15% del numero totale di atomi di V). È stato ottenuto un isotopo estremamente instabile 4H. I numeri di massa degli isotopi 1H, 2H, 3H e 4H, rispettivamente 1,2, 3 e 4, indicano che il nucleo di un atomo di prozio contiene solo 1 protone, il deuterio - 1 protone e 1 neutrone, il trizio - 1 protone e 2 neutroni, 4H - 1 protone e 3 neutroni. La grande differenza nelle masse degli isotopi di V. determina una differenza più evidente nelle loro proprietà fisiche e chimiche rispetto al caso degli isotopi di altri elementi.

L'atomo V. ha la struttura più semplice tra gli atomi di tutti gli altri elementi: è costituito da un nucleo e un elettrone. L'energia di legame di un elettrone con un nucleo (potenziale di ionizzazione) è 13.595 eV. Un atomo neutro può anche aggiungere un secondo elettrone, formando uno ione negativo H-; in questo caso l'energia di legame del secondo elettrone con un atomo neutro (affinità elettronica) è 0,78 eV. La meccanica quantistica permette di calcolare tutti i possibili livelli energetici di un atomo e, quindi, di dare un'interpretazione completa del suo spettro atomico. L'atomo V viene utilizzato come atomo modello nei calcoli quantomeccanici dei livelli energetici di altri atomi più complessi. Molecola B. H2 è costituita da due atomi collegati da un legame chimico covalente. L'energia di dissociazione (cioè di decadimento in atomi) è 4,776 eV (1 eV = 1,60210-10-19 J). La distanza interatomica nella posizione di equilibrio dei nuclei è 0,7414-Å. Ad alte temperature, l'idrogeno molecolare si dissocia in atomi (il grado di dissociazione a 2000°C è 0,0013, a 5000°C 0,95). Il V. atomico si forma anche in varie reazioni chimiche (ad esempio, mediante l'azione dello Zn sull'acido cloridrico). Tuttavia, l’esistenza dell’idrogeno allo stato atomico dura solo poco tempo; gli atomi si ricombinano in molecole H2.

Proprietà fisiche e chimiche. V. è la più leggera tra tutte le sostanze conosciute (14,4 volte più leggera dell'aria), densità 0,0899 g/l a 0°C e 1 atm. L'elio bolle (si liquefa) e fonde (solidifica), rispettivamente, a -252,6°C e -259,1°C (solo l'elio ha punti di fusione e di ebollizione più bassi). La temperatura critica dell'acqua è molto bassa (-240°C), quindi la sua liquefazione è irta di grandi difficoltà; pressione critica 12,8 kgf/cm2 (12,8 atm), densità critica 0,0312 g/cm3. Tra tutti i gas, V. ha la maggiore conduttività termica, pari a 0,174 W/(m-K) a 0°C e 1 atm, ovvero 4,16-0-4 cal/(s-cm-°C). Il calore specifico di V. a 0°C e 1 atm Ср 14.208-103 J/(kg-K), cioè 3.394 cal/(g-°C). V. è poco solubile in acqua (0,0182 ml/g a 20°C e 1 atm), ma ben solubile in molti metalli (Ni, Pt, Pd, ecc.), soprattutto nel palladio (850 volumi per 1 volume di Pd) . La solubilità di V. nei metalli è legata alla sua capacità di diffondersi attraverso di essi; La diffusione attraverso una lega di carbonio (ad esempio l'acciaio) è talvolta accompagnata dalla distruzione della lega dovuta all'interazione del carbonio con il carbonio (la cosiddetta decarbonizzazione). Il liquido V. è molto leggero (densità a -253°C 0,0708 g/cm3) e fluido (viscosità a -253°C 13,8 spuaz).

Nella maggior parte dei composti, V. presenta una valenza (più precisamente, stato di ossidazione) +1, come il sodio e altri metalli alcalini; di solito è considerato un analogo di questi metalli, portando 1 grammo. Il sistema di Mendeleev. Tuttavia, negli idruri metallici, lo ione B è caricato negativamente (stato di ossidazione -1), cioè l'idruro Na+H- è strutturato in modo simile al cloruro Na+Cl-. Questo e alcuni altri fatti (la somiglianza delle proprietà fisiche di V. e degli alogeni, la capacità degli alogeni di sostituire V. nei composti organici) danno motivo di classificare V. anche nel VII gruppo della tavola periodica (per maggiori dettagli, vedere la tavola periodica degli elementi). In condizioni normali, il V. molecolare è relativamente poco attivo, combinandosi direttamente solo con i non metalli più attivi (con il fluoro e alla luce con il cloro). Tuttavia, quando riscaldato, reagisce con molti elementi. Atomic V. ha una maggiore attività chimica rispetto a quella molecolare. Con l'ossigeno V. forma acqua: H2 + 1/2O2 = H2O con rilascio di 285,937-103 J/mol, ovvero 68,3174 kcal/mol di calore (a 25°C e 1 atm). A temperature normali la reazione procede molto lentamente, sopra i 550°C esplode. I limiti esplosivi di una miscela idrogeno-ossigeno vanno (in volume) dal 4 al 94% di H2, e di una miscela idrogeno-aria dal 4 al 74% di H2 (una miscela di 2 volumi di H2 e 1 volume di O2 è chiamata gas detonante). V. viene utilizzato per ridurre molti metalli, poiché rimuove l'ossigeno dai loro ossidi:

CuO + H2 = Cu + H2O,
Fe3O4 + 4H2 = 3Fe + 4H2O, ecc.
Con gli alogeni, V. forma alogenuri di idrogeno, ad esempio:
H2 + Cl2 = 2HCl.

Allo stesso tempo, V. esplode con il fluoro (anche al buio e a -252°C), reagisce con cloro e bromo solo se illuminato o riscaldato, e con iodio solo se riscaldato. V. reagisce con l'azoto per formare ammoniaca: 3H2 + N2 = 2NH3 solo su un catalizzatore e a temperature e pressioni elevate. Quando riscaldato, V. reagisce vigorosamente con lo zolfo: H2 + S = H2S (idrogeno solforato), molto più difficile con selenio e tellurio. V. può reagire con carbonio puro senza catalizzatore solo ad alte temperature: 2H2 + C (amorfo) = CH4 (metano). V. reagisce direttamente con alcuni metalli (alcalini, alcalino-terrosi, ecc.), formando idruri: H2 + 2Li = 2LiH. Di grande importanza pratica sono le reazioni dell'idrogeno con il monossido di carbonio, in cui si formano vari composti organici, a seconda della temperatura, della pressione e del catalizzatore, ad esempio HCHO, CH3OH, ecc. (vedi Monossido di carbonio). Gli idrocarburi insaturi reagiscono con l'idrogeno saturandosi, ad esempio: CnH2n + H2 = CnH2n+2 (vedi Idrogenazione).

Stoccaggio dell'idrogeno.

Gladysheva Marina Alekseevna, 10A, scuola n. 75, Chernogolovka. Relazione al convegno "Start in Science", MIPT, 2004.

L’attrattiva dell’idrogeno come vettore energetico universale è determinata dalla sua compatibilità ambientale, flessibilità ed efficienza dei processi di conversione energetica che comportano la sua partecipazione. Le tecnologie per la produzione di idrogeno su più scala sono abbastanza ben sviluppate e dispongono di una base di materie prime quasi illimitata. Tuttavia, la bassa densità del gas idrogeno, la bassa temperatura della sua liquefazione, nonché l'elevato rischio di esplosione, combinato con un impatto negativo sulle proprietà dei materiali strutturali, mettono in primo piano i problemi dello sviluppo di sistemi di stoccaggio dell'idrogeno efficaci e sicuri - questi sono i problemi che attualmente ostacolano lo sviluppo dell'energia e della tecnologia dell'idrogeno.

In conformità con la classificazione del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti, i metodi di stoccaggio del combustibile a idrogeno possono essere suddivisi in 2 gruppi:

Il primo gruppo comprende metodi fisici che utilizzano processi fisici (principalmente compressione o liquefazione) per convertire il gas idrogeno in uno stato compatto. L'idrogeno immagazzinato con metodi fisici è costituito da molecole di H 2 , interagendo debolmente con l'ambiente di archiviazione. Oggi sono stati implementati i seguenti metodi fisici per immagazzinare l'idrogeno:

Gas idrogeno compresso:

bombole di gas;

sistemi di stoccaggio massiccio stazionari, compresi serbatoi sotterranei;

stoccaggio in condotte;

microsfere di vetro.

Idrogeno liquido: contenitori criogenici fissi e da trasporto.

IN chimico metodi, lo stoccaggio dell'idrogeno è assicurato da processi fisici o chimici della sua interazione con determinati materiali. Questi metodi sono caratterizzati dalla forte interazione dell'idrogeno molecolare o atomico con il materiale del mezzo di stoccaggio. Questo gruppo di metodi comprende principalmente quanto segue:

Adsorbimento:

zeoliti e composti correlati;

Carbone attivo;

nanomateriali idrocarburici.

Assorbimento per volume di materiale(idruri metallici)

Interazione chimica:

alonati;

fullereni e idruri organici;

ammoniaca;

spugna di ferro;

leghe idroreattive a base di alluminio e silicio.

Stoccaggio dell'idrogeno non è un problema più complesso dello stoccaggio del gas naturale. In pratica, a questo scopo vengono utilizzati serbatoi di gas, serbatoi naturali sotterranei (falde acquifere, giacimenti di petrolio e gas esauriti) e impianti di stoccaggio creati da esplosioni atomiche sotterranee. È stata dimostrata la possibilità fondamentale di immagazzinare gas idrogeno in caverne saline create sciogliendo il sale con acqua attraverso pozzi.

Per immagazzinare gas idrogeno a pressioni fino a 100 MPa, vengono utilizzati recipienti saldati con pareti a due o più strati. La parete interna di tale recipiente è realizzata in acciaio inossidabile austenitico o altro materiale compatibile con l'idrogeno in condizioni di alta pressione, gli strati esterni sono realizzati in acciai ad alta resistenza. A tal fine vengono utilizzati anche recipienti a pareti spesse senza saldatura realizzati in acciai a basso tenore di carbonio progettati per pressioni fino a 40-70 MPa.

Lo stoccaggio del gas idrogeno in contenitori di gas con una riserva d'acqua (contenitori di gas umido), contenitori di gas a pistone a pressione costante (contenitori di gas secco) e contenitori di gas a volume costante (serbatoi ad alta pressione) è diventato molto diffuso. Le bombole vengono utilizzate per immagazzinare piccole quantità di idrogeno.

Va tenuto presente che i serbatoi del gas sia umidi che asciutti (a pistone) con struttura saldata non hanno una tenuta sufficiente. In base alle condizioni tecniche, durante il normale funzionamento dei serbatoi di gas umido con una capacità fino a 3000 m3 sono consentite perdite di idrogeno 3 – circa 1,65%, e con una portata da 3000 m 3 e altro - circa l'1,1% al giorno (in base al volume nominale del serbatoio del gas).

Uno dei modi più promettenti per immagazzinare grandi quantità di idrogeno è immagazzinarlo nelle falde acquifere. Le perdite annuali con questo metodo di stoccaggio vanno dall'1 al 3%. Questa quantità di perdite è confermata dall'esperienza dello stoccaggio del gas naturale.

Il gas idrogeno può essere immagazzinato e trasportato in recipienti di acciaio sotto pressione fino a 20 MPa. Tali contenitori possono essere trasportati fino al punto di consumo su piattaforme automobilistiche o ferroviarie, sia in contenitori standard che in contenitori appositamente progettati.

Per lo stoccaggio e il trasporto di piccole quantità di idrogeno compresso a temperature da –50 a +60 0 C utilizzare cilindri in acciaio senza saldatura di piccola capacità fino a 12 dm 3 e capacità media 20 – 50 dm 3 con pressione di esercizio fino a 20 MPa. Il corpo della valvola è in ottone. I cilindri sono verniciati di verde scuro e recano la scritta “Hydrogen” in rosso.

Le bombole di stoccaggio dell'idrogeno sono abbastanza semplici e compatte. Tuttavia, per immagazzinare 2 kg N 2 sono necessari bulloni del peso di 33 kg. I progressi nella scienza dei materiali consentono di ridurre la massa del materiale del cilindro a 20 kg per 1 kg di idrogeno e in futuro è possibile ridurla a 8-10 kg. Finora, la massa dell’idrogeno immagazzinato nelle bombole è pari a circa il 2–3% della massa della bombola stessa.

Grandi quantità di idrogeno possono essere immagazzinate in grandi serbatoi di gas pressurizzati. I serbatoi del gas sono generalmente realizzati in acciaio al carbonio. La pressione di esercizio al loro interno di solito non supera i 10 MPa. A causa della bassa densità dell’idrogeno gassoso, conservarlo in tali contenitori è vantaggioso solo in quantità relativamente piccole. L'aumento della pressione al di sopra del valore specificato, ad esempio, a centinaia di mega Pascal, in primo luogo, provoca difficoltà associate alla corrosione da idrogeno degli acciai al carbonio e, in secondo luogo, porta ad un aumento significativo del costo di tali contenitori.

Per immagazzinare grandi quantità di idrogeno, un metodo economicamente vantaggioso consiste nello stoccaggio del gas esaurito e delle falde acquifere. Negli Stati Uniti esistono più di 300 impianti di stoccaggio sotterraneo del gas.

L'idrogeno gassoso in grandi quantità viene immagazzinato in caverne saline profonde 365 m ad una pressione dell'idrogeno di 5 MPa, in strutture porose riempite d'acqua contenenti fino a 20 10 6 m3 di idrogeno.

L'esperienza di stoccaggio a lungo termine (più di 10 anni) in impianti di stoccaggio sotterranei di gas contenente il 50% di idrogeno ha dimostrato la piena possibilità del suo stoccaggio senza perdite evidenti. Strati di argilla imbevuti di acqua possono fornire uno stoccaggio ermeticamente sigillato a causa della debole dissoluzione dell'idrogeno nell'acqua.

Stoccaggio dell'idrogeno liquido

Tra le tante proprietà uniche dell'idrogeno che è importante considerare quando lo si conserva in forma liquida, ce n'è una particolarmente importante. L'idrogeno allo stato liquido si trova in un intervallo di temperature ristretto: dal punto di ebollizione di 20K al punto di congelamento di 17K, quando passa allo stato solido. Se la temperatura supera il punto di ebollizione, l'idrogeno cambia istantaneamente da liquido a gas.

Per evitare il surriscaldamento locale, i recipienti riempiti con idrogeno liquido devono essere preraffreddati a una temperatura vicina al punto di ebollizione dell'idrogeno, solo allora potranno essere riempiti con idrogeno liquido. Per fare ciò, attraverso il sistema viene fatto passare il gas di raffreddamento, che è associato ad un elevato consumo di idrogeno per raffreddare il contenitore.

La transizione dell'idrogeno dallo stato liquido a quello gassoso è associata a inevitabili perdite per evaporazione. Il costo e il contenuto energetico del gas evaporato sono significativi. Pertanto è necessario organizzare l'utilizzo di questo gas dal punto di vista economico e di sicurezza. Secondo le condizioni per il funzionamento sicuro di un recipiente criogenico, è necessario che dopo aver raggiunto la massima pressione operativa nel contenitore, lo spazio del gas sia almeno del 5%.

Esistono numerosi requisiti per i serbatoi di stoccaggio dell'idrogeno liquido:

il design del serbatoio deve garantire robustezza e affidabilità, funzionamento sicuro a lungo termine;

il consumo di idrogeno liquido per preraffreddare l'impianto di stoccaggio prima di riempirlo con idrogeno liquido dovrebbe essere minimo;

Il serbatoio di stoccaggio deve essere dotato di un mezzo per il rapido riempimento con idrogeno liquido e la rapida erogazione del prodotto immagazzinato.

La parte principale del sistema di stoccaggio criogenico dell'idrogeno sono i serbatoi termicamente isolati, la cui massa è circa 4 - 5 volte inferiore per 1 kg di idrogeno immagazzinato rispetto allo stoccaggio in bombole ad alta pressione. Nei sistemi di stoccaggio criogenico per idrogeno liquido, 1 kg di idrogeno rappresenta 6-8 kg della massa di un recipiente criogenico e, in termini di caratteristiche volumetriche, i recipienti criogenici corrispondono allo stoccaggio di idrogeno gassoso a una pressione di 40 MPa.

L'idrogeno liquido viene immagazzinato in grandi quantità in speciali impianti di stoccaggio con un volume fino a 5 mila m 3 . Grande impianto di stoccaggio sferico per idrogeno liquido con un volume di 2850 m 3 ha un diametro interno della sfera di alluminio di 17,4 m 3 .

Stoccaggio e trasporto dell'idrogeno in uno stato chimicamente legato

I vantaggi dello stoccaggio e del trasporto dell'idrogeno sotto forma di ammoniaca, metanolo, etanolo su lunghe distanze sono l'elevata densità del contenuto volumetrico di idrogeno. Tuttavia, in queste forme di stoccaggio dell’idrogeno, il mezzo di stoccaggio viene utilizzato una volta. La temperatura di liquefazione dell'ammoniaca è 239,76 K, la temperatura critica è 405 K, quindi a temperatura normale l'ammoniaca si liquefa ad una pressione di 1,0 MPa e può essere trasportata attraverso tubi e immagazzinata in forma liquida. Di base I rapporti sono riportati di seguito:

1 m 3 N 2 (g) » 0,66 m 3 NH 3 » 0,75 dm 3 H 2 (l);

1 t NH 3 » 1975 m 3 N 2 + 658 m 3 N 2 – 3263 MJ;

2NH3 ?N2 + 3H2 – 92 kJ.

I dissociatori per la decomposizione dell'ammoniaca (cracker), che avviene a temperature di circa 1173 - 1073 K e pressione atmosferica, utilizzano un catalizzatore di ferro esaurito per sintetizzare l'ammoniaca. Per produrre un kg di idrogeno si consumano 5,65 kg di ammoniaca. Per quanto riguarda il consumo di calore per la dissociazione dell'ammoniaca quando si utilizza questo calore dall'esterno, il calore di combustione dell'idrogeno risultante può essere fino al 20% superiore al calore di combustione dell'ammoniaca utilizzata nel processo di decomposizione. Se l'idrogeno ottenuto nel processo viene utilizzato per il processo di dissociazione, l'efficienza di tale processo (il rapporto tra il calore del gas risultante e il calore di combustione dell'ammoniaca consumata) non supera il 60-70%.

L'idrogeno dal metanolo può essere ottenuto secondo due schemi: o mediante decomposizione catalitica:

CH3OH? CO+2H 2 – 90 kJ

seguita dalla conversione catalitica della CO o dalla conversione catalitica del vapore in un'unica fase:

H2O + CH3OH?CO2 + 3H2 – 49 kJ.

Tipicamente, il processo utilizza un catalizzatore zinco-cromo per la sintesi del metanolo. Il processo avviene a 573 – 673 K. Il metanolo può essere utilizzato come combustibile per i processi di conversione. In questo caso, l’efficienza del processo di produzione dell’idrogeno è del 65 – 70% (il rapporto tra il calore dell’idrogeno prodotto e il calore di combustione del metanolo consumato); se il calore per il processo di produzione dell'idrogeno viene fornito dall'esterno, il calore di combustione dell'idrogeno ottenuto mediante decomposizione catalitica è del 22% e quello dell'idrogeno ottenuto mediante reforming con vapore è superiore del 15% rispetto al calore di combustione del metanolo consumato.

Va aggiunto a quanto sopra che quando si crea uno schema energetico-tecnologico utilizzando il calore di scarto e l'uso di idrogeno ottenuto da metanolo, ammoniaca o etanolo, è possibile ottenere un'efficienza del processo superiore rispetto a quando si utilizzano questi prodotti come combustibili liquidi sintetici. Pertanto, con la combustione diretta di metanolo e un'unità turbina a gas, l'efficienza è del 35%, quando, a causa del calore dei gas di scarico, si effettua l'evaporazione e la conversione catalitica del metanolo e la combustione della miscela CO+H 2 L'efficienza aumenta al 41,30% e quando si esegue il reforming del vapore e la combustione dell'idrogeno risultante fino al 41,9%.

Sistema di stoccaggio dell'idrogeno idruro

Immagazzinando l'idrogeno sotto forma di idruro, non sono necessarie bombole ingombranti e pesanti per lo stoccaggio dell'idrogeno gassoso compresso, o recipienti costosi e difficili da produrre per lo stoccaggio dell'idrogeno liquido. Quando si immagazzina idrogeno sotto forma di idruri, il volume del sistema si riduce di circa 3 volte rispetto al volume di stoccaggio in bombole. Il trasporto dell’idrogeno è semplificato. Non ci sono costi per la conversione e la liquefazione dell’idrogeno.

L'idrogeno può essere ottenuto dagli idruri metallici mediante due reazioni: idrolisi e dissociazione.

Mediante l'idrolisi è possibile ottenere una quantità di idrogeno doppia rispetto a quella presente nell'idruro. Tuttavia, questo processo è praticamente irreversibile. Il metodo di produzione dell'idrogeno mediante dissociazione termica di un idruro consente di creare batterie a idrogeno, per le quali un leggero cambiamento di temperatura e pressione nel sistema provoca un cambiamento significativo nell'equilibrio della reazione di formazione dell'idruro.

I dispositivi fissi per lo stoccaggio dell'idrogeno sotto forma di idruri non hanno rigide restrizioni su massa e volume, quindi il fattore limitante nella scelta di un particolare idruro sarà, con ogni probabilità, il suo costo. Per alcune applicazioni, l'idruro di vanadio può essere utile, poiché si dissocia bene a una temperatura vicina a 270 K. L'idruro di magnesio è relativamente economico, ma ha una temperatura di dissociazione relativamente alta di 560 - 570 K e un elevato calore di formazione. La lega ferro-titanio è relativamente economica e il suo idruro si dissocia a temperature di 320 - 370 K con un basso calore di formazione. L'uso degli idruri presenta notevoli vantaggi in termini di sicurezza. Un serbatoio di idruro di idrogeno danneggiato rappresenta un pericolo significativamente inferiore rispetto a un serbatoio di idrogeno liquido danneggiato o un serbatoio a pressione riempito di idrogeno.

Attualmente, presso l'Istituto di fisica chimica dell'Accademia russa delle scienze a Chernogolovka, sono in corso i lavori per creare batterie all'idrogeno basate su idruri metallici.

Bibliografia :

1. Elenco. "Idrogeno. Proprietà, ricezione, stoccaggio, trasporto, applicazione." “Chimica” di Mosca – 1989

2. "Revisione dei metodi di stoccaggio dell'idrogeno". Istituto per i problemi della scienza dei materiali dell'Accademia nazionale delle scienze dell'Ucraina. http://shp.by.ru/sci/fullerene/rorums/ichms/2003/

• Designazione - H (Idrogeno);
• Nome latino: Hydrogenium;
• Periodo - I;
• Gruppo - 1 (Ia);
• Massa atomica - 1.00794;
• Numero atomico - 1;
• Raggio atomico = 53 pm;
• Raggio covalente = 32 pm;
• Distribuzione degli elettroni - 1s 1;
• temperatura di fusione = -259,14°C;
• punto di ebollizione = -252,87°C;
• Elettronegatività (secondo Pauling/secondo Alpred e Rochow) = 2,02/-;
• Stato di ossidazione: +1; 0; -1;
• Densità (n.) = 0,0000899 g/cm 3 ;
• Volume molare = 14,1 cm 3 /mol.

Composti binari dell'idrogeno con l'ossigeno:

L'idrogeno (“dare vita all'acqua”) fu scoperto dallo scienziato inglese G. Cavendish nel 1766. È l'elemento più semplice in natura: un atomo di idrogeno ha un nucleo e un elettrone, motivo per cui l'idrogeno è l'elemento più abbondante nell'Universo (costituisce più della metà della massa della maggior parte delle stelle).

Dell’idrogeno possiamo dire che “la bobina è piccola, ma costosa”. Nonostante la sua "semplicità", l'idrogeno fornisce energia a tutti gli esseri viventi sulla Terra: sul Sole avviene una reazione termonucleare continua durante la quale da quattro atomi di idrogeno si forma un atomo di elio, questo processo è accompagnato dal rilascio di una quantità colossale di energia (per maggiori dettagli vedere Fusione nucleare).

Nella crosta terrestre la frazione di massa dell'idrogeno è solo dello 0,15%. Nel frattempo, la stragrande maggioranza (95%) di tutte le sostanze chimiche conosciute sulla Terra contengono uno o più atomi di idrogeno.

Nei composti con non metalli (HCl, H 2 O, CH 4 ...), l'idrogeno cede il suo unico elettrone a elementi più elettronegativi, mostrando uno stato di ossidazione +1 (più spesso), formando solo legami covalenti (vedi Covalente legame).

Nei composti con metalli (NaH, CaH 2 ...), l'idrogeno, al contrario, accetta un altro elettrone nel suo unico orbitale s, cercando così di completare il suo strato elettronico, esibendo uno stato di ossidazione pari a -1 (meno spesso), spesso formando un legame ionico (vedi legame ionico), perché la differenza di elettronegatività dell'atomo di idrogeno e dell'atomo di metallo può essere piuttosto grande.

H2

Allo stato gassoso, l'idrogeno esiste sotto forma di molecole biatomiche, formando un legame covalente non polare.

Le molecole di idrogeno hanno:

• grande mobilità;
• grande forza;
• bassa polarizzabilità;
• dimensioni e peso ridotti.

Proprietà dell'idrogeno gassoso:

• il gas più leggero in natura, incolore e inodore;
• scarsamente solubile in acqua e solventi organici;
• si dissolve in piccole quantità nei metalli liquidi e solidi (soprattutto platino e palladio);
• difficile da liquefare (a causa della sua bassa polarizzabilità);
• ha la più alta conduttività termica tra tutti i gas conosciuti;
• quando riscaldato reagisce con molti non metalli, esibendo le proprietà di un agente riducente;
• a temperatura ambiente reagisce con il fluoro (si verifica un'esplosione): H 2 + F 2 = 2HF;
• reagisce con i metalli per formare idruri, mostrando proprietà ossidanti: H 2 + Ca = CaH 2 ;

Nei composti, l'idrogeno mostra le sue proprietà riducenti molto più fortemente delle sue proprietà ossidanti. L’idrogeno è l’agente riducente più potente dopo carbone, alluminio e calcio. Le proprietà riducenti dell'idrogeno sono ampiamente utilizzate nell'industria per ottenere metalli e non metalli (sostanze semplici) da ossidi e galluri.

Fe2O3 + 3H2 = 2Fe + 3H2O

Reazioni dell'idrogeno con sostanze semplici

L'idrogeno accetta un elettrone, svolgendo un ruolo agente riducente, nelle reazioni:

• Con ossigeno(quando acceso o in presenza di catalizzatore), in rapporto 2:1 (idrogeno:ossigeno) si forma un gas esplosivo detonante: 2H 2 0 +O 2 = 2H 2 +1 O+572 kJ
• Con grigio(se riscaldato a 150°C-300°C): H 2 0 +S ↔ H 2 +1 S
• Con cloro(quando acceso o irradiato con raggi UV): H 2 0 +Cl 2 = 2H +1 Cl
• Con fluoro: H20+F2 = 2H+1F
• Con azoto(se riscaldato in presenza di catalizzatori o ad alta pressione): 3H 2 0 +N 2 ↔ 2NH 3 +1

L'idrogeno dona un elettrone, svolgendo un ruolo agente ossidante, nelle reazioni con alcalino E terra alcalina metalli con la formazione di idruri metallici - composti ionici simili al sale contenenti ioni idruro H - si tratta di sostanze cristalline bianche instabili.

Ca+H2 = CaH2 -1 2Na+H2 0 = 2NaH -1

Non è tipico che l'idrogeno presenti uno stato di ossidazione pari a -1. Quando reagiscono con l'acqua, gli idruri si decompongono, riducendo l'acqua ad idrogeno. La reazione dell'idruro di calcio con l'acqua è la seguente:

CaH 2 -1 +2H 2 +1 0 = 2H 2 0 +Ca(OH) 2

Reazioni dell'idrogeno con sostanze complesse

• ad alte temperature, l'idrogeno riduce molti ossidi metallici: ZnO+H 2 = Zn+H 2 O
• l'alcol metilico si ottiene dalla reazione dell'idrogeno con il monossido di carbonio (II): 2H 2 +CO → CH 3 OH
• Nelle reazioni di idrogenazione, l'idrogeno reagisce con molte sostanze organiche.

Le equazioni delle reazioni chimiche dell'idrogeno e dei suoi composti sono discusse più dettagliatamente nella pagina "Idrogeno e suoi composti - equazioni delle reazioni chimiche che coinvolgono l'idrogeno".

Applicazioni dell'idrogeno

• nell'energia nucleare vengono utilizzati gli isotopi dell'idrogeno: deuterio e trizio;
• nell'industria chimica l'idrogeno viene utilizzato per la sintesi di molte sostanze organiche, ammoniaca, acido cloridrico;
• nell'industria alimentare l'idrogeno viene utilizzato nella produzione di grassi solidi attraverso l'idrogenazione degli oli vegetali;
• per la saldatura e il taglio dei metalli si utilizza l'elevata temperatura di combustione dell'idrogeno nell'ossigeno (2600°C);
• nella produzione di alcuni metalli l'idrogeno viene utilizzato come agente riducente (vedi sopra);
• poiché l'idrogeno è un gas leggero, viene utilizzato in aeronautica come riempitivo per palloni aerostatici, aerostati e dirigibili;
• L’idrogeno viene utilizzato come combustibile miscelato con CO.

Recentemente, gli scienziati hanno prestato molta attenzione alla ricerca di fonti alternative di energia rinnovabile. Uno dei settori promettenti è l'energia dell'“idrogeno”, in cui l'idrogeno viene utilizzato come combustibile, il cui prodotto di combustione è l'acqua normale.

Metodi per produrre idrogeno

Metodi industriali per la produzione di idrogeno:

• conversione del metano (riduzione catalitica del vapore acqueo) con vapore acqueo ad alta temperatura (800°C) su catalizzatore al nichel: CH 4 + 2H 2 O = 4H 2 + CO 2 ;
• conversione del monossido di carbonio con vapore acqueo (t=500°C) su catalizzatore Fe 2 O 3: CO + H 2 O = CO 2 + H 2 ;
• decomposizione termica del metano: CH 4 = C + 2H 2;
• gassificazione di combustibili solidi (t=1000°C): C + H 2 O = CO + H 2 ;
• elettrolisi dell'acqua (un metodo molto costoso che produce idrogeno molto puro): 2H 2 O → 2H 2 + O 2.

Metodi di laboratorio per la produzione di idrogeno:

• azione sui metalli (normalmente zinco) con acido cloridrico o solforico diluito: Zn + 2HCl = ZCl 2 + H 2 ; Zn + H2SO4 = ZnSO4 + H2;
• interazione del vapore acqueo con la limatura di ferro calda: 4H 2 O + 3Fe = Fe 3 O 4 + 4H 2.

Liquido

Idrogeno(lat. Idrogenio; indicato dal simbolo H) è il primo elemento della tavola periodica degli elementi. Ampiamente distribuito in natura. Il catione (e nucleo) dell'isotopo più comune dell'idrogeno, 1 H, è il protone. Le proprietà del nucleo 1 H rendono possibile un ampio utilizzo della spettroscopia NMR nell'analisi di sostanze organiche.

Tre isotopi dell'idrogeno hanno i loro nomi: 1 H - protio (H), 2 H - deuterio (D) e 3 H - trizio (radioattivo) (T).

La sostanza semplice idrogeno - H 2 - è un gas leggero e incolore. Se miscelato con aria o ossigeno, è infiammabile ed esplosivo. Non tossico. Solubile in etanolo e numerosi metalli: ferro, nichel, palladio, platino.

Storia

Il rilascio di gas infiammabile durante l'interazione di acidi e metalli fu osservato nei secoli XVI e XVII, all'alba della formazione della chimica come scienza. Anche Mikhail Vasilyevich Lomonosov ne ha sottolineato direttamente l'isolamento, ma era già sicuramente consapevole che non si trattava di flogisto. Il fisico e chimico inglese Henry Cavendish esaminò questo gas nel 1766 e lo chiamò “aria combustibile”. Quando bruciava, “l’aria combustibile” produceva acqua, ma l’adesione di Cavendish alla teoria del flogisto gli impedì di trarre le conclusioni corrette. Il chimico francese Antoine Lavoisier, insieme all'ingegnere J. Meunier, utilizzando speciali gasometri, nel 1783 effettuò la sintesi dell'acqua, e quindi la sua analisi, decomponendo il vapore acqueo con ferro caldo. Pertanto, ha stabilito che "l'aria combustibile" fa parte dell'acqua e può essere ottenuta da essa.

origine del nome

Lavoisier diede all’idrogeno il nome idrogène – “dare vita all’acqua”. Il nome russo "idrogeno" fu proposto dal chimico M. F. Soloviev nel 1824 - per analogia con "ossigeno" di Slomonosov.

Prevalenza

L’idrogeno è l’elemento più abbondante nell’Universo. Rappresenta circa il 92% di tutti gli atomi (l'8% sono atomi di elio, la quota di tutti gli altri elementi combinati è inferiore allo 0,1%). Pertanto, l'idrogeno è il principale costituente delle stelle e del gas interstellare. In condizioni di temperatura stellare (ad esempio, la temperatura superficiale del Sole è di ~ 6000 °C), l'idrogeno esiste sotto forma di plasma; nello spazio interstellare, questo elemento esiste sotto forma di singole molecole, atomi e ioni e può formarsi nubi molecolari che variano significativamente in dimensioni, densità e temperatura.

La crosta terrestre e gli organismi viventi

La frazione di massa dell'idrogeno nella crosta terrestre è dell'1%: è il decimo elemento più abbondante. Tuttavia, il suo ruolo in natura non è determinato dalla massa, ma dal numero di atomi, la cui quota tra gli altri elementi è del 17% (il secondo posto dopo l'ossigeno, la cui quota di atomi è ~ 52%). Pertanto, l’importanza dell’idrogeno nei processi chimici che avvengono sulla Terra è quasi pari a quella dell’ossigeno. A differenza dell’ossigeno, che esiste sulla Terra sia nello stato legato che libero, quasi tutto l’idrogeno sulla Terra è sotto forma di composti; Nell'atmosfera è contenuta solo una piccolissima quantità di idrogeno sotto forma di sostanza semplice (0,00005% in volume).

L'idrogeno fa parte di quasi tutte le sostanze organiche ed è presente in tutte le cellule viventi. Nelle cellule viventi, l'idrogeno rappresenta quasi il 50% del numero di atomi.

Ricevuta

I metodi industriali per produrre sostanze semplici dipendono dalla forma in cui si trova in natura l'elemento corrispondente, cioè da quale può essere la materia prima per la sua produzione. Pertanto, l'ossigeno, disponibile allo stato libero, si ottiene fisicamente, mediante separazione dall'aria liquida. L'idrogeno è quasi tutto sotto forma di composti, quindi per ottenerlo vengono utilizzati metodi chimici. In particolare si possono utilizzare reazioni di decomposizione. Un modo per produrre idrogeno è attraverso la decomposizione dell’acqua mediante corrente elettrica.

Il principale metodo industriale per produrre idrogeno è la reazione del metano, che fa parte del gas naturale, con l'acqua. Si effettua ad alta temperatura (è facile verificare che passando il metano anche attraverso acqua bollente non avviene alcuna reazione):

CH4 + 2H2O = CO2 + 4H2 −165 kJ

In laboratorio, per ottenere sostanze semplici, non si utilizzano necessariamente materie prime naturali, ma si scelgono quelle materie prime da cui è più facile isolare la sostanza richiesta. Ad esempio, in laboratorio l'ossigeno non si ottiene dall'aria. Lo stesso vale per la produzione di idrogeno. Uno dei metodi di laboratorio per produrre idrogeno, talvolta utilizzato nell'industria, è la decomposizione dell'acqua mediante corrente elettrica.

Tipicamente, l'idrogeno viene prodotto in laboratorio facendo reagire lo zinco con acido cloridrico.

Nell'industria

1.Elettrolisi di soluzioni saline acquose:

2NaCl + 2H 2 O → H 2 + 2NaOH + Cl 2

2.Passaggio del vapore acqueo sul coke caldo ad una temperatura di circa 1000 °C:

H2O+C? H2+CO

3. Dal gas naturale.

Conversione del vapore:

CH4 + H2O? CO+3H2 (1000 °C)

Ossidazione catalitica con ossigeno:

2CH4 + O2 ? 2CO+4H2

4. Cracking e reforming degli idrocarburi durante la raffinazione del petrolio.

Nel laboratorio

1.L'effetto degli acidi diluiti sui metalli. Per eseguire questa reazione, vengono spesso utilizzati zinco e acido cloridrico diluito:

Zn + 2HCl → ZnCl2 + H2

2.Interazione del calcio con l'acqua:

Ca + 2H 2 O → Ca(OH) 2 + H 2

3.Idrolisi degli idruri:

NaH + H2O → NaOH + H2

4.Effetto degli alcali su zinco o alluminio:

2Al + 2NaOH + 6H2O → 2Na + 3H2

Zn + 2KOH + 2H 2 O → K 2 + H 2

5.Utilizzando l'elettrolisi. Durante l'elettrolisi di soluzioni acquose di alcali o acidi, al catodo viene rilasciato idrogeno, ad esempio:

2H 3 O + + 2e − → H 2 + 2H 2 O

Proprietà fisiche

L'idrogeno può esistere in due forme (modifiche): sotto forma di orto e para-idrogeno. In una molecola di ortoidrogeno o-H 2 (mp −259,10 °C, bp −252,56 °C) gli spin nucleari sono diretti in modo identico (parallelo) e per il paraidrogeno P-H 2 (punto di fusione −259,32 °C, punto di ebollizione −252,89 °C) - opposti l'uno all'altro (antiparallelo). Miscela di equilibrio o-H2 e P viene chiamato -H 2 a una data temperatura idrogeno all’equilibrio e-H2.

Le modifiche dell'idrogeno possono essere separate mediante adsorbimento su carbone attivo alla temperatura dell'azoto liquido. A temperature molto basse l’equilibrio tra ortoidrogeno e paraidrogeno è quasi completamente spostato verso quest’ultimo. A 80 K il rapporto tra le forme è di circa 1:1. Quando riscaldato, il paraidrogeno desorbito viene convertito in ortoidrogeno fino a formare una miscela che è in equilibrio a temperatura ambiente (orto-para: 75:25). Senza catalizzatore, la trasformazione avviene lentamente (in condizioni del mezzo interstellare - con tempi caratteristici fino a quelli cosmologici), il che rende possibile studiare le proprietà delle singole modifiche.

L’idrogeno è il gas più leggero, è 14,5 volte più leggero dell’aria. Ovviamente quanto più piccola è la massa delle molecole tanto maggiore sarà la loro velocità a parità di temperatura. Essendo le molecole più leggere, le molecole di idrogeno si muovono più velocemente delle molecole di qualsiasi altro gas e quindi possono trasferire il calore da un corpo all'altro più velocemente. Ne consegue che l'idrogeno ha la più alta conduttività termica tra le sostanze gassose. La sua conduttività termica è circa sette volte superiore alla conduttività termica dell'aria.

La molecola di idrogeno è biatomica - H2. In condizioni normali è un gas incolore, inodore e insapore. Densità 0,08987 g/l (n.s.), punto di ebollizione −252,76 °C, calore specifico di combustione 120,9×10 6 J/kg, poco solubile in acqua - 18,8 ml/l. L'idrogeno è altamente solubile in molti metalli (Ni, Pt, Pd, ecc.), specialmente nel palladio (850 volumi per 1 volume di Pd). La solubilità dell'idrogeno nei metalli è legata alla sua capacità di diffondersi attraverso di essi; La diffusione attraverso una lega di carbonio (ad esempio l'acciaio) è talvolta accompagnata dalla distruzione della lega dovuta all'interazione dell'idrogeno con il carbonio (la cosiddetta decarbonizzazione). Praticamente insolubile nell'argento.

Idrogeno liquido esiste in un intervallo di temperature molto ristretto compreso tra −252,76 e −259,2 ° C. È un liquido incolore, molto leggero (densità a −253 °C 0,0708 g/cm3) e fluido (viscosità a −253 °C 13,8 spuaz). I parametri critici dell'idrogeno sono molto bassi: temperatura −240,2 °C e pressione 12,8 atm. Questo spiega le difficoltà nella liquefazione dell’idrogeno. Allo stato liquido, l'idrogeno all'equilibrio è costituito per il 99,79% da para-H2 e per lo 0,21% da orto-H2.

Idrogeno solido, punto di fusione −259,2 °C, densità 0,0807 g/cm 3 (a −262 °C) - massa simile alla neve, cristalli esagonali, gruppo spaziale P6/mmc, parametri della cella UN=3,75 C=6.12. Ad alta pressione, l'idrogeno si trasforma in uno stato metallico.

Isotopi

L'idrogeno si presenta sotto forma di tre isotopi, che hanno nomi individuali: 1 H - protio (H), 2 H - deuterio (D), 3 H - trizio (radioattivo) (T).

Il protio e il deuterio sono isotopi stabili con numeri di massa 1 e 2. Il loro contenuto in natura è rispettivamente 99,9885 ± 0,0070% e 0,0115 ± 0,0070%. Questo rapporto può variare leggermente a seconda della fonte e del metodo di produzione dell'idrogeno.

L'isotopo dell'idrogeno 3H (trizio) è instabile. La sua emivita è di 12,32 anni. Il trizio si trova naturalmente in quantità molto piccole.

La letteratura fornisce anche dati su isotopi di idrogeno con numero di massa di 4 - 7 e emivita di 10 -22 - 10 -23 s.

L'idrogeno naturale è costituito da molecole di H 2 e HD (idrogeno di deuterio) in un rapporto di 3200:1. Il contenuto di idrogeno di deuterio puro D 2 è ancora inferiore. Il rapporto tra le concentrazioni di HD e D 2 è di circa 6400:1.

Di tutti gli isotopi degli elementi chimici, le proprietà fisiche e chimiche degli isotopi dell'idrogeno differiscono maggiormente tra loro. Ciò è dovuto alla più grande variazione relativa delle masse atomiche.

	Temperatura fusione, K	Temperatura bollente, K	Triplicare punto, K/kPa	Critico punto, K/kPa	Densità liquido/gas, kg/m³

Deuterio e trizio hanno anche modifiche orto e para: P-D2, o-D2, P-T2, o-T2. L'idrogeno eteroisotopico (HD, HT, DT) non presenta modifiche orto e para.

Proprietà chimiche

Frazione di molecole di idrogeno dissociate

Le molecole di idrogeno H2 sono piuttosto forti e affinché l'idrogeno reagisca è necessario spendere molta energia:

H2 = 2H − 432 kJ

Pertanto, a temperature ordinarie, l'idrogeno reagisce solo con metalli molto attivi, come il calcio, formando idruro di calcio:

Ca+H2 = CaH2

e con l'unico non metallico - fluoro, formando acido fluoridrico:

L'idrogeno reagisce con la maggior parte dei metalli e dei non metalli a temperature elevate o sotto altri influssi, ad esempio l'illuminazione:

O2 + 2H2 = 2H2O

Può “togliere” ossigeno ad alcuni ossidi, ad esempio:

CuO + H2 = Cu + H2O

L'equazione scritta riflette le proprietà riducenti dell'idrogeno.

N2 + 3H2 → 2NH3

Forma alogenuri di idrogeno con alogeni:

F 2 + H 2 → 2HF, la reazione avviene in modo esplosivo al buio e a qualsiasi temperatura,

Cl 2 + H 2 → 2HCl, la reazione procede in modo esplosivo, solo alla luce.

Interagisce con la fuliggine a fuoco elevato:

C + 2H 2 → CH 4

Interazione con metalli alcalini e alcalino terrosi

Quando interagisce con i metalli attivi, l'idrogeno forma idruri:

2Na + H2 → 2NaH

Ca + H2 → CaH2

Mg+H2→MgH2

Idruri- sostanze solide, simili al sale, facilmente idrolizzate:

CaH2 + 2H2O → Ca(OH)2 + 2H2

Interazione con ossidi metallici (solitamente elementi D)

Gli ossidi sono ridotti a metalli:

CuO + H2 → Cu + H2O

Fe2O3 + 3H2 → 2Fe + 3H2O

WO 3 + 3H 2 → W + 3H 2 O

Idrogenazione dei composti organici

L'idrogeno molecolare è ampiamente utilizzato nella sintesi organica per la riduzione dei composti organici. Questi processi sono chiamati Reazioni di idrogenazione. Queste reazioni vengono effettuate in presenza di un catalizzatore a pressione e temperatura elevate. Il catalizzatore può essere omogeneo (ad esempio Wilkinson Catalyst) o eterogeneo (ad esempio nichel Raney, palladio su carbonio).

Pertanto, in particolare, durante l'idrogenazione catalitica di composti insaturi come alcheni e alchini, si formano composti saturi: gli alcani.

Geochimica dell'idrogeno

L'idrogeno libero H2 è relativamente raro nei gas terrestri, ma sotto forma di acqua svolge un ruolo estremamente importante nei processi geochimici.

L'idrogeno può essere presente nei minerali sotto forma di ione ammonio, ione ossidrile e acqua cristallina.

Nell'atmosfera l'idrogeno viene continuamente prodotto a seguito della decomposizione dell'acqua ad opera della radiazione solare. Avendo una massa ridotta, le molecole di idrogeno hanno un'elevata velocità di movimento di diffusione (vicina alla seconda velocità cosmica) e, quando entrano negli strati superiori dell'atmosfera, possono volare nello spazio.

Caratteristiche del trattamento

L'idrogeno, quando miscelato con l'aria, forma una miscela esplosiva, il cosiddetto gas detonante. Questo gas è più esplosivo quando il rapporto volumetrico tra idrogeno e ossigeno è 2:1, o idrogeno e aria è circa 2:5, poiché l'aria contiene circa il 21% di ossigeno. Anche l’idrogeno rappresenta un pericolo di incendio. L'idrogeno liquido può causare gravi congelamenti se entra in contatto con la pelle.

Concentrazioni esplosive di idrogeno e ossigeno si verificano dal 4% al 96% in volume. In miscela con aria dal 4% al 75(74)% in volume.

Economia

Il costo dell’idrogeno per le grandi forniture all’ingrosso varia da 2 a 5 dollari al kg.

Applicazione

L'idrogeno atomico viene utilizzato per la saldatura con idrogeno atomico.

Industria chimica

• Nella produzione di ammoniaca, metanolo, sapone e plastica
• Nella produzione di margarina da oli vegetali liquidi
• Registrato come integratore alimentare E949(gas di imballaggio)

Industria alimentare

Industria aeronautica

L'idrogeno è molto leggero e sale sempre nell'aria. Un tempo i dirigibili e i palloncini erano riempiti di idrogeno. Ma negli anni '30. XX secolo Ci furono diversi disastri durante i quali i dirigibili esplosero e bruciarono. Al giorno d'oggi, i dirigibili sono pieni di elio, nonostante il suo costo notevolmente più elevato.

Carburante

L'idrogeno viene utilizzato come combustibile per missili.

Sono in corso ricerche sull’uso dell’idrogeno come carburante per automobili e camion. I motori a idrogeno non inquinano l'ambiente ed emettono solo vapore acqueo.

Le celle a combustibile idrogeno-ossigeno utilizzano l'idrogeno per convertire direttamente l'energia di una reazione chimica in energia elettrica.

"Idrogeno liquido"(“LH”) è lo stato liquido dell'idrogeno, con una bassa densità specifica di 0,07 g/cm³ e proprietà criogeniche con un punto di congelamento di 14,01 K (−259,14 °C) e un punto di ebollizione di 20,28 K (−252,87 °C ). È un liquido incolore e inodore che, se miscelato con l'aria, è classificato come esplosivo con un intervallo di infiammabilità del 4-75%. Il rapporto di rotazione degli isomeri nell'idrogeno liquido è: 99,79% - paraidrogeno; 0,21% - ortoidrogeno. Il coefficiente di espansione dell'idrogeno quando cambia il suo stato di aggregazione in gassoso è 848:1 a 20°C.

Come qualsiasi altro gas, la liquefazione dell'idrogeno porta ad una diminuzione del suo volume. Dopo la liquefazione, il liquido liquido viene immagazzinato in contenitori termicamente isolati sotto pressione. Idrogeno liquido Idrogeno liquido, LH2, LH 2) è utilizzato attivamente nell'industria, come forma di stoccaggio del gas, e nell'industria spaziale, come carburante per missili.

Storia

Il primo utilizzo documentato della refrigerazione artificiale fu effettuato dallo scienziato inglese William Cullen nel 1756, Gaspard Monge fu il primo ad ottenere uno stato liquido di ossido di zolfo nel 1784, Michael Faraday fu il primo ad ottenere l'ammoniaca liquefatta, l'inventore americano Oliver Evans fu il primo a sviluppare un compressore di refrigerazione nel 1805, Jacob Perkins fu il primo a brevettare una macchina di raffreddamento nel 1834 e John Gorey fu il primo a brevettare un condizionatore d'aria negli Stati Uniti nel 1851. Werner Siemens propose il concetto di raffreddamento rigenerativo nel 1857, Karl Linde brevettò un'apparecchiatura per la produzione di aria liquida utilizzando un "effetto di espansione Joule-Thomson" a cascata e un raffreddamento rigenerativo nel 1876. Nel 1885, il fisico e chimico polacco Zygmunt Wroblewski pubblicò la temperatura critica dell'idrogeno 33 K, la pressione critica 13,3 atm. e punto di ebollizione a 23 K. L'idrogeno fu liquefatto per la prima volta da James Dewar nel 1898 utilizzando il raffreddamento rigenerativo e la sua invenzione, il pallone Dewar. La prima sintesi di un isomero stabile dell'idrogeno liquido, il paraidrogeno, fu effettuata da Paul Harteck e Carl Bonhoeffer nel 1929.

Isomeri di spin dell'idrogeno

L'idrogeno a temperatura ambiente è costituito principalmente da un isomero di spin, l'ortoidrogeno. Dopo la produzione, l'idrogeno liquido è in uno stato metastabile e deve essere convertito nella forma paraidrogeno per evitare la reazione esotermica esplosiva che si verifica quando cambia a basse temperature. La conversione alla fase paraidrogeno viene solitamente effettuata utilizzando catalizzatori come ossido di ferro, ossido di cromo, carbone attivo, amianto rivestito di platino, metalli delle terre rare o attraverso l'uso di additivi di uranio o nichel.

Utilizzo

L’idrogeno liquido può essere utilizzato come forma di stoccaggio del carburante per motori a combustione interna e celle a combustibile. Utilizzando questa forma aggregata di idrogeno sono stati creati diversi sottomarini (progetti "212A" e "214", Germania) e concetti di trasporto dell'idrogeno (vedi ad esempio "DeepC" o "BMW H2R"). A causa della vicinanza dei progetti, i creatori di apparecchiature LHV possono utilizzare o modificare solo sistemi che utilizzano gas naturale liquefatto (GNL). Tuttavia, a causa della minore densità energetica volumetrica, la combustione richiede un volume maggiore di idrogeno rispetto al gas naturale. Se nei motori a pistoni viene utilizzato l'idrogeno liquido al posto del "GNC", di solito è necessario un sistema di alimentazione più ingombrante. Con l'iniezione diretta, le maggiori perdite nel tratto di aspirazione riducono il riempimento del cilindro.

L'idrogeno liquido viene utilizzato anche per raffreddare i neutroni negli esperimenti di diffusione dei neutroni. Le masse del neutrone e del nucleo di idrogeno sono quasi uguali, quindi lo scambio di energia durante una collisione elastica è più efficace.

Vantaggi

Il vantaggio dell’utilizzo dell’idrogeno sono le “zero emissioni” del suo utilizzo. Il prodotto della sua interazione con l'aria è l'acqua.

Ostacoli

Un litro di "ZhV" pesa solo 0,07 kg. Cioè, il suo peso specifico è di 70,99 g/l a 20 K. L'idrogeno liquido richiede una tecnologia di stoccaggio criogenico, come speciali contenitori termicamente isolati e richiede una manipolazione speciale, tipica di tutti i materiali criogenici. Sotto questo aspetto è vicino all'ossigeno liquido, ma richiede maggiore cautela a causa del pericolo di incendio. Anche con contenitori isolati, è difficile mantenerlo alle basse temperature necessarie per mantenerlo liquido (in genere evapora a una velocità dell'1% al giorno). Quando lo maneggi, devi anche seguire le consuete precauzioni di sicurezza quando lavori con l'idrogeno: fa abbastanza freddo da liquefare l'aria, che è esplosiva.

Carburante per missili

L’idrogeno liquido è un componente comune dei carburanti per missili, utilizzato per la propulsione di veicoli di lancio e veicoli spaziali. Nella maggior parte dei motori a razzo a idrogeno liquido, viene prima utilizzato per raffreddare in modo rigenerativo l'ugello e altre parti del motore prima di essere miscelato con un ossidante e bruciato per produrre la spinta. I motori moderni che utilizzano componenti H 2 /O 2 consumano una miscela di carburante eccessivamente arricchita di idrogeno, che porta ad una certa quantità di idrogeno incombusto nei gas di scarico. Oltre ad aumentare l'impulso specifico del motore riducendo il peso molecolare, ciò riduce anche l'erosione dell'ugello e della camera di combustione.

Tali ostacoli all'uso dell'LH in altri ambiti, come la natura criogenica e la bassa densità, rappresentano anche in questo caso un fattore limitante per l'uso. Nel 2009 esiste un solo veicolo di lancio (veicolo di lancio Delta-4), che è interamente un razzo a idrogeno. Fondamentalmente, "ZhV" viene utilizzato sugli stadi superiori dei razzi o sui blocchi, che svolgono una parte significativa del lavoro di lancio del carico utile nello spazio nel vuoto. Come una delle misure per aumentare la densità di questo tipo di carburante, ci sono proposte per utilizzare l'idrogeno simile ai fanghi, cioè una forma semicongelata di "idrogeno liquido".