Kas yra vandenilis? Vandenilio virinimas.

Ji turi savo specifinę vietą periodinėje lentelėje, kuri atspindi jo rodomas savybes ir kalba apie jo elektroninę struktūrą. Tačiau tarp jų yra vienas ypatingas atomas, kuris vienu metu užima dvi ląsteles. Jis yra dviejose elementų grupėse, kurios savo savybėmis yra visiškai priešingos. Tai vandenilis. Tokios savybės daro jį unikaliu.

Vandenilis yra ne tik elementas, bet ir paprasta medžiaga, taip pat daugelio sudėtingų junginių dalis, biogeninis ir organogeninis elementas. Todėl leiskite mums išsamiau apsvarstyti jo savybes ir savybes.

Vandenilis kaip cheminis elementas

Vandenilis yra pagrindinio pogrupio pirmosios grupės elementas, taip pat septintosios pagrindinio pogrupio grupės elementas pirmuoju mažuoju laikotarpiu. Šis laikotarpis susideda tik iš dviejų atomų: helio ir elemento, kurį mes svarstome. Apibūdinkime pagrindinius vandenilio padėties periodinėje lentelėje ypatumus.

1. Vandenilio atominis skaičius yra 1, elektronų skaičius yra toks pat ir atitinkamai protonų skaičius yra toks pat. Atominė masė – 1,00795. Yra trys šio elemento izotopai, kurių masės skaičiai yra 1, 2, 3. Tačiau kiekvieno iš jų savybės labai skirtingos, nes vandenilio masės padidėjimas net vienu iš karto yra dvigubas.
2. Tai, kad jo išoriniame paviršiuje yra tik vienas elektronas, leidžia sėkmingai parodyti ir oksiduojančias, ir redukuojančias savybes. Be to, dovanojus elektroną, jis lieka su laisva orbita, kuri dalyvauja formuojant cheminius ryšius pagal donoro-akceptoriaus mechanizmą.
3. Vandenilis yra stiprus reduktorius. Todėl jo pagrindine vieta laikoma pirmoji pagrindinio pogrupio grupė, kur ji vadovauja aktyviausiems metalams – šarmams.
4. Tačiau sąveikaujant su stipriais reduktoriais, tokiais kaip metalai, jis taip pat gali būti oksidatorius, priimantis elektroną. Šie junginiai vadinami hidridais. Pagal šią savybę jis priklauso halogenų pogrupiui, su kuriuo jis yra panašus.
5. Dėl labai mažos atominės masės vandenilis laikomas lengviausiu elementu. Be to, jo tankis taip pat labai mažas, todėl tai taip pat yra lengvumo etalonas.

Taigi akivaizdu, kad vandenilio atomas yra visiškai unikalus elementas, skirtingai nuo visų kitų elementų. Vadinasi, jo savybės taip pat yra ypatingos, o susidarančios paprastos ir sudėtingos medžiagos yra labai svarbios. Apsvarstykime juos toliau.

Paprasta medžiaga

Jei mes kalbame apie šį elementą kaip apie molekulę, turime pasakyti, kad jis yra diatominis. Tai yra, vandenilis (paprasta medžiaga) yra dujos. Jo empirinė formulė bus parašyta kaip H2, o grafinė formulė bus parašyta per vieną sigma H-H ryšį. Ryšio tarp atomų susidarymo mechanizmas yra kovalentinis nepolinis.

1. Garų metano reformavimas.
2. Anglies dujinimas – procesas apima anglies kaitinimą iki 1000 0 C, todėl susidaro vandenilis ir daug anglies turinčios anglys.
3. Elektrolizė. Šis metodas gali būti naudojamas tik įvairių druskų vandeniniams tirpalams, nes dėl lydalo katodo vanduo neišleidžiamas.

Laboratoriniai vandenilio gamybos metodai:

1. Metalo hidridų hidrolizė.
2. Praskiestų rūgščių poveikis aktyviems metalams ir vidutiniam aktyvumui.
3. Šarminių ir šarminių žemių metalų sąveika su vandeniu.

Norėdami surinkti susidariusį vandenilį, mėgintuvėlį turite laikyti apverstą. Juk šių dujų negalima surinkti taip, kaip, pavyzdžiui, anglies dvideginio. Tai vandenilis, jis daug lengvesnis už orą. Greitai išgaruoja, o dideliais kiekiais susimaišęs su oru sprogsta. Todėl mėgintuvėlis turi būti apverstas. Užpildžius jį reikia uždaryti guminiu kamščiu.

Norėdami patikrinti surinkto vandenilio grynumą, prie kaklo turėtumėte neštis degtuką. Jei plojimas yra nuobodus ir tylus, tai reiškia, kad dujos yra švarios, su minimaliomis oro priemaišomis. Jei jis garsiai ir švilpia, jis yra nešvarus, jame yra daug pašalinių komponentų.

Naudojimo sritys

Deginant vandenilį išsiskiria toks didelis energijos (šilumos) kiekis, kad šios dujos laikomos pelningiausiu kuru. Be to, jis yra nekenksmingas aplinkai. Tačiau iki šiol jo taikymas šioje srityje yra ribotas. Taip yra dėl neapgalvotų ir neišspręstų gryno vandenilio sintezės problemų, kurios būtų tinkamos naudoti kaip kuras reaktoriuose, varikliuose ir nešiojamuose įrenginiuose, taip pat gyvenamųjų namų šildymo katiluose.

Juk šių dujų gamybos būdai yra gana brangūs, todėl pirmiausia reikia sukurti specialų sintezės metodą. Toks, kuris leis jums gauti gaminį dideliais kiekiais ir minimaliomis sąnaudomis.

Yra keletas pagrindinių sričių, kuriose naudojamos mūsų svarstomos dujos.

1. Cheminės sintezės. Hidrinimas naudojamas muilui, margarinui ir plastikams gaminti. Dalyvaujant vandeniliui, sintetinamas metanolis ir amoniakas, taip pat kiti junginiai.
2. Maisto pramonėje - kaip priedas E949.
3. Aviacijos pramonė (raketų mokslas, orlaivių gamyba).
4. Elektros energijos pramonė.
5. Meteorologija.
6. Ekologiškas kuras.

Akivaizdu, kad vandenilis yra tiek pat svarbus, kiek jo gausu gamtoje. Įvairūs jo sudaryti junginiai vaidina dar didesnį vaidmenį.

Vandenilio junginiai

Tai sudėtingos medžiagos, turinčios vandenilio atomų. Yra keletas pagrindinių tokių medžiagų tipų.

1. Vandenilio halogenidai. Bendra formulė yra HHal. Ypač svarbus tarp jų yra vandenilio chloridas. Tai dujos, kurios ištirpsta vandenyje ir susidaro druskos rūgšties tirpalas. Ši rūgštis plačiai naudojama beveik visose cheminėse sintezėse. Be to, tiek organinių, tiek neorganinių. Vandenilio chloridas yra junginys, kurio empirinė formulė HCL ir yra vienas didžiausių mūsų šalyje kasmet pagaminamų. Vandenilio halogenidai taip pat apima vandenilio jodidą, vandenilio fluoridą ir vandenilio bromidą. Visi jie sudaro atitinkamas rūgštis.
2. Lakios Beveik visos jos yra gana nuodingos dujos. Pavyzdžiui, vandenilio sulfidas, metanas, silanas, fosfinas ir kt. Tuo pačiu metu jie yra labai degūs.
3. Hidridai yra junginiai su metalais. Jie priklauso druskų klasei.
4. Hidroksidai: bazės, rūgštys ir amfoteriniai junginiai. Juose būtinai yra vienas ar daugiau vandenilio atomų. Pavyzdys: NaOH, K 2, H 2 SO 4 ir kt.
5. Vandenilio hidroksidas. Šis junginys geriau žinomas kaip vanduo. Kitas pavadinimas yra vandenilio oksidas. Empirinė formulė atrodo taip - H2O.
6. Vandenilio peroksidas. Tai stiprus oksidatorius, kurio formulė yra H 2 O 2.
7. Daugybė organinių junginių: angliavandeniliai, baltymai, riebalai, lipidai, vitaminai, hormonai, eteriniai aliejai ir kt.

Akivaizdu, kad mūsų nagrinėjamo elemento junginių įvairovė yra labai didelė. Tai dar kartą patvirtina jo didelę svarbą gamtai ir žmonėms, taip pat visoms gyvoms būtybėms.

- tai geriausias tirpiklis

Kaip minėta pirmiau, bendras šios medžiagos pavadinimas yra vanduo. Susideda iš dviejų vandenilio atomų ir vieno deguonies, sujungtų kovalentiniais poliniais ryšiais. Vandens molekulė yra dipolis, tai paaiškina daugelį jos savybių. Visų pirma, tai yra universalus tirpiklis.

Būtent vandens aplinkoje vyksta beveik visi cheminiai procesai. Vidinės plastiko ir energijos apykaitos reakcijos gyvuose organizmuose taip pat vykdomos naudojant vandenilio oksidą.

Vanduo pagrįstai laikomas svarbiausia medžiaga planetoje. Yra žinoma, kad joks gyvas organizmas negali gyventi be jo. Žemėje jis gali egzistuoti trimis agregacijos būsenomis:

• skystis;
• dujos (garai);
• kietas (ledas).

Priklausomai nuo vandenilio izotopo, esančio molekulėje, išskiriami trys vandens tipai.

1. Šviesus arba protiumas. Izotopas, kurio masės skaičius 1. Formulė – H 2 O. Tai įprasta forma, kurią naudoja visi organizmai.
2. Deuteris arba sunkusis, jo formulė yra D 2 O. Sudėtyje yra izotopas 2 H.
3. Super sunkus arba tritis. Formulė atrodo kaip T3O, izotopas – 3H.

Gėlo protiumo vandens atsargos planetoje yra labai svarbios. Daugelyje šalių jo jau trūksta. Kuriami metodai, skirti sūraus vandens apdorojimui geriamam vandeniui gaminti.

Vandenilio peroksidas yra universali priemonė

Šis junginys, kaip minėta aukščiau, yra puikus oksidatorius. Tačiau su stipriais atstovais jis gali elgtis ir kaip restauratorius. Be to, jis turi ryškų baktericidinį poveikį.

Kitas šio junginio pavadinimas yra peroksidas. Būtent tokia forma jis naudojamas medicinoje. Aptariamo junginio 3% kristalinio hidrato tirpalas yra medicininis vaistas, naudojamas mažoms žaizdoms gydyti, siekiant jas dezinfekuoti. Tačiau buvo įrodyta, kad tai padidina žaizdos gijimo laiką.

Vandenilio peroksidas taip pat naudojamas raketų kurui, pramonėje dezinfekcijai ir balinimui bei kaip putojantis agentas gaminant atitinkamas medžiagas (pvz., putas). Be to, peroksidas padeda išvalyti akvariumus, balinti plaukus ir balinti dantis. Tačiau jis kenkia audiniams, todėl specialistų šiems tikslams nerekomenduoja.

Paplitimas gamtoje. V. yra plačiai paplitęs gamtoje, jo kiekis žemės plutoje (litosferoje ir hidrosferoje) yra 1% masės ir 16% atomų skaičiaus. V. yra labiausiai paplitusios Žemėje medžiagos – vandens (11,19 % V. masės) dalis junginių, sudarančių anglį, naftą, gamtines dujas, molį, taip pat gyvūnų ir augalų organizmus (t. y. sudėtyje yra baltymų, nukleino rūgščių, riebalų, angliavandenių ir kt.). Laisvoje būsenoje V. itin retas, nedideliais kiekiais randamas vulkaninėse ir kitose gamtinėse dujose. Atmosferoje yra nedidelis kiekis laisvo vandenilio (0,0001 % pagal atomų skaičių). Netoli Žemės esančioje erdvėje spinduliuotė protonų srauto pavidalu sudaro Žemės vidinę („protoninę“) spinduliuotės juostą. Erdvėje V. yra labiausiai paplitęs elementas. Plazmos pavidalu ji sudaro maždaug pusę Saulės ir daugumos žvaigždžių masės, didžiąją dalį tarpžvaigždinės terpės dujų ir dujinių ūkų. V. yra daugelio planetų atmosferoje ir kometose laisvo H2, metano CH4, amoniako NH3, vandens H2O, tokių radikalų kaip CH, NH, OH, SiH, PH ir kt. pavidalu. Protonų srauto pavidalu energija yra Saulės ir kosminių spindulių korpuskulinės spinduliuotės dalis.

Izotopai, atomas ir molekulė. Įprastas vitriolis susideda iš dviejų stabilių izotopų mišinio: lengvojo vitriolio arba protiumo (1H) ir sunkaus vitriolio arba deuterio (2H arba D). Natūraliuose junginiuose 1 2H atome vidutiniškai yra 6800 1H atomų. Dirbtinai buvo pagamintas radioaktyvus izotopas – supersunkusis V., arba tritis (3H, arba T), su minkšta β spinduliuote ir pusinės eliminacijos periodu T1/2 = 12,262 metų. Gamtoje tritis susidaro, pavyzdžiui, iš atmosferos azoto, veikiant kosminių spindulių neutronams; atmosferoje jis yra nežymiai mažas (4-10-15% viso V atomų skaičiaus). Gautas itin nestabilus izotopas 4H. Izotopų 1H, 2H, 3H ir 4H masės skaičiai atitinkamai 1,2, 3 ir 4 rodo, kad protiumo atomo branduolyje yra tik 1 protonas, deuterio - 1 protonas ir 1 neutronas, tritis - 1 protonas ir 2 neutronų, 4H – 1 protonas ir 3 neutronai. Didelis V. izotopų masių skirtumas lemia ryškesnį jų fizikinių ir cheminių savybių skirtumą nei kitų elementų izotopų atveju.

V. atomas turi paprasčiausią struktūrą tarp visų kitų elementų atomų: jis susideda iš branduolio ir vieno elektrono. Elektrono, turinčio branduolį, surišimo energija (jonizacijos potencialas) yra 13,595 eV. Neutralus atomas taip pat gali pridėti antrą elektroną, sudarydamas neigiamą joną H-; šiuo atveju antrojo elektrono, turinčio neutralų atomą, jungimosi energija (elektronų afinitetas) yra 0,78 eV. Kvantinė mechanika leidžia apskaičiuoti visus įmanomus atomo energijos lygius ir todėl pateikti pilną jo atomo spektro interpretaciją. V atomas naudojamas kaip pavyzdinis atomas atliekant kvantinius mechaninius kitų sudėtingesnių atomų energijos lygių skaičiavimus. Molekulė B. H2 susideda iš dviejų atomų, sujungtų kovalentine chemine jungtimi. Disociacijos (t.y. skilimo į atomus) energija yra 4,776 eV (1 eV = 1,60210-10-19 J). Tarpatominis atstumas branduolių pusiausvyros padėtyje yra 0,7414-Å. Aukštoje temperatūroje molekulinis vandenilis disocijuoja į atomus (disociacijos laipsnis 2000°C temperatūroje yra 0,0013, 5000°C – 0,95). Atominis V. susidaro ir įvairiose cheminėse reakcijose (pavyzdžiui, Zn veikiant druskos rūgštį). Tačiau vandenilio egzistavimas atominėje būsenoje trunka tik trumpą laiką; atomai rekombinuojasi į H2 molekules.

Fizinės ir cheminės savybės. V. yra lengviausia iš visų žinomų medžiagų (14,4 karto lengvesnė už orą), tankis 0,0899 g/l esant 0°C ir 1 atm. Helis užverda (skystėja) ir tirpsta (kietėja) atitinkamai -252,6°C ir -259,1°C temperatūroje (tik helio lydymosi ir virimo temperatūra yra žemesnė). Kritinė vandens temperatūra yra labai žema (-240°C), todėl jo suskystinimas patiria didelių sunkumų; kritinis slėgis 12,8 kgf/cm2 (12,8 atm), kritinis tankis 0,0312 g/cm3. Iš visų dujų V. turi didžiausią šilumos laidumą, lygų 0,174 W/(m-K) esant 0°C ir 1 atm, t.y. 4,16-0-4 cal/(s-cm-°C). V. savitoji šiluminė talpa esant 0°C ir 1 atm Ср 14,208-103 J/(kg-K), t.y. 3,394 cal/(g-°C). V. mažai tirpsta vandenyje (0,0182 ml/g esant 20°C ir 1 atm), bet gerai tirpsta daugelyje metalų (Ni, Pt, Pd ir kt.), ypač paladyje (850 tūrių 1 tūryje Pd) . V. tirpumas metaluose yra susijęs su jo gebėjimu difunduoti per juos; difuziją per anglies lydinį (pavyzdžiui, plieną) kartais lydi lydinio sunaikinimas dėl anglies sąveikos su anglimi (vadinamoji dekarbonizacija). Skystis V. yra labai lengvas (tankis esant -253°C 0,0708 g/cm3) ir skystas (klampumas esant -253°C 13,8 spuaz).

Daugumoje junginių V. pasižymi valentiškumu (tiksliau, oksidacijos laipsniu) +1, kaip ir natrio ir kitų šarminių metalų; paprastai jis laikomas šių metalų analogu, pirmaujančiu 1 gramu. Mendelejevo sistema. Tačiau metalų hidriduose B jonas yra neigiamai įkrautas (oksidacijos laipsnis -1), t.y. Na+H- hidrido struktūra panaši į Na+Cl-chloridą. Šis ir kai kurie kiti faktai (V. ir halogenų fizinių savybių panašumas, halogenų gebėjimas pakeisti V. organiniuose junginiuose) duoda pagrindą V. priskirti ir periodinės lentelės VII grupei (plačiau žr. periodinę elementų lentelę). Normaliomis sąlygomis molekulinis V. yra santykinai mažai aktyvus, tiesiogiai jungiasi tik su aktyviausiais iš nemetalų (su fluoru, o šviesoje su chloru). Tačiau kaitinamas jis reaguoja su daugeliu elementų. Atominis V. turi didesnį cheminį aktyvumą lyginant su molekuliniu. Su deguonimi V. susidaro vanduo: H2 + 1/2O2 = H2O, išskiriant 285,937-103 J/mol, tai yra 68,3174 kcal/mol šilumos (esant 25°C ir 1 atm). Normalioje temperatūroje reakcija vyksta itin lėtai, virš 550°C ji sprogsta. Vandenilio ir deguonies mišinio sprogumo ribos yra (pagal tūrį) nuo 4 iki 94% H2, o vandenilio ir oro mišinio - nuo 4 iki 74% H2 (2 tūrio H2 ir 1 tūrio O2 mišinys vadinamas detonuojančios dujos). V. naudojamas daugeliui metalų redukuoti, nes pašalina deguonį iš jų oksidų:

CuO + H2 = Cu + H2O,
Fe3O4 + 4H2 = 3Fe + 4H2O ir kt.
Su halogenais V. sudaro vandenilio halogenidus, pvz.:
H2 + Cl2 = 2HCl.

Tuo pat metu V. sprogsta su fluoru (net tamsoje ir prie -252°C), su chloru ir bromu reaguoja tik apšviestas ar kaitinamas, o su jodu tik kaitinamas. V. reaguoja su azotu ir susidaro amoniakas: 3H2 + N2 = 2NH3 tik ant katalizatoriaus ir esant aukštesnei temperatūrai bei slėgiui. Kaitinamas V. energingai reaguoja su siera: H2 + S = H2S (vandenilio sulfidas), daug sunkiau su selenu ir telūru. V. su gryna anglimi be katalizatoriaus gali reaguoti tik aukštoje temperatūroje: 2H2 + C (amorfinis) = CH4 (metanas). V. tiesiogiai reaguoja su tam tikrais metalais (šarminiais, šarminių žemių ir kt.), sudarydami hidridus: H2 + 2Li = 2LiH. Didelę praktinę reikšmę turi vandenilio reakcijos su anglies monoksidu, kurių metu, priklausomai nuo temperatūros, slėgio ir katalizatoriaus, susidaro įvairūs organiniai junginiai, pvz., HCHO, CH3OH ir kt. (žr. Anglies monoksidas). Nesotieji angliavandeniliai reaguoja su vandeniliu, tampa sotūs, pvz.: CnH2n + H2 = CnH2n+2 (žr. Hidrinimas).

Vandenilio saugykla.

Gladysheva Marina Alekseevna, 10A, mokykla Nr. 75, Černogolovka. Pranešimas konferencijoje „Start in Science“, MIPT, 2004 m.

Vandenilio, kaip universalaus energijos nešiklio, patrauklumą lemia jo ekologiškumas, lankstumas ir energijos konversijos procesų, kuriuose dalyvauja jo dalyvavimas, efektyvumas. Daugiaplanės vandenilio gamybos technologijos yra gana gerai išvystytos ir turi beveik neribotą žaliavų bazę. Tačiau mažas vandenilio dujų tankis, žema jo suskystinimo temperatūra, taip pat didelis sprogimo pavojus kartu su neigiamu poveikiu konstrukcinių medžiagų savybėms iškelia veiksmingų ir saugių vandenilio saugojimo sistemų kūrimo problemas. – tai problemos, kurios šiuo metu stabdo vandenilio energetikos ir technologijų plėtrą.

Pagal JAV Energetikos departamento klasifikaciją vandenilio kuro saugojimo būdai gali būti suskirstyti į 2 grupes:

Pirmoji grupė apima fizikinius metodus, kuriuose naudojami fizikiniai procesai (daugiausia suspaudimas arba suskystinimas), siekiant paversti vandenilio dujas į kompaktišką būseną. Fizikiniais metodais laikomas vandenilis susideda iš H 2 molekulių , silpnai sąveikaujantis su saugojimo aplinka. Šiandien buvo įgyvendinti šie fiziniai vandenilio saugojimo metodai:

Suslėgtos vandenilio dujos:

dujų balionai;

stacionarios masyvios saugojimo sistemos, įskaitant požemines cisternas;

sandėliavimas vamzdynuose;

stiklo mikrosferos.

Skystas vandenilis: stacionarius ir transportuojamus kriogeninius konteinerius.

IN cheminis metodais, vandenilio saugojimas užtikrinamas fiziniais ar cheminiais jo sąveikos su tam tikromis medžiagomis procesais. Šie metodai pasižymi stipria molekulinio arba atominio vandenilio sąveika su laikmenos medžiaga. Ši metodų grupė daugiausia apima:

Adsorbcija:

ceolitai ir panašūs junginiai;

Aktyvuota anglis;

angliavandenilių nanomedžiagos.

Absorbcija medžiagos tūriui(metalo hidridai)

Cheminė sąveika:

alonates;

fullerenai ir organiniai hidridai;

amoniakas;

kempinė geležis;

su vandeniu reaguojantys lydiniai aliuminio ir silicio pagrindu.

Vandenilio dujų saugykla nėra sudėtingesnė problema nei gamtinių dujų saugojimas. Praktiškai tam naudojami dujų rezervuarai, natūralūs požeminiai rezervuarai (vandeningieji sluoksniai, išsenkę naftos ir dujų telkiniai), saugyklos, sukurtos požeminių atominių sprogimų metu. Įrodyta esminė galimybė kaupti vandenilio dujas druskos urvuose, sukurtuose tirpinant druską su vandeniu per gręžinius.

Vandenilio dujoms laikyti iki 100 MPa slėgyje naudojami suvirinti indai su dviejų arba daugiasluoksnių sienelių. Vidinė tokio indo sienelė pagaminta iš austenitinio nerūdijančio plieno arba kitos su vandeniliu aukšto slėgio sąlygomis suderinamos medžiagos, išoriniai sluoksniai – iš didelio stiprio plieno. Šiems tikslams taip pat naudojami besiūliai storasieniai indai, pagaminti iš mažai anglies turinčio plieno, suprojektuoti iki 40–70 MPa slėgiui.

Plačiai paplito vandenilio dujų laikymas dujų laikikliuose su vandens baseinu (šlapių dujų laikikliai), pastovaus slėgio stūmokliniuose dujų laikikliuose (sausų dujų laikikliai), pastovaus tūrio dujų laikikliuose (aukšto slėgio talpyklose). Balionai naudojami nedideliems vandenilio kiekiams laikyti.

Reikėtų nepamiršti, kad suvirintos konstrukcijos šlapių ir sausų (stūmoklinių) dujų bakai nėra pakankamai sandarūs. Pagal technines sąlygas vandenilio nutekėjimas leidžiamas normaliai eksploatuojant šlapių dujų talpas iki 3000 m3 3 – apie 1,65 proc., o talpa nuo 3000 m 3 ir daugiau – apie 1,1% per dieną (pagal vardinį dujų bako tūrį).

Vienas iš perspektyviausių būdų kaupti didelius vandenilio kiekius yra laikyti jį vandeninguosiuose sluoksniuose. Metiniai nuostoliai naudojant šį saugojimo būdą svyruoja nuo 1 iki 3%. Tokį nuostolių dydį patvirtina gamtinių dujų saugojimo patirtis.

Vandenilio dujos gali būti laikomos ir gabenamos plieniniuose induose esant slėgiui iki 20 MPa. Tokie konteineriai į vartojimo vietą gali būti gabenami ant automobilių ar geležinkelio platformų, tiek standartiniuose, tiek specialiai tam skirtuose konteineriuose.

Nedidelių suslėgto vandenilio kiekių saugojimui ir transportavimui esant temperatūrai nuo –50 iki +60 0 C naudokite mažos talpos iki 12 dm plieninius besiūlius cilindrus 3 ir vidutinė talpa 20 – 50 dm 3 su darbiniu slėgiu iki 20 MPa. Vožtuvo korpusas pagamintas iš žalvario. Cilindrai yra nudažyti tamsiai žalia spalva ir ant jų raudonos spalvos užrašas „Vandilis“.

Vandenilio kaupimo cilindrai yra gana paprasti ir kompaktiški. Tačiau norint laikyti 2 kg N 2 reikia varžtų, sveriančių 33 kg. Medžiagų mokslo pažanga leidžia sumažinti cilindro medžiagos masę iki 20 kg 1 kg vandenilio, o ateityje – iki 8–10 kg. Iki šiol balionuose laikomo vandenilio masė sudaro apie 2–3% paties baliono masės.

Dideli vandenilio kiekiai gali būti laikomi didelėse suslėgtose dujų talpyklose. Dujų bakai dažniausiai gaminami iš anglinio plieno. Darbinis slėgis juose paprastai neviršija 10 MPa. Dėl mažo vandenilio dujų tankio laikyti jį tokiose talpyklose naudinga tik palyginti nedideliais kiekiais. Slėgio padidinimas virš nurodytos vertės, pavyzdžiui, iki šimtų mega paskalių, pirma, sukelia sunkumų, susijusių su anglies plieno korozija vandeniliniu būdu, ir, antra, žymiai padidina tokių konteinerių kainą.

Laikant labai didelius vandenilio kiekius, ekonomiškas būdas yra saugoti išeikvotas dujas ir vandeninguosius sluoksnius. Jungtinėse Valstijose yra daugiau nei 300 požeminių dujų saugyklų.

Vandenilio dujos labai dideli kiekiai laikomos 365 m gylio druskos urvuose, esant 5 MPa vandenilio slėgiui, porėtose vandens užpildytose konstrukcijose, kuriose yra iki 20 10 6 m 3 vandenilis.

Dujų, kuriose yra 50 % vandenilio, ilgalaikio (daugiau nei 10 metų) laikymo požeminėse dujų saugyklose patirtis parodė, kad jas galima laikyti be pastebimų nuotėkių. Vandenyje mirkomi molio sluoksniai gali užtikrinti hermetišką saugyklą dėl silpno vandenilio tirpimo vandenyje.

Skysto vandenilio saugykla

Tarp daugybės unikalių vandenilio savybių, į kurias svarbu atsižvelgti laikant jį skystu pavidalu, viena yra ypač svarbi. Skystas vandenilis randamas siaurame temperatūrų diapazone: nuo 20K virimo temperatūros iki 17K užšalimo temperatūros, kai virsta kietu. Jei temperatūra pakyla virš virimo taško, vandenilis akimirksniu virsta iš skysčio į dujas.

Siekiant išvengti vietinio perkaitimo, indai, užpildyti skystu vandeniliu, turi būti iš anksto atšaldyti iki temperatūros, artimos vandenilio virimo temperatūrai, tik tada juos galima užpildyti skystu vandeniliu. Norėdami tai padaryti, per sistemą praleidžiamos aušinimo dujos, kurios yra susijusios su dideliu vandenilio suvartojimu konteineriui aušinti.

Vandenilio perėjimas iš skystos į dujinę būseną yra susijęs su neišvengiamais nuostoliais dėl garavimo. Išgaravusių dujų kaina ir energijos kiekis yra reikšmingi. Todėl šių dujų naudojimą būtina organizuoti ekonominiu ir saugumo požiūriu. Pagal saugaus kriogeninio indo eksploatavimo sąlygas būtina, kad talpoje pasiekus maksimalų darbinį slėgį dujų erdvė būtų ne mažesnė kaip 5 proc.

Skysto vandenilio rezervuarams keliami keli reikalavimai:

rezervuaro konstrukcija turi užtikrinti tvirtumą ir patikimumą, ilgalaikį saugų eksploatavimą;

skysto vandenilio sunaudojimas išankstiniam saugyklos aušinimui prieš užpildant ją skystu vandeniliu turėtų būti minimalus;

Sandėliavimo rezervuare turi būti įrengtos priemonės, leidžiančios greitai pripildyti skystą vandenilį ir greitai išpilti laikomą produktą.

Pagrindinė kriogeninio vandenilio laikymo sistemos dalis yra termiškai izoliuoti indai, kurių masė 1 kg laikomo vandenilio yra maždaug 4 - 5 kartus mažesnė nei balioninio laikymo esant aukštam slėgiui. Kriogeninėse skystojo vandenilio laikymo sistemose 1 kg vandenilio sudaro 6–8 kg kriogeninio indo masės, o pagal tūrines charakteristikas kriogeniniai indai atitinka dujinio vandenilio laikymą esant 40 MPa slėgiui.

Skystas vandenilis dideliais kiekiais laikomas specialiose saugyklose, kurių tūris yra iki 5 tūkst 3 . Didelė sferinė skysto vandenilio saugykla, kurios tūris 2850 m 3 vidinis aliuminio rutulio skersmuo yra 17,4 m 3 .

Vandenilio laikymas ir transportavimas chemiškai surištoje būsenoje

Vandenilio laikymo ir transportavimo amoniako, metanolio, etanolio pavidalu dideliais atstumais pranašumai yra didelis tūrinio vandenilio kiekio tankis. Tačiau šiose vandenilio saugojimo formose laikmena naudojama vieną kartą. Amoniako suskystinimo temperatūra – 239,76 K, kritinė – 405 K, todėl normalioje temperatūroje amoniakas suskystėja esant 1,0 MPa slėgiui ir gali būti transportuojamas vamzdžiais ir laikomas skystu. Pagrindinis Santykiai pateikti žemiau:

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;

2NH 3 ?N 2 + 3H 2 – 92 kJ.

Disociatoriai, skirti amoniako skaidymui (krekeriams), vykstančiam maždaug 1173–1073 K temperatūroje ir atmosferos slėgyje, naudoja panaudotą geležies katalizatorių amoniakui sintetinti. Vienam kilogramui vandenilio pagaminti sunaudojama 5,65 kg amoniako. Kalbant apie šilumos suvartojimą amoniako disociacijai naudojant šią šilumą iš išorės, susidariusio vandenilio degimo šiluma gali būti iki 20% didesnė nei skilimo procese naudojamo amoniako degimo šiluma. Jei disociacijos procesui naudojamas procese gautas vandenilis, tai tokio proceso efektyvumas (susidarančių dujų šilumos ir sunaudoto amoniako degimo šilumos santykis) neviršija 60 - 70%.

Vandenilį iš metanolio galima gauti pagal dvi schemas: arba katalizinio skaidymo būdu:

CH3OH? CO+2H 2 – 90 kJ

po to katalizinė CO konversija arba katalizinė konversija garais vienu etapu:

H 2 O + CH 3 OH? CO 2 + 3H 2 – 49 kJ.

Paprastai metanolio sintezei procese naudojamas cinko-chromo katalizatorius. Procesas vyksta 573–673 K temperatūroje. Metanolis gali būti naudojamas kaip kuras konversijos procesams. Šiuo atveju vandenilio gamybos proceso efektyvumas yra 65–70% (pagaminto vandenilio šilumos ir sunaudoto metanolio degimo šilumos santykis); jei šiluma vandenilio gamybos procesui tiekiama iš išorės, katalizinio skilimo būdu gauto vandenilio degimo šiluma yra 22%, o garo riformingo būdu gauto vandenilio – 15% didesnė už sunaudoto metanolio degimo šilumą.

Prie to, kas išdėstyta, reikėtų pridurti, kad kuriant energetinę-technologinę schemą naudojant atliekinę šilumą ir naudojant vandenilį, gautą iš metanolio, amoniako ar etanolio, galima gauti didesnį proceso efektyvumą nei naudojant šiuos produktus kaip sintetinį skystąjį kurą. Taigi, tiesiogiai deginant metanolį ir dujų turbinos bloką, efektyvumas yra 35%. kai dėl išmetamųjų dujų karščio vyksta metanolio garavimas ir katalizinė konversija bei CO + H mišinio degimas 2 Efektyvumas padidėja iki 41,30%, o atliekant garų reformavimą ir susidariusio vandenilio deginimą - iki 41,9%.

Hidrido vandenilio saugojimo sistema

Laikant vandenilį hidrido pavidalu, nereikia didelių ir sunkių balionų, reikalingų suslėgtoms vandenilio dujoms laikyti, arba sunkiai pagaminamų ir brangių indų skystam vandeniliui laikyti. Laikant vandenilį hidridų pavidalu, sistemos tūris sumažėja maždaug 3 kartus, palyginti su talpa balionuose. Vandenilio transportavimas yra supaprastintas. Vandenilio konvertavimas ir suskystinimas nekainuoja.

Vandenilį iš metalų hidridų galima gauti dviem reakcijomis: hidrolizės ir disociacijos būdu.

Hidrolizės būdu galima gauti dvigubai daugiau vandenilio nei yra hidride. Tačiau šis procesas praktiškai negrįžtamas. Vandenilio gamybos būdas šiluminės hidrido disociacijos būdu leidžia sukurti vandenilio baterijas, kurių nežymus temperatūros ir slėgio pokytis sistemoje sukelia reikšmingą hidrido susidarymo reakcijos pusiausvyros pasikeitimą.

Stacionariems vandenilio laikymo įrenginiams hidridų pavidalu nėra griežtų masės ir tūrio apribojimų, todėl ribojantis veiksnys pasirenkant konkretų hidridą greičiausiai bus jo kaina. Kai kuriais atvejais vanadžio hidridas gali būti naudingas, nes jis gerai disocijuoja esant artimai 270 K temperatūrai. Magnio hidridas yra palyginti nebrangus, tačiau jo disociacijos temperatūra yra gana aukšta (560–570 K) ir susidarymo šiluma. Geležies ir titano lydinys yra santykinai nebrangus, o jo hidridas disocijuoja 320–370 K temperatūroje su maža susidarymo šiluma. Hidridų naudojimas turi didelių saugos pranašumų. Pažeistas vandenilio hidrido indas kelia žymiai mažesnį pavojų nei pažeistas skysto vandenilio bakas ar slėginis indas, užpildytas vandeniliu.

Šiuo metu Rusijos mokslų akademijos Cheminės fizikos institute Černogolovkoje vyksta vandenilio baterijų kūrimas metalo hidridų pagrindu.

Bibliografija :

1. Katalogas. "Vandilis. Savybės, gavimas, sandėliavimas, transportavimas, taikymas. Maskvos „Chemija“ - 1989 m

2. „Vandenilio saugojimo metodų apžvalga“. Ukrainos nacionalinės mokslų akademijos Medžiagų mokslo problemų institutas. http://shp.by.ru/sci/fullerene/rorums/ichms/2003/

• Pavadinimas - H (vandenilis);
• Lotyniškas pavadinimas – Hydrogenium;
• Laikotarpis - I;
• Grupė – 1 (Ia);
• Atominė masė - 1,00794;
• Atominis skaičius – 1;
• Atominis spindulys = 53 pm;
• Kovalentinis spindulys = 32 pm;
• Elektronų pasiskirstymas - 1s 1;
• lydymosi temperatūra = -259,14°C;
• virimo temperatūra = -252,87°C;
• Elektronegatyvumas (pagal Paulingą / pagal Alpred ir Rochow) = 2,02/-;
• Oksidacijos būsena: +1; 0; -1;
• Tankis (nr.) = 0,0000899 g/cm 3;
• Molinis tūris = 14,1 cm 3 /mol.

Dvejetainiai vandenilio ir deguonies junginiai:

Vandenilį („vandens gimdymą“) 1766 m. atrado anglų mokslininkas G. Cavendishas. Tai paprasčiausias elementas gamtoje – vandenilio atomas turi branduolį ir vieną elektroną, tikriausiai todėl vandenilis yra gausiausias elementas Visatoje (sudaro daugiau nei pusę daugumos žvaigždžių masės).

Apie vandenilį galime pasakyti, kad „ritė yra maža, bet brangi“. Nepaisant savo „paprastumo“, vandenilis aprūpina energiją visoms gyvoms būtybėms Žemėje – Saulėje vyksta nuolatinė termobranduolinė reakcija, kurios metu iš keturių vandenilio atomų susidaro vienas helio atomas, šį procesą lydi didžiulio energijos kiekio išsiskyrimas. (daugiau informacijos žr. Branduolio sintezė).

Žemės plutoje vandenilio masės dalis yra tik 0,15%. Tuo tarpu didžioji dauguma (95%) visų Žemėje žinomų cheminių medžiagų turi vieną ar daugiau vandenilio atomų.

Junginiuose su nemetalais (HCl, H 2 O, CH 4 ...) vandenilis atiduoda savo vienintelį elektroną labiau elektroneigiamiems elementams, kurių oksidacijos būsena yra +1 (dažniau), sudarydamas tik kovalentinius ryšius (žr. obligacija).

Junginiuose su metalais (NaH, CaH 2 ...) vandenilis, priešingai, priima kitą elektroną į savo vienintelę s-orbitalę, tokiu būdu bandydamas užbaigti savo elektroninį sluoksnį, kurio oksidacijos būsena yra -1 (rečiau), dažnai sudaro joninį ryšį (žr. Joninis ryšys), nes vandenilio atomo ir metalo atomo elektronegatyvumo skirtumas gali būti gana didelis.

H 2

Dujinėje būsenoje vandenilis egzistuoja dviatominių molekulių pavidalu, sudarydamas nepolinį kovalentinį ryšį.

Vandenilio molekulės turi:

• didelis mobilumas;
• didelė jėga;
• mažas poliarizavimas;
• mažas dydis ir svoris.

Vandenilio dujų savybės:

• lengviausios gamtoje dujos, bespalvės ir bekvapės;
• blogai tirpsta vandenyje ir organiniuose tirpikliuose;
• mažais kiekiais ištirpsta skystuose ir kietuose metaluose (ypač platinoje ir paladyje);
• sunkiai suskystinamas (dėl mažo poliarizavimo);
• turi didžiausią šilumos laidumą iš visų žinomų dujų;
• kaitinamas, jis reaguoja su daugeliu nemetalų, pasižymėdamas redukuojančios medžiagos savybėmis;
• kambario temperatūroje reaguoja su fluoru (įvyksta sprogimas): H 2 + F 2 = 2HF;
• reaguoja su metalais ir susidaro hidridai, pasižymintys oksidacinėmis savybėmis: H 2 + Ca = CaH 2 ;

Junginiuose vandenilis savo redukcines savybes turi daug stipriau nei oksiduojančias. Vandenilis yra galingiausias reduktorius po anglies, aliuminio ir kalcio. Vandenilio redukuojančios savybės plačiai naudojamos pramonėje metalams ir nemetalams (paprastoms medžiagoms) gauti iš oksidų ir galidų.

Fe2O3 + 3H2 = 2Fe + 3H2O

Vandenilio reakcijos su paprastomis medžiagomis

Vandenilis priima elektroną ir atlieka tam tikrą vaidmenį reduktorius, reakcijose:

• Su deguonies(uždegant arba esant katalizatoriui), santykiu 2:1 (vandenilis:deguonis) susidaro sprogios detonuojančios dujos: 2H 2 0 +O 2 = 2H 2 +1 O+572 kJ
• Su pilka(kai kaitinama iki 150°C-300°C): H 2 0 +S ↔ H 2 +1 S
• Su chloro(uždegus arba apšvitinus UV spinduliais): H 2 0 +Cl 2 = 2H +1 Cl
• Su fluoras: H20 +F2 = 2H +1F
• Su azoto(kaitinant esant katalizatoriams arba esant aukštam slėgiui): 3H 2 0 +N 2 ↔ 2NH 3 +1

Vandenilis atiduoda elektroną, vaidindamas tam tikrą vaidmenį oksidatorius, reakcijose su šarminis Ir šarminių žemių metalai, susidarantys metalų hidridams – į druskas panašūs joniniai junginiai, turintys hidrido jonų H – tai nestabilios baltos kristalinės medžiagos.

Ca+H2 = CaH2-1 2Na+H20 = 2NaH-1

Vandeniliui nebūdinga oksidacijos būsena –1. Reaguodami su vandeniu hidridai suyra, vandenį redukuodami į vandenilį. Kalcio hidrido reakcija su vandeniu yra tokia:

CaH2-1 +2H2+10 = 2H20 +Ca(OH)2

Vandenilio reakcijos su sudėtingomis medžiagomis

• aukštoje temperatūroje vandenilis redukuoja daugelį metalų oksidų: ZnO+H 2 = Zn+H 2 O
• metilo alkoholis gaunamas reaguojant vandeniliui su anglies monoksidu (II): 2H 2 +CO → CH 3 OH
• Hidrinimo reakcijose vandenilis reaguoja su daugeliu organinių medžiagų.

Vandenilio ir jo junginių cheminių reakcijų lygtys išsamiau aptariamos puslapyje „Vandenilis ir jo junginiai – cheminių reakcijų, kuriose dalyvauja vandenilis, lygtys“.

Vandenilio panaudojimas

• branduolinėje energetikoje naudojami vandenilio izotopai - deuteris ir tritis;
• chemijos pramonėje vandenilis naudojamas daugelio organinių medžiagų, amoniako, vandenilio chlorido sintezei;
• maisto pramonėje vandenilis naudojamas kietų riebalų gamyboje hidrinant augalinius aliejus;
• metalams suvirinti ir pjauti naudojama aukšta vandenilio degimo temperatūra deguonyje (2600°C);
• kai kurių metalų gamyboje kaip reduktorius naudojamas vandenilis (žr. aukščiau);
• kadangi vandenilis yra lengvosios dujos, jis naudojamas aeronautikoje kaip balionų, aerostatų ir dirižablių užpildas;
• Vandenilis naudojamas kaip kuras, sumaišytas su CO.

Pastaruoju metu mokslininkai daug dėmesio skiria alternatyvių atsinaujinančios energijos šaltinių paieškoms. Viena iš perspektyvių sričių yra „vandenilio“ energija, kurioje kaip kuras naudojamas vandenilis, kurio degimo produktas yra paprastas vanduo.

Vandenilio gamybos metodai

Pramoniniai vandenilio gamybos metodai:

• metano konversija (katalizinis vandens garų redukavimas) vandens garais aukštoje temperatūroje (800°C) ant nikelio katalizatoriaus: CH 4 + 2H 2 O = 4H 2 + CO 2 ;
• anglies monoksido pavertimas vandens garais (t=500°C) ant Fe 2 O 3 katalizatoriaus: CO + H 2 O = CO 2 + H 2 ;
• terminis metano skilimas: CH 4 = C + 2H 2;
• kietojo kuro dujinimas (t=1000°C): C + H 2 O = CO + H 2 ;
• vandens elektrolizė (labai brangus metodas, kurio metu gaunamas labai grynas vandenilis): 2H 2 O → 2H 2 + O 2.

Laboratoriniai vandenilio gamybos metodai:

• metalų (dažniausiai cinko) poveikis druskos rūgštimi arba praskiesta sieros rūgštimi: Zn + 2HCl = ZCl 2 + H 2 ; Zn + H2SO4 = ZnSO4 + H2;
• vandens garų sąveika su karštomis geležies drožlėmis: 4H 2 O + 3Fe = Fe 3 O 4 + 4H 2.

Skystis

Vandenilis(lot. Vandenilis; pažymėtas simboliu H) yra pirmasis periodinės elementų lentelės elementas. Plačiai paplitęs gamtoje. Labiausiai paplitusio vandenilio izotopo 1H katijonas (ir branduolys) yra protonas. 1H branduolio savybės leidžia plačiai taikyti BMR spektroskopiją organinių medžiagų analizei.

Trys vandenilio izotopai turi savo pavadinimus: 1 H - protium (H), 2 H - deuteris (D) ir 3 H - tritis (radioaktyvus) (T).

Paprasta medžiaga vandenilis – H2 – yra šviesios bespalvės dujos. Sumaišytas su oru arba deguonimi jis yra degus ir sprogus. Ne toksiškas. Tirpsta etanolyje ir daugelyje metalų: geležyje, nikelyje, paladyje, platinoje.

Istorija

Degiųjų dujų išsiskyrimas rūgščių ir metalų sąveikos metu buvo pastebėtas XVI–XVII a., chemijos, kaip mokslo, formavimosi aušroje. Michailas Vasiljevičius Lomonosovas taip pat tiesiogiai atkreipė dėmesį į jo izoliaciją, tačiau jis jau tikrai žinojo, kad tai nėra flogistonas. Anglų fizikas ir chemikas Henry Cavendish ištyrė šias dujas 1766 m. ir pavadino jas „degiu oru“. Degimas „degus oras“ gamino vandenį, tačiau Cavendish'as laikėsi flogistono teorijos, kad jis negalėjo padaryti teisingų išvadų. Prancūzų chemikas Antoine'as Lavoisier kartu su inžinieriumi J. Meunier, naudodamas specialius dujų matuoklius, 1783 metais atliko vandens sintezę, o vėliau ir jo analizę, skaidydamas vandens garus karšta geležimi. Taigi jis nustatė, kad „degus oras“ yra vandens dalis ir gali būti iš jo gaunamas.

vardo kilmė

Lavoisier vandeniliui suteikė pavadinimą hidrogenas – „vandens gimdymas“. Rusišką pavadinimą „vandenilis“ pasiūlė chemikas M. F. Solovjovas 1824 m. - pagal analogiją su Slomonosovo „deguonimi“.

Paplitimas

Vandenilis yra labiausiai paplitęs elementas Visatoje. Jis sudaro apie 92% visų atomų (8% yra helio atomai, visų kitų elementų dalis kartu yra mažesnė nei 0,1%). Taigi vandenilis yra pagrindinė žvaigždžių ir tarpžvaigždinių dujų sudedamoji dalis. Žvaigždžių temperatūros sąlygomis (pavyzdžiui, Saulės paviršiaus temperatūra ~ 6000 °C) vandenilis egzistuoja plazmos pavidalu, tarpžvaigždinėje erdvėje šis elementas egzistuoja atskirų molekulių, atomų ir jonų pavidalu ir gali susidaryti molekuliniai debesys, kurių dydis, tankis ir temperatūra labai skiriasi.

Žemės pluta ir gyvi organizmai

Vandenilio masės dalis žemės plutoje yra 1% – tai dešimtas pagal gausumą elementas. Tačiau jo vaidmenį gamtoje lemia ne masė, o atomų skaičius, kurio dalis tarp kitų elementų yra 17% (antra vieta po deguonies, kurio atomų dalis yra ~ 52%). Todėl vandenilio svarba Žemėje vykstančiuose cheminiuose procesuose yra beveik tokia pat didelė kaip deguonies. Skirtingai nuo deguonies, kuris Žemėje egzistuoja ir surišto, ir laisvo pavidalo, beveik visas vandenilis Žemėje yra junginių pavidalu; Atmosferoje yra tik labai mažas vandenilio kiekis paprastos medžiagos pavidalu (0,00005 tūrio%).

Vandenilis yra beveik visų organinių medžiagų dalis ir yra visose gyvose ląstelėse. Gyvose ląstelėse vandenilis sudaro beveik 50% atomų skaičiaus.

Kvitas

Pramoniniai paprastų medžiagų gamybos būdai priklauso nuo to, kokia forma atitinkamas elementas randamas gamtoje, tai yra, kokia gali būti žaliava jo gamybai. Taigi deguonis, kuris yra laisvas, gaunamas fiziškai – atskiriant nuo skysto oro. Beveik visas vandenilis yra junginių pavidalo, todėl jam gauti naudojami cheminiai metodai. Visų pirma gali būti naudojamos skilimo reakcijos. Vienas iš vandenilio gamybos būdų yra vandens skaidymas elektros srove.

Pagrindinis pramoninis vandenilio gamybos būdas yra metano, kuris yra gamtinių dujų dalis, reakcija su vandeniu. Atliekama aukštoje temperatūroje (nesunku įsitikinti, kad metanui leidžiant net per verdantį vandenį nevyksta jokia reakcija):

CH 4 + 2H 2 O = CO 2 + 4H 2 –165 kJ

Laboratorijoje paprastoms medžiagoms gauti nebūtinai naudojamos natūralios žaliavos, o pasirenkamos tokios pradinės medžiagos, iš kurių lengviau išskirti reikiamą medžiagą. Pavyzdžiui, laboratorijoje deguonis negaunamas iš oro. Tas pats pasakytina ir apie vandenilio gamybą. Vienas iš laboratorinių vandenilio gamybos būdų, kuris kartais naudojamas pramonėje, yra vandens skaidymas elektros srove.

Paprastai vandenilis gaminamas laboratorijoje, reaguojant cinkui su druskos rūgštimi.

Pramonėje

1.Vandeninių druskų tirpalų elektrolizė:

2NaCl + 2H 2O → H2 + 2NaOH + Cl2

2. Vandens garų perleidimas per karštą koksą maždaug 1000 °C temperatūroje:

H2O+C? H2+CO

3. Iš gamtinių dujų.

Steam konvertavimas:

CH4 + H2O? CO + 3H 2 (1000 °C)

Katalizinė oksidacija deguonimi:

2CH4 + O2? 2CO + 4H2

4. Angliavandenilių krekingas ir riformingas naftos perdirbimo metu.

Laboratorijoje

1.Praskiestų rūgščių poveikis metalams.Šiai reakcijai atlikti dažniausiai naudojamas cinkas ir praskiesta druskos rūgštis:

Zn + 2HCl → ZnCl 2 + H2

2.Kalcio sąveika su vandeniu:

Ca + 2H 2 O → Ca(OH) 2 + H 2

3.Hidridų hidrolizė:

NaH + H 2 O → NaOH + H 2

4.Šarmų poveikis cinkui arba aliuminiui:

2Al + 2NaOH + 6H 2O → 2Na + 3H 2

Zn + 2KOH + 2H2O → K2 + H2

5.Naudojant elektrolizę. Vandeninių šarmų ar rūgščių tirpalų elektrolizės metu katode išsiskiria vandenilis, pavyzdžiui:

2H 3 O + + 2e − → H 2 + 2H 2 O

Fizinės savybės

Vandenilis gali egzistuoti dviem formomis (modifikacijomis) – orto- ir para-vandenilio pavidalu. Ortovandenilio molekulėje o-H 2 (mp -259,10 °C, bp -252,56 °C) branduolio sukimai yra nukreipti identiškai (lygiagrečiai) ir paravandeniui p-H 2 (lydymosi temperatūra –259,32 °C, virimo temperatūra –252,89 °C) – priešingi vienas kitam (antilygiagrečiai). Pusiausvyros mišinys o-H 2 ir p-H 2 tam tikroje temperatūroje vadinamas pusiausvyros vandenilis e-H2.

Vandenilio modifikacijas galima atskirti adsorbuojant ant aktyviosios anglies skysto azoto temperatūroje. Esant labai žemai temperatūrai, pusiausvyra tarp ortovandenilio ir paravandenilio beveik visiškai pasislenka pastarojo link. 80 K temperatūroje formų santykis yra maždaug 1:1. Kaitinamas, desorbuotas paravandenilis paverčiamas ortovandeniliu, kol susidaro kambario temperatūros pusiausvyros mišinys (orto-para: 75:25). Be katalizatoriaus transformacija vyksta lėtai (tarpžvaigždinės terpės sąlygomis - būdingais laikais iki kosmologinių), o tai leidžia ištirti atskirų modifikacijų savybes.

Vandenilis yra lengviausios dujos, 14,5 karto lengvesnės už orą. Akivaizdu, kad kuo mažesnė molekulių masė, tuo didesnis jų greitis toje pačioje temperatūroje. Kadangi vandenilio molekulės yra lengviausios, jos juda greičiau nei bet kurių kitų dujų molekulės ir todėl gali greičiau perduoti šilumą iš vieno kūno į kitą. Iš to išplaukia, kad vandenilis turi didžiausią šilumos laidumą tarp dujinių medžiagų. Jo šilumos laidumas yra maždaug septynis kartus didesnis nei oro šilumos laidumas.

Vandenilio molekulė yra dviatomė – H2. Normaliomis sąlygomis tai yra bespalvės, bekvapės ir beskonės dujos. Tankis 0,08987 g/l (n.s.), virimo temperatūra −252,76 °C, savitoji degimo šiluma 120,9×10 6 J/kg, mažai tirpsta vandenyje - 18,8 ml/l. Vandenilis gerai tirpsta daugelyje metalų (Ni, Pt, Pd ir kt.), ypač paladyje (850 tūrių 1 tūryje Pd). Vandenilio tirpumas metaluose yra susijęs su jo gebėjimu difunduoti per juos; Difuziją per anglies lydinį (pavyzdžiui, plieną) kartais lydi lydinio sunaikinimas dėl vandenilio sąveikos su anglimi (vadinamoji dekarbonizacija). Praktiškai netirpsta sidabre.

Skystas vandenilis egzistuoja labai siaurame temperatūros diapazone nuo –252,76 iki –259,2 °C. Tai bespalvis skystis, labai lengvas (tankis esant –253 °C 0,0708 g/cm3) ir skystas (klampumas esant –253 °C 13,8 spuaz). Kritiniai vandenilio parametrai yra labai žemi: ​​temperatūra –240,2 °C ir slėgis 12,8 atm. Tai paaiškina vandenilio suskystinimo sunkumus. Skystoje būsenoje pusiausvyros vandenilis susideda iš 99,79% para-H2, 0,21% orto-H2.

Kietas vandenilis, lydymosi temperatūra –259,2 °C, tankis 0,0807 g/cm 3 (prie –262 °C) – į sniegą panaši masė, šešiakampiai kristalai, erdvės grupė P6/mmc, ląstelės parametrai a=3,75 c=6.12. Esant aukštam slėgiui, vandenilis virsta metaline būsena.

Izotopai

Vandenilis yra trijų izotopų, turinčių individualius pavadinimus, pavidalu: 1 H - protium (H), 2 H - deuteris (D), 3 H - tritis (radioaktyvus) (T).

Protis ir deuteris yra stabilūs izotopai, kurių masės skaičius yra 1 ir 2. Jų kiekis gamtoje yra atitinkamai 99,9885 ± 0,0070 % ir 0,0115 ± 0,0070 %. Šis santykis gali šiek tiek skirtis priklausomai nuo vandenilio šaltinio ir būdo.

Vandenilio izotopas 3H (tritis) yra nestabilus. Jo pusinės eliminacijos laikas yra 12,32 metų. Natūraliai tričio yra labai mažais kiekiais.

Literatūroje taip pat pateikiami duomenys apie vandenilio izotopus, kurių masės skaičius yra 4 - 7, o pusinės eliminacijos laikas yra 10 -22 - 10 -23 s.

Natūralus vandenilis susideda iš H 2 ir HD (deuterio vandenilio) molekulių santykiu 3200:1. Gryno deuterio vandenilio D 2 kiekis dar mažesnis. HD ir D 2 koncentracijų santykis yra maždaug 6400:1.

Iš visų cheminių elementų izotopų vandenilio izotopų fizikinės ir cheminės savybės viena nuo kitos labiausiai skiriasi. Taip yra dėl didžiausio santykinio atomų masių pokyčio.

	Temperatūra tirpsta, K	Temperatūra verdantis, K	Trigubas taškas, K/kPa	Kritinis taškas, K/kPa	Tankis skystis/dujos, kg/m³

Deuteris ir tritis taip pat turi orto ir para modifikacijų: p-D2, o-D2, p-T 2, o-T 2. Heteroizotopinis vandenilis (HD, HT, DT) neturi orto ir para modifikacijų.

Cheminės savybės

Disocijuotų vandenilio molekulių dalis

Vandenilio molekulės H2 yra gana stiprios, o tam, kad vandenilis sureaguotų, reikia sunaudoti daug energijos:

H 2 = 2H – 432 kJ

Todėl įprastoje temperatūroje vandenilis reaguoja tik su labai aktyviais metalais, tokiais kaip kalcis, sudarydamas kalcio hidridą:

Ca + H 2 = CaH 2

ir su vieninteliu nemetalu - fluoru, sudarydamas vandenilio fluoridą:

Vandenilis reaguoja su dauguma metalų ir nemetalų esant aukštai temperatūrai arba veikiant kitokiam poveikiui, pavyzdžiui, apšvietimui:

O 2 + 2H 2 = 2H 2 O

Jis gali „atimti“ deguonį iš kai kurių oksidų, pavyzdžiui:

CuO + H 2 = Cu + H 2 O

Užrašyta lygtis atspindi vandenilio redukcines savybes.

N2 + 3H2 → 2NH3

Su halogenais sudaro vandenilio halogenidus:

F 2 + H 2 → 2HF, reakcija vyksta sprogiai tamsoje ir bet kokioje temperatūroje,

Cl 2 + H 2 → 2HCl, reakcija vyksta sprogstamai, tik šviesoje.

Esant dideliam karščiui, jis sąveikauja su suodžiais:

C + 2H 2 → CH 4

Sąveika su šarminiais ir šarminių žemių metalais

Sąveikaujant su aktyviais metalais vandenilis sudaro hidridus:

2Na + H2 → 2NaH

Ca + H 2 → CaH 2

Mg + H2 → MgH 2

Hidridai- į druską panašios kietos medžiagos, lengvai hidrolizuojamos:

CaH2 + 2H2O → Ca(OH)2 + 2H2

Sąveika su metalų oksidais (dažniausiai d-elementais)

Oksidai redukuojami į metalus:

CuO + H 2 → Cu + H 2 O

Fe2O3 + 3H2 → 2Fe + 3H2O

WO 3 + 3H 2 → W + 3H 2 O

Organinių junginių hidrinimas

Molekulinis vandenilis plačiai naudojamas organinėje sintezėje organinių junginių redukcijai. Šie procesai vadinami hidrinimo reakcijos. Šios reakcijos vykdomos esant katalizatoriui, esant padidintam slėgiui ir temperatūrai. Katalizatorius gali būti vienalytis (pvz., Wilkinson Catalyst) arba nevienalytis (pvz., Raney nikelis, paladis ant anglies).

Taigi, ypač katalizinio nesočiųjų junginių, tokių kaip alkenai ir alkinai, hidrinimo metu susidaro sotieji junginiai – alkanai.

Vandenilio geochemija

Laisvasis vandenilis H2 yra gana retas sausumos dujose, tačiau vandens pavidalu jis užima itin svarbią vietą geocheminiuose procesuose.

Vandenilis mineraluose gali būti amonio jonų, hidroksilo jonų ir kristalinio vandens pavidalu.

Atmosferoje vandenilis nuolat gaminasi dėl vandens skaidymo saulės spindulių poveikio. Mažos masės vandenilio molekulės turi didelį difuzijos judėjimo greitį (jis artimas antrajam kosminiam greičiui) ir, patekusios į viršutinius atmosferos sluoksnius, gali skristi į kosmosą.

Gydymo ypatumai

Vandenilis, susimaišęs su oru, sudaro sprogstamą mišinį – vadinamąsias detonuojančias dujas. Šios dujos yra sprogiausios, kai vandenilio ir deguonies tūrio santykis yra 2:1 arba vandenilio ir oro santykis yra maždaug 2:5, nes ore yra apie 21% deguonies. Vandenilis taip pat yra gaisro pavojus. Patekęs ant odos skystas vandenilis gali stipriai nušalti.

Sprogi vandenilio ir deguonies koncentracija būna nuo 4 % iki 96 % tūrio. Sumaišius su oru nuo 4% iki 75(74)% tūrio.

Ekonomika

Didelės didmeninės prekybos vandenilio kaina svyruoja nuo 2–5 USD už kg.

Taikymas

Atominis vandenilis naudojamas atominiam vandeniliniam suvirinimui.

Chemijos pramonė

• Amoniako, metanolio, muilo ir plastikų gamyboje
• Gaminant margariną iš skystų augalinių aliejų
• Registruotas kaip maisto papildas E949(pakavimo dujos)

Maisto pramone

Aviacijos pramonė

Vandenilis yra labai lengvas ir visada kyla ore. Kadaise dirižabliai ir oro balionai buvo pripildyti vandenilio. Tačiau 30-aisiais. XX amžiuje Įvyko kelios nelaimės, per kurias sprogo ir sudegė dirižabliai. Šiais laikais dirižabliai yra pripildyti helio, nepaisant žymiai didesnių jo sąnaudų.

Kuro

Vandenilis naudojamas kaip raketų kuras.

Atliekami vandenilio, kaip automobilių ir sunkvežimių kuro, naudojimo tyrimai. Vandeniliniai varikliai neteršia aplinkos ir išskiria tik vandens garus.

Vandenilio-deguonies kuro elementai naudoja vandenilį, kad cheminės reakcijos energiją tiesiogiai paverstų elektros energija.

"Skystas vandenilis"(„LH“) – tai skysta vandenilio būsena, kurios mažas savitasis tankis – 0,07 g/cm³, kriogeninės savybės – 14,01 K (–259,14 °C) užšalimo temperatūra ir 20,28 K (–252,87 °C) virimo temperatūra. ). Tai bespalvis, bekvapis skystis, kuris, sumaišytas su oru, yra klasifikuojamas kaip sprogus, kurio degumo diapazonas yra 4-75%. Izomerų sukimosi santykis skystame vandenilyje yra: 99,79% - paravandenilis; 0,21% - ortovandenilis. Vandenilio plėtimosi koeficientas keičiant jo agregacijos būseną į dujinę 20°C temperatūroje yra 848:1.

Kaip ir bet kurių kitų dujų atveju, vandenilio suskystinimas sumažina jo tūrį. Po suskystinimo skystas skystis laikomas termiškai izoliuotuose induose esant slėgiui. Skystas vandenilis Skystas vandenilis, LH2, LH 2) aktyviai naudojamas pramonėje kaip dujų saugykla ir kosmoso pramonėje kaip raketų kuras.

Istorija

Pirmą kartą dokumentais pagrįstą dirbtinį šaldymą panaudojo anglų mokslininkas Williamas Cullenas 1756 m., Gaspardas Monge'as pirmasis gavo skystą sieros oksido būseną 1784 m., Michaelas Faradėjus pirmasis gavo suskystintą amoniaką, amerikiečių išradėjas Oliveris Evansas. pirmasis sukūrė šaldymo kompresorių 1805 m., Jacobas Perkinsas pirmasis užpatentavo aušinimo mašiną 1834 m., o Johnas Gorey pirmasis patentavo oro kondicionierių JAV 1851 m. Werneris Siemensas 1857 m. pasiūlė regeneracinio aušinimo koncepciją, o 1876 m. Karlas Linde patentavo įrangą, skirtą skystam orui gaminti naudojant kaskadinį „Joule-Thomson plėtimosi efektą“ ir regeneracinį aušinimą. 1885 metais lenkų fizikas ir chemikas Zygmuntas Wroblewskis paskelbė kritinę vandenilio temperatūrą 33 K, kritinį slėgį 13,3 atm. ir virimo temperatūra 23 K. Vandenilį pirmą kartą suskystino Jamesas Dewaras 1898 m., naudodamas regeneracinį aušinimą ir savo išradimą – Dewaro kolbą. Pirmąją stabilaus skysto vandenilio izomero, paravandenilio, sintezę atliko Paulas Harteckas ir Carlas Bonhoefferis 1929 m.

Sukasi vandenilio izomerai

Vandenilis kambario temperatūroje daugiausia susideda iš sukimosi izomero, ortovandenilio. Po gamybos skystas vandenilis yra metastabilios būsenos ir turi būti paverstas paravandenilio forma, kad būtų išvengta sprogios egzoterminės reakcijos, kuri atsiranda, kai jis keičiasi žemoje temperatūroje. Konvertavimas į paravandenilio fazę paprastai atliekamas naudojant katalizatorius, tokius kaip geležies oksidas, chromo oksidas, aktyvuota anglis, platina dengtas asbestas, retieji žemių metalai arba naudojant urano ar nikelio priedus.

Naudojimas

Skystas vandenilis gali būti naudojamas kaip vidaus degimo variklių ir kuro elementų kuro saugykla. Naudojant šią agreguotą vandenilio formą buvo sukurti įvairūs povandeniniai laivai (projektai „212A“ ir „214“, Vokietija) ir vandenilio transportavimo koncepcijos (žr. pvz. „DeepC“ arba „BMW H2R“). Dėl konstrukcijų artumo LHV įrangos kūrėjai gali naudoti arba tik modifikuoti sistemas, naudojančias suskystintas gamtines dujas (SGD). Tačiau dėl mažesnio tūrinės energijos tankio degimui reikia didesnio tūrio vandenilio nei gamtinėms dujoms. Jei stūmokliniuose varikliuose vietoj „SGD“ naudojamas skystas vandenilis, dažniausiai reikalinga didesnė degalų sistema. Naudojant tiesioginį įpurškimą, padidėję nuostoliai įsiurbimo takuose sumažina cilindro užpildymą.

Skystas vandenilis taip pat naudojamas neutronams vėsinti atliekant neutronų sklaidos eksperimentus. Neutrono ir vandenilio branduolio masės yra beveik lygios, todėl energijos mainai elastingo susidūrimo metu yra efektyviausi.

Privalumai

Vandenilio naudojimo pranašumas yra jo naudojimo „nulinė emisija“. Jo sąveikos su oru produktas yra vanduo.

Kliūtys

Vienas litras „ZhV“ sveria tik 0,07 kg. Tai yra, jo savitasis tankis yra 70,99 g/l esant 20 K. Skystas vandenilis reikalauja kriogeninės saugojimo technologijos, pavyzdžiui, specialios termiškai izoliuotos talpyklos ir reikalauja specialaus tvarkymo, kuris būdingas visoms kriogeninėms medžiagoms. Šiuo atžvilgiu jis yra artimas skystam deguoniui, tačiau reikalauja didesnio atsargumo dėl gaisro pavojaus. Net ir naudojant izoliuotas talpyklas sunku išlaikyti žemoje temperatūroje, reikalingoje, kad jis būtų skystas (paprastai išgaruoja 1 % per dieną). Jį tvarkant taip pat reikia laikytis įprastų saugos priemonių dirbant su vandeniliu – pakankamai šalta, kad suskystintų orą, kuris yra sprogus.

Raketų kuras

Skystas vandenilis yra įprasta raketų kuro sudedamoji dalis, naudojama nešančiosioms raketoms ir erdvėlaiviams varyti. Daugumoje skystojo vandenilio raketų variklių jis pirmiausia naudojamas purkštuko ir kitų variklio dalių regeneraciniam atvėsinimui, o po to sumaišomas su oksidatoriumi ir sudeginamas, kad būtų sukurta trauka. Šiuolaikiniai varikliai, naudojantys H 2 /O 2 komponentus, naudoja degalų mišinį, per daug prisodrintą vandeniliu, todėl išmetamosiose dujose susidaro tam tikras nesudegusio vandenilio kiekis. Tai ne tik padidina specifinį variklio impulsą mažinant molekulinę masę, bet ir sumažina purkštuko ir degimo kameros eroziją.

Tokios kliūtys naudoti LH kitose srityse, tokios kaip kriogeniškumas ir mažas tankis, taip pat yra ribojantis veiksnys naudoti šiuo atveju. Nuo 2009 m. yra tik viena nešėja (nešančioji raketa Delta-4), kuri yra tik vandenilinė raketa. Iš esmės „ZhV“ naudojamas arba viršutinėse raketų pakopose, arba ant blokų, kurie atlieka didelę naudingojo krovinio paleidimo į kosmosą darbo dalį vakuume. Kaip vieną iš priemonių, didinančių šios rūšies kuro tankį, siūloma naudoti į dumblą panašų vandenilį, tai yra pusiau užšaldytą „skysto vandenilio“ formą.