ไฮโดรเจนคืออะไร? การต้มไฮโดรเจน

มีตำแหน่งเฉพาะของตัวเองในตารางธาตุ ซึ่งสะท้อนถึงคุณสมบัติที่แสดงและพูดถึงโครงสร้างทางอิเล็กทรอนิกส์ อย่างไรก็ตามในบรรดาทั้งหมดนี้มีอะตอมพิเศษหนึ่งอะตอมที่ครอบครองสองเซลล์ในคราวเดียว ตั้งอยู่ในองค์ประกอบสองกลุ่มที่มีคุณสมบัติตรงข้ามกันโดยสิ้นเชิง นี่คือไฮโดรเจน คุณสมบัติดังกล่าวทำให้มีเอกลักษณ์เฉพาะตัว

ไฮโดรเจนไม่ได้เป็นเพียงองค์ประกอบ แต่ยังเป็นสารอย่างง่าย เช่นเดียวกับส่วนสำคัญของสารประกอบเชิงซ้อนหลายชนิด ซึ่งเป็นองค์ประกอบทางชีวภาพและออร์แกนิก ดังนั้นให้เราพิจารณาลักษณะและคุณสมบัติของมันโดยละเอียดยิ่งขึ้น

ไฮโดรเจนเป็นองค์ประกอบทางเคมี

ไฮโดรเจนเป็นองค์ประกอบของกลุ่มแรกของกลุ่มย่อยหลัก เช่นเดียวกับกลุ่มที่เจ็ดของกลุ่มย่อยหลักในช่วงรองแรก ช่วงนี้ประกอบด้วยอะตอมเพียงสองอะตอมเท่านั้น: ฮีเลียมและองค์ประกอบที่เรากำลังพิจารณา ให้เราอธิบายคุณสมบัติหลักของตำแหน่งของไฮโดรเจนในตารางธาตุ

1. เลขอะตอมของไฮโดรเจนคือ 1 จำนวนอิเล็กตรอนเท่ากัน ดังนั้นจำนวนโปรตอนจึงเท่ากัน มวลอะตอม - 1.00795 องค์ประกอบนี้มีสามไอโซโทปที่มีเลขมวล 1, 2, 3 อย่างไรก็ตามคุณสมบัติของแต่ละไอโซโทปนั้นแตกต่างกันมากเนื่องจากการเพิ่มขึ้นของมวลแม้ทีละหนึ่งสำหรับไฮโดรเจนจะเพิ่มเป็นสองเท่าในทันที
2. ความจริงที่ว่ามันมีอิเล็กตรอนเพียงตัวเดียวบนพื้นผิวด้านนอกทำให้สามารถแสดงคุณสมบัติทั้งออกซิไดซ์และรีดิวซ์ได้สำเร็จ นอกจากนี้หลังจากการบริจาคอิเล็กตรอนแล้ว มันก็ยังคงมีวงโคจรอิสระซึ่งมีส่วนในการก่อตัวของพันธะเคมีตามกลไกของผู้บริจาคและผู้รับ
3. ไฮโดรเจนเป็นตัวรีดิวซ์ที่รุนแรง ดังนั้นสถานที่หลักจึงถือเป็นกลุ่มแรกของกลุ่มย่อยหลักซึ่งเป็นโลหะที่มีฤทธิ์มากที่สุด - อัลคาไล
4. อย่างไรก็ตาม เมื่อทำปฏิกิริยากับสารรีดิวซ์ที่แรง เช่น โลหะ ก็อาจเป็นตัวออกซิไดซ์ที่รับอิเล็กตรอนได้เช่นกัน สารประกอบเหล่านี้เรียกว่าไฮไดรด์ ตามคุณลักษณะนี้ จะเป็นหัวหน้ากลุ่มย่อยของฮาโลเจนที่มีความคล้ายคลึงกัน
5. เนื่องจากมีมวลอะตอมที่เล็กมาก ไฮโดรเจนจึงถือเป็นองค์ประกอบที่เบาที่สุด นอกจากนี้ความหนาแน่นยังต่ำมาก ดังนั้นจึงเป็นเกณฑ์มาตรฐานด้านความสว่างด้วย

ดังนั้นจึงเห็นได้ชัดว่าอะตอมไฮโดรเจนเป็นองค์ประกอบที่มีเอกลักษณ์เฉพาะตัวโดยสิ้นเชิง ไม่เหมือนกับองค์ประกอบอื่นๆ ทั้งหมด ด้วยเหตุนี้จึงมีคุณสมบัติพิเศษเช่นกัน และสารที่เกิดขึ้นง่ายและซับซ้อนก็มีความสำคัญมาก ลองพิจารณาเพิ่มเติม

สารง่ายๆ

ถ้าเราพูดถึงองค์ประกอบนี้ว่าเป็นโมเลกุล เราต้องบอกว่ามันเป็นไดอะตอมมิก นั่นคือไฮโดรเจน (สารเชิงเดี่ยว) ก็คือก๊าซ สูตรเชิงประจักษ์ของมันจะเขียนเป็น H2 และสูตรกราฟิกของมันจะเขียนผ่านความสัมพันธ์ซิกมา H-H เดียว กลไกการเกิดพันธะระหว่างอะตอมเป็นแบบโควาเลนต์ไม่มีขั้ว

1. การปฏิรูปมีเทนด้วยไอน้ำ
2. การแปรสภาพเป็นแก๊สถ่านหิน - กระบวนการนี้เกี่ยวข้องกับการให้ความร้อนถ่านหินถึง 1,000 0 C ส่งผลให้เกิดไฮโดรเจนและถ่านหินคาร์บอนสูง
3. กระแสไฟฟ้า วิธีนี้สามารถใช้ได้กับสารละลายน้ำที่มีเกลือต่างๆ เท่านั้น เนื่องจากการละลายจะไม่ทำให้น้ำไหลออกที่แคโทด

วิธีการผลิตไฮโดรเจนในห้องปฏิบัติการ:

1. การไฮโดรไลซิสของโลหะไฮไดรด์
2. ผลของกรดเจือจางต่อโลหะออกฤทธิ์และกิจกรรมปานกลาง
3. ปฏิกิริยาระหว่างโลหะอัลคาไลและอัลคาไลน์เอิร์ทกับน้ำ

ในการรวบรวมไฮโดรเจนที่ผลิตได้ คุณต้องคว่ำหลอดทดลองลง ท้ายที่สุดแล้ว ก๊าซนี้ไม่สามารถรวบรวมได้ในลักษณะเดียวกับ เช่น คาร์บอนไดออกไซด์ นี่คือไฮโดรเจน เบากว่าอากาศมาก มันระเหยอย่างรวดเร็วและระเบิดในปริมาณมากเมื่อผสมกับอากาศ ดังนั้นควรกลับด้านหลอดทดลอง หลังจากเติมแล้วจะต้องปิดด้วยจุกยาง

หากต้องการตรวจสอบความบริสุทธิ์ของไฮโดรเจนที่รวบรวมมา คุณควรนำไม้ขีดไฟติดไว้ที่คอ หากการตบมือทื่อและเงียบ แสดงว่าก๊าซสะอาดและมีสิ่งสกปรกในอากาศน้อยที่สุด หากเสียงดังและผิวปากก็สกปรกโดยมีส่วนประกอบแปลกปลอมเป็นสัดส่วนมาก

พื้นที่ใช้งาน

เมื่อไฮโดรเจนถูกเผาไหม้ พลังงาน (ความร้อน) จำนวนมากจะถูกปล่อยออกมาจนก๊าซนี้ถือเป็นเชื้อเพลิงที่ทำกำไรได้มากที่สุด นอกจากนี้ยังเป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อม อย่างไรก็ตาม จนถึงปัจจุบันการใช้งานในพื้นที่นี้มีจำกัด นี่เป็นเพราะปัญหาของการสังเคราะห์ไฮโดรเจนบริสุทธิ์ที่คิดไม่ถึงและยังไม่ได้รับการแก้ไข ซึ่งจะเหมาะสำหรับใช้เป็นเชื้อเพลิงในเครื่องปฏิกรณ์ เครื่องยนต์ และอุปกรณ์พกพา เช่นเดียวกับหม้อต้มน้ำร้อนที่อยู่อาศัย

ท้ายที่สุดแล้ววิธีการผลิตก๊าซนี้มีราคาค่อนข้างแพง ดังนั้นก่อนอื่นจึงจำเป็นต้องพัฒนาวิธีการสังเคราะห์แบบพิเศษก่อน สิ่งหนึ่งที่จะช่วยให้คุณได้รับผลิตภัณฑ์ในปริมาณมากและมีต้นทุนน้อยที่สุด

มีหลายประเด็นหลักที่ใช้ก๊าซที่เรากำลังพิจารณาอยู่

1. การสังเคราะห์ทางเคมี การเติมไฮโดรเจนใช้ในการผลิตสบู่ มาการีน และพลาสติก ด้วยการสังเคราะห์ไฮโดรเจนเมทานอลและแอมโมเนียรวมถึงสารประกอบอื่น ๆ
2. ในอุตสาหกรรมอาหาร - เป็นสารเติมแต่ง E949
3. อุตสาหกรรมการบิน (วิทยาศาสตร์จรวด การผลิตเครื่องบิน)
4. อุตสาหกรรมพลังงานไฟฟ้า.
5. อุตุนิยมวิทยา.
6. เชื้อเพลิงที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม

แน่นอนว่าไฮโดรเจนมีความสำคัญพอๆ กับที่มีอยู่อย่างอุดมสมบูรณ์ในธรรมชาติ สารประกอบต่างๆ ที่ก่อตัวขึ้นมีบทบาทมากยิ่งขึ้น

สารประกอบไฮโดรเจน

เหล่านี้เป็นสารเชิงซ้อนที่มีอะตอมไฮโดรเจน สารดังกล่าวมีหลายประเภทหลัก

1. ไฮโดรเจนเฮไลด์ สูตรทั่วไปคือ HHal สิ่งที่สำคัญที่สุดในหมู่พวกเขาคือไฮโดรเจนคลอไรด์ เป็นก๊าซที่ละลายในน้ำจนเกิดเป็นสารละลายกรดไฮโดรคลอริก กรดนี้ใช้กันอย่างแพร่หลายในการสังเคราะห์ทางเคมีเกือบทั้งหมด นอกจากนี้ทั้งอินทรีย์และอนินทรีย์ ไฮโดรเจนคลอไรด์เป็นสารประกอบที่มีสูตรเชิงประจักษ์ HCL และเป็นหนึ่งในสารประกอบที่ผลิตที่ใหญ่ที่สุดในประเทศของเราทุกปี ไฮโดรเจนเฮไลด์ยังรวมถึงไฮโดรเจนไอโอไดด์ ไฮโดรเจนฟลูออไรด์ และไฮโดรเจนโบรไมด์ พวกมันทั้งหมดก่อตัวเป็นกรดที่สอดคล้องกัน
2. ระเหยง่าย เกือบทั้งหมดเป็นก๊าซพิษค่อนข้างมาก ตัวอย่างเช่น ไฮโดรเจนซัลไฟด์ มีเทน ไซเลน ฟอสฟีน และอื่นๆ ขณะเดียวกันก็มีสารไวไฟมาก
3. ไฮไดรด์เป็นสารประกอบกับโลหะ พวกมันอยู่ในกลุ่มเกลือ
4. ไฮดรอกไซด์: เบส กรด และสารประกอบแอมโฟเทอริก พวกมันจำเป็นต้องมีอะตอมของไฮโดรเจนอย่างน้อยหนึ่งอะตอม ตัวอย่าง: NaOH, K 2, H 2 SO 4 และอื่นๆ
5. ไฮโดรเจน ไฮดรอกไซด์. สารประกอบนี้เป็นที่รู้จักกันดีในชื่อน้ำ อีกชื่อหนึ่งคือไฮโดรเจนออกไซด์ สูตรเชิงประจักษ์มีลักษณะดังนี้ - H 2 O
6. ไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์. นี่คือสารออกซิไดซ์ที่แรงซึ่งมีสูตรคือ H 2 O 2
7. สารประกอบอินทรีย์มากมาย: ไฮโดรคาร์บอน โปรตีน ไขมัน ไขมัน วิตามิน ฮอร์โมน น้ำมันหอมระเหย และอื่นๆ

เห็นได้ชัดว่าสารประกอบต่างๆ ของธาตุที่เรากำลังพิจารณานั้นมีความหลากหลายมาก นี่เป็นการยืนยันความสำคัญอย่างสูงอีกครั้งต่อธรรมชาติและมนุษย์ตลอดจนต่อสิ่งมีชีวิตทั้งหมด

- นี่คือตัวทำละลายที่ดีที่สุด

ตามที่กล่าวไว้ข้างต้น ชื่อสามัญของสารนี้คือน้ำ ประกอบด้วยไฮโดรเจน 2 อะตอมและออกซิเจน 1 อะตอม เชื่อมต่อกันด้วยพันธะโควาเลนต์ โมเลกุลของน้ำเป็นแบบไดโพล ซึ่งอธิบายคุณสมบัติหลายประการที่น้ำแสดงออกมา โดยเฉพาะมันเป็นตัวทำละลายสากล

อยู่ในสภาพแวดล้อมทางน้ำที่กระบวนการทางเคมีเกือบทั้งหมดเกิดขึ้น ปฏิกิริยาภายในของการเผาผลาญพลาสติกและพลังงานในสิ่งมีชีวิตยังดำเนินการโดยใช้ไฮโดรเจนออกไซด์

น้ำถือเป็นสารที่สำคัญที่สุดในโลกอย่างถูกต้อง เป็นที่รู้กันว่าไม่มีสิ่งมีชีวิตใดสามารถอยู่ได้โดยปราศจากมัน บนโลกสามารถดำรงอยู่ได้ในสามสถานะการรวมตัว:

• ของเหลว;
• แก๊ส (ไอน้ำ);
• ของแข็ง (น้ำแข็ง)

น้ำสามประเภทมีความโดดเด่นขึ้นอยู่กับไอโซโทปของไฮโดรเจนที่รวมอยู่ในโมเลกุล

1. แสงหรือโปรเทียม ไอโซโทปที่มีมวลเลข 1 สูตร - H 2 O นี่เป็นรูปแบบปกติที่สิ่งมีชีวิตทุกชนิดใช้
2. ดิวเทอเรียมหรือหนัก มีสูตรคือ D 2 O มีไอโซโทป 2 H
3. หนักมากหรือไอโซโทป สูตรดูเหมือน T 3 O, ไอโซโทป - 3 H

ปริมาณน้ำโปรเทียมสดบนโลกมีความสำคัญมาก มีปัญหาการขาดแคลนอยู่แล้วในหลายประเทศ ได้มีการพัฒนาวิธีการบำบัดน้ำเค็มเพื่อผลิตน้ำดื่ม

ไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์เป็นวิธีการรักษาแบบสากล

สารประกอบนี้ตามที่กล่าวไว้ข้างต้นเป็นสารออกซิไดซ์ที่ดีเยี่ยม อย่างไรก็ตาม ด้วยตัวแทนที่เข้มแข็ง เขาก็สามารถทำหน้าที่เป็นผู้ซ่อมแซมได้เช่นกัน นอกจากนี้ยังมีฤทธิ์ฆ่าเชื้อแบคทีเรียที่เด่นชัด

ชื่ออื่นของสารประกอบนี้คือเปอร์ออกไซด์ ในรูปแบบนี้ใช้ในการแพทย์ สารละลายผลึกไฮเดรต 3% ของสารประกอบที่เป็นปัญหาคือยาทางการแพทย์ที่ใช้รักษาบาดแผลเล็กๆ เพื่อฆ่าเชื้อ อย่างไรก็ตาม ได้รับการพิสูจน์แล้วว่าวิธีนี้จะทำให้แผลหายเร็วขึ้น

ไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์ยังใช้ในเชื้อเพลิงจรวด ในอุตสาหกรรมสำหรับการฆ่าเชื้อและการฟอกขาว และเป็นสารทำให้เกิดฟองสำหรับการผลิตวัสดุที่เหมาะสม (เช่น โฟม) นอกจากนี้เปอร์ออกไซด์ยังช่วยทำความสะอาดตู้ปลา ฟอกสีผม และทำให้ฟันขาวขึ้น อย่างไรก็ตาม มันทำให้เกิดอันตรายต่อเนื้อเยื่อ ดังนั้นจึงไม่แนะนำโดยผู้เชี่ยวชาญสำหรับวัตถุประสงค์เหล่านี้

ความชุกในธรรมชาติ V. แพร่หลายในธรรมชาติ เนื้อหาในเปลือกโลก (เปลือกโลกและไฮโดรสเฟียร์) คือ 1% โดยน้ำหนักและ 16% โดยจำนวนอะตอม V. เป็นส่วนหนึ่งของสารที่พบมากที่สุดในโลก - น้ำ (11.19% ของ V. โดยน้ำหนัก) ในองค์ประกอบของสารประกอบที่ประกอบเป็นถ่านหิน น้ำมัน ก๊าซธรรมชาติ ดินเหนียว รวมถึงสิ่งมีชีวิตของสัตว์และพืช (เช่น ในองค์ประกอบโปรตีน กรดนิวคลีอิก ไขมัน คาร์โบไฮเดรต เป็นต้น) ในรัฐอิสระ V. นั้นหายากมากโดยพบในปริมาณเล็กน้อยในภูเขาไฟและก๊าซธรรมชาติอื่น ๆ ไฮโดรเจนอิสระจำนวนเล็กน้อย (0.0001% โดยจำนวนอะตอม) มีอยู่ในชั้นบรรยากาศ ในอวกาศใกล้โลก การแผ่รังสีจะก่อตัวเป็นแถบรังสีภายในของโลก (“โปรตอน”) ในรูปของการไหลของโปรตอน ในอวกาศ V. เป็นองค์ประกอบที่พบบ่อยที่สุด ในรูปของพลาสมา มีมวลประมาณครึ่งหนึ่งของดวงอาทิตย์และดาวฤกษ์ส่วนใหญ่ ซึ่งเป็นก๊าซส่วนใหญ่ของตัวกลางระหว่างดวงดาวและเนบิวลาก๊าซ V. มีอยู่ในชั้นบรรยากาศของดาวเคราะห์จำนวนหนึ่งและในดาวหางในรูปของ H2 อิสระ มีเทน CH4 แอมโมเนีย NH3 น้ำ H2O อนุมูล เช่น CH, NH, OH, SiH, PH เป็นต้น ในรูปของการไหลของโปรตอน พลังงานเป็นส่วนหนึ่งของรังสีคอสมิกของดวงอาทิตย์และรังสีคอสมิก

ไอโซโทป อะตอม และโมเลกุล กรดกำมะถันสามัญประกอบด้วยส่วนผสมของไอโซโทปเสถียรสองชนิด: กรดกำมะถันเบาหรือโปรเทียม (1H) และกรดกำมะถันหนักหรือดิวทีเรียม (2H หรือ D) ในสารประกอบธรรมชาติ มีอะตอมเฉลี่ย 6800 1H ต่อ 1 2H อะตอม ไอโซโทปกัมมันตภาพรังสีถูกสร้างขึ้นอย่างเทียม - V. หนักยิ่งยวดหรือทริเทียม (3H หรือ T) โดยมีรังสี β แบบอ่อนและครึ่งชีวิต T1/2 = 12.262 ปี ในธรรมชาติไอโซโทปจะเกิดขึ้นเช่นจากไนโตรเจนในบรรยากาศภายใต้อิทธิพลของนิวตรอนรังสีคอสมิก ในชั้นบรรยากาศมีขนาดเล็กมาก (4-10-15% ของจำนวนอะตอม V ทั้งหมด) ได้รับไอโซโทป 4H ที่ไม่เสถียรอย่างยิ่ง จำนวนมวลของไอโซโทป 1H, 2H, 3H และ 4H ตามลำดับ 1,2, 3 และ 4 บ่งชี้ว่านิวเคลียสของอะตอมโปรเทียมประกอบด้วยโปรตอนเพียง 1 ตัว, ดิวทีเรียม - 1 โปรตอนและ 1 นิวตรอน, ไอโซโทป - 1 โปรตอนและ 2 นิวตรอน, 4H - 1 โปรตอนและ 3 นิวตรอน ความแตกต่างอย่างมากในมวลของไอโซโทปของ V. จะกำหนดความแตกต่างที่เห็นได้ชัดเจนในคุณสมบัติทางกายภาพและทางเคมีมากกว่าในกรณีของไอโซโทปขององค์ประกอบอื่น

อะตอม V. มีโครงสร้างที่ง่ายที่สุดในบรรดาอะตอมขององค์ประกอบอื่นๆ ทั้งหมด ประกอบด้วยนิวเคลียสและอิเล็กตรอนหนึ่งตัว พลังงานยึดเหนี่ยวของอิเล็กตรอนที่มีนิวเคลียส (ศักย์ไฟฟ้าไอออไนเซชัน) คือ 13.595 eV อะตอมที่เป็นกลางยังสามารถเพิ่มอิเล็กตรอนตัวที่สองเข้าไปสร้างไอออนลบ H-; ในกรณีนี้ พลังงานยึดเหนี่ยวของอิเล็กตรอนตัวที่สองที่มีอะตอมเป็นกลาง (สัมพรรคภาพอิเล็กตรอน) คือ 0.78 eV กลศาสตร์ควอนตัมทำให้สามารถคำนวณระดับพลังงานที่เป็นไปได้ทั้งหมดของอะตอม ดังนั้นจึงให้การตีความสเปกตรัมของอะตอมได้อย่างสมบูรณ์ อะตอม V ถูกใช้เป็นอะตอมแบบจำลองในการคำนวณเชิงกลควอนตัมของระดับพลังงานของอะตอมอื่นที่ซับซ้อนกว่า โมเลกุล B.H2 ประกอบด้วยอะตอม 2 อะตอมที่เชื่อมต่อกันด้วยพันธะเคมีโควาเลนต์ พลังงานของการแยกตัว (เช่น สลายตัวเป็นอะตอม) คือ 4.776 eV (1 eV = 1.60210-10-19 J) ระยะห่างระหว่างอะตอมที่ตำแหน่งสมดุลของนิวเคลียสคือ 0.7414-Å ที่อุณหภูมิสูง โมเลกุลไฮโดรเจนจะแยกตัวออกเป็นอะตอม (ระดับการแยกตัวที่ 2000°C คือ 0.0013 ที่ 5,000°C 0.95) Atomic V. ยังเกิดขึ้นในปฏิกิริยาเคมีต่างๆ (เช่นโดยการกระทำของ Zn กับกรดไฮโดรคลอริก) อย่างไรก็ตามการดำรงอยู่ของไฮโดรเจนในสถานะอะตอมคงอยู่เพียงช่วงเวลาสั้น ๆ อะตอมรวมตัวกันอีกครั้งเป็นโมเลกุล H2

คุณสมบัติทางกายภาพและทางเคมี. V. เป็นสารที่เบาที่สุดในบรรดาสารทั้งหมด (เบากว่าอากาศ 14.4 เท่า) ความหนาแน่น 0.0899 กรัม/ลิตร ที่ 0°C และ 1 atm ฮีเลียมเดือด (เหลว) และละลาย (แข็งตัว) ตามลำดับ ที่ -252.6°C และ -259.1°C (เฉพาะฮีเลียมเท่านั้นที่มีจุดหลอมเหลวและจุดเดือดต่ำกว่า) อุณหภูมิวิกฤตของน้ำต่ำมาก (-240°C) ดังนั้นการทำให้กลายเป็นของเหลวจึงเต็มไปด้วยความยากลำบากอย่างมาก ความดันวิกฤต 12.8 kgf/cm2 (12.8 atm) ความหนาแน่นวิกฤติ 0.0312 g/cm3 ในบรรดาก๊าซทั้งหมด V. มีค่าการนำความร้อนมากที่สุด เท่ากับ 0.174 W/(m-K) ที่ 0°C และ 1 atm เช่น 4.16-0-4 cal/(s-cm-°C) ความจุความร้อนจำเพาะของ V. ที่ 0°C และ 1 atm Ср 14.208-103 J/(kg-K) เช่น 3.394 cal/(g-°C) V. ละลายได้ในน้ำเล็กน้อย (0.0182 มล./กรัม ที่ 20°C และ 1 atm) แต่ละลายได้ดีในโลหะหลายชนิด (Ni, Pt, Pd ฯลฯ) โดยเฉพาะในแพลเลเดียม (850 ปริมาตรต่อ 1 ปริมาตรของ Pd) . ความสามารถในการละลายของ V. ในโลหะนั้นสัมพันธ์กับความสามารถในการแพร่กระจายผ่านพวกมัน การแพร่กระจายผ่านโลหะผสมคาร์บอน (เช่น เหล็กกล้า) บางครั้งอาจมาพร้อมกับการทำลายโลหะผสมเนื่องจากปฏิกิริยาระหว่างคาร์บอนกับคาร์บอน (ที่เรียกว่า การแยกคาร์บอน) Liquid V. มีน้ำหนักเบามาก (ความหนาแน่นที่ -253°C 0.0708 g/cm3) และของเหลว (ความหนืดที่ -253°C 13.8 spuaz)

ในสารประกอบส่วนใหญ่ V. มีวาเลนซ์ (หรือแม่นยำกว่าคือสถานะออกซิเดชัน) +1 เช่น โซเดียมและโลหะอัลคาไลอื่นๆ โดยปกติจะถือเป็นอะนาล็อกของโลหะเหล่านี้โดยนำ 1 กรัม ระบบของเมนเดเลเยฟ อย่างไรก็ตาม ในโลหะไฮไดรด์ B ไอออนจะมีประจุลบ (สถานะออกซิเดชัน -1) กล่าวคือ Na+H- ไฮไดรด์มีโครงสร้างคล้ายกับ Na+Cl- คลอไรด์ สิ่งนี้และข้อเท็จจริงอื่น ๆ (ความคล้ายคลึงกันของคุณสมบัติทางกายภาพของ V. และฮาโลเจนความสามารถของฮาโลเจนในการแทนที่ V. ในสารประกอบอินทรีย์) ให้เหตุผลในการจำแนกประเภท V. ในกลุ่ม VII ของตารางธาตุด้วย (สำหรับรายละเอียดเพิ่มเติม ดูตารางธาตุ) ภายใต้สภาวะปกติ โมเลกุล V. จะมีปฏิกิริยาค่อนข้างน้อย โดยจะรวมเข้ากับสารที่มีฤทธิ์มากที่สุดของอโลหะโดยตรงเท่านั้น (กับฟลูออรีน และในแสงที่มีคลอรีน) แต่เมื่อถูกความร้อนจะทำปฏิกิริยากับองค์ประกอบหลายอย่าง Atomic V. มีฤทธิ์ทางเคมีเพิ่มขึ้นเมื่อเทียบกับโมเลกุล เมื่อออกซิเจน V. จะเกิดเป็นน้ำ: H2 + 1/2O2 = H2O โดยมีการปล่อยความร้อน 285.937-103 J/mol นั่นคือ ความร้อน 68.3174 kcal/mol (ที่ 25°C และ 1 atm) ที่อุณหภูมิปกติ ปฏิกิริยาจะเกิดขึ้นช้ามาก เมื่ออุณหภูมิสูงกว่า 550°C ปฏิกิริยาจะระเบิด ขีด จำกัด การระเบิดของส่วนผสมไฮโดรเจน - ออกซิเจนคือ (โดยปริมาตร) ตั้งแต่ 4 ถึง 94% H2 และของส่วนผสมไฮโดรเจนกับอากาศ - จาก 4 ถึง 74% H2 (ส่วนผสมของ H2 2 ปริมาตรและ O2 1 ปริมาตรเรียกว่า ก๊าซระเบิด) V. ใช้เพื่อลดปริมาณโลหะหลายชนิด เนื่องจากจะขจัดออกซิเจนออกจากออกไซด์ของโลหะเหล่านี้:

CuO + H2 = Cu + H2O
Fe3O4 + 4H2 = 3Fe + 4H2O เป็นต้น
ด้วยฮาโลเจน V. จะเกิดไฮโดรเจนเฮไลด์ตัวอย่างเช่น:
H2 + Cl2 = 2HCl

ในเวลาเดียวกัน V. จะระเบิดด้วยฟลูออรีน (แม้ในความมืดและที่อุณหภูมิ -252°C) ทำปฏิกิริยากับคลอรีนและโบรมีนเฉพาะเมื่อมีแสงสว่างหรือได้รับความร้อน และกับไอโอดีนเมื่อได้รับความร้อนเท่านั้น V. ทำปฏิกิริยากับไนโตรเจนเพื่อสร้างแอมโมเนีย: 3H2 + N2 = 2NH3 บนตัวเร่งปฏิกิริยาเท่านั้น และที่อุณหภูมิและความดันสูงขึ้น เมื่อถูกความร้อน V. จะทำปฏิกิริยาอย่างแรงกับซัลเฟอร์: H2 + S = H2S (ไฮโดรเจนซัลไฟด์) ซึ่งยากกว่ามากกับซีลีเนียมและเทลลูเรียม V. สามารถทำปฏิกิริยากับคาร์บอนบริสุทธิ์โดยไม่มีตัวเร่งปฏิกิริยาที่อุณหภูมิสูงเท่านั้น: 2H2 + C (อสัณฐาน) = CH4 (มีเทน) V. ทำปฏิกิริยาโดยตรงกับโลหะบางชนิด (อัลคาไล, อัลคาไลน์เอิร์ธ ฯลฯ) ทำให้เกิดไฮไดรด์: H2 + 2Li = 2LiH สิ่งสำคัญในทางปฏิบัติอย่างยิ่งคือปฏิกิริยาของคาร์บอนไดออกไซด์กับคาร์บอนมอนอกไซด์ ซึ่งสารประกอบอินทรีย์ต่างๆ จะเกิดขึ้น ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ ความดัน และตัวเร่งปฏิกิริยา เช่น HCHO, CH3OH เป็นต้น (ดูคาร์บอนมอนอกไซด์) ไฮโดรคาร์บอนไม่อิ่มตัวทำปฏิกิริยากับไฮโดรเจน จนอิ่มตัว เช่น CnH2n + H2 = CnH2n+2 (ดูการเติมไฮโดรเจน)

การเก็บไฮโดรเจน

Gladysheva Marina Alekseevna, 10A, โรงเรียนหมายเลข 75, Chernogolovka รายงานในการประชุมวิชาการ "Start in Science", MIPT, 2547

ความน่าสนใจของไฮโดรเจนในฐานะตัวพาพลังงานสากลนั้นพิจารณาจากความเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม ความยืดหยุ่น และประสิทธิภาพของกระบวนการแปลงพลังงานที่เกี่ยวข้องกับการมีส่วนร่วม เทคโนโลยีสำหรับการผลิตไฮโดรเจนหลายขนาดได้รับการพัฒนาค่อนข้างดีและมีฐานวัตถุดิบที่แทบจะไม่จำกัด อย่างไรก็ตาม ก๊าซไฮโดรเจนที่มีความหนาแน่นต่ำ อุณหภูมิที่กลายเป็นของเหลวต่ำ รวมถึงอันตรายจากการระเบิดสูง รวมกับผลกระทบด้านลบต่อคุณสมบัติของวัสดุโครงสร้าง ทำให้เกิดปัญหาในการพัฒนาระบบกักเก็บไฮโดรเจนที่มีประสิทธิภาพและปลอดภัย - นี่คือปัญหาที่กำลังขัดขวางการพัฒนาพลังงานและเทคโนโลยีไฮโดรเจนในปัจจุบัน

ตามการจัดประเภทของกระทรวงพลังงานของสหรัฐอเมริกา วิธีการจัดเก็บเชื้อเพลิงไฮโดรเจนสามารถแบ่งได้เป็น 2 กลุ่ม:

กลุ่มแรกประกอบด้วยวิธีการทางกายภาพที่ใช้กระบวนการทางกายภาพ (ส่วนใหญ่เป็นการบีบอัดหรือการทำให้เป็นของเหลว) เพื่อเปลี่ยนก๊าซไฮโดรเจนให้เป็นสถานะอัดแน่น ไฮโดรเจนที่เก็บไว้โดยวิธีทางกายภาพประกอบด้วยโมเลกุล H 2 โต้ตอบกับสภาพแวดล้อมการจัดเก็บข้อมูลได้ไม่ดีนัก ปัจจุบันมีการใช้วิธีการทางกายภาพต่อไปนี้ในการกักเก็บไฮโดรเจน:

ก๊าซไฮโดรเจนอัด:

ถังแก๊ส

ระบบจัดเก็บขนาดใหญ่แบบอยู่กับที่ รวมถึงถังใต้ดิน

การจัดเก็บในท่อ

ไมโครสเฟียร์แก้ว

ไฮโดรเจนเหลว:ภาชนะที่อยู่กับที่และขนส่งด้วยความเย็นจัด

ใน เคมีวิธีการจัดเก็บไฮโดรเจนนั้นมั่นใจได้โดยกระบวนการทางกายภาพหรือทางเคมีของการโต้ตอบกับวัสดุบางชนิด วิธีการเหล่านี้มีลักษณะเฉพาะคือปฏิสัมพันธ์ที่รุนแรงของไฮโดรเจนระดับโมเลกุลหรืออะตอมกับวัสดุของตัวกลางในการจัดเก็บ วิธีกลุ่มนี้ ส่วนใหญ่ประกอบด้วยสิ่งต่อไปนี้:

การดูดซับ:

ซีโอไลต์และสารประกอบที่เกี่ยวข้อง

ถ่านกัมมันต์;

วัสดุนาโนไฮโดรคาร์บอน

การดูดซึมต่อปริมาตรของวัสดุ(โลหะไฮไดรด์)

ปฏิกิริยาทางเคมี:

แยกออก;

ฟูลเลอรีนและไฮไดรด์อินทรีย์

แอมโมเนีย;

เหล็กฟองน้ำ

โลหะผสมที่ทำปฏิกิริยากับน้ำขึ้นอยู่กับอลูมิเนียมและซิลิกอน

การเก็บก๊าซไฮโดรเจนไม่ใช่ปัญหาที่ซับซ้อนกว่าการจัดเก็บก๊าซธรรมชาติ ในทางปฏิบัติ ถังแก๊ส อ่างเก็บน้ำตามธรรมชาติใต้ดิน (ชั้นหินอุ้มน้ำ แหล่งน้ำมันและก๊าซที่หมดสิ้น) และสถานที่จัดเก็บที่เกิดจากการระเบิดปรมาณูใต้ดินถูกนำมาใช้เพื่อจุดประสงค์นี้ ความเป็นไปได้พื้นฐานของการจัดเก็บก๊าซไฮโดรเจนในถ้ำเกลือที่สร้างขึ้นโดยการละลายเกลือด้วยน้ำผ่านหลุมเจาะได้รับการพิสูจน์แล้ว

หากต้องการเก็บก๊าซไฮโดรเจนที่ความดันสูงถึง 100 MPa จะใช้ภาชนะเชื่อมที่มีผนังสองชั้นหรือหลายชั้น ผนังด้านในของภาชนะดังกล่าวทำจากสเตนเลสออสเทนนิติกหรือวัสดุอื่นที่เข้ากันได้กับไฮโดรเจนภายใต้สภาวะแรงดันสูง ส่วนชั้นนอกทำจากเหล็กที่มีความแข็งแรงสูง เพื่อวัตถุประสงค์เหล่านี้ ยังใช้ภาชนะที่มีผนังหนาไร้ตะเข็บซึ่งทำจากเหล็กกล้าคาร์บอนต่ำที่ออกแบบมาสำหรับแรงกดดันสูงถึง 40 - 70 MPa

การจัดเก็บก๊าซไฮโดรเจนในถังเก็บก๊าซที่มีสระน้ำ (ถังเก็บก๊าซเปียก) ถังเก็บก๊าซแบบลูกสูบแรงดันคงที่ (ถังเก็บก๊าซแห้ง) และถังเก็บก๊าซที่มีปริมาตรคงที่ (ถังแรงดันสูง) แพร่หลายมากขึ้น กระบอกสูบใช้เก็บไฮโดรเจนในปริมาณเล็กน้อย

โปรดทราบว่าถังแก๊สแบบเปียกและแบบแห้ง (ลูกสูบ) ที่มีโครงสร้างแบบเชื่อมไม่มีความแน่นเพียงพอ ตามเงื่อนไขทางเทคนิค อนุญาตให้มีการรั่วไหลของไฮโดรเจนในระหว่างการทำงานปกติของถังแก๊สเปียกที่มีความจุสูงถึง 3,000 ลบ.ม. 3 – ประมาณ 1.65% และมีความจุตั้งแต่ 3,000 ม 3 และอื่น ๆ - ประมาณ 1.1% ต่อวัน (ขึ้นอยู่กับปริมาตรที่ระบุของถังแก๊ส)

หนึ่งในวิธีที่มีแนวโน้มมากที่สุดในการกักเก็บไฮโดรเจนในปริมาณมากคือการเก็บไว้ในชั้นหินอุ้มน้ำ การสูญเสียรายปีด้วยวิธีการจัดเก็บนี้มีตั้งแต่ 1 ถึง 3% การสูญเสียจำนวนนี้ได้รับการยืนยันจากประสบการณ์ในการจัดเก็บก๊าซธรรมชาติ

ก๊าซไฮโดรเจนสามารถจัดเก็บและขนส่งในภาชนะเหล็กภายใต้ความดันสูงถึง 20 MPa คอนเทนเนอร์ดังกล่าวสามารถขนส่งไปยังจุดบริโภคบนแพลตฟอร์มรถยนต์หรือรถไฟ ทั้งในคอนเทนเนอร์มาตรฐานและในคอนเทนเนอร์ที่ออกแบบเป็นพิเศษ

สำหรับการจัดเก็บและขนส่งไฮโดรเจนอัดปริมาณเล็กน้อยที่อุณหภูมิตั้งแต่ –50 ถึง +60 0 C ใช้กระบอกเหล็กไร้ตะเข็บที่มีความจุขนาดเล็กถึง 12 dm 3 และความจุเฉลี่ย 20 – 50 dm 3 ด้วยแรงดันใช้งานสูงสุด 20 MPa ตัววาล์วทำจากทองเหลือง กระบอกสูบทาสีเขียวเข้มและมีข้อความว่า "ไฮโดรเจน" เป็นสีแดง

ถังเก็บไฮโดรเจนค่อนข้างเรียบง่ายและกะทัดรัด อย่างไรก็ตาม หากต้องการเก็บ 2 กิโลกรัม N 2 ต้องใช้สลักเกลียวที่มีน้ำหนัก 33 กก. ความก้าวหน้าในด้านวัสดุศาสตร์ทำให้สามารถลดมวลของวัสดุทรงกระบอกลงเหลือ 20 กิโลกรัมต่อไฮโดรเจน 1 กิโลกรัม และในอนาคตสามารถลดลงเหลือ 8-10 กิโลกรัมได้ จนถึงตอนนี้ มวลของไฮโดรเจนเมื่อเก็บไว้ในกระบอกสูบจะอยู่ที่ประมาณ 2–3% ของมวลของกระบอกสูบเอง

สามารถเก็บไฮโดรเจนปริมาณมากไว้ในถังแก๊สที่มีแรงดันขนาดใหญ่ ถังแก๊สมักทำจากเหล็กกล้าคาร์บอน แรงกดดันในการทำงานมักจะไม่เกิน 10 MPa เนื่องจากก๊าซไฮโดรเจนมีความหนาแน่นต่ำ การจัดเก็บไว้ในภาชนะดังกล่าวจึงมีประโยชน์เฉพาะในปริมาณที่ค่อนข้างน้อยเท่านั้น การเพิ่มแรงกดดันเหนือค่าที่ระบุ เช่น หลายร้อยเมกะปาสคาล ประการแรกทำให้เกิดปัญหาที่เกี่ยวข้องกับการกัดกร่อนของไฮโดรเจนในเหล็กกล้าคาร์บอน และประการที่สอง ส่งผลให้ต้นทุนของภาชนะดังกล่าวเพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ

สำหรับการจัดเก็บไฮโดรเจนในปริมาณมาก วิธีที่คุ้มค่าคือการจัดเก็บก๊าซและชั้นหินอุ้มน้ำที่หมดไปแล้ว มีโรงเก็บก๊าซใต้ดินมากกว่า 300 แห่งในสหรัฐอเมริกา

ก๊าซไฮโดรเจนในปริมาณมากจะถูกเก็บไว้ในถ้ำเกลือลึก 365 ม. ที่ความดันไฮโดรเจน 5 MPa ในโครงสร้างที่เต็มไปด้วยน้ำที่มีรูพรุนซึ่งมีมากถึง 20 10ไฮโดรเจน 6 ม. 3

ประสบการณ์การจัดเก็บระยะยาว (มากกว่า 10 ปี) ในโรงเก็บก๊าซใต้ดินของก๊าซที่มีไฮโดรเจน 50% แสดงให้เห็นถึงความเป็นไปได้อย่างเต็มที่ในการจัดเก็บโดยไม่มีการรั่วไหลที่เห็นได้ชัดเจน ชั้นดินเหนียวที่แช่ในน้ำสามารถกักเก็บแบบผนึกแน่นได้เนื่องจากการละลายของไฮโดรเจนในน้ำเล็กน้อย

การจัดเก็บไฮโดรเจนเหลว

ในบรรดาคุณสมบัติพิเศษมากมายของไฮโดรเจนที่มีความสำคัญที่ต้องพิจารณาเมื่อจัดเก็บในรูปของเหลว สิ่งหนึ่งที่สำคัญเป็นพิเศษคือ ไฮโดรเจนในสถานะของเหลวพบได้ในช่วงอุณหภูมิแคบ: จากจุดเดือด 20K ถึงจุดเยือกแข็ง 17K เมื่อมันเปลี่ยนเป็นสถานะของแข็ง หากอุณหภูมิสูงกว่าจุดเดือด ไฮโดรเจนจะเปลี่ยนจากของเหลวเป็นก๊าซทันที

เพื่อป้องกันไม่ให้เกิดความร้อนสูงเกินไปในท้องถิ่น เรือที่บรรจุไฮโดรเจนเหลวควรได้รับการระบายความร้อนล่วงหน้าให้มีอุณหภูมิใกล้กับจุดเดือดของไฮโดรเจน จากนั้นจึงจะสามารถเติมไฮโดรเจนเหลวได้ ในการทำเช่นนี้ ก๊าซทำความเย็นจะถูกส่งผ่านระบบ ซึ่งเกี่ยวข้องกับการใช้ไฮโดรเจนในปริมาณมากเพื่อทำให้ภาชนะเย็นลง

การเปลี่ยนผ่านของไฮโดรเจนจากของเหลวไปเป็นสถานะก๊าซนั้นสัมพันธ์กับการสูญเสียจากการระเหยอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้ ปริมาณต้นทุนและพลังงานของก๊าซระเหยมีความสำคัญ ดังนั้นการจัดการการใช้ก๊าซนี้จากมุมมองทางเศรษฐกิจและความปลอดภัยจึงมีความจำเป็น ตามเงื่อนไขสำหรับการทำงานที่ปลอดภัยของถังแช่แข็งจำเป็นต้องมีพื้นที่ก๊าซอย่างน้อย 5% หลังจากถึงแรงดันใช้งานสูงสุดในภาชนะแล้ว

มีข้อกำหนดหลายประการสำหรับถังเก็บไฮโดรเจนเหลว:

การออกแบบถังต้องมั่นใจถึงความแข็งแกร่งและความน่าเชื่อถือการทำงานที่ปลอดภัยในระยะยาว

การใช้ไฮโดรเจนเหลวในการทำความเย็นล่วงหน้าของสถานที่จัดเก็บก่อนเติมไฮโดรเจนเหลวควรน้อยที่สุด

ถังเก็บจะต้องติดตั้งวิธีการเติมไฮโดรเจนเหลวอย่างรวดเร็วและการจ่ายผลิตภัณฑ์ที่เก็บไว้อย่างรวดเร็ว

ส่วนหลักของระบบกักเก็บไฮโดรเจนแบบแช่แข็งคือภาชนะที่หุ้มฉนวนความร้อน ซึ่งมีมวลน้อยกว่าประมาณ 4 - 5 เท่าต่อไฮโดรเจนที่เก็บไว้ 1 กิโลกรัม เมื่อเทียบกับการเก็บทรงกระบอกภายใต้แรงดันสูง ในระบบการจัดเก็บไครโอเจนิกสำหรับไฮโดรเจนเหลว ไฮโดรเจน 1 กิโลกรัมคิดเป็น 6-8 กิโลกรัมของมวลของภาชนะไครโอเจนิก และในแง่ของลักษณะปริมาตร ภาชนะไครโอเจนิกสอดคล้องกับการจัดเก็บก๊าซไฮโดรเจนภายใต้ความดัน 40 MPa

ไฮโดรเจนเหลวจะถูกเก็บไว้ในปริมาณมากในสถานจัดเก็บพิเศษที่มีปริมาตรสูงสุด 5,000 ม 3 . โรงเก็บไฮโดรเจนเหลวทรงกลมขนาดใหญ่ ปริมาตร 2,850 ม 3 มีเส้นผ่านศูนย์กลางภายในทรงกลมอลูมิเนียม 17.4 ม 3 .

การจัดเก็บและการขนส่งไฮโดรเจนในสถานะผูกพันทางเคมี

ข้อดีของการจัดเก็บและขนส่งไฮโดรเจนในรูปของแอมโมเนีย เมทานอล เอทานอลในระยะทางไกลคือความหนาแน่นสูงของปริมาณไฮโดรเจนตามปริมาตร อย่างไรก็ตาม ในรูปแบบการจัดเก็บไฮโดรเจนเหล่านี้ สื่อจัดเก็บจะใช้ครั้งเดียว อุณหภูมิการทำให้เป็นของเหลวของแอมโมเนียคือ 239.76 K อุณหภูมิวิกฤติคือ 405 K ดังนั้นที่อุณหภูมิปกติ แอมโมเนียจะกลายเป็นของเหลวที่ความดัน 1.0 MPa และสามารถขนส่งผ่านท่อและเก็บไว้ในรูปของเหลวได้ ขั้นพื้นฐาน อัตราส่วนได้รับด้านล่าง:

1 ม. 3 N 2 (ก.) » 0.66 ม. 3 NH 3 » 0?75 dm 3 H 2 (l);

1 ตัน NH 3 » 1975 ม. 3 N 2 + 658 ม. 3 N 2 – 3263 MJ;

2NH 3 ?N 2 + 3H 2 – 92 กิโลจูล

ตัวแยกตัวสำหรับการสลายตัวของแอมโมเนีย (แครกเกอร์) ซึ่งเกิดขึ้นที่อุณหภูมิประมาณ 1,173 - 1,073 เคลวินและความดันบรรยากาศ จะใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาเหล็กที่ใช้แล้วในการสังเคราะห์แอมโมเนีย ในการผลิตไฮโดรเจน 1 กิโลกรัม ต้องใช้แอมโมเนีย 5.65 กิโลกรัม ในส่วนของการใช้ความร้อนเพื่อการแยกตัวของแอมโมเนียเมื่อใช้ความร้อนนี้จากภายนอก ความร้อนจากการเผาไหม้ของไฮโดรเจนที่เกิดขึ้นจะสูงกว่าความร้อนจากการเผาไหม้ของแอมโมเนียที่ใช้ในกระบวนการสลายตัวถึง 20% หากใช้ไฮโดรเจนที่ได้รับในกระบวนการสำหรับกระบวนการแยกตัวประสิทธิภาพของกระบวนการดังกล่าว (อัตราส่วนความร้อนของก๊าซที่เกิดขึ้นต่อความร้อนของการเผาไหม้ของแอมโมเนียที่ใช้แล้ว) จะไม่เกิน 60 - 70%

ไฮโดรเจนจากเมทานอลสามารถรับได้ตามสองรูปแบบ: โดยการสลายตัวด้วยตัวเร่งปฏิกิริยา:

ช 3 โอ้? CO+2H 2 – 90 กิโลจูล

ตามด้วยการแปลงตัวเร่งปฏิกิริยาของ CO หรือการแปลงไอน้ำตัวเร่งปฏิกิริยาในขั้นตอนเดียว:

H 2 O + CH 3 OH? CO 2 + 3H 2 – 49 กิโลจูล

โดยทั่วไป กระบวนการนี้จะใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาสังกะสี-โครเมียมสำหรับการสังเคราะห์เมทานอล กระบวนการนี้เกิดขึ้นที่ 573 – 673 K เมทานอลสามารถใช้เป็นเชื้อเพลิงสำหรับกระบวนการแปลงสภาพได้ ในกรณีนี้ ประสิทธิภาพของกระบวนการผลิตไฮโดรเจนคือ 65 – 70% (อัตราส่วนความร้อนของไฮโดรเจนที่ผลิตต่อความร้อนจากการเผาไหม้ของเมทานอลที่ใช้ไป) หากความร้อนสำหรับกระบวนการผลิตไฮโดรเจนถูกจ่ายจากภายนอก ความร้อนของการเผาไหม้ของไฮโดรเจนที่ได้จากการสลายตัวของตัวเร่งปฏิกิริยาคือ 22% และความร้อนของไฮโดรเจนที่ได้จากการปฏิรูปด้วยไอน้ำจะสูงกว่าความร้อนของการเผาไหม้ของเมทานอลที่ใช้ไป 15%

ควรเพิ่มนอกเหนือจากข้างต้นว่าเมื่อสร้างโครงการเทคโนโลยีพลังงานโดยใช้ความร้อนเหลือทิ้งและการใช้ไฮโดรเจนที่ได้จากเมทานอล แอมโมเนีย หรือเอทานอล เป็นไปได้ที่จะได้รับประสิทธิภาพของกระบวนการสูงกว่าเมื่อใช้ผลิตภัณฑ์เหล่านี้เป็นเชื้อเพลิงเหลวสังเคราะห์ ดังนั้นด้วยการเผาไหม้โดยตรงของเมทานอลและหน่วยกังหันก๊าซประสิทธิภาพคือ 35% เมื่อดำเนินการระเหยและเปลี่ยนตัวเร่งปฏิกิริยาของเมทานอลและการเผาไหม้ของส่วนผสม CO + H เนื่องจากความร้อนของก๊าซไอเสีย 2 ประสิทธิภาพเพิ่มขึ้นเป็น 41.30% และเมื่อดำเนินการการปฏิรูปไอน้ำและการเผาไหม้ของไฮโดรเจนที่เกิดขึ้น - สูงถึง 41.9%

ระบบกักเก็บไฮไดรด์ไฮโดรเจน

ด้วยการจัดเก็บไฮโดรเจนในรูปแบบไฮไดรด์ จึงไม่จำเป็นต้องมีกระบอกสูบที่เทอะทะและหนักเมื่อจัดเก็บก๊าซไฮโดรเจนที่ถูกอัด หรือยากต่อการผลิต และภาชนะราคาแพงสำหรับเก็บไฮโดรเจนเหลว เมื่อจัดเก็บไฮโดรเจนในรูปของไฮไดรด์ ปริมาตรของระบบจะลดลงประมาณ 3 เท่า เมื่อเทียบกับปริมาตรที่จัดเก็บในกระบอกสูบ การขนส่งไฮโดรเจนทำได้ง่ายขึ้น ไม่มีค่าใช้จ่ายสำหรับการแปลงและทำให้ไฮโดรเจนกลายเป็นของเหลว

ไฮโดรเจนสามารถหาได้จากโลหะไฮไดรด์โดยปฏิกิริยาสองประการ: ไฮโดรไลซิสและการแยกตัวออกจากกัน

โดยการไฮโดรไลซิสเป็นไปได้ที่จะได้รับไฮโดรเจนเป็นสองเท่าของที่มีอยู่ในไฮไดรด์ อย่างไรก็ตาม กระบวนการนี้แทบจะย้อนกลับไม่ได้ วิธีการผลิตไฮโดรเจนโดยการแยกตัวด้วยความร้อนของไฮไดรด์ทำให้สามารถสร้างแบตเตอรี่ไฮโดรเจนได้ ซึ่งการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิและความดันในระบบเล็กน้อยทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงที่สำคัญในสมดุลของปฏิกิริยาการก่อตัวของไฮไดรด์

อุปกรณ์ที่อยู่นิ่งสำหรับเก็บไฮโดรเจนในรูปของไฮไดรด์ไม่มีข้อจำกัดที่เข้มงวดในเรื่องมวลและปริมาตร ดังนั้นปัจจัยที่จำกัดในการเลือกไฮไดรด์นั้น ในทุกโอกาส จะเป็นต้นทุนของมัน สำหรับการใช้งานบางอย่าง วานาเดียมไฮไดรด์อาจมีประโยชน์ เนื่องจากมีการแยกตัวได้ดีที่อุณหภูมิใกล้ 270 เคลวิน แมกนีเซียมไฮไดรด์มีราคาไม่แพงนัก แต่มีอุณหภูมิการแยกตัวค่อนข้างสูงที่ 560 - 570 เคลวิน และมีความร้อนในการก่อตัวสูง โลหะผสมเหล็ก-ไทเทเนียมมีราคาไม่แพงนัก และไฮไดรด์ของมันจะแยกตัวออกที่อุณหภูมิ 320 - 370 K โดยมีการก่อตัวด้วยความร้อนต่ำ การใช้ไฮไดรด์มีข้อดีด้านความปลอดภัยอย่างมาก ถังไฮโดรเจนไฮไดรด์ที่เสียหายก่อให้เกิดอันตรายน้อยกว่าถังไฮโดรเจนเหลวหรือถังแรงดันที่เติมไฮโดรเจนอย่างมาก

ปัจจุบันที่สถาบันฟิสิกส์เคมีแห่ง Russian Academy of Sciences ใน Chernogolovka งานกำลังดำเนินการเพื่อสร้างแบตเตอรี่ไฮโดรเจนจากโลหะไฮไดรด์

บรรณานุกรม :

1. ไดเร็กทอรี “ไฮโดรเจน. ทรัพย์สิน ใบเสร็จรับเงิน การจัดเก็บ การขนส่ง การสมัคร” มอสโก "เคมี" - 2532

2. “การทบทวนวิธีการกักเก็บไฮโดรเจน” ปัญหาสถาบันวัสดุศาสตร์ของ National Academy of Sciences ของประเทศยูเครน http://shp.by.ru/sci/fullerene/rorums/ichms/2003/

• การกำหนด - H (ไฮโดรเจน);
• ชื่อละติน - ไฮโดรเจน;
• ระยะเวลา - ฉัน;
• กลุ่ม - 1 (Ia);
• มวลอะตอม - 1.00794;
• เลขอะตอม - 1;
• รัศมีอะตอม = 53 น.;
• รัศมีโควาเลนต์ = 15.00 น.
• การกระจายอิเล็กตรอน - 1 วินาที 1;
• อุณหภูมิหลอมละลาย = -259.14°C;
• จุดเดือด = -252.87°C;
• อิเลคโตรเนกาติวีตี้ (อ้างอิงจาก Pauling/อ้างอิงจาก Alpred และ Rochow) = 2.02/-;
• สถานะออกซิเดชัน: +1; 0; -1;
• ความหนาแน่น (หมายเลข) = 0.0000899 กรัม/ซม. 3 ;
• ปริมาตรฟันกราม = 14.1 ซม. 3 /โมล

สารประกอบไบนารี่ของไฮโดรเจนกับออกซิเจน:

ไฮโดรเจน (“การให้กำเนิดน้ำ”) ถูกค้นพบโดยนักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษ G. Cavendish ในปี 1766 มันเป็นองค์ประกอบที่ง่ายที่สุดในธรรมชาติ - อะตอมไฮโดรเจนมีนิวเคลียสและอิเล็กตรอนหนึ่งตัว ซึ่งอาจเป็นสาเหตุว่าทำไมไฮโดรเจนจึงเป็นองค์ประกอบที่มีมากที่สุดในจักรวาล (ซึ่งมีมวลมากกว่าครึ่งหนึ่งของมวลดาวฤกษ์ส่วนใหญ่)

เกี่ยวกับไฮโดรเจน เราสามารถพูดได้ว่า “แกนม้วนเล็กแต่มีราคาแพง” แม้จะมี "ความเรียบง่าย" ไฮโดรเจนก็ให้พลังงานแก่สิ่งมีชีวิตทุกชนิดบนโลก - ปฏิกิริยาเทอร์โมนิวเคลียร์อย่างต่อเนื่องเกิดขึ้นบนดวงอาทิตย์ในระหว่างที่อะตอมฮีเลียมหนึ่งอะตอมถูกสร้างขึ้นจากอะตอมไฮโดรเจนสี่อะตอม กระบวนการนี้มาพร้อมกับการปล่อยพลังงานจำนวนมหาศาล (สำหรับรายละเอียดเพิ่มเติม ดูนิวเคลียร์ฟิวชัน)

ในเปลือกโลก สัดส่วนมวลของไฮโดรเจนมีเพียง 0.15% ในขณะเดียวกัน สารเคมีทั้งหมดที่รู้จักบนโลกส่วนใหญ่ (95%) มีอะตอมไฮโดรเจนตั้งแต่หนึ่งอะตอมขึ้นไป

ในสารประกอบที่มีอโลหะ (HCl, H 2 O, CH 4 ... ) ไฮโดรเจนจะปล่อยอิเล็กตรอนเพียงตัวเดียวให้กับองค์ประกอบที่มีอิเล็กโทรเนกาติตีมากขึ้น โดยแสดงสถานะออกซิเดชันที่ +1 (บ่อยกว่า) ทำให้เกิดพันธะโควาเลนต์เท่านั้น (ดูโควาเลนต์ พันธบัตร)

ในสารประกอบที่มีโลหะ (NaH, CaH 2 ...) ในทางกลับกัน ไฮโดรเจนจะรับอิเล็กตรอนอีกตัวหนึ่งเข้าไปใน s-orbital ของมันเท่านั้น ดังนั้นจึงพยายามทำให้ชั้นอิเล็กทรอนิกส์ของมันสมบูรณ์ โดยแสดงสถานะออกซิเดชันที่ -1 (บ่อยน้อยกว่า) มักจะสร้างพันธะไอออนิก (ดูพันธะไอออนิก) เนื่องจากความแตกต่างในอิเล็กโตรเนกาติวีตี้ของอะตอมไฮโดรเจนและอะตอมของโลหะอาจมีขนาดค่อนข้างใหญ่

เอช 2

ในสถานะก๊าซ ไฮโดรเจนมีอยู่ในรูปของโมเลกุลไดอะตอมมิก ก่อให้เกิดพันธะโควาเลนต์แบบไม่มีขั้ว

โมเลกุลไฮโดรเจนมี:

• ความคล่องตัวที่ดี
• ความแข็งแกร่ง;
• โพลาไรซ์ต่ำ
• ขนาดและน้ำหนักที่เล็ก

คุณสมบัติของก๊าซไฮโดรเจน:

• ก๊าซที่เบาที่สุดในธรรมชาติ ไม่มีสี และไม่มีกลิ่น
• ละลายได้ไม่ดีในน้ำและตัวทำละลายอินทรีย์
• ละลายในปริมาณเล็กน้อยในของเหลวและโลหะแข็ง (โดยเฉพาะแพลตตินัมและแพลเลเดียม)
• ยากที่จะทำให้เป็นของเหลว (เนื่องจากความสามารถในการโพลาไรซ์ต่ำ)
• มีค่าการนำความร้อนสูงสุดในบรรดาก๊าซที่รู้จักทั้งหมด
• เมื่อถูกความร้อนจะทำปฏิกิริยากับอโลหะหลายชนิดโดยแสดงคุณสมบัติของตัวรีดิวซ์
• ที่อุณหภูมิห้องจะทำปฏิกิริยากับฟลูออรีน (เกิดการระเบิด): H 2 + F 2 = 2HF;
• ทำปฏิกิริยากับโลหะเพื่อสร้างไฮไดรด์โดยแสดงคุณสมบัติออกซิไดซ์: H 2 + Ca = CaH 2 ;

ในสารประกอบ ไฮโดรเจนแสดงคุณสมบัติรีดิวซ์ได้แรงกว่าคุณสมบัติออกซิไดซ์มาก ไฮโดรเจนเป็นสารรีดิวซ์ที่ทรงพลังที่สุดรองจากถ่านหิน อลูมิเนียม และแคลเซียม คุณสมบัติรีดิวซ์ของไฮโดรเจนถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรมเพื่อให้ได้โลหะและอโลหะ (สารธรรมดา) จากออกไซด์และแกลไลด์

เฟ 2 O 3 + 3H 2 = 2เฟ + 3H 2 โอ

ปฏิกิริยาของไฮโดรเจนกับสารเชิงเดี่ยว

ไฮโดรเจนรับอิเล็กตรอนและมีบทบาท สารรีดิวซ์ในปฏิกิริยา:

• กับ ออกซิเจน(เมื่อติดไฟหรือมีตัวเร่งปฏิกิริยา) ในอัตราส่วน 2:1 (ไฮโดรเจน:ออกซิเจน) จะเกิดก๊าซระเบิดขึ้น: 2H 2 0 +O 2 = 2H 2 +1 O+572 kJ
• กับ สีเทา(เมื่อถูกความร้อนถึง 150°C-300°C): H 2 0 +S ↔ H 2 +1 S
• กับ คลอรีน(เมื่อถูกจุดหรือฉายรังสี UV): H 2 0 +Cl 2 = 2H +1 Cl
• กับ ฟลูออรีน: ส 2 0 +ฟ 2 = 2H +1 ฟ
• กับ ไนโตรเจน(เมื่อถูกความร้อนต่อหน้าตัวเร่งปฏิกิริยาหรือที่ความดันสูง): 3H 2 0 +N 2 ↔ 2NH 3 +1

ไฮโดรเจนบริจาคอิเล็กตรอนโดยมีบทบาท ออกซิไดซ์ในการทำปฏิกิริยากับ อัลคาไลน์และ ดินอัลคาไลน์โลหะที่มีการก่อตัวของโลหะไฮไดรด์ - สารประกอบไอออนิกคล้ายเกลือที่มีไฮไดรด์ไอออน H - สิ่งเหล่านี้เป็นสารผลึกสีขาวที่ไม่เสถียร

Ca+H 2 = CaH 2 -1 2Na+H 2 0 = 2NaH -1

ไม่ใช่เรื่องปกติที่ไฮโดรเจนจะมีสถานะออกซิเดชันที่ -1 เมื่อทำปฏิกิริยากับน้ำ ไฮไดรด์จะสลายตัว ทำให้น้ำกลายเป็นไฮโดรเจน ปฏิกิริยาของแคลเซียมไฮไดรด์กับน้ำมีดังนี้:

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

ปฏิกิริยาของไฮโดรเจนกับสารเชิงซ้อน

• ที่อุณหภูมิสูง ไฮโดรเจนจะรีดิวซ์ออกไซด์ของโลหะจำนวนมาก: ZnO+H 2 = Zn+H 2 O
• เมทิลแอลกอฮอล์ได้มาจากปฏิกิริยาของไฮโดรเจนกับคาร์บอนมอนอกไซด์ (II): 2H 2 +CO → CH 3 OH
• ในปฏิกิริยาไฮโดรจิเนชัน ไฮโดรเจนจะทำปฏิกิริยากับสารอินทรีย์หลายชนิด

สมการของปฏิกิริยาเคมีของไฮโดรเจนและสารประกอบของมันจะกล่าวถึงโดยละเอียดในหน้า “ไฮโดรเจนและสารประกอบของมัน - สมการของปฏิกิริยาเคมีที่เกี่ยวข้องกับไฮโดรเจน”

การประยุกต์ไฮโดรเจน

• ในพลังงานนิวเคลียร์จะใช้ไอโซโทปไฮโดรเจน - ดิวทีเรียมและไอโซโทป
• ในอุตสาหกรรมเคมี ไฮโดรเจนใช้สำหรับการสังเคราะห์สารอินทรีย์หลายชนิด แอมโมเนีย ไฮโดรเจนคลอไรด์
• ในอุตสาหกรรมอาหาร ไฮโดรเจนถูกใช้ในการผลิตไขมันแข็งผ่านการเติมไฮโดรเจนของน้ำมันพืช
• สำหรับการเชื่อมและตัดโลหะ จะใช้อุณหภูมิการเผาไหม้สูงของไฮโดรเจนในออกซิเจน (2600°C)
• ในการผลิตโลหะบางชนิดจะใช้ไฮโดรเจนเป็นตัวรีดิวซ์ (ดูด้านบน)
• เนื่องจากไฮโดรเจนเป็นก๊าซเบา จึงถูกนำมาใช้ในการบินเป็นสารตัวเติมสำหรับบอลลูน เครื่องบิน และเรือบิน
• ไฮโดรเจนถูกใช้เป็นเชื้อเพลิงผสมกับ CO

เมื่อเร็ว ๆ นี้ นักวิทยาศาสตร์ได้ให้ความสนใจเป็นอย่างมากกับการค้นหาแหล่งพลังงานหมุนเวียนทางเลือก หนึ่งในพื้นที่ที่มีแนวโน้มดีคือพลังงาน "ไฮโดรเจน" ซึ่งไฮโดรเจนถูกใช้เป็นเชื้อเพลิง ซึ่งผลผลิตจากการเผาไหม้คือน้ำธรรมดา

วิธีการผลิตไฮโดรเจน

วิธีการผลิตไฮโดรเจนทางอุตสาหกรรม:

• การแปลงมีเทน (การลดตัวเร่งปฏิกิริยาของไอน้ำ) ด้วยไอน้ำที่อุณหภูมิสูง (800°C) บนตัวเร่งปฏิกิริยานิกเกิล: CH 4 + 2H 2 O = 4H 2 + CO 2 ;
• การแปลงคาร์บอนมอนอกไซด์ด้วยไอน้ำ (t=500°C) บนตัวเร่งปฏิกิริยา Fe 2 O 3: CO + H 2 O = CO 2 + H 2 ;
• การสลายตัวทางความร้อนของมีเทน: CH 4 = C + 2H 2;
• การแปรสภาพเป็นแก๊สของเชื้อเพลิงแข็ง (t=1000°C): C + H 2 O = CO + H 2 ;
• อิเล็กโทรไลซิสของน้ำ (วิธีการที่มีราคาแพงมากซึ่งผลิตไฮโดรเจนบริสุทธิ์มาก): 2H 2 O → 2H 2 + O 2

วิธีการผลิตไฮโดรเจนในห้องปฏิบัติการ:

• การกระทำกับโลหะ (โดยทั่วไปคือสังกะสี) ด้วยกรดไฮโดรคลอริกหรือกรดซัลฟิวริกเจือจาง: Zn + 2HCl = ZCl 2 + H 2 ; สังกะสี + H 2 SO 4 = ZnSO 4 + H 2;
• ปฏิกิริยาของไอน้ำกับตะไบเหล็กร้อน: 4H 2 O + 3Fe = Fe 3 O 4 + 4H 2

ของเหลว

ไฮโดรเจน(ละติน ไฮโดรเจน; ที่ระบุด้วยสัญลักษณ์ ชม) เป็นองค์ประกอบแรกของตารางธาตุ กระจายอยู่ทั่วไปในธรรมชาติ ไอออนบวก (และนิวเคลียส) ของไอโซโทปไฮโดรเจนที่พบมากที่สุดคือ 1 H คือโปรตอน คุณสมบัติของนิวเคลียส 1 H ทำให้สามารถใช้ NMR สเปกโทรสโกปีในการวิเคราะห์สารอินทรีย์ได้อย่างกว้างขวาง

ไอโซโทปของไฮโดรเจนสามชนิดมีชื่อเป็นของตัวเอง: 1 H - โปรเทียม (H), 2 H - ดิวทีเรียม (D) และ 3 H - ไอโซโทป (กัมมันตภาพรังสี) (T)

สารไฮโดรเจนอย่างง่าย - H 2 - เป็นก๊าซไม่มีสีอ่อน เมื่อผสมกับอากาศหรือออกซิเจนจะติดไฟและระเบิดได้ ปลอดสารพิษ ละลายได้ในเอทานอลและโลหะหลายชนิด: เหล็ก, นิกเกิล, แพลเลเดียม, แพลทินัม

เรื่องราว

การปล่อยก๊าซไวไฟในระหว่างปฏิกิริยาของกรดและโลหะถูกพบในศตวรรษที่ 16 และ 17 ในช่วงเริ่มต้นของการก่อตัวของเคมีในฐานะวิทยาศาสตร์ มิคาอิล Vasilyevich Lomonosov ยังชี้ให้เห็นถึงความโดดเดี่ยวของมันโดยตรง แต่เขารู้อยู่แล้วว่ามันไม่ใช่ phlogiston นักฟิสิกส์และนักเคมีชาวอังกฤษ เฮนรี คาเวนดิช ตรวจสอบก๊าซนี้ในปี 1766 และเรียกมันว่า "อากาศที่ติดไฟได้" เมื่อถูกเผาไหม้ "อากาศที่ติดไฟได้" จะผลิตน้ำ แต่การที่คาเวนดิชยึดถือทฤษฎีโฟลจิสตันทำให้เขาไม่สามารถสรุปผลที่ถูกต้องได้ นักเคมีชาวฝรั่งเศส Antoine Lavoisier ร่วมกับวิศวกร J. Meunier โดยใช้เครื่องวัดก๊าซแบบพิเศษในปี พ.ศ. 2326 ได้ทำการสังเคราะห์น้ำจากนั้นทำการวิเคราะห์โดยสลายไอน้ำด้วยเหล็กร้อน ด้วยเหตุนี้ เขาจึงได้พิสูจน์ว่า “อากาศที่ติดไฟได้” เป็นส่วนหนึ่งของน้ำและสามารถหาได้จากน้ำนั้น

ที่มาของชื่อ

ลาวัวซิเยร์ให้ชื่อไฮโดรเจนแก่ไฮโดรเจนว่า "ผู้ให้กำเนิดน้ำ" ชื่อรัสเซีย "ไฮโดรเจน" ถูกเสนอโดยนักเคมี M. F. Soloviev ในปี 1824 - โดยการเปรียบเทียบกับ "ออกซิเจน" ของ Slomonosov

ความชุก

ไฮโดรเจนเป็นองค์ประกอบที่มีมากที่สุดในจักรวาล คิดเป็นประมาณ 92% ของอะตอมทั้งหมด (8% เป็นอะตอมฮีเลียม ส่วนแบ่งขององค์ประกอบอื่น ๆ ทั้งหมดรวมกันน้อยกว่า 0.1%) ดังนั้นไฮโดรเจนจึงเป็นองค์ประกอบหลักของดาวฤกษ์และก๊าซระหว่างดวงดาว ภายใต้สภาวะของอุณหภูมิดาวฤกษ์ (เช่น อุณหภูมิพื้นผิวของดวงอาทิตย์อยู่ที่ ~ 6,000 °C) ไฮโดรเจนมีอยู่ในรูปของพลาสมา ในอวกาศระหว่างดาว ธาตุนี้มีอยู่ในรูปของโมเลกุล อะตอม และไอออนแต่ละโมเลกุล และสามารถก่อตัวได้ เมฆโมเลกุลที่มีขนาด ความหนาแน่น และอุณหภูมิแตกต่างกันอย่างมีนัยสำคัญ

เปลือกโลกและสิ่งมีชีวิต

สัดส่วนมวลของไฮโดรเจนในเปลือกโลกคือ 1% ซึ่งเป็นองค์ประกอบที่มีมากที่สุดอันดับที่สิบ อย่างไรก็ตามบทบาทของมันในธรรมชาติไม่ได้ถูกกำหนดโดยมวล แต่โดยจำนวนอะตอมซึ่งมีส่วนแบ่งในองค์ประกอบอื่น ๆ คือ 17% (อันดับที่สองรองจากออกซิเจนซึ่งส่วนแบ่งของอะตอมคือ ~ 52%) ดังนั้นความสำคัญของไฮโดรเจนในกระบวนการทางเคมีที่เกิดขึ้นบนโลกจึงมีความสำคัญพอๆ กับความสำคัญของออกซิเจน ซึ่งแตกต่างจากออกซิเจนซึ่งมีอยู่บนโลกทั้งในสภาวะที่ถูกผูกมัดและอิสระ ไฮโดรเจนเกือบทั้งหมดบนโลกอยู่ในรูปของสารประกอบ มีไฮโดรเจนในรูปของสารอย่างง่ายจำนวนน้อยมากเท่านั้นที่มีอยู่ในชั้นบรรยากาศ (0.00005% โดยปริมาตร)

ไฮโดรเจนเป็นส่วนหนึ่งของสารอินทรีย์เกือบทั้งหมดและมีอยู่ในเซลล์ของสิ่งมีชีวิตทั้งหมด ในเซลล์ที่มีชีวิต ไฮโดรเจนคิดเป็นเกือบ 50% ของจำนวนอะตอม

ใบเสร็จ

วิธีการทางอุตสาหกรรมในการผลิตสารอย่างง่ายนั้นขึ้นอยู่กับรูปแบบที่พบองค์ประกอบที่เกี่ยวข้องในธรรมชาติ นั่นคือสิ่งที่สามารถเป็นวัตถุดิบสำหรับการผลิตได้ ดังนั้นออกซิเจนที่มีอยู่ในสถานะอิสระจึงได้มาทางกายภาพโดยการแยกออกจากอากาศของเหลว ไฮโดรเจนเกือบทั้งหมดอยู่ในรูปของสารประกอบ ดังนั้นจึงต้องใช้วิธีทางเคมีเพื่อให้ได้มา โดยเฉพาะอย่างยิ่ง สามารถใช้ปฏิกิริยาการสลายตัวได้ วิธีหนึ่งในการผลิตไฮโดรเจนคือการสลายตัวของน้ำด้วยกระแสไฟฟ้า

วิธีทางอุตสาหกรรมหลักในการผลิตไฮโดรเจนคือปฏิกิริยาระหว่างมีเทนซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของก๊าซธรรมชาติกับน้ำ ดำเนินการที่อุณหภูมิสูง (ตรวจสอบได้ง่ายว่าเมื่อส่งมีเธนแม้ผ่านน้ำเดือดจะไม่เกิดปฏิกิริยาใด ๆ ):

CH 4 + 2H 2 O = CO 2 + 4H 2 −165 กิโลจูล

ในห้องปฏิบัติการ เพื่อให้ได้สารอย่างง่าย พวกเขาไม่จำเป็นต้องใช้วัตถุดิบจากธรรมชาติ แต่เลือกวัสดุเริ่มต้นที่สามารถแยกสารที่ต้องการได้ง่ายกว่า ตัวอย่างเช่น ในห้องปฏิบัติการ ไม่ได้รับออกซิเจนจากอากาศ เช่นเดียวกับการผลิตไฮโดรเจน วิธีหนึ่งในห้องปฏิบัติการในการผลิตไฮโดรเจนซึ่งบางครั้งใช้ในอุตสาหกรรมคือการสลายตัวของน้ำด้วยกระแสไฟฟ้า

โดยปกติแล้ว ไฮโดรเจนจะผลิตขึ้นในห้องปฏิบัติการโดยทำปฏิกิริยาสังกะสีกับกรดไฮโดรคลอริก

ในอุตสาหกรรม

1. กระแสไฟฟ้าของสารละลายเกลือในน้ำ:

2NaCl + 2H 2 O → H 2 + 2NaOH + Cl 2

2.ส่งไอน้ำไปบนโค้กร้อนที่อุณหภูมิประมาณ 1,000 °C:

เอช2โอ+ซี? H2+CO

3. จากก๊าซธรรมชาติ

การแปลงไอน้ำ:

CH 4 + H 2 O ? คาร์บอนไดออกไซด์ + 3H 2 (1,000 °C)

ตัวเร่งปฏิกิริยาออกซิเดชันกับออกซิเจน:

2CH 4 + โอ 2 ? 2CO+4H2

4. การแตกร้าวและการปฏิรูปไฮโดรคาร์บอนในระหว่างการกลั่นน้ำมัน

ในห้องปฏิบัติการ

1.ผลของกรดเจือจางต่อโลหะในการทำปฏิกิริยานี้มักใช้สังกะสีและกรดไฮโดรคลอริกเจือจาง:

สังกะสี + 2HCl → ZnCl 2 + H 2

2.ปฏิกิริยาระหว่างแคลเซียมกับน้ำ:

Ca + 2H 2 O → Ca(OH) 2 + H 2

3.การไฮโดรไลซิสของไฮไดรด์:

NaH + H 2 O → NaOH + H 2

4.ผลกระทบของด่างต่อสังกะสีหรืออะลูมิเนียม:

2Al + 2NaOH + 6H 2 O → 2Na + 3H 2

สังกะสี + 2KOH + 2H 2 O → K 2 + H 2

5.การใช้กระแสไฟฟ้าในระหว่างอิเล็กโทรไลซิสของสารละลายน้ำของอัลคาลิสหรือกรด ไฮโดรเจนจะถูกปล่อยออกมาที่แคโทด ตัวอย่างเช่น:

2H 3 O + + 2e − → H 2 + 2H 2 O

คุณสมบัติทางกายภาพ

ไฮโดรเจนสามารถมีอยู่ได้สองรูปแบบ (การดัดแปลง) - ในรูปแบบของออร์โธ- และพารา-ไฮโดรเจน ในโมเลกุลออร์โธไฮโดรเจน โอ-H 2 (mp −259.10 °C, bp −252.56 °C) การหมุนของนิวเคลียสมีทิศทางเหมือนกัน (ขนาน) และสำหรับพาราไฮโดรเจน พี-H 2 (จุดหลอมเหลว −259.32 °C, จุดเดือด −252.89 °C) - ตรงข้ามกัน (ขนานกัน) ส่วนผสมสมดุล โอ-H 2 และ พี-H 2 ที่อุณหภูมิที่กำหนดเรียกว่า ไฮโดรเจนที่สมดุล จ-H2.

การดัดแปลงไฮโดรเจนสามารถแยกออกได้โดยการดูดซับคาร์บอนกัมมันต์ที่อุณหภูมิไนโตรเจนเหลว ที่อุณหภูมิต่ำมาก ความสมดุลระหว่างออร์โธไฮโดรเจนและพาราไฮโดรเจนจะเปลี่ยนไปทางอย่างหลังเกือบทั้งหมด ที่ 80 K อัตราส่วนของแบบฟอร์มจะอยู่ที่ประมาณ 1:1 เมื่อถูกความร้อน พาราไฮโดรเจนที่ถูกดูดซับจะถูกแปลงเป็นออร์โธไฮโดรเจนจนกระทั่งส่วนผสมก่อตัวขึ้นซึ่งมีความสมดุลที่อุณหภูมิห้อง (ออร์โธ-พารา: 75:25) หากไม่มีตัวเร่งปฏิกิริยา การเปลี่ยนแปลงจะเกิดขึ้นอย่างช้าๆ (ภายใต้เงื่อนไขของตัวกลางระหว่างดวงดาว - โดยมีเวลาเป็นลักษณะเฉพาะจนถึงวัตถุทางจักรวาลวิทยา) ซึ่งทำให้สามารถศึกษาคุณสมบัติของการดัดแปลงส่วนบุคคลได้

ไฮโดรเจนเป็นก๊าซที่เบาที่สุด โดยเบากว่าอากาศถึง 14.5 เท่า แน่นอนว่า ยิ่งมวลของโมเลกุลมีขนาดเล็กลง ความเร็วของพวกมันก็จะยิ่งสูงขึ้นที่อุณหภูมิเดียวกัน เนื่องจากเป็นโมเลกุลที่เบาที่สุด โมเลกุลของไฮโดรเจนจึงเคลื่อนที่ได้เร็วกว่าโมเลกุลของก๊าซอื่น ๆ จึงสามารถถ่ายเทความร้อนจากวัตถุหนึ่งไปยังอีกวัตถุหนึ่งได้เร็วกว่า ตามมาว่าไฮโดรเจนมีค่าการนำความร้อนสูงที่สุดในบรรดาสารที่เป็นก๊าซ ค่าการนำความร้อนสูงกว่าค่าการนำความร้อนของอากาศประมาณเจ็ดเท่า

โมเลกุลไฮโดรเจนเป็นแบบไดอะตอมมิก - H2 ภายใต้สภาวะปกติจะเป็นก๊าซที่ไม่มีสี ไม่มีกลิ่น และรสจืด ความหนาแน่น 0.08987 g/l (n.s.) จุดเดือด −252.76 °C ความร้อนจำเพาะของการเผาไหม้ 120.9×10 6 J/kg ละลายได้เล็กน้อยในน้ำ - 18.8 ml/l ไฮโดรเจนละลายได้ดีในโลหะหลายชนิด (Ni, Pt, Pd ฯลฯ) โดยเฉพาะในแพลเลเดียม (850 ปริมาตรต่อ 1 ปริมาตรของ Pd) ความสามารถในการละลายของไฮโดรเจนในโลหะนั้นสัมพันธ์กับความสามารถในการแพร่กระจายผ่านพวกมัน การแพร่กระจายผ่านโลหะผสมคาร์บอน (เช่น เหล็ก) บางครั้งจะมาพร้อมกับการทำลายของโลหะผสมเนื่องจากปฏิกิริยาของไฮโดรเจนกับคาร์บอน (ที่เรียกว่า การแยกคาร์บอน) แทบไม่ละลายในเงิน

ไฮโดรเจนเหลวอยู่ในช่วงอุณหภูมิที่แคบมากตั้งแต่ -252.76 ถึง -259.2 °C เป็นของเหลวไม่มีสี สว่างมาก (ความหนาแน่นที่ −253 °C 0.0708 g/cm3) และของเหลว (ความหนืดที่ −253 °C 13.8 สปัวซ) พารามิเตอร์วิกฤตของไฮโดรเจนต่ำมาก: อุณหภูมิ −240.2 °C และความดัน 12.8 atm สิ่งนี้อธิบายถึงความยากลำบากในการทำให้ไฮโดรเจนกลายเป็นของเหลว ในสถานะของเหลว ไฮโดรเจนสมดุลประกอบด้วย 99.79% para-H2, 0.21% ortho-H2

ไฮโดรเจนแข็ง จุดหลอมเหลว −259.2 °C ความหนาแน่น 0.0807 g/cm3 (ที่ −262 °C) - มวลคล้ายหิมะ ผลึกหกเหลี่ยม หมู่อวกาศ P6/mmc พารามิเตอร์ของเซลล์ ก=3,75 ค=6.12. ที่ความดันสูง ไฮโดรเจนจะเปลี่ยนสถานะเป็นโลหะ

ไอโซโทป

ไฮโดรเจนเกิดขึ้นในรูปแบบของไอโซโทปสามชนิดซึ่งมีชื่อเฉพาะ: 1 H - โปรเทียม (H), 2 H - ดิวทีเรียม (D), 3 H - ไอโซโทป (กัมมันตภาพรังสี) (T)

โปรเทียมและดิวเทอเรียมเป็นไอโซโทปเสถียรที่มีเลขมวล 1 และ 2 โดยมีเนื้อหาโดยธรรมชาติอยู่ที่ 99.9885 ± 0.0070% และ 0.0115 ± 0.0070% ตามลำดับ อัตราส่วนนี้อาจเปลี่ยนแปลงเล็กน้อยขึ้นอยู่กับแหล่งที่มาและวิธีการผลิตไฮโดรเจน

ไอโซโทปไฮโดรเจน 3H (ทริเทียม) ไม่เสถียร ครึ่งชีวิตของมันคือ 12.32 ปี ไอโซโทปเกิดขึ้นตามธรรมชาติในปริมาณที่น้อยมาก

เอกสารนี้ยังให้ข้อมูลเกี่ยวกับไอโซโทปไฮโดรเจนที่มีเลขมวล 4 - 7 และครึ่งชีวิตที่ 10 -22 - 10 -23 วินาที

ไฮโดรเจนธรรมชาติประกอบด้วยโมเลกุล H 2 และ HD (ดิวทีเรียมไฮโดรเจน) ในอัตราส่วน 3200:1 เนื้อหาของดิวเทอเรียมไฮโดรเจน D 2 บริสุทธิ์นั้นยังน้อยกว่าอีกด้วย อัตราส่วนความเข้มข้นของ HD และ D 2 อยู่ที่ประมาณ 6400:1

ในบรรดาไอโซโทปขององค์ประกอบทางเคมีทั้งหมด คุณสมบัติทางกายภาพและทางเคมีของไอโซโทปไฮโดรเจนแตกต่างกันมากที่สุด นี่เป็นเพราะการเปลี่ยนแปลงสัมพัทธ์ที่ใหญ่ที่สุดในมวลอะตอม

	อุณหภูมิ ละลาย, เค	อุณหภูมิ เดือด เค	ทริปเปิ้ล จุด, K/ปาสคาล	วิกฤต จุด, K/ปาสคาล	ความหนาแน่น ของเหลว/แก๊ส กก./ลบ.ม

ดิวทีเรียมและไอโซโทปยังมีการปรับเปลี่ยนแบบออร์โธและพารา: พี-D2 , โอ-D2 , พี-T 2, โอ-ที 2 . ไฮโดรเจนเฮเทอโรไอโซโทป (HD, HT, DT) ไม่มีการดัดแปลงออร์โธและพารา

คุณสมบัติทางเคมี

เศษส่วนของโมเลกุลไฮโดรเจนที่แยกตัวออกจากกัน

โมเลกุลของไฮโดรเจน H2 ค่อนข้างแรง และเพื่อให้ไฮโดรเจนทำปฏิกิริยาได้ จะต้องใช้พลังงานจำนวนมาก:

H 2 = 2H - 432 กิโลจูล

ดังนั้น ที่อุณหภูมิปกติ ไฮโดรเจนจะทำปฏิกิริยาเฉพาะกับโลหะที่มีฤทธิ์มาก เช่น แคลเซียม จึงเกิดเป็นแคลเซียมไฮไดรด์:

Ca + H 2 = CaH 2

และด้วยฟลูออรีนที่ไม่ใช่โลหะเพียงชนิดเดียวจึงเกิดไฮโดรเจนฟลูออไรด์:

ไฮโดรเจนทำปฏิกิริยากับโลหะและอโลหะส่วนใหญ่ที่อุณหภูมิสูงหรือภายใต้อิทธิพลอื่นๆ เช่น แสงสว่าง:

O 2 + 2H 2 = 2H 2 O

สามารถ “ดึง” ออกซิเจนออกจากออกไซด์บางชนิดได้ เช่น:

CuO + H 2 = Cu + H 2 O

สมการที่เขียนสะท้อนถึงคุณสมบัติรีดิวซ์ของไฮโดรเจน

ยังไม่มีข้อความ 2 + 3H 2 → 2NH 3

ก่อรูปไฮโดรเจนเฮไลด์ด้วยฮาโลเจน:

F 2 + H 2 → 2HF ปฏิกิริยาเกิดขึ้นอย่างระเบิดในที่มืดและที่อุณหภูมิใด ๆ

Cl 2 + H 2 → 2HCl ปฏิกิริยาจะเกิดขึ้นแบบระเบิดได้เฉพาะในที่มีแสงเท่านั้น

มันทำปฏิกิริยากับเขม่าภายใต้ความร้อนสูง:

C + 2H 2 → CH 4

ปฏิกิริยาระหว่างโลหะอัลคาไลและอัลคาไลน์เอิร์ธ

เมื่อทำปฏิกิริยากับโลหะที่ใช้งานอยู่ ไฮโดรเจนจะเกิดเป็นไฮไดรด์:

2Na + H 2 → 2NaH

Ca + H 2 → CaH 2

มก. + H 2 → MgH 2

ไฮไดรด์- สารคล้ายเกลือ แข็ง ไฮโดรไลซ์ได้ง่าย:

CaH 2 + 2H 2 O → Ca(OH) 2 + 2H 2

ปฏิกิริยากับโลหะออกไซด์ (โดยปกติจะเป็นองค์ประกอบ d)

ออกไซด์จะถูกรีดิวซ์เป็นโลหะ:

CuO + H 2 → Cu + H 2 O

เฟ 2 O 3 + 3H 2 → 2เฟ + 3H 2 โอ

WO 3 + 3H 2 → W + 3H 2 O

การเติมไฮโดรเจนของสารประกอบอินทรีย์

โมเลกุลไฮโดรเจนถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในการสังเคราะห์สารอินทรีย์เพื่อลดสารประกอบอินทรีย์ กระบวนการเหล่านี้เรียกว่า ปฏิกิริยาไฮโดรจิเนชัน. ปฏิกิริยาเหล่านี้ดำเนินการเมื่อมีตัวเร่งปฏิกิริยาที่ความดันและอุณหภูมิสูงขึ้น ตัวเร่งปฏิกิริยาอาจเป็นเนื้อเดียวกัน (เช่น ตัวเร่งปฏิกิริยาวิลคินสัน) หรือต่างกัน (เช่น นิกเกิลรานีย์, แพลเลเดียมกับคาร์บอน)

ดังนั้นโดยเฉพาะอย่างยิ่งในระหว่างการเร่งปฏิกิริยาไฮโดรจิเนชันของสารประกอบไม่อิ่มตัวเช่นอัลคีนและอัลคีนจะเกิดสารประกอบอิ่มตัว - อัลเคน

ธรณีเคมีของไฮโดรเจน

ไฮโดรเจน H2 อิสระนั้นค่อนข้างหาได้ยากในก๊าซภาคพื้นดิน แต่ในรูปของน้ำ ไฮโดรเจน H2 อิสระเป็นส่วนสำคัญอย่างยิ่งในกระบวนการธรณีเคมี

ไฮโดรเจนสามารถมีอยู่ในแร่ธาตุในรูปของแอมโมเนียมไอออน ไฮดรอกซิลไอออน และน้ำผลึก

ในชั้นบรรยากาศ ไฮโดรเจนถูกผลิตอย่างต่อเนื่องอันเป็นผลมาจากการสลายตัวของน้ำโดยรังสีดวงอาทิตย์ โมเลกุลไฮโดรเจนที่มีมวลต่ำมีการเคลื่อนที่ด้วยความเร็วสูง (ใกล้กับความเร็วจักรวาลที่สอง) และเมื่อพวกมันเข้าสู่ชั้นบนของชั้นบรรยากาศ พวกมันก็สามารถบินไปนอกอวกาศได้

คุณสมบัติของการรักษา

เมื่อไฮโดรเจนผสมกับอากาศจะก่อให้เกิดส่วนผสมที่ระเบิดได้ซึ่งเรียกว่าก๊าซระเบิด ก๊าซนี้จะระเบิดได้มากที่สุดเมื่ออัตราส่วนปริมาตรของไฮโดรเจนและออกซิเจนคือ 2:1 หรือไฮโดรเจนกับอากาศอยู่ที่ประมาณ 2:5 เนื่องจากอากาศมีออกซิเจนประมาณ 21% ไฮโดรเจนก็เป็นอันตรายจากไฟไหม้เช่นกัน ไฮโดรเจนเหลวอาจทำให้เกิดอาการบวมเป็นน้ำเหลืองอย่างรุนแรงหากสัมผัสกับผิวหนัง

ความเข้มข้นของไฮโดรเจนและออกซิเจนในการระเบิดเกิดขึ้นตั้งแต่ 4% ถึง 96% โดยปริมาตร เมื่อผสมกับอากาศตั้งแต่ 4% ถึง 75(74)% โดยปริมาตร

เศรษฐกิจ

ราคาไฮโดรเจนสำหรับสินค้าขายส่งขนาดใหญ่อยู่ระหว่าง 2-5 ดอลลาร์ต่อกิโลกรัม

แอปพลิเคชัน

ไฮโดรเจนอะตอมใช้สำหรับการเชื่อมไฮโดรเจนอะตอม

อุตสาหกรรมเคมีภัณฑ์

• ในการผลิตแอมโมเนีย เมทานอล สบู่ และพลาสติก
• ในการผลิตมาการีนจากน้ำมันพืชเหลว
• ขึ้นทะเบียนเป็นผลิตภัณฑ์เสริมอาหาร E949(บรรจุแก๊ส)

อุตสาหกรรมอาหาร

อุตสาหกรรมการบิน

ไฮโดรเจนมีน้ำหนักเบามากและลอยอยู่ในอากาศเสมอ กาลครั้งหนึ่ง เรือบิน และลูกโป่งเต็มไปด้วยไฮโดรเจน แต่ในยุค 30 ศตวรรษที่ XX มีภัยพิบัติหลายครั้งในระหว่างที่เรือเหาะระเบิดและเผา ปัจจุบัน เรือเหาะเต็มไปด้วยฮีเลียม แม้ว่าจะมีต้นทุนที่สูงกว่ามากก็ตาม

เชื้อเพลิง

ไฮโดรเจนถูกใช้เป็นเชื้อเพลิงจรวด

กำลังดำเนินการวิจัยเกี่ยวกับการใช้ไฮโดรเจนเป็นเชื้อเพลิงสำหรับรถยนต์และรถบรรทุก เครื่องยนต์ไฮโดรเจนไม่ก่อให้เกิดมลพิษต่อสิ่งแวดล้อมและปล่อยเพียงไอน้ำเท่านั้น

เซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจน-ออกซิเจนใช้ไฮโดรเจนเพื่อแปลงพลังงานของปฏิกิริยาเคมีเป็นพลังงานไฟฟ้าโดยตรง

"ไฮโดรเจนเหลว"(“LH”) คือสถานะของเหลวของไฮโดรเจน โดยมีความหนาแน่นจำเพาะต่ำ 0.07 g/cm³ และคุณสมบัติการแช่แข็งด้วยอุณหภูมิที่มีจุดเยือกแข็ง 14.01 K (−259.14 °C) และจุดเดือด 20.28 K (−252.87 °C) ). เป็นของเหลวไม่มีสี ไม่มีกลิ่น ซึ่งเมื่อผสมกับอากาศจัดเป็นของเหลวที่ระเบิดได้โดยมีช่วงความไวไฟ 4-75% อัตราส่วนการหมุนของไอโซเมอร์ในไฮโดรเจนเหลวคือ: 99.79% - พาราไฮโดรเจน; 0.21% - ออร์โธไฮโดรเจน ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวของไฮโดรเจนเมื่อเปลี่ยนสถานะการรวมตัวเป็นก๊าซคือ 848:1 ที่ 20°C

เช่นเดียวกับก๊าซอื่นๆ การทำให้ไฮโดรเจนกลายเป็นของเหลวทำให้ปริมาตรลดลง หลังจากการทำให้กลายเป็นของเหลว ของเหลวของเหลวจะถูกเก็บไว้ในภาชนะฉนวนความร้อนภายใต้ความดัน ไฮโดรเจนเหลว ไฮโดรเจนเหลว, LH2, แอล เอช 2) มีการใช้อย่างแข็งขันในอุตสาหกรรม โดยเป็นรูปแบบหนึ่งของการจัดเก็บก๊าซ และในอุตสาหกรรมอวกาศ ใช้เป็นเชื้อเพลิงจรวด

เรื่องราว

การใช้เครื่องทำความเย็นเทียมที่มีการบันทึกไว้ครั้งแรกดำเนินการโดยนักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษ William Cullen ในปี 1756, Gaspard Monge เป็นคนแรกที่ได้รับสถานะของเหลวของซัลเฟอร์ออกไซด์ในปี 1784, Michael Faraday เป็นคนแรกที่ได้รับแอมโมเนียเหลว, นักประดิษฐ์ชาวอเมริกัน Oliver Evans เป็นคนแรกที่พัฒนาคอมเพรสเซอร์ทำความเย็นในปี 1805, Jacob Perkins เป็นคนแรกที่จดสิทธิบัตรเครื่องทำความเย็นในปี 1834 และ John Gorey เป็นคนแรกที่จดสิทธิบัตรเครื่องปรับอากาศในสหรัฐอเมริกาในปี 1851 เวอร์เนอร์ ซีเมนส์ เสนอแนวคิดเรื่องการทำความเย็นแบบสร้างใหม่ในปี พ.ศ. 2400 โดยคาร์ล ลินเด้ ได้จดสิทธิบัตรอุปกรณ์สำหรับผลิตอากาศเหลวโดยใช้น้ำตก "เอฟเฟกต์การขยายตัวของจูล-ทอมสัน" และการทำความเย็นแบบสร้างใหม่ในปี พ.ศ. 2419 ในปี พ.ศ. 2428 นักฟิสิกส์และนักเคมีชาวโปแลนด์ ซิกมุนต์ วอรโบลสกี ตีพิมพ์อุณหภูมิวิกฤตของไฮโดรเจน 33 เคลวิน ซึ่งเป็นความดันวิกฤติ 13.3 บรรยากาศ และจุดเดือดที่ 23 K ไฮโดรเจนถูกทำให้กลายเป็นของเหลวครั้งแรกโดย James Dewar ในปี 1898 โดยใช้การทำความเย็นแบบสร้างใหม่และการประดิษฐ์ของเขา ขวด Dewar การสังเคราะห์ไอโซเมอร์เสถียรของไฮโดรเจนเหลว พาราไฮโดรเจน ครั้งแรกดำเนินการโดย Paul Harteck และ Carl Bonhoeffer ในปี 1929

สปินไอโซเมอร์ของไฮโดรเจน

ไฮโดรเจนที่อุณหภูมิห้องประกอบด้วยไอโซเมอร์สปินหรือออร์โธไฮโดรเจนเป็นหลัก หลังจากการผลิต ไฮโดรเจนเหลวจะอยู่ในสถานะที่สามารถแพร่กระจายได้ และต้องถูกแปลงเป็นรูปแบบพาราไฮโดรเจน เพื่อหลีกเลี่ยงปฏิกิริยาคายความร้อนที่ระเบิดได้ซึ่งเกิดขึ้นเมื่อมีการเปลี่ยนแปลงที่อุณหภูมิต่ำ โดยปกติการเปลี่ยนสถานะเป็นเฟสพาราไฮโดรเจนทำได้สำเร็จโดยใช้ตัวเร่งปฏิกิริยา เช่น เหล็กออกไซด์ โครเมียมออกไซด์ ถ่านกัมมันต์ แร่ใยหินที่เคลือบแพลตตินัม โลหะหายาก หรือผ่านการใช้สารเติมแต่งยูเรเนียมหรือนิกเกิล

การใช้งาน

ไฮโดรเจนเหลวสามารถใช้เป็นรูปแบบการเก็บเชื้อเพลิงสำหรับเครื่องยนต์สันดาปภายในและเซลล์เชื้อเพลิง เรือดำน้ำหลายลำ (โครงการ "212A" และ "214" ประเทศเยอรมนี) และแนวคิดการขนส่งไฮโดรเจนได้ถูกสร้างขึ้นโดยใช้ไฮโดรเจนในรูปแบบรวมนี้ (ดูตัวอย่าง "DeepC" หรือ "BMW H2R") เนื่องจากการออกแบบอยู่ใกล้กัน ผู้สร้างอุปกรณ์ LHV จึงสามารถใช้หรือปรับเปลี่ยนระบบที่ใช้ก๊าซธรรมชาติเหลว (LNG) เท่านั้น อย่างไรก็ตาม เนื่องจากความหนาแน่นของพลังงานตามปริมาตรที่ต่ำกว่า การเผาไหม้จึงต้องใช้ไฮโดรเจนในปริมาณที่มากกว่าก๊าซธรรมชาติ หากใช้ไฮโดรเจนเหลวแทน "CNG" ในเครื่องยนต์ลูกสูบ ก็มักจะต้องใช้ระบบเชื้อเพลิงที่เทอะทะกว่า ด้วยการฉีดโดยตรง การสูญเสียที่เพิ่มขึ้นในทางเดินไอดีจะลดการเติมกระบอกสูบ

ไฮโดรเจนเหลวยังใช้เพื่อทำให้นิวตรอนเย็นลงในการทดลองการกระเจิงของนิวตรอน มวลของนิวตรอนและนิวเคลียสของไฮโดรเจนเกือบจะเท่ากัน ดังนั้นการแลกเปลี่ยนพลังงานระหว่างการชนแบบยืดหยุ่นจึงมีประสิทธิภาพมากที่สุด

ข้อดี

ข้อดีของการใช้ไฮโดรเจนคือ "การปล่อยก๊าซเป็นศูนย์" ในการใช้งาน ผลคูณของการมีปฏิสัมพันธ์กับอากาศคือน้ำ

อุปสรรค

“ ZhV” หนึ่งลิตรมีน้ำหนักเพียง 0.07 กก. นั่นคือความถ่วงจำเพาะของมันคือ 70.99 กรัม/ลิตร ที่ 20 เคลวิน ไฮโดรเจนเหลวต้องใช้เทคโนโลยีการเก็บความเย็นเยือกแข็ง เช่น ภาชนะที่หุ้มฉนวนความร้อนแบบพิเศษ และต้องมีการจัดการเป็นพิเศษ ซึ่งเป็นเรื่องปกติสำหรับวัสดุไครโอเจนิกส์ทั้งหมด ใกล้เคียงกับออกซิเจนเหลว แต่ต้องใช้ความระมัดระวังมากขึ้นเนื่องจากอันตรายจากไฟไหม้ แม้จะมีภาชนะที่หุ้มฉนวน ก็ยากที่จะเก็บไว้ที่อุณหภูมิต่ำซึ่งจำเป็นเพื่อให้ของเหลว (โดยทั่วไปจะระเหยในอัตรา 1% ต่อวัน) เมื่อจัดการมัน คุณต้องปฏิบัติตามข้อควรระวังเพื่อความปลอดภัยตามปกติเมื่อทำงานกับไฮโดรเจน - มันเย็นพอที่จะทำให้อากาศกลายเป็นของเหลวซึ่งระเบิดได้

เชื้อเพลิงจรวด

ไฮโดรเจนเหลวเป็นองค์ประกอบทั่วไปของเชื้อเพลิงจรวด ซึ่งใช้ในการขับเคลื่อนยานปล่อยจรวดและยานอวกาศ ในเครื่องยนต์จรวดไฮโดรเจนเหลวส่วนใหญ่ มีการใช้ครั้งแรกเพื่อทำให้หัวฉีดและชิ้นส่วนเครื่องยนต์เย็นลงอีกครั้ง ก่อนที่จะผสมกับตัวออกซิไดเซอร์และเผาเพื่อสร้างแรงขับ เครื่องยนต์สมัยใหม่ที่ใช้ส่วนประกอบ H 2 /O 2 จะใช้ส่วนผสมเชื้อเพลิงที่มีไฮโดรเจนมากเกินไป ส่งผลให้มีไฮโดรเจนที่ไม่เผาไหม้ในไอเสียจำนวนหนึ่ง นอกจากการเพิ่มแรงกระตุ้นจำเพาะของเครื่องยนต์โดยการลดน้ำหนักโมเลกุลแล้ว ยังลดการสึกกร่อนของหัวฉีดและห้องเผาไหม้อีกด้วย

อุปสรรคดังกล่าวต่อการใช้ LH ในพื้นที่อื่นๆ เช่น ธรรมชาติของการแช่แข็งและความหนาแน่นต่ำ ก็เป็นปัจจัยจำกัดสำหรับการใช้งานในกรณีนี้เช่นกัน ในปี พ.ศ. 2552 มียานปล่อยจรวดเพียงคันเดียว (ยานปล่อยเดลต้า-4) ซึ่งเป็นจรวดไฮโดรเจนทั้งหมด โดยพื้นฐานแล้ว "ZhV" จะใช้ทั้งในระดับบนของจรวดหรือบนบล็อกซึ่งทำหน้าที่ส่วนสำคัญของงานในการปล่อยน้ำหนักบรรทุกสู่อวกาศในสุญญากาศ ในฐานะที่เป็นหนึ่งในมาตรการในการเพิ่มความหนาแน่นของเชื้อเพลิงประเภทนี้ มีข้อเสนอให้ใช้ไฮโดรเจนที่มีลักษณะคล้ายตะกอนซึ่งก็คือ "ไฮโดรเจนเหลว" รูปแบบกึ่งแช่แข็ง