Ev › Soğutma sistemi › Hidrojen nedir? Hidrojenin kaynatılması.

Hidrojen nedir? Hidrojenin kaynatılması.

Periyodik tabloda sergilediği özellikleri yansıtan ve elektronik yapısından bahseden kendine özgü bir konumu vardır. Ancak bunların arasında aynı anda iki hücreyi işgal eden özel bir atom vardır. Özellikleri bakımından tamamen zıt olan iki element grubunda bulunur. Bu hidrojendir. Bu tür özellikler onu benzersiz kılmaktadır.

Hidrojen sadece bir element değil, aynı zamanda basit bir maddedir ve birçok karmaşık bileşiğin ayrılmaz bir parçası, biyojenik ve organojenik bir elementtir. Bu nedenle özelliklerini ve özelliklerini daha ayrıntılı olarak ele alalım.

Kimyasal element olarak hidrojen

Hidrojen, ana alt grubun birinci grubunun bir elementi olduğu gibi, ilk küçük periyotta ana alt grubun yedinci grubunun da bir elemanıdır. Bu periyot yalnızca iki atomdan oluşur: helyum ve ele aldığımız element. Periyodik tablodaki hidrojenin konumunun ana özelliklerini açıklayalım.

Hidrojenin atom numarası 1, elektron sayısı aynı ve buna bağlı olarak proton sayısı da aynıdır. Atom kütlesi - 1,00795. Bu elementin kütle numaraları 1, 2, 3 olan üç izotopu vardır. Bununla birlikte, her birinin özellikleri çok farklıdır, çünkü hidrojen için kütlede bir birim bile artış hemen iki katına çıkar.
Dış yüzeyinde yalnızca bir elektron bulunması, hem oksitleyici hem de indirgeyici özellikleri başarıyla sergilemesine olanak tanır. Ayrıca bir elektron verdikten sonra, verici-alıcı mekanizmasına göre kimyasal bağların oluşumunda rol alan serbest bir yörüngede kalır.
Hidrojen güçlü bir indirgeyici ajandır. Bu nedenle, ana yeri, en aktif metallerin - alkalilerin bulunduğu ana alt grubun ilk grubu olarak kabul edilir.
Bununla birlikte, metaller gibi güçlü indirgeyici maddelerle etkileşime girdiğinde elektron kabul eden bir oksitleyici madde de olabilir. Bu bileşiklere hidritler denir. Bu özelliğine göre benzer olduğu halojenler alt grubunun başında gelir.
Hidrojen, çok küçük atom kütlesi nedeniyle en hafif element olarak kabul edilir. Ayrıca yoğunluğu da çok düşüktür, dolayısıyla hafiflik açısından da bir ölçüttür.

Böylece hidrojen atomunun diğer tüm elementlerden farklı olarak tamamen benzersiz bir element olduğu açıktır. Dolayısıyla özellikleri de özeldir ve oluşan basit ve karmaşık maddeler çok önemlidir. Onları daha ayrıntılı olarak ele alalım.

Basit madde

Bu elementten molekül olarak bahsedersek diatomik olduğunu söylemeliyiz. Yani hidrojen (basit bir madde) bir gazdır. Ampirik formülü H2 olarak, grafik formülü ise tek sigma H-H ilişkisi üzerinden yazılacaktır. Atomlar arasındaki bağ oluşumunun mekanizması polar olmayan kovalenttir.

Buhar metan reformasyonu.
Kömürün gazlaştırılması - süreç, kömürün 1000 0 C'ye ısıtılmasını içerir ve bunun sonucunda hidrojen ve yüksek karbonlu kömür oluşur.
Elektroliz. Bu yöntem yalnızca çeşitli tuzların sulu çözeltileri için kullanılabilir, çünkü eriyikler katotta su tahliyesine yol açmaz.

Hidrojen üretimi için laboratuvar yöntemleri:

Metal hidritlerin hidrolizi.
Seyreltik asitlerin aktif metaller ve ortam aktivitesi üzerindeki etkisi.
Alkali ve toprak alkali metallerin su ile etkileşimi.

Üretilen hidrojeni toplamak için test tüpünü baş aşağı tutmalısınız. Sonuçta bu gaz, örneğin karbondioksitle aynı şekilde toplanamaz. Bu hidrojendir, havadan çok daha hafiftir. Çabuk buharlaşır ve büyük miktarlarda havayla karıştığında patlar. Bu nedenle test tüpü ters çevrilmelidir. Doldurulduktan sonra lastik tıpa ile kapatılmalıdır.

Toplanan hidrojenin saflığını kontrol etmek için boynunuza yanan bir kibrit getirmelisiniz. Alkış donuk ve sessizse bu, gazın temiz olduğu ve hava kirliliğinin minimum düzeyde olduğu anlamına gelir. Gürültülü ve ıslık sesi çıkarıyorsa kirlidir ve büyük oranda yabancı bileşenler içermektedir.

Kullanım alanları

Hidrojen yakıldığında o kadar büyük miktarda enerji (ısı) açığa çıkar ki, bu gaz en karlı yakıt olarak kabul edilir. Üstelik çevre dostudur. Ancak bugüne kadar bu alandaki uygulaması sınırlıdır. Bunun nedeni, reaktörlerde, motorlarda ve taşınabilir cihazlarda ve ayrıca konut ısıtma kazanlarında yakıt olarak kullanıma uygun olan saf hidrojenin sentezlenmesine ilişkin kötü düşünülmüş ve çözülmemiş problemlerdir.

Sonuçta bu gazı üretme yöntemleri oldukça pahalıdır, bu nedenle öncelikle özel bir sentez yöntemi geliştirmek gerekir. Ürünü büyük miktarlarda ve minimum maliyetle elde etmenizi sağlayacak bir ürün.

Düşündüğümüz gazın kullanıldığı birkaç ana alan var.

Kimyasal sentezler. Hidrojenasyon sabun, margarin ve plastik üretmek için kullanılır. Hidrojen, metanol ve amonyağın yanı sıra diğer bileşiklerin katılımıyla sentezlenir.
Gıda endüstrisinde katkı maddesi olarak E949.
Havacılık endüstrisi (roket bilimi, uçak üretimi).
Elektrik enerjisi endüstrisi.
Meteoroloji.
Çevre dostu yakıt.

Açıkçası hidrojen doğada bol olduğu kadar önemlidir. Oluşturduğu çeşitli bileşikler daha da büyük bir rol oynar.

Hidrojen bileşikleri

Bunlar hidrojen atomları içeren karmaşık maddelerdir. Bu tür maddelerin birkaç ana türü vardır.

Hidrojen halojenürler. Genel formül HHal'dır. Bunlar arasında özellikle önemli olan hidrojen klorürdür. Hidroklorik asit çözeltisi oluşturmak üzere suda çözünen bir gazdır. Bu asit hemen hemen tüm kimyasal sentezlerde yaygın olarak kullanılmaktadır. Üstelik hem organik hem de inorganik. Hidrojen klorür, HCL ampirik formülüne sahip bir bileşiktir ve ülkemizde her yıl üretilen en büyük bileşiklerden biridir. Hidrojen halojenürler ayrıca hidrojen iyodür, hidrojen florür ve hidrojen bromürü içerir. Hepsi karşılık gelen asitleri oluşturur.
Uçucu Hemen hepsi oldukça zehirli gazlardır. Örneğin hidrojen sülfür, metan, silan, fosfin ve diğerleri. Aynı zamanda çok yanıcıdırlar.
Hidritler metalli bileşiklerdir. Tuzlar sınıfına aittirler.
Hidroksitler: bazlar, asitler ve amfoterik bileşikler. Mutlaka bir veya daha fazla hidrojen atomu içerirler. Örnek: NaOH, K2, H2S04 ve diğerleri.
Hidrojen hidroksit. Bu bileşik daha çok su olarak bilinir. Diğer adı hidrojen oksittir. Ampirik formül şuna benzer: H 2 O.
Hidrojen peroksit. Bu, formülü H2O2 olan güçlü bir oksitleyici maddedir.
Çok sayıda organik bileşik: hidrokarbonlar, proteinler, yağlar, lipitler, vitaminler, hormonlar, uçucu yağlar ve diğerleri.

Düşündüğümüz elementin bileşik çeşitliliğinin çok büyük olduğu açıktır. Bu da onun doğa ve insanlar için olduğu kadar tüm canlılar için de ne kadar önemli olduğunu bir kez daha doğruluyor.

- bu en iyi çözücüdür

Yukarıda da belirttiğimiz gibi bu maddenin ortak adı sudur. Kovalent polar bağlarla birbirine bağlanan iki hidrojen atomu ve bir oksijenden oluşur. Su molekülü bir dipoldür ve bu onun sergilediği birçok özelliği açıklar. Özellikle evrensel bir çözücüdür.

Neredeyse tüm kimyasal süreçlerin meydana geldiği su ortamındadır. Canlı organizmalarda plastik ve enerji metabolizmasının iç reaksiyonları da hidrojen oksit kullanılarak gerçekleştirilir.

Su haklı olarak gezegendeki en önemli madde olarak kabul edilir. Hiçbir canlı organizmanın onsuz yaşayamayacağı bilinmektedir. Dünya'da üç toplama durumunda var olabilir:

sıvı;
gaz (buhar);
katı (buz).

Molekülde bulunan hidrojenin izotopuna bağlı olarak üç tür su ayırt edilir.

Işık veya protium. Kütle numarası 1 olan bir izotop. Formül - H2O. Bu, tüm organizmaların kullandığı olağan formdur.
Döteryum veya ağır, formülü D 2 O'dur. 2 H izotopunu içerir.
Süper ağır veya trityum. Formül T 3 O, izotop - 3 H'ye benziyor.

Gezegendeki tatlı protium suyu rezervleri çok önemlidir. Zaten birçok ülkede bu eksiklik var. İçme suyu üretmek için tuzlu suyun arıtılmasına yönelik yöntemler geliştirilmektedir.

Hidrojen peroksit evrensel bir çözümdür

Bu bileşik yukarıda belirtildiği gibi mükemmel bir oksitleyici maddedir. Ancak güçlü temsilcilerle birlikte restoratör olarak da hareket edebilir. Ayrıca belirgin bir bakteri yok edici etkiye sahiptir.

Bu bileşiğin bir diğer adı peroksittir. Tıpta bu haliyle kullanılmaktadır. Söz konusu bileşiğin %3'lük kristal hidrat çözeltisi, küçük yaraları dezenfekte etmek amacıyla tedavi etmek için kullanılan tıbbi bir ilaçtır. Ancak bunun yaranın iyileşme süresini arttırdığı kanıtlanmıştır.

Hidrojen peroksit ayrıca roket yakıtında, endüstride dezenfeksiyon ve ağartma amacıyla ve uygun malzemelerin (örneğin köpük) üretiminde köpük oluşturucu madde olarak kullanılır. Ayrıca peroksit akvaryumların temizlenmesine, saçların beyazlatılmasına ve dişlerin beyazlatılmasına yardımcı olur. Ancak dokulara zarar verdiği için uzmanlar tarafından bu amaçlarla kullanılması önerilmez.

Doğada yaygınlık. V. doğada yaygındır, yer kabuğundaki (litosfer ve hidrosfer) içeriği ağırlıkça% 1 ve atom sayısına göre% 16'dır. V., kömür, petrol, doğal gazlar, kil, ayrıca hayvan ve bitki organizmalarını oluşturan bileşiklerin bileşiminde Dünya - su (ağırlıkça% 11,19 V.) üzerindeki en yaygın maddenin bir parçasıdır (yani, bileşimde proteinler, nükleik asitler, yağlar, karbonhidratlar vb.). Serbest durumda V. son derece nadirdir, volkanik ve diğer doğal gazlarda küçük miktarlarda bulunur. Atmosferde az miktarda serbest hidrojen (atom sayısına göre %0,0001) mevcuttur. Dünya'ya yakın alanda radyasyon, proton akışı şeklinde Dünyanın iç (“proton”) radyasyon kuşağını oluşturur. Uzayda V. en yaygın elementtir. Plazma formunda, Güneş'in ve çoğu yıldızın kütlesinin yaklaşık yarısını, yıldızlararası ortamın gazlarının ve gaz bulutsularının büyük kısmını oluşturur. V., birçok gezegenin atmosferinde ve kuyruklu yıldızlarda serbest H2, metan CH4, amonyak NH3, su H2O, CH, NH, OH, SiH, PH vb. radikaller formunda bulunur. Proton akışı biçiminde enerji, Güneş'in parçacık radyasyonunun ve kozmik ışınların bir parçasıdır.

İzotoplar, atom ve molekül. Sıradan vitriol, iki kararlı izotopun bir karışımından oluşur: hafif vitriol veya protium (1H) ve ağır vitriol veya döteryum (2H veya D). Doğal bileşiklerde 1 2H atomu başına ortalama 6800 1H atomu bulunur. Yapay olarak bir radyoaktif izotop üretildi - süper ağır V. veya trityum (3H veya T), yumuşak β-radyasyonu ve yarı ömrü T1/2 = 12.262 yıl. Doğada trityum, örneğin kozmik ışın nötronlarının etkisi altında atmosferik nitrojenden oluşur; atmosferde ihmal edilebilecek kadar küçüktür (toplam V atomu sayısının% 4-10-15'i). Son derece kararsız bir izotop 4H elde edildi. 1H, 2H, 3H ve 4H izotoplarının kütle sayıları, sırasıyla 1,2, 3 ve 4, bir protium atomunun çekirdeğinin yalnızca 1 proton, döteryum - 1 proton ve 1 nötron, trityum - 1 proton ve 2 içerdiğini gösterir. nötronlar, 4H - 1 proton ve 3 nötron. V. izotoplarının kütlelerindeki büyük fark, fiziksel ve kimyasal özelliklerinde diğer elementlerin izotoplarına göre daha belirgin bir fark belirler.

V. atomu, diğer tüm elementlerin atomları arasında en basit yapıya sahiptir: bir çekirdek ve bir elektrondan oluşur. Çekirdeğe sahip bir elektronun bağlanma enerjisi (iyonlaşma potansiyeli) 13.595 eV'dir. Nötr bir atom ayrıca ikinci bir elektron ekleyerek negatif bir H- iyonu oluşturabilir; bu durumda ikinci elektronun nötr bir atomla bağlanma enerjisi (elektron ilgisi) 0,78 eV'dir. Kuantum mekaniği bir atomun olası tüm enerji seviyelerini hesaplamayı mümkün kılar ve dolayısıyla atom spektrumunun tam bir yorumunu verir. V atomu, diğer daha karmaşık atomların enerji seviyelerinin kuantum mekaniksel hesaplamalarında model atom olarak kullanılır. Molekül B. H2, kovalent bir kimyasal bağ ile bağlanan iki atomdan oluşur. Ayrışma enerjisi (yani atomlara bozunma) 4,776 eV'dir (1 eV = 1,60210-10-19 J). Çekirdeklerin denge pozisyonundaki atomlar arası mesafe 0,7414-Å'dur. Yüksek sıcaklıklarda moleküler hidrojen atomlara ayrışır (2000°C'de ayrışma derecesi 0,0013, 5000°C'de 0,95). Atomik V. ayrıca çeşitli kimyasal reaksiyonlarda da oluşur (örneğin, Zn'nin hidroklorik asit üzerindeki etkisiyle). Ancak hidrojenin atom halindeki varlığı yalnızca kısa bir süre sürer; atomlar H2 molekülleri halinde yeniden birleşir.

Fiziksel ve kimyasal özellikler. V. bilinen tüm maddelerin en hafifidir (havadan 14,4 kat daha hafiftir), yoğunluğu 0°C ve 1 atm'de 0,0899 g/l'dir. Helyum sırasıyla -252,6°C ve -259,1°C'de kaynar (sıvılaşır) ve erir (katılaşır) (sadece helyumun erime ve kaynama noktaları daha düşüktür). Suyun kritik sıcaklığı çok düşüktür (-240°C), dolayısıyla sıvılaşması büyük zorluklarla doludur; kritik basınç 12,8 kgf/cm2 (12,8 atm), kritik yoğunluk 0,0312 g/cm3. Tüm gazlar arasında V., 0°C ve 1 atm'de 0,174 W/(m-K)'ye eşit, yani 4,16-0-4 cal/(s-cm-°C) en yüksek termal iletkenliğe sahiptir. V.'nin 0°C ve 1 atm'deki özgül ısı kapasitesi Ср 14.208-103 J/(kg-K), yani 3.394 cal/(g-°C). V. suda az çözünür (20°C ve 1 atm'de 0,0182 ml/g), ancak birçok metalde (Ni, Pt, Pd, vb.), özellikle paladyumda (1 hacim Pd başına 850 hacim) iyi çözünür. . V.'nin metallerdeki çözünürlüğü, bunların içinden yayılma yeteneği ile ilgilidir; bir karbon alaşımı (örneğin çelik) yoluyla difüzyona bazen karbonun karbonla etkileşimi nedeniyle (dekarbonizasyon adı verilen) alaşımın tahrip olması eşlik eder. Sıvı V. çok hafiftir (-253°C'de yoğunluk 0,0708 g/cm3) ve akışkandır (-253°C'de viskozite 13,8 spuaz).

Çoğu bileşikte V., sodyum ve diğer alkali metaller gibi +1 değerlik (daha doğrusu oksidasyon durumu) sergiler; genellikle bu metallerin bir analogu olarak kabul edilir ve 1 gramdır. Mendeleev'in sistemi. Ancak metal hidritlerde B iyonu negatif yüklüdür (oksidasyon durumu -1), yani Na+H- hidrit, Na+Cl- klorüre benzer şekilde yapılandırılmıştır. Bu ve diğer bazı gerçekler (V. ve halojenlerin fiziksel özelliklerinin benzerliği, halojenlerin organik bileşiklerde V.'yi değiştirme yeteneği), V.'yi periyodik tablonun VII grubunda da sınıflandırmaya zemin hazırlar (daha fazla ayrıntı için, Periyodik Element Tablosuna bakın). Normal koşullar altında, moleküler V. nispeten az aktiftir ve yalnızca en aktif metal olmayanlarla (flor ile ve ışıkta klor ile) doğrudan birleşir. Ancak ısıtıldığında birçok elementle reaksiyona girer. Atomik V. moleküler ile karşılaştırıldığında artan kimyasal aktiviteye sahiptir. V., oksijenle birlikte su oluşturur: H2 + 1/2O2 = H2O, 285,937-103 J/mol, yani 68,3174 kcal/mol ısı açığa çıkar (25°C ve 1 atm'de). Normal sıcaklıklarda reaksiyon son derece yavaş ilerler, 550°C'nin üzerinde patlar. Hidrojen-oksijen karışımının patlayıcı sınırları (hacimsel olarak) %4 ila %94 H2 ve hidrojen-hava karışımının - %4 ila %74 H2'sidir (2 hacim H2 ve 1 hacim O2 karışımına denir) patlayıcı gaz). V., oksitlerinden oksijeni uzaklaştırdığı için birçok metali azaltmak için kullanılır:

CuO + H2 = Cu + H2O,
Fe3O4 + 4H2 = 3Fe + 4H2O, vb.
Halojenlerle V. hidrojen halojenürler oluşturur, örneğin:
H2 + Cl2 = 2HCl.

Aynı zamanda V., flor ile patlıyor (karanlıkta ve -252°C'de bile), yalnızca aydınlatıldığında veya ısıtıldığında klor ve bromla, yalnızca ısıtıldığında ise iyotla reaksiyona giriyor. V. nitrojenle reaksiyona girerek amonyak oluşturur: 3H2 + N2 = 2NH3 yalnızca bir katalizör üzerinde ve yüksek sıcaklık ve basınçlarda. V. ısıtıldığında kükürt ile kuvvetli bir şekilde reaksiyona girer: H2 + S = H2S (hidrojen sülfür), selenyum ve tellür ile çok daha zordur. V. katalizör olmadan saf karbonla yalnızca yüksek sıcaklıklarda reaksiyona girebilir: 2H2 + C (amorf) = CH4 (metan). V. belirli metallerle (alkali, toprak alkali vb.) doğrudan reaksiyona girerek hidritler oluşturur: H2 + 2Li = 2LiH. Sıcaklığa, basınca ve katalizöre bağlı olarak, örneğin HCHO, CH3OH, vb. gibi çeşitli organik bileşiklerin oluşturulduğu hidrojenin karbon monoksit ile reaksiyonları büyük pratik öneme sahiptir (bkz. Karbon monoksit). Doymamış hidrokarbonlar hidrojen ile reaksiyona girerek doymuş hale gelirler, örneğin: CnH2n + H2 = CnH2n+2 (bkz. Hidrojenasyon).

Hidrojen deposu.

Gladysheva Marina Alekseevna, 10A, okul No. 75, Çernogolovka. "Bilime Başlayın" konferansındaki rapor, MIPT, 2004.

Hidrojenin evrensel bir enerji taşıyıcısı olarak çekiciliği, çevre dostu olması, esnekliği ve katılımını içeren enerji dönüşüm süreçlerinin verimliliği ile belirlenir. Çok ölçekli hidrojen üretimine yönelik teknolojiler oldukça iyi gelişmiştir ve neredeyse sınırsız bir hammadde tabanına sahiptir. Bununla birlikte, hidrojen gazının düşük yoğunluğu, sıvılaşma sıcaklığının düşük olması ve patlama tehlikesinin yüksek olması, yapısal malzemelerin özellikleri üzerindeki olumsuz etkiyle birleştiğinde, etkili ve güvenli hidrojen depolama sistemlerinin geliştirilmesi sorunlarını ön plana çıkarmaktadır. - Hidrojen enerjisi ve teknolojisinin gelişimini şu anda engelleyen sorunlar bunlardır.

ABD Enerji Bakanlığı'nın sınıflandırmasına göre hidrojen yakıt depolama yöntemleri 2 gruba ayrılabilir:

Birinci grup, hidrojen gazını kompakt bir duruma dönüştürmek için fiziksel süreçleri (temel olarak sıkıştırma veya sıvılaştırma) kullanan fiziksel yöntemleri içerir. Fiziksel yöntemler kullanılarak depolanan hidrojen H2 moleküllerinden oluşur , depolama ortamıyla zayıf etkileşime giriyor. Günümüzde hidrojen depolamak için aşağıdaki fiziksel yöntemler uygulanmıştır:

Sıkıştırılmış hidrojen gazı:

gaz silindirleri;

yer altı tankları dahil sabit masif depolama sistemleri;

boru hatlarında depolama;

cam mikroküreler.

Sıvı hidrojen: sabit ve taşıma kriyojenik kapları.

İÇİNDE kimyasal Yöntemlerde hidrojenin depolanması, belirli malzemelerle etkileşiminin fiziksel veya kimyasal süreçleriyle sağlanır. Bu yöntemler, moleküler veya atomik hidrojenin depolama ortamının malzemesi ile güçlü etkileşimi ile karakterize edilir. Bu grup yöntemler esas olarak aşağıdakileri içerir:

Adsorpsiyon:

zeolitler ve ilgili bileşikler;

Aktif karbon;

hidrokarbon nanomalzemeleri.

Malzeme hacmi başına emme(metal hidrürler)

Kimyasal etkileşim:

alonatlar;

fullerenler ve organik hidritler;

amonyak;

sünger demir;

alüminyum ve silikon bazlı suyla reaksiyona giren alaşımlar.

Hidrojen gazı depolama doğal gazın depolanmasından daha karmaşık bir sorun değildir. Uygulamada bu amaçla gaz tankları, doğal yer altı rezervleri (akiferler, tükenmiş petrol ve gaz sahaları) ve yer altı atom patlamalarının oluşturduğu depolama tesisleri kullanılmaktadır. Sondajlar yoluyla tuzun su ile çözülmesiyle oluşturulan tuz mağaralarında hidrojen gazının depolanmasının temel olasılığı kanıtlanmıştır.

Hidrojen gazını 100 MPa'ya kadar basınçlarda depolamak için iki veya çok katmanlı duvarlara sahip kaynaklı kaplar kullanılır. Böyle bir kabın iç duvarı östenitik paslanmaz çelikten veya yüksek basınç koşullarında hidrojenle uyumlu başka bir malzemeden yapılır, dış katmanlar yüksek mukavemetli çeliklerden yapılır. Bu amaçlar için, 40 - 70 MPa'ya kadar basınçlar için tasarlanmış, düşük karbonlu çeliklerden yapılmış dikişsiz kalın duvarlı kaplar da kullanılmaktadır.

Hidrojen gazının su havuzlu gaz tutucularda (ıslak gaz tutucular), sabit basınçlı pistonlu gaz tutucularda (kuru gaz tutucular) ve sabit hacimli gaz tutucularda (yüksek basınçlı tanklar) depolanması yaygınlaşmıştır. Silindirler az miktarda hidrojen depolamak için kullanılır.

Kaynaklı yapıdaki ıslak ve kuru (pistonlu) gaz tanklarının yeterli sızdırmazlığa sahip olmadığı unutulmamalıdır. Teknik şartlara göre 3000 m3'e kadar kapasiteye sahip ıslak gaz tanklarının normal çalışması sırasında hidrojen sızıntısına izin verilmektedir. 3 – yaklaşık %1,65 ve 3000 m'den başlayan kapasiteyle 3 ve daha fazlası - günde yaklaşık% 1,1 (gaz tankının nominal hacmine göre).

Büyük miktarlarda hidrojeni depolamanın en umut verici yollarından biri onu akiferlerde depolamaktır. Bu depolama yöntemiyle yıllık kayıplar %1 ile %3 arasında değişmektedir. Bu kayıp miktarı doğal gaz depolama deneyimiyle doğrulanmaktadır.

Hidrojen gazı, 20 MPa'ya kadar basınç altında çelik kaplarda depolanabilir ve taşınabilir. Bu tür konteynerler, otomobil veya demiryolu platformları üzerinde tüketim noktasına hem standart konteynerler hem de özel tasarım konteynerler ile taşınabilmektedir.

Küçük miktarlarda sıkıştırılmış hidrojenin –50 ile +60 arasındaki sıcaklıklarda depolanması ve taşınması için 0 C 12 dm'ye kadar küçük kapasiteli çelik dikişsiz silindirler kullanın 3 ve ortalama kapasite 20 – 50 dm 3 20 MPa'ya kadar çalışma basıncı ile. Valf gövdesi pirinçten yapılmıştır. Silindirler koyu yeşil renktedir ve kırmızı renkte "Hidrojen" yazısı bulunur.

Hidrojen depolama silindirleri oldukça basit ve kompakttır. Ancak 2 kg N depolamak için 2 33 kg ağırlığında cıvatalar gereklidir. Malzeme bilimindeki ilerleme, silindir malzemesinin kütlesini 1 kg hidrojen başına 20 kg'a, gelecekte ise 8-10 kg'a düşürmeyi mümkün kılmaktadır. Şimdiye kadar, silindirlerde depolanan hidrojenin kütlesi, silindirin kendi kütlesinin yaklaşık %2-3'ü kadardır.

Büyük basınçlı gaz tanklarında büyük miktarlarda hidrojen depolanabilir. Gaz tankları genellikle karbon çeliğinden yapılır. İçlerindeki çalışma basıncı genellikle 10 MPa'yı geçmez. Hidrojen gazının yoğunluğunun düşük olması nedeniyle bu tür kaplarda saklanması yalnızca nispeten küçük miktarlarda faydalıdır. Basıncın belirtilen değerin üzerine, örneğin yüzlerce mega Pascal'a çıkarılması, öncelikle karbon çeliklerinin hidrojen korozyonu ile ilgili zorluklara neden olur ve ikinci olarak, bu tür kapların maliyetinde önemli bir artışa yol açar.

Çok büyük miktarlarda hidrojenin depolanması için uygun maliyetli bir yöntem, tükenmiş gazın ve yeraltı sularının depolanmasıdır. Amerika Birleşik Devletleri'nde 300'den fazla yer altı gaz depolama tesisi bulunmaktadır.

Çok büyük miktarlardaki hidrojen gazı, 365 m derinliğindeki tuz mağaralarında, 5 MPa hidrojen basıncında, 20 10'a kadar gaz içeren gözenekli su dolu yapılarda depolanır. 6 m3 hidrojen.

% 50 hidrojen içeren gazın yer altı gaz depolama tesislerinde uzun süreli (10 yıldan fazla) depolanması deneyimi, gözle görülür sızıntılar olmadan depolanmasının tam olasılığını göstermiştir. Suya batırılmış kil katmanları, hidrojenin su içinde zayıf çözünmesi nedeniyle hava geçirmez şekilde kapatılmış depolama sağlayabilir.

Sıvı hidrojen depolama

Hidrojenin sıvı formda depolanırken göz önünde bulundurulması gereken birçok benzersiz özelliği arasında bir tanesi özellikle önemlidir. Sıvı haldeki hidrojen dar bir sıcaklık aralığında bulunur: 20K kaynama noktasından katı duruma dönüştüğü 17K donma noktasına kadar. Sıcaklık kaynama noktasının üzerine çıkarsa hidrojen anında sıvıdan gaza dönüşür.

Yerel aşırı ısınmayı önlemek için, sıvı hidrojenle dolu kaplar, hidrojenin kaynama noktasına yakın bir sıcaklığa kadar önceden soğutulmalıdır, ancak o zaman sıvı hidrojenle doldurulabilirler. Bunu yapmak için, kabı soğutmak için yüksek hidrojen tüketimiyle ilişkili sistemden soğutma gazı geçirilir.

Hidrojenin sıvı halden gaz haline geçişi, buharlaşmadan kaynaklanan kaçınılmaz kayıplarla ilişkilidir. Buharlaşan gazın maliyeti ve enerji içeriği önemlidir. Bu nedenle bu gazın kullanımının ekonomik ve güvenlik açısından organize edilmesi gerekmektedir. Kriyojenik bir kabın güvenli çalışması için şartlara göre, kap içindeki maksimum çalışma basıncına ulaşıldıktan sonra gaz boşluğunun en az %5 olması gerekir.

Sıvı hidrojen depolama tankları için bir takım gereksinimler vardır:

tankın tasarımı sağlamlık, güvenilirlik ve uzun süreli güvenli çalışmayı sağlamalıdır;

depolama tesisini sıvı hidrojenle doldurmadan önce ön soğutmak için sıvı hidrojen tüketimi minimum düzeyde olmalıdır;

Depolama tankı, sıvı hidrojenle hızlı doldurma ve depolanan ürünün hızlı bir şekilde dağıtılması için bir araçla donatılmalıdır.

Kriyojenik hidrojen depolama sisteminin ana kısmı, kütlesi yüksek basınç altında silindir depolamaya göre 1 kg depolanan hidrojen başına yaklaşık 4-5 kat daha az olan termal olarak yalıtılmış kaplardır. Sıvı hidrojen için kriyojenik depolama sistemlerinde, 1 kg hidrojen, kriyojenik bir kabın kütlesinin 6-8 kg'ını oluşturur ve hacimsel özellikler açısından, kriyojenik kaplar, 40 MPa basınç altında gaz halindeki hidrojenin depolanmasına karşılık gelir.

Sıvı hidrojen, hacmi 5 bin m3'e kadar olan özel depolama tesislerinde büyük miktarlarda depolanır. 3 . Sıvı hidrojen için 2850 m3 hacme sahip büyük küresel depolama tesisi 3 Alüminyum kürenin iç çapı 17,4 m'dir 3 .

Hidrojenin kimyasal olarak bağlı durumda depolanması ve taşınması

Hidrojenin amonyak, metanol, etanol formunda uzun mesafelerde depolanması ve taşınmasının avantajları, hacimsel hidrojen içeriğinin yüksek yoğunluğunun olmasıdır. Ancak bu hidrojen depolama biçimlerinde depolama ortamı bir kez kullanılır. Amonyağın sıvılaşma sıcaklığı 239,76 K, kritik sıcaklığı 405 K'dir, yani normal sıcaklıkta amonyak 1,0 MPa basınçta sıvılaşır ve borular aracılığıyla taşınarak sıvı halde depolanabilir. Temel Oranlar aşağıda verilmiştir:

1 m3 N2 (g) » 0,66 m3 NH3 » 0?75 dm3 H2 (l);

1 t NH3 » 1975 m3 N2 + 658 m3 N2 – 3263 MJ;

2NH3?N2 + 3H2 – 92 kJ.

Yaklaşık 1173 - 1073 K sıcaklıklarda ve atmosferik basınçta meydana gelen amonyağın (krakerler) ayrışmasına yönelik ayırıcılar, amonyağı sentezlemek için kullanılmış bir demir katalizörü kullanır. Bir kg hidrojen üretmek için 5,65 kg amonyak tüketilir. Bu ısıyı dışarıdan kullanırken amonyağın ayrışması için ısı tüketimine gelince, ortaya çıkan hidrojenin yanma ısısı, ayrışma sürecinde kullanılan amonyağın yanma ısısından %20'ye kadar daha yüksek olabilir. İşlemde elde edilen hidrojen ayrışma işlemi için kullanılıyorsa, böyle bir işlemin verimliliği (elde edilen gazın ısısının tüketilen amonyağın yanma ısısına oranı)% 60 - 70'i aşmaz.

Metanolden hidrojen iki şemaya göre elde edilebilir: ya katalitik ayrışma yoluyla:

CH3OH? CO+2H 2 – 90 kJ

ardından tek aşamada CO'nun katalitik dönüşümü veya katalitik buhar dönüşümü:

H2O + CH3OH?CO2 + 3H2 – 49 kJ.

Tipik olarak işlemde metanol sentezi için bir çinko-krom katalizörü kullanılır. İşlem 573 – 673 K'de gerçekleşir. Metanol, dönüşüm işlemleri için yakıt olarak kullanılabilir. Bu durumda, hidrojen üretim sürecinin verimliliği %65 – 70'tir (üretilen hidrojenin ısısının tüketilen metanolün yanma ısısına oranı); hidrojen üretme işlemi için ısı dışarıdan sağlanırsa, katalitik ayrışmayla elde edilen hidrojenin yanma ısısı %22'dir ve buharla reformasyonla elde edilen hidrojenin yanma ısısı, tüketilen metanolün yanma ısısından %15 daha yüksektir.

Atık ısıyı kullanarak ve metanol, amonyak veya etanolden elde edilen hidrojeni kullanarak bir enerji teknolojisi şeması oluştururken, bu ürünleri sentetik sıvı yakıtlar olarak kullanmaya kıyasla daha yüksek bir proses verimliliği elde etmenin mümkün olduğu yukarıdakilere eklenmelidir. Böylece, metanolün ve bir gaz türbini ünitesinin doğrudan yanması ile verimlilik% 35'tir, Egzoz gazlarının ısısı nedeniyle metanolün buharlaşması ve katalitik dönüşümü ve CO + H karışımının yanması gerçekleştirildiğinde 2 Verimlilik% 41,30'a yükselir ve elde edilen hidrojenin buhar reformasyonu ve yanması gerçekleştirilirken -% 41,9'a kadar.

Hidrit hidrojen depolama sistemi

Hidrojeni hidrit formunda depolayarak, sıkıştırılmış hidrojen gazını depolarken gereken hacimli ve ağır silindirlere veya sıvı hidrojeni depolamak için üretimi zor ve pahalı kaplara gerek kalmaz. Hidrojeni hidrür formunda depolarken sistemin hacmi, silindirlerdeki depolama hacmine göre yaklaşık 3 kat azalır. Hidrojenin taşınması basitleştirilmiştir. Hidrojenin dönüştürülmesi ve sıvılaştırılmasının hiçbir maliyeti yoktur.

Hidrojen, metal hidritlerden iki reaksiyonla elde edilebilir: hidroliz ve ayrışma.

Hidroliz yoluyla hidritte mevcut olanın iki katı kadar hidrojen elde etmek mümkündür. Ancak bu süreç pratik olarak geri döndürülemez. Bir hidrürün termal ayrışması yoluyla hidrojen üretme yöntemi, sistemdeki sıcaklık ve basınçtaki hafif bir değişikliğin hidrit oluşum reaksiyonunun dengesinde önemli bir değişikliğe neden olduğu hidrojen pilleri oluşturmayı mümkün kılar.

Hidrojeni hidrür formunda depolamak için kullanılan sabit cihazların kütle ve hacim konusunda katı kısıtlamaları yoktur, bu nedenle belirli bir hidrürün seçiminde sınırlayıcı faktör büyük olasılıkla maliyeti olacaktır. Bazı uygulamalar için vanadyum hidrit, 270 K'ye yakın bir sıcaklıkta iyi ayrıştığı için yararlı olabilir. Magnezyum hidrit nispeten ucuzdur, ancak 560 - 570 K gibi nispeten yüksek bir ayrışma sıcaklığına ve yüksek bir oluşum ısısına sahiptir. Demir-titanyum alaşımı nispeten ucuzdur ve hidriti, düşük bir oluşum ısısıyla 320 - 370 K sıcaklıklarda ayrışır. Hidridlerin kullanımının önemli güvenlik avantajları vardır. Hasarlı bir hidrojen hidrit kabı, hasarlı bir sıvı hidrojen tankına veya hidrojenle dolu basınçlı kaba göre önemli ölçüde daha az tehlike oluşturur.

Şu anda Çernogolovka'daki Rusya Bilimler Akademisi Kimyasal Fizik Enstitüsü'nde metal hidritlere dayalı hidrojen pilleri oluşturma çalışmaları sürüyor.

Kaynakça :

1. Dizin. "Hidrojen. Mülkiyet, teslim alma, depolama, nakliye, başvuru.” Moskova “Kimya” - 1989

2. “Hidrojen depolama yöntemlerinin gözden geçirilmesi.” Ukrayna Ulusal Bilimler Akademisi Malzeme Bilimi Sorunları Enstitüsü. http://shp.by.ru/sci/fullerene/rorums/ichms/2003/

Tanım - H (Hidrojen);
Latince adı - Hydrogenium;
Dönem - I;
Grup - 1 (la);
Atom kütlesi - 1,00794;
Atom numarası - 1;
Atom yarıçapı = 53 pm;
Kovalent yarıçap = 32 pm;
Elektron dağılımı - 1s 1;
erime sıcaklığı = -259,14°C;
kaynama noktası = -252,87°C;
Elektronegatiflik (Pauling'e göre/Alred ve Rochow'a göre) = 2,02/-;
Oksidasyon durumu: +1; 0; -1;
Yoğunluk (no.) = 0,0000899 g/cm3;
Molar hacim = 14,1 cm3/mol.

Hidrojenin oksijenle ikili bileşikleri:

Hidrojen (“suyu doğuran”) 1766 yılında İngiliz bilim adamı G. Cavendish tarafından keşfedildi. Doğadaki en basit elementtir; hidrojen atomunun bir çekirdeği ve bir elektronu vardır, muhtemelen hidrojenin Evrende en bol bulunan element olmasının nedeni budur (çoğu yıldızın kütlesinin yarısından fazlasını oluşturur).

Hidrojen konusunda “makara küçük ama pahalı” diyebiliriz. "Basitliğine" rağmen, hidrojen Dünya'daki tüm canlılara enerji sağlar - Güneş'te dört hidrojen atomundan bir helyum atomunun oluştuğu sürekli bir termonükleer reaksiyon meydana gelir, bu sürece muazzam miktarda enerjinin salınması eşlik eder. (Daha fazla ayrıntı için bkz. Nükleer füzyon).

Yerkabuğunda hidrojenin kütle oranı yalnızca %0,15'tir. Bu arada, Dünya üzerinde bilinen tüm kimyasal maddelerin büyük çoğunluğu (%95) bir veya daha fazla hidrojen atomu içermektedir.

Metal olmayan bileşiklerde (HCl, H2O, CH4 ...), hidrojen tek elektronunu daha elektronegatif elementlere verir, +1 oksidasyon durumu sergiler (daha sıklıkla), yalnızca kovalent bağlar oluşturur (bkz. Kovalent bağlamak).

Metalli bileşiklerde (NaH, CaH 2 ...), hidrojen ise tam tersine tek s-orbitaline başka bir elektronu kabul eder, böylece elektronik katmanını tamamlamaya çalışır ve -1 oksidasyon durumunu (daha az sıklıkla) sergiler, genellikle iyonik bir bağ oluşturur (bkz. İyonik bağ), çünkü hidrojen atomu ile metal atomunun elektronegatifliği arasındaki fark oldukça büyük olabilir.

H2

Gaz halinde hidrojen, polar olmayan bir kovalent bağ oluşturan diatomik moleküller formunda bulunur.

Hidrojen molekülleri şunları içerir:

büyük hareketlilik;
büyük güç;
düşük polarize edilebilirlik;
küçük boyut ve ağırlık.

Hidrojen gazının özellikleri:

doğadaki en hafif gazdır, renksiz ve kokusuzdur;
su ve organik çözücülerde az çözünür;
sıvı ve katı metallerde (özellikle platin ve paladyum) az miktarda çözünür;
sıvılaştırılması zor (düşük polarize edilebilirliği nedeniyle);
bilinen tüm gazlar arasında en yüksek termal iletkenliğe sahiptir;
ısıtıldığında birçok metal olmayan maddeyle reaksiyona girerek indirgeyici bir maddenin özelliklerini sergiler;
oda sıcaklığında flor ile reaksiyona girer (bir patlama meydana gelir): H2 + F2 = 2HF;
hidritler oluşturmak üzere metallerle reaksiyona girerek oksitleyici özellikler sergiler: H2 + Ca = CaH2;

Bileşiklerde hidrojen, indirgeyici özelliklerini oksitleyici özelliklerinden çok daha güçlü bir şekilde gösterir. Hidrojen, kömür, alüminyum ve kalsiyumdan sonra en güçlü indirgeyici maddedir. Hidrojenin indirgeyici özellikleri endüstride oksitlerden ve galidlerden metaller ve ametaller (basit maddeler) elde etmek için yaygın olarak kullanılmaktadır.

Fe203 + 3H2 = 2Fe + 3H20

Hidrojenin basit maddelerle reaksiyonları

Hidrojen bir rol oynayan bir elektronu kabul eder indirgen madde, reaksiyonlarda:

İle oksijen(ateşlendiğinde veya bir katalizör varlığında), 2:1 (hidrojen:oksijen) oranında patlayıcı bir patlayıcı gaz oluşur: 2H 2 0 +O 2 = 2H 2 +1 O+572 kJ
İle gri(150°C-300°C'ye ısıtıldığında): H 2 0 +S ↔ H 2 +1 S
İle klor(tutuşturulduğunda veya UV ışınlarına maruz kaldığında): H 2 0 +Cl 2 = 2H +1 Cl
İle flor: H 2 0 +F 2 = 2H +1 F
İle azot(katalizörlerin varlığında veya yüksek basınçta ısıtıldığında): 3H 2 0 +N2 ↔ 2NH3 +1

Hidrojen bir rol oynayarak bir elektron bağışlıyor oksitleyici ajan ile reaksiyonlarda alkalin Ve Alkalin toprak metal hidritlerin oluşumu ile metaller - hidrit iyonları H içeren tuz benzeri iyonik bileşikler - bunlar kararsız beyaz kristalli maddelerdir.

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

Hidrojenin oksidasyon durumunun -1 olması tipik bir durum değildir. Su ile reaksiyona girdiğinde hidritler ayrışır ve suyu hidrojene indirger. Kalsiyum hidrürün su ile reaksiyonu aşağıdaki gibidir:

CaH2-1 +2H2 +1 0 = 2H2 0 +Ca(OH)2

Hidrojenin karmaşık maddelerle reaksiyonları

yüksek sıcaklıklarda hidrojen birçok metal oksidi azaltır: ZnO+H2 = Zn+H2O
metil alkol, hidrojenin karbon monoksit (II) ile reaksiyonundan elde edilir: 2H2 +CO → CH30H
Hidrojenasyon reaksiyonlarında hidrojen birçok organik maddeyle reaksiyona girer.

Hidrojen ve bileşiklerinin kimyasal reaksiyonlarının denklemleri “Hidrojen ve bileşikleri - hidrojeni içeren kimyasal reaksiyonların denklemleri” sayfasında daha ayrıntılı olarak tartışılmaktadır.

Hidrojenin uygulamaları

nükleer enerjide hidrojen izotopları kullanılır - döteryum ve trityum;
kimya endüstrisinde hidrojen birçok organik maddenin, amonyağın, hidrojen klorürün sentezinde kullanılır;
gıda endüstrisinde hidrojen, bitkisel yağların hidrojenasyonu yoluyla katı yağların üretiminde kullanılır;
metallerin kaynaklanması ve kesilmesi için oksijen içindeki hidrojenin yüksek yanma sıcaklığı (2600°C) kullanılır;
bazı metallerin üretiminde indirgeyici madde olarak hidrojen kullanılır (yukarıya bakın);
Hidrojen hafif bir gaz olduğundan havacılıkta balonlar, aerostatlar ve hava gemileri için dolgu maddesi olarak kullanılır;
Hidrojen, CO ile karıştırılarak yakıt olarak kullanılır.

Son zamanlarda bilim adamları alternatif yenilenebilir enerji kaynakları arayışına büyük önem veriyorlar. Gelecek vaat eden alanlardan biri, yanma ürünü sıradan su olan hidrojenin yakıt olarak kullanıldığı “hidrojen” enerjisidir.

Hidrojen üretme yöntemleri

Hidrojen üretimi için endüstriyel yöntemler:

bir nikel katalizörü üzerinde yüksek sıcaklıkta (800°C) su buharı ile metan dönüşümü (su buharının katalitik indirgenmesi): CH4 + 2H20 = 4H2 + CO2;
karbon monoksitin bir Fe203 katalizörü üzerinde su buharı (t=500°C) ile dönüşümü: CO + H20 = CO2 + H2;
metanın termal ayrışması: CH4 = C + 2H2;
katı yakıtların gazlaştırılması (t=1000°C): C + H2O = CO + H2;
suyun elektrolizi (çok saf hidrojen üreten çok pahalı bir yöntem): 2H 2 O → 2H 2 + O 2.

Hidrojen üretimi için laboratuvar yöntemleri:

hidroklorik veya seyreltik sülfürik asit ile metaller (genellikle çinko) üzerindeki etki: Zn + 2HCl = ZCl2 + H2; Zn + H2S04 = ZnS04 + H2;
su buharının sıcak demir talaşlarıyla etkileşimi: 4H 2 O + 3Fe = Fe 3 O 4 + 4H 2.

Sıvı

Hidrojen(lat. Hidrojenyum; sembolüyle gösterilir H) periyodik element tablosunun ilk elementidir. Doğada yaygın olarak dağıtılır. Hidrojenin en yaygın izotopu olan 1H'nin katyonu (ve çekirdeği) protondur. 1H çekirdeğinin özellikleri, NMR spektroskopisinin organik maddelerin analizinde yaygın olarak kullanılmasını mümkün kılar.

Hidrojenin üç izotopunun kendi isimleri vardır: 1H - protium (H), 2H - döteryum (D) ve 3H - trityum (radyoaktif) (T).

Basit madde hidrojen - H2 - açık renksiz bir gazdır. Hava veya oksijenle karıştığında yanıcı ve patlayıcıdır. Toksik değildir. Etanolde ve bir dizi metalde çözünür: demir, nikel, paladyum, platin.

Hikaye

Asitlerin ve metallerin etkileşimi sırasında yanıcı gazların salınması, 16. ve 17. yüzyıllarda kimyanın bir bilim olarak oluşumunun şafağında gözlemlendi. Mikhail Vasilyevich Lomonosov da doğrudan izolasyonuna dikkat çekti, ancak bunun flojiston olmadığının kesinlikle farkındaydı. İngiliz fizikçi ve kimyager Henry Cavendish 1766 yılında bu gazı incelemiş ve ona “yanıcı hava” adını vermiştir. Yakıldığında "yanıcı hava" su üretiyordu, ancak Cavendish'in flojiston teorisine bağlılığı onun doğru sonuçlara varmasını engelledi. Fransız kimyager Antoine Lavoisier, mühendis J. Meunier ile birlikte 1783 yılında özel gazometreler kullanarak suyun sentezini ve ardından su buharını sıcak demirle ayrıştırarak analizini gerçekleştirdi. Böylece “yanıcı havanın” suyun bir parçası olduğunu ve ondan elde edilebileceğini tespit etti.

ismin kökeni

Lavoisier hidrojene, "su doğuran" anlamındaki hidrojen adını verdi. Rusça "hidrojen" adı, 1824'te kimyager M. F. Soloviev tarafından Slomonosov'un "oksijenine" benzetilerek önerildi.

Yaygınlık

Hidrojen evrende en bol bulunan elementtir. Tüm atomların yaklaşık %92'sini oluşturur (%8'i helyum atomudur, diğer tüm elementlerin toplam payı %0,1'den azdır). Dolayısıyla hidrojen, yıldızların ve yıldızlararası gazın ana bileşenidir. Yıldız sıcaklıkları koşullarında (örneğin Güneş'in yüzey sıcaklığı ~ 6000 °C), hidrojen plazma formunda bulunur; yıldızlararası uzayda bu element ayrı moleküller, atomlar ve iyonlar formunda bulunur ve oluşabilir Boyut, yoğunluk ve sıcaklık bakımından önemli ölçüde değişen moleküler bulutlar.

Yerkabuğu ve canlı organizmalar

Hidrojenin yer kabuğundaki kütle oranı %1'dir; en bol bulunan onuncu elementtir. Bununla birlikte, doğadaki rolü kütleye göre değil, diğer elementler arasında payı% 17 olan atom sayısına göre belirlenir (atomların payı ~% 52 olan oksijenden sonra ikinci sırada). Bu nedenle Dünya'da meydana gelen kimyasal işlemlerde hidrojenin önemi neredeyse oksijen kadar büyüktür. Dünya üzerinde hem bağlı hem de serbest halde bulunan oksijenin aksine, Dünya üzerindeki hidrojenin hemen hemen tamamı bileşikler halindedir; Atmosferde yalnızca çok az miktarda basit madde formunda hidrojen bulunur (hacimce %0,00005).

Hidrojen hemen hemen tüm organik maddelerin bir parçasıdır ve tüm canlı hücrelerde mevcuttur. Canlı hücrelerde hidrojen, atom sayısının neredeyse %50'sini oluşturur.

Fiş

Basit maddelerin üretimine yönelik endüstriyel yöntemler, karşılık gelen elementin doğada bulunduğu forma, yani üretimi için hammaddenin ne olabileceğine bağlıdır. Böylece serbest halde bulunan oksijen, fiziksel olarak sıvı havadan ayrıştırılarak elde edilir. Hidrojenin neredeyse tamamı bileşik halinde olduğundan elde edilmesi için kimyasal yöntemler kullanılır. Özellikle ayrışma reaksiyonları kullanılabilir. Hidrojen üretmenin bir yolu, suyun elektrik akımıyla ayrıştırılmasıdır.

Hidrojen üretiminin ana endüstriyel yöntemi, doğal gazın bir parçası olan metanın suyla reaksiyonudur. Yüksek sıcaklıkta gerçekleştirilir (metan kaynar sudan geçirildiğinde bile herhangi bir reaksiyonun oluşmadığını doğrulamak kolaydır):

CH 4 + 2H 2 O = CO 2 + 4H 2 −165 kJ

Laboratuvarda basit maddeler elde etmek için mutlaka doğal hammaddeler kullanılmaz, ancak gerekli maddeyi izole etmenin daha kolay olduğu başlangıç materyalleri seçilir. Örneğin laboratuvarda havadan oksijen elde edilmez. Aynı durum hidrojen üretimi için de geçerlidir. Bazen endüstride kullanılan hidrojen üretimine yönelik laboratuvar yöntemlerinden biri, suyun elektrik akımıyla ayrıştırılmasıdır.

Tipik olarak hidrojen, çinkonun hidroklorik asitle reaksiyona sokulmasıyla laboratuvarda üretilir.

Endüstride

1. Sulu tuz çözeltilerinin elektrolizi:

2NaCl + 2H20 → H2 + 2NaOH + Cl2

2. Yaklaşık 1000 °C sıcaklıktaki sıcak kok üzerinden su buharının geçirilmesi:

H2O+C? H2+CO

3. Doğalgazdan.

Buhar dönüşümü:

CH4 + H20 ? CO + 3H2 (1000 °C)

Oksijenle katalitik oksidasyon:

2CH4 + O2 ? 2CO + 4H2

4. Petrol rafinasyonu sırasında hidrokarbonların kırılması ve yeniden şekillendirilmesi.

Laboratuvarda

1.Seyreltik asitlerin metaller üzerindeki etkisi. Bu reaksiyonu gerçekleştirmek için çoğunlukla çinko ve seyreltik hidroklorik asit kullanılır:

Zn + 2HCl → ZnCl2 + H2

2.Kalsiyumun su ile etkileşimi:

Ca + 2H20 → Ca(OH)2 + H2

3.Hidridlerin hidrolizi:

NaH + H20 → NaOH + H2

4.Alkalilerin çinko veya alüminyum üzerindeki etkisi:

2Al + 2NaOH + 6H20 → 2Na + 3H2

Zn + 2KOH + 2H20 → K2 + H2

5.Elektroliz kullanma. Alkalilerin veya asitlerin sulu çözeltilerinin elektrolizi sırasında katotta hidrojen açığa çıkar, örneğin:

2H 3 Ö + + 2e − → H 2 + 2H 2 Ö

Fiziki ozellikleri

Hidrojen iki formda (modifikasyonlar) mevcut olabilir - orto- ve para-hidrojen formunda. Bir ortohidrojen molekülünde Ö-H2 (en −259,10 °C, bp −252,56 °C) nükleer dönüşler aynı şekilde (paralel) yönlendirilir ve parahidrojen için P-H2 (erime noktası -259,32 °C, kaynama noktası -252,89 °C) - birbirine zıttır (antiparalel). Denge karışımı Ö-H2 ve P Belirli bir sıcaklıkta -H2 denir denge hidrojeni e-H2.

Hidrojen modifikasyonları, sıvı nitrojen sıcaklığında aktif karbon üzerinde adsorpsiyonla ayrılabilir. Çok düşük sıcaklıklarda ortohidrojen ve parahidrojen arasındaki denge neredeyse tamamen parahidrojene doğru kayar. 80 K'de formların oranı yaklaşık 1:1'dir. Isıtıldığında desorbe edilen parahidrojen, oda sıcaklığında dengede olan bir karışım oluşana kadar ortohidrojene dönüştürülür (orto-para: 75:25). Katalizör olmadan, dönüşüm yavaş yavaş gerçekleşir (yıldızlararası ortamın koşulları altında - karakteristik zamanlarla kozmolojik olanlara kadar), bu da bireysel modifikasyonların özelliklerini incelemeyi mümkün kılar.

Hidrojen en hafif gazdır, havadan 14,5 kat daha hafiftir. Açıkçası, moleküllerin kütlesi ne kadar küçükse, aynı sıcaklıkta hızları da o kadar yüksek olur. En hafif moleküller olan hidrojen molekülleri, diğer gazların moleküllerinden daha hızlı hareket eder ve böylece ısıyı bir cisimden diğerine daha hızlı aktarabilir. Buradan hidrojenin gaz halindeki maddeler arasında en yüksek termal iletkenliğe sahip olduğu sonucu çıkar. Isıl iletkenliği havanın ısıl iletkenliğinden yaklaşık yedi kat daha yüksektir.

Hidrojen molekülü diyatomiktir - H2. Normal şartlarda renksiz, kokusuz ve tatsız bir gazdır. Yoğunluk 0,08987 g/l (n.s.), kaynama noktası -252.76 °C, özgül yanma ısısı 120.9×10 6 J/kg, suda az çözünür - 18.8 ml/l. Hidrojen birçok metalde (Ni, Pt, Pd, vb.), özellikle paladyumda (1 hacim Pd başına 850 hacim) oldukça çözünür. Hidrojenin metallerdeki çözünürlüğü metaller arasında yayılma yeteneği ile ilgilidir; Bir karbon alaşımından (örneğin çelik) difüzyona bazen hidrojenin karbonla etkileşimi nedeniyle (dekarbonizasyon olarak adlandırılan) alaşımın tahrip olması eşlik eder. Gümüşte pratik olarak çözünmez.

Sıvı hidrojen−252,76 ile −259,2 °C arasında çok dar bir sıcaklık aralığında bulunur. Renksiz, çok hafif (-253 °C'de yoğunluk 0,0708 g/cm3) ve akışkan (-253 °C'de viskozite 13,8 spuaz) bir sıvıdır. Hidrojenin kritik parametreleri çok düşüktür: sıcaklık -240,2 °C ve basınç 12,8 atm. Bu, hidrojenin sıvılaştırılmasındaki zorlukları açıklamaktadır. Sıvı halde denge hidrojeni %99,79 para-H2, %0,21 orto-H2'den oluşur.

Katı hidrojen, erime noktası −259,2 °C, yoğunluk 0,0807 g/cm3 (−262 °C'de) - kar benzeri kütle, altıgen kristaller, P6/mmc uzay grubu, hücre parametreleri A=3,75 C=6.12. Yüksek basınçta hidrojen metalik bir duruma dönüşür.

İzotoplar

Hidrojen, ayrı adlara sahip üç izotop formunda oluşur: 1H - protium (H), 2H - döteryum (D), 3H - trityum (radyoaktif) (T).

Protium ve döteryum, kütle numaraları 1 ve 2 olan kararlı izotoplardır. Doğadaki içerikleri sırasıyla 99,9885 ± %0,0070 ve 0,0115 ± %0,0070'tir. Bu oran hidrojenin kaynağına ve üretim yöntemine bağlı olarak biraz değişebilir.

Hidrojen izotopu 3H (trityum) kararsızdır. Yarı ömrü 12,32 yıldır. Trityum doğal olarak çok küçük miktarlarda oluşur.

Literatürde ayrıca kütle numaraları 4 - 7 ve yarı ömürleri 10 -22 - 10 -23 s olan hidrojen izotoplarına ilişkin veriler de sağlanmaktadır.

Doğal hidrojen 3200:1 oranında H2 ve HD (döteryum hidrojen) moleküllerinden oluşur. Saf döteryum hidrojen D2'nin içeriği daha da azdır. HD ve D2 konsantrasyonlarının oranı yaklaşık 6400:1'dir.

Kimyasal elementlerin tüm izotopları arasında, hidrojen izotoplarının fiziksel ve kimyasal özellikleri birbirinden en çok farklılık gösterir. Bunun nedeni atom kütlelerindeki en büyük göreceli değişimdir.

Sıcaklık erime, k	Sıcaklık kaynamak, k	Üçlü nokta, K/kPa	Kritik nokta, K/kPa	Yoğunluk sıvı/gaz, kg/m³

Döteryum ve trityumun ayrıca orto ve para modifikasyonları da vardır: P-D2, Ö-D2, P-T2, Ö-T 2 . Heteroizotop hidrojenin (HD, HT, DT) orto ve para modifikasyonları yoktur.

Kimyasal özellikler

Ayrışmış hidrojen moleküllerinin fraksiyonu

Hidrojen molekülleri H2 oldukça güçlüdür ve hidrojenin reaksiyona girmesi için çok fazla enerji harcanması gerekir:

H 2 = 2H - 432 kJ

Bu nedenle, normal sıcaklıklarda hidrojen yalnızca kalsiyum gibi çok aktif metallerle reaksiyona girerek kalsiyum hidrit oluşturur:

Ca + H2 = CaH2

ve hidrojen florür oluşturan tek metal olmayan flor ile:

Hidrojen, yüksek sıcaklıklarda veya aydınlatma gibi diğer etkiler altında metallerin ve metal olmayanların çoğuyla reaksiyona girer:

02 + 2H2 = 2H20

Bazı oksitlerden oksijeni “çıkarabilir”, örneğin:

CuO + H2 = Cu + H2O

Yazılı denklem hidrojenin indirgeyici özelliklerini yansıtır.

N2 + 3H2 → 2NH3

Halojenlerle hidrojen halojenürler oluşturur:

F 2 + H 2 → 2HF, reaksiyon karanlıkta ve herhangi bir sıcaklıkta patlayıcı bir şekilde meydana gelir,

Cl 2 + H 2 → 2HCl, reaksiyon yalnızca ışıkta patlayıcı bir şekilde ilerler.

Yüksek ısı altında kurumla etkileşime girer:

C + 2H 2 → CH 4

Alkali ve alkalin toprak metallerle etkileşim

Hidrojen, aktif metallerle etkileşime girdiğinde hidritler oluşturur:

2Na + H2 → 2NaH

Ca + H 2 → CaH 2

Mg + H 2 → MgH 2

Hidritler- kolayca hidrolize edilen tuz benzeri katı maddeler:

CaH2 + 2H20 → Ca(OH)2 + 2H2

Metal oksitlerle etkileşim (genellikle d elementleri)

Oksitler metallere indirgenir:

CuO + H 2 → Cu + H 2 O

Fe 2 Ö 3 + 3H 2 → 2Fe + 3H 2 Ö

WO 3 + 3H 2 → W + 3H 2 O

Organik bileşiklerin hidrojenasyonu

Moleküler hidrojen, organik bileşiklerin indirgenmesi için organik sentezlerde yaygın olarak kullanılır. Bu süreçlere denir hidrojenasyon reaksiyonları. Bu reaksiyonlar, yüksek basınç ve sıcaklıkta bir katalizör varlığında gerçekleştirilir. Katalizör homojen (örn. Wilkinson Catalyst) veya heterojen (örn. Raney nikeli, karbon üzerinde paladyum) olabilir.

Böylece, özellikle alkenler ve alkinler gibi doymamış bileşiklerin katalitik hidrojenasyonu sırasında doymuş bileşikler - alkanlar oluşur.

Hidrojenin jeokimyası

Serbest hidrojen H2, karasal gazlarda nispeten nadir bulunur, ancak su formunda jeokimyasal süreçlerde son derece önemli bir rol alır.

Hidrojen minerallerde amonyum iyonu, hidroksil iyonu ve kristal su formunda bulunabilir.

Atmosferde suyun güneş ışınımıyla ayrışması sonucu sürekli olarak hidrojen üretilir. Kütlesi düşük olan hidrojen molekülleri, yüksek bir yayılma hareket hızına sahiptir (ikinci kozmik hıza yakındır) ve atmosferin üst katmanlarına girdiklerinde uzaya uçabilirler.

Tedavinin özellikleri

Hidrojen, havayla karıştırıldığında patlayıcı bir karışım oluşturur; buna patlayıcı gaz denir. Bu gaz, hidrojen ve oksijenin hacim oranı 2:1 olduğunda veya hava yaklaşık %21 oksijen içerdiğinden hidrojen ve hava yaklaşık 2:5 olduğunda en patlayıcıdır. Hidrojen aynı zamanda bir yangın tehlikesidir. Sıvı hidrojen ciltle temas ederse ciddi donmalara neden olabilir.

Hidrojen ve oksijenin patlayıcı konsantrasyonları hacimce %4 ila %96 arasında meydana gelir. Hava ile karıştırıldığında hacimce %4'ten %75(74)'e kadar.

Ekonomi

Büyük toptan tedarikler için hidrojenin maliyeti kg başına 2-5 dolar arasında değişmektedir.

Başvuru

Atomik hidrojen, atomik hidrojen kaynağı için kullanılır.

Kimyasal endüstri

Amonyak, metanol, sabun ve plastik üretiminde
Sıvı bitkisel yağlardan margarin üretiminde
Besin takviyesi olarak kayıtlı E949(ambalaj gazı)

Gıda endüstrisi

Havacılık endüstrisi

Hidrojen çok hafiftir ve daima havada yükselir. Bir zamanlar hava gemileri ve balonlar hidrojenle dolduruluyordu. Ama 30'lu yıllarda. XX yüzyıl Zeplinlerin patladığı ve yandığı birçok felaket yaşandı. Günümüzde hava gemileri, maliyeti çok yüksek olmasına rağmen helyumla dolduruluyor.

Yakıt

Hidrojen roket yakıtı olarak kullanılıyor.

Hidrojenin otomobil ve kamyonlarda yakıt olarak kullanılmasına ilişkin araştırmalar sürüyor. Hidrojen motorları çevreyi kirletmez ve sadece su buharı yayar.

Hidrojen-oksijen yakıt hücreleri, kimyasal reaksiyonun enerjisini doğrudan elektrik enerjisine dönüştürmek için hidrojeni kullanır.

"Sıvı Hidrojen"(“LH”), 0,07 g/cm³ düşük özgül yoğunluğa ve 14,01 K (-259,14 °C) donma noktasına ve 20,28 K (-252,87 °C) kaynama noktasına sahip kriyojenik özelliklere sahip hidrojenin sıvı halidir. ). Renksiz, kokusuz, hava ile karıştırıldığında %4-75 yanıcılık aralığına sahip patlayıcı olarak sınıflandırılan bir sıvıdır. Sıvı hidrojendeki izomerlerin dönüş oranı: %99,79 - parahidrojen; %0,21 - ortohidrojen. Hidrojenin toplanma durumunu gaz haline değiştirirken genleşme katsayısı 20°C'de 848:1'dir.

Diğer gazlarda olduğu gibi hidrojenin sıvılaştırılması da hacminin azalmasına neden olur. Sıvılaştırmadan sonra sıvı sıvı, ısı yalıtımlı kaplarda basınç altında depolanır. Sıvı hidrojen Sıvı hidrojen, LH2, Sol 2) endüstride bir gaz depolama biçimi olarak ve uzay endüstrisinde roket yakıtı olarak aktif olarak kullanılmaktadır.

Hikaye

Yapay soğutmanın belgelenen ilk kullanımı 1756'da İngiliz bilim adamı William Cullen tarafından gerçekleştirildi; 1784'te kükürt oksidin sıvı halini elde eden ilk kişi Gaspard Monge oldu; sıvılaştırılmış amonyağı elde eden ilk kişi Michael Faraday oldu; Amerikalı mucit Oliver Evans 1805'te bir soğutma kompresörü geliştiren ilk kişi oldu, 1834'te soğutma makinesinin patentini alan ilk kişi Jacob Perkins oldu ve 1851'de Amerika Birleşik Devletleri'nde bir klimanın patentini alan ilk kişi John Gorey oldu. Werner Siemens, 1857'de rejeneratif soğutma konseptini önerdi; Karl Linde, 1876'da kademeli bir "Joule-Thomson genleşme etkisi" ve rejeneratif soğutma kullanarak sıvı hava üretmek için ekipmanın patentini aldı. 1885 yılında Polonyalı fizikçi ve kimyager Zygmunt Wroblewski hidrojenin kritik sıcaklığını 33 K, kritik basıncını ise 13,3 atm olarak yayınladı. ve kaynama noktası 23 K'dır. Hidrojen ilk kez 1898'de James Dewar tarafından rejeneratif soğutma ve onun icadı olan Dewar şişesi kullanılarak sıvılaştırıldı. Sıvı hidrojenin kararlı bir izomeri olan parahidrojenin ilk sentezi 1929'da Paul Harteck ve Carl Bonhoeffer tarafından gerçekleştirildi.

Hidrojenin spin izomerleri

Oda sıcaklığında hidrojen esas olarak bir spin izomeri olan ortohidrojenden oluşur. Üretimden sonra sıvı hidrojen yarı kararlı bir durumdadır ve düşük sıcaklıklarda değiştiğinde meydana gelen patlayıcı ekzotermik reaksiyonu önlemek için parahidrojen formuna dönüştürülmesi gerekir. Parahidrojen fazına dönüşüm genellikle demir oksit, krom oksit, aktif karbon, platin kaplı asbest, nadir toprak metalleri gibi katalizörler kullanılarak veya uranyum veya nikel katkı maddeleri kullanılarak gerçekleştirilir.

Kullanım

Sıvı hidrojen, içten yanmalı motorlar ve yakıt hücreleri için bir yakıt depolama biçimi olarak kullanılabilir. Hidrojenin bu toplam formu kullanılarak çeşitli denizaltılar ("212A" ve "214" projeleri, Almanya) ve hidrojen taşıma konseptleri oluşturulmuştur (örneğin "DeepC" veya "BMW H2R"ye bakınız). Tasarımların yakınlığı nedeniyle, LHV ekipmanının yaratıcıları sıvılaştırılmış doğal gaz (LNG) kullanan sistemleri kullanabilir veya yalnızca değiştirebilir. Ancak hacimsel enerji yoğunluğunun düşük olması nedeniyle yanma, doğal gaza göre daha büyük hacimde hidrojen gerektirir. Pistonlu motorlarda "CNG" yerine sıvı hidrojen kullanılıyorsa genellikle daha hacimli bir yakıt sistemine ihtiyaç duyulur. Direkt enjeksiyonda emme kanalındaki artan kayıplar silindir dolumunu azaltır.

Sıvı hidrojen ayrıca nötron saçılma deneylerinde nötronları soğutmak için de kullanılır. Nötron ve hidrojen çekirdeğinin kütleleri neredeyse eşittir, bu nedenle elastik çarpışma sırasında enerji alışverişi en etkili olanıdır.

Avantajları

Hidrojen kullanmanın avantajı, kullanımının “sıfır emisyon” olmasıdır. Hava ile etkileşiminin ürünü sudur.

Engeller

Bir litre “ZhV” yalnızca 0,07 kg ağırlığındadır. Yani özgül ağırlığı 20 K'de 70,99 g/l'dir. Sıvı hidrojen, özel ısı yalıtımlı kaplar gibi kriyojenik depolama teknolojisi gerektirir ve tüm kriyojenik malzemeler için tipik olan özel kullanım gerektirir. Bu bakımdan sıvı oksijene yakındır ancak yangın tehlikesi nedeniyle daha fazla dikkat gerektirir. Yalıtılmış kaplarda bile onu sıvı halde tutmak için gereken düşük sıcaklıklarda tutmak zordur (tipik olarak günde %1 oranında buharlaşır). Hidrojenle çalışırken olağan güvenlik önlemlerini de uygulamanız gerekir; patlayıcı olan havayı sıvılaştıracak kadar soğuktur.

Roket yakıtı

Sıvı hidrojen, fırlatma araçlarını ve uzay araçlarını hareket ettirmek için kullanılan roket yakıtlarının yaygın bir bileşenidir. Sıvı hidrojen roket motorlarının çoğunda, bir oksitleyici ile karıştırılıp itme kuvveti üretmek üzere yakılmadan önce ilk olarak memeyi ve diğer motor parçalarını rejeneratif olarak soğutmak için kullanılır. H2/O2 bileşenlerini kullanan modern motorlar, hidrojen açısından aşırı zenginleştirilmiş bir yakıt karışımı tüketir ve bu da egzozda belirli miktarda yanmamış hidrojene yol açar. Molekül ağırlığını azaltarak motorun özgül itiş gücünü artırmanın yanı sıra, bu aynı zamanda meme ve yanma odasının aşınmasını da azaltır.

LH'nin diğer alanlarda kullanılmasının önündeki kriyojenik doğa ve düşük yoğunluk gibi engeller de bu durumda kullanımı sınırlayıcı bir faktördür. 2009 yılı itibariyle tamamı hidrojen roketinden oluşan tek bir fırlatma aracı (Delta-4 fırlatma aracı) bulunmaktadır. Temel olarak "ZhV", roketlerin üst aşamalarında veya yükün uzaya vakumla fırlatılması işinin önemli bir bölümünü gerçekleştiren bloklarda kullanılır. Bu tür yakıtın yoğunluğunu artırmaya yönelik önlemlerden biri olarak, çamur benzeri hidrojenin, yani yarı donmuş bir "sıvı hidrojen" formunun kullanılması önerileri vardır.

Kategoride popüler: