Hidrogén

A hidrogén egyatomos formája a legelterjedtebb kémiai anyag az univerzumban , amely a teljes bariontömeg körülbelül 75%-át teszi ki . A kompakt csillagok kivételével főként hidrogénplazmából állnak . A periódusos rendszer legkönnyebb eleme.

A hidrogén három izotópjának saját neve van : 1H - protium , 2H - deutérium és 3H - trícium ( radioaktív ). A leggyakoribb izotóp, a protium magja csak egy protonból áll, és nem tartalmaz neutronokat .

Normál hőmérsékleten és nyomáson a hidrogén színtelen, szagtalan és íztelen , nem mérgező kétatomos gáz (kémiai képlete - H 2 ), amely levegővel vagy oxigénnel keveredve éghető , rendkívül gyúlékony és robbanásveszélyes [3] . Más oxidáló gázok, például fluor vagy klór jelenlétében a hidrogén is robbanásveszélyes. Mivel a hidrogén könnyen kovalens kötést képez a legtöbb nemfémmel , a Földön található hidrogén nagy része molekuláris vegyületekben, például vízben vagy szerves anyagokban található . A hidrogén különösen fontos szerepet játszik a sav-bázis reakciókban .

Oldjuk fel etanolban és számos fémben : vasban , nikkelben , palládiumban , titánban , platinában , nióbiumban .

Felfedezési előzmények

A savak és fémek kölcsönhatása során éghető gázok felszabadulását a 16. és 17. században figyelték meg a kémia, mint tudomány kialakulásának hajnalán. A hidrogént először Paracelsus szerezte meg vasreszelék kénsavba mártásával a 16. században.

Robert Boyle 1671- ben részletesen leírta a vasreszelék és a híg savak közötti reakciót, amelyben hidrogéngáz szabadul fel [7] [8] .

1766-ban Henry Cavendish ismerte fel először a hidrogéngázt egyedi elemként, és a fém savval való reakciója során felszabaduló gázt "éghető levegőnek" nevezte. Azt javasolta, hogy az „éghető levegő” azonos a „ phlogiszton ” nevű hipotetikus anyaggal, és 1781-ben megállapította, hogy amikor elégették, víz keletkezik [9] [10] .

Mihail Lomonoszov is egyenesen a hidrogén felszabadulására mutatott rá , de már akkor megértette, hogy ez nem flogiszton .

Antoine Lavoisier francia kémikus Jean Meunier mérnökkel közösen, speciális gázmérők segítségével 1783 -ban a víz szintézisét, majd elemzését végezte, vörösen izzó vassal lebontva a vízgőzt. Így megállapította, hogy az „éghető levegő” a víz része, és abból nyerhető.

A név eredete

Lavoisier a hidrogénnek adta a hydrogene nevet ( más görög ὕδωρ - víz és γεννάω - szülök) - "víz szülése". 1801- ben Lavoisier egyik követője, Vaszilij Severgin akadémikus "vizes anyagnak" nevezte, ezt írta [11] :

A vizes anyag savas anyaggal kombinálva vizet képez. Ez határozattal és szövegezéssel is igazolható.

A „hidrogén” orosz nevet Mihail Szolovjov kémikus javasolta 1824 - ben – Lomonoszov „ oxigénjével ” analógiaként .

Prevalencia

Az univerzumban

A hidrogén jelenleg a legelterjedtebb elem az univerzumban [12] . Az összes atom körülbelül 88,6%-át teszi ki (körülbelül 11,3%-a héliumatom , az összes többi elem részesedése együttvéve körülbelül 0,1%) [13] . Így a hidrogén a csillagok és a csillagközi gáz fő alkotóeleme . Az atomi hidrogén széles körben elterjedt előfordulása először a rekombináció korszakában fordult elő .

Csillaghőmérséklet körülményei között (például a Nap felszíni hőmérséklete ~6000 °C) a hidrogén plazma formájában létezik , a csillagközi térben ez az elem egyedi molekulák , atomok és ionok formájában létezik, és molekuláris formákat alkothat . nagyságban, sűrűségben és hőmérsékletben jelentősen eltérő felhők.

A földkéreg és az élő szervezetek

A hidrogén tömeghányada a földkéregben 1% - ez a tizedik leggyakoribb elem. A természetben betöltött szerepét azonban nem a tömeg, hanem az atomok száma határozza meg, amelyek aránya a többi elem között 17% (második helyen az oxigén után , amelynek az atomok aránya ~52%). Ezért a hidrogén jelentősége a Földön végbemenő kémiai folyamatokban majdnem akkora, mint az oxigéné.

Ellentétben az oxigénnel, amely kötött és szabad állapotban is létezik a Földön, a Földön gyakorlatilag az összes hidrogén vegyület formájában van; csak nagyon kis mennyiségű hidrogént tartalmaz egyszerű anyag formájában a légkör (0,00005 térfogatszázalék száraz levegő esetén [14] [15] ).

A hidrogén szinte minden szerves anyag része, és minden élő sejtben jelen van, ahol a hidrogén az atomok számának közel 63%-át teszi ki [16] .

Getting

Az iparban

2019-ben 75 millió tonna hidrogént fogyasztanak a világon, főként az olajfinomításban és az ammóniagyártásban . Ennek több mint 3/4-ét földgázból állítják elő , amelyhez több mint 205 milliárd m 3 gázt fogyasztanak [17] . Szinte minden más szénből készül. Körülbelül 0,1%-át (~100 ezer tonna) állítják elő elektrolízissel. A hidrogén előállítása során ~830 millió tonna CO 2 kerül a légkörbe . A földgázból előállított hidrogén költségét 1 kg-onként 1,5-3 dollárra becsülik.

Metánátalakítás gőzzel 1000 °C-on:

{\ce {CH4 + H2O <=> CO + 3H2}}

Vízgőz átvezetése forró kokszon körülbelül 1000 °C hőmérsékleten:

{\ce {H2O + C <=> CO ^ + H2 ^}}

Sók vizes oldatainak elektrolízise :

{\ce {2NaCl + 2H2O -> 2NaOH + Cl2 ^ + H2 ^))

Aktív fémek hidroxidjainak (főleg kálium-hidroxidnak ) vizes oldatainak elektrolízise [18] (eng.)

{\ce {2H2O ->[4e^{-}] 2H2 ^ + O2 ^))

Ezenkívül létezik egy ipari technológia a vegytiszta víz elektrolízisére, adalékanyagok használata nélkül. Valójában az eszköz egy reverzibilis üzemanyagcella , szilárd polimer membránnal vagy anélkül [18] http://kyivtoulouse.univ.kiev.ua/journal/index.php/fruajc/article/view/201 Archív példány február 5-től , 2020 a Wayback Machine -nél .

Metán katalitikus oxidációja oxigénnel:

{\ce {2CH4 + O2 <=> 2CO + 4H2}}

Szénhidrogének krakkolása és reformálása az olajfinomítási folyamatban.

A laboratóriumban

Híg savak hatása fémekre . Egy ilyen reakció végrehajtásához leggyakrabban cinket és híg kénsavat használnak :

{\ce {Zn + H2SO4 -> ZnSO4 + H2 ^}}

A kalcium kölcsönhatása vízzel :

{\ce {Ca + 2H2O -> Ca(OH)2 + H2 ^))

Hidridek hidrolízise :

{\ce {NaH + H2O -> NaOH + H2 ^}}

Lúgok hatása cinkre vagy alumíniumra :

{\ce {2Al + 2NaOH + 6H2O -> 2Na[Al(OH)4] + 3H2 ^}}

{\ce {Zn + 2KOH + 2H2O -> K2[Zn(OH)4] + H2 ^}}

Az elektrolízis segítségével . Lúgok vagy savak vizes oldatainak elektrolízise során a katódon hidrogén szabadul fel, például:

{\ce {2H3O+ + 2e- -> 2H2O + H2 ^}}

Tisztítás

Az iparban számos módszert alkalmaztak a hidrogén tisztítására a hidrogéntartalmú nyersanyagoktól (ún. hidrogéntartalmú gáz - HCG) [19] .

Alacsony hőmérsékletű kondenzáció : A HSG-t a metán és az etán kondenzációs hőmérsékletére hűtik , majd a hidrogént desztillációval választják el . Az eljárást –158 °C hőmérsékleten és 4 MPa nyomáson hajtjuk végre . A tisztított hidrogén tisztasága 93-94%, a kezdeti HSG-ben 40%-ig.
Adszorpciós elválasztás zeoliton : ez a módszer messze a legelterjedtebb a világon. A módszer meglehetősen rugalmas, és mind a HSG-ből történő hidrogén-kivonásra, mind a már megtisztított hidrogén további tisztítására használható. Az első esetben az eljárást 3,0-3,5 MPa nyomáson hajtják végre . A hidrogénkivonás mértéke 80-85%, tisztasága 99%. A második esetben gyakran használják az Union Carbide PSA eljárását . Először 1978-ban került kereskedelmi forgalomba. Jelenleg több mint 250 blokk üzemel 0,6-3,0 millió m 3 H 2 /nap. Nagy tisztaságú hidrogén képződik - 99,99%.
Abszorpciós extrakció folyékony oldószerekkel : Ezt a módszert ritkán alkalmazzák, bár a hidrogént nagy, 99,9%-os tisztasággal nyerik.
Hidrogénkoncentráció a membránokon : A legjobb mintákon a módszer lehetővé teszi 95-96%-os tisztaságú hidrogén előállítását, de az ilyen berendezések termelékenysége alacsony.
Hidrogén szelektív abszorpciója fémek által : A módszer a lantán nikkellel , vas titánnal , cirkónium nikkellel és más ötvözeteinek azon képességén alapul, hogy akár 30 térfogat hidrogént is elnyeljenek .

Költség

A hidrogén ára nagyméretű nagykereskedelmi szállítások esetén 2-7 USD /kg [20] . Kis mennyiségben zöld vagy sötétzöld színű acélhengerekben szállítják.

Fizikai tulajdonságok

A hidrogén a legkönnyebb gáz: 14,5-szer könnyebb a levegőnél. Ezért például a hidrogénnel töltött szappanbuborékok felfelé hajlanak a levegőben [21] . Minél kisebb a molekulák tömege, annál nagyobb a sebességük ugyanazon a hőmérsékleten. A hidrogénmolekulák, mint a legkönnyebbek, gyorsabban mozognak, mint bármely más gáz molekulái, aminek köszönhetően gyorsabban tudják átadni a hőt egyik testről a másikra. Ebből következik, hogy a gáz halmazállapotú anyagok közül a hidrogénnek van a legnagyobb hővezető képessége . Hővezető képessége körülbelül 7-szer nagyobb, mint a levegőé.

A hidrogén molekula kétatomos - H 2 . Normál körülmények között színtelen, szagtalan és íztelen gáz. Sűrűség 0,08987 g / l ( n.a. ), forráspont –252,76 °C, fajlagos égéshő: 120,9⋅10 6 J / kg , vízben gyengén oldódik - 18,8 ml / l n.a. A hidrogén oldhatósága vízben a nyomás növekedésével nő, a hőmérséklet emelkedésével pedig csökken.

A hidrogén nagyon jól oldódik számos fémben ( Ni , Pt , Pd stb.), különösen a palládiumban (850 térfogat H 2 1 térfogat Pd-ra). A hidrogén fémekben való oldhatóságához kapcsolódik, hogy képes átdiffundálni rajtuk; A széntartalmú ötvözeten (például acélon) keresztül történő diffúzió néha az ötvözet tönkremenetelével jár a hidrogén és a szén kölcsönhatása miatt (úgynevezett dekarbonizáció). Ezüstben gyakorlatilag nem oldódik .

A folyékony hidrogén nagyon szűk –252,76 és –259,2 °C közötti hőmérséklet-tartományban létezik. Színtelen folyadék, nagyon könnyű ( sűrűsége –253 °C-on 0,0708 g / cm³ ) és folyékony ( viszkozitása –253 °C-on 13,8 cP ). A hidrogén kritikus paraméterei: hőmérséklet –240,2 °C, nyomás 12,8 atm , kritikus sűrűség 0,0312 g/cm³ és kritikus térfogat 66,95-68,9 cm³/mol ( 0,033 m³/kg ). A kritikus paraméterek jelzett értékei megmagyarázzák a hidrogén cseppfolyósításának nehézségeit.

Folyékony állapotban az egyensúlyi hidrogén 99,79% para-H 2 , 0,21% orto-H 2 .

Szilárd hidrogén , olvadáspont -259,2 ° C, sűrűség 0,0807 g / cm³ (-262 ° C-on) - hószerű tömeg, hatszögletű kristályok , P6 / mmc tércsoport , cella paraméterei a \ u003d 0,378 nm és c \ u003d 0. 6167 nm .

Fémes hidrogén

1935 -ben Winger és Huntington azt javasolta, hogy 250 000 atm feletti nyomáson a hidrogén fémessé válhat . Ennek az anyagnak a stabil állapotba vétele nagyon csábító távlatokat nyitott a felhasználására - elvégre ultrakönnyű fémről lenne szó, a könnyű és energiaigényes rakéta-üzemanyag összetevőjéről. 2014-ben azt találták, hogy körülbelül 1,5-2,0 millió atm nyomáson a hidrogén elkezdi elnyelni az infravörös sugárzást , ami azt jelenti, hogy a hidrogénmolekulák elektronhéja polarizálódik . Talán még nagyobb nyomáson a hidrogén fémmé alakul [22] . 2017-ben egy jelentés jelent meg egy lehetséges kísérleti megfigyelésről, amely a hidrogén nagy nyomás alatt fémes állapotba való átmenetét vizsgálja [23] [24] .

Spin izomerek

A molekuláris hidrogén két spinformában (módosításban) létezik: ortohidrogén és parahidrogén . A módosítások fizikai tulajdonságaiban, optikai spektrumában és neutronszórási jellemzőiben is kissé eltérnek egymástól. Az o -H 2 ortohidrogénmolekulában ( olvadáspont -259,10 °C, forráspont -252,56 °C) az atommagok spinjei párhuzamosak, a parahidrogénben pedig a p -H 2 (olvadáspont : -259,32 °C, fp . -252,89) °C) egymással ellentétesek (antipárhuzamosak). Az o -H 2 és p -H 2 egyensúlyi keverékét adott hőmérsékleten egyensúlyi hidrogén e -H 2 -nek nevezzük .

A hidrogén spin izomerjei folyékony nitrogén hőmérsékleten aktív szénen történő adszorpcióval választhatók el . Nagyon alacsony hőmérsékleten az ortohidrogén és a parahidrogén közötti egyensúly szinte teljesen a parahidrogén felé tolódik el, mivel a paramolekula energiája valamivel kisebb, mint az orto-molekula energiája. 80 K hőmérsékleten a módosítási arány körülbelül 1:1. A szénből deszorbeált parahidrogén hevítés hatására ortohidrogénné alakul, így egyensúlyi keverék keletkezik. Szobahőmérsékleten ortohidrogén és parahidrogén egyensúlyi keveréke van körülbelül 75:25 arányban [25] . Katalizátor nélkül az interkonverzió viszonylag lassan megy végbe, ami lehetővé teszi mindkét módosítás tulajdonságainak tanulmányozását. Ritkább csillagközi közeg körülményei között az egyensúlyi keverékbe való átmenet jellemző ideje nagyon hosszú, egészen a kozmológiaiig.

Izotópok

A hidrogén három izotópja a legismertebb: a protium 1 H (atommag - proton ), a deutérium 2 H (a mag egy protonból és egy neutronból áll ) és a trícium 3 H (a mag egy protonból és két neutronból áll). Ezeknek az izotópoknak saját kémiai szimbólumaik vannak: protium - H, deutérium - D, trícium - T.

A protium és a deutérium stabil. Ezeknek az izotópoknak a tartalma a természetes hidrogénben 99,9885 ± 0,0070%, illetve 0,0115 ± 0,0070% [26] . A hidrogénforrástól és a hidrogén előállítási módszerétől függően kis mértékben változhat. A trícium instabil, 12,32 éves periódus alatt béta-bomláson megy keresztül , stabil hélium-3- má alakul [26] . A trícium nyomokban fordul elő a természetben, főként a kozmikus sugarak és a stabil atommagok kölcsönhatásával, a deutérium hőneutronjainak befogásával, valamint a lítium-6 természetes izotópjának és a kozmikus sugarak által keltett neutronokkal való kölcsönhatása révén.

A hidrogén 4-7 tömegszámú, 10-21-10-23 s felezési idejű nehéz radioaktív izotópjait mesterségesen is előállították [ 26 ] .

A természetes molekuláris hidrogén H 2 és HD (deuterohidrogén) molekulákból áll, 3200:1 arányban. A tiszta deutérium D 2 molekulák tartalma még ennél is kevesebb, a HD és a D 2 koncentrációinak aránya körülbelül 6400:1.

A kémiai elemek izotópjai közül a hidrogénizotópok fizikai tulajdonságai különböznek egymástól leginkább. Ennek oka az atomok tömegének legnagyobb relatív változása [27] .

	Olvadáspont , K	Forráspont , K	hármas pont		kritikus pont		Sűrűség, kg/m³
	Olvadáspont , K	Forráspont , K	T , K	P , kPa	T , K	P , MPa	folyékony	gáz
H2_ _	13.96	20.39	13.96	7.3	32.98	1.31	70.811	1.316
HD	16.65	22.13	16.6	12.8	35.91	1.48	114,0	1.802
HT		22.92	17.63	17.7	37.13	1.57	158,62	2.31
D2_ _	18.65	23.67	18.73	17.1	38.35	1.67	162,50	2.23
DT		24.38	19.71	19.4	39.42	1.77	211,54	2.694
T2_ _	20.63	25.04	20.62	21.6	40.44	1.85	260,17	3.136

A tiszta protium, deutérium és trícium molekulái két allotróp módosulatban létezhetnek (amelyek a magok spineinek kölcsönös orientációjában különböznek egymástól ) - orto- és parahidrogénben: o -D 2 , p -D 2 , o -T 2 , p - T 2 . A más izotóp összetételű (HD, HT, DT) hidrogénmolekulák nem rendelkeznek orto és para módosulatokkal.

Izotópok tulajdonságai

A hidrogénizotópok tulajdonságait a [26] [28] táblázat mutatja be .

Izotóp	Z	N	szentmise, a. eszik.	Fél élet	Spin	Természetes tartalom, %	A bomlás típusa és energia
1H_ _	egy	0	1 007 825 032 07 (10)	stabil	1⁄2 + _ _	99.9885(70)
2H _	egy	egy	2 014 101 777 8 (4)	stabil	1+ _	0,0115 (70)
3H _	egy	2	3 016 049 277 7 (25)	12,32 (2) év	1⁄2 + _ _		β −	18.591 (1) keV
4H _	egy	3	4 027 81 (11)	1,39(10)⋅10 −22 s	2 −		-n	23,48(10) MeV
5H_ _	egy	négy	5.035 31 (11)	több mint 9,1⋅10 -22 s	( 1⁄2 + ) _ _		-nn	21.51(11) MeV
6H _	egy	5	6.044 94(28)	2,90(70)⋅10 −22 s	2 −		-3n	24.27(26) MeV
7H_ _	egy	6	7.052 75(108)	2,3(6)⋅10 −23 s	1⁄2 + _ _		-nn	23.03(101) MeV

Zárójelben megadjuk a megfelelő szám utolsó számjegyének egységnyi értékének szórását.

Az 1H mag tulajdonságai lehetővé teszik az NMR spektroszkópia széleskörű alkalmazását szerves anyagok elemzésében.

Kémiai tulajdonságok

A hidrogénmolekulák elég erősek, és ahhoz, hogy a hidrogén reagálhasson, sok energiát kell elkölteni:

{\ce {H2->2H-432{\text{kJ))))

Ezért a hidrogén oxidáló képessége az aktív fémekkel való reakciókban nyilvánul meg, általában magasabb hőmérsékleten és nyomáson. Normál hőmérsékleten a hidrogén csak nagyon aktív fémekkel, például kalciummal lép reakcióba, és kalcium-hidridet képez :

{\ce {Ca + H2 -> CaH2))

és az egyetlen nemfém- fluorral , amely hidrogén-fluoridot képez :

{\ce {F2 + H2 -> 2HF}}

A hidrogén reakcióba lép a legtöbb fémmel és nemfémmel magas hőmérsékleten vagy más hatások hatására, például megvilágítva:

{\ce {O2 + 2H2 -> 2H2O}}

A felírt egyenlet a hidrogén redukáló tulajdonságait tükrözi.

{\ce {CuO + H2 -> H2O + Cu))

Halogénekkel hidrogén-halogenideket képez :

{\ce {H2 + F2 -> 2HF}}

, a reakció sötétben és bármilyen hőmérsékleten robbanással megy végbe,

{\ce {H2 + Cl2 -> 2HCl))

, a reakció robbanással megy végbe, csak a fényben.

Erős melegítés hatására kölcsönhatásba lép a kormmal:

{\ce {C + 2H2 -> CH4}}

Kölcsönhatás alkáli- és alkáliföldfémekkel

Az aktív fémekkel való kölcsönhatás során a hidrogén hidrideket képez:

{\ce {2Na + H2 -> 2NaH))

{\ce {Ca + H2 -> CaH2))

{\ce {Mg + H2 -> MgH2}}

A hidridek sószerű, szilárd anyagok, könnyen hidrolizálódnak:

{\ce {CaH2 + 2H2O -> Ca(OH)2 + 2H2 ^}}

Kölcsönhatás fém-oxidokkal

A fém - oxidok (jellemzően d-elemek ) fémekké redukálódnak:

{\ce {Fe2O3 + 3H2 -> 2Fe + 3H2O}}

{\ce {WO3 + 3H2 -> W + 3H2O))

Szerves vegyületek hidrogénezése

A molekuláris hidrogént széles körben használják a szerves szintézisben szerves vegyületek redukciójára. Ezeket a folyamatokat hidrogénezési reakcióknak nevezzük . Ezeket a reakciókat katalizátor jelenlétében , emelt nyomáson és hőmérsékleten hajtjuk végre. A katalizátor lehet homogén (pl. Wilkinson-katalizátor ) vagy heterogén (pl. Raney-nikkel , palládium faszénen).

Így különösen a telítetlen vegyületek, például alkének és alkinok katalitikus hidrogénezése során telített vegyületek képződnek - alkánok .

{\ce {R - CH = CH - R' + H2 -> R - CH2 - CH2 - R'))

A hidrogén geokémiája

A Földön a hidrogéntartalom alacsonyabb a Naphoz, az óriásbolygókhoz és az elsődleges meteoritokhoz képest, ami azt jelenti, hogy a Föld a kialakulás során jelentősen gáztalanodott: a hidrogén zöme más illékony elemekhez hasonlóan a felszaporodás során vagy röviddel azután elhagyta a bolygót. azt. Ennek a gáznak a pontos tartalma azonban bolygónk geoszféráinak (a földkéreg kivételével ) - asztenoszféra , köpeny , a Föld magja - összetételében nem ismert.

A szabad hidrogén H 2 viszonylag ritka a szárazföldi gázokban, de víz formájában rendkívül fontos szerepet tölt be a geokémiai folyamatokban. Ismeretes a vulkáni gázok összetételének hidrogéntartalma, bizonyos mennyiségű hidrogén kiáramlása a repedési zónák törései mentén, és ennek a gáznak a felszabadulása egyes széntelepekben [29] [30] .

A hidrogén az ásványi anyagokban ammóniumion , hidroxil -ion és víz formájában lehet jelen .

A légkörben a metán vagy más szerves anyagok oxidációs láncában képződő formaldehid lebomlása következtében folyamatosan molekuláris hidrogén képződik napsugárzás (31-67 gigaton /év), különböző tüzelőanyagok és biomassza tökéletlen égése következtében. (5–25 gigatonna/év), a mikroorganizmusok nitrogénmegkötése során a levegőből (3–22 gigatonna/év) [31] [32] [33] .

Kis tömegük miatt a levegőben lévő hidrogénmolekulák nagy hősebességgel rendelkeznek (közel van a második kozmikus sebességhez), és a légkör felső rétegeibe esve örökre a világűrbe repülhetnek (lásd: Bolygói légkör disszipációja ). A veszteséget másodpercenként 3 kg -ra becsülik [34] [35] .

Óvintézkedések

A hidrogén levegővel keveredve robbanásveszélyes keveréket képez - az úgynevezett robbanógázt . Ez a gáz akkor a legrobbanékonyabb, ha a hidrogén és az oxigén térfogataránya 2:1, vagy a hidrogén és a levegő körülbelül 2:5, mivel a levegő körülbelül 21% oxigént tartalmaz. A hidrogén is gyúlékony . A folyékony hidrogén súlyos fagyási sérüléseket okozhat , ha a bőrrel érintkezik .

Úgy gondolják, hogy a hidrogén robbanásveszélyes koncentrációja oxigénnel 4-96 térfogat% között van. Levegővel keverve 4-75 (74) térfogatszázalék. Az ilyen számadatok ma már a legtöbb referenciakönyvben megjelennek, és indikatív becslésekhez használhatók. Nem szabad azonban elfelejteni, hogy a későbbi vizsgálatok (körülbelül a 80-as évek végén) feltárták, hogy a hidrogén nagy mennyiségben kisebb koncentrációban is robbanásveszélyes lehet. Minél nagyobb a térfogat, annál alacsonyabb a hidrogén koncentrációja veszélyes.

Ennek a széles körben nyilvánosságra hozott hibának az az oka, hogy a robbanékonyságot laboratóriumokban, kis mennyiségeken vizsgálták. Mivel a hidrogén reakciója oxigénnel lánckémiai reakció, amely a szabad gyökök mechanizmusa szerint megy végbe, a szabad gyökök „elhalása” a falakon (vagy mondjuk a porszemcsék felületén) kritikus a lánc folytatása szempontjából. . Azokban az esetekben, amikor lehetőség van nagy mennyiségben "határkoncentráció" kialakítására (helyiségek, hangárok, műhelyek), figyelembe kell venni, hogy a tényleges robbanóanyag-koncentráció felfelé és lefelé is eltérhet 4%-tól .

Alkalmazás

A hidrogént ma számos területen használják. A világ hidrogénfogyasztásának szerkezetét az alábbi táblázat mutatja be

A világ hidrogénfogyasztásának szerkezete (2007) (eng.) [36]

Alkalmazás	Részvény
Ammónia termelés	54%
Olajfinomítás és vegyipar	35%
Elektronikai gyártás	6%
Kohászat és üvegipar	3%
élelmiszeripar	2%

Vegyipar

A vegyipar a legnagyobb hidrogénfogyasztó. A világ hidrogéntermelésének mintegy 50%-a ammónia előállítására megy el . További 8%-ot metanolgyártásra használnak [37] . Az ammóniát műanyagok, műtrágyák, robbanóanyagok és egyebek előállítására használják. A metanol egyes műanyagok előállításának alapja.

Olajfinomító ipar

Az olajfinomítás során a hidrogént hidrokrakkolási és hidrogénező kezelési folyamatokban használják fel , ami elősegíti a kőolaj feldolgozási mélységének növelését és a végtermékek minőségének javítását. A világon termelt hidrogén mintegy 37%-át használják fel erre a célra [37] .

Élelmiszer- és kozmetikai ipar

A sertészsír ( növényi olajokból előállított szilárd zsír ) előállítása során. A Salomas a margarin , kozmetikumok, szappangyártás alapja. A hidrogént élelmiszer-adalékanyagként tartják nyilván az E949 számon .

Közlekedés

A hidrogént üzemanyagként használják a kereskedelemben kapható hidrogén üzemanyagcellás járművekhez : Toyota Mirai , Hyundai Nexo . Az amerikai Nikola cég archivált 2020. február 13-án a Wayback Machine -nél bemutatta a hidrogénüzemű haszonjárművek sorát, valamint egy Nikola Badger kisteherautót, 960 km-es hatótávolsággal [38]

Az Alstom 2018-ban indította útjára Németországban az első kereskedelmi célú üzemanyagcellás vonatot, a Coradia iLint, amely egyetlen hidrogéntartállyal 1000 km-t képes megtenni. A vonatok 100 kilométeres utakat tesznek meg akár 140 kilométeres óránkénti sebességgel [39] .

Laboratórium

A hidrogént a kémiai laboratóriumokban vivőgázként használják a gázkromatográfiában . Számos élelmiszer-, illatszer-, kohászati és vegyipari vállalkozásnál van ilyen laboratórium. A hidrogén gyúlékonysága ellenére használata ebben a szerepben meglehetősen biztonságosnak tekinthető, mivel a hidrogént kis mennyiségben használják. A hidrogén, mint vivőgáz hatékonysága lényegesen alacsonyabb költség mellett jobb, mint a héliumé [40] .

Repülési ipar

Jelenleg a hidrogént nem használják a repülésben. Egyszer régen a léghajókat és a léggömböket hidrogénnel töltötték meg. De a 30-as években. 20. század több katasztrófa is történt, amelyek során a léghajók felrobbantak és leégtek. Napjainkban a léghajókat héliummal töltik meg, annak ellenére, hogy lényegesen magasabb költsége van.

Meteorológia

A hidrogént a meteorológiában használják az időjárási léggömbök héjának kitöltésére . A hidrogén ebben a minőségben előnyt jelent a héliummal szemben, mivel olcsóbb. Még ennél is fontosabb, hogy a hidrogént közvetlenül az időjárási állomáson állítják elő egyszerű vegyi generátorral vagy víz elektrolízisével. A héliumot viszont hengerekben kell az időjárás állomásra szállítani, ami távoli helyeken nehézkes lehet [41] .

Üzemanyag

A hidrogént rakétaüzemanyagként használják . A rendkívül szűk (7 Kelvin alatti) hőmérsékleti tartomány miatt, amelyben a hidrogén folyékony marad, a gyakorlatban gyakrabban alkalmazzák a folyékony és szilárd fázisok keverékét .

A hidrogén-oxigén üzemanyagcellák hidrogént használnak arra, hogy a kémiai reakció energiáját közvetlenül elektromos energiává alakítsák.

Energiaipar

A villamosenergia-iparban a hidrogént nagy teljesítményű elektromos generátorok hűtésére használják [42] .

Vegyes

Az atomos hidrogént atomhidrogénes hegesztéshez használják . A hidrogén nagy hővezető képességét használják a giroiránytű gömbjeinek és a LED- es izzólámpák üvegburáinak kitöltésére .

Lásd még

Antihidrogén

Jegyzetek

Hozzászólások

↑ Az atomtömeg-értékek tartományát a természetben előforduló eltérő izotópszámok jelzik .

Források

↑ Michael E. Wieser, Norman Holden, Tyler B. Coplen, John K. Böhlke, Michael Berglund, Willi A. Brand, Paul De Bièvre, Manfred Gröning, Robert D. Loss, Juris Meija, Takafumi Hirata, Thomas Prohaska, Ronny Schoenberg , Glenda O'Connor, Thomas Walczyk, Shige Yoneda, Xiang-Kun Zhu. Az elemek atomi tömegei 2011 (IUPAC Technical Report ) // Pure and Applied Chemistry . - 2013. - Kt. 85 , sz. 5 . - P. 1047-1078 . - doi : 10.1351/PAC-REP-13-03-02 .
↑ Hidrogén: elektronegativitások . webelemek. Hozzáférés dátuma: 2010. július 15. Az eredetiből archiválva : 2010. június 27.
↑ 1 2 Hidrogén // Kémiai Enciklopédia : 5 kötetben / Ch. szerk. I. L. Knunyants . - M . : Szovjet Encyclopedia , 1988. - T. 1: A - Darzana. - S. 400-402. — 623 p. — 100.000 példány. - ISBN 5-85270-008-8 .
↑ Fedorov P.I. , Hármas pont, 1998 , p. 12.
↑ Khazanova N. E. , Kritikus állapot, 1990 , p. 543.
↑ Az elemek szabványos atomtömege 2021 (IUPAC Technical Report) (angol) - IUPAC , 1960. - ISSN 0033-4545 ; 1365-3075 ; 0074-3925 – doi:10.1515/PAC-2019-0603
↑ Boyle, R. (1672). „A tiszteletreméltó Robert Boyle által írt traktátusok, amelyek új kísérleteket tartalmaznak, érintve a láng és a levegő kapcsolatát…” London.
↑ Winter, M. Hidrogén: történelmi információk . WebElements Ltd (2007). Letöltve: 2008. február 5. Az eredetiből archiválva : 2008. április 10.. (határozatlan)
↑ Musgrave, A. Miért szorította ki az oxigén a flogisztont? Kutatási programok a kémiai forradalomban // Módszer és értékelés a fizikai tudományokban (angol) / Howson, C.. - Cambridge University Press , 1976. - (The Critical Background to Modern Science, 1800–1905).
↑ Cavendish, Henry. Három dolgozat, amelyek kísérleteket tartalmaznak a tényleges levegőről, a Hon. Henry Cavendish , FR S (angol) // Philosophical Transactions : Journal. - 1766. - május 12. ( 56. köt. ). - 141-184 . o . - doi : 10.1098/rstl.1766.0019 . - Iránykód . — .
↑ Severgin V. M. Assay art, vagy útmutató fémércek és más fosszilis testek kémiai vizsgálatához. Szentpétervár: Imp. AN, 1801. C. 2.
↑ [www.chemister.ru/Chemie/records.htm Guinness Vegyi Rekordok Könyve]
↑ N. Greenwood, A. Earnshaw. Elemek kémiája: 2 kötetben. — BINOM. Tudáslaboratórium, 2008. - V. 1. - S. 11. - 607 p. — (A legjobb külföldi tankönyv). - ISBN 978-5-94774-373-9 .
↑ Gribbin, John. Tudomány. A történelem (1543-2001). - L. : Penguin Books, 2003. - 648 p. — ISBN 978-0-140-29741-6 .
↑ Az adatok forrása: Szén-dioxid, NOAA Földrendszeri Kutatólaboratórium archiválva 2018. december 25-én a Wayback Machine -nél , (frissítve: 2010.06.) . Methane, IPCC TAR table 6.1 Archivált : 2007. június 15., a Wayback Machine , (frissítve 1998-ra). A NASA összesített értéke 17 ppmv volt 100% felett, és a CO2 -t itt 15 ppmv-vel növelték. A normalizáláshoz az N 2 -t körülbelül 25 ppmv-vel, az O 2 -t pedig körülbelül 7 ppmv - vel kell csökkenteni .
↑ Hornak D.P. Az MRI alapjai . Letöltve: 2013. augusztus 23. Az eredetiből archiválva : 2014. február 9.. (határozatlan)
↑ „HIDROGÉN-összeírás” Gazprom Magazin, 2019. szeptember, 42–43 . Letöltve: 2019. október 22. Az eredetiből archiválva : 2019. október 22. (határozatlan)
↑ 1 2 Da Rosa, Aldo Vieira. A megújuló energia folyamatok alapjai . - Amsterdam: Elsevier Academic Press, 2005. - 370. o. - xvii, 689 oldal p. — ISBN 0120885107 .
↑ A.K. Manovyan. Természetes energiahordozók feldolgozásának technológiája. - Moszkva: Kémia, Kolos, 2004. - 456 p. - ISBN 5-98109-004-9 , 5-9532-0219-97.
↑ Arkagyij Schwartz. Hydrogen Revisited Archiválva : 2010. szeptember 30. a Wayback Machine -nél . Értesítő online 19(356) 2004. szeptember 15.
↑ Hidrogénes szappanbuborékok 2014. július 26-i archív másolat a Wayback Machine -n – videó élmény a Digitális Oktatási Erőforrások Egységes Gyűjteményében.
↑ Szervetlen kémia. 2. kötet. Intranzitív elemek kémiája / szerk. akad. Yu. D. Tretyakova . - Moszkva: Akadémia, 2004. - 368 p. — ISBN 5-7695-1436-1 .
↑ Dias Ranga P. , Silvera Isaac F. A Wigner-Huntington átmenet megfigyelése a fémes hidrogénre // Tudomány. - 2017. - január 26. ( 355. évf. , 6326. sz.). - S. 715-718 . — ISSN 0036-8075 . - doi : 10.1126/science.aal1579 .
↑ Alekszej Poniatov. 2017 tíz legnagyobb eseménye a fizikában és a csillagászatban. Stabil fémes hidrogén // Tudomány és élet . - 2018. - 1. sz . - S. 9 . (Orosz)
↑ Farkas L. Orto- és parahidrogén. [[Előrelépések a fizikai tudományokban]], 15. évf. 3. 1935 . Letöltve: 2018. szeptember 22. Az eredetiből archiválva : 2018. szeptember 22. (határozatlan)
↑ 1 2 3 4 Audi G. , Bersillon O. , Blachot J. , Wapstra AH A NUBASE értékelése a nukleáris és bomlási tulajdonságokról // Nuclear Physics A. - 2003. - T. 729 . - S. 3-128 . - doi : 10.1016/j.nuclphysa.2003.11.001 . - .
↑ Züttel A., Borgschulte A., Schlapbach L. A hidrogén mint jövő energiahordozója. Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, 2008. - ISBN 978-3-527-30817-0 .
↑ Audi G. , Wapstra AH , Thibault C. Az AME2003 atomtömeg-értékelés (II.). Táblázatok, grafikonok és hivatkozások (angol) // Nukleáris fizika A. - 2003. - 1. évf. 729 . - P. 337-676 . - doi : 10.1016/j.nuclphysa.2003.11.003 . - .
↑ Portnov Sándor. A vulkánok hidrogén lelőhelyek. Archiválva : 2013. június 6., a Wayback Machine / Industrial Bulletin, 2010. október-december 10-12. szám.
↑ Gresov A. I., Obzhirov A. I., Yatsuk A. V. A hidrogéntartalom kérdéséről a távol-keleti szénmedencékben / Vestnik KRAUNC. Földtudományok. 2010, 1. szám, 15. szám P. 19-32.
↑ http://www.atmos-chem-phys.net/11/3375/2011/acp-11-3375-2011.pdf Archiválva : 2013. május 21. a Wayback Machine -nél Új becslés a közelmúltban a troposzférikus molekuláris hidrogén-költségvetésről légköri megfigyelések és variációs inverzió] doi:10.5194/acp-11-3375-2011 , 2011 „A H2 fő forrásai a fotokémiai termelés a formaldehid (HCHO) légkörben történő átalakulásával és a tökéletlen égési folyamatok. A metán és más illékony szerves vegyületek (VOC) oxidációs láncának terméke, a HCHO fotolízise 31-77 Tg yr−1, és a teljes H2-forrás felét teszi ki. A fosszilis tüzelőanyagok és a biomassza égetésével járó kibocsátások, amelyek két nem teljes égési forrás, a globális H2-költségvetés hasonló részét teszik ki (5-25 Tg yr-1). A forrásokat a kontinentális és tengeri bioszférában történő nitrogénkötésből származó H2-kibocsátás (3-22 Tg yr-1) teszi teljessé. A H2 szabad hidroxilgyökök (OH) általi oxidációja és a talajban zajló enzimatikus H2 pusztulásnak egyensúlyba kell hoznia ezeket a forrásokat, mivel a troposzférikus H2 nem mutat jelentős hosszú távú trendet (Grant et al., 2010)”
↑ Chemistry of the Natural Atmosphere Archiválva : 2017. december 10., a Wayback Machine 207-201. oldala, 4.14 táblázat
↑ A hidrogéngazdaság globális környezeti hatásai Archiválva : 2014. december 5. a Wayback Machine -nél 61. oldal 1. táblázat
↑ David C. Catling és Kevin J. Zahnle, The Planetary Air Leak. Ahogy a Föld légköre lassan kiszivárog az űrbe, bolygónk úgy fog kinézni, mint a Vénusz? Archivált : 2014. február 2. a Wayback Machine -nél //SCIENTIFIC AMERICAN, 2009. május
↑ Ferronsky VI, Denisik SA, Ferronsky SV 8. fejezet. A Föld globális dinamikája // Jacobi Dynamics: Many-Body Problem in Integral Characteristics. - (Astrophysics and Space Science Library. Vol. 130) . - Springer Science & Business Media, 1986. - P. 296. - ISBN 9027724180 , 9789027724182.
↑ Olu Ajayi-Oyakhire. Hidrogén – kiaknázatlan energia? (nem elérhető link) . Gázmérnökök és Menedzserek Intézménye . Gázmérnökök és Menedzserek Intézménye (2012). Letöltve: 2018. március 24. Az eredetiből archiválva : 2018. április 17. (határozatlan)
↑ 1 2 R. V. Radcsenko, A. S. Mokrushin, V. V. Tyulpa. Hidrogén az energiában. - Jekatyerinburg: Ural University Press, 2014. - P. 24. - 229 p. — ISBN 978-5-7996-1316-7 .
↑ Nikola Borz . Letöltve: 2020. február 14. Az eredetiből archiválva : 2020. február 13. (határozatlan)
↑ Németország első hidrogénvonata . Letöltve: 2020. február 14. Az eredetiből archiválva : 2020. január 24. (határozatlan)
↑ Hélium – mennyibe kerül a laborok jelenlegi költsége? . www.peakscientific.com. Letöltve: 2015. november 17. Az eredetiből archiválva : 2015. november 18.. (határozatlan)
↑ A.A. Ivanov (fejlesztési menedzser). Útmutató hidrometeorológiai állomásokhoz és állomásokhoz. 4. szám . Roshydromet . Roshydromet (2003. július 16.). Letöltve: 2018. március 24. Az eredetiből archiválva : 2021. június 3. (határozatlan)
↑ A szinkrongépek működési elve és kialakítása . Letöltve: 2014. június 9. Az eredetiből archiválva : 2014. szeptember 13.. (határozatlan)

Irodalom

Digonsky S. V., Ten V. V. Ismeretlen hidrogén. - Szentpétervár: Nauka, 2006. ISBN 5-02-025114-3 .
Kuzmenko N. E., Eremin V. V., Popkov V. A. A kémia kezdetei. Modern kurzus egyetemekre jelentkezőknek: Tankönyv egyetemeknek. - M .: "Exam" kiadó, 2005.
Fedorov P. I. Hárompont // Kémiai enciklopédia . - Great Russian Encyclopedia , 1998. - V. 5: Triptofán - Iatrochemistry . - S. 12 . (Orosz)
Khazanova N. E. Kritikus állapot // Kémiai enciklopédia . - Szovjet Enciklopédia , 1990. - T. 2: Daph - Med . - S. 541-543 . (Orosz)
Nuklidok diagramja . — 17-én. - Knolls Atomic Power Laboratory, 2010. - ISBN 978-0-9843653-0-2 .
Newton, David E. A kémiai elemek . New York: Franklin Watts, 1994. - ISBN 978-0-531-12501-4 .
Rigden, John S. Hydrogen: Az alapvető elem . - Cambridge, Massachusetts: Harvard University Press , 2002. - ISBN 978-0-531-12501-4 .
Romm, Joseph, J. A Hype a hidrogénről, tények és fikciók a versenyben a klíma megmentéséért . — Szigetnyomda, 2004. - ISBN 978-1-55963-703-9 .
Scerri, Eric. A periódusos rendszer, története és jelentősége . - New York: Oxford University Press , 2007. - ISBN 978-0-19-530573-9 .

Linkek

Hidrogén archiválva : 2016. január 10. a Wayback Machine -nál a The Periodic Table of Videos -nál ( University of Nottingham )
Ferreira-Aparicio, P.; Benito, MJ; Sanz, JL Új trendek a reformtechnológiákban: a hidrogénipari üzemektől a többtüzelésű mikroreformátorokig // Catalysis Reviews : folyóirat. - 2005. - 20. évf. 47 , sz. 4 . - P. 491-588 . - doi : 10.1080/01614940500364958 .