Hidrogen

Forma monoatomică a hidrogenului este cea mai comună substanță chimică din univers , reprezentând aproximativ 75% din masa totală a barionului . Stele, cu excepția celor compacte , constau în principal din plasmă de hidrogen . Cel mai ușor dintre elementele din tabelul periodic.

Trei izotopi ai hidrogenului au propriile nume : 1 H- protiu , 2H- deuteriu și 3H - tritiu ( radioactiv ) . Nucleul celui mai comun izotop, protium, este format dintr-un singur proton și nu conține neutroni .

La temperatura și presiunea standard , hidrogenul este un gaz diatomic incolor, inodor și fără gust , netoxic (formula chimică - H 2 ), care, atunci când este amestecat cu aer sau oxigen, este combustibil și extrem de inflamabil și exploziv [3] . În prezența altor gaze oxidante, cum ar fi fluorul sau clorul , hidrogenul este, de asemenea, exploziv. Deoarece hidrogenul formează cu ușurință legături covalente cu majoritatea nemetalelor , cea mai mare parte a hidrogenului de pe Pământ există în compuși moleculari precum apa sau materia organică . Hidrogenul joacă un rol deosebit de important în reacțiile acido-bazice .

Să dizolvăm în etanol și o serie de metale : fier , nichel , paladiu , titan , platină , niobiu .

Istoricul descoperirilor

Eliberarea de gaz combustibil în timpul interacțiunii acizilor și metalelor a fost observată în secolele al XVI -lea și al XVII-lea , în zorii formării chimiei ca știință. Hidrogenul a fost obținut pentru prima dată de Paracelsus prin scufundarea piliturii de fier în acid sulfuric în secolul al XVI-lea.

În 1671, Robert Boyle a descris în detaliu reacția dintre pilitura de fier și acizii diluați, în care se eliberează hidrogen gazos [7] [8] .

În 1766, Henry Cavendish a fost primul care a recunoscut gazul hidrogen ca element individual, denumind gazul eliberat prin reacția unui metal cu acid „aer combustibil”. El a sugerat că „aerul combustibil” era identic cu o substanță ipotetică numită „ flogiston ” și a descoperit în 1781 că atunci când era ars, se forma apă [9] [10] .

Mihail Lomonosov a arătat, de asemenea, în mod direct eliberarea de hidrogen , dar a înțeles deja că acesta nu este flogiston .

Chimistul francez Antoine Lavoisier , împreună cu inginerul Jean Meunier , folosind gazometre speciale, în 1783 au efectuat sinteza apei, iar apoi analiza acesteia, descompunând vaporii de apă cu fier înroșit. Așa că a stabilit că „aerul combustibil” face parte din apă și poate fi obținut din aceasta.

Originea numelui

Lavoisier a dat hidrogenului numele de hydrogène (din altă greacă ὕδωρ - apă și γεννάω - eu nasc) - „născând apă”. În 1801, un adept al lui Lavoisier, academicianul Vasily Severgin , a numit-o „substanță apoasă”, el a scris [11] :

O substanță apoasă combinată cu o substanță acidă formează apă. Acest lucru poate fi dovedit atât prin rezoluție, cât și prin redactare.

Numele rusesc „hidrogen” a fost propus de chimistul Mihail Solovyov în 1824 - prin analogie cu „ oxigenul ” lui Lomonosov .

Prevalență

În univers

Hidrogenul este în prezent cel mai abundent element din univers [12] . Reprezintă aproximativ 88,6% din toți atomii (aproximativ 11,3% sunt atomi de heliu , ponderea tuturor celorlalte elemente luate împreună este de aproximativ 0,1%) [13] . Astfel, hidrogenul este componenta principală a stelelor și a gazului interstelar . Apariția pe scară largă a hidrogenului atomic a avut loc pentru prima dată în timpul erei recombinării .

În condițiile temperaturilor stelare (de exemplu, temperatura suprafeței Soarelui este de ~6000 °C), hidrogenul există sub formă de plasmă , în spațiul interstelar acest element există sub formă de molecule , atomi și ioni individuali și poate forma molecule . nori care diferă semnificativ ca mărime, densitate și temperatură.

Scoarța terestră și organismele vii

Fracția de masă a hidrogenului din scoarța terestră este de 1% - acesta este al zecelea element cel mai comun. Cu toate acestea, rolul său în natură este determinat nu de masă, ci de numărul de atomi, a căror pondere între alte elemente este de 17% (locul al doilea după oxigen , a căror proporție de atomi este de ~ 52%). Prin urmare, importanța hidrogenului în procesele chimice care au loc pe Pământ este aproape la fel de mare ca cea a oxigenului.

Spre deosebire de oxigen, care există pe Pământ atât în stare legată, cât și în stare liberă, practic tot hidrogenul de pe Pământ este sub formă de compuși; doar o cantitate foarte mică de hidrogen sub formă de substanță simplă este conținută în atmosferă (0,00005% în volum pentru aerul uscat [14] [15] ).

Hidrogenul face parte din aproape toate substanțele organice și este prezent în toate celulele vii, unde hidrogenul reprezintă aproape 63% din numărul de atomi [16] .

Obținerea

În industrie

Începând cu 2019, 75 de milioane de tone de hidrogen sunt consumate în lume, în principal în rafinarea petrolului și producția de amoniac . Dintre acestea, mai mult de 3/4 sunt produse din gaze naturale , pentru care se consumă peste 205 miliarde m 3 de gaze [17] . Aproape orice altceva este făcut din cărbune. Aproximativ 0,1% (~100 mii de tone) este produs prin electroliză. În timpul producției de hidrogen, ~830 milioane de tone de CO 2 intră în atmosferă . Costul hidrogenului produs din gaze naturale este estimat la 1,5-3 USD per 1 kg.

Conversia metanului cu abur la 1000 °C:

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

Trecerea vaporilor de apă peste cocs fierbinte la o temperatură de aproximativ 1000 °C:

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

Electroliza soluțiilor apoase de săruri:

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

Electroliza soluțiilor apoase de hidroxizi ai metalelor active (în principal hidroxid de potasiu ) [18] (ing.)

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

În plus, există o tehnologie industrială pentru electroliza apei pure din punct de vedere chimic, fără utilizarea niciunui aditiv. De fapt, dispozitivul este o celulă de combustibil reversibilă cu sau fără membrană polimerică solidă [18] http://kyivtoulouse.univ.kiev.ua/journal/index.php/fruajc/article/view/201 Copie arhivată din 5 februarie , 2020 la Wayback Machine .

Oxidarea catalitică a metanului cu oxigen:

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

Cracarea și reformarea hidrocarburilor în procesul de rafinare a petrolului.

În laborator

Acțiunea acizilor diluați asupra metalelor . Pentru a efectua o astfel de reacție, cel mai adesea se utilizează zinc și acid sulfuric diluat :

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

Interacțiunea calciului cu apa :

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

Hidroliza hidrurilor :

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

Acțiunea alcalinelor asupra zincului sau aluminiului :

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

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

Cu ajutorul electrolizei . În timpul electrolizei soluțiilor apoase de alcalii sau acizi , hidrogenul este eliberat la catod , de exemplu:

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

Purificare

În industrie, au fost implementate mai multe metode de purificare a hidrogenului din materii prime care conțin hidrogen (așa-numitul gaz care conține hidrogen - HCG) [19] .

Condensare la temperatură joasă : HSG este răcit la temperaturile de condensare ale metanului și etanului , după care hidrogenul este separat prin distilare . Procesul se desfășoară la o temperatură de -158 ° C și o presiune de 4 MPa . Puritatea hidrogenului purificat este de 93–94% la concentrația sa în HSG inițial până la 40%.
Separarea prin adsorbție pe zeoliți : această metodă este de departe cea mai comună din lume. Metoda este destul de flexibilă și poate fi utilizată atât pentru extracția hidrogenului din HSG, cât și pentru purificarea suplimentară a hidrogenului deja purificat. În primul caz, procesul se efectuează la presiuni de 3,0-3,5 MPa . Gradul de extracție a hidrogenului este de 80–85% cu o puritate de 99%. În al doilea caz, procesul PSA al Union Carbide este adesea folosit . A fost comercializat pentru prima dată în 1978. În prezent, peste 250 de unități funcționează de la 0,6 la 3,0 milioane m 3 H 2 /zi. Se formează hidrogen de înaltă puritate - 99,99%.
Extracție absorbtivă cu solvenți lichizi : Această metodă este rar utilizată, deși se obține hidrogen cu o puritate ridicată de 99,9%.
Concentrația hidrogenului pe membrane : Pe cele mai bune probe, metoda face posibilă obținerea hidrogenului cu o puritate de 95-96%, dar productivitatea unor astfel de instalații este scăzută.
Absorbția selectivă a hidrogenului de către metale : Metoda se bazează pe capacitatea aliajelor de lantan cu nichel , fier cu titan , zirconiu cu nichel și altele de a absorbi până la 30 de volume de hidrogen.

Cost

Costul hidrogenului pentru livrările mari angro variază între 2–7 USD /kg [20] . In cantitati mici se transporta in cilindri de otel de culoare verde sau verde inchis.

Proprietăți fizice

Hidrogenul este cel mai ușor gaz: este de 14,5 ori mai ușor decât aerul. Prin urmare, de exemplu, bulele de săpun umplute cu hidrogen tind în sus în aer [21] . Cu cât masa moleculelor este mai mică, cu atât viteza lor este mai mare la aceeași temperatură. Fiind cele mai ușoare, moleculele de hidrogen se mișcă mai repede decât moleculele oricărui alt gaz, datorită căruia pot transfera căldura de la un corp la altul mai repede. Rezultă că hidrogenul are cea mai mare conductivitate termică dintre substanțele gazoase. Conductivitatea sa termică este de aproximativ 7 ori mai mare decât cea a aerului.

Molecula de hidrogen este diatomic - H 2 . În condiții normale, este un gaz incolor, inodor și fără gust. Densitate 0,08987 g / l ( n.a. ), punct de fierbere -252,76 ° C, căldură specifică de ardere 120,9⋅10 6 J / kg , ușor solubil în apă - 18,8 ml / l la n.a. Solubilitatea hidrogenului în apă crește odată cu creșterea presiunii și scade odată cu creșterea temperaturii.

Hidrogenul este foarte solubil în multe metale ( Ni , Pt , Pd etc.), în special în paladiu (850 volume de H 2 per 1 volum de Pd). Legat de solubilitatea hidrogenului în metale este capacitatea acestuia de a difuza prin ele; difuzia printr-un aliaj carbonic (de exemplu, oțel) este uneori însoțită de distrugerea aliajului din cauza interacțiunii hidrogenului cu carbonul (așa-numita decarbonizare). Practic insolubil în argint .

Hidrogenul lichid există într-un interval de temperatură foarte îngust de la -252,76 la -259,2 °C. Este un lichid incolor, foarte ușor ( densitate la -253 °C 0,0708 g / cm³ ) și fluid ( vâscozitate la -253 °C 13,8 cP ). Parametrii critici ai hidrogenului sunt: temperatura -240,2 °C, presiunea 12,8 atm , densitatea critică 0,0312 g/cm³ și volumul critic 66,95-68,9 cm³/mol ( 0,033 m³/kg ). Valorile indicate ale parametrilor critici explică dificultățile în lichefierea hidrogenului.

În stare lichidă, hidrogenul de echilibru este format din 99,79% para-H 2 , 0,21% orto-H 2 .

Hidrogen solid , punct de topire -259,2 ° C, densitate 0,0807 g / cm³ (la -262 ° C) - masă asemănătoare zăpezii, cristale hexagonale , grup spațial P6 / mmc, parametrii celulei a \ u003d 0,378 nm și c \ u003d 0 . 6167 nm .

Hidrogen metalic

În 1935, Winger și Huntington au sugerat că la presiuni de peste 250.000 atm , hidrogenul ar putea deveni metalic . Obținerea acestei substanțe într-o stare stabilă a deschis perspective foarte tentante pentru utilizarea ei - la urma urmei, ar fi un metal ultraușor, o componentă a combustibilului pentru rachete ușor și consumator de energie. În 2014, s-a constatat că la o presiune de aproximativ 1,5–2,0 milioane atm , hidrogenul începe să absoarbă radiația infraroșie , ceea ce înseamnă că învelișurile de electroni ale moleculelor de hidrogen sunt polarizate . Poate că, la presiuni și mai mari, hidrogenul se va transforma într-un metal [22] . În 2017, a apărut un raport despre o posibilă observare experimentală a trecerii hidrogenului în stare metalică la presiune ridicată [23] [24] .

Izomeri de spin

Hidrogenul molecular există în două forme de spin (modificări): ortohidrogen și parahidrogen . Modificările diferă ușor în proprietățile fizice, spectre optice și, de asemenea, în caracteristicile de împrăștiere a neutronilor. În molecula de ortohidrogen o -H 2 ( p.t. -259,10 ° C, p.t. -252,56 ° C), spinurile nucleelor sunt paralele, iar în parahidrogen p -H 2 (p.t. -259,32 ° C, p.t. -252,89 °C) sunt opuse între ele (anti-paralele). Un amestec de echilibru de o -H 2 și p -H 2 la o temperatură dată se numește hidrogen de echilibru e -H 2 .

Izomerii de spin ai hidrogenului pot fi separați prin adsorbție pe cărbune activ la temperatura azotului lichid . La temperaturi foarte scăzute, echilibrul dintre ortohidrogen și parahidrogen este aproape complet mutat către parahidrogen, deoarece energia para-moleculei este puțin mai mică decât energia orto-moleculei. La 80 K , raportul de modificare este de aproximativ 1:1. Parahidrogenul desorbit din cărbune este transformat în ortohidrogen la încălzire pentru a forma un amestec de echilibru. La temperatura camerei există un amestec de echilibru de ortohidrogen și parahidrogen într-un raport de aproximativ 75:25 [25] . Fără catalizator, interconversia are loc relativ lent, ceea ce face posibilă studierea proprietăților ambelor modificări. În condițiile unui mediu interstelar rarefiat, timpul caracteristic de tranziție la un amestec de echilibru este foarte lung, până la cele cosmologice.

Izotopi

Cel mai bine sunt cunoscuți trei izotopi ai hidrogenului: protium 1 H (nucleu atomic - proton ), deuteriu 2 H (nucleul este format dintr-un proton și un neutron ) și tritiu 3 H (nucleul este format dintr-un proton și doi neutroni). Acești izotopi au propriile lor simboluri chimice: protiu - H, deuteriu - D, tritiu - T.

Protiul și deuteriul sunt stabile. Conținutul acestor izotopi în hidrogen natural este de 99,9885 ± 0,0070% și respectiv 0,0115 ± 0,0070% [26] . Poate varia ușor în funcție de sursă și de metoda de obținere a hidrogenului. Tritiul este instabil, suferă dezintegrare beta cu o perioadă de 12,32 ani , transformându-se în heliu-3 stabil [26] . Tritiul se găsește în natură în urme, format în principal prin interacțiunea razelor cosmice cu nucleele stabile, prin captarea neutronilor termici de către deuteriu și prin interacțiunea izotopului natural al litiului-6 cu neutronii generați de razele cosmice.

De asemenea, au fost obținuți artificial izotopi radioactivi grei ai hidrogenului cu numere de masă 4–7 și timpi de înjumătățire 10–21–10–23 s [ 26 ] .

Hidrogenul molecular natural constă din molecule H 2 și HD (deuterohidrogen) într-un raport de 3200:1. Conținutul de molecule din deuteriu pur D 2 în el este chiar mai mic, raportul dintre concentrațiile HD și D 2 este de aproximativ 6400:1.

Dintre toți izotopii elementelor chimice, proprietățile fizice ale izotopilor de hidrogen diferă cel mai mult unul de celălalt. Aceasta se datorează celei mai mari modificări relative a maselor de atomi [27] .

	Punctul de topire , K	Punctul de fierbere , K	punct triplu		punct critic		Densitate, kg/m³
	Punctul de topire , K	Punctul de fierbere , K	T , K	P , kPa	T , K	P , MPa	lichid	gaz
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

Moleculele de protiu pur, deuteriu si tritiu pot exista in doua modificari alotropice (difera prin orientarea reciproca a spinurilor nucleelor) - orto- si parahidrogen: o -D 2 , p -D 2 , o -T 2 , p - T2 . _ Moleculele de hidrogen cu alte compoziții izotopice (HD, HT, DT) nu au modificări orto și para.

Proprietățile izotopilor

Proprietățile izotopilor hidrogenului sunt prezentate în tabelul [26] [28] .

Izotop	Z	N	Liturghie, a. mânca.	Jumătate de viață	A învârti	Conținut în natură, %	Tipul de dezintegrare și energie
1H _	unu	0	1.007 825 032 07(10)	grajd	1⁄2 + _ _	99,9885(70)
2H _	unu	unu	2.014 101 777 8(4)	grajd	1+ _	0,0115(70)
3H _	unu	2	3.016 049 277 7(25)	12.32(2) ani	1⁄2 + _ _		β −	18,591(1) keV
4 ore _	unu	3	4.027 81(11)	1,39(10)⋅10 −22 s	2 −		-n	23,48(10) MeV
5H _	unu	patru	5.035 31(11)	mai mult de 9,1⋅10 −22 s	( 1 ⁄ 2 + )		-nn	21,51(11) MeV
6H _	unu	5	6.044 94(28)	2,90(70)⋅10 −22 s	2 −		−3n	24,27(26) MeV
7H _	unu	6	7.052 75(108)	2.3(6)⋅10 −23 s	1⁄2 + _ _		-nn	23,03(101) MeV

Abaterea standard a valorii în unități a ultimei cifre a numărului corespunzător este dată în paranteze.

Proprietățile nucleului 1 H fac posibilă utilizarea pe scară largă a spectroscopiei RMN în analiza substanțelor organice.

Proprietăți chimice

Moleculele de hidrogen sunt suficient de puternice și, pentru ca hidrogenul să reacționeze, trebuie cheltuită multă energie:

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

Prin urmare, capacitatea de oxidare a hidrogenului se manifestă în reacții cu metale active, de regulă, la temperaturi și presiuni ridicate. La temperaturi obișnuite, hidrogenul reacționează numai cu metale foarte active, cum ar fi calciul , pentru a forma hidrură de calciu :

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

și cu singurul fluor nemetal , formând fluorură de hidrogen :

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

Hidrogenul reacționează cu majoritatea metalelor și nemetalelor la temperaturi ridicate sau sub alte influențe, de exemplu, când este iluminat:

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

Ecuația scrisă reflectă proprietățile reducătoare ale hidrogenului.

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

Formează halogenuri de hidrogen cu halogeni :

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

, reacția are loc cu o explozie în întuneric și la orice temperatură,

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

, reacția continuă cu o explozie, doar în lumină.

Interacționează cu funinginea la încălzire puternică:

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

Interacțiunea cu metale alcaline și alcalino-pământoase

Când interacționează cu metalele active , hidrogenul formează hidruri:

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

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

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

Hidrururile sunt substanțe solide asemănătoare sărurilor, ușor de hidrolizat:

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

Interacțiunea cu oxizii metalici

Oxizii metalici ( de obicei elemente d ) se reduc la metale:

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

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

Hidrogenarea compușilor organici

Hidrogenul molecular este utilizat pe scară largă în sinteza organică pentru reducerea compușilor organici. Aceste procese se numesc reacții de hidrogenare . Aceste reacții sunt efectuate în prezența unui catalizator la presiune și temperatură ridicate. Catalizatorul poate fi fie omogen (de exemplu, catalizatorul Wilkinson ) fie eterogen (de exemplu, nichel Raney , paladiu pe cărbune).

Deci, în special, în timpul hidrogenării catalitice a compușilor nesaturați, cum ar fi alchenele și alchinele , se formează compuși saturați - alcani .

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

Geochimia hidrogenului

Pe Pământ, conținutul de hidrogen este mai mic în comparație cu Soarele, planetele gigantice și meteoriții primari, ceea ce înseamnă că Pământul a fost degazat semnificativ în timpul formării: cea mai mare parte a hidrogenului, ca și alte elemente volatile, a părăsit planeta în timpul acreției sau la scurt timp după. aceasta. Cu toate acestea, conținutul exact al acestui gaz în compoziția geosferelor planetei noastre (excluzând scoarța terestră ) - astenosferă , manta , miezul Pământului - este necunoscut.

Hidrogenul liber H 2 este relativ rar în gazele terestre, dar sub formă de apă are un rol excepțional de important în procesele geochimice. Sunt cunoscute conținutul de hidrogen din compoziția gazelor vulcanice, scurgerea anumitor cantități de hidrogen de-a lungul falilor din zonele de rifting și eliberarea acestui gaz în unele zăcăminte de cărbune [29] [30] .

Hidrogenul poate fi prezent în minerale sub formă de ion de amoniu , ion hidroxil și apă .

În atmosferă, hidrogenul molecular se formează continuu ca urmare a descompunerii formaldehidei, care se formează în lanțul de oxidare a metanului sau a altor substanțe organice, prin radiația solară (31–67 gigatone /an), arderea incompletă a diverșilor combustibili și biomasă. (5–25 gigatone/an), în procesul de fixare a azotului de către microorganisme din aer (3–22 gigatone/an) [31] [32] [33] .

Având o masă mică, moleculele de hidrogen din aer au o viteză termică mare (este aproape de a doua viteză cosmică) și, căzând în straturile superioare ale atmosferei, pot zbura pentru totdeauna în spațiul cosmic (vezi Disiparea atmosferelor planetare ). Pierderile sunt estimate la 3 kg pe secundă [34] [35] .

Precauții

Hidrogenul, atunci când este amestecat cu aer , formează un amestec exploziv - așa-numitul gaz exploziv . Acest gaz este cel mai exploziv atunci când raportul de volum dintre hidrogen și oxigen este de 2:1, sau hidrogen și aer este de aproximativ 2:5, deoarece aerul conține aproximativ 21% oxigen . Hidrogenul este, de asemenea, inflamabil . Hidrogenul lichid poate provoca degerături severe dacă intră în contact cu pielea .

Se crede că concentrațiile explozive de hidrogen cu oxigen apar de la 4% la 96% în volum. Când este amestecat cu aer de la 4% la 75 (74)% din volum. Astfel de cifre apar acum în majoritatea cărților de referință și pot fi folosite pentru estimări orientative. Cu toate acestea, trebuie avut în vedere că studiile ulterioare (pe la sfârșitul anilor 80) au relevat că hidrogenul în volume mari poate fi exploziv chiar și la o concentrație mai mică. Cu cat volumul este mai mare, cu atat concentratia de hidrogen este mai mica periculoasa.

Sursa acestei erori mediatizate pe scară largă este aceea că explozivitatea a fost studiată în laboratoare pe volume mici. Deoarece reacția hidrogenului cu oxigenul este o reacție chimică în lanț care se desfășoară conform mecanismului radicalilor liberi, „moartea” radicalilor liberi pe pereți (sau, de exemplu, suprafața particulelor de praf) este critică pentru continuarea lanțului. . În cazurile în care este posibil să se creeze concentrații „de limită” în volume mari (spații, hangare, ateliere), trebuie avut în vedere că concentrația reală de explozibil poate diferi de la 4% atât în sus , cât și în jos .

Aplicație

Hidrogenul este folosit astăzi în multe domenii. Structura consumului mondial de hidrogen este prezentată în tabelul următor

Structura consumului mondial de hidrogen (2007) (ing.) [36]

Aplicație	acțiune
Producția de amoniac	54%
Rafinarea petrolului și industria chimică	35%
Fabricarea de electronice	6%
Metalurgie și industria sticlei	3%
industria alimentară	2%

Industria chimică

Industria chimică este cel mai mare consumator de hidrogen. Aproximativ 50% din producția mondială de hidrogen este destinată producției de amoniac . Alte 8% sunt folosite pentru producerea de metanol [37] . Amoniacul este folosit pentru a produce materiale plastice, îngrășăminte, explozivi și multe altele. Metanolul este baza pentru producerea unor materiale plastice.

Industria de rafinare a petrolului

În rafinarea petrolului , hidrogenul este utilizat în procesele de hidrocracare și hidrotratare , contribuind la creșterea adâncimii de procesare a țițeiului și la îmbunătățirea calității produselor finite. Aproximativ 37% din tot hidrogenul produs în lume este folosit în aceste scopuri [37] .

Industria alimentară și cosmetică

În producția de untură (grăsime solidă produsă din uleiuri vegetale ). Salomas este baza pentru producția de margarină , cosmetice, săpun. Hidrogenul este înregistrat ca aditiv alimentar sub numărul E949 .

Transport

Hidrogenul este folosit ca combustibil pentru vehiculele cu celule de combustie cu hidrogen disponibile comercial : Toyota Mirai , Hyundai Nexo . Compania americană Nikola Arhivată pe 13 februarie 2020 la Wayback Machine a introdus o linie de vehicule comerciale alimentate cu hidrogen, precum și o camionetă Nikola Badger cu o autonomie de 960 km [38]

Alstom a lansat primul tren comercial cu celule de combustibil, Coradia iLint, în Germania în 2018, capabil să parcurgă 1.000 km cu un singur rezervor de hidrogen. Trenurile vor efectua călătorii de 100 de kilometri cu viteze de până la 140 de kilometri pe oră [39] .

Laborator

Hidrogenul este utilizat în laboratoarele chimice ca gaz purtător în cromatografia gazoasă . Există astfel de laboratoare la multe întreprinderi din industria alimentară, parfumerie, metalurgică și chimică. În ciuda inflamabilității hidrogenului, utilizarea sa în acest rol este considerată destul de sigură, deoarece hidrogenul este utilizat în cantități mici. Eficiența hidrogenului ca gaz purtător este mai bună decât cea a heliului la un cost semnificativ mai mic [40] .

Industria aviației

În prezent, hidrogenul nu este folosit în aviație. Cândva , dirijabilele și baloanele erau pline cu hidrogen. Dar în anii 30. Secolului 20 au avut loc mai multe dezastre , în timpul cărora dirijabilele au explodat și au ars. În zilele noastre, dirijabilele sunt pline cu heliu, în ciuda costului său semnificativ mai mare.

Meteorologie

Hidrogenul este folosit în meteorologie pentru a umple învelișurile baloanelor meteorologice . Hidrogenul în această capacitate are un avantaj față de heliu, deoarece este mai ieftin. Și mai important, hidrogenul este produs direct la stația meteo folosind un simplu generator chimic sau prin electroliza apei. Heliul, pe de altă parte, trebuie livrat la stația meteo în cilindri, ceea ce poate fi dificil pentru locurile îndepărtate [41] .

Combustibil

Hidrogenul este folosit ca combustibil pentru rachete . Datorită intervalului de temperatură extrem de îngust (mai puțin de 7 Kelvin) în care hidrogenul rămâne lichid, în practică se folosește mai des un amestec de faze lichide și solide.

Pilele de combustibil cu hidrogen-oxigen folosesc hidrogenul pentru a transforma direct energia unei reacții chimice în energie electrică.

Industria energetică

În industria energiei electrice, hidrogenul este folosit pentru răcirea generatoarelor electrice puternice [42] .

Diverse

Hidrogenul atomic este folosit pentru sudarea cu hidrogen atomic . Conductivitatea termică ridicată a hidrogenului este utilizată pentru a umple sferele girobussolelor și becurile de sticlă ale becurilor cu filament LED .

Vezi și

Antihidrogen

Note

Comentarii

↑ Gama valorilor masei atomice este indicată datorită abundențelor diferite de izotopi din natură.

Surse

↑ 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. Greutăți atomice ale elementelor 2011 (Raport tehnic IUPAC ) // Chimie pură și aplicată . - 2013. - Vol. 85 , nr. 5 . - P. 1047-1078 . - doi : 10.1351/PAC-REP-13-03-02 .
↑ Hidrogen: electronegativități . elemente web. Data accesului: 15 iulie 2010. Arhivat din original pe 27 iunie 2010.
↑ 1 2 Hidrogen // Enciclopedia chimică : în 5 volume / Cap. ed. I. L. Knunyants . - M . : Enciclopedia Sovietică , 1988. - T. 1: A - Darzana. - S. 400-402. — 623 p. — 100.000 de exemplare. - ISBN 5-85270-008-8 .
↑ Fedorov P.I. , Punct triplu, 1998 , p. 12.
↑ Khazanova N. E. , Stare critică, 1990 , p. 543.
↑ Greutăți atomice standard ale elementelor 2021 (Raport tehnic IUPAC) (engleză) - IUPAC , 1960. - ISSN 0033-4545 ; 1365-3075 ; 0074-3925 - doi:10.1515/PAC-2019-0603
↑ Boyle, R. (1672). „Tracte scrise de onorabilul Robert Boyle care conțin noi experimente, atingând relația dintre flacără și aer...” Londra.
↑ Winter, M. Hidrogen: informații istorice . WebElements Ltd (2007). Consultat la 5 februarie 2008. Arhivat din original pe 10 aprilie 2008. (nedefinit)
↑ Musgrave, A. De ce oxigenul a înlocuit flogistul? Programe de cercetare în revoluția chimică // Metodă și evaluare în științe fizice (engleză) / Howson, C.. - Cambridge University Press , 1976. - (The Critical Background to Modern Science, 1800–1905).
↑ Cavendish, Henry. Trei lucrări, conținând experimente pe aerul fictiv, de Onorul. Henry Cavendish , FR S (engleză) // Philosophical Transactions : journal. - 1766. - 12 mai ( vol. 56 ). - P. 141-184 . - doi : 10.1098/rstl.1766.0019 . - Cod biblic . — .
↑ Arta testului Severgin V. M. sau un ghid pentru testarea chimică a minereurilor metalice și a altor corpuri fosile. Sankt Petersburg: Imp. AN, 1801. C. 2.
↑ [www.chemister.ru/Chemie/records.htm Cartea Recordurilor Guinness pentru substanțe chimice]
↑ N. Greenwood, A. Earnshaw. Chimia elementelor: în 2 volume. - BINOM. Laboratorul de cunoștințe, 2008. - V. 1. - S. 11. - 607 p. — (Cel mai bun manual străin). - ISBN 978-5-94774-373-9 .
↑ Gribbin, John. Ştiinţă. O istorie (1543-2001). - L. : Penguin Books, 2003. - 648 p. — ISBN 978-0-140-29741-6 .
↑ Sursă pentru cifre: dioxid de carbon, NOAA Earth System Research Laboratory Arhivat 25 decembrie 2018 la Wayback Machine , (actualizat 2010.06) . Methane, IPCC TAR tabelul 6.1 Arhivat la 15 iunie 2007 la Wayback Machine , (actualizat în 1998). Totalul NASA a fost de 17 ppmv peste 100%, iar CO2 a fost crescut aici cu 15 ppmv. Pentru a se normaliza, N2 trebuie redus cu aproximativ 25 ppmv și O2 cu aproximativ 7 ppmv.
↑ Hornak D.P. Fundamentele RMN . Preluat la 23 august 2013. Arhivat din original la 9 februarie 2014. (nedefinit)
↑ „Recensământul cu hidrogen” Revista Gazprom, septembrie 2019, p. 42-43 . Preluat la 22 octombrie 2019. Arhivat din original la 22 octombrie 2019. (nedefinit)
↑ 1 2 Da Rosa, Aldo Vieira. Fundamentele proceselor de energie regenerabilă . - Amsterdam: Elsevier Academic Press, 2005. - p. 370. - xvii, 689 pagini p. — ISBN 0120885107 .
↑ A.K. Manovyan. Tehnologia de procesare a purtătorilor de energie naturali. - Moscova: Chimie, Kolos, 2004. - 456 p. - ISBN 5-98109-004-9 , 5-9532-0219-97.
↑ Arkady Schwartz. Hydrogen Revisited Arhivat la 30 septembrie 2010 la Wayback Machine . Buletin online nr. 19(356) 15 septembrie 2004.
↑ Baloane de săpun cu hidrogen Copie de arhivă din 26 iulie 2014 pe Wayback Machine - experiență video în Unified Collection of Digital Educational Resources.
↑ Chimie anorganică. Volumul 2. Chimia elementelor intranzitive / ed. acad. Yu. D. Tretyakova . - Moscova: Academia, 2004. - 368 p. — ISBN 5-7695-1436-1 .
↑ Dias Ranga P. , Silvera Isaac F. Observarea tranziției Wigner-Huntington la hidrogen metalic // Știință. - 2017. - 26 ianuarie ( vol. 355 , nr. 6326 ). - S. 715-718 . — ISSN 0036-8075 . - doi : 10.1126/science.aal1579 .
↑ Alexei Poniatov. Cele mai mari zece evenimente din 2017 în fizică și astronomie. Hidrogen metalic stabil // Știință și viață . - 2018. - Nr. 1 . - S. 9 . (Rusă)
↑ Farkas L. Orto- și parahidrogen. [[Avansuri în științe fizice]], vol. 15, nr. 3. 1935 . Preluat la 22 septembrie 2018. Arhivat din original la 22 septembrie 2018. (nedefinit)
↑ 1 2 3 4 Audi G. , Bersillon O. , Blachot J. , Wapstra AH The NUBASE evaluation of nuclear and decay properties // Nuclear Physics A . - 2003. - T. 729 . - S. 3-128 . - doi : 10.1016/j.nuclphysa.2003.11.001 . - Cod biblic .
↑ Züttel A., Borgschulte A., Schlapbach L. Hydrogen as a Future Energy Carrier. Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, 2008. - ISBN 978-3-527-30817-0 .
↑ Audi G. , Wapstra AH , Thibault C. The AME2003 atomic mass evaluation (II). Tabele, grafice și referințe (engleză) // Fizica nucleară A . - 2003. - Vol. 729 . - P. 337-676 . - doi : 10.1016/j.nuclphysa.2003.11.003 . - Cod .
↑ Portnov Alexandru. Vulcanii sunt depozite de hidrogen. Arhivat 6 iunie 2013 la Wayback Machine / Industrial Bulletin, Nr. 10-12, octombrie-decembrie 2010.
↑ Gresov A. I., Obzhirov A. I., Yatsuk A. V. Despre problema conținutului de hidrogen în bazinele carbonifere din Orientul Îndepărtat / Vestnik KRAUNC. Științe Pământului. 2010, Nr. 1, Numărul 15. P. 19-32.
↑ http://www.atmos-chem-phys.net/11/3375/2011/acp-11-3375-2011.pdf Arhivat 21 mai 2013 la Wayback Machine O nouă estimare a bugetului recent de hidrogen molecular troposferic folosind observații atmosferice și inversiune variațională] doi:10.5194/acp-11-3375-2011 , 2011 „Principalele surse de H2 sunt producția fotochimică prin transformarea formaldehidei (HCHO) în atmosferă și procesele de ardere incompletă. Fotoliza HCHO, un produs din lanțul de oxidare a metanului și a altor compuși organici volatili (COV) reprezintă 31 până la 77 Tg pe an-1 și reprezintă jumătate din sursa totală de H2. Emisiile de combustibili fosili și arderea biomasei, două surse incomplete de ardere, reprezintă cote similare din bugetul global de H2 (5−25 Tg pe an−1). Emisiile de H2 (3−22 Tg an−1) provenite din fixarea azotului în biosfera continentală și marina completează sursele. Oxidarea H2 de către radicalii hidroxil liberi (OH) și distrugerea enzimatică a H2 în sol trebuie să echilibreze aceste surse, deoarece H2 troposferic nu prezintă o tendință semnificativă pe termen lung (Grant et al., 2010)”
↑ Chemistry of the Natural Atmosphere Arhivat 10 decembrie 2017 la Wayback Machine paginile 207-201, tabelul 4.14
↑ Impactul global asupra mediului al economiei hidrogenului Arhivat 5 decembrie 2014 la Wayback Machine pagina 61 tabelul 1
↑ David C. Catling și Kevin J. Zahnle, The Planetary Air Leak. Pe măsură ce atmosfera Pământului se scurge încet în spațiu, va ajunge planeta noastră să semene cu Venus? Arhivat 2 februarie 2014 la Wayback Machine //SCIENTIFIC AMERICAN, mai 2009
↑ Ferronsky VI, Denisik SA, Ferronsky SV Capitolul 8. Dinamica globală a Pământului // Jacobi Dynamics: Many-Body Problem in Integral Characteristics. - (Biblioteca de astrofizică și științe spațiale. Vol. 130) . - Springer Science & Business Media, 1986. - P. 296. - ISBN 9027724180 , 9789027724182.
↑ Olu Ajayi-Oyakhire. Hidrogen – energie neexploatată? (link indisponibil) . Instituţia Inginerilor şi Managerilor de Gaze . Instituția Inginerilor și Managerilor de Gaze (2012). Preluat la 24 martie 2018. Arhivat din original la 17 aprilie 2018. (nedefinit)
↑ 1 2 R. V. Radcenko, A. S. Mokrushin, V. V. Tyulpa. Hidrogen în energie. - Ekaterinburg: Ural University Press, 2014. - P. 24. - 229 p. — ISBN 978-5-7996-1316-7 .
↑ Nikola Bursucul . Preluat la 14 februarie 2020. Arhivat din original la 13 februarie 2020. (nedefinit)
↑ Primul tren cu hidrogen din Germania . Preluat la 14 februarie 2020. Arhivat din original la 24 ianuarie 2020. (nedefinit)
↑ Heliu - care este costul actual pentru laboratoare? . www.peakscientific.com. Consultat la 17 noiembrie 2015. Arhivat din original pe 18 noiembrie 2015. (nedefinit)
↑ A.A. Ivanov (director de dezvoltare). Instructiuni pentru posturi si statii hidrometeorologice. Problema 4. . Roshydromet . Roshydromet (16 iulie 2003). Preluat la 24 martie 2018. Arhivat din original la 3 iunie 2021. (nedefinit)
↑ Principiul de funcționare și proiectare a mașinilor sincrone . Consultat la 9 iunie 2014. Arhivat din original pe 13 septembrie 2014. (nedefinit)

Literatură

Digonsky S. V., Ten V. V. Hidrogen necunoscut. - Sankt Petersburg: Nauka, 2006. ISBN 5-02-025114-3 .
Kuzmenko N. E., Eremin V. V., Popkov V. A. Începuturile chimiei. Un curs modern pentru solicitanții la universități: manual pentru universități. - M .: Editura „Examen”, 2005.
Fedorov P. I. Punct triplu // Enciclopedie chimică . - Marea Enciclopedie Rusă , 1998. - V. 5: Triptofan - Iatrochimie . - S. 12 . (Rusă)
Khazanova N. E. Stare critică // Enciclopedie chimică . - Enciclopedia Sovietică , 1990. - T. 2: Daph - Med . - S. 541-543 . (Rusă)
Diagrama Nuclizilor . — al 17-lea. - Knolls Atomic Power Laboratory, 2010. - ISBN 978-0-9843653-0-2 .
Newton, David E. Elementele chimice . New York: Franklin Watts, 1994. - ISBN 978-0-531-12501-4 .
Rigden, John S. Hidrogenul: elementul esențial . - Cambridge, Massachusetts: Harvard University Press , 2002. - ISBN 978-0-531-12501-4 .
Romm, Joseph, J. Hype despre hidrogen, realitate și ficțiune în cursa pentru salvarea climei . — Island Press, 2004. - ISBN 978-1-55963-703-9 .
Scerri, Eric. Sistemul periodic, povestea și semnificația sa . - New York: Oxford University Press , 2007. - ISBN 978-0-19-530573-9 .

Link -uri

Hydrogen Arhivat 10 ianuarie 2016 la Wayback Machine la The Periodic Table of Videos ( Universitatea din Nottingham )
Ferreira-Aparicio, P.; Benito, MJ; Sanz, JL Noi tendințe în tehnologiile de reformare: de la uzinele industriale cu hidrogen la microreformatoarele multicombustibil // Catalysis Reviews : jurnal. - 2005. - Vol. 47 , nr. 4 . - P. 491-588 . - doi : 10.1080/01614940500364958 .