Водородная энергетика

Применение

Основным катализатором для производства водородного топлива является транспортная сеть и объекты энергетики (особенно там, где традиционные по каким-то причинам невыгодны или нежелательны). Активно водородное топливо применяется в следующих сферах.

Автотранспорт

Самая быстроразвивающаяся «водородная» отрасль. По данным Международного энергетического агентства, на конец 2018 года в мире насчитывалось 11 200 водородных автомобилей, и их продажи в тот год возросли на 80 % в сравнении с 2017 годом. Ежегодно спрос растет.

В Германии концерн BMW с 2001 года производит несколько моделей автомобилей на водородном топливе, а сеть заправок – с 2002 года. В Японии, Южной Корее тысячи автомобилей и сотни городских автобусов работают на водородном топливе. Даже в России есть первая экспериментальная водородная заправка при Институте проблем химической физики РАН в Черноголовке Московской области.

Китай продвигается семимильными шагами в своей водородной программе. Уже сейчас в КНР на водород переведено 50 тысяч единиц автотранспорта, включая фуры, в стране более 200 заправок. Но уже в 2026-2035 годы, согласно программе «Белая книга», анонсированной в 2019 году, количество автотранспорта на водороде возрастет до 15 миллионов, а заправок – до 1,5 тысяч. Разумеется, программа была создана до и без учета влияния пандемии и мирового кризиса. Останутся ли цели настолько амбициозными – под вопросом.

Но таких примеров в общемировом масштабе немного. Чисто водородный двигатель – практически безотходный, но сама идея массового использования в настоящий момент утопична. Легче всего пока удается совместить идею гибридного генератора на метане или метаноле или гибрида с бензином. Такой гибрид на электрохимическом генераторе (ЭХГ) используется в некоторых автомобилях Toyota, например, Toyota Mirai, обновленная версия которого выйдет уже в 2020 году.

Железнодорожный транспорт

Железная дорога – один из самых энергоемких видов транспорта, а значит, и один из самых «грязных». Первый поезд на водородных топливных элементах появился в Германии в 2018 году. Годом позже в Великобритании разработали прототип водородного поезда HydroFlex. Новинку показали на выставке Rail Live 2019 и в конце того же года запустили на железные дороги Соединенного Королевства.

Предполагается, что на Сахалине поезда на водородных элементах заменят устаревшие и загрязняющие воздух составы, работающие на мазуте. В истории России это случится впервые. Соглашение о совместной работе РЖД и «Росатом» подписали в 2019 году на V Восточном экономическом форуме. Использование водородного топлива местного производства способно удешевить перевозки.

Генераторы на водороде испытывают и на других видах транспорта: морском и речном, воздушном, городском, производственном. Флагманы разработки водородного транспорта – Германия и Япония.

Энергетика

К водородной энергетике подключились мировые производители энергетического оборудования: Mitsubishi Hitachi Power Systems (MHPS), Siemens Energy, Ansaldo Energia и GE Power. Они разрабатывают газовые водородные турбины для массового производства электроэнергии из водорода.

Строятся маломощные водородные электростанции в Китае и Южной Корее. А еще в 2010 году итальянская Enel запустила такой проект стоимостью в 63 миллиона долларов и мощностью 16 мегаватт. Вырабатываемой водородной энергии достаточно для энергоснабжения 20 тысяч частных домов. Этот пригород Венеции перестал выбрасывать в атмосферу до 17 тысяч тонн загрязняющих веществ в год. В 2017 году Enel Green Power Сhile запустила в Чили первую экологически чистую электросеть, которая представляет собой комплекс гибридных накопителей. Это стабильный источник электричества, который питается от солнечных, водородных и литиевых батарей.

Исследования в области водородной энергетики – пример того, как научные сообщества и бизнес объединяются ради достижения цели. Однако есть риск, что многие «пилоты», даже очень успешные на стадии испытаний, могут не выйти на промышленный уровень из-за дороговизны производства и внедрения.

Другие методы производства из ископаемого топлива

Пиролиз метана

Пиролиз метана (природного газа) с расплавленными металлами — это метод «без парниковых газов», который тестируется для производства водорода. Процесс проводится при высоких температурах (1340 К, 1065 ° C или 1950 ° F).

CH4(г) → C (s) + 2 H2(г) ΔH ° = 74 кДж / моль

Твердый углерод промышленного качества может быть продан как сырье для производства или захоронен.

Частичное окисление

Производство водорода из природного газа или других углеводородов достигается частичным окислением. Смесь топливо-воздух или топливо-кислород частично сгорает, в результате чего получается синтез-газ, богатый водородом . Водород и монооксид углерода получают в результате реакции конверсии водяного газа. Двуокись углерода может подаваться совместно для снижения отношения водорода к монооксиду углерода.

Реакция частичного окисления происходит, когда субстехиометрическая топливно-воздушная смесь или топливо-кислород частично сгорает в установке риформинга или в реакторе частичного окисления. Различают частичное термическое окисление (TPOX) и частичное каталитическое окисление (CPOX). Химическая реакция принимает общий вид:

C n H m + n / 2 O 2n CO + m / 2 H 2

Идеальные примеры для топочного мазута и угля, предполагающие составы C 12 H 24 и C 24 H 12 соответственно, следующие:

С 12 Н 24 + 6 О 2 → 12 СО + 12 Н 2
C 24 H 12 + 12 O 2 → 24 CO + 6 H 2

Плазменный риформинг

Процесс Kværner или процесс Kvaerner сажи и водорода (CB&H) — это метод плазменного риформинга, разработанный в 1980-х годах одноименной норвежской компанией для производства водорода и технического углерода из жидких углеводородов (C n H m ). . Примерно 48% доступной энергии сырья содержится в водороде, 40% — в активированном угле и 10% — в перегретом паре. CO 2 при этом не образуется.

Вариант этого процесса представлен в 2009 году с использованием технологии утилизации отходов плазменной дуги для производства водорода, тепла и углерода из метана и природного газа в плазменном конвертере.

Из угля

Для производства водорода из угля , газификация угля используется. В процессе газификации угля используется пар и тщательно контролируемая концентрация газов для разрыва молекулярных связей в угле и образования газообразной смеси водорода и окиси углерода. Этот источник водорода выгоден, поскольку его основным продуктом является угольный газ, который можно использовать в качестве топлива. Газ, полученный в результате газификации угля, позже может быть использован для более эффективного производства электроэнергии и позволяет лучше улавливать парниковые газы, чем при традиционном сжигании угля.

Другой способ конверсии — низкотемпературная и высокотемпературная карбонизация угля .

Из нефтяного кокса

Подобно углю, нефтяной кокс можно также преобразовать в синтез-газ , богатый водородом , посредством газификации угля. Синтез-газ в этом случае состоит в основном из водорода, окиси углерода и H 2 S, в зависимости от содержания серы в коксовом сырье. Газификация является привлекательным вариантом для производства водорода практически из любого источника углерода, обеспечивая при этом привлекательные альтернативы использованию водорода за счет интеграции процессов.

Использование водорода

Реакции собирания и распознавания водорода необходимы для извлечения чистого газа, который используется в качестве экологического топлива, а также участвует в различных химических реакциях для получения соединений.Водород применяется в различных отраслях промышленности:

  • при производстве аммиака (NH3);
  • для получения соляной кислоты (HCl);
  • при синтезе метилового спирта;
  • для восстановления металлов;
  • при сварке (в результате взаимодействия водорода и кислорода выделяется большое количество тепла);
  • для получения растительных жиров при производстве маргарина.

Водород использовался для наполнения воздушных шаров и аэростатов. Сегодня сжиженный водород – топливо для ракет.

Рис. 3. Сжиженный водород.

Что мы узнали?

Из урока 9 класса узнали, как получают водород в промышленных и лабораторных условиях. Водород выделяется в ходе реакций металлов, гидридов, фосфора с водой, при газификации угля, при взаимодействии цинка с соляной кислотой и алюминия или кремния со щёлочью. Водород получают из метана путём его окисления, разложения при высокой температуре или при взаимодействии с водой. Также водород выделяется при электролизе солей и разложении воды.

  1. Вопрос 1 из 10

Начать тест(новая вкладка)

Получение водорода в промышленности

В промышленности водород получают главным образом из природных и попутных газов, коксового газа и продуктов газификации топлива (водяного и паровоздушного газов), путем неполного окисления углеводородов.

Основным источником водорода в промышленности является конверсия (от лат. «превращение») углеводородов, главным образом природного газа, парами воды (пароводяная конверсия):

CH4 + H2O → CO + 3H2, 800-900 °C, ΔH298 = 206,2 кДж/моль

С последующим каталитическим взаимодействием оксида углерода (II) с парами воды:

CO + H2O → CO2 + H2, 550-600 °C, ΔH298 = -41,2 кДж/моль

Катализатором этой реакции служит Fe2O3 с активирующими добавками (Cr2O3, Al2O3, K2O и др.).

Эндотермичность процесса конверсии метана можно частично восполнить энергией, выделяющейся при неполном его окислении.

2CH4 + O2 → 2CO + 4H2, ΔH298 = -71 кДж/моль

Этот процесс называется кислородной конверсией метана. Поэтому в промышленности часто комбинируют все эти три процесса в один. Для этого природный газ смешивается с водяным паром и кислородом:

3CH4 + O2 + H2O → 3CO + 7H2, 850-900 °C, Ni

или

2CH4 + O2 + 2H2O → 2CO2 + 6H2, 850-900 °C, Ni

Диоксид углерода удаляют промывкой газовой смеси водой под давлением и окончательно – поглощением растворами щелочей.

Все описанные выше процессы используются как по отдельности, так и в сочетании друг с другом.

Помимо природного газа для получения водорода путем конверсии используют генераторный (CO + N2), водяной (CO + H2) – пароводяная конверсия, попутные газы – пароводяная и (или) кислородная конверсия.

В связи с уменьшением запасов углеводородного сырья большой интерес приобретает метод получения водорода восстановлением водяного пара раскаленным углем:

C + H2O → CO + H2, 1000 °C, ΔH298 = 131 кДж/моль

При этом образуется генераторный газ. Затраты энергии на его получение можно компенсировать за счет реакции неполного окисления угля:

C + 1/2O2 → CO, ΔH298 = -110,5 кДж/моль

При комбинировании этих процессов получается водяной газ, состоящий в основном из смеси водорода и угарного газа:

3C + H2O + O2 → 3CO + H2

Важным следствием является то, что получаемые генераторный и водяной газы можно использовать для дальнейшего получения водорода методом пароводяной конверсии.

Из газовых смесей с большим содержанием водорода (коксовый газ, газы нефтепереработки) его получают путем глубокого охлаждения смеси, при котором практически все газы кроме водорода сжижаются.

Водород высокой чистоты получают электролизом водных растворов щелочей (NaOH или KOH). Раньше для этого использовалась серная кислота. Однако это нерационально из-за быстрого коррозионного разрушения стальной аппаратуры. Хотя образующаяся в процессе электролиза пероксодисерная кислота H2S2O8 может использоваться для получения пергидроля:

2SO42- — 2ê = S2O82-

H2S2O8 + H2O = H2SO5 + H2SO4

H2SO5 + H2O = H2SO4 + H2O2

В случае щелочей концентрация этих растворов выбирается такой, которая отвечает их максимальной электрической проводимости (25% для NaOH и 34% для KOH). Электроды обычно изготавливают из листового никеля. Этот металл не подвергается коррозии в растворах щелочей, даже будучи анодом. В случае надобности получающийся водород очищают от паров воды и следов кислорода. Этим способом целесообразно получать водород в районах с дешевой электроэнергией.

Водород образуется также как побочный продукт в процессе получения хлора и щелочей электролизом водных растворов хлоридов щелочных металлов.

Потенциальные способы получения водорода в промышленности

1. Термолиз воды:

2H2O → 2H2 + O2, 2000 °C, электрическая дуга.

Недостаток – большие расходы энергии.

2. Фотолиз воды:

2H2O → 2H2 + O2, hμ

3. Биохимическое разложение воды под действием бактерий.

4. Химическое разложение воды, восстановление водорода:

H2O + X = H2 + XO

2XO → 2X + O2, t°

Соперник или союзник?

Если сравнивать с природным газом, текущая себестоимость произведенного из ВИЭ водорода колеблется в пределах $20-55 за 1 млн британских термальных единиц (МБТЕ), в то время как спотовые цены на природный газ в Европе находятся на уровне $1,7 за МБТЕ.

«Прогнозные оценки стоимости «зеленого» водорода на 2050 год составляют около $7,5 за МБТЕ, поэтому «честная» конкуренция водорода (причем не только «зеленого», но и получаемого из природного газа) с трубопроводным газом и СПГ в среднесрочной перспективе возможна только при условии значительного роста платежей на выбросы углекислого газа», — полагает Белова из Vygon Consulting.

Старший аналитик Центра энергетики Московской школы управления «Сколково» Юрий Мельников полагает, что поскольку внимание к углеродному следу топлив на европейском рынке растет, то для дальнейшей работы всем поставщикам газа, включая РФ, придется заниматься его декарбонизацией. «Добавление водорода в газ делает его еще более «безуглеродным», так что водород, скорее, становится союзником природного газа, а не конкурентом», — указывает эксперт

В то же время он отмечает, что замещение части природного газа синтетическими топливами на основе водорода неизбежно, поскольку без этого нельзя достичь целей по сокращению выбросов парниковых газов. «Поэтому водородные технологии будут встречать приоритетную поддержку, что сделает их со временем гораздо более дешевыми (по аналогии с тем, как это произошло с солнечной и ветряной энергетикой)», — подчеркивает Мельников.

Таким образом, при должном развитии технологий водород может занять часть ниши природного газа на европейском рынке, а значит, привести к снижению импорта российского «голубого топлива». Полностью заменить природный газ, по словам Баранова из Vygon Consulting, водород не сможет из-за профильного спроса в химической промышленности.

Как сделать в домашних условиях

Самый простой способ получить водородную воду — воспользоваться техникой электролиза. Это разложение обычной питьевой воды на кислород и молекулярный водород H2. Для воплощения в жизнь этой задумки не обойтись без специального оборудования, которое состоит из генератора и контейнера.

Что такое генератор: его принцип действия

Это простой электролизер, который предназначен для выработки водорода. Его конструкция состоит из нескольких важных деталей:

  • реактора – емкости с прочным корпусом, имеющим одинарные или двойные стенки;
  • электродов – элементов, которые подсоединяются к специальному источнику питания;
  • контейнера – водяного затвора;
  • патрубка – устройства для отвода газа.

Принцип работы генератора

При работе с домашним генератором важно знать, что аппарат функционирует на постоянном токе. Для этого можно воспользоваться автомобильным аккумулятором

Среди брендовых аппаратов для приготовления напитка, стоит отметить генераторы:

  • Paino;
  • Enhel H2 water;
  • H2 365.

Принцип действия оборудования для приготовления водородной воды довольно прост:

  • с помощью двух электродов, опущенных в воду, поступает напряжение от внешнего источника питания;
  • в основной резервуар добавляется щепотка поваренной соли – это дает возможность улучшить реакцию;
  • в области катода, который присоединен к клемме «-» в активной фазе электролиза будет образовываться водород;
  • в зоне анода (полюс «+») начнет выделяться кислород;
  • итогом цикла газообразные вещества вступают в реакцию и поступают по патрубку в водяной затвор.

Функция последнего элемента генератора заключается в отведении пара и предотвращении негативного эффекта в контуре.

Набор Enhel H2 water

Контейнер

Резервуар предназначен для хранения водородного напитка. Емкость поддерживает нужную концентрацию газа в течение трех дней. В продаже предлагается огромный выбор функциональных аппаратов, которые могут продлевать срок хранения жидкости.

В контейнерах для хранения живой воды предусмотрено наличие клапана, который защищает лечебный состав напитка от контакта с окружающей средой. Например, резервуар модели H2 Bag имеет наружное алюминиевое покрытие, а внутри емкости жидкость защищена от окисления стенками из пищевого пластика.

Контейнер для хранения

Как правильно употреблять

Эликсир молодости не имеет побочных эффектов и противопоказаний. При этом существует ряд рекомендаций для приема водородной воды:

  • ежедневно следует употреблять не более 30 мл воды на 1 кг веса;
  • при высоких физических нагрузках и тренировках норму приема жидкости стоит увеличить на 15-20%;
  • пить необходимо натощак за 30 минут до первого приема пищи;
  • воду можно использовать для наружного применения (проведения гигиенических процедур).

Экономичный вариант для приготовления напитка — портативная система SYNTEAM

Бьюти-блогер Юлия Энхель считает, что молекулярный водород идеально подходит для умывания лица и ополаскивания волос. Вещества проникают в кожные клетки, способствуя увеличению гидратации организма.

Способы получения водорода

Водород – газообразный элемент без цвета и запаха с плотностью 1/14 по отношению к воздуху. В свободном состоянии он встречается редко. Обычно водород соединен с другими химическими элементами: кислородом, углеродом.

Получение водорода для промышленных нужд и энергетики проводится несколькими методами. Самыми популярными считаются:

  • электролиз воды;
  • метод концентрирования;
  • низкотемпературная конденсация;
  • адсорбция.

Выделить водород можно не только из газовых или водных соединений. Добыча водорода производится при воздействии на дерево и уголь высокими температурами, а также при переработке биоотходов.

Атомный водород для энергетики получают, используя методику термической диссоциации молекулярного вещества на проволоке из платины, вольфрама либо палладия. Ее нагревают в водородной среде под давлением менее 1,33 Па. А также для получения водорода используются радиоактивные элементы.

Термическая диссоциация

Электролизный метод

Наиболее простым и популярным методом выделения водорода считается электролиз воды. Он допускает получение практически чистого водорода. Другими преимуществами этого способа считаются:

Принцип действия электролизного генератора водорода

  • доступность сырья;
  • получение элемента под давлением;
  • возможность автоматизации процесса из-за отсутствия движущихся частей.

Процедура расщепления жидкости электролизом обратен горению водорода. Его суть в том, что под воздействием постоянного тока на электродах, опущенных в водный раствор электролита, выделяются кислород и водород.

Дополнительным преимуществом считается получение побочных продуктов, обладающих промышленной ценностью. Так, кислород в большом объеме необходим для катализации технологических процессов в энергетике, очистки почвы и водоемов, утилизации бытовых отходов. Тяжелая вода, получаемая при электролизе, в энергетике используется в атомных реакторах.

Получение водорода концентрированием

Этот способ основан на выделении элемента из содержащих его газовых смесей. Так, наибольшая часть производимого в промышленных объемах вещества, извлекается с помощью паровой конверсии метана. Добытый в этом процессе, водород используют в энергетике, в нефтеочистительной, ракетостроительной индустрии, а также для производства азотных удобрений. Процесс получения H2 осуществляют разными способами:

  • короткоцикловым;
  • криогенным;
  • мембранным.

Последний способ считается наиболее эффективным и менее затратным.

Конденсация под действием низких температур

Эта методика получения H2 заключается в сильном охлаждении газовых соединений под давлением. В результате они трансформируются в двухфазную систему, которая впоследствии разделяется сепаратором на жидкое составляющее и газ. Для охлаждения применяют жидкие среды:

  • воду;
  • сжиженный этан или пропан;
  • жидкий аммиак.

Эта процедура не так проста, как кажется. Чисто разделить углеводородные газы за один раз не получится. Часть компонентов уйдет с газом, забираемым из сепарационного отсека, что не экономично. Решить проблему можно глубоким охлаждением сырья перед сепарацией. Но это требует больших энергозатрат.

В современных системах низкотемпературных конденсаторов дополнительно предусмотрены колонны деметанизации либо деэтанизации. Газовую фазу выводят с последней сепарационной ступени, а жидкость направляется в ректификационную колонну с потоком сырого газа после теплообмена.

Способ адсорбции

Во время адсорбции для выделения водорода используют адсорбенты – твердые вещества, поглощающие необходимые компоненты газовой смеси. В качестве адсорбентов применяют активированный уголь, силикатный гель, цеолиты. Для осуществления этого процесса применяют специальные аппараты – циклические адсорберы или молекулярные сита. При реализации под давлением этот метод позволяет извлекать 85-процентный водород.

Если сравнивать адсорбцию с низкотемпературной конденсацией, можно отметить меньшую материальную и эксплуатационную затратность процесса – в среднем, на 30 процентов. Методом адсорбции производят водород для энергетики и с применением растворителей. Такой способ допускает извлечение 90 процентов H2 из газовой смеси и получение конечного продукта с концентрацией водорода до 99,9%.

Применение

Водород сегодня применяется во многих областях. Структура мирового потребления водорода представлена в следующей таблице

Структура мирового потребления водорода (2007) (англ.)
Применение Доля
Производство аммиака 54 %
Нефтепереработка и химическая промышленность 35 %
Производство электроники 6 %
Металлургия и стекольная промышленность 3 %
Пищевая промышленность 2 %

Химическая промышленность

Химическая промышленность — это крупнейший потребитель водорода. Около 50 % мирового выпуска водорода идёт на производство аммиака. Ещё около 8 % используется для производства метанола. Из аммиака производят пластмассы, удобрения, взрывчатые вещества и прочее. Метанол является основой для производства некоторых пластмасс.

Нефтеперерабатывающая промышленность

В нефтепереработке водород используется в процессах гидрокрекинга и гидроочистки, способствуя увеличению глубины переработки сырой нефти и повышению качества конечных продуктов. Для этих целей используется порядка 37 % всего производимого в мире водорода.

Пищевая и косметическая промышленность

При производстве саломаса (твердый жир, производимый из растительных масел). Саломас является основой для производства маргарина, косметических средств, мыла. Водород зарегистрирован в качестве пищевой добавки E949.

Химические лаборатории

Водород используется в химических лабораториях в качестве газа-носителя в газовой хроматографии. Такие лаборатории есть на многих предприятиях в пищевой, парфюмерной, металлургической и химической промышленности. Несмотря на горючесть водорода, его использование в такой роли считается достаточно безопасным, поскольку водород используется в незначительных количествах. Эффективность водорода как газа-носителя при этом лучше, чем у гелия, при существенно более низкой стоимости.

Авиационная промышленность

В настоящее время водород в авиации не используется. Когда-то дирижабли и воздушные шары наполняли водородом. Но в 30-х гг. XX в. произошло несколько катастроф, в ходе которых дирижабли взрывались и сгорали. В наше время дирижабли наполняют гелием, несмотря на его существенно более высокую стоимость.

Метеорология

Водород используется в метеорологии для заполнения оболочек метеозондов. Водород в этом качестве имеет преимущество перед гелием, так как он дешевле. Ещё более существенно, что водород вырабатывается прямо на метеостанции с помощью простого химического генератора или с помощью электролиза воды. Гелий же должен доставляться на метеостанцию в баллонах, что может быть затруднительно для удаленных мест.

Топливо

Водород используют в качестве ракетного топлива. Ввиду крайне узкого диапазона температур (менее 7 кельвинов), при котором водород остается жидкостью, на практике чаще используется смесь жидкой и твёрдой фаз (шугообразный водород).

Ведутся исследования по применению водорода как топлива для легковых и грузовых автомобилей, хотя здесь серьезную проблему представляет водородное охрупчивание сталей, не позволяющее напрямую переводить обычный ДВС на этот газ. Водород в ДВС меньше загрязняет окружающую среду локально (использование водорода в этом качестве затрудняет низкая эффективность его получения и сопряжённых дополнительных расходов на его сжатие, транспортировку), но так же, как и бензиновые/дизельные аналоги, потребляет и деградирует моторное масло и все остальные неэкологичные материалы, присущие двигателям внутреннего сгорания. В смысле экологии электромобили значительно лучше, перспективен также двигатель Стирлинга.[источник не указан 2116 дней]

В водородно-кислородных топливных элементах используется водород для непосредственного преобразования энергии химической реакции в электрическую.

Прочее

Атомарный водород используется для атомно-водородной сварки. Высокая теплопроводность водорода используется для заполнения сфер гирокомпасов и стеклянных колб филаментных LED-лампочек.

Изотопы

Основная статья: Изотопы водорода

Термодинамическое состояние насыщенного пара водорода с различным изотопным составом

Наиболее известны три изотопа водорода: протий 1H (атомное ядро — протон), дейтерий 2H (ядро состоит из одного протона и одного нейтрона) и тритий 3H (ядро состоит из одного протона и двух нейтронов). Эти изотопы имеют собственные химические символы: протий — H, дейтерий — D, тритий — T.

Протий и дейтерий стабильны. Содержание этих изотопов в природном водороде составляет 99,9885 ± 0,0070 % и 0,0115 ± 0,0070 % соответственно. Оно может незначительно меняться в зависимости от источника и способа получения водорода. Тритий нестабилен, претерпевает бета-распад с периодом 12,32 года, превращаясь в стабильный гелий-3. Тритий встречается в природе в следовых количествах, образуясь главным образом при взаимодействии космических лучей со стабильными ядрами, при захвате дейтерием тепловых нейтронов и при взаимодействии природного изотопа лития-6 с нейтронами, порождёнными космическими лучами.

Искусственно получены также тяжёлые радиоактивные изотопы водорода с массовыми числами 4—7 и периодами полураспада 10−21—10−23 с.

Природный молекулярный водород состоит из молекул H2 и HD (дейтероводород) в соотношении 3200:1. Содержание в нём молекул из чистого дейтерия D2 ещё меньше, отношение концентраций HD и D2 составляет примерно 6400:1.

Из всех изотопов химических элементов физические свойства изотопов водорода отличаются друг от друга наиболее сильно. Это связано с наибольшим относительным изменением масс атомов.

Температураплавления,K Температуракипения,K Тройнаяточка Критическаяточка Плотность,кг/м³
T, K P, кПа T, K P, МПа жидкий газ
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

Молекулы чистых протия, дейтерия и трития могут существовать в двух аллотропных модификациях (отличающихся взаимной ориентацией спинов ядер) — орто- и параводород: o-D2, p-D2, o-T2, p-T2. Молекулы водорода с другим изотопным составом (HD, HT, DT) не имеют орто- и парамодификаций.

Свойства изотопов

Свойства изотопов водорода представлены в таблице.

Изотоп Z N Масса, а. е. м. Период полураспада Спин Содержание в природе, % Тип и энергия распада
1H 1 1,007 825 032 07(10) стабилен 1⁄2+ 99,9885(70)
2H 1 1 2,014 101 777 8(4) стабилен 1+ 0,0115(70)
3H 1 2 3,016 049 277 7(25) 12,32(2) года 1⁄2+ β− 18,591(1) кэВ
4H 1 3 4,027 81(11) 1,39(10)⋅10−22 с 2− -n 23,48(10) МэВ
5H 1 4 5,035 31(11) более 9,1⋅10−22 с (1⁄2+) -nn 21,51(11) МэВ
6H 1 5 6,044 94(28) 2,90(70)⋅10−22 с 2− −3n 24,27(26) МэВ
7H 1 6 7,052 75(108) 2,3(6)⋅10−23 с 1⁄2+ -nn 23,03(101) МэВ

В круглых скобках приведено среднеквадратическое отклонение значения в единицах последнего разряда соответствующего числа.

Свойства ядра 1H позволяют широко использовать ЯМР-спектроскопию в анализе органических веществ.

Получение водорода в лаборатории

Современный лабораторный способ получения водорода не отличается от того, которым его получал Генри Кавендиш. Это реакции металлов с кислотами. В лаборатории водород получают в аппарате Киппа (рисунок 152).

Аппарат Киппа изготовляется из стекла и состоит из нескольких частей:

  1. реакционная колба с резервуаром;
  2. воронка с длинной трубкой;
  3. газоотводная трубка.

Реакционная колба имеет верхнюю шарообразную часть с отверстием, в которое вставляется газоотводная трубка, снабженная краном или зажимом, и нижний резервуар в виде полусферы. Нижний резервуар и реакционная колба разделены резиновой или пластиковой прокладкой с отверстием, через которое проходит в нижний резервуар длинная трубка воронки, доходящая почти до дна. На прокладку через боковое отверстие шпателем насыпают твёрдые вещества (мрамор, цинк). Отверстие закрывается пробкой с газоотводной трубкой. Затем при открытом кране или зажиме в верхнюю воронку заливается раствор кислоты. Когда уровень жидкости достигает вещества на прокладке, начинается химическая реакция с выделением газа. При закрытии крана давление выделяющегося газа выдавливает жидкость из реактора в верхнюю часть воронки. Реакция прекращается. Открытие крана приводит к возобновлению реакции. Поместим в реакционную колбу кусочки цинка. В качестве кислоты воспользуемся серной кислотой. При контакте цинка и серной кислоты протекает реакция:

Водородом можно заполнить мыльный пузырь.

Для этого необходимо опустить газоотводную трубку в мыльный раствор. На конце трубки начнется формирование мыльного пузыря, заполненного водородом; со временем пузырь отрывается и улетает вверх, что доказывает легкость водорода. Соберем выделяющийся водород. С учетом того, что водород намного легче воздуха, для сбора водорода сосуд, в котором собирается газ, необходимо располагать вверх дном, или производить собирание методом вытеснения воды. Как обнаружить водород? Заполним пробирку водородом, держа ее вверх дном, по отношению к газоотводной трубке. Поднесем пробирку отверстием к пламени спиртовки – слышится характерный хлопок.

Хлопок – это признак того, что в пробирке содержится водород. При поднесении пробирки к пламени водород вступает в реакцию с кислородом, содержащимся в воздухе. При малых количествах реакция кислорода и водорода сопровождается хлопком. Более подробно об этой реакции будет рассказано в следующем параграфе.

Оцените статью
Рейтинг автора
5
Материал подготовил
Андрей Измаилов
Наш эксперт
Написано статей
116
Добавить комментарий