Sıvı hidrojen: özellikleri ve uygulamaları. Hidrojen nedir? Hangi malzeme çok fazla hidrojen içerir?

Hidrojen (H) çok hafiftir kimyasal element Ağırlıkça %0,9'u yer kabuğunda, %11,19'u su içeriğine sahiptir.

Hidrojenin özellikleri

Gazlar arasında hafiflik bakımından birincidir. Normal şartlarda tatsız, renksiz ve kesinlikle kokusuzdur. Termosfere girdiğinde düşük ağırlığı nedeniyle uzaya uçar.

Tüm evrende en çok sayıda kimyasal elementtir (toplam madde kütlesinin %75'i). Öyle ki, uzaydaki birçok yıldız tamamen bundan oluşmuştur. Örneğin Güneş. Ana bileşeni hidrojendir. Isı ve ışık ise bir maddenin çekirdekleri birleştiğinde ortaya çıkan enerjinin sonucudur. Ayrıca uzayda çeşitli boyutlarda, yoğunluklarda ve sıcaklıklarda moleküllerinden oluşan bütün bulutlar vardır.

Fiziksel özellikler

Yüksek sıcaklık ve basınç, niteliklerini önemli ölçüde değiştirir, ancak normal koşullar altında:

Diğer gazlarla karşılaştırıldığında yüksek ısı iletkenliğine sahiptir,

Toksik değildir ve suda az çözünür,

0°C ve 1 atm'de 0,0899 g/l yoğunluğa sahip,

-252,8°C sıcaklıkta sıvıya dönüşür

-259,1°C'de sertleşir,

Özgül yanma ısısı 120.9.106 J/kg.

Sıvıya dönüşmek veya katı hal yüksek basınç ve çok düşük sıcaklıklar gereklidir. Sıvılaştırılmış halde akışkan ve hafiftir.

Kimyasal özellikler

Basınç altında ve soğutma (-252,87 derece C) üzerine hidrojen, ağırlığı herhangi bir analogdan daha hafif olan sıvı bir hal alır. Gaz halindeki formdan daha az yer kaplar.

Tipik bir metal olmayan maddedir. Laboratuvarlarda metallerin (çinko veya demir gibi) seyreltik asitlerle reaksiyona sokulmasıyla üretilir. Normal koşullar altında aktif değildir ve yalnızca aktif metal olmayan maddelerle reaksiyona girer. Hidrojen, oksijeni oksitlerden ayırabilir ve metalleri bileşiklerden indirgeyebilir. O ve karışımları belirli elementlerle hidrojen bağları oluşturur.

Gaz, etanolde ve birçok metalde, özellikle paladyumda oldukça çözünür. Gümüş onu eritmez. Hidrojen, oksijen veya havada yanma sırasında ve halojenlerle etkileşime girdiğinde oksitlenebilir.

Oksijenle birleşince su oluşur. Sıcaklık normalse reaksiyon yavaş ilerler, 550°C'nin üzerindeyse patlar (patlayıcı gaza dönüşür).

Doğada hidrojen bulunması

Gezegenimizde çok fazla hidrojen olmasına rağmen saf halini bulmak kolay değil. Volkanik patlamalar sırasında, petrol üretimi sırasında ve organik maddenin ayrıştığı yerlerde çok az miktarda bulunabilir.

Toplam miktarın yarısından fazlası su içeren bileşimdedir. Ayrıca yağın, çeşitli killerin, yanıcı gazların, hayvanların ve bitkilerin yapısında da bulunur (her canlı hücrede varlığı atom sayısına göre %50'dir).

Doğada hidrojen döngüsü

Her yıl su kütlelerinde ve toprakta muazzam miktarda (milyarlarca ton) bitki kalıntısı ayrışıyor ve bu ayrışma atmosfere büyük miktarda hidrojen salıyor. Ayrıca bakterilerin neden olduğu herhangi bir fermantasyon, yanma sırasında açığa çıkar ve oksijenle birlikte su döngüsüne katılır.

Hidrojen Uygulamaları

Element, insanlık tarafından faaliyetlerinde aktif olarak kullanılmaktadır, bu nedenle onu endüstriyel ölçekte elde etmeyi öğrendik:

Meteoroloji, kimyasal üretim;

Margarin üretimi;

Roket yakıtı olarak (sıvı hidrojen);

Elektrik jeneratörlerini soğutmak için elektrik enerjisi endüstrisi;

Metallerin kaynaklanması ve kesilmesi.

Sentetik benzin (düşük kaliteli yakıtın kalitesini artırmak için), amonyak, hidrojen klorür, alkoller ve diğer malzemelerin üretiminde çok fazla hidrojen kullanılır. Nükleer enerji izotoplarını aktif olarak kullanır.

"Hidrojen peroksit" ilacı metalurjide yaygın olarak kullanılmaktadır. elektronik endüstrisi, kağıt hamuru ve kağıt üretiminde, keten ve pamuklu kumaşların ağartılmasında, saç boyaları ve kozmetik üretiminde, polimerlerde ve yaraların tedavisinde kullanılan tıpta kullanılır.

Bu gazın "patlayıcı" doğası ölümcül bir silaha dönüşebilir. hidrojen bombası. Patlamasına büyük miktarda radyoaktif maddenin salınması eşlik eder ve tüm canlılar için yıkıcıdır.

Sıvı hidrojenin ciltle teması şiddetli ve ağrılı donmalara neden olabilir.

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

İzotoplar, atom ve molekül. Sıradan vitriol, iki kararlı izotopun bir karışımından oluşur: hafif vitriol veya protium (1H) ve ağır vitriol veya döteryum (2H veya D). Doğal bileşiklerde 1 2H atomu başına ortalama 6800 1H atomu bulunur. Yapay olarak bir radyoaktif izotop üretildi - süper ağır V. veya trityum (3H veya T), yumuşak β-radyasyonu ve yarı ömrü T1/2 = 12.262 yıl. Doğada trityum, örneğin kozmik ışın nötronlarının etkisi altında atmosferik nitrojenden oluşur; atmosferde ihmal edilebilir düzeydedir (%4-10-15) toplam sayı atomlar V.). Son derece kararsız bir izotop 4H elde edildi. 1H, 2H, 3H ve 4H izotoplarının kütle numaraları sırasıyla 1,2, 3 ve 4, protium atomunun çekirdeğinin yalnızca 1 proton, döteryum - 1 proton ve 1 nötron, trityum - 1 proton ve 2 içerdiğini gösterir. nötronlar, 4H - 1 proton ve 3 nötron. V. izotoplarının kütlelerindeki büyük fark, fiziksel ve kimyasal özelliklerinde diğer elementlerin izotoplarına göre daha belirgin bir fark belirler.

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

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

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

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

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

HİDROJEN, H (enlem. hidrojenyum; a. hidrojen; n. Wasserstoff; f. hidrojen; i. hidrojeno), aynı anda grup I ve VII, atom numarası 1 olarak sınıflandırılan Mendeleev elementlerinin periyodik sisteminin kimyasal bir elementidir. , atom kütlesi 1, 0079. Doğal hidrojenin kararlı izotopları vardır - protium (1 H), döteryum (2 H veya D) ve radyoaktif - trityum (3 H veya T). Doğal bileşikler için ortalama D/H oranı = (158±2).10 -6 Dünyadaki 3H'nin denge içeriği ~5.10 27 atomdur.

Hidrojenin fiziksel özellikleri

Hidrojen ilk kez 1766 yılında İngiliz bilim adamı G. Cavendish tarafından tanımlandı. Normal şartlarda hidrojen renksiz, kokusuz ve tatsız bir gazdır. Doğada serbest halde H2 molekülleri halinde bulunur. H2 molekülünün ayrışma enerjisi 4.776 eV'dir; Hidrojen atomunun iyonlaşma potansiyeli 13.595 eV'dir. Hidrojen, 0°C'de ve 0,1 MPa 0,0899 kg/m3'te bilinen en hafif maddedir; kaynama sıcaklığı - 252,6°C, erime sıcaklığı - 259,1°C; kritik parametreler: t - 240°C, basınç 1,28 MPa, yoğunluk 31,2 kg/m3. Tüm gazlar arasında termal olarak en iletken olanı 0°C'de 0,174 W/(m.K) ve 1 MPa'dır, özgül ısı kapasitesi 14.208.10 3 J(kg.K).

Hidrojenin kimyasal özellikleri

Sıvı hidrojen çok hafiftir (-253°C'de yoğunluk 70,8 kg/m3'tür) ve akışkandır (-253°C'de 13,8 cP'dir). Çoğu bileşikte hidrojen, +1 (alkali metallere benzer), daha az sıklıkla -1 (metal hidritlere benzer) oksidasyon durumu sergiler. Normal koşullar altında moleküler hidrojen aktif değildir; 20°C'de ve 1 MPa 0,0182 ml/g'de suda çözünürlük; metallerde oldukça çözünür - Ni, Pt, Pd, vb. Oksijenle birlikte 143,3 MJ/kg (25°C ve 0,1 MPa'da) ısı salınımıyla su oluşturur; 550°C ve üzerinde reaksiyona bir patlama eşlik eder. Flor ve klor ile etkileşime girdiğinde patlayıcı reaksiyonlar da meydana gelir. Ana hidrojen bileşikleri: H2O, amonyak NH3, hidrojen sülfür H2S, CH4, metal ve halojen hidritler CaH2, HBr, Hl ve ayrıca organik bileşikler C2H4, HCHO, CH3OH, vb. .

Doğada hidrojen

Hidrojen doğada yaygın olarak bulunan bir elementtir, içeriği (ağırlıkça) %1'dir. Dünyadaki hidrojenin ana rezervuarı sudur (kütlece %11,19). Hidrojen, tüm doğal organik bileşiklerin ana bileşenlerinden biridir. Serbest halde volkanik ve diğer doğal gazlarda (%0,0001, atom sayısına göre) bulunur. Güneş'in, yıldızların, yıldızlararası gazın ve gaz bulutsularının kütlesinin büyük kısmını oluşturur. Gezegenlerin atmosferlerinde H2, CH4, NH3, H2O, CH, NHOH, vb. Şeklinde bulunur. Güneş'in parçacık radyasyonunun (proton akışları) ve kozmik ışınların (elektron) bir parçasıdır. akar).

Hidrojen üretimi ve kullanımı

Endüstriyel hidrojen üretimi için hammaddeler, petrol rafinerisi gazları, gazlaştırma ürünleri vb.'dir. Hidrojen üretmenin ana yöntemleri şunlardır: hidrokarbonların su buharı ile reaksiyonu, hidrokarbonların kısmi oksidasyonu, oksit dönüşümü, suyun elektrolizi. Hidrojen, amonyak, alkol, sentetik benzin, hidroklorik asit üretiminde, petrol ürünlerinin hidro-işlenmesinde ve metallerin hidrojen-oksijen aleviyle kesilmesinde kullanılır.

Hidrojen umut verici bir gaz yakıttır. Döteryum ve trityum nükleer enerjide uygulama alanı bulmuştur.

Hidrojen depolama.

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

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

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

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

Sıkıştırılmış hidrojen gazı:

gaz silindirleri;

yer altı tankları dahil sabit masif depolama sistemleri;

boru hatlarında depolama;

cam mikroküreler.

Sıvı hidrojen: sabit ve taşıma kriyojenik kapları.

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

Adsorpsiyon:

zeolitler ve ilgili bileşikler;

aktif karbon;

hidrokarbon nanomalzemeleri.

Malzeme hacmi başına emme(metal hidrürler)

Kimyasal etkileşim:

alonatlar;

fullerenler ve organik hidritler;

amonyak;

sünger demir;

alüminyum ve silikon bazlı suyla reaksiyona giren alaşımlar.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Sıvı hidrojen depolama

Birçokları arasında benzersiz özellikler Sıvı halde depolanırken dikkate alınması gereken hidrojen özellikle önemlidir. Sıvı haldeki hidrojen dar bir sıcaklık aralığında bulunur: 20K kaynama noktasından katı duruma dönüştüğü 17K donma noktasına kadar. Sıcaklık kaynama noktasının üzerine çıkarsa hidrojen anında sıvıdan gaza dönüşür.

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

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

Sıvı hidrojen depolama tankları için bir takım gereksinimler vardır:

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

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

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

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

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

Hidrojenin kimyasal olarak bağlı durumda depolanması ve taşınması

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

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

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

2NH3?N2 + 3H2 – 92 kJ.

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

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

CH3OH? CO+2H 2 – 90 kJ

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

H2O + CH3OH? CO2 + 3H2 – 49 kJ.

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

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

Hidrit hidrojen depolama sistemi

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

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

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

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

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

Kullanılmış literatür listesi :

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

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

İÇİNDE periyodik tablo sergilediği özellikleri yansıtan ve kendi özelliğinden bahseden kendine özgü bir konum yeri vardır. elektronik yapı. Ancak bunların arasında aynı anda iki hücreyi işgal eden özel bir atom vardır. Özellikleri bakımından tamamen zıt olan iki element grubunda bulunur. Bu hidrojendir. Bu tür özellikler onu benzersiz kılmaktadır.

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

Kimyasal element olarak hidrojen

Hidrojen grup 1 elementidir ana alt grup ve ilk küçük dönemde ana alt grubun yedinci grubu. Bu periyot yalnızca iki atomdan oluşur: helyum ve ele aldığımız element. Periyodik tablodaki hidrojenin konumunun ana özelliklerini açıklayalım.

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

Böylece hidrojen atomunun diğer tüm elementlerden farklı olarak tamamen benzersiz bir element olduğu açıktır. Dolayısıyla özellikleri de özeldir ve ortaya çıkanlar basit ve karmaşık maddelerçok önemli. Onları daha ayrıntılı olarak ele alalım.

Basit madde

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

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

Hidrojen üretimi için laboratuvar yöntemleri:

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

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

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

Kullanım alanları

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

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

Düşündüğümüz gazın kullanıldığı birkaç ana alan var.

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

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

Hidrojen bileşikleri

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

1. Hidrojen halojenürler. Genel formül- HHal. Bunlar arasında özellikle önemli olan hidrojen klorürdür. Hidroklorik asit çözeltisi oluşturmak üzere suda çözünen bir gazdır. Bu asit hemen hemen tüm endüstrilerde yaygın olarak kullanılmaktadır. kimyasal sentezler. Üstelik hem organik hem de inorganik. Hidrojen klorür, HCL ampirik formülüne sahip bir bileşiktir ve ülkemizde her yıl üretilen en büyük bileşiklerden biridir. Hidrojen halojenürler ayrıca hidrojen iyodür, hidrojen florür ve hidrojen bromürü içerir. Hepsi karşılık gelen asitleri oluşturur.
2. Uçucu Hemen hepsi oldukça zehirli gazlardır. Örneğin hidrojen sülfür, metan, silan, fosfin ve diğerleri. Aynı zamanda çok yanıcıdırlar.
3. Hidritler metalli bileşiklerdir. Tuzlar sınıfına aittirler.
4. Hidroksitler: bazlar, asitler ve amfoterik bileşikler. Mutlaka bir veya daha fazla hidrojen atomu içerirler. Örnek: NaOH, K2, H2S04 ve diğerleri.
5. Hidrojen hidroksit. Bu bileşik daha çok su olarak bilinir. Diğer adı hidrojen oksittir. Ampirik formül şuna benzer: H 2 O.
6. Hidrojen peroksit. Bu, formülü H202 olan güçlü bir oksitleyici maddedir.
7. Çok sayıda organik bileşik: hidrokarbonlar, proteinler, yağlar, lipitler, vitaminler, hormonlar, uçucu yağlar ve diğerleri.

Düşündüğümüz elementin bileşik çeşitliliğinin çok büyük olduğu açıktır. Bu durum, onun doğa ve insanlar için olduğu kadar tüm canlılar için de büyük önemini bir kez daha doğrulamaktadır.

- bu en iyi çözücüdür

Yukarıda belirtildiği gibi ortak ad bu maddenin- su. Kovalent polar bağlarla birbirine bağlanan iki hidrojen atomu ve bir oksijenden oluşur. Su molekülü bir dipoldür ve bu onun sergilediği birçok özelliği açıklar. Özellikle evrensel bir çözücüdür.

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

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

• sıvı;
• gaz (buhar);
• katı (buz).

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

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

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

Hidrojen peroksit evrensel bir çözümdür

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

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

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