Перспективы и недостатки водородной энергетики
Для хранения и выработки энергии от водорода используются топливные элементы. Первый водородный топливный элемент был сконструирован английским ученым Уильямом Гроувом в 30-х годах 19 века. Гроув и работавший параллельно с ним Кристиан Шенбейн продемонстрировали возможность производства энергии в водородно-кислородном топливном элементе с использованием кислотного электролита.
В 1959 году Фрэнсис Т. Бэкон из Кембриджа добавил в водородный топливный элемент ионообменную мембрану для облегчения транспорта гидроксид-ионов. Изобретением Бэкона сразу заинтересовались правительство США и NASA, обновленный топливный элемент стал использоваться на космических аппаратах «Аполлон» в качестве главного источника энергии во время их полетов.
В отличие от кислорода водород практически не встречается на земле в чистом виде и поэтому извлекается из других соединений с помощью различных химических методов.
По этим способам его разделяют на цветовые градации.
Зеленый — производится из возобновляемых источников энергии методом электролиза воды. Все, что необходимо для этого: вода, электролизер и большое снабжение электроэнергией.
Голубой — производится из природного газа, а вредные отходы улавливаются для вторичного использования. Тем не менее идеально чистым этот метод не назовешь.
Розовый или красный — произведенный при помощи атомной энергии.
Серый — водород получают путем конверсии метана. При его производстве вредные отходы выбрасываются в атмосферу.
Коричневый — водород получают в результате газификации угля. Этот метод также после себя оставляет парниковые газы.
Еще существуют технологии получения биоводорода из мусора и этанола, но их доля чрезвычайно мала.
Себестоимость производства по видам водорода, доллар за килограмм
Водородная энергетика
На переработку угля приходится 18% производства водорода, 4% обеспечивается за счет зеленого водорода и 78% — переработкой природного газа и нефти. Методы производства, основанные на ископаемом топливе, приводят к образованию 830 млн тонн выбросов CO2 каждый год, что равно выбросам Великобритании и Индонезии, вместе взятым. И тем не менее водород — это более чистая альтернатива традиционному топливу.
В мире три основных источника выбросов, способствующих потеплению климата: транспорт, производство электроэнергии и промышленность. Водород может использоваться во всех трех областях. При использовании в топливных элементах водородная энергия оставляет минимальные потери, а после использования в качестве побочного продукта остается только вода, из которой снова можно добывать водород.
Перспективы отрасли
Согласно докладу МЭА, к 2050 году мировой спрос на водород должен достичь 528 млн тонн — против 87 млн в 2020, — а его доля в мировом потреблении составит 18%, из них 10% будет приходиться на зеленый водород.
В июне 2020 года Германия объявила о реализации национальной водородной стратегии с инвестициями в 7 млрд евро, чтобы стать лидером в этой области.
Япония, Франция, Южная Корея, Австралия, Нидерланды и Норвегия начали свой курс на водород раньше Германии, а Япония сделала это раньше всех — в декабре 2017 года.
В июле 2020 года Минэнерго подготовило план развития в РФ водородной энергетики на период 2020—2024 годов. Производить водород собираются «Росатом», «Газпром» и «Новатэк». В дорожной карте предусмотрены следующие меры:
В 2021 году HydrogenOne Capital — первый в мире инвестиционный фонд, ориентированный на зеленый водород, заявил о листинге на Лондонской бирже. Фонд инвестирует в проекты мощностью 20—100 МВт с возможностью их расширения до 500 МВт.
Как сделать ремонт и не сойти с ума
Преимущества водородной энергетики
Высокая применимость. Электрификация транспорта поможет снизить выбросы в атмосферу, но авиацию, морские и грузовые перевозки на дальние расстояния трудно перевести на использование электроэнергии, потому что для этих секторов требуется топливо с высокой плотностью энергии. Зеленый водород может удовлетворить эти потребности. Например, Airbus представил концепции самолетов с водородным двигателем и надеется ввести его в эксплуатацию к 2035 году.
Nikola строит полуприцепы, работающие как на аккумуляторных батареях, так и на водороде. Компания заявляет, что ее топливные элементы могут работать при более низких температурах, чем батареи. И они легче, что делает их более практичными для грузовиков и другой тяжелой техники. Nikola также утверждает, что дальность хода такого грузовика составит 900 миль на баке с водородом. Для сравнения: у Tesla Semi с батарейным питанием, который может быть запущен в производство в конце этого года или в 2022 году, заявленная дальность — 200—300 миль.
Также свои аналогичные модели транспорта представили компании Toyota, Honda и BMW.
Время заправки электромобиля на топливных элементах в среднем составляет менее четырех минут. При этом в отличие от батарей они не нуждаются в перезарядке. Поскольку они могут работать независимо от сети, то могут использоваться как запасные генераторы электричества или тепла.
Важный элемент перехода на водород — его применение в ЖКХ. Кроме пилотных проектов в Великобритании Лидс станет первым городом, энергоснабжение которого будет полностью водородным. Согласно плану, все газовые сети и транспортное оборудование переведут на него.
Запасы водорода практически безграничны. Так как он встречается почти всюду, его можно использовать там, где он производится. В отличие от батарей, которые не могут хранить большое количество электроэнергии в течение продолжительного времени, водород можно производить из избыточной возобновляемой энергии и хранить в больших количествах.
Энергоэффективность. Водород содержит почти в три раза больше энергии, чем ископаемое топливо, поэтому для выполнения какой-либо работы его требуется гораздо меньше. Например, по сравнению с электростанцией, работающей на сжигании топлива с КПД от 33 до 35%, водородные топливные элементы выполнят ту же функцию с КПД до 65%. Для примера, у солнечных элементов КПД — 20%, а у ветряных — 40%.
Весной 2020 года в городе Фукусима была запущена самая крупная в мире электростанция, работающая на водороде. Для питания электролизных установок на ней размещены солнечные батареи общей мощностью 20 МВт. Всего станция вырабатывает 1,2 тысячи кубических метров водорода в час.
В автомобилях топливные элементы используют 40—60% энергии топлива, а также обеспечивают сокращение его расхода на 50%.
Зеленый водород — отличная среда для хранения энергии. Например, у Германии существует проблема с энергосистемой. В ясные и ветреные дни солнечные экраны и ветряные турбины на севере производят больше электроэнергии, чем может потребить эта часть страны. Из-за этого Германия вынуждена продавать излишки электроэнергии соседним странам себе в убыток. Избыток электроэнергии из ВИЭ можно хранить в виде водорода, а затем сжигать для выработки электроэнергии, когда это необходимо.
Недостатки водородной энергетики
Стоимость зеленого водорода. Как уже говорилось выше, именно стоимость добычи самого чистого вида водорода ставит наиболее сильные препятствия в его развитии. По словам и прогнозам Минэнерго РФ, перспективы водородной энергетики связаны с удешевлением стоимости водорода, производимого электролизом воды. В качестве основных факторов обеспечения конкурентоспособности зеленого водорода рассматривается перспективное снижение капитальных затрат на электролизеры, а также стоимости электроэнергии из ВИЭ.
Водородное топливо
LH2 является самым экологически чистым видом моторного топлива, поэтому его перспективы очевидны
Водородное топливо
В Австралии на бурых углях в штате Виктория отрабатывается технология технология газификации угля с последующим выделением водорода, вернее удаления серы, ртути и двуокиси углерода (СО2).
Водород
Водород (H) является самым распространенным элементом на Земле, но в обычных условиях он не встречается ни в виде водорода H, ни в виде газообразного водорода (H2).
Благодаря своим характеристикам он легко вступает в реакцию с другими органическими соединениями с образованием, например, воды (H2O).
Во время этой реакции образования воды из водорода и воздуха выделяется энергия, которую можно использовать в качестве электричества.
Чтобы сделать эту реакцию полезной для промышленного производства электроэнергии, необходимо произвести водород, например из воды путем разделения атомов на кислород и водород посредством электролиза.
Есть другие технологии:
Реакция взаимодействия водорода с кислородом происходит с выделением тепла.
Если взять 1 моль H2 (2 г) и 0,5 моль O2 (16 г) при стандартных условиях и возбудить реакцию, то согласно уравнению
после завершения реакции образуется 1 моль H2O (18 г) с выделением энергии 285,8 кДж/моль.
1 м³ водорода весит 89,8 г (44,9 моль), поэтому для получения 1 м³ водорода будет затрачено 12832,4 кДж энергии.
1 кВт*ч = 3600 кДж, поэтому получим 3,56 кВт*ч электроэнергии.
Целесообразность перехода на водородное топливо можно оценить, сравнив имеющийся тариф на 1 кВт*ч электричества и, к примеру, стоимость 1 м³ газа или стоимость другого энергоносителя.
Получение водорода
2NaCl + 2H2O → H2↑ + 2NaOH + Cl2
Конверсия с водяным паром: CH4 + H2O ⇄ CO + 3H2 (1000 °C) Каталитическое окисление кислородом: 2CH4 + O2 ⇄ 2CO + 4H2
Физические свойства
Химические свойства
Молекулы водорода Н₂ довольно прочны, и для того, чтобы водород мог вступить в реакцию, должна быть затрачена большая энергия:
Поэтому при обычных температурах водород реагирует только с очень активными металлами, например с кальцием, образуя гидрид кальция:
С большинством же металлов и неметаллов водород реагирует при повышенной температуре или при другом воздействии, например при освещении.
Он может «отнимать» кислород от некоторых оксидов, например:
Реакция восстановления противоположна реакции окисления.
Обе эти реакции всегда протекают одновременно как 1 процесс: при окислении (восстановлении) одного вещества обязательно одновременно происходит восстановление (окисление) другого.
С галогенами образует галогеноводороды:
F2 + H2 → 2 HF, реакция протекает со взрывом в темноте и при любой температуре, Cl2 + H2 → 2 HCl, реакция протекает со взрывом, только на свету.
С сажей взаимодействует при сильном нагревании:
Водород. Заблуждения
В завтрашний день могут смотреть не только лишь все. Мало кто может это делать!
Прочитанная недавно статья очередного эксперта по газу и водороду привела меня в неистовую печаль.
Настолько, что захотелось выматериться поделиться своими соображениями, о блуждающих в массах заблуждениях касательно водорода.
Очень часто при обсуждении вопроса производства, хранения и использования водорода, упираются в некие ограничения, которые в реальности таковыми не являются.
Например следующее утверждение:
Водород очень подвижный газ и потребует для развития водородной энергетики новых материалов уже прямо завтра. Отдельные комментаторы в интернетах указывают, что температура горения водорода очень высока и составляет 2500-2800 градусов и что не имеется в достаточном количестве необходимых материалов для широкого использования котлов на водороде и что эти материалы слишком дороги.
Во-вторых, давайте рассмотрим ближайшие перспективные планы «водородных активистов», на период до 2030-го года.
From 2025 to 2030, hydrogen needs to become an intrinsic part of our integrated energy system, with at least 40 gigawatts of renewable hydrogen electrolysers and the production of up to ten million tonnes of renewable hydrogen in the EU.
Что в переводе на русский означает производство 10 млн тонн электролизного водорода в год.
Измерение топливного газа в массовых величинах с химической точки зрения более правильно, чем в объёмных, т.к. количество извлекаемой энергии зависит напрямую от массы вещества вступающей в реакцию горения, но поскольку многим привычней объёмные «попугаи», то для упрощения понимания переведём в них.
Ранее в сериале, рассматривая вопросы стимулирования энергоперехода, было прикинуто, что 1 кг водорода потенциально содержит 120 МДж энергии, что приблизительно эквивалентно 4-4,5 куб.м. метана, или 1 тыс. куб.м. метана энергетически эквивалентна 220-250 кг водорода. Таким образом, можно приблизительно оценить что 10 млн. тонн водорода это энергетический эквивалент 42,5 млрд. куб.м. метана.
Потребление Европы по данным Газпрома, оценивается в 500-550 млрд куб.м. в год, т.е. объём предполагаемого производства водорода к 2030г. предполагается на уровне 7-8% от потребляемого газа.
Mitsubishi Hitachi Power Systems (MHPS) еще несколько лет назад успешно испытала газовую турбину большой мощности на одной из своих электростанций, подав в камеру сгорания природный газ с добавкой 30% водорода. Температура газов на выходе – 1600 градусов, оборудование такую нагрузку, хоть и не без сложностей, но выдержало. КПД незначительно, но увеличился, а вот количество образовавшегося углекислого газа оказалось ниже сразу на 10%, а по поводу оксидов азота японская компания информацию раскрыла не полностью, ограничившись фразой «остались на приемлемом уровне». Рекомендация MHPS – экономически оправдано и экологически полезно использовать топливную смесь из 80% природного газа и 20% водорода.
Как видим из текущих планов на ближайшее время проблем хранения, транспортировки и сжигания нет.
А что есть? Как ранее уже обсуждалось, в настоящее время в мире производится 75 млн тонн водорода. Более ¾ производят методом реформинга природного газа и лишь около 100 тысяч тонн производится электролизом. При реализации планов увеличить за 8-9 лет производство электролизного водорода только в ЕС (не считая австралийских и американских планов) до уровня в 10 миллионов тонн означает по существу создание новой индустрии с нуля.
Вот она индустрия и «есть» к 2030-му году. Она же и будет финансировать НИОКР на повышение собственной эффективности, разрешение вопросов хранения и транспортировки чистого водорода уже в дальнейшем. Расширение масштабов производства техники снизит её стоимость, точно так же как снизилась себестоимость энергии от солнечных панелей (в 4 раза за 10 лет) и ветрогенераторов (на 20% за 10 лет).
Оксид азота (NOx)
Отдельно хочется остановиться и рассмотреть это заблуждение интернет-экспертов.
Довольно часто от некоторых комментаторов приходится слышать про то, как в процессе горения водорода будет высокая температура и начнёт резко окисляться азот из воздуха, который используется в процессе горения. Чаще всего ссылаются на механизм Зельдовича и что вот именно водородное-то горение его и запускает.
Механизм Зельдовича, описанный в 1947 году, представляет собой реакцию окисления атмосферного азота в топке, при высокой температуре. Начинается сей процесс уже при 1800-1850К, или примерно при 1550 град. С. т.е. при достижении указанной температуры (без разницы от сжигания дров, угля, метана или кизяка) начинается процесс окисления азота.
Общая схема выглядит примерно так:
N + OH NO + H (3) (добавлена по расчётам Ч. Фенимора в 1957 г.)
Совокупность реакций (1-3) называется расширенным механизмом Зельдовича. В силу того что энергия тройной связи в молекуле N2 составляет около 950 кДж/моль, реакция (1) имеет большую энергию активации и может проходить с заметной скоростью только при высоких температурах.
Существует ещё и механизм образования оксидов азота им. т-ща Фенимора (Чарльза, а не Купера 
), но его уже не упоминают, т.к. считают, что читателя/зрителя/слушателя уже достаточно напугали и ему и Зельдовича хватит.
Считаю неправильным останавливаться на полумерах и предлагаю всем обоср…. т.е. испугаться по взрослому и с размахом. Взять и рассмотреть ещё и механизм Фенимора в том числе.
Для этого возьмём и откроем скушную книшку, написанную двумя профессорами Штутгартского университета и ещё одним из университета Беркли:
Крайне интересного текста там немного, но а тем же, кому лень читать источник фиги или кто в принципе не хочет вникать, поясню коротко, тезисно и на пальцах:
2. По причине 1 при сжигании углеводородного топлива (метан, этан, пропан, уголь, бензин, дрова и прочее без разницы) оксидов азота при горении выделяется больше, чем при горении водорода по механизму Зельдовича, причём больше существенно (см. рис. 17.7)
3. При горении углеводородных топлив, особенно угля, (где даже в особо чистых образцах имеется до 1% азота), содержащийся в топливе связанный азот окисляется вообще независимо от уровня температуры, тем самым увеличивая общий выхлоп оксидов азота.
4. При высокотемпературном сжигании природного газа, (что практикуется на мусоросжигательных заводах особенно, где разгоняют температуру до 2200-2300 град. С), промежуточно образуется HCN – синильная кислота. И хотя она лишь промежуточный продукт, но при высокой температуре может быть кинетически выброшена из зоны реакции и тем самым составит пусть и мизерную но часть выхлопа.
Не смотря на вышеуказанные проблемы образования оксида азота при сжигании природного газа и угля, не спешите хвататься за валидол.
Решение по уменьшению выхода оксидов азота имеются и применяются на существующих котельных и реакторных установках. Кроме указанных ранее способов регулировки температуры горения в топке, довольно широко применяется запатентованный в 1975 году компанией Exxon Research Engineering, метод селективного некаталитического восстановления водородом из аммиака, когда в выхлопную трубу в отводящие газы подаётся аммиак и в диапазоне температур от 800 до 1100 град. С и происходит восстановление азота по схеме:
4NO + 4NH3 + O2 => 4N2 + 6H2O
Поскольку водород очень хороший восстановитель, то при использовании чистого водорода, достаточно обеспечить камеру вторичного дожига, где отходящие выхлопные газы, содержащие CO и NOx будут восстанавливаться чистым водородом, без лишних танцев с бубном.
Водород
(молярная масса)
(первый электрон)
Водород (H, лат. hydrogenium ) — химический элемент периодической системы с обозначением H и атомным номером 1, самый лёгкий из элементов периодической таблицы. Его одноатомная форма — самое распространённое химическое вещество во Вселенной, составляющее примерно 75 % всей барионной массы. Звёзды, кроме компактных, в основном состоят из водородной плазмы.
Три изотопа водорода имеют собственные названия: 1 H — протий, 2 H — дейтерий и 3 H — тритий (радиоактивен). Ядро самого распространённого изотопа, протия, состоит из одного только протона и не содержит нейтронов.
При стандартных температуре и давлении водород — бесцветный, не имеющий запаха и вкуса, нетоксичный двухатомный газ с химической формулой H2, который в смеси с воздухом или кислородом горюч и крайне пожаро- и взрывоопасен. В присутствии других окисляющих газов, например фтора или хлора, водород также взрывоопасен. Поскольку водород охотно формирует ковалентные связи с большинством неметаллов, большая часть водорода на Земле существует в молекулярных соединениях, таких как вода или органические вещества. Водород играет особенно важную роль в кислотно-основных реакциях.
Растворим в этаноле и ряде металлов: железе, никеле, палладии, титане, платине, ниобии.
Содержание
История открытия
Выделение горючего газа при взаимодействии кислот и металлов наблюдали в XVI и XVII веках на заре становления химии как науки. Впервые водород получил Парацельс, погружая железные опилки в серную кислоту в XVI веке.
В 1671 году Роберт Бойль подробно описал реакцию между железными опилками и разбавленными кислотами, при которой выделяется газообразный водород.
В 1766 году Генри Кавендиш был первым, кто признал газообразный водород индивидуальным элементом, назвав газ, выделяющийся при реакции металла с кислотой «горючим воздухом». Он предположил, что «горючий воздух» идентичен гипотетическому веществу, называемому «флогистон», и в 1781 году обнаружил, что при его сгорании образуется вода.
Прямо указывал на выделение водорода и Михаил Ломоносов, но он уже понимал, что это не флогистон.
Французский химик Антуан Лавуазье совместно с инженером Жаном Мёнье, используя специальные газометры, в 1783 году осуществил синтез воды, а затем и её анализ, разложив водяной пар раскалённым железом. Так он установил, что «горючий воздух» входит в состав воды и может быть из неё получен.
Происхождение названия
Лавуазье дал водороду название hydrogène (от др.-греч. ὕδωρ — вода и γεννάω — рождаю) — «рождающий воду». В 1801 году последователь Лавуазье, академик Василий Севергин, называл его «водотворное вещество», он писал:
Водотворное вещество в соединении с кислотворным составляет воду. Сие можно доказать, как через разрешение, так и через составление.
Русское наименование «водород» предложил химик Михаил Соловьёв в 1824 году — по аналогии с «кислородом» Ломоносова.
Распространённость
Во Вселенной
В настоящее время водород — самый распространённый элемент во Вселенной. На его долю приходится около 88,6 % всех атомов (около 11,3 % составляют атомы гелия, доля всех остальных вместе взятых элементов — порядка 0,1 %). Таким образом, водород — основная составная часть звёзд и межзвёздного газа. Повсеместное возникновение атомарного водорода впервые произошло в эпоху рекомбинации.
В условиях звёздных температур (например, температура поверхности Солнца
6000 °C) водород существует в виде плазмы, в межзвёздном пространстве этот элемент существует в виде отдельных молекул, атомов и ионов и может образовывать молекулярные облака, значительно различающиеся по размерам, плотности и температуре.
Земная кора и живые организмы
Массовая доля водорода в земной коре составляет 1 % — это десятый по распространённости элемент. Однако его роль в природе определяется не массой, а числом атомов, доля которых среди остальных элементов составляет 17 % (второе место после кислорода, доля атомов которого равна
52 %). Поэтому значение водорода в химических процессах, происходящих на Земле, почти так же велико, как и кислорода.
В отличие от кислорода, существующего на Земле и в связанном, и в свободном состояниях, практически весь водород на Земле находится в виде соединений; лишь в очень незначительном количестве водород в виде простого вещества содержится в атмосфере (0,00005 % по объёму для сухого воздуха).
Водород входит в состав практически всех органических веществ и присутствует во всех живых клетках, где по числу атомов на водород приходится почти 63 %.
Получение
В промышленности
На 2019 год в мире потребляется 75 млн тонн водорода, в основном в нефтепереработке и производстве аммиака. Из них более 3/4 производится из природного газа, для чего расходуется более 205 млрд м 3 газа. Почти все остальное получают из угля. Около 0,1 % (
100 тыс. тонн) вырабатывается электролизом. При производстве водорода в атмосферу поступает
830 млн тонн CO2. Себестоимость водорода из природного газа оценивается в 1,5-3 доллара за 1 кг.
В лаборатории
Очистка
В промышленности реализованы несколько способов очистки водорода из углерод-содержащего сырья (т. н. водородсодержащий газ — ВСГ).
Стоимость
Стоимость водорода при крупнооптовых поставках колеблется в диапазоне 2—7 USD/кг. В небольших количествах перевозится в стальных баллонах зелёного или тёмно-зелёного цвета.
Физические свойства
Водород — самый лёгкий газ: он легче воздуха в 14,5 раз. Поэтому, например, мыльные пузыри, наполненные водородом, на воздухе стремятся вверх. Чем меньше масса молекул, тем выше их скорость при одной и той же температуре. Как самые лёгкие, молекулы водорода движутся быстрее молекул любого другого газа и тем самым быстрее могут передавать теплоту от одного тела к другому. Отсюда следует, что водород обладает самой высокой теплопроводностью среди газообразных веществ. Его теплопроводность примерно в 7 раз выше теплопроводности воздуха.
Водород хорошо растворим во многих металлах (Ni, Pt, Pd и др.), особенно в палладии (850 объёмов H2 на 1 объём Pd). С растворимостью водорода в металлах связана его способность диффундировать через них; диффузия через углеродистый сплав (например, сталь) иногда сопровождается разрушением сплава вследствие взаимодействия водорода с углеродом (так называемая декарбонизация). Практически не растворим в серебре.
В 1935 году Уингер и Хунтингтон высказали предположение о том, что при давлении свыше 250 тысяч атм водород может перейти в металлическое состояние. Получение этого вещества в устойчивом состоянии открывало очень заманчивые перспективы его применения — ведь это был бы сверхлёгкий металл, компонент лёгкого и энергоёмкого ракетного топлива. В 2014 году было установлено, что при давлении порядка 1,5—2,0 млн атм водород начинает поглощать инфракрасное излучение, а это означает, что электронные оболочки молекул водорода поляризуются. Возможно, при ещё более высоких давлениях водород превратится в металл. В 2017 году появилось сообщение о возможном экспериментальном наблюдении перехода водорода в металлическое состояние под высоким давлением.
Молекулярный водород существует в двух спиновых формах (модификациях): ортоводород и параводород. Модификации немного различаются по физическим свойствам, оптическим спектрам, также по характеристикам рассеивания нейтронов. В молекуле ортоводорода o-H2 (т. пл. −259,10 °C, т. кип. −252,56 °C) спины ядер параллельны, а у параводорода p-H2 (т. пл. −259,32 °C, т. кип. −252,89 °C) — противоположно друг другу (антипараллельны). Равновесная смесь o-H2 и p-H2 при заданной температуре называется равновесный водород e-H2.
Разделить модификации водорода можно адсорбцией на активном угле при температуре жидкого азота. При очень низких температурах равновесие между ортоводородом и параводородом почти нацело сдвинуто в сторону параводорода, так как энергия пара-молекулы немного ниже энергии орто-молекулы. При 80 К соотношение модификаций приблизительно 1:1. Десорбированный с угля параводород при нагревании превращается в ортоводород с образованием равновесной смеси. При комнатной температуре равновесна смесь ортоводорода и параводорода в отношении около 75:25. Без катализатора взаимное превращение происходит относительно медленно, что даёт возможность изучить свойства обеих модификаций. В условиях разреженной межзвёздной среды характерное время перехода в равновесную смесь очень велико, вплоть до космологических.
Изотопы
Наиболее известны три изотопа водорода: протий 1 H (атомное ядро — протон), дейтерий 2 H (ядро состоит из одного протона и одного нейтрона) и тритий 3 H (ядро состоит из одного протона и двух нейтронов). Эти изотопы имеют собственные химические символы: протий — H, дейтерий — D, тритий — T.
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.
| Температура плавления, K | Температура кипения, K | Тройная точка | Критическая точка | 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 | |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 H | 1 | 0 | 1,007 825 032 07(10) | стабилен | 1 ⁄2 + | 99,9885(70) | ||
| 2 H | 1 | 1 | 2,014 101 777 8(4) | стабилен | 1 + | 0,0115(70) | ||
| 3 H | 1 | 2 | 3,016 049 277 7(25) | 12,32(2) года | 1 ⁄2 + | β − | 18,591(1) кэВ | |
| 4 H | 1 | 3 | 4,027 81(11) | 1,39(10)⋅10 −22 с | 2 − | -n | 23,48(10) МэВ | |
| 5 H | 1 | 4 | 5,035 31(11) | более 9,1⋅10 −22 с | ( 1 ⁄2 + ) | -nn | 21,51(11) МэВ | |
| 6 H | 1 | 5 | 6,044 94(28) | 2,90(70)⋅10 −22 с | 2 − | −3n | 24,27(26) МэВ | |
| 7 H | 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 1 H позволяют широко использовать ЯМР-спектроскопию в анализе органических веществ.
Химические свойства
Молекулы водорода достаточно прочны, и для того, чтобы водород мог вступить в реакцию, должна быть затрачена большая энергия:
Поэтому при обычных температурах водород реагирует только с очень активными металлами, например, с кальцием, образуя гидрид кальция:
и с единственным неметаллом — фтором, образуя фтороводород:
С большинством же металлов и неметаллов водород реагирует при повышенной температуре или при другом воздействии, например, при освещении:
Записанное уравнение отражает восстановительные свойства водорода.
С галогенами образует галогеноводороды:
С сажей взаимодействует при сильном нагревании:
Взаимодействие со щелочными и щёлочноземельными металлами
При взаимодействии с активными металлами водород образует гидриды:
Гидриды — солеобразные, твёрдые вещества, легко гидролизуются:
Взаимодействие с оксидами металлов
Оксиды металлов (как правило, d-элементов) восстанавливаются до металлов:
Гидрирование органических соединений
Молекулярный водород широко применяется в органическом синтезе для восстановления органических соединений. Эти процессы называют реакциями гидрирования. Эти реакции проводят в присутствии катализатора при повышенных давлении и температуре. Катализатор может быть как гомогенным (напр., Катализатор Уилкинсона), так и гетерогенным (напр., никель Ренея, палладий на угле).
Так, в частности, при каталитическом гидрировании ненасыщенных соединений, таких как алкены и алкины, образуются насыщенные соединения — алканы.
Геохимия водорода
На Земле содержание водорода понижено по сравнению с Солнцем, планетами-гигантами и первичными метеоритами, из чего следует, что во время образования Земля была значительно дегазирована: основная масса водорода, как и других летучих элементов, покинула планету во время аккреции или вскоре после неё. Однако точное содержание данного газа в составе геосфер нашей планеты (исключая земную кору) — астеносферы, мантии, ядра Земли — неизвестно.
Свободный водород H2 относительно редко встречается в земных газах, но в виде воды он принимает исключительно важное участие в геохимических процессах. Известно содержание водорода в составе вулканических газов, истечение некоторых количеств водорода вдоль разломов в зонах рифтогенеза, выделение этого газа в некоторых угольных месторождениях.
В состав минералов водород может входить в виде иона аммония, гидроксил-иона и воды.
В атмосфере молекулярный водород непрерывно образуется в результате разложения формальдегида, образующегося в цепочке окисления метана или другой органики, солнечным излучением (31—67 гигатонн/год), неполного сгорания различных топлив и биомасс (по 5—25 гигатонн/год), в процессе фиксации азота микроорганизмами из воздуха (3−22 гигатонн/год).
Имея малую массу, молекулы водорода в составе воздуха обладают высокой тепловой скоростью (она близка ко второй космической скорости) и, попадая в верхние слои атмосферы, могут навсегда улететь в космическое пространство (см. Диссипация атмосфер планет). Объёмы потерь оцениваются в 3 кг в секунду.
Меры предосторожности
Водород при смеси с воздухом образует взрывоопасную смесь — так называемый гремучий газ. Наибольшую взрывоопасность этот газ имеет при объёмном отношении водорода и кислорода 2:1, или водорода и воздуха приближённо 2:5, так как в воздухе кислорода содержится примерно 21 %. Также водород пожароопасен. Жидкий водород при попадании на кожу может вызвать сильное обморожение.
Считается, что взрывоопасные концентрации водорода с кислородом возникают от 4 % до 96 % объёмных. При смеси с воздухом от 4 % до 75 (74) % по объёму. Такие цифры фигурируют сейчас в большинстве справочников, и ими вполне можно пользоваться для ориентировочных оценок. Однако следует иметь в виду, что более поздние исследования (примерно конец 80-х) выявили, что водород в больших объёмах может быть взрывоопасен и при меньшей концентрации. Чем больше объём, тем меньшая концентрация водорода опасна.
Источник этой широко растиражированной ошибки в том, что взрывоопасность исследовалась в лабораториях на малых объёмах. Поскольку реакция водорода с кислородом — это цепная химическая реакция, которая проходит по свободнорадикальному механизму, «гибель» свободных радикалов на стенках (или, скажем, поверхности пылинок) критична для продолжения цепочки. В случаях, когда возможно создание «пограничных» концентраций в больших объёмах (помещения, ангары, цеха), следует иметь в виду, что реально взрывоопасная концентрация может отличаться от 4 % как в большую, так и в меньшую стороны.
Применение
Водород сегодня применяется во многих областях. Структура мирового потребления водорода представлена в следующей таблице
| 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 (твёрдый 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 удалённых мест.
Топливо
Ведутся исследования по применению водорода как топлива для легковых и грузовых автомобилей.
В водородно-кислородных топливных элементах используется водород для непосредственного преобразования энергии химической реакции в электрическую.
Электроэнергетика
Водород применяется для охлаждения мощных электрических генераторов.
Прочее
Атомарный водород используется для атомно-водородной сварки. Высокая теплопроводность водорода используется для заполнения сфер гирокомпасов и стеклянных колб филаментных LED-лампочек.