Вы вошли как ГостьПриветствую Вас, Гость
Главная » 2013 » Август » 25 » Водород
16:12
Водород

Водород является не только самым легким газом, но и промежуточным элементом между металлами и неметаллами. Соединяясь с металлами он проявляет валентность равную -1, со всеми неметаллами он имеет валентность +1. Радиус атома водорода наименьший среди всех атомов и равен 0,3 ангстрема, или 3.10-11 метра. Ядро атома водорода представляет собой протон, такой же, как и те протоны, что вызывают своим ударом деление ядер тяжелых изотопов. На орбите атома водорода находится электрон, будучи оторванным и разогнанным до околосветовой скорости, он становится β-частицей, обуславливающей соответствующую радиоактивность.

Впервые водород был открыт английским химиком Кэвендишем в 1776 году. Он получил водород воздействием разбавленной серной кислоты на железные опилки. По сей день, этот метод остается основным лабораторным способом получения водорода. Если использовать концентрированную кислоту, то водород будет загрязнен примесями сероводорода и оксидов серы, образующихся при ОВР между кислотой и металлом. Название Hydrogene ("воду рождающий”) дал водороду Лавуазье в 1783 году, из-за перехода водорода в водяной пар при сгорании в кислороде. Стехиометрическая смесь водорода с кислородом называется "гремучий газ”, так как, при сгорании дает громкий хлопок. В больших количествах, тем более в замкнутом пространстве, гремучий газ сгорает с переходом в низкоскоростную детонацию. Если это смесь водорода с кислородом при 1 атм., то скорость детонации достигает 0,7-0,9 км в секунду. Если смесь водорода с воздухом, то примерно на порядок меньше.

Основным промышленным методом получения водорода является электролиз разбавленных водных растворов щелочей. При этом, на катоде выделяется водород, а на аноде кислород. При постепенном добавлении дистиллированной воды процесс можно вести практически до бесконечности (пока не износится поверхность электродов или не разрушится материал ванны). Щелочь нужна для повышения электропроводности, так как, вносит носители заряда – гидроксильные группы.

Альтернативный процесс получения водорода в промышленном масштабе – окислительный пиролиз природного газа. При этом протекает реакция: 2СH4+O22CO+4H2. Реакция проводится в непрерывно действующем реакторе при давлении несколько выше атмосферного. Продукты разделяются перегонкой при высоком давлении или сорбцией окиси углерода в периодически или непрерывно действующих аппаратах.

Эта смесь имеет классическое название "водяной газ”, так как, впервые была получена (в 19-м веке) при пропускании водяного пара сквозь раскаленные угли при атмосферном давлении (при повышенном давлении имеется примесь ацетилена). В современной промышленности эта смесь называется "синтез-газ” и используется для получения метанола – ценного промышленного сырья, растворителя и топлива широкого назначения.

Для получения чистого водорода существует другой "конверсионный метод”. Для этого, водяной газ смешивают с некоторым количеством водяного пара и пропускают над раскаленным катализатором, в классическом исполнении, это оксид железа (III). При этом происходит ОВР, и новая порция пара отдает оксиду углерода свой кислород. На выходе имеем смесь диоксида углерода и водорода. Их разделить значительно легче, чем водяной газ.

Водород очень широко распространен в природе. Оксид водорода – вода, покрывает две трети поверхности земного шара и входит в состав атмосферы. В виде воды и органических веществ, водород входит в состав всех живых организмов на планете. В соединении с углеродом, водород образует основу нефти и природного газа, а также, наиболее ценную часть угля. Основа растительного мира – углеводы, по составу близки к стехиометрическому соединению Сn(H2O)m, из-за чего и получили свое название.

В почве водород встречается в виде воды, биологических останков (гуминовых кислотах и пр.) и минерального топлива. В почве содержится около 1% водорода по массе, зато около 16% по количеству атомов. В свободном виде водород содержится в незначительном количестве в верхних слоях атмосферы. Это обусловлено его небольшой плотностью и достаточно высокой химической активностью. В атмосферу водород попадает, главным образом, из вулканов, нефтяных и газовых месторождений и при радиоактивном распаде ряда изотопов. За счет своей низкой плотности, водород постепенно улетучивается с планеты в космическое пространство. Единственным источником его на планете остаются радиоактивные изотопы, при делении которых, β-частицы и быстрые протоны теряют энергию (переходящую в гама-кванты и рассеивающейся в виде тепла) и соединяются в атомарный водород, немедленно переходящий в молекулярный.

За счет последней реакции, водород получил достаточно широкое распространение для газо-плазменной резки и сварки металлов. При этом, водород нагревают в вольтовой дуге, переводя в атомарное состояние при примерно 2500-3000оС. Затем, или собственным давлением расширяющейся плазмы, или (более прогрессивный метод) магнитным полем катушки индуктивности, направляют струей на металл. При этом, перегретый до состояния плазмы водород переходит в молекулярное состояние, выделяя много энергии, которой достаточно для плавления и даже, испарения любого металла. Если требуется резка металла, то на выходе из резака, к водородной струе примешивают кислород. Это вызывает горение образующегося водорода, а в случае избытка, и горение металла, что намного ускоряет резку. Если требуется сварка металла, то струю делают разреженнее, а кислород не добавляет. В этом случае, молекулярный водород, сгорая в воздухе, создает защитную восстановительную атмосферу для расплавленного металла шва.

Правда, последние 20-30 лет для подобной резки используют еще более инертный газ – аргон, который не образует молекул. Поэтому, при перегреве в вольтовой дуге происходит только нагрев газа без его существенной ионизации.

За счет своей низкой плотности, водород нашел некоторое применение для заполнения аэростатов и воздушных шаров. Но, вскоре был вытеснен на этом поприще более безопасным в обращении гелием. Правда, некоторое применение в воздухоплавание водород все-таки имеет по сей день. Дело в том, что вскоре после окончания ВМВ, военное ведомство США объявило конкурс на создание системы спасения сбитых летчиков. В морях умеренного и субполярного поясов, летчики, сбитые над водными просторами, несмотря на парашюты и спасательные жилеты, весьма быстро получали переохлаждение в результате длительного пребывания в воде. Требовалось компактное устройство, способное поддерживать парашют летчика в "летаемом” состоянии максимальное время, дабы он успел подать сигнал бедствия, а лучше, спланировать до берега или даже, до расположения своих войск.

Было представлено множество проектов (США ни когда не экономили на финансировании  военных разработок, другое дело, что далеко не всегда их внедряли), но, требованиям отвечал всего один. Это было небольшое устройство, состоящее из газовой горелки и баллончика. Подогреваемый пламенем воздух наполняет купол парашюта, за счет чего, он может до нескольких минут висеть в воздухе, пока не закончится газ. Устройство не прошло конкурс по требованиям безопасности и эффективности (а вскоре, от проекта отказались вовсе, остановившись на классических методах спасения летчиков).

Но, идею подхватили разного рода энтузиасты-воздухоплаватели. Водород практически не используется на воздушных шарах в качестве топлива, из-за трудностей со сжижением. Другое дело, бутан или пропан, которым достаточно от нескольких атмосфер до 2-3 десятков атмосфер давления. Но, мысль использовать его в качестве легкого топлива восходит своими корнями еще к концу 19-го века. К трудам Циолковского, который предложил пару кислород-водород для заправки космических аппаратов. Кстати, он же был первым автором идеи "ракетного поезда”, то есть, многоступенчатых ракет.

Сегодня, водород (вот уже более века) остается только перспективным ракетным топливом. Опять-таки, из-за проблем со сжижением. Но, о нем вспомнили в середине 20-го века, когда пошла мода на экологический транспорт. Сжиженный водород мог бы составить серьезную конкуренцию углеводородным топливам. Если бы не его пожароопасность (как и у всех горючих газов), низкое октановое число и усиленная финансовая конкуренция со стороны нефтяных и газовых магнатов.

В связи со всем вышесказанным, водород остается только ценным сырьем химической промышленности и героем школьных опытов на уроках химии.

Категория: Химия элементов | Просмотров: 1656 | Добавил: Chemadm | Теги: получение водорода, применение водорода, экологическое топливо | Рейтинг: 4.8/16
Всего комментариев: 0
Добавлять комментарии могут только зарегистрированные пользователи.
[ Регистрация | Вход ]