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產品介紹

氫氣

文字:[大][中][小] 發布時間:2013-10-29  瀏覽次數:1087

  氫是原子序數為1的化學元素,化學符號為H,在元素周期表中位于第一位。其原子質量為1.00794u,是最輕的,也是宇宙中含量最多的元素,大約占據宇宙非暗物質質量的75%。主星序上恒星的主要成分都是等離子態的氫。而在地球上,自然條件形成的游離態的氫單質相對罕見。
  氫最常見的同位素是氕(這個名稱并不常用),含1個質子,不含中子。在離子化合物中,氫原子可以得一個電子成為氫陰離子(以 H−表示) 構成氫化物,也可以失去一個電子成為氫陽離子(以 H+表示,簡稱氫離子),但氫離子實際上以更為復雜的形式存在。氫與除稀有氣體外的幾乎所有元素都可形成化合物,存在于水和幾乎所有的有機物中。它在酸堿化學中尤為重要,酸堿反應中常存在氫離子的交換。氫作為最簡單的原子,在原子物理中有特別的理論價值。對氫原子的能級、成鍵等的研究在量子力學的發展中起了關鍵作用。
  氫氣 (H2) 最早與16世紀初被人工合成,當時使用的方法是將金屬置于強酸中。1766–81年,亨利•卡文迪許發現氫氣是一種與以往所發現氣體不同的另一種氣體 ,在燃燒時產生水,這一性質也決定了拉丁語 “hydrogenium” 這個名字(“生成水的物質”之意)。常溫常壓下,氫氣是一種極易燃燒,無色透明、無臭無味的氣體。
  氫氣可以置換出多種金屬,使得氫氣的存儲罐和管道之設計更加復雜。
  單質制備
  工業制法
  工業上的制造方法有:電解法、烴裂解法、烴蒸氣轉化法、煉廠氣提取法。
  蒸氣重組法
  蒸氣重組法是工業上最廣為應用的。它使用了低碳素的碳氫化合物。
  過程為:
  CnHm + n H2O → n CO + (m/2 + n) H2
  CO + H2O → CO2 + H2(水煤氣變換反應)
  這是放熱過程。
  其中蒸氣甲烷重組(SMR)是最常用也最便宜的生產方法。它使用天然氣為原料。在700–1100 °C,以金屬為催化劑,水蒸氣與甲烷反應產生一氧化碳和氫氣:CH4+H2O→ CO + 3H2。
  電解
  加入少量堿到純水使水導電,再進行電解,可得氫氣和氧氣。
  烴裂解法
  石油的裂解、煤炭的干餾都可以得到氫氣。
  離子型氫化物與水反應
  在軍事、氣象方面供探空氣球使用。
  新方法
  以色列車用制氫裝置的化學方程式:2B+6H2O→2B(OH)3+3H2↑
  高溫
  由美國Nevada Reno大學的科研人員開發,可以由水借助于太陽光生產氫氣(二氧化鈦納米管裝置)美國科學家研制出用二氧化鈦作催化劑生產氫氣
  催化劑法
  以過渡金屬絡合物為催化劑,利用太陽能分解水制取氫氣,是利用太陽能制取氫氣的一個發展方向。
  實驗室制法
  利用稀酸與金屬反應
  實驗室常用鋅粒與稀硫酸或鹽酸反應制取氫氣。
  Zn + H2SO4 → ZnSO4 + H2↑
  用途
  氫是重要工業原料,如生產合成氨和甲醇,也用來提煉石油,氫化有機物質作為收縮氣體,用在氫氧焰熔接器和火箭燃料中。在高溫下用氫將金屬氧化物還原以制取金屬較之其他方法,產品的性質更易控制,同時金屬的純度也高。廣泛用于鎢、鉬、鈷、鐵等金屬粉末和鍺、硅的生產。
  由于氫氣很輕,人們利用它來制作氫氣球。氫氣與氧氣化合時,放出大量的熱,被利用來進行切割金屬。
  利用氫的同位素氘和氚的原子核聚變時產生的能量能生產殺傷和破壞性極強的氫彈,其威力比原子彈大得多。
  現在,氫氣還作為一種可替代性的未來的清潔能源,用于汽車等的燃料。為此,美國于2002年還提出了“國家氫動力計劃”。但是由于技術還不成熟,還沒有進行大批的工業化應用。2003年科學家發現,使用氫燃料會使大氣層中的氫增加約4~8倍。認為可能會讓同溫層的上端更冷、云層更多,還會加劇臭氧洞的擴大。但是一些因素也可抵銷這種影響,如使用氯氟甲烷的減少、土壤的吸收、以及燃料電池的新技術的開發等。
  處理消耗
  在石油和化工行業都需要大量的H2。H2的最大應用是化石燃料的處理(“提升”),并生產氨。
  冷卻劑
  主條目:Hydrogen-cooled turbo generator
  氫通常用于電站發電機由于一些良好的性能,直接導致其光雙原子分子中的冷卻劑。這些包括低密度,低粘度,和最高的比熱和熱導率的所有氣體。
  能源載體
  參見:氫經濟及Hydrogen infrastructure
  氫不是一種能源資源,除了在假設的背景下,用目前的還未開發出來的技術發展使用氘或氚的商業核聚變發電廠。太陽的能量來自核聚變的氫,但這一過程是地球上難以實現可控。從太陽能,生物,或電源的元素氫,需要更多的能量,要比以使其燃燒獲得能量更多,所以在這些情況下,通過以上方式獲得氫是作為能量載體的功能,類似的電池。氫可從化石來源(如甲烷)的方式獲得,但這些來源是不可持續的。
  在任何可行的壓力下的液態氫和壓縮氫氣的每單位體積的能量密度顯著低于傳統的燃料來源,雖然每單位燃料質量的能量密度較高。然而,在能源的背景下,氫元素作為一個可能的對整個經濟的規模的未來能源載體而被廣泛討論。例如,在化石燃料中的H2生產點進行碳捕獲和儲存二氧化碳封存。應用于交通運輸氫燃燒比較干凈,雖有一些氮氧化物排放量,但沒有碳排放。然而,為氫經濟基礎設施相關的轉換成本將是巨大的。
  半導體工業
  生物反應
  H2是某些類型的無氧代謝的產物,,并由幾種微生物產生的,通常是通過由鐵或含鎳的酶稱為氫化酶催化反應。這些酶催化H2和它的組件的兩個質子和兩個電子之間的可逆的氧化還原反應。產生的氫氣發生在丙酮酸發酵過程中產生的水的還原當量的轉移。
  安全和預防
  氫氣無毒、易燃,其燃點為536°C,與空氣混合后具有潛在的爆炸可能性,特別當遇到火星時。氫可溶解在許多金屬中,當發生泄漏時,對它們可能有不利的副作用,如氫脆,會導致金屬容器產生裂紋與爆炸。此外,氫的火焰除了溫度非常高,淡藍色火焰也幾乎看不見,可能導致意外燒傷。
  即使解釋氫有關的數據(包括安全性數據),氫的一些現象仍然令人感到困惑。氫的許多物理和化學性質,取決于成分中的仲氫/正氫比(氫的自旋異構體) ,而這個特定比例通常需要數天或數周,在一個指定的溫度下達到平衡比。氫氣的爆炸參數,如臨界起爆壓力和溫度,在很大程度上依賴于容器的幾何形狀。

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