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产品介绍

氢气

文字:[大][中][小] 发布时间:2013-10-29  浏览次数:1820

  氢是原子序数为1的化学元素,化学符号为H,在元素周期表中位于第一位。其原子质量为1.00794u,是最轻的,也是宇宙中含量最多的元素,大约占据宇宙非暗物质质量的75%。主星序上恒星的主要成分都是等离子态的氢。而在地球上,自然条件形成的游离态的氢单质相对罕见。
  氢最常见的同位素是氕(这个名称并不常用),含1个质子,不含中子。在离子化合物中,氢原子可以得一个电子成为氢阴离子(以 H−表示) 构成氢化物,也可以失去一个电子成为氢阳离子(以 H+表示,简称氢离子),但氢离子实际上以更为复杂的形式存在。氢与除稀有气体外的几乎所有元素都可形成化合物,存在于水和几乎所有的有机物中。它在酸碱化学中尤为重要,酸碱反应中常存在氢离子的交换。氢作为最简单的原子,在原子物理中有特别的理论价值。对氢原子的能级、成键等的研究在量子力学的发展中起了关键作用。
  氢气 (H2) 最早与16世纪初被人工合成,当时使用的方法是将金属置于强酸中。1766–81年,亨利•卡文迪许发现氢气是一种与以往所发现气体不同的另一种气体 ,在燃烧时产生水,这一性质也决定了拉丁语 “hydrogenium” 这个名字(“生成水的物质”之意)。常温常压下,氢气是一种极易燃烧,无色透明、无臭无味的气体。
  氢气可以置换出多种金属,使得氢气的存储罐和管道之设计更加复杂。
  单质制备
  工业制法
  工业上的制造方法有:电解法、烃裂解法、烃蒸气转化法、炼厂气提取法。
  蒸气重组法
  蒸气重组法是工业上最广为应用的。它使用了低碳素的碳氢化合物。
  过程为:
  CnHm + n H2O → n CO + (m/2 + n) H2
  CO + H2O → CO2 + H2(水煤气变换反应)
  这是放热过程。
  其中蒸气甲烷重组(SMR)是最常用也最便宜的生产方法。它使用天然气为原料。在700–1100 °C,以金属为催化剂,水蒸气与甲烷反应产生一氧化碳和氢气:CH4+H2O→ CO + 3H2。
  电解
  加入少量碱到纯水使水导电,再进行电解,可得氢气和氧气。
  烃裂解法
  石油的裂解、煤炭的干馏都可以得到氢气。
  离子型氢化物与水反应
  在军事、气象方面供探空气球使用。
  新方法
  以色列车用制氢装置的化学方程式:2B+6H2O→2B(OH)3+3H2↑
  高温
  由美国Nevada Reno大学的科研人员开发,可以由水借助于太阳光生产氢气(二氧化钛纳米管装置)美国科学家研制出用二氧化钛作催化剂生产氢气
  催化剂法
  以过渡金属络合物为催化剂,利用太阳能分解水制取氢气,是利用太阳能制取氢气的一个发展方向。
  实验室制法
  利用稀酸与金属反应
  实验室常用锌粒与稀硫酸或盐酸反应制取氢气。
  Zn + H2SO4 → ZnSO4 + H2↑
  用途
  氢是重要工业原料,如生产合成氨和甲醇,也用来提炼石油,氢化有机物质作为收缩气体,用在氢氧焰熔接器和火箭燃料中。在高温下用氢将金属氧化物还原以制取金属较之其他方法,产品的性质更易控制,同时金属的纯度也高。广泛用于钨、钼、钴、铁等金属粉末和锗、硅的生产。
  由于氢气很轻,人们利用它来制作氢气球。氢气与氧气化合时,放出大量的热,被利用来进行切割金属。
  利用氢的同位素氘和氚的原子核聚变时产生的能量能生产杀伤和破坏性极强的氢弹,其威力比原子弹大得多。
  现在,氢气还作为一种可替代性的未来的清洁能源,用于汽车等的燃料。为此,美国于2002年还提出了“国家氢动力计划”。但是由于技术还不成熟,还没有进行大批的工业化应用。2003年科学家发现,使用氢燃料会使大气层中的氢增加约4~8倍。认为可能会让同温层的上端更冷、云层更多,还会加剧臭氧洞的扩大。但是一些因素也可抵销这种影响,如使用氯氟甲烷的减少、土壤的吸收、以及燃料电池的新技术的开发等。
  处理消耗
  在石油和化工行业都需要大量的H2。H2的最大应用是化石燃料的处理(“提升”),并生产氨。
  冷却剂
  主条目:Hydrogen-cooled turbo generator
  氢通常用于电站发电机由于一些良好的性能,直接导致其光双原子分子中的冷却剂。这些包括低密度,低粘度,和最高的比热和热导率的所有气体。
  能源载体
  参见:氢经济及Hydrogen infrastructure
  氢不是一种能源资源,除了在假设的背景下,用目前的还未开发出来的技术发展使用氘或氚的商业核聚变发电厂。太阳的能量来自核聚变的氢,但这一过程是地球上难以实现可控。从太阳能,生物,或电源的元素氢,需要更多的能量,要比以使其燃烧获得能量更多,所以在这些情况下,通过以上方式获得氢是作为能量载体的功能,类似的电池。氢可从化石来源(如甲烷)的方式获得,但这些来源是不可持续的。
  在任何可行的压力下的液态氢和压缩氢气的每单位体积的能量密度显着低于传统的燃料来源,虽然每单位燃料质量的能量密度较高。然而,在能源的背景下,氢元素作为一个可能的对整个经济的规模的未来能源载体而被广泛讨论。例如,在化石燃料中的H2生产点进行碳捕获和储存二氧化碳封存。应用于交通运输氢燃烧比较干净,虽有一些氮氧化物排放量,但没有碳排放。然而,为氢经济基础设施相关的转换成本将是巨大的。
  半导体工业
  生物反应
  H2是某些类型的无氧代谢的产物,,并由几种微生物产生的,通常是通过由铁或含镍的酶称为氢化酶催化反应。这些酶催化H2和它的组件的两个质子和两个电子之间的可逆的氧化还原反应。产生的氢气发生在丙酮酸发酵过程中产生的水的还原当量的转移。
  安全和预防
  氢气无毒、易燃,其燃点为536°C,与空气混合后具有潜在的爆炸可能性,特别当遇到火星时。氢可溶解在许多金属中,当发生泄漏时,对它们可能有不利的副作用,如氢脆,会导致金属容器产生裂纹与爆炸。此外,氢的火焰除了温度非常高,淡蓝色火焰也几乎看不见,可能导致意外烧伤。
  即使解释氢有关的数据(包括安全性数据),氢的一些现象仍然令人感到困惑。氢的许多物理和化学性质,取决于成分中的仲氢/正氢比(氢的自旋异构体) ,而这个特定比例通常需要数天或数周,在一个指定的温度下达到平衡比。氢气的爆炸参数,如临界起爆压力和温度,在很大程度上依赖于容器的几何形状。