Что можно сделать с водородом

Водородная энергетика — отрасль энергетики, основанная на использовании водорода в качестве средства для зарядки, транспортировки, производства и потребления энергии. Водород выбран как наиболее распространенный элемент в космосе, теплота сгорания водорода максимальная, а продуктом сгорания в кислороде является вода (которая также вводится в оборот водородной энергетики). Водородная энергетика относится к альтернативной энергетике, когда водород производится с помощью возобновляемых источников энергии.

На настоящий момент наиболее экономически выгодным считается производство водорода из ископаемого сырья. Снизить уровень выбросов углерода в производственных отраслях можно за счет водорода, полученного с использованием низкоуглеродных технологий, для этого можно применять технологии улавливания и хранения углекислого газа, а также электролиза воды, «в первую очередь с помощью энергии объектов атомной, гидро-, ветряной и солнечной энергетики».
Так называемая «Цветовая» градация водорода, применяемая в некоторых профессиональных сообществах, условно характеризует технологию выработки и наличие углеродного следа, то есть количества вредных выбросов. Следует иметь ввиду, что «Цветовая» градация водорода, по существу, не соответсвует известным законам природы, критериям Периодической таблицы Д.И. Менделеева и в определенно степени правилам русского языка. Ее применение в ограниченной степени используется как «профессиональный» жаргонизм. Указанный сленг/жаргон не находит применения в нормативных документах международных организация таких как ИСО, МЭК, ООН, не применим в Российском законодательстве, деловой правительственной переписке. В этой связи, использование приведенной градации следует применять с учетом указанных особенностей:

• «зеленый» — произведён с помощью энергии из возобновляемых источников методом электролиза воды, считается самым чистым;
• «голубой» — произведенный из природного газа; в этом случае углекислый газ накапливается в специальных хранилищах;
• «розовый/красный/желтый» — произведенный при помощи атомной энергии, здесь тоже используются электролиз воды.
• при производстве «серого» водорода вредные выбросы идут в атмосферу.

Себестоимость «зеленого» водорода около 10 долларов за кг (что «абсолютно нерентабельно», по мнению главы Фонда национальной энергетической безопасности); «голубой» и «желтый» водород в несколько раз дешевле «зеленого» — от 2 долларов за килограмм.

Научно обоснованная классификация водорода/энергоносителя определена национальными стандартами: ГОСТ Р ИСО 14687-1-2012; ГОСТ Р 55466-2013; ГОСТ ISO 14687-3-2016, гармонизированными с ИСО

Водородное топливо классифицируется по следующим типам и сортам:

a)  Тип I (сорта A, B, C, D и E): газообразный водород и топливо на основе водорода.

b)  Тип II (сорта C и D): жидкий водород.

c)   Тип III: шугообразный водород.

В настоящее время Росстандарт России проводит работы по актуализации действующей системы национальных стандартов с целью гармонизации с ISO 14687:2019 «Hydrogen fuel quality — Product specification».

В этой связи рекомендуется использовать классификацию водородного топлива /энергоносителя в соответствии с общепринятыми нормативами правового регулирования.

Паровая конверсия природного газа / метана

Старейший способ получения водорода. Уголь нагревают с водяным паром при температуре 800—1300 °C без доступа воздуха.
Первый газогенератор был построен в Великобритании в 40-х годах XIX века. Себестоимость процесса 2–2,5 долл. за килограмм водорода.

Используя атомную энергию

Обратная реакция происходит в топливном элементе. Себестоимость процесса $6–7 за килограмм водорода.

Водород из биомассы

Водород из биомассы получается термохимическим или биохимическим способом. При термохимическом методе биомассу нагревают без доступа кислорода до температуры 500—800 °C (для отходов древесины), что намного ниже температуры процесса газификации угля. В результате процесса выделяется H₂, CO и CH₄.

Себестоимость процесса $5–7 за килограмм водорода.

В биохимическом процессе фиксации азота водород вырабатывают различные бактерии, например, Rodobacter speriodes.

Снижение цены водорода возможно при строительстве инфраструктуры по доставке и хранению водорода. В США действует 750 километров, а в Европе — 1500 километров водородных трубопроводных систем. Трубопроводы действуют при давлении 10—20 бар, изготовлены из стальных труб диаметром 25—30 см.

Старейший водородный трубопровод действует в районе германского Рура: 210 километров трубопровода соединяют 18 производителей и потребителей водорода; трубопровод действует более 50 лет.
Самый длинный трубопровод длиной 400 километров проложен между Францией и Бельгией.

Водород в настоящее время, в основном, применяется в технологических процессах производства бензина и для производства аммиака.

Малые стационарные применения

Производство электрической и тепловой энергии в топливных элементах мощностью от 0,75 кВт до 10 кВт.

Домашние энергетические станции имеют мощность 0,75—1 кВт, предназначены для выработки электроэнергии в течение 8 часов в сутки и выработки тепла и горячей воды 24 часа в сутки. Установки мощностью 5 кВт предназначаются для нескольких коттеджей. Они зачастую предназначаются только для выработки электроэнергии.

Популярность малых домашних комбинированных (электричество + тепло) установок связана с тем, что они имеют высокий КПД, малые выбросы СО₂, легко могут быть встроены в существующую инфраструктуру. Такая энергетическая установка занимает размер сравнимый с домашним бойлером, может работать на природном газе.

В 2005 году во всём мире было установлено более 900 новых малых стационарных водородных энергетических установок (На 30 % больше, чем в 2004 году). За 2006 год во всём мире установлено около 1500 новых малых энергетических станций. В конце 2006 года во всём мире эксплуатировалось около 5000 малых стационарных водородных электростанций.

Доминируют две технологии: PEM (протон-обменная) и SOFC (твёрдо-оксидная). Около 75 % установок в 2005 году были изготовлены по PEM технологии, около 25 % — SOFC.

Компании — основные производители:

Производство электрической и тепловой энергии в топливных элементах мощностью более 10 кВт.

К концу 2006 года во всём мире было установлено более 800 стационарных энергетических установок на топливных элементах мощностью более 10 кВт. Их суммарная мощность — около 100 МВт. За 2006 год построено более 50 установок суммарной мощностью более 18 МВт.

В 2005 году среди новых установок лидировали Расплавные Карбонатные Топливные Элементы (MCFC). На втором месте по числу новых установок были Фосфорнокислые технологии (PAFC). Протонобменные технологии (PMFC) применялись, в основном, в установках мощностью до 10 кВт и в автомобильных приложениях.

Гибридные установки: топливный элемент/газовая турбина.

Для повышения эффективности, снижения себестоимости энергии и для утилизации тепловой энергии применяются установки, совмещающие топливные элементы и газовые турбины.

Компания Fuel Cell Energy (США) разработала гибридную версию SOFC топливного элемента и газовой турбины. В этой схеме топливный элемент производит 4/5 энергии, а остальную часть из тепловой энергии — турбина. КПД данной схемы приближается к 70 %. Испытывается электростанция мощностью 40 МВт, состоящая из 10 топливных элементов и одной турбины мощностью 10 МВт.

В 2005 году в США был принят Энергетический Билль, который предусматривает 30 % инвестиционные налоговые кредиты до уровня $1000 за кВт установленной мощности, они будут выдаваться с 1 января 2006 по 1 января 2008 года.
В Японии и Ю. Корее субсидируются не конкретные проекты, а стоимость электроэнергии, выработанной топливными элементами в размере 0,015—0,02 долл. за кВт·ч.

Компании — основные производители

Использование в транспорте

Водородная автомобильная инфраструктура

К концу 2008 года во всём мире функционировало 2000 водородных автомобильных заправочных станций. Из общего количества заправочных станций, построенных 2004—2005 году, всего 8 % работают с жидким водородом, остальные с газообразным.

Таблица. Водородные заправочные станции по регионам мира

• Водородное шоссе (Калифорния) — К 2010 году 200 заправочных станций на главных шоссе штата.
• Hi Way Initiative — водородное шоссе в штате Нью-Йорк (США).
• Водородный коридор (Канада) — проект 2003 года по строительству водородных станций вдоль 900 километров главных дорог между Монреалем и Виндзором.^[10]
• SINERGY — Сингапурская энергетическая программа
• The Northern H (Канада, США) — К 2010 году планируется соединить заправочными станциями крупные города вдоль главных торговых путей Манитобы (Канада), Дакоты, Миннесоты, Айовы и Висконсина.
• New York Hydrogen Network: H2-NET (США) — 20 заправочных станций между Нью-Йорком и Буффало (штат Нью-Йорк).

General Motors заявлял о возможных планах строительства 12000 водородных заправочных станций в городах США и вдоль главных автострад. Стоимость проекта компания оценивает в $12 млрд.

Решением проблемы может стать применение водорода в качестве топлива для двигателя внутреннего сгорания, или смесей топлива с водородом, например, HCNG. В январе 2006 года Mazda начала продажи битопливного автомобиля Mazda RX-8 с роторным двигателем, который может потреблять и бензин, и водород.

В июле 2006 года транспортная компания BVG (Berliner Verkehrsbetriebe) из Берлина объявила о закупках к 2009 году 250 автобусов MAN с двигателями внутреннего сгорания, работающими на водороде, что составит 20 % от автопарка компании.

В 2006 году Ford Motor Company начал выпуск автобусов с двигателями внутреннего сгорания, работающими на водороде.

• Praxair
• Air Liquide
• BOC Group
• Iwatani International (производит 40 % водорода в Японии)
• Linde (Германия)

Британский BP — ключевой игрок в демонстрационных водородных проектах по всему миру.

В 2006 году было запущено в эксплуатацию около 100 новых автомобилей, автобусов, мотоциклов и т. д. на топливных элементах.

В автомобильных приложениях преобладают PEM технологии. В 2005 году был изготовлен всего один автомобиль с PAFC топливным элементом — остальные на PEM-технологиях.

В марте 2006 года германский HyWays Архивная копия от 2 апреля 2006 на Wayback Machine проект опубликовал прогнозы проникновения водородного автотранспорта на европейский рынок.

Таблица: прогноз проникновения водородного автотранспорта на европейский рынок в % от общего количества автомобилей.

Корпорация Boeing прогнозирует, что топливные элементы постепенно заменят в авиации вспомогательные энергетические установки. Они смогут генерировать электроэнергию, когда самолет находится на земле, и быть источниками бесперебойного питания в воздухе. Топливные элементы будут постепенно устанавливаться на новое поколение Боингов 7E7, начиная с 2008 года.

Для данных приложений требуется большая мощность, а размеры силовой установки имеют малое значение.

Железнодорожный исследовательский технологический институт (Япония) планирует запустить поезд на водородных топливных элементах в эксплуатацию к 2010 году. Поезд сможет развивать скорость 120 км/ч, и проезжать 300—400 км без заправки. Прототип был испытан в феврале 2005 года.

В Германии производятся подводные лодки класса U-212 с топливными элементами производства Siemens AG. U-212 стоят на вооружении ВМФ Германии, поступили заказы из Греции, Италии, Кореи, Израиля. Под водой лодка работает на водороде и практически не производит шумов.

В США поставки SOFC топливных элементов для подводных лодок могут начаться в 2006 году. Компания FuelCell Energy разрабатывает 625 кВт топливные элементы для военных кораблей.

Японская подводная лодка Urashima с топливными элементами PEMFC производства Mitsubishi Heavy Industries была испытана в августе 2003 года.

Чуть менее половины новых топливных элементов, установленных в 2006 году на транспортные средства, были установлены на складские погрузчики. Замена аккумуляторных батарей на топливные элементы позволит значительно сократить площади, занимаемые аккумуляторными цехами. Wal-Mart в январе 2007 года завершил вторую серию испытаний складских погрузчиков на топливных элементах.

Мобильные топливные элементы

Производство электрической энергии для мобильных устройств: мобильных телефонов, ноутбуков и т. п.

Благодаря спросу со стороны военных, США заняли первое место в мире по количеству разработок в портативных приложениях. На Японию приходилось всего 13 % новых разработок в 2005 году. Наиболее активными были компании — производители электроники: Casio, Fujitsu Hitachi, Nec, Sanyo и Toshiba.

Весной 2007 года компания Medis Technologies начала продажи водородных топливных элементов для мобильных устройств.

В портативных и электронных приложениях доминируют PEM и DMFC топливные элементы.

2008 год

2021 год

Министерство Коммерции, Индустрии и Экономики Ю. Кореи в 2005 году приняло план строительства водородной экономики к 2040 году. Цель — производить на топливных элементах 22 % всей энергии и 23 % электричества, потребляемого частным сектором.

8 августа 2005 года Сенат США принял Energy Policy Act of 2005. Законом предусмотрено выделение более 3 млрд долл. на различные водородные проекты и 1,25 млрд долл. на строительство новых атомных реакторов, производящих электроэнергию и водород.

В 1941 году техник-лейтенант войск ПВО, защищавших Ленинград во время Великой Отечественной войны, Борис Шелищ предложил использовать «отработанный» водород из заградительных аэростатов войск ПВО в качестве топлива для двигателей автомобилей ГАЗ-АА. Полуторки использовались в качестве транспортно-энергетической единицы поста противовоздушной обороны — лебёдка автомобиля, приводимая в движение от двигателя ГАЗ-АА позволяла осуществлять подъем-спуск аэростатов. Это предложение было внедрено в 1941-1944 годах в блокадном Ленинграде, было оборудовано 400 водородных постов ПВО. .

В 1979 году творческим коллективом работников НАМИ был разработан и испытан опытный образец микроавтобуса РАФ, работающий на водороде и бензине.

В конце 1980-х — начале 90-х проходил испытания авиационный реактивный двигатель на жидком водороде, установленный на самолёте Ту-154.

В 2003 году создана Национальная ассоциация водородной энергетики (НП НАВЭ); в 2004 году президентом ассоциации избран П. Б. Шелищ, сын легендарного «водородного лейтенанта».

В 2003 году компания «Норильский никель» и Российская академия наук подписали соглашение о ведении научно-исследовательских работ в сфере водородной энергетики; «Норильский никель» вложил в исследования 40 млн долларов. В 2006 году «Норильский никель» приобрел контрольный пакет американской инновационной компании Plug Power, являющейся одним из лидеров в сфере разработок, связанных с водородной энергетикой; компания вложила в разработку водородных установок 70 млн долл.
В 2008 году «Норильский никель» перестал финансировать проект.

Правительство Южно-Африканской Республики в 2008 году приняла водородную стратегию. К 2020 году ЮАР планировала занять 25 % мирового рынка катализаторов для водородных топливных элементов.

• Козлов С. И. Водородная энергетика: современное состояние, проблемы, перспективы. — М.: Газпром ВНИИГАЗ, 2009. — 520 с. —ISBN 5-89754-062-4;
• Кузык Б. Н., Яковец, Ю. В. Россия: стратегия перехода к водородной энергетике. — М.: Институт экономических стратегий, 2007. — 400 с. — ISBN 978-5-93618-110-8;

• Национальная ассоциация водородной энергетики (НП НАВЭ) Архивная копия от 4 августа 2009 на Wayback Machine
• Что вынуждает государства выбирать низкоуглеродные технологии Архивная копия от 17 апреля 2020 на Wayback Machine // Независимая газета, 13.04.2020
• Мир нашел новую альтернативу нефти и газу Архивная копия от 18 апреля 2021 на Wayback Machine // hi-tech.mail.ru, 18 апр 2021
• Водород дороже денег. Помогут ли чистой энергетике дешевые кредиты Архивная копия от 29 апреля 2021 на Wayback Machine // РГ, 28.04.2021
• Международный информационный научный портал Водород /вебархив/
• h2.smtu.ru — Научно-информационный портал о водороде /вебархив/

Промышленное производство водорода — неотъемлемая часть водородной энергетики, первое звено в жизненном цикле употребления водорода. Водород практически не встречается на Земле в чистом виде и должен извлекаться из других соединений с помощью различных химических методов.

• паровая конверсия метана и природного газа;
• газификация угля;
• электролиз воды;
• пиролиз;
• частичное окисление;
• биотехнологии.

Также в редких случаях используется реакция алюминия и щелочного раствора.
Разнообразие способов получения водорода является одним из главных преимуществ водородной энергетики, так как повышает энергетическую безопасность и снижает зависимость от отдельных видов сырья.

• «зеленый» — произведён с помощью энергии из возобновляемых источников методом электролиза воды, считается самым чистым^[4];
• «голубой» — произведенный из природного газа; в этом случае углекислый газ накапливается в специальных хранилищах;
• «желтый» — произведенный при помощи атомной энергии.
• при производстве «серого» водорода вредные выбросы идут в атмосферу.

Себестоимость «зеленого» водорода — около 10 долларов за кг (что «абсолютно нерентабельно», по мнению главы Фонда национальной энергетической безопасности); «голубой» и «желтый» водород в несколько раз дешевле «зеленого» — от 2 долларов за килограмм.

Производство водорода может быть сосредоточено на централизованных крупных предприятиях, что понижает себестоимость производства, но требует дополнительных расходов на доставку водорода к водородным автозаправочным станциям. Другим вариантом является маломасштабное производство непосредственно на специально оборудованных водородных автозаправочных станциях.

Паровая конверсия с водяным паром при 1000 °C:

Водород можно получать разной чистоты: 95-98 % или особо чистый. В зависимости от дальнейшего использования водород получают под различным давлением: от 1,0 до 4,2 МПа. Сырье (природный газ или легкие нефтяные фракции) подогревается до 350—400° в конвективной печи или теплообменнике и поступает в аппарат десульфирования. Конвертированный газ из печи охлаждается в печи-утилизаторе, где вырабатывается пар требуемых параметров. После ступеней высокотемпературной и низкотемпературной конверсии СО газ поступает на адсорбцию СО₂ и затем на метанирование остаточных оксидов. В результате получается водород 95-98,5%-й чистоты с содержанием в нем 1-5 % метана и следов СО и СО₂.

В том случае, если требуется получать особо чистый водород, установка дополняется секцией адсорбционного разделения конвертированного газа. В отличие от предыдущей схемы конверсия СО здесь одноступенчатая. Газовая смесь, содержащая H₂, CO₂, CH₄, H₂O и небольшое количество СО, охлаждается для удаления воды и направляется в адсорбционные аппараты, заполненные цеолитами. Все примеси адсорбируются в одну ступень при температуре окружающей среды. В результате получают водород со степенью чистоты 99,99 %. Давление получаемого водорода составляет 1,5-2,0 МПа.

Также возможно каталитическое окисление кислородом:

Пропускание паров воды над раскалённым углем при температуре около 1000 °C:

Старейший способ получения водорода. Себестоимость процесса — 2-2,5 $ за килограмм водорода. В будущем возможно снижение цены до 1,50 $, включая доставку и хранение.

Электролиз водных растворов солей:

[4e^{-}] 2H2 ^ + O2 ^}}}» data-class=»mwe-math-fallback-image-inline»> 

Водород из биомассы получается термохимическим или биохимическим способом. При термохимическом методе биомассу нагревают без доступа кислорода до температуры 500°-800° (для отходов древесины), что намного ниже температуры процесса газификации угля. В результате процесса выделяется H₂, CO и CH₄.

Себестоимость процесса — 5-7 $ за килограмм водорода. В будущем возможно снижение до 1,0-3,0 $.

В биохимическом процессе водород вырабатывают различные бактерии, например, Rodobacter speriodes.

Возможно применение различных энзимов для ускорения производства водорода из полисахаридов (крахмал, целлюлоза), содержащихся в биомассе. Процесс проходит при температуре 30° Цельсия при нормальном давлении. Себестоимость процесса — около 2 $ за кг.

Разрабатываются различные новые технологии производства водорода. Например, в октябре 2006 года Лондонское водородное партнёрство опубликовало исследование (недоступная ссылка) о возможности производства водорода из муниципального и коммерческого мусора. Согласно исследованию, в Лондоне можно ежедневно производить 141 тонну водорода как пиролизом, так и анаэробным сбраживанием мусора. Из муниципального мусора можно производить 68 тонн водорода.

141 тонны водорода достаточно для работы 13 750 автобусов с двигателями внутреннего сгорания, работающими на водороде. В Лондоне в настоящее время эксплуатируется более 8000 автобусов.

Химическая реакция воды с металлами

В 2007 году Университет Purdue (США) разработал метод производства водорода из воды при помощи алюминиевого сплава.

Сплав алюминия с галлием формируется в пеллеты. Пеллеты помещают в бак с водой. В результате химической реакции производится водород. Галлий препятствует образованию оксидной пленки на поверхности алюминия, тормозящей процесс окисления алюминия. В результате реакции создаётся водород и оксид алюминия.

Из одного фунта (≈453 г) алюминия можно получать более 2 кВт·ч энергии от сжигания водорода и более 2 кВт·ч тепловой энергии во время реакции алюминия с водой. В будущем, при использовании электроэнергии атомных реакторов 4-го поколения, себестоимость водорода, получаемого в ходе реакции, станет эквивалента цене бензина — 3 $ за галлон (≈3,8 л).

С использованием водорослей

Водород может производить группа зелёных водорослей, например, Chlamydomonas reinhardtii. Водоросли могут производить водород из морской воды или канализационных стоков.

Вместо строительства водородных заправочных станций водород можно производить в бытовых установках из природного газа или электролизом воды. Honda испытывает свою бытовую установку под названием Домашняя энергетическая станция Honda. Установка в бытовых условиях производит водород из природного газа. Часть водорода используется в топливных элементах для производства тепловой и электрической энергии для дома. Оставшаяся часть водорода используется для заправки автомобиля.

Британская компания ITM Power Plc разработала и испытала в 2007 г. бытовой электролизёр для производства водорода. Водород производится ночью, что позволит сгладить пики потребления электроэнергии. Электролизер мощностью 10 кВт производит из воды водород, и хранит его под давлением 75 бар. Произведённого водорода достаточно для 40 км пробега битопливного (водород/бензин) Ford Focus. Компания планирует начать производство бытовых электролизеров в начале 2008 года. ITM Power уже достигла уровня себестоимости электролизеров 164 $ за 1кВт.

• Обзор рынка водорода в России // marketing-services.ru, июнь 2011
• «Hydrogen Production Processes» // Department of Energy
• Hydrogen Production: Natural Gas Reforming // Department of Energy]
• https://web.archive.org/web/20130305093655/http://www.nrel.gov/hydrogen/proj_production_delivery.html
• https://web.archive.org/web/20160304111204/https://www.iea.org/publications/freepublications/publication/hydrogen.pdf
• Hydrogen Basics — Production // University of Central Florida
• Микробная установка вырабатывает водород из дешёвого сырья // Membrana  (недоступная ссылка с 22-08-2015 [2890 дней])

Водоро́д (химический символ — H, от лат. ) — химический элемент первого периода периодической таблицы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 1.

Одноатомная форма водорода — самое распространённое химическое вещество во Вселенной, составляющее примерно 75 % всей барионной массы. Звёзды, кроме компактных, в основном состоят из водородной плазмы. Самый лёгкий из элементов периодической таблицы.

Три изотопа водорода имеют собственные названия: ¹H — протий, ²H — дейтерий и ³H — тритий (радиоактивен).
Ядро самого распространённого изотопа — протия — состоит из одного только протона и не содержит нейтронов.

Растворим в этаноле и ряде металлов: железе, никеле, палладии, титане, платине, ниобии.

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.

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.

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.

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.

<span data-src="https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/2ac17ab0cabd3e9330c3d5bae6c52da081be2f5b" data-alt="{\displaystyle {\ce {CH4 + H2O CO + 3H2}}}» data-class=»mwe-math-fallback-image-inline»> 

<span data-src="https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/e57491ee5f0b2ce3d022e62fbd80f8938151f42d" data-alt="{\displaystyle {\ce {H2O + C CO ^ + H2 ^}}}» data-class=»mwe-math-fallback-image-inline»> 

• Электролиз водных растворов солей:

2NaOH + Cl2 ^ + H2 ^}}}» data-class=»mwe-math-fallback-image-inline»> 

• Электролиз водных растворов гидроксидов активных металлов (преимущественно гидроксида калия)^[17] (англ.)

[4e^{-}] 2H2 ^ + O2 ^}}}» data-class=»mwe-math-fallback-image-inline»> 

Кроме того, существует промышленная технология электролиза химически чистой воды, без применения каких-либо добавок. Фактически, устройство представляет собой обратимый топливный элемент с твёрдой полимерной мембраной^[17] (англ.) или без мембраны http://kyivtoulouse.univ.kiev.ua/journal/index.php/fruajc/article/view/201 Архивная копия от 5 февраля 2020 на Wayback Machine.

<span data-src="https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/ee5378d1fa90e52978c4e1497a4dec857d7282a7" data-alt="{\displaystyle {\ce {2CH4 + O2 2CO + 4H2}}}» data-class=»mwe-math-fallback-image-inline»> 

• Крекинг и риформинг углеводородов в процессе переработки нефти.

• Действие разбавленных кислот на металлы. Для проведения такой реакции чаще всего используют цинк и разбавленную серную кислоту:

ZnSO4 + H2 ^}}}» data-class=»mwe-math-fallback-image-inline»> 

• Взаимодействие кальция с водой:

Ca(OH)2 + H2 ^}}}» data-class=»mwe-math-fallback-image-inline»> 

• Гидролиз гидридов:

NaOH + H2 ^}}}» data-class=»mwe-math-fallback-image-inline»> 

• Действие щелочей на цинк или алюминий:

2Na[Al(OH)4] + 3H2 ^}}}» data-class=»mwe-math-fallback-image-inline»> 

K2[Zn(OH)4] + H2 ^}}}» data-class=»mwe-math-fallback-image-inline»> 

• С помощью электролиза. При электролизе водных растворов щелочей или кислот на катоде происходит выделение водорода, например:

2H2O + H2 ^}}}» data-class=»mwe-math-fallback-image-inline»> 

• Низкотемпературная конденсация: ВСГ охлаждают до температур конденсации метана и этана, после чего водород отделяют ректификацией. Процесс ведут при температуре −158 °C и давлении . Чистота очищенного водорода составляет 93—94 % при его концентрации в исходном ВСГ до 40 %.
• Адсорбционное выделение на цеолитах: настоящий метод на сегодняшний день наиболее распространён в мире. Метод достаточно гибок и может использоваться как для выделения водорода из ВСГ, так и для доочистки уже очищенного водорода. В первом случае процесс ведут при давлениях . Степень извлечения водорода составляет 80—85 % с чистотой 99 %. Во втором случае часто используют процесс «PSA» фирмы «Union Carbide». Он впервые был реализован в промышленности в 1978 году. На настоящий момент функционирует более 250 установок от 0,6 до 3,0 млн м³ Н₂/сут. Образуется водород высокой чистоты — 99,99 %.
• Абсорбционное выделение жидкими растворителями: Этот метод применяется редко, хотя водород получается высокой чистоты — 99,9 %.
• Концентрирование водорода на мембранах: На лучших образцах метод позволяет получать водород чистотой 95—96 %, однако производительность таких установок невысока.
• Селективное поглощение водорода металлами: Метод основан на способности сплавов лантана с никелем, железа с титаном, циркония с никелем и других поглощать до 30 объёмов водорода.

Молекула водорода двухатомна — Н₂. При нормальных условиях это газ без цвета, запаха и вкуса. Плотность 0,08987 (н. у.), температура кипения −252,76 °C, удельная теплота сгорания 120,9⋅10⁶, малорастворим в воде — 18,8 при н.у. Растворимость водорода в воде возрастает с увеличением давления и снижается с увеличением температуры.

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.

Жидкий водород существует в очень узком интервале температур от −252,76 до −259,2 °C. Это бесцветная жидкость, очень лёгкая (плотность при −253 °C 0,0708) и текучая (вязкость при −253 °C 13,8). Критические параметры водорода: температура −240,2 °C, давление 12,8, критическая плотность 0,0312 и критический объём 66,95—68,9 (0,033). Указанными значениями критических параметров объясняются трудности при ожижении водорода.

Твёрдый водород, температура плавления −259,2 °C, плотность 0,0807 г/см³ (при −262 °C) — снегоподобная масса, кристаллы гексагональной сингонии, пространственная группа P6/mmc, параметры ячейки = 0,378 и = 0,6167.

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 (т. пл. т. кип. спины ядер параллельны, а у параводорода (т. пл. т. кип.  — противоположны друг другу (антипараллельны). Равновесная смесь и при заданной температуре называется равновесный водород

Наиболее известны три изотопа водорода: протий ¹H (атомное ядро — протон), дейтерий ²Н (ядро состоит из одного протона и одного нейтрона) и тритий ³Н (ядро состоит из одного протона и двух нейтронов). Эти изотопы имеют собственные химические символы: протий — H, дейтерий — D, тритий — T.

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.

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.

В круглых скобках приведено среднеквадратическое отклонение значения в единицах последнего разряда соответствующего числа.

Свойства ядра ¹H позволяют широко использовать ЯМР—спектроскопию в анализе органических веществ.

Молекулы водорода достаточно прочны, и для того, чтобы водород мог вступить в реакцию, должна быть затрачена большая энергия:

2H-432{\text{кДж}}}}}» data-class=»mwe-math-fallback-image-inline»> 

Поэтому окислительная способность водорода проявляется в реакциях с активными металлами, как правило, при повышенных температуре и давлении. При обычных температурах водород реагирует только с очень активными металлами, например, с кальцием, образуя гидрид кальция:

CaH2}}}» data-class=»mwe-math-fallback-image-inline»> 

и с единственным неметаллом — фтором, образуя фтороводород:

2HF}}}» data-class=»mwe-math-fallback-image-inline»> 

С большинством же металлов и неметаллов водород реагирует при повышенной температуре или при другом воздействии, например, при освещении:

2H2O}}}» data-class=»mwe-math-fallback-image-inline»> 

Записанное уравнение отражает восстановительные свойства водорода.

Cu + H2O}}}» data-class=»mwe-math-fallback-image-inline»> 

С галогенами образует галогеноводороды:

2HF}}}» data-class=»mwe-math-fallback-image-inline»> , реакция протекает со взрывом в темноте и при любой температуре,

2HCl}}}» data-class=»mwe-math-fallback-image-inline»> , реакция протекает со взрывом, только на свету.

С сажей взаимодействует при сильном нагревании:

CH4}}}» data-class=»mwe-math-fallback-image-inline»> 

Взаимодействие со щелочными и щёлочноземельными металлами

При взаимодействии с активными металлами водород образует гидриды:

2NaH}}}» data-class=»mwe-math-fallback-image-inline»> 

CaH2}}}» data-class=»mwe-math-fallback-image-inline»> 

MgH2}}}» data-class=»mwe-math-fallback-image-inline»> 

Гидриды — солеобразные, твёрдые вещества, легко гидролизуются:

Ca(OH)2 + 2H2 ^}}}» data-class=»mwe-math-fallback-image-inline»> 

Взаимодействие с оксидами металлов

Оксиды металлов (как правило, d-элементов) восстанавливаются до металлов:

2Fe + 3H2O}}}» data-class=»mwe-math-fallback-image-inline»> 

W + 3H2O}}}» data-class=»mwe-math-fallback-image-inline»> 

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.

R — CH2 — CH2 — R’}}}» data-class=»mwe-math-fallback-image-inline»> 

В состав минералов водород может входить в виде иона аммония, гидроксил-иона и воды.

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.

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.

Водород сегодня применяется во многих областях.
Структура мирового потребления водорода представлена в следующей таблице

Водород используют и в качестве ракетного топлива. Ввиду крайне узкого диапазона температур (менее 7 кельвинов), при котором водород остаётся жидкостью, на практике чаще используется смесь жидкой и твёрдой фаз.

В водородно-кислородных топливных элементах используется водород для непосредственного преобразования энергии химической реакции в электрическую.

Пищевая и косметическая промышленность

При производстве саломаса (твёрдый жир, производимый из растительных масел) используется около 2 % мирового выпуска водорода. Саломас является основой для производства маргарина, косметических средств, мыла. Водород зарегистрирован в качестве пищевой добавки под номером E949.

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.

Атомарный водород используется для атомно-водородной сварки. Высокая теплопроводность водорода используется для заполнения сфер гирокомпасов и стеклянных колб филаментных LED-лампочек.

Комментарии

Источники

• Дигонский С. В., Тен В. В. Неизвестный водород. — СПб: Наука, 2006. ISBN 5-02-025114-3.
• Кузьменко Н. Е., Ерёмин В. В., Попков В. А. Начала химии. Современный курс для поступающих в вузы: Учебное пособие для вузов. — М.: Издательство «Экзамен», 2005.
• Фёдоров П. И. Тройная точка // Химическая энциклопедия. — Большая Российская энциклопедия, 1998. — Т. 5: Триптофан — Ятрохимия. — .
• Хазанова Н. Е. Критическое состояние // Химическая энциклопедия. — Советская энциклопедия, 1990. — Т. 2: Даф — Мед. — .
• Chart of the Nuclides. — 17th. — Knolls Atomic Power Laboratory, 2010. — ISBN 978-0-9843653-0-2.
• Newton, David E. The Chemical Elements. — New York: , 1994. — ISBN 978-0-531-12501-4.
• Rigden, John S. Hydrogen: The Essential Element. — Cambridge, Massachusetts: Harvard University Press, 2002. — ISBN 978-0-531-12501-4.
• Romm, Joseph, J. The Hype about Hydrogen, Fact and Fiction in the Race to Save the Climate (англ.). — , 2004. — ISBN 978-1-55963-703-9.
• Scerri, Eric. The Periodic System, Its Story and Its Significance (англ.). — New York: Oxford University Press, 2007. — ISBN 978-0-19-530573-9.

• Hydrogen Архивная копия от 10 января 2016 на Wayback Machine at The Periodic Table of Videos (University of Nottingham)
• Ferreira-Aparicio, P.; Benito, M. J.; Sanz, J. L. New Trends in Reforming Technologies: from Hydrogen Industrial Plants to Multifuel Microreformers (англ.) // Catalysis Reviews : journal. — 2005. — , . — . — doi:10.1080/01614940500364958.