Пример применения водорода

Водород представляет собой бесцветное газообразное соединение без запаха и вкуса. Распространенность этого газа на Земле составляет почти 75%. Давайте подробно обсудим использование водорода.

Ниже перечислены промышленные применения водорода.

В этой статье подробно исследуется использование жидкого водорода, синего водорода, зеленого водорода, металлического водорода и использование водорода в различных отраслях промышленности.

Научно-исследовательские лаборатории

Использование водорода в области исследований обсуждается ниже.

Выработка энергии

Применение водорода в области производства электроэнергии перечислены ниже:

Использование жидкого водорода

Жидкий водород существует только ниже его критической точки 33 К (20.28 К). Его можно получить из компрессора, напоминающего по внешнему виду и принципу действия реактивный двигатель.

Области применения жидкого водорода перечислены ниже:

Обрабатывающая промышленность

Жидкий водород считается сырьем для производства пластмасс и аммиака в обрабатывающей промышленности.

Нефтяная промышленность

Жидкий водород также используется для производства нефтепродуктов и метанола.

Исследование космического пространства

Жидкий водород часто используется в качестве жидкого ракетного топлива для космических аппаратов.

Перегретый жидкий водород используется в экспериментах с пузырьковой камерой.

Использование зеленого водорода

Его называют «зеленым водородом», потому что этот тип производства водорода осуществляется путем электролиза воды, и этот метод не выделяет углекислого газа.

Ниже перечислены промышленные применения зеленого водорода.

Зеленый водород используется в обрабатывающей промышленности для производства удобрений и аммиака.

Зеленый Н2 также применяется в нефтяной промышленности для производства нефтепродуктов.

Использование синего водорода

Синий водород получают путем разделения природного газа на водород и углекислый газ. Производство голубого водорода зависит от ископаемого топлива.

Промышленное применение (в основном в энергетике) голубого водорода описано ниже:

Использование металлического водорода

Металлический водород определяет особое состояние водорода, в котором водород ведет себя как электрический проводник. Эта фаза существует только при высоком давлении и высокой температуре.

Отрасли, в которых используется металлический водород, перечислены ниже:

Металлический водород является мощным ракетное топливо из-за его легкости и малого объема.

Сверхпроводниковая промышленность

Металлический водород можно использовать в качестве сверхпроводника при комнатной температуре.

Промышленное использование водорода

Различные формы водорода (жидкий, синий, зеленый, серый и металлический) используются в различных отраслях промышленности, и они:

Сельскохозяйственная/химическая промышленность

Водород используется в качестве катализатора для производства аммиака. Он также используется в производстве удобрений в сельском хозяйстве.

Нефтеперерабатывающая промышленность

Водород часто используется в гидрокрекинге для производства нефтепродуктов, включая бензин и дизельное топливо. Он также применяется для удаления примесей в производстве метанола.

Пищевая промышленность

Водород используется для образования насыщенных масел и жиров из ненасыщенных жиров.

Производство электроники

Водород используется для производства полупроводники, светодиоды, дисплеи, фотоэлектрические, сегменты с некоторыми другими вещами.

Общественный транспорт

Водород используется в топливных элементах в различных транспортных средствах, таких как автомобили, автобусы и поезда.

Водород используется для охлаждения генераторов электростанций, а также для стабилизации электрических сетей.

Сварка

Водород используется в атомарно-водородная сварка, особый вид дуговой сварки.

Промышленное использование водорода

Заключение

Водород — самый легкий элемент периодической таблицы с плотностью 0.08988 г/л и молярной массой 1.008 г/моль. Он размещен в 1st группа и 1st период. Он существует в трех изотопных формах, и они 1H1, 2H1, и 3H1.

Водород – самый распространенный элемент во Вселенной. Человечеству он был известен достаточно давно, но активное применение и разработка технологий с использованием этого газа начались лишь несколько десятилетий назад. Газ водород активно используется в самых разных областях промышленности, а в перспективе еще и в энергетике.

«рождающий воду»

Поскольку как химический элемент водород был известен достаточно давно, то однозначного первооткрывателя установить невозможно. В истории сохранилось не так много записей и документов, которые могли бы дать ответ. Алхимики еще в 14-15 веках наблюдали в ходе определенных химических реакций выделение загадочного «горючего» газа, но еще не выделяли водород как отдельную составляющую.

Первые упоминания в научных работах датируются 1766 годом. Британский химик и физик Генри сумел выделить из кислот водород, после чего собрал газ в отдельной камере и поджег. В ходе этого эксперимента была получена вода. Также попытался определить массу водорода, что ему удалось сделать лишь с небольшой погрешностью.

Окончательное открытие признают за французом Антуаном , который с 1774 года также занимался исследованиями «горючего воздуха».  В ходе своих опытов ему удалось определить, что в ходе  синтеза водорода и кислорода получается именно вода, молекулярное соединение. Считается, что именно дал название элементу «», от греческого «рождающий воду».

А вот русское название химическому элементу выдал Михаил Соловьёв в 1824 по аналогии с «кислород».

Физические свойства водорода

Что такое водород — это самый легкий элемент в химической таблице, поэтому занимает почетное первое место. Его ядро включает всего один протон и один нейтрон. Несмотря на повсеместное распространение во вселенной, в земной коре содержится всего около 1%.

Встречается элемент на Земле чаще всего в виде соединений с другими элементами. Реже в виде двухатомного газа H2, состоящего из пары атомов. В обычных условиях – это бесцветный, нетоксичный газ без какого-либо цвета и вкуса. В смесях с воздухом, кислородом, хлором или фтором при определенной концентрации может быть взрывоопасен.

Температура кипения составляет -252,87°С, а при -259,14°С происходит плавление. Наиболее распространенные соединения с водородом – это вода (Н2О), аммиак (NH3), сероводород (Н2S), метан (CH4), гидриды металлов и некоторые органические соединения.

Первое практическое применение водорода

Уникальные свойства этого газа быстро  нашли применение в нескольких сферах, в частности, в военной.   В 18 веке воздушная техника сводилась к шарам и дирижаблям. Наполняли емкости горячим воздухом, благодаря которому вся конструкция могла взлетать. Проблемой было то, что воздух требовалось поддерживать горячим, иначе он терял свою подъемную способность.

Газ водород в этом плане был намного выгоднее – он всегда оставался легче воздуха, но наоборот требовал повышенной защиты от огня. Почему не использовали гелий? На тот момент производство этого газа было непомерно дорогим, поэтому о наполнении таких больших объемов как в дирижаблях речи не шло. Сегодня же гелий куда более доступный и активно используется в самых разных сферах

История дирижаблей на водороде ассоциируется с именем  фон Цеппелина, который создал модели LZ-1, LZ-2 и LZ-3. Последнюю заметили военные, после чего эти воздушные суда начали активно использоваться в военных действиях в ходе Первой мировой войны, а также в пассажирских перевозках. Дирижабли без особых проблем могли совершать длительные полеты, в том числе через Атлантический океан.

Водород не только подарил новую жизнь воздушным судам, но и стал причинной их гибели. Газ легко воспламенялся, из-за чего каждый дирижабль фактически становился потенциальной бомбой. Конец эры этих монстров датируется 1937 годом,  когда в США загорелся и рухнул дирижабль «

Способы получения водорода

В космосе над всеми элементами преобладает водород, однако на Земле встретить его в свободном виде практически невозможно.  В связи с этим существует несколько разнообразных технологий получения этого газа, каждая из которых имеет свои особенности.

В лабораторных условиях нередко пользуются древним способом – получая газ из кислот.  Пример, взаимодействие серной кислоты и цинка, в ходе которого выделяется H2. В качестве металлов могут подойти  и другие, например, алюминий. Однако полученный газ требуется еще дополнительно очистить.

В промышленных масштабах часто используется метод паровой конверсии с метаном или природным газом. В ходе сложных контролируемых химических реакций удается получить относительно чистый газ водород. После с помощью угольных фильтров достигается концентрация в 99,9%. Такой подход требует наличия крупных установок, но считается одним из самых эффективных.

В местах с дешевым электричеством может использоваться электролиз – разложение воды на водород и кислород. В воду добавляется небольшое количество солей, чтобы жидкость смогла проводить электричество. Технология позволяет получить не только водород, но и кислород, который также имеет большое значение в промышленном производстве. Единственный недостаток – большие затраты электроэнергии.

Среди других методов стоит отметить газификацию угля. Методика из-за доступности сырья успешно конкурирует с другими способами, но вызывает вопросы с точки зрения . Газификация сопровождается ощутимыми выбросами углекислого газа, из-за чего производства могут попадать под санкции.

Нередко можно встретить разработки по получению водорода в ходе разложения органических или неорганических веществ. Например, компания Ways2H предлагает специальную технологию утилизации бытовых отходов, в ходе которой без сгорания можно получить водород. По заявлениям представителей фирмы, с одной тонны сухих отходов вырабатывается от 30 до 150 килограмм водорода. Однако все подобные проекты пока находятся либо на стадии экспериментов, любо работают только на небольших тестовых площадках.

Что такое водород сегодня — применение водорода

С развитием технологий и возможностью получать газ в больших масштабах началось  широкое применение водорода в  самых разных областях:

Есть и более бытовое применение, знакомое каждому – перекись водорода. Этот состав также используют при отбеливании.

Водород активно применяется в качестве защитного газа при сварке. Процесс сварки неотъемлемо связан с целым списком технических газов, в чем вы можете убедиться лично в статьях соответствующего раздела

Как известно, кислород оказывает неблагоприятный эффект на сварной шов, понижая его прочность. Решением этой проблемы стали защитные газы, которые не допускают попадания воздуха в зону горения дуги. В число активных защитных газов как раз и входит водород. Применение этого газа в качестве защитного имеет несколько плюсов: равномерное ванны, возможность создания  аккуратного шва, высокая защита от большинства окислительных процессов.

Однако при водородной сварке предъявляются высокие требования к напряжению источника тока. Также применение водорода в качестве защитного газа может стать причиной появления пор в металле и холодных трещин. В плазменной сварке уже необходимо применение -водородной смеси с концентрацией последнего до 20%.

Баллоны с водородом изготавливают из углеродистой стали по ГОСТу 949 и окрашивают в зеленый цвет с красными надписями. Подробнее про металлические баллоны вы можете узнать здесь

При работе с водородом необходимо особое внимание уделять герметичности оборудования. Как говорилось ранее, газ при контакте с воздухом образует взрывоопасную смесь. Пределы колеблются от 4 до 75%. При высокой концентрации газ также способен вызвать удушье, поэтому перед началом работы необходимо ознакомиться с соответствующими правилами

Будущее водорода в мировой энергетике

Проблемы экологии вынуждают исследователей искать альтернативные источники энергии. Один из самых животрепещущих вопросов последних лет – водород в качестве автомобильного топлива. Главный плюс – отсутствие выброса вредных газов в атмосферу. В цилиндр двигателя поступает водород и кислород, которые в ходе реакции создают небольшой взрыв и двигают поршни. Побочный продукт в ходе этой реакции – обычная вода. Также выпускаются машины на электротяге, но с водородными ячейками, внутри которых формируется электрическая энергия при взаимодействии H2 и О2.

постепенно осваивают технологию на прототипах или тестовых машинах. Например,  уже были выпущены и протестированы такие модели, как RE, а также автобусы E-450 для аэропортов. Самым популярным и известным автомобилем на водороде можно назвать , которая активно продается на территории США, Канады и Японии.  Во многом популярность этой модели обоснована дотациями со стороны государства. Например, в США при покупке вы получали дополнительно 15 тысяч долларов на заправку водородом в течение трех лет.

Видео о водородной энергетике

Схожие предложения есть и от других компаний —

Несмотря на все достоинства водородной технологии, есть несколько важных «но». Во-первых, имеется масса вопросов относительно безопасности водорода в автомобильном транспорте. В отличие от бензина, водород легко может взорваться при контакте с воздухом, поэтому даже незначительные ДТП на дороге представляют опасность. Это вынуждает устанавливать дополнительные датчики и делать баки более ударопрочными.

Во-вторых, в мире образовалась проблема «яйца и курицы». Машины на водороде не появляются из-за отсутствия инфраструктуры, а ее не хотят возводить из-за небольшого количества машин. Разорвать этот замкнутый круг становится сложнее, учитывая конкуренцию со стороны электромобилей. По данным за 2020 год в мире насчитывается около 500 водородных заправок, в то время как станций для зарядки авто – больше 11 миллионов!

Несмотря на эти ограничения, многие уверены, что водород станет неотъемлемой частью энергетики будущего, так же, как он используется сейчас в пищевой и химической промышленности.

А больше информации о нашей компании вы найдете на сайте https://idealgaz.ru/.

Водород — что это за элемент

Водород (H, лат. hydrogenium) — является химическим элементом периодической системы с обозначением H и атомным номером 1, представляет собой самым легкий из элементов периодической таблицы.

Водород соответствует главной подгруппе I группы и располагается в первом периоде периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева. Элемент является наиболее распространенным во Вселенной. Из водорода состоит около 75% всей барионной массы. Звезды, за исключением компактных, в основном состоят из водородной плазмы.

В основном состоянии водород характеризуется следующей электронной схемой:

Первый энергетический уровень атома водорода (он же внешний) содержит один неспаренный электрон в основном энергетическом состоянии. Атом водорода обладает степенями окисления — от -1 до +1. Характерные степени окисления -1, 0, +1.

Известны три изотопа водорода, в отличие от изотопов других элементов они имеют собственные названия:

Ядро протия, который является наиболее распространенным изотопом водорода, включает в себя лишь один протон и не имеет нейтронов, ядро дейтерия содержит один протон и один нейтрон, ядро трития — один протон и два нейтрона.

В стандартных условиях при обычной температуре и давлении простое вещество водород представляет собой нетоксичный двухатомный газ без цвета, запаха и вкуса. Химическая формула газообразного вещества

. Смешиваясь с воздухом или кислородом, водород приобретает свойства горючести, пожаро- и взрывоопасности. Вещество также взрывоопасно при наличии окисляющих газов, в том числе, фтора или хлора.

В связи с легкостью формирования ковалентных связей водородом с большинством неметаллов, большая часть данного вещества на нашей планете представлена в виде разнообразных соединений, к примеру, воды или органических веществ. Водород имеет большое значение для реализации кислотно-основных реакций, растворяется в этаноле и таких металлах, как:

История открытия

В XVI и XVII столетиях, отмеченных эпохой становления химии как науки, наблюдали явление высвобождения горючего газа в процессе взаимодействия кислот и металлов. Впервые водород удалось синтезировать Парацельсу в XVI веке путем погружения стружки железа в серную кислоту. В 1671 году Робертом Бойлем была подробно описана химическая реакция между железной стружкой и разбавленными кислотами. Результатом такого процесса являлось выделение газообразного водорода.

В 1766 году Генри Кавендиш впервые признал водород в газообразном агрегатном состоянии, как индивидуальный элемент. Ученый назвал газ, который выделялся при взаимодействии металла и кислоты, «горючим воздухом». Генри Кавендиш высказал предположение об идентичности «горючего воздуха» гипотетическому веществу под названием «флогистон». В 1781 году ученому удалось обнаружить, что при его сгорании образуется вода.

Прямые указания на выделение водорода представлял научному сообществу и Михаил Ломоносов, который пришел к выводу, что вещество не является флогистоном. Французский химик Антуан Лавуазье совместно с инженером Жаном Менье с помощью специальных газометров в 1783 году синтезировал воду. В ходе эксперимента исследователи проанализировали полученную жидкость, разложив водяной пар раскаленным железом. Таким образом, было установлено, что «горючий воздух» является составным компонентом воды и может быть из нее получен.

Лавуазье дал водороду название hydrogène, что в переводе c греческого означает «рождающий воду». В 1801 году последователь Лавуазье, академик Василий Севергин, ввел понятие «водотворное вещество». Русское наименование «водород» было предложено химиком Михаилом Соловьевым в 1824 году — по аналогии с «кислородом» Ломоносова.

Распространенность в природе

В настоящее время водород является самым распространенным элементом во Вселенной. На долю водорода приходится примерно 88,6 % всех атомов (около 11,3 % составляют атомы гелия, доля других вместе взятых элементов равна приблизительно 0,1 %). Водород представляет собой основную часть звезд и межзвездного газа.

В условиях звездных температур (к примеру, температура поверхности Солнца достигает 6000 °C) водород представлен в форме плазмы. Межзвездное пространство заполнено данным элементом в виде отдельных молекул, атомов и ионов. Вещество способно формировать молекулярные облака, которые существенно отличаются размерами, плотностью и температурой.

Массовая доля водорода в земной коре равна 1%. Данный факт позволяет водороду занимать десятое место по распространенности. Следует отметить, что значение элемента в природном мире определено не массой, а числом атомов, доля которых среди остальных элементов составляет 17% (второе место после кислорода, доля атомов которого равна примерно 52%). В связи с этим, роль водорода в химических процессах, которые протекают в жизни нашей планеты, велика и сравнима по значению с кислородом.

Почти весь водород на Земле представлен в виде соединений, что отличает элемент от кислорода, присутствующего на планете и в связанном, и в свободном состояниях. Атмосфера содержит лишь незначительное количество водорода в виде простого вещества (0,00005 % по объему для сухого воздуха). Водород является компонентом почти каждого органического вещества и включен в состав всех живых клеток, где, исходя из числа атомов, на элемент приходится около 63%.

Химические и физические свойства

Водород представляет собой самый легкий газ, который легче, чем воздух в 14,5 раз. В связи с этим, мыльные пузыри, наполненные водородом, на воздухе поднимаются вверх. Чем меньшей массой обладают молекулы, тем большую скорость они развивают при одинаковой температуре. Являясь самыми легкими, молекулы водорода перемещаются быстрее по сравнению с молекулами любого другого газа. По этой причине они с большей скоростью передают теплоту между объектами. В результате водород характеризуется максимальными показателями теплопроводности в сравнении с другими веществами в газообразном состоянии. Данный показатель приблизительно в 7 раз превышает аналогичные характеристики воздуха.

Водород малорастворим в воде — 18,8 мл/л. Вещество легко растворяется во многих металлах (Ni, Pt, Pd и других), особенно в палладии (850 объемов

Водород в жидком агрегатном состоянии можно встретить в небольшом интервале температур от −252,76 °C  до −259,2 °C. Вещество представляет собой жидкость, которая не обладает окраской, характеризуется легкостью (плотность при −253 °C составляет 0,0708 г/

Перечисленные параметры являются причиной возникновения трудностей при сжижении водорода. Твердое вещество обладает температурой плавления −259,2 °C, плотностью

. В твердом агрегатном состоянии водород представляет собой массу, похожую на снег, в виде кристаллов гексагональной сингонии. Относится к пространственной группе P6/mmc, имеет параметры ячейки a = 0,378 нм и c = 0,6167 нм.

В 1935 году Уингер и Хунтингтон выдвинули гипотезу о том, что при повышении давления до 250 тысяч атм возможен переход водорода в металлическое состояние. Синтез данного вещества в устойчивом состоянии сопровождался заманчивыми перспективами его применения как сверхлегкого металла, составного компонента легкого и энергоемкого ракетного топлива.

В 2014 году ученым удалось установить тот факт, что при давлении около 1,5—2,0 млн атм водород приобретает способность к поглощению инфракрасного излучения. Явление подтвердило способность электронных оболочек молекул вещества поляризоваться. Вполне допустимо, что при еще более высоких характеристиках давления водород трансформируется в металл. В 2017 году была зафиксирована информация о вероятном экспериментальном наблюдении трансформации водорода в металлическое состояние при условиях высокого давления.

Спиновые формы молекулярного водорода:

Данные модификации вещества несколько отличаются по следующим параметрам:

Разделение спиновых изомеров водорода возможно путем адсорбции на активном угле при температуре жидкого азота. Если температуры очень низкие, то равновесие между ортоводородом и параводородом практически нацело смещено в сторону параводорода. Это объясняется более низкими энергетическими характеристиками пара-молекулы по сравнению с энергией орто-молекулы. При 80 К соотношение модификаций приближенно соответствует 1:1. Десорбированный с угля параводород в процессе нагрева трансформируется в ортоводород, что сопровождается образованием равновесной смеси.

В условиях комнатной температуры равновесная смесь ортоводорода и параводорода имеет состав 75:25. При отсутствии катализатора взаимное превращение протекает с относительно низкой скоростью. Это позволяет проанализировать свойства модификаций водорода. В том случае, когда межзвездная среда разрежена, характерное время перехода в равновесную смесь очень велико, вплоть до космологических.

Водород способен проявлять свойства окислителя и свойства восстановителя. В связи с этим, вещество может вступать в химические реакции и с металлами, и с неметаллами.

Водород не вступает во взаимодействие с кремнием и фосфором.

Смесь водорода с кислородом в мольном соотношении 2 : 1 называется гремучим газом.

Водород вступает в химические реакции со сложными веществами, способен восстанавливать металлы из основных и амфотерных оксидов. Водородом можно восстановить из оксида металлы, которые располагаются в электрохимическом ряду напряжений после алюминия. Процесс сопровождается образованием металла и воды.

Со многими органическими веществами водород вступает в реакции присоединения, то есть реакции гидрирования.

Молекулярный водород нашел широкое применение в органическом синтезе и используется с целью восстановления органических соединений. Данные процессы носят название реакций гидрирования. Подобное взаимодействие возможно при наличии катализатора, повышенном давлении и нагреве. В качестве катализатора допустимо использовать гомогенные (к примеру, Катализатор Уилкинсона) и гетерогенные (например, никель Ренея, палладий на угле) вещества.

Как получить водород, основные реакции

Водород в основном используют для переработки нефтепродуктов и производства аммиака. По большей части вещество промышленным способом получают из природного газа. Остальной объем синтезируют из угля. Около 0,1 % водорода вырабатывают с помощью электролиза.

Применяют также промышленный способ электролиза химически чистой воды, исключая какие-либо добавки. Технологическое оборудование, в данном случае, является обратимым топливным элементом, дополненным твердой мембраной из полимерного материала или без нее.

Существуют лабораторные методы синтеза водорода.