Водород

Водород: химия водорода и его соединений

Водород

Положение в периодической системе химических элементов

Водород расположен в главной подгруппе I группы и в первом периоде периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева.

Электронное строение водорода

Электронная конфигурация водорода в основном состоянии :

+1H 1s 1 1s

Атом водорода содержит на внешнем энергетическом уровне один неспаренный электрон в основном энергетическом состоянии.

Степени окисления атома водорода — от -1 до +1. Характерные степени окисления -1, 0, +1.

Физические свойства

Водород – легкий газ без цвета, без запаха. Молекула водорода состоит из двух атомов, связанных между собой ковалентной неполярной связью:

Н–Н

Соединения водорода

Основные степени окисления водорода +1, 0, -1.

Типичные соединения водорода:

вода H2O и др. летучие водородные соединения (HCl, HBr)

кислые соли (NaHCO3 и др.)

основания NaOH, Cu(OH)2

Способы получения

Еще один важный промышленный способ получения водорода — паровая конверсия метана. При взаимодействии перегретого водяного пара с метаном образуется угарный газ и водород:

Также возможна паровая конверсия угля:

C 0 + H2 + O → C +2 O + H2 0

Химические свойства

1. Водород проявляет свойства окислителя и свойства восстановителя. Поэтому водород реагирует с металлами и неметаллами.

1.1. С активными металлами водород реагирует с образованием гидридов :

2Na + H2 → 2NaH

1.2. В специальных условиях водород реагирует с серой с образованием бинарного соединения сероводорода:

1.3. Водород не реагирует с кремнием .

1.4. С азотом водород реагирует при нагревании под давлением в присутствии катализатора с образованием аммиака:

1.5. В специальных условиях водород реагирует с углеродом .

1.6. Водород горит , взаимодействует с кислородом со взрывом:

2. Водород взаимодействует со сложными веществами:

2.1. Восстанавливает металлы из основных и амфотерных оксидов . Восстановить из оксида водородом можно металлы, расположенные в электрохимическом ряду напряжений после алюминия. При этом образуются металл и вода.

Например , водород взаимодействует с оксидом цинка с образованием цинка и воды:

ZnO + H2 → Zn + H2O

Также водород восстанавливает медь из оксида меди:

СuO + H2 → Cu + H2O

Водород восстанавливает оксиды некоторых неметаллов .

Например , водород взаимодействует с оксидом кремния:

2.2. С органическими веществами водород вступает в реакции присоединения (реакции гидрирования).

Применение водорода

Применение водорода основано на его физических и химических свойствах:

  • как легкий газ, он используется для наполнения аэростатов (в смеси с гелием);
  • кислородно-водородное пламя применяется для получения высоких температур при сварке металлов;
  • как восстановитель используется для получения металлов (молибдена, вольфрама и др.) из их оксидов;
  • водород используется для получения аммиака и искусственного жидкого топлива;
  • получение твердых жиров (гидрогенизация).

Водородные соединения металлов

Соединения металлов с водородом — солеобразные гидриды МеНх. Это твердые вещества белого цвета с ионным строением. Устойчивые гидриды образуют активные металлы (щелочные, щелочноземельные и др.).

Способы получения

Гидриды металлов можно получить непосредственным взаимодействием активных металлов и водорода.

Например , при взаимодействии натрия с водородом образуется гидрид натрия:

2Na + H2 → 2NaH

Гидрид кальция можно получить из кальция и водорода:

Химические свойства

1. Солеобразные гидриды легко разлагаются водой .

Например , гидрид натрия в водной среде разлагается на гидроксид натрия и водород:

NaH + H2O → NaOH + H2

2. При взаимодействии с кислотами гидриды металлов образуют соль и водород.

Например , гидрид натрия реагирует с соляной кислотой с образованием хлорида натрия и водорода:

NaH + HCl → NaCl + H2

3. Солеобразные гидриды проявляют сильные восстановительные свойства и взаимодействуют с окислителями (кислород, галогены и др.)

Например , гидрид натрия окисляется кислородом:

2NaH + O2 = 2NaOH

Гидрид натрия также окисляется хлором :

NaH + Cl2 = NaCl + HCl

Летучие водородные соединения

Соединения водорода с неметаллами — летучие водородные соединения.

Строение и физические свойства

Все летучие водородные соединения — газы (кроме воды).

CH4 — метан NH3 — аммиак H2O — вода HF –фтороводород
SiH4 — силан PH3 — фосфин H2S — сероводород HCl –хлороводород
AsH3 — арсин H2Se — селеноводород HBr –бромоводород
H2Te — теллуроводород HI –иодоводород
Способы получения силана

Силан образуется при взаимодействии соляной кислоты с силицидом магния:

Видеоопыт получения силана из силицида магния можно посмотреть здесь.

Способы получения аммиака

В лаборатории аммиак получают при взаимодействии солей аммония с щелочами. Поск ольку аммиак очень хорошо растворим в воде, для получения чистого аммиака используют твердые вещества.

Например , аммиак можно получить нагреванием смеси хлорида аммония и гидроксида кальция. При нагревании смеси происходит образование соли, аммиака и воды:

Тщательно растирают ступкой смесь соли и основания и нагревают смесь. Выделяющийся газ собирают в пробирку (аммиак — легкий газ и пробирку нужно перевернуть вверх дном). Влажная лакмусовая бумажка синеет в присутствии аммиака.

Видеоопыт получения аммиака из хлорида аммония и гидроксида кальция можно посмотреть здесь.

Еще один лабораторный способ получения аммиака – гидролиз нитридов.

Например , гидролиз нитрида кальция:

В промышленности аммиак получают с помощью процесса Габера: прямым синтезом из водорода и азота.

Процесс проводят при температуре 500-550 о С и в присутствии катализатора. Для синтеза аммиака применяют давления 15-30 МПа. В качестве катализатора используют губчатое железо с добавками оксидов алюминия, калия, кальция, кремния. Для полного использования исходных веществ применяют метод циркуляции непрореагировавших реагентов: не вступившие в реакцию азот и водород вновь возвращают в реактор.

Более подробно про технологию производства аммиака можно прочитать здесь.

Способы получения фосфина

В лаборатории фосфин получают водным или кислотным гидролизом фосфидов – бинарных соединений фосфора и металлов.

Например , фосфин образуется при водном гидролизе фосфида кальция:

Или при кислотном гидролизе, например , фосфида магния в соляной кислоте:

Еще один лабораторный способ получения фосфина – диспропорционирование фосфора в щелочах.

Например , фосфор реагирует с гидроксидом калия с образованием гипофосфита калия и фосфина:

Способы получения сероводорода

1. В лаборатории сероводород получают действием минеральных кислот на сульфиды металлов, расположенных в ряду напряжений левее железа.

Например , при действии соляной кислоты на сульфид железа (II):

FeS + 2HCl → FeCl2 + H2S↑

Читайте также:
Классификация и общие свойства основных классов неорганических веществ

Еще один способ получения сероводорода – прямой синтез из водорода и серы:

Еще один лабораторный способ получения сероводорода – нагревание парафина с серой.

Видеоопыт получения и обнаружения сероводорода можно посмотреть здесь.

2. Также сероводород образуется при взаимодействии растворимых солей хрома (III) и алюминия с растворимыми сульфидами. Сульфиды хрома (III) и алюминия необратимо гидролизуются в водном растворе.

Например: х лорид хрома (III) реагирует с сульфидом натрия с образованием гидроксида хрома (III), сероводорода и хлорида натрия:

Химические свойства силана

1. Силан — неустойчивое водородное соединение (самовоспламеняется на воздухе). При сгорании силана на воздухе образуется оксид кремния (IV) и вода:

Видеоопыт сгорания силана можно посмотреть здесь.

2. Силан разлагается водой с выделением водорода:

3. Силан разлагается (окисляется) щелочами :

4. Силан при нагревании разлагается :

Химические свойства фосфина

1. В водном растворе фосфин проявляет очень слабые основные свойства (за счет неподеленной электронной пары). Принимая протон (ион H + ), он превращается в ион фосфония. Основные свойства фосфина гораздо слабее основных свойств аммиака. Проявляются при взаимодействии с безводными кислотами .

Например , фосфин реагирует с йодоводородной кислотой:

Соли фосфония неустойчивые, легко гидролизуются.

2. Фосфин PH3 – сильный восстановитель за счет фосфора в степени окисления -3. На воздухе самопроизвольно самовоспламеняется:

3. Как сильный восстановитель, фосфин легко окисляется под действием окислителей.

Например , азотная кислота окисляет фосфин. При этом фосфор переходит в степень окисления +5 и образует фосфорную кислоту.

Серная кислота также окисляет фосфин:

С фосфином также реагируют другие соединения фосфора, с более высокими степенями окисления фосфора.

Например , хлорид фосфора (III) окисляет фосфин:

2PH3 + 2PCl3 → 4P + 6HCl

Химические свойства сероводорода

1. В водном растворе сероводород проявляет слабые кислотные свойства. Взаимодействует с сильными основаниями, образуя сульфиды и гидросульфиды:

Например , сероводород реагирует с гидроксидом натрия:

H2S + 2NaOH → Na2S + 2H2O
H2S + NaOH → NaНS + H2O

2. Сероводород H2S – очень сильный восстановитель за счет серы в степени окисления -2. При недостатке кислорода и в растворе H2S окисляется до свободной серы (раствор мутнеет):

В избытке кислорода:

3. Как сильный восстановитель, сероводород легко окисляется под действием окислителей.

Например, бром и хлор окисляют сероводород до молекулярной серы:

H2S + Br2 → 2HBr + S↓

H2S + Cl2 → 2HCl + S↓

Под действием избытка хлора в водном растворе сероводород окисляется до серной кислоты:

Например , азотная кислота окисляет сероводород до молекулярной серы:

При кипячении сера окисляется до серной кислоты:

Прочие окислители окисляют сероводород, как правило, до молекулярной серы.

Например , оксид серы (IV) окисляет сероводород:

Соединения железа (III) также окисляют сероводород:

H2S + 2FeCl3 → 2FeCl2 + S + 2HCl

Бихроматы, хроматы и прочие окислители также окисляют сероводород до молекулярной серы:

Серная кислота окисляет сероводород либо до молекулярной серы:

Либо до оксида серы (IV):

4. Сероводород в растворе реагирует с растворимыми солями тяжелых металлов : меди, серебра, свинца, ртути, образуя черные сульфиды, нерастворимые ни в воде, ни в минеральных кислотах.

Например , сероводород реагирует в растворе с нитратом свинца (II). при этом образуется темно-коричневый (почти черный) осадок, нерастворимый ни в воде, ни в минеральных кислотах:

Взаимодействие с нитратом свинца в растворе – это качественная реакция на сероводород и сульфид-ионы.

Видеоопыт взаимодействия сероводорода с нитратом свинца можно посмотреть здесь.

Химические свойства прочих водородных соединений

Кислоты образуют в водном растворе: водородные соединения VIA (кроме воды) и VIIA подгрупп.

Прочитать про химические свойства галогеноводородов вы можете здесь.

Физические свойства

Молекулы воды связаны водородными связями: nH2O = (Н2O)n, поэтому вода жидкая в отличие от ее газообразных аналогов H2S, H2Se и Н2Те.

Химические свойства

1. Вода реагирует с металлами и неметаллами .

1.1. С активными металлами вода реагирует при комнатной температуре с образованием щелочей и водорода :

2Na + 2H2O → 2NaOH + H2

  • с магнием реагирует при кипячении:
  • алюминий не реагирует с водой, так как покрыт оксидной плёнкой. Алюминий, очищенный от оксидной плёнки, взаимодействует с водой, образуя гидроксид:
  • металлы, расположенные в ряду активности от Al до Н , реагируют с водяным паром при высокой температуре, образуя оксиды и водород:
  • металлы, расположенные в ряду активности от после Н , не реагируют с водой:

Ag + Н2O ≠

2. Вода реагирует с оксидами щелочных и щелочноземельных металлов , образуя щелочи (с оксидом магния – при кипячении):

3. Вода взаимодействует с кислотными оксидами (кроме SiO2):

4. Некоторые соли реагируют с с водой. Как правило, в таблице растворимости такие соли отмечены прочерком :

Например , сульфид алюминия разлагается водой:

5. Бинарные соединения металлов и неметаллов , которые не являются кислотами и основаниями, разлагаются водой.

Например , фосфид кальция разлагается водой:

6. Бинарные соединения неметаллов также гидролизуются водой.

Например , фосфид хлора (V) разлагается водой:

6. Некоторые органические вещества гидролизуются водой или вступают в реакции присоединения с водой (алкены, алкины, алкадиены, сложные эфиры и др.).

Водород

Водород (лат. hydrogenium = греч. ὕδωρ — вода + γεννάω — рождаю) – самый легкий химический элемент, при обычных условиях – газ без цвета, запаха и вкуса. В соединении с кислородом образует воду.

Водород – самый распространенный элемент Вселенной, входит в состав всего живого и небесных тел (73% массы Солнца).

Степени окисления

Проявляет степени окисления: -1, 0, +1.

Получение

В промышленности водород получают различными методами:

    Конверсия с водяным паром при t = 1000 °C

Методом газификации угля, торфа, сланца

Электролизом водных растворов щелочей

Каталитическим окислением кислородом (неполное окисление)

Лабораторные методы традиционно отличаются от промышленных своей простотой. В лаборатории водород получают:

    Вытеснением водорода из кислот

Взаимодействием активных металлов с водой

Реакцией цинка или алюминия с раствором щелочи

Химические свойства

В реакциях водород проявляет себя как восстановитель и окислитель. Как восстановитель реагирует с элементами, электроотрицательность которых выше, чем у водорода:

Как восстановитель реагирует с кислородом, галогенами, азотом, серой, оксидами металлов. При комнатной температуре из перечисленных реакция идет только со фтором.

Читайте также:
Тренировочные задания. Окислительно-восстановительные реакции

H2 + F2 → HF (со взрывом в темноте)

H2 + Cl2 → (t) HCl (со взрывом только на свету)

Na + H2 → NaH (гидрид натрия)

Химические свойства:

    Реакция с металлами

Металлы, стоящие в ряду активности до водорода, вытесняют водород из воды.

Реакции с основными и кислотными оксидами

Реагирует с основными оксидами – с образованием оснований (реакция идет, если основание растворимо), и с кислотными оксидами – с образованием соответствующих кислот. Не забывайте сохранять степени окисления!

Отмечу здесь реакцию двойного гидролиза, которая заключается в гидролизе одной соли по катиону (CrBr3), а другой – по аниону (Na2CO3).

Реакция с гидридами активных металлов

Реакции с C, CO, CH4

Cl2 + H2O → HCl + HClO (соляная и хлорноватистая кислоты – без нагревания)

Cl2 + H2O → HCl + HClO3 (соляная и хлорноватая кислоты – при нагревании)

Кристаллогидраты

Кристаллогидраты – кристаллические соединения, содержащие молекулы воды как самостоятельные структурные единицы. Вода, входящая в состав кристаллогидратов, называется кристаллической. Примеры: CaSO4*2H2O, Na2SO4*10H2O.

При нагревании кристаллогидраты теряют воду. Одним из наиболее известных кристаллогидратов является медный купорос: CuSO4*5H2O. Медный купорос имеет характерный голубой цвет, а безводный сульфат меди – белый.

В задачах бывает дана масса медного купороса. Надо помнить о том, что часто в реакции не участвует кристаллическая вода. В таком случае следует вычесть кристаллизационную воду и найти массу безводного сульфата калия.

Пероксид водорода

Представляет собой бесцветную жидкость с металлическим вкусом. Концентрированные растворы пероксида водорода взрывоопасны.

Получают пероксид водорода в реакции с пероксидами и супероксидами металлов.

В разбавленных растворах пероксид водорода легко разлагается:

Также перекись проявляет окислительные свойства:

Перекисью водорода обрабатывают раневую поверхность. Выделяющийся при разложении атомарный кислород разрушает бактериальные клетки, предотвращая осложнение в виде бактериальной инфекции.

© Беллевич Юрий Сергеевич 2018-2021

Данная статья написана Беллевичем Юрием Сергеевичем и является его интеллектуальной собственностью. Копирование, распространение (в том числе путем копирования на другие сайты и ресурсы в Интернете) или любое иное использование информации и объектов без предварительного согласия правообладателя преследуется по закону. Для получения материалов статьи и разрешения их использования, обратитесь, пожалуйста, к Беллевичу Юрию.

Как собирать, хранить и поставлять водород

В одном из прошлых постов мы выяснили, что в обозримой перспективе себестоимость производства водорода снизится настолько, что этот газ станет конкурентоспособным энергоносителем на транспорте и в энергетике. Но есть ещё одна потенциальная проблема водородной экономики: хранить, транспортировать и поставлять H2 не так просто, как кажется. В этот раз мы расскажем, какие технологии решат эти задач и не «съедят» ли транспортные издержки прибыль будущих водородных магнатов.

В 1870 году Джон Рокфеллер создал в составе зарождавшегося нефтяного концерна Standard Oil бондарные мастерские. Нефтяной бум в США разразился так внезапно, что в ход пошли бочки из-под рыбы и виски объёмом в 42 галлона (почти 159 литров) — те самые баррели. Это было идеальное решение, так как они были подъёмными для грузчиков и подходящего размера для тогдашнего транспорта. Однако цена самого деревянного барреля выросла из-за бума до $3,0 при средней цене на нефть в США в 1870 году $3,86 (примерно $60 сегодня).

Поэтому Рокфеллер справедливо решил, что лучше делать бочки самому, открыл бондарные мастерские в Standard Oil и снизил цену барреля до $1,5 . Какой мы делаем вывод из этой истории? Удельная стоимость массового сырьевого товара почти всегда низкая, поэтому в конечной цене всегда большую роль играют издержки на хранение, преобразованию и поставку. Водород — более капризный груз, чем нефть и природный газ. У него низкая плотность, поэтому, чтобы сохранять экономически значимое количество, бочками не обойтись.

Один килограмм водорода при атмосферном давлении и комнатной температуре занимает 11,2 куб. м. Для сравнения: полный бак водородной Toyota Mirai — 4,7 кг водорода . И хотя сейчас 85% водорода идёт в дело там же, где он производится (нефтепереработка и производство удобрений), чем больше водородомобилей будет ездить по миру, тем острее станет необходимость «порционной» поставки H2 миллионам потребителей. Об это мы расскажем дальше, но сначала разберёмся, где хранить водород.

Где и как хранить водород

По мере превращения водорода из промышленного в потребительский товар — им будут заправлять машины, питать электросистему и отопление домов — его нужно будет запасать в больших количествах. Это нужно будет и для того, чтобы цены на водород не скакали. Причём газ будет храниться долго, поэтому не столько важна скорость закачки/откачки и расположение, сколько объём хранилищ.

Такую технологию давно придумали: много газа можно закачать в пещеры. Сейчас водород закачивают в основном в соляные пещеры — них он почти не загрязняется примесями, а нормированная стоимость хранения — до $0,6 за кг.

Второй естественный резервуар для водорода — истощённые пласты залежей природного газа или нефти и водоносные горизонты. Они больше соляных пещер, но водород в них сильнее загрязняется, вступая в реакцию с горной породой, микробами, жидкостями. В такие пещеры водород пока не закачивают, поэтому считать «экономику» рано.

Карта водородного будущего Европы. Большинство соляных пещер для водорода (обозначены зелёными треугольниками) сосредоточено на севере Германии, в Нидерландах и Франции. Источник: European Hydrogen Backbone Perspective, 2020.

Однако для краткосрочного и мелкомасштабного хранения водорода такие «пещеры горного короля» не подходят — нужны баки. В резервуарах хранят сжатый или сжиженный водород, который можно быстро закачать или откачать в нужных объёмах.

Сжатый водород (при давлении 700 бар, т. е. приблизительно 690 атм.) имеет только 15% плотности энергии (количество энергии на единицу объёма) бензина, и чтобы хранить эквивалентное количество топлива, скажем, на водородной заправке, нужно в семь раз больше места.

Поэтому водород скорее всего будут мешать с аммиаком, у которого плотность больше, а места такой смеси требуется меньше, что позволит транспортировать больше водорода без увеличения объёма хранилища. Правда, придётся потратиться на конверсию и реконверсию смеси.

Читайте также:
Тренировочные задания. Окислительно-восстановительные реакции с участием органических веществ

В каком виде транспортировать водород

Проблема подготовки водорода для транспортировки решается по-разному: H2 сжимают, сжижают, смешивают с другими веществами. У каждого из этих вариантов свои преимущества и недостатки, а оптимальное решение зависит от географии поставок, расстояния, объёма и вида водорода для потребителя.

В любом агрегатном состоянии (кроме твёрдого, конечно) водород можно пустить по имеющимся газовым трубам, что однозначно дешевле, чем строить новую инфраструктуру. Первый кандидат — газовые сети. В мире насчитывается 3 млн километров газопроводов и 400 млрд кубометров подземных хранилищ метана. Но с этим есть технические проблемы:

у водорода низкая плотность энергии, и объёмы (или время) его поставки через газопровод придётся увеличить;

водород очень горюч на воздухе, поэтому чтобы снизить риски, придётся менять оборудование по всей цепочке поставок;

не всякая инфраструктура для, например, метана подойдёт водороду; особенно это касается потребительских котлов, бойлеров и т. п. (об этом подробнее ниже);

потребителям нужен разный газ (одним только чистый водород, другим — смесь), а технологии выделения чистого водорода из полученной смеси повысят конечную стоимость газа на $0,3-0,4 за кг.

В итоге наряду с газообразным водородом нам придётся производить его сжиженные и смешанные версии.

Как адаптировать мелких потребителей к водороду? На рисунке — возможный вариант. Это H2Rex — водородный генератор компании Toshiba (о нём мы рассказывали). Его топливные элементы вырабатывают электричество с помощью электрохимических реакций между полученным водородом и кислородом из атмосферы. Результат — электричество и тепло, которые получает потребитель. Источник: Toshiba ESS

Как и природный газ, водород сжижается. Но проблема в том, что для этого H2 нужно охладить до -253 °C . Если представить, что для охлаждения используется часть самой поставки H2, то на сжижение уйдёт 25-35% её массы.

Такая же операция над природным газом требует только 10% массы. Есть и другой вариант: водород смешивается с другими веществами для перевозки в жидком виде. Главные претенденты на роль «попутчиков» H2 — упомянутый выше аммиак и жидкие органические носители водорода (Liquid Organic Hydrogen Carrier, LOHC), к примеру, метилциклогексан (C7H14). Чтобы смешать водород с аммиаком, нужно 7-18% энергии из объёма поставки. Столько же водорода теряется, когда он выделяется из этой смеси. Но аммиак сжижается при температуре -33 °C и содержит в 1,7 раза больше водорода на кубометр, поэтому аммиачно-водородную смесь транспортировать дешевле, чем чистый водород.

Схожим образом водород можно включить в жидкий органический носитель. На конверсию и реконверсию при этом уйдёт 35-40% водорода, хотя объёмы поставок эти издержки покрывают.

Некоторые жидкие органические носители водорода могут быть негорючими, что делает перевозку безопаснее. Источник: Hydrogenious LOHC Technologies / YouTube

Как доставлять водород

Как и углеводороды сейчас, водород перемещать по миру в основном будут трубы, суда и автоцистерны. Отправлять H2 поездами в целом будет дороже, хотя удалённым потребителям в локациях без трубопровода это возможно. В мире сегодня существует много водородопроводов, но в основном они не выходят за пределы технологических площадок химических и нефтеперерабатывающих заводов. Поэтому более оптимальный вариант — трубы для передачи природного газа.

Однако далеко не все они подходят для прокачки водорода из-за типа стали: трубы из низкопрочной стали будут портиться из-за контакта с водородом (водородное охрупчивание) и давления прокачки. При этом их пропускная способность должна быть в три раза выше из-за низкой плотности водорода. Последнее решается, как мы уже выяснили, смешиванием водорода с жидкостями, и для таких соединений также есть трубопроводы. В частности, трубы используют для прокачки аммиачно-водородной смеси. Один из аммиакопроводов, к примеру, идёт из Тольятти (Россия) до Одессы (Украина) (2,4 тыс. км).

В целом трубы — перспективно самый дешёвый вариант доставки. Себестоимость транспортировки 1 кг водорода в виде газа на расстояние около 1,5 тыс. км составит $1,0. Если пустить по трубам жидкую смесь, то с учётом конверсии и реконверсии она вырастет до $1,5 за кг. Если расстояние увеличивается, то повышается и цена (нужно больше компрессорных станций), поэтому на расстоянии 2,5 тыс. км водород из трубы обойдётся уже в $2,0 за кг.

Однако трубопровод подойдёт не для всех потребителей. В некоторые страны H2 доставят морем. Пока танкеры для перевозки водорода массово не производят. Первое такое судно, получившее название Suiso Frontier, построила компания Kawasaki Heavy Industries, а спустили его на воду в декабре 2019 года в Кобе (Япония). В марте 2020 года на танкер установили резервуар объёмом 1 250 куб. м, в котором водород будут перевозить в сжиженном состоянии.

Водородовоз Suiso Frontier построен в рамках проекта создания безуглеродной цепи поставок водорода из Австралии в Японию. Правда, сам танкер работает на дизельном двигателе , так что безуглеродной цепь не получается. Kawasaki Group Channel / YouTube

В других проектах предполагаются танкеры, схожие по размеру с судами для СПГ, которые в качестве топлива будут сжигать в день примерно 0,2% от перевозимого водорода. Более перспективны в этом отношении танкеры, которые сейчас перевозят сжиженный нефтяной газ (СНГ). В их резервуары можно залить аммиачную и другие подобные смеси водорода. Газовозами доставлять водород дороже, чем по трубопроводам.

Самый затратный способ — везти сжиженный водород на расстояние около 1,5 тыс. км: с учетом расходов на сжижение перевозка встанет в порядка $2,0 за кг, в аммиачной смеси — $1,2, с жидкими органическими носителями — $0,6 за кг. Правда, в отличие от расходов прокачки по трубам, себестоимость морской транспортировки слабо растёт при увеличении расстояния. Альтернатива — автомобильные перевозки. Уже сегодня водород возят в основном тягачи с прицепом или автоцистерны. В первом случае прицеп загружают резервуаром со сжатым водородом.

Читайте также:
Анализ отдельных заданий высокого уровня сложности (часть 2)

Правда, обычно перевозят таким способом в пределах 300 км: дальше становится невыгодно. Развитие автоперевозок водорода будет зависеть от вместимости баков. Теоретически один прицеп со сжатым газообразным водородом может вместить до 1 100 кг в лёгких композитных цилиндрах (под давлением 500 бар). Однако этот показатель редко достигается на практике, поскольку правила во всем мире ограничивают допустимое давление, высоту, ширину и вес цистерн.

Потреблять бензин или солярку грузовику совсем не обязательно — его ДВС может работать на всё том же водороде. Hyundai XCIENT Fuel Cell — первый массовый грузовик на водороде, десять копий которого поставили в 2020 в Швейцарию для коммерческого использования. Заправить такой грузовик можно 32 кг водорода, которые ему хватит примерно на 400 км хода. Источник: Hyundai.news

Второй вариант — автоцистерны со сжиженным водородом, если есть постоянные потребители и объёмы поставки компенсируют расходы на сжижение.

Изолированные криогенные автоцистерны могут перевозить до 4 000 кг сжиженного водорода. Их применяют на расстояниях до 4 000 км. Дальше — нельзя: водород нагревается, из-за чего растёт давление. На расстояние до 500 км поставка водорода с жидким органическим носителем (с учётом конверсии) обойдётся в $2,9 за кг. Аммиачная смесь водорода при таких же условиях доедет до потребителя в среднем за $1,5 за кг.

Как видно, экономика автоперевозок зависит от объёма поставок: чем больше требуется водорода, тем более выгодно построить трубопровод. Чем меньше и чем ближе потребитель, тем выгоднее возить водород грузовиками

Итого: сколько стоят путешествия водорода

Прежде чем подвести предварительный итог напомним, во сколько обойдётся производство «зелёного» водорода и при какой цене он станет конкурентоспособным относительно традиционных энергоносителей.

В самых перспективных регионах добычи, откуда будут экспортировать экологически чистый водород (Ближний Восток, Северная и Южная Африка, Индия, Китай, Австралия, Патагония, Мексика, Юго-Запад США), он будет стоит $1,6–3,0 за кг (стоимость производства).

По подсчётам Международного энергетического агентства, наиболее выгодный вариант сухопутной поставки водорода на расстояния до 3,5 тыс. км. — это водород в газообразном состоянии через трубопровод (около $5,5 за кг ; здесь и далее стоимость транспортировки). На больших расстояниях по трубопроводам уже лучше пускать водородно-аммиачную смесь, что обойдётся в $6 за кг (до 5 тыс. км).

Морские поставки от расстояний зависят не так сильно, как от технологии. Дешевле всего перевозить смесь с аммиаком и органическими жидкими носителями (порядка $4,0–4,5 за кг). Дороже отправлять морем сжиженный водород (от $5,5 до $6,0 за кг).

Как видно, с учётом доставки «зелёный» водород на возобновляемых источниках энергии, добытый в Японии, будет дороже импортированного из Австралии или Ближнего Востока. А вот Европа вполне может не зависеть от его поставок из Северной Африки. Источник: International Energy Agency

При этом, по данным Совета по водородной энергетике, нижняя граница конкурентоспособности водорода для грузовиков, автобусов (для дальних перевозок) и электричек составит $4-5 за кг; для отопления и электропитания жилых домов — $3-5 за кг.; для автопогрузчиков — $7-9 за кг.

Но для частных и коммерческих городских перевозок водород останется дорогим, тем более с учётом доставки (нужно, чтобы он был не дороже $1,0-1,5). Однако вариативность подсчётов очень широкая, и для каждого региона и потребителя экономика водородных поставок будет своя.

Более того, мы в Toshiba знаем, как включить в цепь добавленной водородной стоимости новые технологии, которые позволят снизить транспортные издержки.

Как построить водородную цепь добавленной стоимости

Вырисовывается такая картина: в густонаселенных районах Европы и США водород от большого числа местных поставщиков для небольших потребителей в основном будут возить грузовики. Крупные потребители будут получать водород либо по трубопроводам от дальних поставщиков, либо импортировать морем из соседних стран (Латинская Америка для США и Северная Африка с Ближним Востоком — для Европы).

Японии будет сложнее: местный водород будет сравнительно дорогим, поэтому для крупных потребителей возможны поставки морем из стран ближнего и дальнего зарубежья. Правда, водородная энергетика всё-таки будет «демократичнее» углеводородной благодаря доступности возобновляемых источников энергии большому числу потребителей.

Именно на этой основе мы строим водородную цепь добавленной стоимости Toshiba (Toshiba Hydrogen Value Chain). Для крупных потребителей водород могут производить большие солнечные электростанции, наподобие той, что мы построили в Фукусиме . В день она вырабатывает газа на заправку 560 водородных авто и 150 домовладений. Часть водорода отправится грузовиками, часть — по трубам.

В последнем случае конвертировать полученный водород поможет наш генератор на топливных элементах H2Rex, который уже производит электричество и тепло из водорода и воздуха, к примеру, для гостиницы в Кавасаки. Небольшим и удалённым от производства H2 потребителям подойдут мини-электростанции типа нашей H2One. Она вырабатывает водород методом электролиза из воды, который поддерживается встроенной солнечной батареей.

Мы убеждены, что интеграция таких источников и преобразователей энергии в сочетании со строительством водородных электростанций на ВИЭ позволит снизить зависимость потребителей от зарубежных поставок H2, которые могут оказаться для них дорогими.

Водород и его свойства

Что такое водород

Водород — самый легкий химический элемент, занимающий в периодической таблице Менделеева начальное место.

Его атомный номер — единица. На одноатомную форму водорода приходится около 75% барионной массы, она считается самым распространенным веществом во всей Вселенной. Водородная плазма — основное вещество звезд, за исключением компактных.

У водорода три изотопа:

  • протий (1H);
  • дейтерий (2H);
  • тритий (3H).

К общим характеристикам относятся следующие свойства: не имеет цвета запаха, вкуса. Двухатомная форма ( Н 2 ) нетоксична, однако в соединении с воздухом (или О 2 ) пожароопасна и склонна к взрывам. Взрывоопасность также проявляется в присутствии прочих газов-окислителей, например, фтора, хлора.

На Земле водород присутствует в составе молекулярных соединений, например, вода. Его роль в кислотно-основных реакциях трудно переоценить.

Читайте также:
Тренировочные задания. Характерные химические свойства неорганических веществ

Нахождение в природе, изучение его свойств

Звездная температура позволяет существовать водороду в виде плазмы. Это примерно 6000оС. Однако пространство между звездами заполнено отдельными молекулами, атомами и ионами, которые зачастую образовывают молекулярные скопления различных размеров и форм — облака. Плотность вещества при этом не является постоянной величиной, как и его температура.

В коре Земли водород считается десятым по распространенности элементом. Его массовая доля равна 1%. В то же время по числу атомов он достигает 17%. Это второе место после кислорода, доля которого равна 52%. Отсюда и значительная роль водорода в природе, особенно в химических превращениях.

Водород, в отличие от кислорода, не может существовать в свободном состоянии, только в связанном. Исключение составляет атмосфера, в сухом остатке которой 0,00005% простого вещества — водорода.

Все органические вещества включают в свой состав водород. Велика его доля в живых клетках (по количеству атомов его удельный вес достигает 63%).

В составе воды водород имеет большое значение в протекании геохимических процессов. Так, вулканические газы вызывают истечение определенных количестве водорода вдоль разломов (причина рифтогенез). По этой же причине часто обнаруживают водород в районе угольных месторождений.

Натуральные минералы могут содержать Н2 в виде ионов аммония, гидроксил-ионов и воды.

Причина появления молекул Н2 в атмосфере — разложение формальдегида — участника окисления метана и прочих органических соединений. Кроме того, причина его образования — неполное сгорание топлива и биомассы, фиксация азота некоторыми микроорганизмами, содержащимися в воздухе.

Молекулы водорода легкие, поэтому имеют высокую тепловую скорость. При попадании в верхние слои атмосферы такие молекулы часто улетают в космос, при этом их потери могут достигать 3 кг каждую секунду.

Химические и физические свойства

Начиная говорить о химических свойствах водорода, нужно отметить чрезвычайную прочность его двухатомной молекулы. Для того, чтобы она распалась и атомы могли провзаимодействовать с другими участниками химической реакции, необходима энергия:

1 2 H 2 → 2 H – 432 к Д Ж

Обычные температурные условия обеспечивают протекание реакций только с металлами высокой активности, к примеру, с кальцием:

1 2 C a + H 2 → C a H 2

Исключение составляет реакция с фтором, продуктом которой является фтороводород:

1 2 F 2 + H 2 → 2 H F

Если имеется возможность повышения температуры (либо при другом воздействии, к примеру, освещении), водород может вступать в реакцию с большинством металлов и неметаллов:

1 2 O 2 + 2 H 2 → 2 H 2 O

В реакциях с галогенами образуются галогеноводороды:

1 2 H 2 + F 2 → 2 H F (в темноте происходит взрыв)

1 2 H 2 + C l 2 → 2 H C l (на свету происходит взрыв)

В реакции с оксидами водород проявляет восстановительные свойства:

1 2 C u O + H 2 → H 2 O + C u

Высокая температура делает возможной реакцию с сажей:

1 2 C + 2 H 2 → C H 4

Когда активные металлы соединяются с водородом, образуются гидриды, например гидрид натрия (NaH), гидрид кальция (CaH2), гидрид магния (MgH2). Эти солеобразные твердые, легко гидролизирующиеся вещества:

1 2 C a H 2 + 2 H 2 → C a ( O H ) 2 + 2 H 2

Оксиды металлов, реагируя с водородом, восстанавливаются с выделением воды:

1 2 F e 2 O 3 + 3 H 2 → 2 F e + 3 H 2 O

Благодаря свойствам водорода, он нашел применение для восстановления органических веществ. Протекают реакции с участием катализатора, а также при высоких параметрах давления и температуры. К примеру, насыщенные алканы образуются в результате гидрирования ненасыщенных алкенов и алкинов.

Физические свойства водорода:

  1. В 14,5 раз легче воздуха. Поэтому молекулы движутся быстрее других молекул газов, передавая тепло.
  2. Имеет высокую теплопроводность (в 7 раз выше, чем у воздуха).
  3. Двухатомная молекула.
  4. Плотность — 0,08987 г/л, температура кипения-252,76оС, удельная теплота сгорания — 120,9*106Дж/кг, растворимость в воде — 18,8 мл/л

Хорошо растворяется в металлах, поэтому способен диффундировать в них. В серебре не растворим.

Получение водорода, как добыть вытеснением из воды

Потребление в мире водорода составляет порядка 75 млн т. Основная масса приходится на нефтепереработку и производство аммиака. Получение водорода для таких промышленных нужд происходит в основном из природного газа (его расход составляет 205 млрд м3). Оставшуюся часть берут из угля. Примерно 100 тыс т вырабатывают с помощью реакции электролиза.

Получение водорода сопровождается поступлением в атмосферу 830 млн т углекислого газа. Стоимость получения водорода из газа составляет от полутора до трех долларов за каждый кг.

Получение водорода методом электролиза в химии выглядит так:

1 2 2 N a C l + 2 H 2 O → 2 N a O H + C l 2 + H 2

Метод конверсии метана при температуре 1000оС с водяными парами:

1 2 C H 4 + H 2 O ↔ C O + 3 H 2

Следующий способ получения — пропускание водяных паров над горящим коксом (температура не менее 1000оС):

1 2 H 2 O + С ↔ С O + H 2

Свободный водород выделяется в результате реакции катализа окислением кислородом:

1 2 2 C H 4 + O 2 ↔ 2 C O + 4 H 2

В промышленности H2 часто получают путем электролиза водных растворов активных металлов:

1 2 2 H 2 O → 4 e – 2 H 2 ↑ + O 2 ↑

а также путем крекинга и риформинга углеводородов при переработке нефти.

Существуют способы получения Н2 лабораторными способами:

  1. Металл + разбавленная кислота: 1 2 Z n + H 2 S O 4 → Z n S O 4 + H 2 ↑
  2. Реакция кальция с водой: 1 2 C a + 2 H 2 O → C a ( O H ) 2 + H 2 ↑
  3. Гидролиз гидридов металлов: 1 2 N a H + H 2 O → N a O H + H 2 ↑
  4. Взаимодействие щелочи с цинком (алюминием): 1 2 2 A l + 2 N a O H + 6 H 2 O → 2 N a ( A l ( O H ) 4 ) + 3 H 2
  5. В результате электролиза водных растворов щелочей либо кислот: 1 2 2 H 3 O + + 2 e – → 2 H 2 O + H 2 ↑

В промышленности используется очистка водорода из сырья, которое содержит углерод (в частности — водородсодержащий газ ВСГ). Методы следующие:

  1. ВСГ придают температуру конденсации метана и этана -158оС и давление 4МПа. При концентрации в сырье 40% процент очищенного водорода доходит до 93-94%. Такой метод называется низкотемпературной конденсацией.
  2. Адсорбционное выделение на цеолитах.
  3. Абсорбционное выделение жидкими растворителями.
  4. Мембранное концентрирование.
  5. Селективное поглощение металлами.

Получение и собирание водорода в домашних условиях, техника безопасности

Реальным способом получения водорода в домашних условиях является реакция щелочи с алюминием. Газ получается гораздо чище, чем в реакции с кислотой. Схема следующая. В качестве алюминия используют фольгу, щелочного раствора — средство «Крот».

Берем стеклянную емкость, засыпаем в нее немного средства против засора «Крот» и наливаем 100 г воды обычной температуры. Перемешиваем до полного растворения и помещаем сюда же фольгу, скатанную в небольшие шарики. Выделение тепла свидетельствует о начале реакции, после чего ее скорость активируется. Через 20-60 секунд можно добавить новую порцию фольги.

Чтобы образовавшийся водород собрать, можно закрыть банку крышкой, сделав в ней отверстие, в которое вставить трубку. Второй конец трубки закрепить в воздушном шарике.

Читайте также:
Гомологическая связь между классами органических соединений

Поскольку водород является взрывоопасным веществом, делать это нужно крайне осторожно, начиная от момента возможного вытеснения крышки до конца процесса. Попадание водорода в воду приведет к образованию вещества, способного вызвать обморожение.

Особенности применения водорода

Водород используется во многих производственных сферах, что отражено в таблице:

Применение Доля
Производство аммиака 54 %
Нефтепереработка и химическая промышленность 35 %
Производство электроники 6 %
Металлургия и стекольная промышленность 3 %
Пищевая промышленность 2 %

В химической промышленности активный водород идет на производство аммиака (50%), метанола (8%). В нефтеперерабатывающей — для гидрокрекинга и гидроочистки. На эти цели расходуется около 37% всего водорода, что производится.

Пищевая и косметическая промышленность «пользуется» водородом для производства пищевых добавок, а также саломаса, маргарина, мыла, косметических продуктов.

Для химических лабораторий водород — газ-носитель для газовой хроматографии, а для метеорологии — наполнитель оболочек метеозондов.

Водород — ценное ракетное топливо, однако, ввиду незначительного диапазона температур, используется смесь жидкой и твердой фаз.

В электроэнергетике водород применяют для охлаждения электрогенераторов. Его высокая теплопроводность позволяет использовать газ для заполнения сфер гирокомпасов и колб LED-лампочек.

Водород – рождающий воду

Содержание

  1. История открытия
  2. Получение
    1. Из кислот
    2. Из промышленных газов
    3. Из воды
  3. Применение
    1. Применение в сварке
  4. Взрывоопасность водорода
  5. Хранение и транспортировка
  6. Характеристика водорода
    1. Коэффициенты перевода объема и массы H2 при Т=15°С и Р=0,1 МПа
    2. Коэффициенты перевода объема и массы H2 при Т=0°С и Р=0,1 МПа
    3. Водород в баллоне

При горении водорода в кислороде образуется чистое, некоптящее и не имеющее четких границ пламя температурой до 2800°С.

Теоретически для полного сгорания 1 мг водорода требуется 0,5 мг кислорода. Практически в горелку на 1 мг водорода подается 0,25 мг кислорода.

История открытия водорода

Доподлино установить кто открыл водорода невозможно, поскольку он известен с XVI века. Алхимики заметили, что при взаимодействии железных опилок с соляной или серной кислотой выделяется «горючий воздух», или «искусственный воздух». Однако его все-таки считали воздухом, получившим почему-то способность гореть.

Но вот сторонник точных измерений Генри Кавендиш (Henry Cavendish) выделил водород из серной и соляной кислот железом, цинком, оловом. Он собирал его в газометре и узнал, что при горении «горючего воздуха» образуется чистая вода. Поэтому считается, что лавры открытия водорода принадлежат именно ему.

Однако окончательное суждение о «горючем газе», так же как и о кислороде, принадлежит Антуану Лорану Лавуазье (Antoine Laurent de Lavoisier). Он повторил опыт Кавендиша, поставил новые опыты и доказал, что «горючий воздух» – это простое вещество, что вода не простое тело, а химическое соединение двух элементов – водорода и кислорода. Лавуазье дал имя «горючему воздуху» hydrogene (от греч. «рождающий воду») .

Интересны первые русские наименования водорода: «водотворный газ», «водотвор». Легкость водорода, пожалуй, поразила первых наблюдателей больше, чем остальные его свойства. Думали даже, что он и есть тот таинственный с «отрицательным весом» флогистон, который, проникая в тела, сообщает им способность гореть.

В 1794 г. к водороду возник чисто военный интерес. В то время уже были изобретены воздушные шары, наполненные горячим воздухом, – монгольфьеры Их называли так в честь братьев французов Монгольфье, совершивших первый полет на таком аэростате в 1783 г.

Преимущества водорода перед нагретым воздухом были очевидны. Нагретый воздух обладал подъемной силой, пока он не остывал до температуры окружающего воздуха. Следовательно, чтобы совершить более или менее длительный полет, надо было под отверстием аэростата в гондоле пилота поддерживать огонь, подогревать воздух. Конечно, это было опасно и приводило к трагическим катастрофам. А водород всегда будет легче воздуха более чем в 14 раз. И его не надо нагревать, наоборот – беречь от огня.

Лавуазье разработал промышленный способ получения водорода, названный «железо-паровым». Заключался он в следующем. Пары воды из котла поступали в железные трубы, наполненные железными стружками. Трубы накалялись в жаровнях – протекала химическая реакция вытеснения водорода железом из воды с образованием железной окалины:

Избыток водяных паров, непрерывно поступающих в трубу, проходил через холодильник, а водород по трубам направлялся в аэростат и надувал его.

Когда железо израсходуется, его опять можно получить из накаленной окалины, если через трубу пропустить светильный газ. Уравнение показывает, что 3?56=168 г железа могут вытеснить 8 г водорода, или 4?22,4=89,6 л водорода.

Аэростаты, наполненные водородом, применили впервые революционные войска Франции в битве при Флёрюсе в 1794 г.

В войнах 1904-1905 и 1914-1918 гг. привязанные канатами аэростаты служили главным образом для наблюдения за прицельностью артиллерийского огня, за передвижением войск. Во время Великой Отечественной войны 1941-1945 гг. они защищали военные объекты от авиации противника. Летчики, опасаясь столкновений с аэростатом и канатами, летали на большой высоте, поэтому их бомбовые удары в значительной мере теряли прицельность.

Первый в мире полет на аэростате с научной целью совершил ученый Захаров Яков Дмитриевич в 1804 г. А в 1887 г. для наблюдения солнечного затмения и изучения воздуха поднялся в воздух Менделеев Дмитрий Иванович.

Получение водорода

В промышленности технический водород получают:

  • электролизом воды;
  • методом глубокого охлаждения газовых смесей, содержащих водород;
  • железо-паровым способом;
  • из водяного газа путем окисления содержащейся в нем окиси углерода водяным паром в присутствии катализатора;
  • в специальных водородных генераторах воздействием серной кислоты на железную стружку и цинк.

Получение водорода из кислот

На первых порах источником для получения водорода служили кислоты. Так и в наше время в лабораториях часто получают его средневековым способом – действием цинка на серную кислоту. Реакция протекает по уравнению:

Вместо цинка можно взять железо в виде стружек или алюминий. Водород получается, загрязненный побочными продуктами разложения серной кислоты, и, если это требуется, его приходится очищать.

Добыча водорода из промышленных газов

Огромные количества водорода, необходимые современной промышленности, получают сейчас электролизом раствора щелочи и извлекают из промышленных газов – коксовальных печей, газов, получаемых при переработке нефти и др.

Читайте также:
Тренировочные задания. Электролиз расплавов и растворов (солей, щелочей, кислот)

При переработке каменного угля на кокс дополнительно получается деготь и коксовый газ. В состав газа входит до 50-60% водорода (H2), 20-25% метана (СН4), окись углерода (СО), азот (N) и др.

В статье о свойствах гелия и способах его производства описан процесс получения гелия методом фракционной конденсации. Так же поступают и с коксовым газом. Но чтобы отделить водород от других составных частей, требуется очень глубокое охлаждение из-за низкой критической температуры водорода.

Производство водорода из воды

Наиболее широко распространенным способом производства водорода является – электролиз дистиллированной воды. В результате чего получают водород, кислород и некоторые примеси.

Единственным исходным сырьем для добычи водорода электролитическим методом служит вода. Чистая, дистиллированная вода обладает огромным сопротивлением и почти совершенно не проводит электрический ток. Вот почему для того чтобы сделать воду электропроводной, в ней нужно растворить какую-нибудь соль, кислоту или основание, которые дают ионы.

Через водный раствор щелочи (например: каустическая сода) пропускают постоянный электрический ток. При этом вода разлагается, и на отрицательном электроде (катоде) выделяется водород, а на положительном электроде (аноде) – кислород, также являющийся важным промышленным продуктом.

В результате получения 2 м 3 водорода, как побочный продукт получается 1 м 3 кислорода.

Большой расход электроэнергии является главным недостатком данного способа, поэтому применение водорода полученного при помощи электролиза целесообразно при одновременном использовании вместе с кислородом. В связи с этим в последнее время портативные водородные сварочные аппараты для газовой сварки и пайки пользуются все большей популярностью.

Применение водорода

Основными направлениями применения водорода являются:

  • химическая промышленность – синтез аммиака, метанола, углеводородов;
  • пищевая промышленность – получение пищевых белков;
  • нефтехимия – нефтепереработка (гидрогенезационная очистка нефтепродуктов);
  • автотранспорт – автомобили на газообразном и жидком водороде;
  • машиностроение – для сварки и резки металлов.

Применение водорода в сварке

Водород использовался в качестве защитного газа еще при первых попытках защиты дугового пространства от воздуха. Однако водород может оказать в ряде случаев вредное воздействие. Это объясняется тем, что при применении водорода в металле сварных швов образуются дефекты в виде пор, а также является одним из главных факторов образования холодных трещин. С увеличением толщины свариваемых элементов пористость в металле сварных швов становится значительной. Поэтому его использование в дальнейшем было значительно ограничено. В чистом виде (и в виде водородно-азотных смесей, получаемых при диссоциации аммиака) он в настоящее время применяется при атомно-водородной сварке (хотя и сам этот способ заменен теперь другими, в частности сваркой неплавящимся электродом).

Если струю водорода пропускать через пламя вольтовой дуги, то водород диссоциирует на атомы с поглощением значительного количество тепла (103,6 ккал/моль) что приводит к значительному увеличению напряжения дуги. Она становится устойчивой только при повышении напряжения источника тока. Так, например, при режимах атомно-водородной сварки наиболее эффективной «звенящей» дугой при вольфрамовых электродах и силе тока 10-20 А напряжение дуги составляет около 100 А, напряжение холостого хода питающего источника должно быть не менее 200-220 В (обычно около 300 В). В этом случае водород является не только защитным газом, но и переносит тепловую энергию из дуги на поверхность не включенного в цепь тока изделия.

Образовавшийся атомный водород направляют на твердую свариваемую поверхность, где происходит нагревание и расплавление металла за счет поглощения тепла, которое выделяется при рекомбинации атомов до молекулярного водорода. Ассоциация атомарного водорода на холодной поверхности металла (в том числе и расплавленной, так как температура плавления большинства металлов ниже температуры возможного существования заметных количеств атомарного водорода) приводит к выделению тепла, потребленного в дуге на диссоциацию. За счет выделяющегося тепла температура свариваемой поверхности металла повышается до 3528-4028°С. Такая атомно-водородная сварка позволяет обрабатывать и сваривать самые тугоплавкие металлы, высококачественные стали, коррозионно-устойчивые материалы, цветные металлы.

Несмотря на то, что атмосфера, окружающая металл, при атомно-водородной сварке представляет собой смесь молекулярного и атомарного водорода, при отсутствии на металле значительного количества окислов швы получаются достаточно плотными и применительно к низкоуглеродистой стали не имеют большого количества диффузионно-подвижного и остаточного водорода.

При струйной защите иногда используется водяной пар. Однако в этом случае получается значительно меньшая стабильность качества сварных швов, чем при сварке с защитой дуги углекислым газом. В связи с этим такой процесс широкого распространения не получил.

При TIG сварке аустенитной нержавеющей стали с целью увеличения напряжения дуги, увеличения теплоэффективности и снижения оксидирования используют аргоно-водородные смеси газов (15% Н2). Более высокая температуру и сжатие дуги, в свою очередь увеличивает глубину проплавления металла. Однако при этом необходимо учитывать возможность вредного влияния растворяющегося в металле водорода. Более широко водород применяют в специальных областях сварки и металлургии, например в порошковой металлургии при спекании изделий из порошковых материалов.

В других случаях применение водорода и водородосодержащих газов, как защитных при дуговой сварке, нецелесообразно.

Применяют водород для составления плазмообразующих смесей при плазменной сварке и резке. Так, для защиты сварочной ванны от окисления при плазменной сварке легированной стали, меди, никеля и сплавов на его основе используют смесь аргона с 5-8% водорода.

Аргоно-водородную смесь, имеющую до 20% Н2, применяют при микроплазменной сварке. Наличие водорода в смеси обеспечивает сжатие столба плазмы, делает его более сконцентрированным. Кроме того, водород создает необходимую в ряде случаев восстановительную атмосферу.

Взрывоопасность водорода

При работе с водородом особое внимание следует обращать на герметичность аппаратуры и газовых коммуникаций, так как водород способен проникать через мельчайшие неплотности, образовывать с воздухом взрывоопасные концентрации. В смеси с кислородом (2:1) образует взрывчатую смесь, называемую гремучим газом.

  • с воздухом 4-75 %
  • с кислородом 4-96%

Температура самовоспламенения 510°С. Водород физиологически инертен, при высоких концентрациях вызывает удушье. При высоком давлении проявляется наркотическое действие. При работе в среде водорода необходимо пользоваться изолирующим противогазом (кислородным или шланговым).

Читайте также:
Растворы

Хранение и транспортировка водорода

Водород технический поставляют по ГОСТ 3022. Хранят и транспортируют водород в стальных баллонах вместимостью 40 и 50 дм 3 по ГОСТ 949 под давлением 15 МПа. Баллон окрашивается в темно-зеленый цвет с красной надписью «ВОДОРОД».

Характеристика водорода

Характеристики H2 представлены в таблицах ниже:

Коэффициенты перевода объема и массы H2 при Т=15°С и Р=0,1 МПа

Масса, кг Объем
Газ, м 3 Жидкость, л
0,0841 1 1,188
0,0708 0,842 1
1 11,891 14,126

Коэффициенты перевода объема и массы H2 при Т=0°С и Р=0,1 МПа

Масса, кг Объем
Газ, м 3 Жидкость, л
0,09 1 1,258
0,0708 0,975 1
1 11,124 14,126

Водород в баллоне

Наименование Объем баллона, л Масса газа в баллоне, кг Объем газа (м 3 ) при Т=15°С, Р=0,1 МПа
H2 40 0,54 6,0

Благодаря этой таблице теперь можно легко дать ответы на вопросы, которые очень часто задают сварщики:

  • Сколько кубов (м 3 ) водорода в 40 литровом баллоне?
    Ответ: 6,0 м 3
  • Сколько кг водорода в баллоне?
    Ответ: 0,54 кг
  • Сколько весит баллон с водородом?
    Ответ:
    58,5 кг – масса пустого баллона из углеродистой стали согласно ГОСТ 949;
    0,54 – кг масса водорода в баллоне;
    Итого: 58,5 + 0,54 = 58,94 кг вес баллона с водородом.

Рекомендуем к просмотру видео об открытии водорода, его характеристиках и производстве.

Перспективы и недостатки водородной энергетики

Для хранения и выработки энергии от водорода используются топливные элементы. Первый водородный топливный элемент был сконструирован английским ученым Уильямом Гроувом в 30-х годах 19 века. Гроув и работавший параллельно с ним Кристиан Шенбейн продемонстрировали возможность производства энергии в водородно-кислородном топливном элементе с использованием кислотного электролита.

В 1959 году Фрэнсис Т. Бэкон из Кембриджа добавил в водородный топливный элемент ионообменную мембрану для облегчения транспорта гидроксид-ионов. Изобретением Бэкона сразу заинтересовались правительство США и NASA, обновленный топливный элемент стал использоваться на космических аппаратах «Аполлон» в качестве главного источника энергии во время их полетов.

В отличие от кислорода водород практически не встречается на земле в чистом виде и поэтому извлекается из других соединений с помощью различных химических методов.

По этим способам его разделяют на цветовые градации.

Зеленый — производится из возобновляемых источников энергии методом электролиза воды. Все, что необходимо для этого: вода, электролизер и большое снабжение электроэнергией.

Голубой — производится из природного газа, а вредные отходы улавливаются для вторичного использования. Тем не менее идеально чистым этот метод не назовешь.

Розовый или красный — произведенный при помощи атомной энергии.

Серый — водород получают путем конверсии метана. При его производстве вредные отходы выбрасываются в атмосферу.

Коричневый — водород получают в результате газификации угля. Этот метод также после себя оставляет парниковые газы.

Еще существуют технологии получения биоводорода из мусора и этанола, но их доля чрезвычайно мала.

Себестоимость производства по видам водорода, доллар за килограмм

Зеленый 10
Голубой 2 $
Красный 2 $
Серый 2—2,5 $
Коричневый 2—2,5 $

Водородная энергетика

На переработку угля приходится 18% производства водорода, 4% обеспечивается за счет зеленого водорода и 78% — переработкой природного газа и нефти. Методы производства, основанные на ископаемом топливе, приводят к образованию 830 млн тонн выбросов CO2 каждый год, что равно выбросам Великобритании и Индонезии, вместе взятым. И тем не менее водород — это более чистая альтернатива традиционному топливу.

В мире три основных источника выбросов, способствующих потеплению климата: транспорт, производство электроэнергии и промышленность. Водород может использоваться во всех трех областях. При использовании в топливных элементах водородная энергия оставляет минимальные потери, а после использования в качестве побочного продукта остается только вода, из которой снова можно добывать водород.

Перспективы отрасли

Согласно докладу МЭА, к 2050 году мировой спрос на водород должен достичь 528 млн тонн — против 87 млн в 2020, — а его доля в мировом потреблении составит 18%, из них 10% будет приходиться на зеленый водород.

К 2050 году МЭА планирует снизить затраты на производство этого экологически чистого вида топлива до 2 $ за килограмм, что существенно ниже нынешних 10 $. Это произойдет благодаря развитию технологий ВИЭ и удешевлению производства энергии ветра и солнца.

В июне 2020 года Германия объявила о реализации национальной водородной стратегии с инвестициями в 7 млрд евро, чтобы стать лидером в этой области.

Япония, Франция, Южная Корея, Австралия, Нидерланды и Норвегия начали свой курс на водород раньше Германии, а Япония сделала это раньше всех — в декабре 2017 года.

В июле 2020 года Минэнерго подготовило план развития в РФ водородной энергетики на период 2020—2024 годов. Производить водород собираются «Росатом», «Газпром» и «Новатэк». В дорожной карте предусмотрены следующие меры:

  • поддержка пилотных проектов по производству водорода;
  • стимулы для экспортеров и покупателей на внутреннем рынке;
  • первые водородные установки запустят в 2024 году на атомных электростанциях, объектах добычи газа и переработки ископаемых.

В 2021 году HydrogenOne Capital — первый в мире инвестиционный фонд, ориентированный на зеленый водород, заявил о листинге на Лондонской бирже. Фонд инвестирует в проекты мощностью 20—100 МВт с возможностью их расширения до 500 МВт.

Как сделать ремонт и не сойти с ума

Преимущества водородной энергетики

Высокая применимость. Электрификация транспорта поможет снизить выбросы в атмосферу, но авиацию, морские и грузовые перевозки на дальние расстояния трудно перевести на использование электроэнергии, потому что для этих секторов требуется топливо с высокой плотностью энергии. Зеленый водород может удовлетворить эти потребности. Например, Airbus представил концепции самолетов с водородным двигателем и надеется ввести его в эксплуатацию к 2035 году.

Nikola строит полуприцепы, работающие как на аккумуляторных батареях, так и на водороде. Компания заявляет, что ее топливные элементы могут работать при более низких температурах, чем батареи. И они легче, что делает их более практичными для грузовиков и другой тяжелой техники. Nikola также утверждает, что дальность хода такого грузовика составит 900 миль на баке с водородом. Для сравнения: у Tesla Semi с батарейным питанием, который может быть запущен в производство в конце этого года или в 2022 году, заявленная дальность — 200—300 миль.

Читайте также:
Химия d-элементов (медь, серебро, цинк, хром, марганец, железо)

Также свои аналогичные модели транспорта представили компании Toyota, Honda и BMW.

Время заправки электромобиля на топливных элементах в среднем составляет менее четырех минут. При этом в отличие от батарей они не нуждаются в перезарядке. Поскольку они могут работать независимо от сети, то могут использоваться как запасные генераторы электричества или тепла.

Важный элемент перехода на водород — его применение в ЖКХ. Кроме пилотных проектов в Великобритании Лидс станет первым городом, энергоснабжение которого будет полностью водородным. Согласно плану, все газовые сети и транспортное оборудование переведут на него.

Запасы водорода практически безграничны. Так как он встречается почти всюду, его можно использовать там, где он производится. В отличие от батарей, которые не могут хранить большое количество электроэнергии в течение продолжительного времени, водород можно производить из избыточной возобновляемой энергии и хранить в больших количествах.

Энергоэффективность. Водород содержит почти в три раза больше энергии, чем ископаемое топливо, поэтому для выполнения какой-либо работы его требуется гораздо меньше. Например, по сравнению с электростанцией, работающей на сжигании топлива с КПД от 33 до 35%, водородные топливные элементы выполнят ту же функцию с КПД до 65%. Для примера, у солнечных элементов КПД — 20%, а у ветряных — 40%.

Весной 2020 года в городе Фукусима была запущена самая крупная в мире электростанция, работающая на водороде. Для питания электролизных установок на ней размещены солнечные батареи общей мощностью 20 МВт. Всего станция вырабатывает 1,2 тысячи кубических метров водорода в час.

В автомобилях топливные элементы используют 40—60% энергии топлива, а также обеспечивают сокращение его расхода на 50%.

Зеленый водород — отличная среда для хранения энергии. Например, у Германии существует проблема с энергосистемой. В ясные и ветреные дни солнечные экраны и ветряные турбины на севере производят больше электроэнергии, чем может потребить эта часть страны. Из-за этого Германия вынуждена продавать излишки электроэнергии соседним странам себе в убыток. Избыток электроэнергии из ВИЭ можно хранить в виде водорода, а затем сжигать для выработки электроэнергии, когда это необходимо.

Недостатки водородной энергетики

Стоимость зеленого водорода. Как уже говорилось выше, именно стоимость добычи самого чистого вида водорода ставит наиболее сильные препятствия в его развитии. По словам и прогнозам Минэнерго РФ, перспективы водородной энергетики связаны с удешевлением стоимости водорода, производимого электролизом воды. В качестве основных факторов обеспечения конкурентоспособности зеленого водорода рассматривается перспективное снижение капитальных затрат на электролизеры, а также стоимости электроэнергии из ВИЭ.

При масштабировании производства электролизеров их стоимость может снизиться с текущих 1000 до 200 $/кВт к 2050 году, по оценке J. P. Morgan — даже до 100 $/кВт. При реализации такого сценария к 2050 году стоимость электролизеров может снизиться до уровня менее 2 $/кг. Но с учетом применения различных программ государственного субсидирования водородной энергетики эти сроки могут быть сокращены.

Водород (Hydrogene, H)

В периодической системе водород располагается в двух абсолютно противоположных по своим свойствам группах элементов. Данная особенность делают его совершенно уникальным. Водород не просто представляет собой элемент или вещество, но также является составной частью многих сложных соединений, органогенным и биогенным элементом. Поэтому рассмотрим его свойства и характеристики более подробно.

История открытия водорода

Выделение горючего газа в процессе взаимодействия металлов и кислот наблюдали еще в XVI веке, то есть во время становления химии как науки. Известный английский ученый Генри Кавендиш исследовал вещество, начиная с 1766 года, и дал ему название «горючий воздух». При сжигании этот газ давал воду. К сожалению, приверженность ученого теории флогистона (гипотетической «сверхтонкой материи») помешала ему прийти к правильным выводам.

Французский химик и естествоиспытатель А. Лавуазье вместе с инженером Ж. Менье и при помощи специальных газометров в 1783 г. провел синтез воды, а после и ее анализ посредством разложения водяного пара раскаленным железом. Таким образом, ученые смогли прийти к правильным выводам. Они установили, что «горючий воздух» не только входит в состав воды, но и может быть получен из нее.

В 1787 году Лавуазье выдвинул предположение, что исследуемый газ является простым веществом и, соответственно, относится к числу первичных химических элементов. Он назвал его hydrogene (от греческих слов hydor — вода + gennao — рождаю), т. е. «рождающий воду».

Русское название «водород» в 1824 году предложил химик М. Соловьев. Определение состава воды ознаменовало конец «теории флогистона». На стыке XVIII и XIX веков было установлено, что атом водорода очень легкий (по сравнению с атомами прочих элементов) и его масса была принята за основную единицу сравнения атомных масс, получив значение, равное 1.

Физические свойства

Водород является легчайшим из всех известных науке веществ (он в 14,4 раз легче воздуха), его плотность составляет 0,0899 г/л (1 атм, 0 °С). Данный материал плавится (затвердевает) и кипит (сжижается), соответственно, при -259,1 °С и -252,8 °С (только гелий обладает более низкими t° кипения и плавления).

Критическая температура водорода крайне низка (-240 °С). По этой причине его сжижение — довольно сложный и затратный процесс. Критическое давление вещества — 12,8 кгс/см², а критическая плотность составляет 0,0312 г/см³. Среди всех газов водород имеет наибольшую теплопроводность: при 1 атм и 0 °С она равняется 0,174 вт/(мхК).

Удельная теплоемкость вещества в тех же условиях — 14,208 кДж/(кгхК) или 3,394 кал/(гх°С). Данный элемент слабо растворим в воде (около 0,0182 мл/г при 1 атм и 20 °С), но хорошо — в большинстве металлов (Ni, Pt, Pa и прочих), особенно в палладии (примерно 850 объемов на один объем Pd).

Читайте также:
Элементы группы IA

С последним свойством связана его способность диффундирования, при этом диффузия через углеродистый сплав (к примеру, сталь) может сопровождаться разрушением сплава из-за взаимодействия водорода с углеродом (этот процесс называется декарбонизация). В жидком состоянии вещество очень легкое (плотность — 0,0708 г/см³ при t° = -253 °С) и текучее (вязкость — 13,8 спуаз в тех же условиях).

Химические свойства водорода

Во многих соединениях этот элемент проявляет валентность +1 (степень окисления), подобно натрию и прочим щелочным металлам. Обычно он рассматривается в качестве аналога этих металлов. Соответственно он возглавляет I группу системы Менделеева. В гидридах металлов ион водорода проявляет отрицательный заряд (степень окисления при этом -1), то есть Na+H- имеет структуру, подобную хлориду Na+Cl-. В соответствии с этим и некоторыми другими фактами (близость физических свойств элемента «H» и галогенов, способность его замещения галогенами в органических соединениях) Hydrogene относят к VII группе системы Менделеева.

В обычных условиях молекулярный водород имеет низкую активность, непосредственно соединяясь только с самыми активными из неметаллов (с фтором и хлором, с последним — на свету). В свою очередь, при нагревании он взаимодействует со многими химическими элементами.

Атомарный водород имеет повышенную химическую активность (если сравнивать с молекулярным). С кислородом он образует воду по формуле:

выделяя 285,937 кДж/моль тепла или 68,3174 ккал/моль (25 °С, 1 атм). В обычных температурных условиях реакция протекает довольно медленно, а при t° >= 550 °С — неконтролируемо. Пределы взрывоопасности смеси водород + кислород по объему составляют 4–94 % Н₂, а смеси водород + воздух — 4–74 % Н₂ (смесь из двух объемов Н₂ и одного объема О₂ называют гремучим газом).

Данный элемент используют для восстановления большинства металлов, так как он отнимает кислород у оксидов:

Fe₃O₄ + 4H₂ = 3Fe + 4Н₂О,

CuO + H₂ = Cu + H₂O и т. д.

С разными галогенами водород образует галогеноводороды, к примеру:

Однако при реакции с фтором водород взрывается (это происходит и в темноте, при -252 °С), с бромом и хлором реагирует только при нагревании или освещении, а с йодом — исключительно при нагревании. При взаимодействии с азотом образуется аммиак, но лишь на катализаторе, при повышенных давлениях и температуре:

При нагревании водород активно реагирует с серой:

Н₂ + S = H₂S (сероводород),

и значительно труднее — с теллуром или селеном. С чистым углеродом водород реагирует без катализатора, но при высоких температурах:

2Н₂ + С (аморфный) = СН₄ (метан).

Данное вещество непосредственно реагирует с некоторыми из металлов (щелочными, щелочноземельными и прочими), образуя гидриды, например:

Немаловажное практическое значение имеют взаимодействия водорода и оксида углерода (II). При этом в зависимости от давления, температуры и катализатора образуются разные органические соединения: НСНО, СН₃ОН и пр. Ненасыщенные углеводороды в процессе реакции переходят в насыщенные, к примеру:

Водород и его соединения играют в химии исключительную роль. Он обусловливает кислотные свойства т. н. протонных кислот, склонен образовывать с разными элементами водородную связь, оказывающую значительное влияние на свойства многих неорганических и органических соединений.

Получение водорода

Основными видами сырья для промышленного производства этого элемента являются газы нефтепереработки, природные горючие и коксовые газы. Его также получают из воды посредством электролиза (в местах с доступной электроэнергией). Одним из важнейших методов производства материала из природного газа считается каталитическое взаимодействие углеводородов, в основном метана, с водяным паром (т. н. конверсия). Например:

Неполное окисление углеводородов кислородом:

Синтезированный оксид углерода (II) подвергается конверсии:

Водород, производимый из природного газа, является самым дешевым.

Для электролиза воды применяется постоянный ток, который пропускается через раствор NaOH или КОН (кислоты не используют во избежание коррозии аппаратуры). В лабораторных условиях материал получают электролизом воды или в результате реакции между соляной кислотой и цинком. Однако чаще применяют готовый заводской материал в баллонах.

Из газов нефтепереработки и коксового газа данный элемент выделяют путем удаления всех остальных компонентов газовой смеси, так как они легче сжижаются при глубоком охлаждении.

Применение водорода

Промышленным образом этот материал стали получать еще в конце XVIII века. Тогда его использовали для наполнения воздушных шаров. На данный момент водород широко применяют в промышленности, главным образом — в химической, для производства аммиака.

Массовые потребители вещества — производители метилового и прочих спиртов, синтетического бензина и многих других продуктов. Их получают синтезом из оксида углерода (II) и водорода. Hydrogene используют для гидрогенизации тяжелого и твердого жидкого топлива, жиров и пр., для синтеза HCl, гидроочистки нефтепродуктов, а также в резке/сварке металлов. Важнейшими элементами для атомной энергетики являются его изотопы — тритий и дейтерий.

Биологическая роль водорода

Около 10 % массы живых организмов (в среднем) приходится на этот элемент. Он входит в состав воды и важнейших групп природных соединений, включая белки, нуклеиновые кислоты, липиды, углеводы. Для чего он служит?

Этот материал играет решающую роль: при поддержании пространственной структуры белков (четвертичной), в осуществлении принципа комплиментарности нуклеиновых кислот (т. е. в реализации и хранении генетической информации), вообще в «узнавании» на молекулярном уровне.

Ион водорода Н+ принимает участие в важных динамических реакциях/процессах в организме. В том числе: в биологическом окислении, которое обеспечивает живые клетки энергией, в реакциях биосинтеза, в фотосинтезе у растений, в бактериальном фотосинтезе и азотфиксации, в поддержании кислотно-щелочного баланса и гомеостаза, в мембранных процессах транспорта. Наряду с углеродом и кислородом он образует функциональную и структурную основы явлений жизни.

Mercedes-Benz Citaro на водородных топливных элементах

Рейтинг
( Пока оценок нет )
Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: