Водород. Применение водорода

Ангарский Государственный Технологический Университет

Кафедра Технология Электрохимических производств

 

 

 

 

РЕФЕРАТ

на тему: «Водород. Применение водорода»

 

 

 

 

 

Выполнил:  студент гр. ТЭПз-10-1

Лавренюк М.В.

Проверил: профессор

Фомина Л.В.

 

 

 

 

 

Ангарск 2015

 

Содержание:

1. Введение.

2. Водород. Положение элемента в периодической системе Д.И. Менделеева.
3. Общие сведения и физические свойства водорода.

4. Водород в природе.

5. Получение водорода.
6. Водород и Вселенная.
7. Водород и Жизнь.
8. Водород и Наука.
9. Водород и Практика.
10. Водород и Будущее.
11. Хранение и транспортировка.
12. Применение водорода.
13. Нахождение водорода в природе.
14. Список использованной литературы.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.Введение.

Водород (Hudrogenium) был открыт в первой половине XVI века немецким врачом и естествоиспытателем Парацельсом. В 1776 г. Кавендиш (Англия) установил его свойства и указал отличия от других газов. Водород имеет три изотопа: протий ¹Н, дейтерий ²Н или D, тритий ³Н или Т. Их массовые числа равны 1, 2 и 3. Протий и дейтерий стабильны, тритий – радиоактивен (период полураспада 12,5 лет). В природных соединениях дейтерий и протий в среднем содержатся в отношении 1:6800 (по числу атомов). Тритий в природе находится в ничтожно малых количествах.

Ядро атома водорода ¹Н содержит один протон. Ядро дейтерия и трития включают не только протон, но и один, два нейтрона. Молекула водорода состоит из двух атомов. Приведем некоторые свойства, характеризующие атом и молекулу водорода:

Энергия ионизации атома, эВ 13,60

Сродство атома к электрону, эВ 0,75

Относительная электроотрицательность 2,1

Радиус атома, нм 0,046

Межъядерное расстояние в молекуле, нм 0,0741

Стандартная энтальпия диссоциации молекул при 25ºС 436,1

 

2. Водород. Положение водорода в периодической  таблице Д.И. Менделеева.

В самом конце XVIII и в начале XIХ века химия вступила в период установления количественных закономерностей: в 1803 году был сформулирован закон кратных отношений (вещества реагируют между собой в весовых отношениях, кратных химическим эквивалентам), а в 1814 году опубликована первая в истории химической науки таблица относительных атомных весов элементов. В этой таблице на первом месте оказался водород, а атомные массы других элементов выражались числами, близкими к целым.

Особое положение, которое с самого начала занял водород, не могло не привлечь внимания ученых, и в 1841 году химики смогли ознакомиться с теорией Уильяма Праута, развившего теорию Древнегреческих философов о единстве мира и предположившего, что все элементы образованы из водорода как из самого легкого элемента. Прауту возражал Й.Я. Берцелиус, как раз занимавшийся уточнением атомных весов: из его опытов следовало, что атомные веса элементов не находятся в целочисленных отношениях к атомному весу водорода. Но, возражали сторонники Праута, атомные веса определены еще недостаточно точно и в качестве примера ссылались на эксперименты Жана Стаса, который в 1840 году исправил атомный вес углерода с 11,26 (эта величина была установлена Берцелиусом) на 12,0.

И все же привлекательную гипотезу Праута пришлось на время оставить: вскоре тот же Стас тщательными и не подлежащими сомнению исследованиями установил, что, например, атомный вес хлора равен 35,45, т. е. никак не может быть выражен числом, кратным атомному весу водорода...

Но вот в 1869 году Дмитрий Иванович Менделеев создал свою периодическую классификацию элементов, положив в ее основу атомные веса элементов как их наиболее фундаментальную характеристику. И на первом месте в системе элементов, естественно, оказался водород.

С открытием периодического закона стадо ясно, что химические элементы образуют единый ряд, построение которого подчиняется какой-то внутренней закономерности. И это не могло вновь не вызвать к жизни гипотезу Праута, — правда, в несколько измененной форме: в 1888 году Уильям Крукс предположил, что все элементы, в том числе и водород, образованы путем уплотнения некоторой первичной материи, названной им протилом. А так как протил, рассуждал Крукс, по-видимому, имеет очень малый атомный вес, то отсюда понятно и возникновение дробных атомных весов.

Но вот что любопытно. Самого Менделеева необычайно занимал вопрос: а почему периодическая система должна начинаться именно с водорода? Что мешает существованию элементов с атомным весом, меньше единицы? И в качестве такого элемента в 1905 году Менделеев называет... “мировой эфир”. Более того, он помещает его в нулевую группу над гелием и рассчитывает его атомный вес — 0,000001! Инертный газ со столь малым атомным весом должен быть по мнению Менделеева, всепроникающим, а его упругие колебания могли бы объяснить световые явления...

Увы, атому предвидению великого ученого не было суждено сбыться. Но Менделеев был прав в том отношении, что элементы не построены из тождественных частиц: мы знаем теперь, что они построены из протонов, нейтронов и электронов.

Но позвольте, воскликнете вы, ведь протон — это ядро атома водорода. Значит Праут был все-таки прав? Да, он действительно был по-своему прав. Но это была, если можно так выразиться, преждевременная правота, потому что в то время ее нельзя было ни по-настоящему подтвердить, ни по-настоящему опровергнуть...

Впрочем, сам водород сыграл в истории развития научной мысли еще немалую роль. В 1913 году Нильс Бор сформулировал свои знаменитые постулаты, объяснившие на основе квантовой механики особенности строения атома и внутреннюю сущность закона периодичности. И теория Бора была признана потому, что рассчитанный на ее основе спектр водорода полностью совпал с наблюдаемым.

3. Общие  сведения и физические свойства  водорода.

Водород - первый элемент периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева. Относительная атомная масса 1,0079. Существуют два стабильных изотопа водорода – 1H (протий) и 2H (дейтерий), а также один радиоактивный – 3H (тритий). Водород – самый распространённый элемент во Вселенной (92%). А вот открыт водород был сравнительно недавно. Намного позже, чем, скажем, железо или углерод. Сделал это английский химик Г. Кавендиш в 1766 г. В 1787 г. А. Лавуазье доказал, что водород – химический элемент.В свободном состоянии и при нормальных условиях водород – бесцветный газ, без запаха и вкуса. Относительно воздуха водород имеет плотность 1/14. Он обычно и существует в комбинации с другими элементами, например, кислорода в воде, углерода в метане и в органических соединениях.Охлажденный до жидкого состояния водород занимает 1/700 объема газообразного состояния. Водород при соединении с кислородом имеет самое высокое содержание энергии на единицу массы: 120.7 ГДж/т. Это – одна из причин, почему жидкий водород используется как топливо для ракет и энергетики космического корабля, для которой малая молекулярная масса и высокое удельное энергосодержание водорода имеет первостепенное значение. При сжигании в чистом ислороде единственные продукты – высокотемпературное тепло и вода. Таким образом, при использовании водорода не образуются парниковые газы, и не нарушается круговорот воды в природе.При обычных условиях водород – газ без цвета и запаха, почти в 15 раз легче воздуха. Обладает очень высокой теплопроводностью, сравнимой с теплопроводностью металлов. Это происходит из-за «легкости» молекул водорода и, следовательно, большой скорости их движения. Водород хорошо растворяется в некоторых металлах: в одном объеме палладия, например, растворяется до 900 объемов водорода. В соотношении 2:1 с кислородом образует взрывчатый «гремучий» газ. Температура сгорания водорода чрезвычайно высока – 2800°С. Водород является великолепным восстановителем.

4. Водород в природе.

Водород встречается в свободном состоянии на Земле лишь в незначительных количествах. Иногда он выделяется вместе с другими газами при вулканических извержениях, а также из буровых скважин при добычи нефти. Но в виде соединений водород весьма распространен. Это видно уже из того, что он составляет девятую часть массы воды. Водород входит в состав всех животных и растительных организмов, нефти, каменного и бурого углей, природных газов и ряда минералов. На долю водорода из всей массы земной коры, считая воду и воздух, приходится около 1%. Однако при пересчете на проценты от общего числа атомов содержание водорода в земной коре 17%.

Водород самый распространенный элемент космоса. На его долю приходится около половины массы Солнца и большинства других звезд. Он содержится в газовых туманностях, в межзвездном газе, входит в состав звезд. В недрах звезд происходит превращение ядер атомов водорода в ядра атомов гелия. Этот процесс протекает с выделением энергии; для многих звезд, в том числе для Солнца, он служит главным источником энергии. Скорость процесса, т. е. количество ядер водорода, превращающихся в ядра гелия в одном кубическом метре за одну секунду, мала. Поэтому и количество энергии, выделяющейся за единицу времени в единице объема, мало. Однако, вследствие огромности массы Солнца, общее количество энергии, генерируемой и излучаемой Солнцем, очень велико. Оно соответствует уменьшению массы Солнца приблизительно на 4 млн. т в секунду.

5. Получение водорода.

Наиболее старый способ получения водорода - электролиз воды, при котором, пропуская постоянный ток, на катоде накапливают водород, а на аноде - кислород. Такая технология делает его слишком дорогим энергоносителем. Поэтому пока водород используется только для запуска космических аппаратов с водородно-кислородными двигателями. Чаще для получения водорода используют технологию горячей переработки водяного пара при температуре 700-900 °С с участием легкого бензина и тяжелого жидкого топлива, отбирающего кислород. Это тоже дорогой способ. Существует несколько проектов дешевого получения водорода. Например, предлагается построить в Гренландии несколько грандиозных электростанций, которые будут использовать талую воду ледников для производства электроэнергии, а энергия будет на месте затрачиваться на электролиз для получения водорода, его сжижения и транспортировку по трубопроводам и в танкерах в Европу и Америку. Другие проекты - использование энергии атомных и специальных солнечных электростанций для получения водорода путем электролиза воды.

Привлекательность водорода как универсального энергоносителя определяется экологической чистотой, гибкостью и эффективностью процессов преобразования энергии с его участием. Технологии разномасштабного производства водорода достаточно хорошо освоены и имеют практически неограниченную сырьевую базу.  
 
 
Рис.18.Схема получения водорода.

Для производства водорода необходимо разорвать его химические связи в углеводородах или воде и выделить его из реакционной смеси. Нагревая воду до температуры свыше 2500°С, можно реализовать реакцию ее термолитического разложения на кислород и водород. Сложность этого процесса состоит в том, что трудно предотвратить обратную реакцию рекомбинации паров воды. Современный стандартный метод производства водорода - это процесс паровой конверсии метана. При температуре пара около 800°С происходит разложение метана и выделение водорода, осуществляемое на каталитических поверхностях. Другой способ получения водорода основан на использовании термохимических реакций с участием химически активных соединений йода или брома. Первичным продуктом служит вода, а сам процесс осуществляется в несколько циклов. Третья технология производства водорода - это электролитическое разложение воды. Электролиз можно осуществлять под высоким давлением и получать высокий выход водорода. Недостатком этого метода является значительный уровень потребления электроэнергии. Для производства водорода выгодно использовать тепловую и электрическую энергию, вырабатываемую АЭС и ГЭС в так называемом «провальном» режиме, то есть в ночное время, когда падает уровень обычного потребления энергии. В промышленных масштабах в настоящее время водород производят методом паровой конверсии метана (ПКМ). Водород, полученный по этой технологии, используется для производства азотных удобрений и очистки нефти и газа от примесей. 
 
Из существующих технологий крупномасштабного производства водорода предпочтение следует отдать электролитической технологии. Однако и в этом случае затраты электроэнергии недопустимо велики - не менее тех же 20 МДж в расчете на 1 м3 чистого водорода. Если рассчитывать на производство водорода на АЭС и ГЭС в не пиковые режимы работы, то расход энергии можно будет снизить более чем в два раза. 
 
В современных условиях стоимость производства водорода методом паровой конверсии составляет 7 долл/ГДж, что эквивалентно стоимости бензина 0,24 долл/л. При этом предполагалось, что стоимость природного газа равна 2,3 долл/ГДж (или 80 долларов на 1000 нм3 водорода). Расчет, выполненный специалистами РНЦ «Курчатовский институт» с учетом отечественных цен на газ, привел их к выводу, что водород будет более дешевым источником энергии по сравнению с бензином. 

Однако сама природа дает рецепт для получения водорода без огромных затрат энергии. На поверхности частиц взвесей в воде существуют адсорбированные и закрепленные на поверхности ферменты с высокой специфичностью каталитического действия. Они способны расщеплять одну-единственную связь в одном из веществ при очень высокой активности в обычных условиях. Иммобилизованные ферменты могут быть использованы для получения водорода. Представьте себе горсть порошка с иммобилизованным на частицах ферментом. Порошок засыпают в банку с водой, стоящую на солнце, и в ней начинается активное выделение водорода. Уже делаются попытки создания такого "магического порошка".