常溫常壓下,氫氣是一種極易燃燒,無色透明、無臭無味的氣體。氫氣是世界上已知的密度最小的氣體,氫氣的密度只有空氣的1/14,即在0 ℃時,一個標準大氣壓下,氫氣的密度為0.0899 g/L。所以氫氣可作為飛艇、氫氣球的填充氣體(由于氫氣具有可燃性,安全性不高,飛艇現多用氦氣填充)。氫氣是相對分子質量最小的物質,主要用作還原劑。
氫氣 (H2) 最早于16世紀初被人工制備,當時使用的方法是將金屬置于強酸中。1766–1781年,亨利·卡文迪許發現氫元素,氫氣燃燒生成水(2H?+O?點燃=2H?O),拉瓦錫根據這一性質將該元素命名為 “hydrogenium”(“生成水的物質”之意,"hydro"是“水”,"gen"是“生成”,"ium"是元素通用后綴)。19 世紀50 年代英國醫生合信(B.Hobson)編寫《博物新編》(1855 年)時,把"hydrogen"翻譯為“輕氣”,意為最輕氣體。
現在工業上一般從天然氣或水煤氣制氫氣,而不采用高耗能的電解水的方法。制得的氫氣大量用于石化行業的裂化反應和生產氨氣。氫氣分子可以進入許多金屬的晶格中,造成“氫脆”現象,使得氫氣的存儲罐和管道需要使用特殊材料(如蒙耐爾合金),設計也更加復雜。
醫學上用氫氣來治療部分疾病。
2018年2月,中國實現氫氣的低溫制備和存儲,榮獲科技部2017年度中國科學十大進展。
物理性質:
氫氣是無色并且密度比空氣小的氣體(在各種氣體中,氫氣的密度最小。標準狀況下,1升氫氣的質量是0.0899克,相同體積比空氣輕得多)。因為氫氣難溶于水,所以可以用排水集氣法收集氫氣。另外,在101千帕壓強下,溫度-252.87 ℃時,氫氣可轉變成淡藍色的液體;-259.1 ℃時,變成雪狀固體。常溫下,氫氣的性質很穩定,不容易跟其它物質發生化學反應。但當條件改變時(如點燃、加熱、使用催化劑等),情況就不同了。如氫氣被鈀或鉑等金屬吸附后具有較強的活性(特別是被鈀吸附)。金屬鈀對氫氣的吸附作用最強。當空氣中的體積分數為4%-75%時,遇到火源,可引起爆炸。
氫氣是無色無味的氣體,標準狀況下密度是0.09克/升(最輕的氣體),難溶于水。在-252 ℃,變成無色液體,-259 ℃時變為雪花狀固體。
汽化熱:305 kJ/kg(△Hv ,-249.5℃)
臨界密度:66.8 kg/m3
氣體密度:0.0899 kg/m3(101.325kPa,0℃)
比容:11.12 m3/kg(101.325kPa,21.2℃)
導熱系數:
0.1289 w/(m·K)(氣體101.325 kPa,0 ℃)、1264 W/(m·K)(液體,-252.8 ℃)
比熱容:
Cp=14.30 kJ/(kg·K),
Cv=10.21 kJ/(kg·K)(101.325kPa,25℃,氣體)
蒸氣壓力:
10.67 kPa(正常態,17.703)
53.33 kPa(正常態,21.621)
119.99 kPa(正常態,24.249 K)
粘度:
0.010 lmPa·S(氣體,正常態)
101.325 kPa (0 ℃)
0.040 mPa·s(液體,平衡態,-252.8 ℃)
重氫在常溫常壓下為無色無嗅無毒可燃性氣體,是普通氫的一種穩定同位素。它在通常水的氫中含0.0139%~0.0157%。其化學性質與普通氫完全相同。但質量大些,反應速度小一些。
化學性質:
氫氣常溫下性質穩定,在點燃或加熱的條件下能多跟許多物質發生化學反應。
①可燃性(可在氧氣中或氯氣中燃燒):2H2+O2=點燃=2H2O(化合反應)
(點燃不純的氫氣要發生爆炸,點燃氫氣前必須驗純,相似的,氘(重氫)在氧氣中點燃可以生成重水(D2O))
H2+Cl2=點燃=2HCl(化合反應)
H2+F2=2HF(氫氣與氟氣混合立刻爆炸,生成氟化氫氣體)
②還原性(使某些金屬氧化物還原)
H2+CuO
Cu+H2O(置換反應)
3H2+Fe2O3=高溫=2Fe+3H2O(置換反應)
3H2+WO3
W+3H2O(置換反應)
特點:
優點
一、資源豐富。以水為原料,電解便可獲得。水資源在地球上相對主要燃料石油,煤也較豐富。
二、熱值高。氫燃燒的熱值高居各種燃料之冠,據測定,每千克氫燃燒放出的熱量為1.4*10^8J,為石油熱值的3倍多。因此,它貯存體積小,攜帶量大,行程遠。
三、氫為燃料最潔凈。氫的燃燒產物是水,對環境不產生任何污染。相反,以汽油,柴油為燃料的車輛,排放大量氮氧化物、四乙基鉛[Pb(C2H5)4],會導致酸雨,酸霧和嚴重的鉛中毒。更重要的是,廢氣中還含有3,4-苯并芘的強致癌物質,污染大氣,危害健康?,F世界各國對以氫為新型能源的研究頗為重視。日本于1984年5月24日在富士高速公路以每小時200千米速度首次試車(以氫為燃料)成功。
缺點
氫氣要安全儲藏和運輸并不容易,它重量輕、難捉摸、擴散速度快,需低溫液化,會導致閥門堵塞并形成不必要的壓力
化學反應:
氫化鈉與水反應:
氰化鈉溶液與銅反應:
硼氫化鈉與水反應:
鋁和氫氧化鈉溶液反應:
此外,還包括一些金屬(活動性比氫強)和酸的反應同樣會生成氫氣。
純度參考:
上游原料:甲醇、氯化鈉、煤、氫氧化鉀、燒堿、鹽酸、重油
下游產品:氫溴酸、鹽酸、鹽酸(食用)、鹽酸(精制)、氯磺酸、工業氨水、硼氫化鈉、硼氫化鉀、氫化鈉、油浸氫化鈉、過氧化氫、多晶硅、鉬、壓縮氫氣、液氬
包裝運輸
1.包裝方式:氫氣拖車/瓶組/鋼瓶
2.運輸方式:氫的貯運有四種方式可供選擇,即氣態貯運、液態貯運、金屬氫化物貯運和微球貯運?,F實際應用的只有前三種,微球貯運方式尚在研究中。