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

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

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

При стандартной температуре и давлении водород — бесцветный, не имеющий запаха и вкуса , нетоксичный двухатомный газ (химическая формула — H ₂ ), который в смеси с воздухом или кислородом горюч и крайне пожаро- и взрывоопасен . В присутствии других окисляющих газов, например фтора или хлора , водород также взрывоопасен. Поскольку водород охотно формирует ковалентные связи с большинством неметаллов , большая часть водорода на Земле существует в молекулярных соединениях, таких как вода или органические вещества . Водород играет особенно важную роль в кислотно-основных реакциях .

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

История открытия

Выделение горючего газа при взаимодействии кислот и металлов наблюдали в XVI и XVII веках на заре становления химии как науки. Впервые водород получил Парацельс , погружая железные опилки в серную кислоту в XVI веке.

В 1671 году Роберт Бойль подробно описал реакцию между железными опилками и разбавленными кислотами, при которой выделяется газообразный водород .

В 1766 году Генри Кавендиш был первым, кто признал газообразный водород индивидуальным элементом, назвав газ, выделяющийся при реакции металла с кислотой, «горючим воздухом». Он предположил, что «горючий воздух» идентичен гипотетическому веществу, называемому « флогистон », и в 1781 году обнаружил, что при его сгорании образуется вода .

Прямо указывал на выделение водорода и Михаил Ломоносов , но он уже понимал, что это не флогистон .

Французский химик Антуан Лавуазье совместно с инженером Жаном Мёнье , используя специальные газометры, в 1783 году осуществил синтез воды, а затем и её анализ, разложив водяной пар раскалённым железом. Так он установил, что «горючий воздух» входит в состав воды и может быть из неё получен.

Происхождение названия

Лавуазье дал водороду название hydrogène (от др.-греч. ὕδωρ — вода и γεννάω — рождаю) — «рождающий воду». В 1801 году последователь Лавуазье, академик Василий Севергин , называл его «водотворное вещество», он писал :

Водотворное вещество в соединении с кислотворным составляет воду. Сие можно доказать, как через разрешение, так и через составление.

Русское наименование «водород» предложил химик Михаил Соловьёв в 1824 году — по аналогии с « кислородом » Ломоносова .

Распространённость

Во Вселенной

В настоящее время водород — самый распространённый элемент во Вселенной . На его долю приходится около 88,6 % всех атомов (около 11,3 % составляют атомы гелия , доля всех остальных вместе взятых элементов — порядка 0,1 %) . Таким образом, водород — основная составная часть звёзд и межзвёздного газа . Повсеместное возникновение атомарного водорода впервые произошло в эпоху рекомбинации .

В условиях звёздных температур (например, температура поверхности Солнца ~6000 °C) водород существует в виде плазмы , в межзвёздном пространстве этот элемент существует в виде отдельных молекул , атомов и ионов и может образовывать молекулярные облака, значительно различающиеся по размерам, плотности и температуре.

Земная кора и живые организмы

Массовая доля водорода в земной коре составляет 1 % — это десятый по распространённости элемент. Однако его роль в природе определяется не массой, а числом атомов, доля которых среди остальных элементов составляет 17 % (второе место после кислорода , доля атомов которого равна ~52 %). Поэтому значение водорода в химических процессах, происходящих на Земле , почти так же велико, как и кислорода.

В отличие от кислорода, существующего на Земле и в связанном, и в свободном состояниях, практически весь водород на Земле находится в виде соединений; лишь в очень незначительном количестве водород в виде простого вещества содержится в атмосфере (0,00005 % по объёму для сухого воздуха ).

Водород входит в состав практически всех органических веществ и присутствует во всех живых клетках, где по числу атомов на водород приходится почти 63 % .

Получение

В промышленности

На 2019 год в мире потребляется 75 млн тонн водорода, в основном в нефтепереработке и производстве аммиака . Из них более 3/4 производится из природного газа , для чего расходуется более 205 млрд м ³ газа . Почти все остальное получают из угля. Около 0,1 % (~100 тыс. тонн) вырабатывается электролизом. При производстве водорода в атмосферу поступает ~830 млн тонн CO ₂ . Себестоимость водорода, полученного из природного газа, оценивается в 1,5-3 доллара за 1 кг.

• Конверсия метана с водяным паром при 1000 °C:

${\displaystyle {\ce {CH4 + H2O <=> CO + 3H2}}}$

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

${\displaystyle {\ce {C + H2O <=> CO ^ + H2 ^}}}$

${\displaystyle {\ce {CO + H2O <=> CO2 ^ + H2 ^}}}$ В результате данного процесса получается "grey hydrogen", который невозможно применять в топливных элементах, так как примесь CO отравляет катализаторы. Дальше, при его очистке до 10-100 ppm CO, получают "blue hydrogen", но и он отравляет платиновый катализатор.

• Электролиз водных растворов солей:

${\displaystyle {\ce {2NaCl + 2H2O -> 2NaOH + Cl2 ^ + H2 ^}}}$

• "Green hydrogen" (особо чистый водород) получают электрохимическим способом. Электролизом водного раствора гидроксидов активных металлов (преимущественно гидроксида калия ) (англ.) при повышенных температуре и давлении на Ni-электродах. Это достаточно энергозатратный метод, который составляет лишь 4% от общего производства водорода.

${\displaystyle {\ce {2H2O ->[4e^{-}] 2H2 ^ + O2 ^}}}$

Кроме того, существует промышленная технология электролиза химически чистой воды, без применения каких-либо добавок. Фактически, устройство представляет собой обратимый топливный элемент с твёрдой полимерной мембраной (англ.) или без мембраны от 5 февраля 2020 на Wayback Machine .

• Каталитическое окисление метана кислородом:

${\displaystyle {\ce {2CH4 + O2 <=> 2CO + 4H2}}}$

• Крекинг и риформинг углеводородов в процессе переработки нефти.

В лаборатории

• Взаимодействие разбавленных кислот с металлами , стоящими в электрохимическом ряду напряжений до водорода. Для проведения такой реакции чаще всего используют цинк и разбавленную серную кислоту :

${\displaystyle {\ce {Zn + H2SO4 -> ZnSO4 + H2 ^}}}$

• Взаимодействие кальция с водой :

${\displaystyle {\ce {Ca + 2H2O -> Ca(OH)2 + H2 ^}}}$

• Гидролиз ионных гидридов :

${\displaystyle {\ce {NaH + H2O -> NaOH + H2 ^}}}$

${\displaystyle {\ce {CaH2 + 2H2O ->Ca(OH)2 + H2 ^}}}$

• Действие щелочей на цинк или алюминий :

${\displaystyle {\ce {2Al + 2NaOH + 6H2O -> 2Na[Al(OH)4] + 3H2 ^}}}$

${\displaystyle {\ce {Zn + 2KOH + 2H2O -> K2[Zn(OH)4] + H2 ^}}}$

• Электролиз водных растворов кислот , щелочей или некоторых солей на катоде происходит выделение водорода, например:

${\displaystyle {\ce {2H3O+ + 2e- -> 2H2O + H2 ^}}}$

Получение дейтероводорода

Дейтероводород получают из тяжёлой воды, которую в настоящее время производят электролитическим обогащением обычной воды. 0,0156 % водорода находится в виде дейтерия.

Перенапряжение выделения H ₂ несколько меньше по сравнению с D ₂ (хотя зависит от природы материала катода и состава раствора),тяжёлая вода накапливается в электролизере. Применяется каскад электролизёров.

Другие способы получения дейтероводорода: термодиффузия газообразного водорода, диффузия смеси D ₂ /H ₂ через палладиевый фильтр.

Очистка

В промышленности реализованы несколько способов очистки водорода из водородосодержащего сырья (так называемый водородсодержащий газ) . Водородсодержащий газ (ВСГ) — это газ с высоким содержанием водорода (10 % и выше). Переход на сжигание водородсодержащих газов — один из способов снижения выбросов углекислого газа в атмосферу.

• Низкотемпературная конденсация : ВСГ охлаждают до температур конденсации метана и этана , после чего водород отделяют ректификацией . Процесс ведут при температуре −158 °C и давлении 4 МПа . Чистота очищенного водорода составляет 93—94 % при его концентрации в исходном ВСГ до 40 %.
• Адсорбционное выделение на цеолитах : настоящий метод на сегодняшний день наиболее распространён в мире. Метод достаточно гибок и может использоваться как для выделения водорода из ВСГ, так и для доочистки уже очищенного водорода. В первом случае процесс ведут при давлениях 3,0—3,5 МПа . Степень извлечения водорода составляет 80—85 % с чистотой 99 %. Во втором случае часто используют процесс «PSA» фирмы «Union Carbide» . Он впервые был реализован в промышленности в 1978 году. На настоящий момент функционирует более 250 установок от 0,6 до 3,0 млн м ³ Н ₂ /сут. Образуется водород высокой чистоты — 99,99 %.
• Абсорбционное выделение жидкими растворителями : Этот метод применяется редко, хотя водород получается высокой чистоты — 99,9 %.
• Концентрирование водорода на мембранах : На лучших образцах метод позволяет получать водород чистотой 95—96 %, однако производительность таких установок невысока.
• Селективное поглощение водорода металлами : Метод основан на способности сплавов лантана с никелем , железа с титаном , циркония с никелем и других поглощать до 30 объёмов водорода.

Стоимость

Стоимость водорода при крупнооптовых поставках колеблется в диапазоне 2—7 USD /кг . В небольших количествах перевозится в стальных баллонах зелёного или тёмно-зелёного цвета.

Физические свойства

Водород — самый лёгкий газ: он легче воздуха в 14,5 раз. Поэтому, например, мыльные пузыри , наполненные водородом, на воздухе стремятся вверх . Шары, наполненные водородом, также стремятся вверх. Водород использовался для воздухоплавания, но из-за взрывоопасности от водорода отказались в пользу гелия. Чем меньше масса молекул, тем выше их скорость при одной и той же температуре. Как самые лёгкие, молекулы водорода движутся быстрее молекул любого другого газа, за счёт чего быстрее могут передавать теплоту от одного тела к другому. Отсюда следует, что водород обладает самой высокой теплопроводностью среди газообразных веществ. Его теплопроводность примерно в 7 раз выше теплопроводности воздуха.

Молекула водорода двухатомна — Н ₂ . При нормальных условиях это газ без цвета, запаха и вкуса. Плотность 0,08987 г / л ( н. у. ), температура кипения −252,76 °C, удельная теплота сгорания 120,9⋅10 ⁶ Дж / кг , малорастворим в воде — 18,8 мл / л при н.у. Растворимость водорода в воде возрастает с увеличением давления и снижается с увеличением температуры.

Водород хорошо растворим во многих металлах ( Ni , Pt , Pd и др.), особенно в палладии (850 объёмов H ₂ на 1 объём Pd). С растворимостью водорода в металлах связана его способность диффундировать через них; диффузия через углеродистый сплав (например, сталь) иногда сопровождается разрушением сплава вследствие взаимодействия водорода с углеродом (так называемая декарбонизация). Практически не растворим в серебре .

Жидкий водород существует в очень узком интервале температур от −252,76 до −259,2 °C. Это бесцветная жидкость, очень лёгкая ( плотность при −253 °C 0,0708 г / см³ ) и текучая ( вязкость при −253 °C 13,8 сП ). Критические параметры водорода: температура −240,2 °C, давление 12,8 атм , критическая плотность 0,0312 г/см³ и критический объём 66,95—68,9 см³/моль (0,033 м³/кг ). Указанными значениями критических параметров объясняются трудности при ожижении водорода.

В жидком состоянии равновесный водород состоит из 99,79 % пара-Н ₂ , 0,21 % орто-Н ₂ .

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

Металлический водород

В 1935 году Уингер и Хантингтон высказали предположение о том, что при давлении свыше 250 тысяч атм водород может перейти в металлическое состояние . Получение этого вещества в устойчивом состоянии открывало очень заманчивые перспективы его применения — ведь это был бы сверхлёгкий металл, компонент лёгкого и энергоёмкого ракетного топлива. В 2014 году было установлено, что при давлении порядка 1,5—2,0 млн атм водород начинает поглощать инфракрасное излучение , а это означает, что электронные оболочки молекул водорода поляризуются . Возможно, при ещё более высоких давлениях водород превратится в металл . В 2017 году появилось сообщение о возможном экспериментальном наблюдении перехода водорода в металлическое состояние под высоким давлением .

Спиновые изомеры

Молекулярный водород существует в двух спиновых формах (модификациях): ортоводород и параводород . Модификации немного различаются по физическим свойствам, оптическим спектрам, также по характеристикам рассеивания нейтронов. В молекуле ортоводорода o -H ₂ (англ. о -H ₂ ) ( т. пл. −259,10 °C, т. кип. −252,56 °C) спины ядер параллельны, а у параводорода п -H ₂ (англ. p -H ₂ ) (т. пл. −259,32 °C, т. кип. −252,89 °C) — противоположны друг другу (антипараллельны). Равновесная смесь o -H ₂ и п -H ₂ при заданной температуре называется равновесным водородом р -H ₂ (англ. е -H ₂ ) , а смесь 75% орто-водорода и 25% пара-водорода называется нормальным водородом н -H ₂ (англ. n -H ₂ ).

о- ${\displaystyle {\ce {H2 ->}}}$ п- ${\displaystyle {\ce {H2 + 1418}}}$ кДж

Разделить спиновые изомеры водорода можно адсорбцией на активном угле при температуре жидкого азота . При очень низких температурах равновесие между ортоводородом и параводородом почти нацело сдвинуто в сторону параводорода, так как энергия пара-молекулы немного ниже энергии орто-молекулы. При 80 К соотношение модификаций приблизительно 1:1. Десорбированный с угля параводород при нагревании превращается в ортоводород с образованием равновесной смеси. При комнатной температуре равновесна смесь ортоводорода и параводорода в отношении около 75:25 . Без катализатора взаимное превращение происходит относительно медленно, что даёт возможность изучить свойства обеих модификаций. В условиях разреженной межзвёздной среды характерное время перехода в равновесную смесь очень велико, вплоть до космологических.

Изотопы

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

Протий и дейтерий стабильны. Содержание этих изотопов в природном водороде составляет 99,9885 ± 0,0070 % и 0,0115 ± 0,0070 % соответственно . Оно может незначительно меняться в зависимости от источника и способа получения водорода. Тритий нестабилен, претерпевает бета-распад с периодом 12,32 года , превращаясь в стабильный гелий-3 . Тритий встречается в природе в следовых количествах, образуясь главным образом при взаимодействии космических лучей со стабильными ядрами, при захвате дейтерием тепловых нейтронов и при взаимодействии природного изотопа лития-6 с нейтронами, порождёнными космическими лучами.

Искусственно получены также тяжёлые радиоактивные изотопы водорода с массовыми числами 4—7 и периодами полураспада 10 ⁻²¹ —10 ⁻²³ с .

Природный молекулярный водород состоит из молекул H ₂ и HD (дейтероводород) в соотношении 3200:1. Содержание в нём молекул из чистого дейтерия D ₂ ещё меньше, отношение концентраций HD и D ₂ составляет примерно 6400:1.

Из всех изотопов химических элементов физические свойства изотопов водорода отличаются друг от друга наиболее сильно. Это связано с наибольшим относительным изменением масс атомов .

	Температура плавления, K	Температура кипения, K	Тройная точка		Критическая точка		Плотность, кг/м³
			T , K	P , кПа	T , K	P , МПа	жидкий	газ
H 2	13,96	20,39	13,96	7,3	32,98	1,31	70,811	1,316
HD	16,65	22,13	16,6	12,8	35,91	1,48	114,0	1,802
HT		22,92	17,63	17,7	37,13	1,57	158,62	2,31
D 2	18,65	23,67	18,73	17,1	38,35	1,67	162,50	2,23
DT		24.38	19,71	19,4	39,42	1,77	211,54	2,694
T 2	20,63	25,04	20,62	21,6	40,44	1,85	260,17	3,136

Молекулы чистых протия, дейтерия и трития могут существовать в двух аллотропных модификациях (отличающихся взаимной ориентацией спинов ядер) — орто- и параводород: o -D ₂ , p -D ₂ , o -T ₂ , p -T ₂ . Молекулы водорода с другим изотопным составом (HD, HT, DT) не имеют орто- и парамодификаций.

Свойства изотопов

Свойства изотопов водорода представлены в таблице .

Изотоп	Z	N	Масса, а. е. м.	Период полураспада	Спин	Содержание в природе, %	Тип и энергия распада
1 H	1	0	1,007 825 032 07(10)	стабилен	1 ⁄ 2 +	99,9885(70)
2 H	1	1	2,014 101 777 8(4)	стабилен	1 +	0,0115(70)
3 H	1	2	3,016 049 277 7(25)	12,32(2) года	1 ⁄ 2 +		β −	18,591(1) кэВ
4 H	1	3	4,027 81(11)	1,39(10)⋅10 −22 с	2 −		-n	23,48(10) МэВ
5 H	1	4	5,035 31(11)	более 9,1⋅10 −22 с	( 1 ⁄ 2 + )		-nn	21,51(11) МэВ
6 H	1	5	6,044 94(28)	2,90(70)⋅10 −22 с	2 −		−3n	24,27(26) МэВ
7 H	1	6	7,052 75(108)	2,3(6)⋅10 −23 с	1 ⁄ 2 +		-nn	23,03(101) МэВ

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

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

Химические свойства

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

${\displaystyle {\ce {H2->2H-432{\text{кДж}}}}}$

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

${\displaystyle {\ce {Ca + H2 -> CaH2}}}$

и с единственным неметаллом — фтором , образуя фтороводород :

${\displaystyle {\ce {H2 + F2 -> 2HF}}}$

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

${\displaystyle {\ce {2H2 + O2 -> 2H2O}}}$

Записанное уравнение отражает восстановительные свойства водорода.

${\displaystyle {\ce {CuO + H2 -> Cu + H2O}}}$

С галогенами образует галогеноводороды :

${\displaystyle {\ce {H2 + F2 -> 2HF}}}$ , реакция протекает со взрывом в темноте и при любой температуре,

${\displaystyle {\ce {H2 + Cl2 -> 2HCl}}}$ , реакция протекает со взрывом, только на свету.

С сажей взаимодействует при сильном нагревании:

${\displaystyle {\ce {C + 2H2 -> CH4}}}$

Взаимодействие со щелочными и щёлочноземельными металлами

При взаимодействии с активными металлами водород образует гидриды:

${\displaystyle {\ce {2Na + H2 -> 2NaH}}}$

${\displaystyle {\ce {Ca + H2 -> CaH2}}}$

${\displaystyle {\ce {Mg + H2 -> MgH2}}}$

Гидриды — солеобразные, твёрдые вещества, легко гидролизуются

${\displaystyle {\ce {CaH2 + 2H2O -> Ca(OH)2 + 2H2 ^}}}$

Взаимодействие с оксидами металлов

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

${\displaystyle {\ce {Fe2O3 + 3H2 -> 2Fe + 3H2O}}}$

${\displaystyle {\ce {WO3 + 3H2 -> W + 3H2O}}}$

Гидрирование органических соединений

Молекулярный водород широко применяется в органическом синтезе для восстановления органических соединений. Эти процессы называют реакциями гидрирования . Эти реакции проводят в присутствии катализатора при повышенных давлении и температуре. Катализатор может быть как гомогенным (напр., Катализатор Уилкинсона ), так и гетерогенным (напр., никель Ренея , палладий на угле).

Так, в частности, при каталитическом гидрировании ненасыщенных соединений, таких как алкены и алкины , образуются насыщенные соединения — алканы .

${\displaystyle {\ce {R - CH = CH - R' + H2 -> R - CH2 - CH2 - R'}}}$

Геохимия водорода

На Земле содержание водорода понижено по сравнению с Солнцем, планетами-гигантами и первичными метеоритами, из чего следует, что во время образования Земля была значительно дегазирована: основная масса водорода, как и других летучих элементов, покинула планету во время аккреции или вскоре после неё. ^{[ источник не указан 3868 дней ]} Однако точное содержание данного газа в составе геосфер нашей планеты (исключая земную кору ) — астеносферы , мантии , ядра Земли — неизвестно. ^{[ источник не указан 3868 дней ]}

Свободный водород H ₂ относительно редко встречается в земных газах, но в виде воды он принимает исключительно важное участие в геохимических процессах. Известно содержание водорода в составе вулканических газов, истечение некоторых количеств водорода вдоль разломов в зонах рифтогенеза, выделение этого газа в некоторых угольных месторождениях .

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

В атмосфере молекулярный водород непрерывно образуется в результате разложения формальдегида, образующегося в цепочке окисления метана или другой органики, солнечным излучением (31—67 гигатонн /год), неполного сгорания различных топлив и биомасс (по 5—25 гигатонн/год), в процессе фиксации азота микроорганизмами из воздуха (3—22 гигатонн/год) .

Имея малую массу, молекулы водорода в составе воздуха обладают высокой тепловой скоростью (она близка ко второй космической скорости) и, попадая в верхние слои атмосферы, могут навсегда улететь в космическое пространство (см. Диссипация атмосфер планет ). Объёмы потерь оцениваются в 3 кг в секунду .

Меры предосторожности

Водород при смеси с воздухом образует взрывоопасную смесь — так называемый гремучий газ . Наибольшую взрывоопасность этот газ имеет при объёмном отношении водорода и кислорода 2:1, или водорода и воздуха приближённо 2:5, так как в воздухе кислорода содержится примерно 21 %. Также водород пожароопасен . Жидкий водород при попадании на кожу может вызвать сильное обморожение .

Считается, что взрывоопасные концентрации водорода с кислородом возникают от 4 % до 96 % объёмных. При смеси с воздухом от 4 % до 75 (74) % по объёму. Такие цифры фигурируют сейчас в большинстве справочников, и ими вполне можно пользоваться для ориентировочных оценок. Однако следует иметь в виду, что более поздние исследования (примерно конец 80-х) выявили, что водород в больших объёмах может быть взрывоопасен и при меньшей концентрации. ^{[ источник не указан 1363 дня ]} Чем больше объём, тем меньшая концентрация водорода опасна.

Источник этой широко растиражированной ошибки в том, что взрывоопасность исследовалась в лабораториях на малых объёмах. Поскольку реакция водорода с кислородом — это цепная химическая реакция, которая проходит по свободнорадикальному механизму, «гибель» свободных радикалов на стенках (или, скажем, поверхности пылинок) критична для продолжения цепочки. В случаях, когда возможно создание «пограничных» концентраций в больших объёмах (помещения, ангары, цеха), следует иметь в виду, что реально взрывоопасная концентрация может отличаться от 4 % как в большую, так и в меньшую стороны.

Применение

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

Структура мирового потребления водорода по данным Linde (2007) (англ.)

Применение	Доля
Производство аммиака	54 %
Нефтепереработка (гидрогенизация ненасыщенных углеводородов и гидросульфирование) и синтез метанола	35 %
Производство полупроводников	6 %
Металлургия и стекольная промышленность	3 %
Пищевая промышленность	2 %

Химическая промышленность

Химическая промышленность — это крупнейший потребитель водорода. Более 50 % мирового выпуска водорода идёт на производство аммиака . Ещё около 8 % используется для производства метанола . Из аммиака производят пластмассы, удобрения, взрывчатые вещества и прочее. Метанол является основой для производства некоторых пластмасс.

Топливно-энергетический комплекс

В нефтепереработке около 37 % мирового выпуска водорода используется в процессах гидрокрекинга и гидроочистки , способствуя увеличению глубины переработки сырой нефти и повышению качества конечных продуктов .

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

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

Транспорт

Водород используется в качестве топлива для серийно выпускаемых автомобилей на Водородных топливных элементах : Toyota Mirai , Hyundai Nexo . Американская компания представила линейку коммерческих автомобилей на водороде, а также пикап Nikola Badger с запасом хода 960 км

Компания Alstom в 2018 году запустила в Германии первый коммерческий поезд на топливных элементах Coradia iLint, способный проходить 1000 км на одном резервуаре с водородом. Поезда совершают 100-километровые рейсы со скоростью до 140 километров в час .

Электроэнергетика

В электроэнергетике водород применяется для охлаждения мощных электрических генераторов .

Пищевая и косметическая промышленность

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

Лабораторное

Водород используется в химических лабораториях в качестве газа-носителя в газовой хроматографии . Такие лаборатории есть на многих предприятиях в пищевой, парфюмерной, металлургической и химической промышленности. Несмотря на горючесть водорода, его использование в такой роли считается достаточно безопасным, поскольку водород используется в незначительных количествах. Эффективность водорода как газа-носителя при этом лучше, чем у гелия, при существенно более низкой стоимости .

Метеорология

Водород используется в метеорологии для заполнения оболочек метеозондов . Водород в этом качестве имеет преимущество перед гелием, так как он дешевле. Ещё более существенно, что водород вырабатывается прямо на метеостанции с помощью простого химического генератора или с помощью электролиза воды. Гелий же должен доставляться на метеостанцию в баллонах, что может быть затруднительно для удалённых мест .

Авиационная промышленность

В настоящее время водород в авиации не используется. Когда-то дирижабли и воздушные шары наполняли водородом. Но в 30-х гг. XX в. произошло несколько катастроф , в ходе которых дирижабли взрывались и сгорали. В наше время дирижабли наполняют гелием, несмотря на его существенно более высокую стоимость.

Прочее

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

См. также

• Антиводород

Примечания

Комментарии

Источники

Литература

• Дигонский С. В., Тен В. В. Неизвестный водород. — СПб: Наука, 2006. ISBN 5-02-025114-3 .
• Кузьменко Н. Е., Ерёмин В. В., Попков В. А. Начала химии. Современный курс для поступающих в вузы: Учебное пособие для вузов. — М.: Издательство «Экзамен», 2005.
• Фёдоров П. И. Тройная точка (рус.) // Химическая энциклопедия . — Большая Российская энциклопедия , 1998. — Т. 5: Триптофан — Ятрохимия . — С. 12 .
• Хазанова Н. Е. Критическое состояние (рус.) // Химическая энциклопедия . — Советская энциклопедия , 1990. — Т. 2: Даф — Мед . — С. 541—543 .
• . — 17th. — Knolls Atomic Power Laboratory, 2010. — ISBN 978-0-9843653-0-2 .
• Newton, David E. . — New York: (англ.) ( , 1994. — ISBN 978-0-531-12501-4 .
• Rigden, John S. . — Cambridge, Massachusetts: Harvard University Press , 2002. — ISBN 978-0-531-12501-4 .
• Romm, Joseph, J. The Hype about Hydrogen, Fact and Fiction in the Race to Save the Climate (англ.) . — (англ.) ( , 2004. — ISBN 978-1-55963-703-9 .
• Scerri, Eric. The Periodic System, Its Story and Its Significance (англ.) . — New York: Oxford University Press , 2007. — ISBN 978-0-19-530573-9 .

Ссылки

• от 10 января 2016 на Wayback Machine at The Periodic Table of Videos ( University of Nottingham )
• Ferreira-Aparicio, P.; Benito, M. J.; Sanz, J. L. New Trends in Reforming Technologies: from Hydrogen Industrial Plants to Multifuel Microreformers (англ.) // Catalysis Reviews : journal. — 2005. — Vol. 47 , no. 4 . — P. 491—588 . — doi : .