Гидриды. Водородная энергетика (стр. 1 )

Гидриды. Водородная энергетика

Содержание

Введение…………………………………………………………….…3

1.  Гидриды…………………………………………………………..8

2.  История водородной энергии……………………………….26

3.  Энергетика на водороде – миф или реальность?..........27

4.  Энергетика на водороде с точки зрения экологии……..31

5.  Химическая энергия воды: водород………………………40

6.  Использование водородной энергетики………………….49

7.  Получение………………………………………………………53

8.  Определение водорода……………………………………...61

9.  Применение…………………………………………………….61

10.  Создан почти невесомый аккумулятор водорода……....63

11.  Микробы + сахар = водородное топливо?......................64

12.  Boeing испытал водородный двигатель

для самолета разведчика……………………………………….....66

13.  Хранение…………………………………………………..……67

14.  Водородное будущее…………………………………………84

15.  Автомобили на водородных топливных

Элементах……………………………………………………………..88

16.  Перестройка инфраструктуры ……………………………..89

17.  Экономичность водорода……………………………………92

Список литературы………………………………………………..95

Введение

Водород - бесцветный газ без вкуса и запаха; плотность при 273,15 К и атмосферном давлении 0,0899 кг/м3 (0,0695 по отношению к воздуху); мольный объем 22,43 м3/кмоль. Коэффициент сжимаемости (pv/RT)при 273,15 К : 1,0006 (0,1013 МПа), 1,0124 (2,0266 МПа), 1,0644 (10,133 МПа), 1,134 (20,266 МПа), 1,277 (40,532 МПа); С°р 14,235 кДж/(кг*К), С? 10,090 кДж/(кг*К); уравнение температурной зависимости Сp° в интервале 298-3000 К: С° = 4,1868(6,52 + 0,78*10-3 Т+ + 0,12*105/Т2) Дж/(моль*К);Нoсгор-143,06 МДж/кг; температурный коэффициент объемного расширения 3658,8*10-1 К-1 в интервале 273-373 К; газа 0,88-10" 5 Па*с (293,15 К); показатель преломления газа п589,3 1,000132.

Водород быстрее других газов распространяется в пространстве, проходит через мелкие поры, при высоких температурах сравнительно легко проникает сквозь сталь и другие материалы.

Обладает высокой теплопроводностью, равной при 273,15 К и 1013 гПа 0,1717 Вт/(м*К) (7,3 по отношению к воздуху); уравнение температурной зависимости теплопроводности:= 0,1591 (367/T + 94)(Т/273)3/2 Вт/(м*К).

Растворимость водорода: в воде при 273,15 К и атмосферном давлении -0,0215% по объему; при 298,15 К и 10,133 МПа в воде - 1,73 см3/г, в метаноле - 11,0 см3/г. Водород хорошо растворим во многих металлах, лучше всего в Pd (в одном объеме Pd растворяется 850 объемов водорода). Губчатое железо при 0,1013 МПа и 973 К поглощает 0,14, а при 1173 К - 0,37 объемов водорода на 1 объем металла.

Водород может находиться в орто - и парасостояниях. Ортоводород (о-Н2) имеет параллельную (одного знака) ориентацию ядерных спинов, параводород (п-Н2) - антипараллельную. Это обусловливает некоторое различие магнитных, оптических и термических свойств указанных модификаций. При обычных и высоких темпертурах Н2 (нормальный водород, н-Н2) представляет собой смесь 75% орто - и 25% пара-модификаций, которые могут взаимно превращаться друг в друга (орто-пара-превращение). Различают также равновесный водород (р-Н2), имеющий равновесный орто-пара-состав для данной температуры (табл. 1). При превращении о-Н2п-Н2 выделяется тепло (1418 Дж/моль). Такое превращение характерно и для других изотопов водорода.

Таблица 1.-Состав равновесного водорода и теплота превращения н-Н2 → р-Н2

T, K	300	200	100	50	40	30	20
Содержание п-H2. %	25,072	25,974	38,620	77,054	88,727	97,021	99,821
Теплота превращенияДж/ моль	- 0,29	- 4,15	- 177,5	- 731	- 897	- 1016	- 1056

Самопроизвольное орто-пара-превращение водорода при низкой температуре происходит очень медленно, что позволяет получать жидкий водород, близкий по орто-пара-составу к н-Н2, хотя термодинамически устойчив при этих условиях только п-Н2. Орто-пара-превращение ускоряется в присутствии катализаторов (активного угля, оксидов и гидроксидов ряда металлов, в т. ч. РЗЭ, и др.). Некоторые свойства модификаций водорода приведены в таблицы 2, свойства жидкого водорода - в таблицы 3.

Таблица 2-Свойства модификаций водорода

Водород	Ткрит.,К	Ркрит, МПА	Т. кип.,К	Т. пл.,К	ΔН0исп. Дж/моль	ΔН0пл. Дж/моль
н-Н2	33,244	1,297	20,39	13,967	916	117,2
п-Н2	32,992	1,294	20,26	13,813	900	117,5
о-Н2	33,24	-	20,45	14,05	-	-

Таблица 3.-Свойства живого водорода

Т, К	Плотн. кг/м3	У. мН/м	η· мПа· с	Давление пара, Па
п–Н2	н–Н2	п–Н2	н–Н2	п – Н2	п – Н2	п–Н2	п–Н2
20	71,08	71,35	1,955	1,966	0,0135	0,0139	933	902
22	68,70	68,97	1,612	1,653	0,0116	0,0118	1634	1585
24	65,99	66,27	1,270	1,311	0,0101	0,0102	2644	2530

Теплоемкость жидкого водорода мало зависит от орто-пара-состава; уравнение температурной зависимости: С? = 6,86 + + 0,66*10-4 T + 0,279*10-6 Т2 кДж/(кг*К); уравнение температурной зависимости теплопроводности жидкого водорода под давлением паров (независимо от орто-пара-состава): =1,16(1,70+ 0,0557Т)*10-4 Вт/(м*К); показатель преломления n435,9 1,1118 при 20,33 К.

Уравнение температурной зависимости давления пара над жидким и твердым водородом: lgO,0075p (Па) = А - В/Т + СТ (значения А, В и С приведены в табл. 4).

Таблица 4.-Значения коэфициентов А, В, С в уравнений температурной зависимости давления пара Н2

Водород	Агрегатное состояние	А	В	С
н-Н2	Жидкий твердый	4,66687 4,56488	44,9569 47,2059	0,020537 0,03939
р-Н2 (20,4 К)	Жидкий твердый	4,64392 4,62438	44,3450 47,0172	0,02093 0,03635

Твердый водород кристаллизуется в гексагоновой решетке, в узлах которой расположены молекулы Н2, связанные между собой слабыми межмол. силами; плотн. 86,67 кг/м3; С° 4,618 Дж/(моль*К) при 13К; диэлектрик. При давлении свыше 10000МПа предполагается фазовый переход с образованием структуры, построенной из атомов и обладающей металлическими свойствами. Теоретически предсказана возможность сверхпроводимости "металлического водорода".

Водород в обычном состоянии при низких температурах мало активен, без нагревания реагирует лишь с F2 и на свету с С12. С неметаллами водород взаимодействует активнее, чем с металлами. С кислородом реагирует практически необратимо, образуя воду с выделением 285,75 МДж/моль тепла; в присутствии катализаторов (Pt, Pel, Ni) эта реакция идет достаточно быстро при 80-130 °С. С азотом в присутствии катализатора при повышенных температурах и давлениях водород образует аммиак, с галогенами - галогеноводороды, с халькогенами - гидриды: H2S (выше 600 °С), H2Se (выше 530 °С) и Н2Те (выше 730 °С). С углеродом водород реагирует только при высоких температурах, образуя углеводороды. Практическое значение имеют реакции водорода с СО, при которых в зависимости от условий и катализатора образуются метанол или (и) другие соединения. Со щелочными и щелочно - земельными металлами, элементами III, IV, V и VI группы периодической системы, а также с интерметаллическими соединениями водород образует гидриды. Водород восстанавливает оксиды и галогениды многих металлов до металлов, ненасыщенные углеводороды - до насыщенных. Водород легко отдает свой электрон, в растворе отрывается в виде протона от многих соединений, обусловливая их кислотные свойства. В водных растворах Н+ образует с молекулой воды ион гидроксония Н3О. Входя в состав молекул различных соединений, водород склонен образовывать со многими электроотрицательными элементами (F, О, N, С, В, Cl, S, Р) водородную связь.

Гидриды

Гидриды - соединения водорода с металлами или менее электроотрицательными, чем водород, неметаллами. Иногда к гидридам относят соединения всех химических элементов с водородом. Различают простые, или бинарные, гидриды, комплексные гидриды интерметаллических соединений.

По своему общему характеру гидриды могут быть ориентировочно разбиты на пять больших групп, каждая из которых отвечает определенному расположению элементов в периоди­ческой системе. Это распределение гидридов показывает при­водимая ниже сводка: