Sıvı hidrojen, LH2, Sol 2 dinle)) endüstride bir gaz depolama biçimi olarak ve uzay biliminde roket yakıtı olarak yaygın olarak kullanılmaktadır.

Hikaye

Yapay soğutmanın belgelenen ilk kullanımı 1756'da İngiliz bilim adamı William Cullen tarafından gerçekleştirildi; 1784'te kükürt oksidin sıvı halini elde eden ilk kişi Gaspard Monge oldu; sıvılaştırılmış amonyağı elde eden ilk kişi Michael Faraday oldu; Amerikalı mucit Oliver Evans 1805'te bir soğutma kompresörü geliştiren ilk kişi oldu, 1834'te soğutma makinesinin patentini alan ilk kişi Jacob Perkins oldu ve 1851'de Amerika Birleşik Devletleri'nde klimanın patentini alan ilk kişi John Gorey oldu, Werner Siemens 1857'de rejeneratif soğutma konseptini önerdi, Karl Linde, 1876 yılında kademeli "Joule-Thomson genleşme etkisi" ve rejeneratif soğutmayı kullanarak sıvı hava üretmek için ekipmanın patentini aldı. 1885 yılında Polonyalı fizikçi ve kimyager Zygmunt Wroblewski hidrojenin kritik sıcaklığı 33, kritik basıncı 13,3 atm'yi yayınladı. ve kaynama noktası 23'tür. Hidrojen ilk kez 1898'de James Dewar tarafından rejeneratif soğutma ve onun icadı olan Dewar şişesi kullanılarak sıvılaştırıldı. Sıvı hidrojenin kararlı bir izomeri olan parahidrojenin ilk sentezi 1929'da Paul Harteck ve Carl Bonhoeffer tarafından gerçekleştirildi.

Hidrojenin spin izomerleri

Oda sıcaklığındaki hidrojenin %75'i spin izomeri olan ortohidrojenden oluşur. Üretimden sonra, sıvı hidrojen yarı kararlı bir durumdadır ve dönüşümünün kendiliğinden ekzotermik reaksiyonundan kaçınmak için parahidrojen formuna dönüştürülmesi gerekir, bu da sonuçta ortaya çıkan sıvı hidrojenin güçlü kendiliğinden buharlaşmasına yol açar. Parahidrojen fazına dönüşüm genellikle demir oksit, krom oksit, aktif karbon, platin kaplı asbest, nadir toprak metalleri gibi katalizörler kullanılarak veya uranyum veya nikel katkı maddeleri kullanılarak gerçekleştirilir.

Kullanım

Sıvı hidrojen, içten yanmalı motorlar ve yakıt hücreleri için bir yakıt depolama biçimi olarak kullanılabilir. Hidrojenin bu toplam formunu kullanarak çeşitli hidrojen taşıma konseptleri oluşturulmuştur (bkz. Derin C veya BMW H2R). Tasarımların yakınlığı nedeniyle, LHV ekipmanının yaratıcıları sıvılaştırılmış doğal gaz (LNG) kullanan sistemleri kullanabilir veya yalnızca değiştirebilir. Ancak hacimsel enerji yoğunluğunun düşük olması nedeniyle yanma, doğal gaza göre daha büyük hacimde hidrojen gerektirir. Pistonlu motorlarda "CNG" yerine sıvı hidrojen kullanılıyorsa genellikle daha hacimli bir yakıt sistemine ihtiyaç duyulur. Direkt enjeksiyonda emme kanalındaki artan kayıplar silindir dolumunu azaltır.

Sıvı hidrojen ayrıca nötron saçılma deneylerinde nötronları soğutmak için de kullanılır. Nötron ve hidrojen çekirdeğinin kütleleri neredeyse eşittir, bu nedenle elastik çarpışma sırasında enerji alışverişi en etkili olanıdır.

Avantajları

Hidrojen kullanmanın avantajı, kullanımının “sıfır emisyon” olmasıdır. Havadaki oksijenle etkileşiminin ürünü sudur, ancak gerçekte - geleneksel fosil enerji taşıyıcılarında olduğu gibi - havadaki nitrojen moleküllerinin varlığı nedeniyle, yandığında az miktarda bu gazın oksitleri ortaya çıkar. da oluşuyor.

Engeller

Bir litre “ZhV” yalnızca 0,07 kg ağırlığındadır. Yani özgül ağırlığı 70,99/20'dir. Sıvı hidrojen, özel ısı yalıtımlı kaplar gibi kriyojenik depolama teknolojisi gerektirir ve tüm kriyojenik malzemeler için tipik olan özel işlem gerektirir. Bu açıdan sıvı oksijene yakındır ancak yangın tehlikesi nedeniyle daha fazla dikkat gerektirir. Yalıtılmış kaplarda bile onu sıvı halde tutmak için gereken düşük sıcaklıklarda tutmak zordur (tipik olarak günde %1 oranında buharlaşır). Onu kullanırken, hidrojenle çalışırken olağan güvenlik önlemlerine de uymalısınız ("Hidrojen Güvenliği") - patlayıcı olan havayı sıvılaştıracak kadar soğuktur.

Roket yakıtı

Sıvı hidrojen, fırlatma araçlarının ve uzay araçlarının jet hızlandırılmasında kullanılan roket yakıtının yaygın bir bileşenidir. Çoğu hidrojen sıvı roket motorunda, bir oksitleyici ile karıştırılıp itme kuvveti üretmek üzere yakılmadan önce ilk olarak memeyi ve diğer motor parçalarını rejeneratif olarak soğutmak için kullanılır. H2/O2 bileşenlerini kullanan modern motorlar, hidrojen açısından aşırı zenginleştirilmiş bir yakıt karışımı tüketir ve bu da egzozda belirli miktarda yanmamış hidrojene yol açar. Molekül ağırlığını azaltarak motorun özgül itiş gücünü artırmanın yanı sıra, bu aynı zamanda meme ve yanma odasının aşınmasını da azaltır.

LH'nin diğer alanlarda kullanılmasının önündeki kriyojenik doğa ve düşük yoğunluk gibi engeller de bu durumda kullanımı sınırlayıcı bir faktördür. 2009 yılı itibarıyla tamamı hidrojen roketi olan tek bir fırlatma aracı (LV "Delta-4") bulunmaktadır. Temel olarak "ZhV", roketlerin üst aşamalarında veya yükün uzaya vakumla fırlatılması işinin önemli bir bölümünü gerçekleştiren bloklarda kullanılır. Bu tür yakıtın yoğunluğunu artırmaya yönelik önlemlerden biri olarak, çamur benzeri hidrojenin, yani yarı donmuş bir "sıvı hidrojen" formunun kullanılması önerileri vardır.

Farklı oksitleyici maddelerle hidrojen

Veriler Termodinamik Veri Toplama Projesi kapsamında ABD'de yayınlanan tablolara dayanmaktadır" JANAF"(İngilizce) J merhem A rmi N kuş A IR F kuvvet , « ABD Donanması ve Ordu Hava Kuvvetleri Koleksiyonu"), bu amaçlar için yaygın olarak kullanılmaktadır. Başlangıçta hesaplamalar şirket tarafından yapıldı " Roketdyne" Bu durumda adyabatik yanmanın gerçekleştiği, tek yönde izantropik genleşmenin ve denge durumunda bir kaymanın meydana geldiği varsayımları yapılmıştır. Hidrojeni yakıt olarak kullanma seçeneğine ek olarak, hidrojeni çalışma sıvısı olarak kullanma seçenekleri de vardır, bu da düşük moleküler ağırlığıyla açıklanmaktadır. Tüm veriler yanma odasındaki basınç için hesaplanır (“ KS"), 68,05 atmosfere eşittir. Tablonun son satırı hidrojen ve oksijen gazlarına ilişkin verileri içermektedir.

68,05 atm'den koşullara kadar optimum genişleme:			Dünya yüzeyi (1 atm)					vakum (0 atm, nozül genleşmesi 40:1)
Oksitleyici	Yakıt	Bir yorum	V e	R	Tc	D	C*	V e	R	Tc	D	C*
FÜME BALIK	H2	yaygın	3816	4.13	2740	0.29	2416	4462	4.83	2978	0.32	2386
	H 2 - 49/51		4498	0.87	2558	0.23	2833	5295	0.91	2589	0.24	2850
	CH4/H2 92,6/7,4		3126	3.36	3245	0.71	1920	3719	3.63	3287	0.72	1897
F2	H2		4036	7.94	3689	0.46	2556	4697	9.74	3985	0.52	2530
	H 2 - 65,2/34,0		4256	0.96	1830	0.19	2680
	H2-Li 60,7/39,3							5050	1.08	1974	0.21	2656
2'DEN	H2		4014	5.92	3311	0.39	2542	4679	7.37	3587	0.44	2499
F2/O2 30/70	H2		3871	4.80	2954	0.32	2453	4520	5.70	3195	0.36	2417
GOX	GH 2		3997	3.29	2576	-	2550	4485	3.92	2862	-	2519

Tablo aşağıdaki gösterimi kullanır:	R	[-]	- karışımın kütle oranı " oksitleyici/yakıt»;
	V e	[/sn]	- ortalama gaz akış hızı;
	C*	[/sn]	- karakteristik hız;
	Tc	[°C]	- yanma odasındaki sıcaklık;
	D	[/cm³]	- yakıt ve oksitleyicinin ortalama yoğunluğu;

burada " V e" Özgül itki ile aynı birimdir ancak hız boyutuna indirgenmiştir [ *saniye/kg], A " C*» Yanma odasındaki basıncın meme alanının genleşme katsayısıyla çarpılması ve daha sonra birim kütle başına hız artışını veren yakıt ve oksitleyicinin kütle akışına bölünmesiyle hesaplanır.

Ayrıca bakınız

Tehlike

Sıvı hidrojen insanlar için oldukça tehlikelidir. LH'nin ciltle teması donmalara neden olabilir ve buharların solunması akciğer ödemine yol açabilir.

"Sıvı Hidrojen" makalesi hakkında yorum yazın

Notlar

Bağlantılar

• , Hidrojen

Sıvı Hidrojeni karakterize eden alıntı

- Tanrım İsa Mesih! - dedi.
Mavra Kuzminishna yaralı adamı eve taşımayı teklif etti.
"Beyler hiçbir şey söylemeyecek..." dedi. Ancak merdivenleri çıkmaktan kaçınmak gerekiyordu ve bu nedenle yaralı adam ek binaya taşınarak Bayan Schoss'un eski odasına yatırıldı. Yaralı adam Prens Andrei Bolkonsky'ydi.

Moskova'nın son günü geldi. Açık, neşeli bir sonbahar havasıydı. Pazar günüydü. Sıradan pazar günleri olduğu gibi tüm kiliselerde ayin duyurusu yapıldı. Görünüşe göre hiç kimse Moskova'yı neyin beklediğini henüz anlayamıyordu.
Toplumun durumuna ilişkin yalnızca iki gösterge, Moskova'nın içinde bulunduğu durumu ifade ediyordu: mafya, yani yoksul insanlar sınıfı ve nesnelerin fiyatları. Fabrika işçileri, avlu işçileri ve köylüler, aralarında memurların, din adamlarının ve soyluların da bulunduğu büyük bir kalabalıkla sabah erkenden Üç Dağ'a çıktılar. Orada durup Rostopchin'i beklemeyen ve Moskova'nın teslim olmasını sağlayan bu kalabalık, Moskova'nın her yerine içkihanelere ve meyhanelere dağıldı. O günkü fiyatlar da durumun göstergesiydi. Silah, altın, at arabası ve at fiyatları artmaya devam etti, kağıt parçaları ve şehir eşyalarının fiyatları düşmeye devam etti, böylece gün ortasında taksicilerin pahalı malları götürdüğü durumlar oluyordu. hiçbir şey karşılığında kumaş ve bir köylünün atı için beş yüz ruble ödedi; mobilyalar, aynalar, bronzlar bedava dağıtıldı.
Sakin ve eski Rostov evinde, önceki yaşam koşullarının parçalanması çok zayıf bir şekilde ifade edildi. İnsanlarla ilgili tek şey o gece kocaman bir avludan üç kişinin ortadan kaybolmasıydı; ama hiçbir şey çalınmadı; ve eşyaların fiyatlarıyla ilgili olarak, köylerden gelen otuz arabanın, birçok kişinin kıskandığı ve bunun için Rostov'lara büyük miktarlarda para teklif edildiği muazzam bir zenginlik olduğu ortaya çıktı. Sadece bu arabalar için büyük miktarlarda para teklif etmekle kalmıyorlardı, aynı zamanda 1 Eylül akşamı ve sabahın erken saatlerinden itibaren, yaralı memurların gönderdiği görevliler ve hizmetçiler Rostov'ların avlusuna geldiler ve yaralılar da Rostov'ların yanına yerleştirildi. ve komşu evlerde sürüklendiler ve Rostov halkına Moskova'dan ayrılmaları için araba verilmesine dikkat etmeleri için yalvardılar. Bu tür taleplerin kendisine iletildiği uşak, yaralılar için üzülmesine rağmen, bunu konta bildirmeye bile cesaret edemeyeceğini söyleyerek kararlılıkla reddetti. Geriye kalan yaralılar ne kadar acınası olursa olsun, bir arabadan vazgeçerlerse diğerinden vazgeçmemeleri, her şeyden ve mürettebatından vazgeçmemeleri için hiçbir neden olmadığı açıktı. Otuz araba tüm yaralıları kurtaramadı ve genel felakette kendinizi ve ailenizi düşünmemek imkansızdı. Uşak efendisi için böyle düşünmüş.
Ayın 1'inin sabahı uyanan Kont İlya Andreich, sabah yeni uyuyan kontesi uyandırmamak için sessizce yatak odasından çıktı ve mor ipek elbisesiyle verandaya çıktı. Bağlanmış arabalar bahçede duruyordu. Verandada arabalar duruyordu. Uşak girişte durmuş, yaşlı hademeyle ve kolu bağlı genç, solgun memurla konuşuyordu. Sayımı gören uşak, memura ve görevliye gitmesi için anlamlı ve sert bir işaret yaptı.
- Her şey hazır mı Vasilich? - dedi sayım, kel kafasını ovuşturarak ve iyi huylu bir şekilde memura ve görevliye bakıp başını onlara doğru sallayarak. (Kont yeni yüzleri severdi.)
- En azından şimdi kullanın, Ekselansları.
- Bu harika, kontes uyanacak ve Tanrı seni korusun! Ne yapıyorsunuz beyler? – memura döndü. - Evimde? – Memur yaklaştı. Solgun yüzü aniden parlak bir renkle kızardı.
- Kont, bana bir iyilik yap, izin ver... Allah aşkına... arabalarının bir yerine sığınayım. İşte yanımda hiçbir şey yok... Arabanın içindeyim... fark etmez... - Memurun sözünü bitirmesine zaman kalmadan, hademe, efendisine aynı ricada bulunarak konta döndü.
- A! Kont aceleyle, "Evet, evet, evet" dedi. - Çok çok mutluyum. Vasilich, sen bir veya iki arabanın temizlenmesi için emir veriyorsun, yani... yani... ne gerekiyorsa... - kont bazı belirsiz ifadelerle bir şeyler sipariş ettiğini söyledi. Ancak aynı anda memurun şükran dolu ifadesi, siparişini zaten sağlamlaştırdı. Kont etrafına baktı: avluda, kapıda, ek binanın penceresinde yaralılar ve görevliler görülebiliyordu. Hepsi konta baktılar ve verandaya doğru ilerlediler.
- Lütfen Ekselansları, galeriye: Resimler hakkında ne sipariş ediyorsunuz? - dedi uşak. Ve kont, gitmek isteyen yaralıları reddetmeme emrini tekrarlayarak onunla birlikte eve girdi.
Sanki birisinin onu duymasından korkuyormuşçasına, sakin, gizemli bir sesle, "Eh, bir şeyleri bir araya getirebiliriz," diye ekledi.
Saat dokuzda kontes uyandı ve kontesle ilgili olarak jandarma şefi olarak görev yapan eski hizmetçisi Matryona Timofeevna, eski genç hanımına Marya Karlovna'nın çok kırıldığını ve genç hanımların yazlık elbiseler burada kalamazdı. Kontes bana Schoss'un neden gücendiğini sorduğunda, göğsünün arabadan çıkarıldığı ve tüm arabaların çözüldüğü ortaya çıktı - malları kaldırıyorlardı ve kontun sadeliğiyle yaralıları yanlarında götürüyorlardı. , yanına alınmasını emretti. Kontes kocasını istemeyi emretti.
– Ne oldu dostum, yine bir şeylerin kaldırıldığını duydum?
- Biliyor musun ma chere, sana şunu söylemek istedim... ma chere kontes... bir subay yanıma geldi ve yaralılar için birkaç araba vermemi istedi. Sonuçta bunların hepsi kazançlı bir iş; Ama bir düşünün, onlar için kalmak nasıl bir şey!.. Gerçekten bizim bahçemizde onları kendimiz davet ettik, burada memurlar var. Biliyor musun, sanırım, tamam, ma chere, işte, ma chere... bırakın alsınlar... aceleniz ne?.. - Konu paraya gelince her zaman söylediği gibi Kont bunu çekingen bir şekilde söyledi. Kontes, bir tür galeri, sera inşaatı, ev sineması veya müzik düzenleme gibi her zaman çocukları mahveden bir görevin öncesinde gelen bu tona alışmıştı ve buna alışmıştı ve bunu kendi görevi olarak görüyordu. Bu ürkek ses tonuyla ifade edilene her zaman direnin.
İtaatkar bir şekilde içler acısı görünümünü aldı ve kocasına şöyle dedi:
"Dinle Kont, işi ev için hiçbir şey vermeyecek noktaya getirdin ve şimdi de çocuklarımızın tüm servetini mahvetmek istiyorsun." Sonuçta evde yüzbinlerce eşya var diyorsunuz. Ben arkadaşım, ne katılıyorum ne de katılıyorum. Senin iraden! Yaralıların yanında devlet var. Biliyorlar. Bakın: Caddenin karşısında, Lopukhin'lerin evinde, sadece üç gün önce her şeyi aldılar. İnsanlar bunu böyle yapıyor. Tek aptal biziz. En azından bana acı, ama çocuklara.
Kont ellerini salladı ve hiçbir şey söylemeden odadan çıktı.
- Baba! Neden bahsediyorsun? - Natasha onu annesinin odasına kadar takip ederek söyledi.
- Hiç bir şey! Ne umurunda? – dedi Kont öfkeyle.
"Hayır, duydum" dedi Nataşa. - Annem neden istemiyor?
- Ne umurunda? - sayım bağırdı. Natasha pencereye gitti ve düşündü.
Pencereden dışarı bakarak, "Baba, Berg bizi görmeye geldi" dedi.

Rostov'ların damadı Berg, zaten Vladimir ve Anna'nın boynunda olduğu bir albaydı ve genelkurmay başkan yardımcısı, ikinci kolordu genelkurmay başkanının ilk departmanının yardımcısı olarak aynı sakin ve hoş yeri işgal ediyordu. .
1 Eylül'de ordudan Moskova'ya geldi.
Moskova'da yapacak hiçbir şeyi yoktu; ancak ordudaki herkesin Moskova'ya gitmek istediğini ve orada bir şeyler yaptığını fark etti. Ayrıca ev ve aile meseleleri için izin almanın gerekli olduğunu düşünüyordu.
Berg, bir çift iyi beslenmiş savrasenki üzerindeki düzgün arabasıyla, tıpkı bir prensinkinin aynısı, kayınpederinin evine doğru yola çıktı. Avluya, arabalara dikkatlice baktı ve verandaya girerek temiz bir mendil çıkardı ve bir düğüm attı.
Berg salondan sabırsız bir adımla oturma odasına koştu ve sayıma sarıldı, Natasha ve Sonya'nın ellerini öptü ve aceleyle annesinin sağlığını sordu.
- Şu an sağlığın nasıl? Peki söyle bana,” dedi kont, “birliklere ne olacak?” Geri mi çekiliyorlar yoksa başka bir savaş mı olacak?
"Ebedi bir tanrı baba," dedi Berg, "anavatanın kaderine karar verebilir." Ordu kahramanlık ruhuyla yanıyor ve şimdi liderler tabiri caizse bir toplantı için toplanmış durumda. Ne olacağı bilinmiyor. Ama genel olarak sana anlatacağım baba, Rus birliklerinin ne kadar kahramanca bir ruha sahip olduğunu, gerçekten kadim cesaretini - onlar - o,” diye düzeltti kendi kendine, “26'sındaki bu savaşta gösterdi ya da gösterdi, buna dair tek kelime yok anlatmaya değer... Anlatacağım baba (önünde konuşan bir generalin kendi kendine vurması gibi kendi göğsüne vurdu, biraz geç de olsa, çünkü kendi kendine vurması gerekirdi) sandıkta "Rus ordusu") - Açıkça söyleyeyim, biz liderler, "Sadece askerleri ya da buna benzer şeyleri teşvik etmemeliydik, aynı zamanda bunları, bunları zorla durdurabilirdik... evet, cesur ve kadim başarılar," dedi hızlıca. – General Barclay, Tolly'den önce her yerde ordunun önünde canını feda etmişti, size söyleyeyim. Kolordumuz dağın yamacına yerleştirildi. Hayal edebilirsin! - Ve sonra Berg, bu süre zarfında duyduğu çeşitli hikayelerden hatırladığı her şeyi anlattı. Natasha, Berg'in kafasını karıştıran bakışlarını indirmeden, sanki yüzündeki bir soruya çözüm arıyormuş gibi ona baktı.
– Genel olarak Rus askerlerinin gösterdiği gibi bu tür bir kahramanlık hayal edilemez ve hak ettiği şekilde övülemez! - Berg, Natasha'ya dönüp sanki onu yatıştırmak istermiş gibi ısrarcı bakışlarına karşılık gülümseyerek dedi ki... - "Rusya Moskova'da değil, oğullarının kalbinde!" Değil mi baba? - dedi Berg.
Bu sırada kontes yorgun ve tatminsiz bir halde kanepeden çıktı. Berg aceleyle ayağa fırladı, kontesin elini öptü, sağlığını sordu ve başını sallayarak sempatisini ifade ederek yanında durdu.
– Evet anne, sana gerçekten söyleyeyim, her Rus için zor ve üzücü zamanlar. Ama neden bu kadar endişeleniyorsun? Gitmek için hâlâ vaktin var...
Kontes kocasına dönerek, "İnsanların ne yaptığını anlamıyorum," dedi, "bana henüz hiçbir şeyin hazır olmadığını söylediler." Sonuçta birinin emir vermesi gerekiyor. Mitenka'ya pişman olacaksın. Bu hiç bitmeyecek mi?
Kont bir şeyler söylemek istedi ama görünüşe göre kendini tuttu. Sandalyesinden kalkıp kapıya doğru yürüdü.
Berg bu sırada burnunu sümkürmek ister gibi bir mendil çıkardı ve pakete bakarak üzgün ve anlamlı bir şekilde başını sallayarak düşündü.
“Ve senden büyük bir isteğim var baba” dedi.
“Hım?..” dedi sayım, durarak.
Berg gülerek, "Şu anda Yusupov'un evinin önünden geçiyorum" dedi. "Müdürün koşarak dışarı çıktığını biliyorum ve sana bir şey satın alıp almayacağını sordu." Merakımdan içeri girdim, orada sadece bir gardırop ve tuvalet vardı. Veruschka'nın bunu ne kadar istediğini ve bu konuda nasıl tartıştığımızı biliyorsun. (Berg, gardırop ve tuvaletten bahsetmeye başladığında istemsizce kendi sağlığıyla ilgili sevinçli bir tona geçti.) Ve ne büyük bir zevk! bir İngiliz sırrıyla ortaya çıkıyor, biliyor musun? Ancak Verochka bunu uzun zamandır istiyordu. Bu yüzden ona sürpriz yapmak istiyorum. Bu adamların çoğunu bahçenizde gördüm. Bana bir tane ver lütfen, ona iyi para ödeyeceğim ve...
Kont kaşlarını çattı ve öğürdü.
- Kontes'e sor ama ben emir vermiyorum.
Berg, "Eğer zorsa lütfen yapmayın" dedi. “Bunu Verushka için gerçekten çok isterim.”
"Ah, hepiniz cehenneme, cehenneme, cehenneme, cehenneme!" diye bağırdı eski kont. - Başım dönüyor. - Ve odadan çıktı.
Kontes ağlamaya başladı.
- Evet evet anneciğim, çok zor zamanlar! - dedi Berg.
Natasha babasıyla birlikte dışarı çıktı ve sanki bir şeyi anlamakta güçlük çekiyormuş gibi önce onu takip etti, sonra aşağıya koştu.
Petya verandada durup Moskova'dan gelen insanları silahlandırıyordu. Rehinli arabalar hâlâ bahçede duruyordu. Bunlardan ikisinin bağı çözülmüştü ve bir görevlinin desteklediği bir subay bunlardan birine tırmandı.
- Neden biliyor musun? - Petya, Natasha'ya sordu (Natasha, Petya'nın babasıyla annesinin neden kavga ettiğini anladığını anladı). Cevap vermedi.
Petya, "Çünkü babam tüm arabaları yaralılara vermek istedi" dedi. - Vasilich bana söyledi. Bence…
Natasha, "Bence," diye küskün yüzünü Petya'ya çevirerek neredeyse çığlık attı, "bana göre bu çok iğrenç, çok iğrenç, öyle... Bilmiyorum!" Biz bir tür Alman mıyız?.. - Sarsıcı hıçkırıklarla boğazı titriyordu ve öfkesinin yükünü boşuna zayıflatmaktan ve salıvermekten korkarak döndü ve hızla merdivenlerden yukarı koştu. Berg, Kontes'in yanına oturdu ve onu benzer bir saygıyla rahatlattı. Kont, elinde pipoyla odanın içinde dolaşırken, Natasha öfkeden yüzü şekli bozulan bir fırtına gibi odaya daldı ve hızla annesine doğru yürüdü.
- Bu iğrenç! Bu bir iğrençlik! - çığlık attı. - Sipariş etmiş olamazsın.
Berg ve Kontes ona şaşkınlık ve korkuyla baktılar. Kont pencerenin önünde durup dinledi.
- Anne, bu imkansız; bak bahçede ne var! - çığlık attı. - Kalıyorlar!..
- Sana ne oldu? Onlar kim? Ne istiyorsun?

Hidrojen deposu.

Gladysheva Marina Alekseevna, 10A, okul No. 75, Çernogolovka. "Bilime Başlayın" konferansındaki rapor, MIPT, 2004.

Hidrojenin evrensel bir enerji taşıyıcısı olarak çekiciliği, çevre dostu olması, esnekliği ve katılımını içeren enerji dönüşüm süreçlerinin verimliliği ile belirlenir. Çok ölçekli hidrojen üretimine yönelik teknolojiler oldukça iyi gelişmiştir ve neredeyse sınırsız bir hammadde tabanına sahiptir. Bununla birlikte, hidrojen gazının düşük yoğunluğu, sıvılaşma sıcaklığının düşük olması ve patlama tehlikesinin yüksek olması, yapısal malzemelerin özellikleri üzerindeki olumsuz etkiyle birleştiğinde, etkili ve güvenli hidrojen depolama sistemlerinin geliştirilmesi sorunlarını ön plana çıkarmaktadır. - Hidrojen enerjisi ve teknolojisinin gelişimini şu anda engelleyen sorunlar bunlardır.

ABD Enerji Bakanlığı'nın sınıflandırmasına göre hidrojen yakıt depolama yöntemleri 2 gruba ayrılabilir:

Birinci grup, hidrojen gazını kompakt bir duruma dönüştürmek için fiziksel süreçleri (temel olarak sıkıştırma veya sıvılaştırma) kullanan fiziksel yöntemleri içerir. Fiziksel yöntemler kullanılarak depolanan hidrojen H2 moleküllerinden oluşur , depolama ortamıyla zayıf etkileşime giriyor. Günümüzde hidrojen depolamak için aşağıdaki fiziksel yöntemler uygulanmıştır:

Sıkıştırılmış hidrojen gazı:

gaz silindirleri;

yer altı tankları dahil sabit masif depolama sistemleri;

boru hatlarında depolama;

cam mikroküreler.

Sıvı hidrojen: sabit ve taşıma kriyojenik kapları.

İÇİNDE kimyasal Yöntemlerde hidrojenin depolanması, belirli malzemelerle etkileşiminin fiziksel veya kimyasal süreçleriyle sağlanır. Bu yöntemler, moleküler veya atomik hidrojenin depolama ortamının malzemesi ile güçlü etkileşimi ile karakterize edilir. Bu grup yöntemler esas olarak aşağıdakileri içerir:

Adsorpsiyon:

zeolitler ve ilgili bileşikler;

Aktif karbon;

hidrokarbon nanomalzemeleri.

Malzeme hacmi başına emme(metal hidrürler)

Kimyasal etkileşim:

alonatlar;

fullerenler ve organik hidritler;

amonyak;

sünger demir;

alüminyum ve silikon bazlı suyla reaksiyona giren alaşımlar.

Hidrojen gazı depolama doğal gazın depolanmasından daha karmaşık bir sorun değildir. Uygulamada bu amaçla gaz tankları, doğal yer altı rezervleri (akiferler, tükenmiş petrol ve gaz sahaları) ve yer altı atom patlamalarının oluşturduğu depolama tesisleri kullanılmaktadır. Sondajlar yoluyla tuzun su ile çözülmesiyle oluşturulan tuz mağaralarında hidrojen gazının depolanmasının temel olasılığı kanıtlanmıştır.

Hidrojen gazını 100 MPa'ya kadar basınçlarda depolamak için iki veya çok katmanlı duvarlara sahip kaynaklı kaplar kullanılır. Böyle bir kabın iç duvarı östenitik paslanmaz çelikten veya yüksek basınç koşullarında hidrojenle uyumlu başka bir malzemeden yapılır, dış katmanlar yüksek mukavemetli çeliklerden yapılır. Bu amaçlar için, 40 - 70 MPa'ya kadar basınçlar için tasarlanmış, düşük karbonlu çeliklerden yapılmış dikişsiz kalın duvarlı kaplar da kullanılmaktadır.

Hidrojen gazının su havuzlu gaz tutucularda (ıslak gaz tutucular), sabit basınçlı pistonlu gaz tutucularda (kuru gaz tutucular) ve sabit hacimli gaz tutucularda (yüksek basınçlı tanklar) depolanması yaygınlaşmıştır. Silindirler az miktarda hidrojen depolamak için kullanılır.

Kaynaklı yapıdaki ıslak ve kuru (pistonlu) gaz tanklarının yeterli sızdırmazlığa sahip olmadığı unutulmamalıdır. Teknik şartlara göre 3000 m3'e kadar kapasiteye sahip ıslak gaz tanklarının normal çalışması sırasında hidrojen sızıntısına izin verilmektedir. 3 – yaklaşık %1,65 ve 3000 m'den başlayan kapasiteyle 3 ve daha fazlası - günde yaklaşık% 1,1 (gaz tankının nominal hacmine göre).

Büyük miktarlarda hidrojeni depolamanın en umut verici yollarından biri onu akiferlerde depolamaktır. Bu depolama yöntemiyle yıllık kayıplar %1 ile %3 arasında değişmektedir. Bu kayıp miktarı doğal gaz depolama deneyimiyle doğrulanmaktadır.

Hidrojen gazı, 20 MPa'ya kadar basınç altında çelik kaplarda depolanabilir ve taşınabilir. Bu tür konteynerler, otomobil veya demiryolu platformları üzerinde tüketim noktasına hem standart konteynerler hem de özel tasarım konteynerler ile taşınabilmektedir.

Küçük miktarlarda sıkıştırılmış hidrojenin –50 ile +60 arasındaki sıcaklıklarda depolanması ve taşınması için 0 C 12 dm'ye kadar küçük kapasiteli çelik dikişsiz silindirler kullanın 3 ve ortalama kapasite 20 – 50 dm 3 20 MPa'ya kadar çalışma basıncı ile. Valf gövdesi pirinçten yapılmıştır. Silindirler koyu yeşil renktedir ve kırmızı renkte "Hidrojen" yazısı bulunur.

Hidrojen depolama silindirleri oldukça basit ve kompakttır. Ancak 2 kg N depolamak için 2 33 kg ağırlığında cıvatalar gereklidir. Malzeme bilimindeki ilerleme, silindir malzemesinin kütlesini 1 kg hidrojen başına 20 kg'a, gelecekte ise 8-10 kg'a düşürmeyi mümkün kılmaktadır. Şimdiye kadar, silindirlerde depolanan hidrojenin kütlesi, silindirin kendi kütlesinin yaklaşık %2-3'ü kadardır.

Büyük basınçlı gaz tanklarında büyük miktarlarda hidrojen depolanabilir. Gaz tankları genellikle karbon çeliğinden yapılır. İçlerindeki çalışma basıncı genellikle 10 MPa'yı geçmez. Hidrojen gazının yoğunluğunun düşük olması nedeniyle bu tür kaplarda saklanması yalnızca nispeten küçük miktarlarda faydalıdır. Basıncın belirtilen değerin üzerine, örneğin yüzlerce mega Pascal'a çıkarılması, öncelikle karbon çeliklerinin hidrojen korozyonu ile ilgili zorluklara neden olur ve ikinci olarak, bu tür kapların maliyetinde önemli bir artışa yol açar.

Çok büyük miktarlarda hidrojenin depolanması için uygun maliyetli bir yöntem, tükenmiş gazın ve yeraltı sularının depolanmasıdır. Amerika Birleşik Devletleri'nde 300'den fazla yer altı gaz depolama tesisi bulunmaktadır.

Çok büyük miktarlardaki hidrojen gazı, 365 m derinliğindeki tuz mağaralarında, 5 MPa hidrojen basıncında, 20 10'a kadar gaz içeren gözenekli su dolu yapılarda depolanır. 6 m3 hidrojen.

% 50 hidrojen içeren gazın yer altı gaz depolama tesislerinde uzun süreli (10 yıldan fazla) depolanması deneyimi, gözle görülür sızıntılar olmadan depolanmasının tam olasılığını göstermiştir. Suya batırılmış kil katmanları, hidrojenin su içinde zayıf çözünmesi nedeniyle hava geçirmez şekilde kapatılmış depolama sağlayabilir.

Sıvı hidrojen depolama

Hidrojenin sıvı formda depolanırken göz önünde bulundurulması gereken birçok benzersiz özelliği arasında bir tanesi özellikle önemlidir. Sıvı haldeki hidrojen dar bir sıcaklık aralığında bulunur: 20K kaynama noktasından katı duruma dönüştüğü 17K donma noktasına kadar. Sıcaklık kaynama noktasının üzerine çıkarsa hidrojen anında sıvıdan gaza dönüşür.

Yerel aşırı ısınmayı önlemek için, sıvı hidrojenle dolu kaplar, hidrojenin kaynama noktasına yakın bir sıcaklığa kadar önceden soğutulmalıdır, ancak o zaman sıvı hidrojenle doldurulabilirler. Bunu yapmak için, kabı soğutmak için yüksek hidrojen tüketimiyle ilişkili sistemden soğutma gazı geçirilir.

Hidrojenin sıvı halden gaz haline geçişi, buharlaşmadan kaynaklanan kaçınılmaz kayıplarla ilişkilidir. Buharlaşan gazın maliyeti ve enerji içeriği önemlidir. Bu nedenle bu gazın kullanımının ekonomik ve güvenlik açısından organize edilmesi gerekmektedir. Kriyojenik bir kabın güvenli çalışması için şartlara göre, kap içindeki maksimum çalışma basıncına ulaşıldıktan sonra gaz boşluğunun en az %5 olması gerekir.

Sıvı hidrojen depolama tankları için bir takım gereksinimler vardır:

tankın tasarımı sağlamlık, güvenilirlik ve uzun süreli güvenli çalışmayı sağlamalıdır;

depolama tesisini sıvı hidrojenle doldurmadan önce ön soğutmak için sıvı hidrojen tüketimi minimum düzeyde olmalıdır;

Depolama tankı, sıvı hidrojenle hızlı doldurma ve depolanan ürünün hızlı bir şekilde dağıtılması için bir araçla donatılmalıdır.

Kriyojenik hidrojen depolama sisteminin ana kısmı, kütlesi yüksek basınç altında silindir depolamaya göre 1 kg depolanan hidrojen başına yaklaşık 4-5 kat daha az olan termal olarak yalıtılmış kaplardır. Sıvı hidrojen için kriyojenik depolama sistemlerinde, 1 kg hidrojen, kriyojenik bir kabın kütlesinin 6-8 kg'ını oluşturur ve hacimsel özellikler açısından, kriyojenik kaplar, 40 MPa basınç altında gaz halindeki hidrojenin depolanmasına karşılık gelir.

Sıvı hidrojen, hacmi 5 bin m3'e kadar olan özel depolama tesislerinde büyük miktarlarda depolanır. 3 . Sıvı hidrojen için 2850 m3 hacme sahip büyük küresel depolama tesisi 3 Alüminyum kürenin iç çapı 17,4 m'dir 3 .

Hidrojenin kimyasal olarak bağlı durumda depolanması ve taşınması

Hidrojenin amonyak, metanol, etanol formunda uzun mesafelerde depolanması ve taşınmasının avantajları, hacimsel hidrojen içeriğinin yüksek yoğunluğunun olmasıdır. Ancak bu hidrojen depolama biçimlerinde depolama ortamı bir kez kullanılır. Amonyağın sıvılaşma sıcaklığı 239,76 K, kritik sıcaklığı 405 K'dir, yani normal sıcaklıkta amonyak 1,0 MPa basınçta sıvılaşır ve borular aracılığıyla taşınarak sıvı halde depolanabilir. Temel Oranlar aşağıda verilmiştir:

1 m3 N2 (g) » 0,66 m3 NH3 » 0?75 dm3 H2 (l);

1 t NH3 » 1975 m3 N2 + 658 m3 N2 – 3263 MJ;

2NH3?N2 + 3H2 – 92 kJ.

Yaklaşık 1173 - 1073 K sıcaklıklarda ve atmosferik basınçta meydana gelen amonyağın (krakerler) ayrışmasına yönelik ayırıcılar, amonyağı sentezlemek için kullanılmış bir demir katalizörü kullanır. Bir kg hidrojen üretmek için 5,65 kg amonyak tüketilir. Bu ısıyı dışarıdan kullanırken amonyağın ayrışması için ısı tüketimine gelince, ortaya çıkan hidrojenin yanma ısısı, ayrışma sürecinde kullanılan amonyağın yanma ısısından %20'ye kadar daha yüksek olabilir. İşlemde elde edilen hidrojen ayrışma işlemi için kullanılıyorsa, böyle bir işlemin verimliliği (elde edilen gazın ısısının tüketilen amonyağın yanma ısısına oranı)% 60 - 70'i aşmaz.

Metanolden hidrojen iki şemaya göre elde edilebilir: ya katalitik ayrışma yoluyla:

CH3OH? CO+2H 2 – 90 kJ

ardından tek aşamada CO'nun katalitik dönüşümü veya katalitik buhar dönüşümü:

H2O + CH3OH?CO2 + 3H2 – 49 kJ.

Tipik olarak işlemde metanol sentezi için bir çinko-krom katalizörü kullanılır. İşlem 573 – 673 K'de gerçekleşir. Metanol, dönüşüm işlemleri için yakıt olarak kullanılabilir. Bu durumda, hidrojen üretim sürecinin verimliliği %65 – 70'tir (üretilen hidrojenin ısısının tüketilen metanolün yanma ısısına oranı); hidrojen üretme işlemi için ısı dışarıdan sağlanırsa, katalitik ayrışmayla elde edilen hidrojenin yanma ısısı %22'dir ve buharla reformasyonla elde edilen hidrojenin yanma ısısı, tüketilen metanolün yanma ısısından %15 daha yüksektir.

Atık ısıyı kullanarak ve metanol, amonyak veya etanolden elde edilen hidrojeni kullanarak bir enerji teknolojisi şeması oluştururken, bu ürünleri sentetik sıvı yakıtlar olarak kullanmaya kıyasla daha yüksek bir proses verimliliği elde etmenin mümkün olduğu yukarıdakilere eklenmelidir. Böylece, metanolün ve bir gaz türbini ünitesinin doğrudan yanması ile verimlilik% 35'tir, Egzoz gazlarının ısısı nedeniyle metanolün buharlaşması ve katalitik dönüşümü ve CO + H karışımının yanması gerçekleştirildiğinde 2 Verimlilik% 41,30'a yükselir ve elde edilen hidrojenin buhar reformasyonu ve yanması gerçekleştirilirken -% 41,9'a kadar.

Hidrit hidrojen depolama sistemi

Hidrojeni hidrit formunda depolayarak, sıkıştırılmış hidrojen gazını depolarken gereken hacimli ve ağır silindirlere veya sıvı hidrojeni depolamak için üretimi zor ve pahalı kaplara gerek kalmaz. Hidrojeni hidrür formunda depolarken sistemin hacmi, silindirlerdeki depolama hacmine göre yaklaşık 3 kat azalır. Hidrojenin taşınması basitleştirilmiştir. Hidrojenin dönüştürülmesi ve sıvılaştırılmasının hiçbir maliyeti yoktur.

Hidrojen, metal hidritlerden iki reaksiyonla elde edilebilir: hidroliz ve ayrışma.

Hidroliz yoluyla hidritte mevcut olanın iki katı kadar hidrojen elde etmek mümkündür. Ancak bu süreç pratik olarak geri döndürülemez. Bir hidrürün termal ayrışması yoluyla hidrojen üretme yöntemi, sistemdeki sıcaklık ve basınçtaki hafif bir değişikliğin hidrit oluşum reaksiyonunun dengesinde önemli bir değişikliğe neden olduğu hidrojen pilleri oluşturmayı mümkün kılar.

Hidrojeni hidrür formunda depolamak için kullanılan sabit cihazların kütle ve hacim konusunda katı kısıtlamaları yoktur, bu nedenle belirli bir hidrürün seçiminde sınırlayıcı faktör büyük olasılıkla maliyeti olacaktır. Bazı uygulamalar için vanadyum hidrit, 270 K'ye yakın bir sıcaklıkta iyi ayrıştığı için yararlı olabilir. Magnezyum hidrit nispeten ucuzdur, ancak 560 - 570 K gibi nispeten yüksek bir ayrışma sıcaklığına ve yüksek bir oluşum ısısına sahiptir. Demir-titanyum alaşımı nispeten ucuzdur ve hidriti, düşük bir oluşum ısısıyla 320 - 370 K sıcaklıklarda ayrışır. Hidridlerin kullanımının önemli güvenlik avantajları vardır. Hasarlı bir hidrojen hidrit kabı, hasarlı bir sıvı hidrojen tankına veya hidrojenle dolu basınçlı kaba göre önemli ölçüde daha az tehlike oluşturur.

Şu anda Çernogolovka'daki Rusya Bilimler Akademisi Kimyasal Fizik Enstitüsü'nde metal hidritlere dayalı hidrojen pilleri oluşturma çalışmaları sürüyor.

Kaynakça :

1. Dizin. "Hidrojen. Mülkiyet, teslim alma, depolama, nakliye, başvuru.” Moskova “Kimya” - 1989

2. “Hidrojen depolama yöntemlerinin gözden geçirilmesi.” Ukrayna Ulusal Bilimler Akademisi Malzeme Bilimi Sorunları Enstitüsü. http://shp.by.ru/sci/fullerene/rorums/ichms/2003/

Sıvı hidrojen, hidrojenin toplam durumlarından biridir. Bu elementin gaz ve katı halleri de vardır. Ve eğer gazlı form birçok kişi tarafından iyi biliniyorsa, diğer iki aşırı durum soru işaretleri doğuruyor.

Hikaye

Sıvı hidrojen ancak geçen yüzyılın otuzlu yıllarında elde edildi, ancak bundan önce kimya, bu gaz depolama ve uygulama yöntemine hakim olma konusunda uzun bir yol kat etmişti.

Yapay soğutma, on sekizinci yüzyılın ortalarında İngiltere'de deneysel olarak kullanılmaya başlandı. 1984 yılında sıvılaştırılmış kükürt dioksit ve amonyak üretildi. Bu çalışmalara dayanarak yirmi yıl sonra ilk buzdolabı geliştirildi ve otuz yıl sonra Perkins, icadı için resmi bir patent başvurusunda bulundu. 1851'de Atlantik Okyanusu'nun diğer tarafında John Gorey, bir klima yaratma hakkını talep etti.

Hidrojen ancak 1885'te Pole Wroblewski'nin makalesinde bu elementin 23 Kelvin'e, en yüksek sıcaklığın 33 Kelvin'e ve 13 atmosfere eşit olduğunu açıkladığında geldi. Bu açıklamanın ardından James Dewar 19. yüzyılın sonlarında sıvı hidrojen oluşturmaya çalıştı ancak kararlı bir madde yaratmayı başaramadı.

Fiziki ozellikleri

Bu, maddenin çok düşük yoğunluğuyla karakterize edilir - santimetre küp başına yüzlerce gram. Bu, sıvı hidrojeni depolamak için nispeten küçük kapların kullanılmasını mümkün kılar. Kaynama noktası sadece 20 Kelvin (-252 Celsius) olup, bu madde 14 Kelvin'de donar.

Sıvı kokusuz, renksiz ve tatsızdır. Oksijenle karıştırmak yarı yarıya patlamaya neden olabilir. Kaynama noktasına ulaşıldığında hidrojen gaz haline dönüşür ve hacmi 850 kat artar.

Sıvılaştırıldıktan sonra hidrojen, düşük basınçta ve 15 ila 19 Kelvin arasında değişen sıcaklıklarda tutulan yalıtımlı kaplara yerleştirilir.

Hidrojen bolluğu

Sıvı hidrojen yapay olarak üretilir ve doğal ortamda oluşmaz. Toplanma durumlarını hesaba katmazsak, hidrojen yalnızca Dünya gezegeninde değil, Evrende de en yaygın elementtir. Yıldızlar (Güneşimiz dahil) ondan yapılmıştır ve aralarındaki boşluk onunla doludur. Hidrojen, termonükleer füzyon reaksiyonlarında yer alır ve ayrıca bulutlar da oluşturabilir.

Yer kabuğunda bu element toplam madde miktarının yalnızca yüzde birini kaplar. Ekosistemimizde oynadığı rol, hidrojen atomu sayısının oksijenden sonra ikinci sırada yer almasıyla değerlendirilebilir. Gezegenimizde H2 rezervlerinin neredeyse tamamı bağlı durumdadır. Hidrojen tüm canlıların bir bileşenidir.

Kullanım

Benzin ve diğer petrol türevlerini depolamak için sıvı hidrojen (sıcaklık Celsius -252 derece) kullanılır. Ayrıca, yakıt olarak doğalgaz yerine sıvılaştırılmış hidrojeni kullanabilecek ulaşım konseptleri de şu anda oluşturuluyor. Bu, değerli minerallerin çıkarılmasının maliyetini azaltacak ve atmosfere verilen emisyonları azaltacaktır. Ancak şu ana kadar en uygun motor tasarımı bulunamadı.

Sıvı hidrojen, fizikçiler tarafından nötronlarla yapılan deneylerde soğutucu olarak aktif olarak kullanılıyor. Bir temel parçacığın ve bir hidrojen çekirdeğinin kütlesi hemen hemen eşit olduğundan, aralarındaki enerji alışverişi çok etkilidir.

Avantajlar ve engeller

Sıvı hidrojen, otomobillerde yakıt olarak kullanıldığında atmosferin ısınmasını yavaşlatma ve sera gazlarını azaltma potansiyeli sunuyor. Hava ile etkileşime girdiğinde (içten yanmalı bir motordan geçtikten sonra), su ve az miktarda nitrojen oksit oluşacaktır.

Ancak bu fikrin, gazın depolanma ve taşınma şeklinin yanı sıra yangın ve hatta patlama riskinin artması gibi kendi zorlukları da var. Tüm önlemler alınsa bile hidrojen buharlaşmasının önüne geçilemez.

Roket yakıtı

Sıvı hidrojen (20 Kelvin'e kadar depolama sıcaklığı) bileşenlerden biridir ve çeşitli işlevleri vardır:

1. Motor elemanlarının soğutulması ve nozulun aşırı ısınmaya karşı korunması.
2. Oksijenle karıştırılıp ısıtıldıktan sonra itme sağlanması.

Modern olanlar hidrojen ve oksijen kombinasyonuyla çalışır. Bu, yer çekiminin üstesinden gelmek için gereken hızın elde edilmesine ve aynı zamanda uçağın tüm parçalarının aşırı sıcaklıklara maruz kalmadan korunmasına yardımcı olur.

Şu anda hidrojenin tamamını yakıt olarak kullanan tek bir roket var. Çoğu durumda, roketlerin üst kademelerinin ayrılması için veya işlerinin çoğunu vakumda geçirecek cihazlarda sıvı hidrojene ihtiyaç duyulur. Yoğunluğunu artırmak için araştırmacılardan bu elementin yarı dondurulmuş formunun kullanılması yönünde önerilerde bulunuldu.

BÜYÜK ÖLÇEKLİ HİDROJEN ÜRETİMİ İÇİN YÖNTEMLER

Birçok bilim adamına göre hidrojen, geleceğin en umut verici ve çok yönlü enerji taşıyıcısı ve yakıtı olarak hizmet edebilir. Hidrojenin diğer yakıt türlerine göre yadsınamaz avantajı şudur: 1) hidrojen üretiminin hammaddesi sudur ve bu nedenle kaynakları pratik olarak sınırsızdır ve yenilenebilir, çünkü hidrojen yandığında tekrar suya dönüşür; 2) hidrojen çevresel açıdan ideal bir yakıttır; Yanmasının tek ürünü sudur; 3) hidrojen, hidrojenin ana başlangıç ​​reaktifi olduğu amonyak ve metanol sentezi gibi büyük ölçekli üretim de dahil olmak üzere kimya endüstrisi, metalurji, petrol rafinerisi için benzersiz bir hammaddedir; 4) moleküler hidrojen, karbondan (32,8 MJ/kg) neredeyse 4 kat daha fazla olan 125,5 MJ/kg'lık yüksek bir kalorifik değere sahiptir; 1 kg hidrojen ayrıca 1 kg yüksek kaliteli benzinden (40,3 MJ/kg) 3 kat daha fazla enerji içerir; 5) hidrojen mevcut gaz boru hattı sistemi kullanılarak herhangi bir mesafeye taşınabilir; aynı zamanda hidrojenin düşük yoğunluğu ve viskozitesi nedeniyle aynı gaz boru hatlarında taşınan gazın hacmini artırmak mümkündür; 6) hidrojen sıvılaştırılmış biçimde depolanabilir veya hidritler biçiminde biriktirilebilir; 7) Mevcut uçak ve otomobil motorlarında hidrojen kullanımı, bunlarda önemli değişiklikler gerektirmemektedir. Aynı durum evsel ısıtma sistemlerinde ve cihazlarda hidrojen kullanımı için de geçerlidir. Ancak hidrojenin mevcut yöntemlerle üretilmesi pahalıdır ve ulaşım ve enerji yakıtı olarak kullanımı henüz ekonomik değildir. Bu nedenle, büyük ölçekli hidrojen üretimi için temelde yeni yöntemler geliştirilmektedir.

Hidrojenin enerji taşıyıcısı ve yakıt olarak yaygın kullanımıyla birlikte aşağıdaki komplikasyonlar ortaya çıkabilir: 1) Hidrojenin yoğunluğu, doğal gazın yoğunluğundan 8 kat daha azdır ve bu nedenle hacimsel ısı kapasitesi 3,3 kat daha düşüktür. Bu, saf hidrojenin ulaşım motorlarında kullanılmasının önündeki ana engeldir. Mevcut hidritlerde hidrojen oranı hâlâ hidrürün ağırlığının %2'sinden fazla değildir. Yüksek hidrojen içeriğine sahip hidritlerin yanı sıra sıvı hidrojenin otomobil, uçak ve roket motorlarında taşınması, depolanması ve kullanılmasına yönelik yöntemler geliştiriyorlar; 2) Hidrojenin atmosferik basınçta (-253°C) sıvılaşma sıcaklığı, doğal gazınkinden (metan - 165°C) daha düşüktür. Sıvı halde saklandığında önemli miktarda hidrojen sızıntısı meydana gelebilir. Ancak depolama tesislerinin ve boru hatlarının duvarlarının çok katmanlı yalıtımı kullanılarak sıvı hidrojenin buharlaşması keskin bir şekilde azaltılabilir.

Hidrojenin maliyeti hala petrol ürünlerinden çok daha yüksek olduğundan, petrol ürünleri yerine otomobil yakıtına katkı maddeleri ile kullanılmaya başlandı. Ana yakıta %5-10 oranında hidrojen eklenmesinin, araçlardan kaynaklanan zararlı emisyonları önemli ölçüde azalttığı, aynı zamanda motor çalışmasının verimliliğini ve stabilitesini arttırdığı; yakıt tasarrufu %40'a ulaşıyor. Günümüzde birçok ülke, petrol ürünlerinin tüketimini ve emisyonların toksisitesini azaltmak için motor benzinine hidrojen ve metanol eklenmesini sağlamaktadır. Hidrojenin türevlerinden biri olan metanol sentez gazından elde edilir.

Hidrojen kimya endüstrisinde uzun süredir kullanılmaktadır ve kullanımını genişletmeye devam edecektir. Hidrojen artık aromatizasyon, reformasyon, hidrokraking, petrol ürünlerinin hidrojenlenmesi, kömürlerin hidrojenlenmesi ve hidrogazlaştırılması ve endüstrideki bir dizi diğer indirgeme işlemleri için bir nitrojen-hidrojen karışımı (amonyak sentezi) üretmek için yaygın olarak kullanılmaktadır.

Şu anda hidrojen üretimine yönelik ana endüstriyel yöntemler şunlardır: 1) doğal gaz metanının dönüştürülmesi ve ardından elde edilen karbon monoksitin (CO) dönüştürülmesi; 2) CO'nun sudan veya karışık jeneratör gazından katı yakıtın gazlaştırılmasına dönüştürülmesi; 3) kahverengi kömürlerin yarı koklaştırılmasından gaz dönüşümü; 4) kok fırını gazının, hidrojen dışındaki tüm bileşenlerin sıralı yoğunlaştırılmasıyla ayrılması; 5) suyun veya sulu sodyum klorür çözeltilerinin elektrolizi.

Uçucu yarı koklaşma ürünlerini ve jeneratör gazlarını dönüştürme yöntemleri, aşağıda tartışılan doğal gaz metanını dönüştürme yöntemine benzer.

Doğal gaz metanının buharla katalitik dönüşümü Hidrojen üretimi için önde gelen yöntem olarak hizmet vermektedir. Metan dönüşümünün birincil ürünü, hidrojen üretiminin yanı sıra metanol, yüksek alkoller, sentetik benzin, sentetik kurutma yağı, deterjanlar vb. üretmek için kullanılan sentez gazıdır. Metanın su buharı ile dönüştürülmesi de beklenmektedir. Demirin cevherlerden doğrudan indirgenmesi amacıyla indirgeyici gazlar (sentez gazı ile aynı bileşimde) üretmek için kullanılacaktır. Dönüşüm yönteminin özü, metanın ve homologlarının reaksiyonlara göre su buharı, oksijen veya karbondioksit ile oksidasyonudur:

CH 4 + H 2 OD CO + 3H 2, D N= +206 kJ(a)

CH 4 +0.5O 2 D CO + 2H 2, D N = – 35 kJ(b)

CH 4 + C02 D 2CO + 2H 2, D N= +248 kJ (v)

Metan homologlarının reaksiyonları benzer şekilde ilerler; örneğin:
C n H 2 n +2 + nH 2 O D nCO + (2n – 1) H 2

Karbon monoksitin su buharı ile ikincil dönüşüm reaksiyonu denkleme göre ilerler

CO + H2OD CO2 + H2, D N = – 41kJ(g)

Toplamda metanın su buharına dönüşümü ısının emilmesiyle gerçekleşir:

CH 4 + 2H 2 OD CO 2 + 4H 2, D N= +165kJ

Endüstride metanın atmosferik veya yüksek basınçta katalitik dönüşümü, katalitik olmayan yüksek sıcaklıkta dönüşümü ve metanın termal oksidatif pirolizi kullanılır. Katalizörlerin kullanılması işlemin hızını arttırır ve sıcaklığının düşürülmesini mümkün kılar, böylece metanın katalitik dönüşümü hakim olur. Denge dönüşüm derecesi ve gaz karışımındaki artık metan içeriği sıcaklığa, basınca ve başlangıç ​​reaktiflerinin: buhar: gaz oranına bağlıdır. 800 - 1000°C'de (a) ve (b) reaksiyonlarının denge sabitlerinin değerleri sırasıyla 1,4×10 4 ve 1,6×10 11'dir ve artık metan içeriği düşüktür. Ancak bu sıcaklıklarda katalizör olmadan dengeye ulaşma oranı hala düşüktür. Metanın katalitik dönüşümü için, 800°C'de hızlı bir şekilde dengeye ve buhar-gaz karışımının yüksek hacimsel hızlarına ulaşılan bir taşıyıcı - alüminyum oksit üzerinde bir nikel katalizörü kullanılır. Artan basınçla denge gazındaki metan içeriğinin artmasına rağmen, reaksiyon hızını arttırmak ve ekipmanın ve gaz boru hatlarının hacmini azaltmak için metan dönüşümü genellikle basınç altında gerçekleştirilir. Bu, tesise sağlanan doğal gazın doğal basıncını (1-4 MPa) kullanır.

Metanın ve homologlarının dönüşüm ürünü, %10-15 CO (hacimce) içeren sentez gazıdır; Hidrojen veya nitrojen-hidrojen karışımı elde etmek için ilave bir karbon monoksit dönüşüm işlemi gereklidir.

Karbon monoksitin su buharı ile dönüşümü, hacimde bir değişiklik olmaksızın tersinir bir ekzotermik reaksiyon (d) yoluyla ilerler. Bu nedenle basıncın arttırılması, hidrojenin denge verimini etkilemeden prosesin hızını arttırır. Sıcaklıktaki bir artış dengeyi başlangıç ​​ürünlerine doğru kaydırır (Şekil 1), ancak düşük sıcaklıklarda reaksiyon hızı, katalizörlerin varlığında bile düşüktür.

Başlangıç ​​karışımındaki su buharı içeriğinin arttırılması hidrojenin denge verimini arttırır.Karbon monoksitin dönüşümü için demir-krom ve çinko-krom-bakır katalizörleri kullanılır. Alüminyum, potasyum ve kalsiyum oksitleri tarafından desteklenen demir-krom, yalnızca 450-500°C'de, dönüştürülmemiş CO'nun en az %2-4'ü dönüştürülmüş ortamda kaldığında yeterli oranda CO dönüşümü sağlayan bir yüksek sıcaklık katalizörüdür. gaz. Dönüşümün ilk aşaması bu katalizör üzerinde gerçekleştirilir. Dönüşümün ikinci aşaması, düşük sıcaklıkta bir çinko-krom-bakır katalizörü üzerinde %0,2-0,4 artık CO içeriğine kadar gerçekleştirilir. Düşük sıcaklık katalizörü, kükürt içeren bileşiklere karşı demir-krom katalizörüne göre biraz daha duyarlıdır. Reaksiyonun ısısı, ilk dönüşüm aşamasından sonra geri kazanım kazanında buhar üretmek için kullanılır, bu da ikinci kataliz aşamasından önce daha düşük bir gaz sıcaklığına neden olur. Dönüştürülen gaz, CO2, dönüştürülmemiş CO ve kükürt içeren bileşiklerden arındırılmak üzere gönderilir. Safsızlıkların giderilmesinden sonra, gaz hidrojendir (eğer metan dönüşümü hava yokluğunda gerçekleştirilmişse) veya amonyak sentezi için bir nitrojen-hidrojen karışımıdır.

İncirde. Şekil 2, metanın doğal gazdan iki aşamalı dönüşümünün temel teknolojik diyagramını göstermektedir.

Yaklaşık 4 MPa basınç altındaki doğal gaz, bir ısıtıcıya tabi tutulur ve kükürt içeren bileşiklerden katalitik hidrojenasyon yoluyla hidrojen sülfüre saflaştırılır, ardından H2S adsorpsiyonu yapılır. Arıtılmış doğal gaz, su buharı ile bir buhar:gaz oranında karıştırılır = 3.7:1, bir ısı eşanjöründe ~ 380°C'ye ısıtılır ve boru şeklinde bir katalitik reaktöre dönüşümün birinci aşamasına beslenir; (a) reaksiyonuna göre metanın su buharı ile dönüşümü, doğal gazın bir kısmı reaktör fırınında yakıldığında oluşan gazlar tarafından ısıtılan nikel katalizörlü tüplerde 800-850°C'de meydana gelir.

Dönüşümün ilk aşamasından sonra, %9-10 CH4 içeren gaz hava ile karıştırılır ve şaft tipi bir katalitik reaktörde ikinci aşama olan oksijen buharına beslenir. İkinci dönüşüm aşamasında buhar:gaz oranı 0.8:1'dir, ekzotermik reaksiyonun (b) ısısından dolayı 900-1000°C sıcaklık korunur. Maden reaktörünü terk eden dönüştürülmüş gazın ısısı, yüksek parametrelere sahip buharın (10 MPa, 480°C) üretildiği bir geri kazanım kazanında kullanılır. Bir nitrojen-hidrojen karışımı elde etmek için, metan dönüşümünden elde edilen sentez gazı, iki aşamalı karbon monoksit dönüşümüne (bkz. reaksiyon (d)) önce demir-krom katalizörlü bir dönüştürücü reaktöre, ardından atık ısıya aktarılır. kazana ve daha sonra düşük sıcaklıkta çinko-krom-bakır katalizörlü bir dönüştürücüye dönüştürülür. Dönüştürülen gaz CO2, CO ve O2'den arındırılır. Son zamanlarda, doğal gaz yakmak yerine, boru şeklinde bir katalitik reaktörde meydana gelen reaksiyona/reaksiyonlara ısı sağlamak için metan dönüşüm şemasına bir nükleer reaktörün dahil edilmesi yönünde seçenekler geliştirildi. Bu amaçla, bir nükleer reaktörde ~900°C'ye ısıtılan bir soğutucu (helyum) reaktörün tüpler arası boşluğuna gönderilir. Boru şeklindeki reaktörden ~700°C'de çıkan helyumun ısısı ayrıca gaz türbinlerinde ve ayrıca başlangıçtaki buhar-gaz karışımını 500°C'ye ısıtmak ve su buharı üretmek için kullanılır.

Hidrojen üretmek için diğer hidrokarbon gazlarının dönüştürülmesi (yarı koklaştırma veya katı yakıtların gazlaştırılması) aynı teorik temellere ve benzer donanım tasarımına sahiptir.

Kok fırını gazının derin soğutmayla ayrılması, amonyak sentezi için hidrojen veya nitrojen-hidrojen karışımı üretmeye yönelik bir yöntem olarak hizmet eder. Yol boyunca etilen ve metan fraksiyonlarının yanı sıra bir karbon monoksit fraksiyonu da izole edilir. Bu yan ürünler organik sentez için değerli hammaddelerdir. Derin soğutma yöntemi kullanılarak kok fırını gazının hidrojen hariç tüm bileşenleri sıvı hale dönüştürülebilir.

Düşük sıcaklıkta ayırmadan önce, kok fırını gazı, düşük sıcaklıklarda kristalleşerek ısı değişim yüzeylerini bloke eden yüksek kaynama noktalı yabancı maddelerden (H 2 O, C 6 H 6, H 2 S, CO 2, NO x) derin saflaştırmaya tabi tutulur. ve ayrıca patlayıcı kompleksler (NOX) oluşturabilir. Kok fırını gazının ayrılması, ayrılan fraksiyonların soğuğu kullanılarak sıralı, çok aşamalı soğutma yoluyla yaklaşık 1,3 MPa'lık bir basınç altında gerçekleştirilir. Kok fırını gazının ayrıştırılması sonucunda %97'ye varan konsantrasyonda hidrojen elde edilebilmektedir.

Hidrojenin endüstriyel ve enerji amaçlı yaygın kullanımına yönelik uzun vadeli planlar için, rezervleri sınırsız olan en ucuz hammadde olan sudan büyük ölçekte üretilmesi planlanıyor. Sudan hidrojen üretimine yönelik mevcut ve gelişen yöntemler üç gruba ayrılır: 1) suyun elektrolizi; 2) termokimyasal yöntemler ve 3) kombine termo ve elektrokimyasal yöntemler.

Elektroliz- Sudan hidrojen üretmenin en gelişmiş yöntemi olup, ucuz elektriğin mevcut olduğu günümüzde küçük ölçekte kullanılmaktadır.

Termokimyasal yöntem hidrojen üretimine dayalı
helyum soğutmalı nükleer reaktörlerden elde edilmesi beklenen termal enerjiyi, reaktör çıkışındaki gaz soğutucunun ısısını kullanarak suyun ayrışması üzerine. Suyun reaksiyon yoluyla doğrudan ayrışması

2H 2 ÖD 2H 2 + Ö 2

Bunun için gereken yüksek sıcaklıkta (yaklaşık 1000°C) reaksiyonun denge sabiti yalnızca 1,48 × 10 –6 olduğundan bu mümkün değildir; bu, reaksiyon karışımındaki H2 ve O2'nin kısmi basıncına karşılık gelir. 10 –1 Pa sırası. Sürecin uygulanması, suyun doğrudan ayrışma reaksiyonunun, her biri için denge sabiti değerlerinin pratik için kabul edilebilir olduğu birkaç reaksiyondan oluşan bir termokimyasal döngü ile değiştirilmesiyle mümkündür. Nükleer reaktörlerin soğutma gazlarının ısısının kullanılması açısından erişilebilen sıcaklıklarda suyun ayrıştırılması için birçok termokimyasal döngü geliştirilmiş ve önerilmiştir. Önerilen döngülerin çoğunda, ara maddeler hidrojen veya oksijen için yüksek afiniteye sahiptir - bunlar halojenler, grup VI elementleri (kükürt), grup II metalleri (Mg, Ba, Ca) ve değişken oksidasyon durumlarına sahip geçiş elementleridir ( V, Fe). Aşağıda Veda'nın H2 ve O2'ye ayrışmasına yol açan termokimyasal reaksiyon döngüsünün bir örneği verilmiştir:

Hg (g) + 2HBr (g) D HgBr 2 (l) + H2 (g)

HgBr2 (l) + Ca (OH) 2 (s) = CaBr 2 (s) + HgO (s) + H 2 O (l)

HgO (k) = Hg (k) + 1/2O2 (g)

CaBr2 (p) + 2H20 (l) = Ca (OH) 2 (p)+ 2HBr (g)

Suyun ayrışmasının tüm termokimyasal süreci kapalı bir döngüdür, çünkü H2 ve O2 oluşumu için harcanan su hariç, tüm başlangıç ​​reaktifleri reaksiyon ürünlerinden ayrılır ve döngüye geri gönderilir. Maksimum reaksiyon sıcaklığı 700°C'yi aşmaz ve bir nükleer reaktörün çıkışında 800-900°C seviyesinde bir soğutucu sağlanabilir.

Şu anda, önerilen termokimyasal çevrimlerin hiçbiri henüz endüstride uygulanmamıştır ve çevrimlerin verimliliği ve bu yöntemle hidrojen üretimine ilişkin maliyet hesaplamaları henüz belirlenmemiştir.

Kombine yöntem Hidrojen üretimi, prosesin termo ve elektrokimyasal aşamalarının birleştirilmesinden oluşur. Kombine yöntemin beklenen avantajları, dikkate alınan yöntemlerin her birinin avantajlarının kullanılabilmesidir: elektrokimyasal yöntem iyi öğrenilmiştir ve basit donanım tasarımına sahiptir; termokimyasal yöntem ise daha ekonomiktir, ancak yeterince geliştirilmemiştir ve karmaşık aşamalar içerir. endüstriyel uygulama açısından zordur. Bir örnek, sudan hidrojen ve oksijen üretmek için sülfürik asit kombine döngüsüdür. Bu iki aşamalı bir işlemdir: İlk aşama 900°C'de gerçekleştirilen endotermik bir reaksiyondur:

H 2 SO 4 = H 2 O + SO 2 + 1/2O 2

İkincisi, sürecin düşük sıcaklıktaki elektrokimyasal aşamasıdır:

2H 2 Ö + SO 2 + 2e – = H 2 SO 4 + H 2

Denge sabiti ve teorik hidrojen verimi son derece küçük olduğundan reaksiyon yalnızca elektrolizle gerçekleştirilebilir.

25°C'de bu reaksiyon için gereken teorik voltaj, doğrudan su elektrolizinden daha azdır ve 0,17 V'tur (su elektrolizi için (1,23 V). Kombine kurulumun tahmini maliyeti, su elektrolizinden daha azdır. Toplam verimlilik prosesi, yaklaşık %35-37. Uzmanlara göre termokimyasal ve elektrokimyasal aşamaların kombinasyonu, sudan büyük ölçekli hidrojen üretimi için en umut verici yöndür.

Sıvı

Hidrojen(lat. Hidrojenyum; sembolüyle gösterilir H) periyodik element tablosunun ilk elementidir. Doğada yaygın olarak dağıtılır. Hidrojenin en yaygın izotopu olan 1H'nin katyonu (ve çekirdeği) protondur. 1H çekirdeğinin özellikleri, NMR spektroskopisinin organik maddelerin analizinde yaygın olarak kullanılmasını mümkün kılar.

Hidrojenin üç izotopunun kendi isimleri vardır: 1H - protium (H), 2H - döteryum (D) ve 3H - trityum (radyoaktif) (T).

Basit madde hidrojen - H2 - açık renksiz bir gazdır. Hava veya oksijenle karıştığında yanıcı ve patlayıcıdır. Toksik değildir. Etanolde ve bir dizi metalde çözünür: demir, nikel, paladyum, platin.

Hikaye

Asitlerin ve metallerin etkileşimi sırasında yanıcı gazların salınması, 16. ve 17. yüzyıllarda kimyanın bir bilim olarak oluşumunun şafağında gözlemlendi. Mikhail Vasilyevich Lomonosov da doğrudan izolasyonuna dikkat çekti, ancak bunun flojiston olmadığının kesinlikle farkındaydı. İngiliz fizikçi ve kimyager Henry Cavendish 1766 yılında bu gazı incelemiş ve ona “yanıcı hava” adını vermiştir. Yakıldığında "yanıcı hava" su üretiyordu, ancak Cavendish'in flojiston teorisine bağlılığı onun doğru sonuçlara varmasını engelledi. Fransız kimyager Antoine Lavoisier, mühendis J. Meunier ile birlikte 1783 yılında özel gazometreler kullanarak suyun sentezini ve ardından su buharını sıcak demirle ayrıştırarak analizini gerçekleştirdi. Böylece “yanıcı havanın” suyun bir parçası olduğunu ve ondan elde edilebileceğini tespit etti.

ismin kökeni

Lavoisier hidrojene, "su doğuran" anlamındaki hidrojen adını verdi. Rusça "hidrojen" adı, 1824'te kimyager M. F. Soloviev tarafından Slomonosov'un "oksijenine" benzetilerek önerildi.

Yaygınlık

Hidrojen evrende en bol bulunan elementtir. Tüm atomların yaklaşık %92'sini oluşturur (%8'i helyum atomudur, diğer tüm elementlerin toplam payı %0,1'den azdır). Dolayısıyla hidrojen, yıldızların ve yıldızlararası gazın ana bileşenidir. Yıldız sıcaklıkları koşullarında (örneğin Güneş'in yüzey sıcaklığı ~ 6000 °C), hidrojen plazma formunda bulunur; yıldızlararası uzayda bu element ayrı moleküller, atomlar ve iyonlar formunda bulunur ve oluşabilir Boyut, yoğunluk ve sıcaklık bakımından önemli ölçüde değişen moleküler bulutlar.

Yerkabuğu ve canlı organizmalar

Hidrojenin yer kabuğundaki kütle oranı %1'dir; en bol bulunan onuncu elementtir. Bununla birlikte, doğadaki rolü kütleye göre değil, diğer elementler arasında payı% 17 olan atom sayısına göre belirlenir (atomların payı ~% 52 olan oksijenden sonra ikinci sırada). Bu nedenle Dünya'da meydana gelen kimyasal işlemlerde hidrojenin önemi neredeyse oksijen kadar büyüktür. Dünya üzerinde hem bağlı hem de serbest halde bulunan oksijenin aksine, Dünya üzerindeki hidrojenin hemen hemen tamamı bileşikler halindedir; Atmosferde yalnızca çok az miktarda basit madde formunda hidrojen bulunur (hacimce %0,00005).

Hidrojen hemen hemen tüm organik maddelerin bir parçasıdır ve tüm canlı hücrelerde bulunur. Canlı hücrelerde hidrojen, atom sayısının neredeyse %50'sini oluşturur.

Fiş

Basit maddelerin üretimine yönelik endüstriyel yöntemler, karşılık gelen elementin doğada bulunduğu forma, yani üretimi için hammaddenin ne olabileceğine bağlıdır. Böylece serbest halde bulunan oksijen, fiziksel olarak sıvı havadan ayrıştırılarak elde edilir. Hidrojenin neredeyse tamamı bileşik halinde olduğundan elde edilmesi için kimyasal yöntemler kullanılır. Özellikle ayrışma reaksiyonları kullanılabilir. Hidrojen üretmenin bir yolu, suyun elektrik akımıyla ayrıştırılmasıdır.

Hidrojen üretiminin ana endüstriyel yöntemi, doğal gazın bir parçası olan metanın suyla reaksiyonudur. Yüksek sıcaklıkta gerçekleştirilir (metan kaynar sudan geçirildiğinde bile herhangi bir reaksiyonun oluşmadığını doğrulamak kolaydır):

CH 4 + 2H 2 O = CO 2 + 4H 2 −165 kJ

Laboratuvarda basit maddeler elde etmek için mutlaka doğal hammaddeler kullanılmaz, ancak gerekli maddeyi izole etmenin daha kolay olduğu başlangıç ​​​​materyalleri seçilir. Örneğin laboratuvarda havadan oksijen elde edilmez. Aynı durum hidrojen üretimi için de geçerlidir. Bazen endüstride kullanılan hidrojen üretimine yönelik laboratuvar yöntemlerinden biri, suyun elektrik akımıyla ayrıştırılmasıdır.

Tipik olarak hidrojen, çinkonun hidroklorik asitle reaksiyona sokulmasıyla laboratuvarda üretilir.

Endüstride

1. Sulu tuz çözeltilerinin elektrolizi:

2NaCl + 2H20 → H2 + 2NaOH + Cl2

2. Yaklaşık 1000 °C sıcaklıktaki sıcak kok üzerinden su buharının geçirilmesi:

H2O+C? H2+CO

3. Doğalgazdan.

Buhar dönüşümü:

CH4 + H20 ? CO + 3H2 (1000 °C)

Oksijenle katalitik oksidasyon:

2CH4 + O2 ? 2CO + 4H2

4. Petrol rafinasyonu sırasında hidrokarbonların kırılması ve yeniden şekillendirilmesi.

Laboratuvarda

1.Seyreltik asitlerin metaller üzerindeki etkisi. Bu reaksiyonu gerçekleştirmek için çoğunlukla çinko ve seyreltik hidroklorik asit kullanılır:

Zn + 2HCl → ZnCl2 + H2

2.Kalsiyumun su ile etkileşimi:

Ca + 2H20 → Ca(OH)2 + H2

3.Hidridlerin hidrolizi:

NaH + H20 → NaOH + H2

4.Alkalilerin çinko veya alüminyum üzerindeki etkisi:

2Al + 2NaOH + 6H20 → 2Na + 3H2

Zn + 2KOH + 2H20 → K2 + H2

5.Elektroliz kullanma. Alkalilerin veya asitlerin sulu çözeltilerinin elektrolizi sırasında katotta hidrojen açığa çıkar, örneğin:

2H 3 Ö + + 2e − → H 2 + 2H 2 Ö

Fiziki ozellikleri

Hidrojen iki formda (modifikasyonlar) mevcut olabilir - orto- ve para-hidrojen formunda. Bir ortohidrojen molekülünde Ö-H2 (en −259,10 °C, bp −252,56 °C) nükleer dönüşler aynı şekilde (paralel) yönlendirilir ve parahidrojen için P-H2 (erime noktası -259,32 °C, kaynama noktası -252,89 °C) - birbirine zıttır (antiparalel). Denge karışımı Ö-H2 ve P Belirli bir sıcaklıkta -H2 denir denge hidrojeni e-H2.

Hidrojen modifikasyonları, sıvı nitrojen sıcaklığında aktif karbon üzerinde adsorpsiyonla ayrılabilir. Çok düşük sıcaklıklarda ortohidrojen ve parahidrojen arasındaki denge neredeyse tamamen parahidrojene doğru kayar. 80 K'de formların oranı yaklaşık 1:1'dir. Isıtıldığında desorbe edilen parahidrojen, oda sıcaklığında dengede olan bir karışım oluşana kadar ortohidrojene dönüştürülür (orto-para: 75:25). Katalizör olmadan, dönüşüm yavaş yavaş gerçekleşir (yıldızlararası ortamın koşulları altında - karakteristik zamanlarla kozmolojik olanlara kadar), bu da bireysel modifikasyonların özelliklerini incelemeyi mümkün kılar.

Hidrojen en hafif gazdır, havadan 14,5 kat daha hafiftir. Açıkçası, moleküllerin kütlesi ne kadar küçükse, aynı sıcaklıkta hızları da o kadar yüksek olur. En hafif moleküller olan hidrojen molekülleri, diğer gazların moleküllerinden daha hızlı hareket eder ve böylece ısıyı bir cisimden diğerine daha hızlı aktarabilir. Buradan hidrojenin gaz halindeki maddeler arasında en yüksek termal iletkenliğe sahip olduğu sonucu çıkar. Isıl iletkenliği havanın ısıl iletkenliğinden yaklaşık yedi kat daha yüksektir.

Hidrojen molekülü diyatomiktir - H2. Normal şartlarda renksiz, kokusuz ve tatsız bir gazdır. Yoğunluk 0,08987 g/l (n.s.), kaynama noktası -252.76 °C, özgül yanma ısısı 120.9×10 6 J/kg, suda az çözünür - 18.8 ml/l. Hidrojen birçok metalde (Ni, Pt, Pd, vb.), özellikle paladyumda (1 hacim Pd başına 850 hacim) oldukça çözünür. Hidrojenin metallerdeki çözünürlüğü metaller arasında yayılma yeteneği ile ilgilidir; Bir karbon alaşımından (örneğin çelik) difüzyona bazen hidrojenin karbonla etkileşimi nedeniyle (dekarbonizasyon olarak adlandırılan) alaşımın tahrip olması eşlik eder. Gümüşte pratik olarak çözünmez.

Sıvı hidrojen−252,76 ile −259,2 °C arasında çok dar bir sıcaklık aralığında bulunur. Renksiz, çok hafif (-253 °C'de yoğunluk 0,0708 g/cm3) ve akışkan (-253 °C'de viskozite 13,8 spuaz) bir sıvıdır. Hidrojenin kritik parametreleri çok düşüktür: sıcaklık -240,2 °C ve basınç 12,8 atm. Bu, hidrojenin sıvılaştırılmasındaki zorlukları açıklamaktadır. Sıvı halde denge hidrojeni %99,79 para-H2, %0,21 orto-H2'den oluşur.

Katı hidrojen, erime noktası −259,2 °C, yoğunluk 0,0807 g/cm3 (−262 °C'de) - kar benzeri kütle, altıgen kristaller, P6/mmc uzay grubu, hücre parametreleri A=3,75 C=6.12. Yüksek basınçta hidrojen metalik bir duruma dönüşür.

İzotoplar

Hidrojen, ayrı adlara sahip üç izotop formunda oluşur: 1H - protium (H), 2H - döteryum (D), 3H - trityum (radyoaktif) (T).

Protium ve döteryum, kütle numaraları 1 ve 2 olan kararlı izotoplardır. Doğadaki içerikleri sırasıyla 99,9885 ± %0,0070 ve 0,0115 ± %0,0070'tir. Bu oran hidrojenin kaynağına ve üretim yöntemine bağlı olarak biraz değişebilir.

Hidrojen izotopu 3H (trityum) kararsızdır. Yarı ömrü 12,32 yıldır. Trityum doğal olarak çok küçük miktarlarda oluşur.

Literatürde ayrıca kütle numaraları 4 - 7 ve yarı ömürleri 10 -22 - 10 -23 s olan hidrojen izotoplarına ilişkin veriler de sağlanmaktadır.

Doğal hidrojen 3200:1 oranında H2 ve HD (döteryum hidrojen) moleküllerinden oluşur. Saf döteryum hidrojen D2'nin içeriği daha da azdır. HD ve D2 konsantrasyonlarının oranı yaklaşık 6400:1'dir.

Kimyasal elementlerin tüm izotopları arasında, hidrojen izotoplarının fiziksel ve kimyasal özellikleri birbirinden en çok farklılık gösterir. Bunun nedeni atom kütlelerindeki en büyük göreceli değişimdir.

	Sıcaklık erime, k	Sıcaklık kaynamak, k	Üçlü nokta, K/kPa	Kritik nokta, K/kPa	Yoğunluk sıvı/gaz, kg/m³

Döteryum ve trityumun ayrıca orto ve para modifikasyonları da vardır: P-D2, Ö-D2, P-T2, Ö-T 2 . Heteroizotop hidrojenin (HD, HT, DT) orto ve para modifikasyonları yoktur.

Kimyasal özellikler

Ayrışmış hidrojen moleküllerinin fraksiyonu

Hidrojen molekülleri H2 oldukça güçlüdür ve hidrojenin reaksiyona girmesi için çok fazla enerji harcanması gerekir:

H 2 = 2H - 432 kJ

Bu nedenle, normal sıcaklıklarda hidrojen yalnızca kalsiyum gibi çok aktif metallerle reaksiyona girerek kalsiyum hidrit oluşturur:

Ca + H2 = CaH2

ve hidrojen florür oluşturan tek metal olmayan flor ile:

Hidrojen, yüksek sıcaklıklarda veya aydınlatma gibi diğer etkiler altında metallerin ve metal olmayanların çoğuyla reaksiyona girer:

02 + 2H2 = 2H20

Bazı oksitlerden oksijeni “çıkarabilir”, örneğin:

CuO + H2 = Cu + H2O

Yazılı denklem hidrojenin indirgeyici özelliklerini yansıtır.

N2 + 3H2 → 2NH3

Halojenlerle hidrojen halojenürler oluşturur:

F 2 + H 2 → 2HF, reaksiyon karanlıkta ve herhangi bir sıcaklıkta patlayıcı bir şekilde meydana gelir,

Cl 2 + H 2 → 2HCl, reaksiyon yalnızca ışıkta patlayıcı bir şekilde ilerler.

Yüksek ısı altında kurumla etkileşime girer:

C + 2H 2 → CH 4

Alkali ve alkalin toprak metallerle etkileşim

Hidrojen, aktif metallerle etkileşime girdiğinde hidritler oluşturur:

2Na + H2 → 2NaH

Ca + H 2 → CaH 2

Mg + H 2 → MgH 2

Hidritler- kolayca hidrolize edilen tuz benzeri katı maddeler:

CaH2 + 2H20 → Ca(OH)2 + 2H2

Metal oksitlerle etkileşim (genellikle d elementleri)

Oksitler metallere indirgenir:

CuO + H 2 → Cu + H 2 O

Fe 2 Ö 3 + 3H 2 → 2Fe + 3H 2 Ö

WO 3 + 3H 2 → W + 3H 2 O

Organik bileşiklerin hidrojenasyonu

Moleküler hidrojen, organik bileşiklerin indirgenmesi için organik sentezlerde yaygın olarak kullanılır. Bu süreçlere denir hidrojenasyon reaksiyonları. Bu reaksiyonlar, yüksek basınç ve sıcaklıkta bir katalizör varlığında gerçekleştirilir. Katalizör homojen (örn. Wilkinson Catalyst) veya heterojen (örn. Raney nikeli, karbon üzerinde paladyum) olabilir.

Böylece, özellikle alkenler ve alkinler gibi doymamış bileşiklerin katalitik hidrojenasyonu sırasında doymuş bileşikler - alkanlar oluşur.

Hidrojenin jeokimyası

Serbest hidrojen H2, karasal gazlarda nispeten nadir bulunur, ancak su formunda jeokimyasal süreçlerde son derece önemli bir rol alır.

Hidrojen minerallerde amonyum iyonu, hidroksil iyonu ve kristal su formunda bulunabilir.

Atmosferde suyun güneş ışınımıyla ayrışması sonucu sürekli olarak hidrojen üretilir. Kütlesi düşük olan hidrojen molekülleri, yüksek bir yayılma hareket hızına sahiptir (ikinci kozmik hıza yakındır) ve atmosferin üst katmanlarına girdiklerinde uzaya uçabilirler.

Tedavinin özellikleri

Hidrojen, havayla karıştırıldığında patlayıcı bir karışım oluşturur; buna patlayıcı gaz denir. Bu gaz, hidrojen ve oksijenin hacim oranı 2:1 olduğunda veya hava yaklaşık %21 oksijen içerdiğinden hidrojen ve hava yaklaşık 2:5 olduğunda en patlayıcıdır. Hidrojen aynı zamanda bir yangın tehlikesidir. Sıvı hidrojen ciltle temas ederse ciddi donmalara neden olabilir.

Hidrojen ve oksijenin patlayıcı konsantrasyonları hacimce %4 ila %96 arasında meydana gelir. Hava ile karıştırıldığında hacimce %4'ten %75(74)'e kadar.

Ekonomi

Büyük toptan tedarikler için hidrojenin maliyeti kg başına 2-5 dolar arasında değişmektedir.

Başvuru

Atomik hidrojen, atomik hidrojen kaynağı için kullanılır.

Kimyasal endüstri

• Amonyak, metanol, sabun ve plastik üretiminde
• Sıvı bitkisel yağlardan margarin üretiminde
• Besin takviyesi olarak kayıtlı E949(paketleme gazı)

Gıda endüstrisi

Havacılık endüstrisi

Hidrojen çok hafiftir ve daima havada yükselir. Bir zamanlar hava gemileri ve balonlar hidrojenle dolduruluyordu. Ama 30'lu yıllarda. XX yüzyıl Zeplinlerin patladığı ve yandığı birçok felaket yaşandı. Günümüzde hava gemileri, maliyeti çok yüksek olmasına rağmen helyumla dolduruluyor.

Yakıt

Hidrojen roket yakıtı olarak kullanılıyor.

Hidrojenin otomobil ve kamyonlarda yakıt olarak kullanılmasına ilişkin araştırmalar sürüyor. Hidrojen motorları çevreyi kirletmez ve sadece su buharı yayar.

Hidrojen-oksijen yakıt hücreleri, kimyasal reaksiyonun enerjisini doğrudan elektrik enerjisine dönüştürmek için hidrojeni kullanır.

"Sıvı Hidrojen"(“LH”), 0,07 g/cm³ düşük özgül yoğunluğa ve 14,01 K (-259,14 °C) donma noktasına ve 20,28 K (-252,87 °C) kaynama noktasına sahip kriyojenik özelliklere sahip hidrojenin sıvı halidir. ). Renksiz, kokusuz, hava ile karıştırıldığında %4-75 yanıcılık aralığına sahip patlayıcı olarak sınıflandırılan bir sıvıdır. Sıvı hidrojendeki izomerlerin dönüş oranı: %99,79 - parahidrojen; %0,21 - ortohidrojen. Hidrojenin toplanma durumunu gaz haline değiştirirken genleşme katsayısı 20°C'de 848:1'dir.

Diğer gazlarda olduğu gibi hidrojenin sıvılaştırılması da hacminin azalmasına neden olur. Sıvılaştırmadan sonra sıvı sıvı, ısı yalıtımlı kaplarda basınç altında depolanır. Sıvı hidrojen Sıvı hidrojen, LH2, Sol 2) endüstride bir gaz depolama biçimi olarak ve uzay endüstrisinde roket yakıtı olarak aktif olarak kullanılmaktadır.

Hikaye

Yapay soğutmanın belgelenen ilk kullanımı 1756'da İngiliz bilim adamı William Cullen tarafından gerçekleştirildi; 1784'te kükürt oksidin sıvı halini elde eden ilk kişi Gaspard Monge oldu; sıvılaştırılmış amonyağı elde eden ilk kişi Michael Faraday oldu; Amerikalı mucit Oliver Evans 1805'te bir soğutma kompresörü geliştiren ilk kişi oldu, 1834'te soğutma makinesinin patentini alan ilk kişi Jacob Perkins oldu ve 1851'de Amerika Birleşik Devletleri'nde bir klimanın patentini alan ilk kişi John Gorey oldu. Werner Siemens, 1857'de rejeneratif soğutma konseptini önerdi; Karl Linde, 1876'da kademeli bir "Joule-Thomson genleşme etkisi" ve rejeneratif soğutma kullanarak sıvı hava üretmek için ekipmanın patentini aldı. 1885 yılında Polonyalı fizikçi ve kimyager Zygmunt Wroblewski hidrojenin kritik sıcaklığını 33 K, kritik basıncını ise 13,3 atm olarak yayınladı. ve kaynama noktası 23 K'dır. Hidrojen ilk kez 1898'de James Dewar tarafından rejeneratif soğutma ve onun icadı olan Dewar şişesi kullanılarak sıvılaştırıldı. Sıvı hidrojenin kararlı bir izomeri olan parahidrojenin ilk sentezi 1929'da Paul Harteck ve Carl Bonhoeffer tarafından gerçekleştirildi.

Hidrojenin spin izomerleri

Oda sıcaklığında hidrojen esas olarak bir spin izomeri olan ortohidrojenden oluşur. Üretimden sonra sıvı hidrojen yarı kararlı bir durumdadır ve düşük sıcaklıklarda değiştiğinde meydana gelen patlayıcı ekzotermik reaksiyonu önlemek için parahidrojen formuna dönüştürülmesi gerekir. Parahidrojen fazına dönüşüm genellikle demir oksit, krom oksit, aktif karbon, platin kaplı asbest, nadir toprak metalleri gibi katalizörler kullanılarak veya uranyum veya nikel katkı maddeleri kullanılarak gerçekleştirilir.

Kullanım

Sıvı hidrojen, içten yanmalı motorlar ve yakıt hücreleri için bir yakıt depolama biçimi olarak kullanılabilir. Hidrojenin bu toplam formu kullanılarak çeşitli denizaltılar ("212A" ve "214" projeleri, Almanya) ve hidrojen taşıma konseptleri oluşturulmuştur (örneğin "DeepC" veya "BMW H2R"ye bakınız). Tasarımların yakınlığı nedeniyle, LHV ekipmanının yaratıcıları sıvılaştırılmış doğal gaz (LNG) kullanan sistemleri kullanabilir veya yalnızca değiştirebilir. Ancak hacimsel enerji yoğunluğunun düşük olması nedeniyle yanma, doğal gaza göre daha büyük hacimde hidrojen gerektirir. Pistonlu motorlarda "CNG" yerine sıvı hidrojen kullanılıyorsa genellikle daha hacimli bir yakıt sistemine ihtiyaç duyulur. Direkt enjeksiyonda emme kanalındaki artan kayıplar silindir dolumunu azaltır.

Sıvı hidrojen ayrıca nötron saçılma deneylerinde nötronları soğutmak için de kullanılır. Nötron ve hidrojen çekirdeğinin kütleleri neredeyse eşittir, bu nedenle elastik çarpışma sırasında enerji alışverişi en etkili olanıdır.

Avantajları

Hidrojen kullanmanın avantajı, kullanımının “sıfır emisyon” olmasıdır. Hava ile etkileşiminin ürünü sudur.

Engeller

Bir litre “ZhV” yalnızca 0,07 kg ağırlığındadır. Yani özgül ağırlığı 20 K'de 70,99 g/l'dir. Sıvı hidrojen, özel ısı yalıtımlı kaplar gibi kriyojenik depolama teknolojisi gerektirir ve tüm kriyojenik malzemeler için tipik olan özel kullanım gerektirir. Bu açıdan sıvı oksijene yakındır ancak yangın tehlikesi nedeniyle daha fazla dikkat gerektirir. Yalıtılmış kaplarda bile onu sıvı halde tutmak için gereken düşük sıcaklıklarda tutmak zordur (tipik olarak günde %1 oranında buharlaşır). Hidrojenle çalışırken olağan güvenlik önlemlerini de uygulamanız gerekir; patlayıcı olan havayı sıvılaştıracak kadar soğuktur.

Roket yakıtı

Sıvı hidrojen, fırlatma araçlarını ve uzay araçlarını hareket ettirmek için kullanılan roket yakıtlarının yaygın bir bileşenidir. Sıvı hidrojen roket motorlarının çoğunda, bir oksitleyici ile karıştırılıp itme kuvveti üretmek üzere yakılmadan önce ilk olarak memeyi ve diğer motor parçalarını rejeneratif olarak soğutmak için kullanılır. H2/O2 bileşenlerini kullanan modern motorlar, hidrojen açısından aşırı zenginleştirilmiş bir yakıt karışımı tüketir ve bu da egzozda belirli miktarda yanmamış hidrojene yol açar. Molekül ağırlığını azaltarak motorun özgül itiş gücünü artırmanın yanı sıra, bu aynı zamanda meme ve yanma odasının aşınmasını da azaltır.

LH'nin diğer alanlarda kullanılmasının önündeki kriyojenik doğa ve düşük yoğunluk gibi engeller de bu durumda kullanımı sınırlayıcı bir faktördür. 2009 yılı itibariyle tamamı hidrojen roketinden oluşan tek bir fırlatma aracı (Delta-4 fırlatma aracı) bulunmaktadır. Temel olarak "ZhV", roketlerin üst aşamalarında veya yükün uzaya vakumla fırlatılması işinin önemli bir bölümünü gerçekleştiren bloklarda kullanılır. Bu tür yakıtın yoğunluğunu artırmaya yönelik önlemlerden biri olarak, çamur benzeri hidrojenin, yani yarı donmuş bir "sıvı hidrojen" formunun kullanılması önerileri vardır.