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  • 氢气

    氢气(Hydrogen)是世界上已知的最轻的气体。它的密度非常小,只有空气的1/14,即在标准大气压,0℃下,氢气的密度为0.0899g/L。所以氢气可作为飞艇、气球的填充气体(由于氢气具有可燃性,安全性不高,飞艇现多用氦气填充)。氢气主要用作还原剂。医学上用氢气来治疗疾病

    编辑摘要

    目录

    简介/氢气 编辑

    氢气氢气

    氢气一种重要的工业气体。无色、无味、无臭、易燃。常压下沸点-252.8℃,临界温度-239.9℃,临界压力1.32MPa,临界密度30.1g/l。在空气中含量为4%~74%(体积)时,即形成爆炸性混合气体。氢在各种液体中溶解甚微,难溶于液化。液态氢是无色透明液体,有超导性质。氢是最轻的物质,与、碳、氮分别结合成、碳氢化合物、氨等。天然气田、煤田以及有机物发酵时也含有少量的氢。

    氢气和一氧化碳的混合气体是重要的化工原料──合成气。氢气在催化剂存在下与有机物的反应称为加氢,是工业上一种重要的反应过程

    发现/氢气 编辑

    1766年由卡文迪许(H.Cavendish)在英国判明。   

    在化学史上,人们把氢元素的发现与“发现和证明了水是氢和氧的化合物而非元素”这两项重大成就,主要归功于英国化学家和物理学家卡文迪许(Cavendish,H.1731-1810)。

    启普发生器制氢气启普发生器制氢气

    18世纪的英国化学家卡文迪许

    卡文迪许是一位百万富翁,但他生活十分朴素,用自己的钱在家里建立了一座规模相当大的实验室,一生从事于科学研究。曾有科学史家说:卡文迪许“是具有学问的人中最富的,也是富人当中最有学问的。”他观察事物敏锐,精于实验设计,所做实验的结果都相当准确,而且研究范围很广泛,对于许多化学、力学电学问题以及地球平均密度等问题的研究,都作出了重要发现。但他笃信燃素说,这使他在化学研究工作中走过一些弯路。他在五十年中只发表过18篇论文,除了一篇是理论性的外,其余全是实验性和观察性的。在他逝世以后,人们才发现他写了大量很有价值的论文稿,没有公开发表。他的这些文稿是科学研究的宝贵文献,后来分别由物理学家麦克斯韦和化学家索普整理出版。   

    在化学史上,有一个与这些论文稿有关的有趣的故事。卡文迪许1785年做过一个实验,他将电火花通过寻常空气和氧气的混合体,想把其中的氮全部氧化掉,产生的二氧化氮用苛性钾吸收。实验做了三个星期,最后残留下一小气泡不能被氧化。他的实验记录保存在留下的文稿中,后面写道:“空气中的浊气不是单一的物质(氮气),还有一种不与脱燃素空气(氧)化合的浊气,总量不超过全部空气的1/12.一百多年后,1892年,英国剑桥大学的物理学家瑞利(Ragleigh,L.1842-1919)测定氮的密度时,发现从空气得来的比从氨氧化分解产生的氮每升重0.0064克,百思不得其解。化学家莱姆塞(Ramsay,W.1852-1916)认为来自空气的氮气里面能含有一种较重的未知气体。这时,化学教授杜瓦(Dewar,J.1842-1923)向他们提到剑桥大学的老前辈卡文迪许的上述实验和小气泡之谜。他们立即把卡文迪许的科学资料借来阅读,瑞利重复了卡文迪许当年的实验,很快得到了小气泡。莱姆塞设计了一个新的实验,除去空气中的水汽、碳酸气、氧和氮后,也得到了这种气体,密度比氮气大,用分光镜检查后,肯定这是一种新的元素,取名氩。这样,卡文迪许当年的工作在1894年元素氩的发现中起了重要作用。从这个故事可看出卡文迪许严谨的科研作风和他对化学的重大贡献。1871年,剑桥大学建立了一座物理实验室,以卡文迪许的名字命名,这就是著名的卡文迪许实验室,它在几十年内,一直是世界现代物理学的一个重要研究中心。

    氢的发现和氢的性质的研究

    实验室制取氢气实验室制取氢气

    在18世纪末以前,曾经有不少人做过制取氢气的实验,所以实际上很难说是谁发现了氢,即使公认对氢的发现和研究有过很大贡献的卡文迪许本人也认为氢的发现不只是他的功劳。早在16世纪,瑞士著名医生帕拉塞斯就描述过铁屑与酸接触时有一种气体产生;17世纪时,比利时著名的医疗化学派学者海尔蒙特(van Helmont,J.B.1579-1644)曾偶然接触过这种气体,但没有把它离析、收集起来。   

    波义耳虽偶然收集过这种气体,但并未进行研究。他们只知道它可燃,此外就很少了解。1700年,法国药剂师勒梅里(Lemery,N.1645-1715)在巴黎科学院的《报告》上也提到过它。最早把氢气收集起来,并对它的性质仔细加以研究的是卡文迪许。   

    1766年卡文迪许向英国皇家学会提交了一篇研究报告《人造空气实验》,讲了他用铁、锌等与稀硫酸、稀盐酸作用制得“易燃空气”(即氢气),并用普利斯特里发明的排水集气法把它收集起来,进行研究。他发现一定量的某种金属分别与足量的各种酸作用,所产生的这种气体的量是固定的,与酸的种类、浓度都无关。他还发现氢气与空气混合后点燃会发生爆炸;又发现氢气与氧气化合生成水,从而认识到这种气体和其它已知的各种气体都不同。但是,由于他是燃素说的虔诚信徒,按照他的理解:这种气体燃烧起来这么猛烈,一定富含燃素;硫磺燃烧后成为硫酸,那么硫酸中是没有燃素的;而按照燃素说金属也是含燃素的。所以他认为这种气体是从金属中分解出来的,而不是来自酸中。他设想金属在酸中溶解时,“它们所含的燃素便释放出来,形成了这种可燃空气”。他甚至曾一度设想氢气就是燃素,这种推测很快就得以当时的一些杰出化学家舍勒、基尔万(Kirwan,R.1735-1812)等的赞同。由于把氢气充到膀胱气球中,气球便会徐徐上升,这种现象当时曾被一些燃素学说的信奉者们用来作为他们“论证”燃素具有负重量的根据。但卡文迪许究竟是一位非凡的科学家,后来他弄清楚了气球在空气中所受浮力问题,通过精确研究,证明氢气是有重量的,只是比空气轻很多。他是这样做实验的:先把金属和装有酸的烧瓶称重,然后将金属投入酸中,用排水集气法收集氢气并测体积,再称量反应后烧瓶及内装物的总量。这样他确定了氢气的比重只是空气的9%.但这些化学家仍不肯轻易放弃旧说,鉴于氢气燃烧后会产生水,于是他们改说氢气是燃素和水的化合物。   

    盛有氢气的集气瓶的放置方法盛有氢气的集气瓶的放置方法

    水的合成否定了水是元素的错误观念,在古希腊:恩培多克勒提出,宇宙间只存在火、气、水、土四种元素,它们组成万物。从那时起直到18世纪70年代,人们一直认为水是一种元素。1781年,普利斯特里将氢气和空气放在闭口玻璃瓶中,用电火花引爆,发现瓶的内壁有露珠出现。同年卡文迪许也用不同比例的氢气与空气的混合物反复进行这项实验,确认这种露滴是纯净的水,表明氢是水的一种成分。这时氧气业已发现,卡文迪许又用纯氧代替空气进行试验,不仅证明氢和氧化合成水,而且确认大约2份体积的氢与1份体积的氧恰好化合成水(发表于1784年)。这些实验结果本已毫无疑义地证明了水是氢和氧的化合物,而不是一种元素,但卡文迪许却和普利斯特里一样,仍坚持认为水是一种元素,氧是失去燃素的水,氢则是含有过多燃素的水。他用下式表示“易燃空气”(氢)的燃烧:   

    (水+燃素)+ (水-燃素)—→水   

    易燃空气(氢) 失燃素空气(氧)   

    1782年,拉瓦锡重复了他们的实验,并用红热的枪筒分解了水蒸汽,明确提出正确的结论:水不是元素而是氢和氧的化合物,纠正了两千多年来把水当做元素的错误概念。1787年,他把过去称作“易燃空气”的这种气体命名为“H-ydrogne”(氢),意思是“产生水的”,并确认它是一种元素。

    名称由来/氢气 编辑

    希腊语 hydro(水)+genes(造成),意即“产生水”的物质。
    中文原称“氢气”为“轻气”,“氢”属以后新造的形声字。
    日语朝鲜语循希腊语原义,称为“水素”。

    分布/氢气 编辑

    地球上和地球大气中只存在极稀少的游离状态氢。在地壳里,如果按重量计算,氢只占总重量的1%,而如果按原子百分数计算,则占17%。氢在自然界中分布很广,水便是氢的“仓库”——以重量百分比计算,水中含11%的氢;泥土中约有1.5%的氢;石油、天然气、动植物体也含氢。在空气中,氢气倒不多,约占总体积的两百万分之一。在整个宇宙中,按原子百分数来说,氢却是最多的元素。据研究,在太阳的大气中,按原子百分数计算,氢占93%。在宇宙空间中,氢原子的数目比其他所有元素原子的总和约大100倍。

    工业氢纯度/氢气 编辑

      

            工业氢(GB/T3634.1-2006)

      项目名称

        优等品

     一等品

     合格品 

      氢气(H2)的体积分数/10-2               ≥  99.95  99.5 99
      氧(O2)的体积分数/10-2                ≤0.010.2  0.4
      氮加氩(N2+Ar)的体积分数/10-2         ≤0.04  0.3  0.6
      露点/℃                              ≤-43  —
      游离水/(ml/40L瓶)  —  无游离水  ≤100

      注:管道输送以及其他包装形式的合格品工业氢的水分指标由供需双方确定      

    物理性质/氢气 编辑

     

    HydrogenHydrogen

    氢气是无色并且密度比空气小的气体(在各种气体中,氢气的密度最小。标准状况下,1升氢气的质量是0.0899克,比空气轻得多)。因为氢气难溶于水,所以可以用排水集气法收集氢气。另外,在101千帕压强下,温度-252.87℃时,氢气可转变成无色的液体;-259.1℃时,变成雪状固体。常温下,氢气的性质很稳定,不容易跟其它物质发生化学反应。但当条件改变时(如点燃、加热、使用催化剂等),情况就不同了。
    总结为:
    分子式:H2
    沸点:-252.77℃(20.38K)
    密度:0.09kg/m3
    相对分子质量:2.016
    生产方法:电解,裂解,煤制气等。

    主要性能/氢气 编辑

    可燃性
    纯氢的引燃温度为400℃。在带尖嘴的导管口点燃纯净的氢气,观察火焰的颜色。然后在火焰上方罩一个冷而干燥的烧杯,过一会儿,我们可以看到,纯净的氢气在空气里安静地燃烧,产生淡蓝色的火焰(氢气在玻璃导管口燃烧时,火焰常略带黄色)。用烧杯罩在火焰的上方时,烧杯壁上有水珠生成,接触烧杯的手能感到发烫。  

    氢气氢气燃烧

    氢气在空气里燃烧,实际上是氢气跟空气里的氧气发生了化合反应,生成了水并放出大量的热。这个反应的化学方程式是:

    2H2+O2=2H2O(点燃)

    取一个一端开口,另一端钻有小孔的纸筒(或塑料筒等),用纸团堵住小孔,用向下排空气法收集氢气,使纸筒内充满氢气。把氢气发生装置移开,拿掉堵小孔的纸团,用燃着的木条在小孔处点火,注意有什么现象发生。做这个实验时,人要离得远些,注意安全。

    可以看到,刚点燃时,氢气安静地燃烧,过一小会儿,突然听到“砰”的一声响,爆炸的气浪把纸筒高高掀起。实验测定,空气里如果混入氢气的体积达到总体积的4%~74.2%,点燃时就会发生爆炸。这个范围叫做氢气的爆炸极限。实际上,任何可燃气体或可燃的粉尘如果跟空气充分混合,遇火时都有可能发生爆炸。因此,当可燃性气体(如氢气、液化石油气、煤气等)发生泄漏时,应杜绝一切火源、火星,以防发生爆炸。

    正是由于这个原因,我们在使用氢气时,要特别注意安全。点燃氢气前,一定要检验氢气的纯度。

    用排水法收集一试管氢气,用拇指堵住,移近火焰,移开拇指点火,如果听到尖锐的爆鸣声,就表明氢气不纯,需要再收集,再检验,直到响声很小,才表明氢气已纯净。如果用向下排空气法收集氢气,经检验不纯而需要再检验时,应该用拇指堵住试管口一会儿,看是否有“噗”声,直到试验表明氢气纯净为止。然后再收集氢气检验纯度,否则会发生危险。因为刚检验过纯度的试管内,氢气火焰可能还没有熄灭,如果立刻就用这个试管去收集氢气,氢气火焰可能会点燃氢气发生器里尚混有空气的氢气,使氢气发生器发生爆炸。用拇指堵住试管口一会儿,就使试管内未熄灭的氢气火焰因缺氧气而熄灭。

    氢气还原氧化铜氢气还原氧化铜

    这一反应过程中有大量热放出,是相同条件下汽油的三倍。因此可用作高能燃料,在火箭上使用。我国长征3号火箭就用液氢燃料。

    还原性

    氢气与氧化铜反应,实质是氢气夺取氧化铜中的氧生成水,使氧化铜变为红色的金属
    CuO H2=Cu H2O(加热)


    在这个反应中,氧化铜失去氧变成铜,氧化铜被还原了,即氧化铜发生了还原反应。这种含氧化合物失去氧的反应,叫做还原反应。能夺取含氧化物里的氧,使它发生还原反应是的物质,叫做还原剂。还原剂具有还原性。

    根据氢气所具有的燃烧性质,它可以作为燃料,可以应用与航天、焊接、军事等方面;根据它的还原性,还可以用于冶炼某些金属材料等方面。

    生产方法  /氢气 编辑

    工业上生产纯氢及将含氢气体提纯的主要方法有以下几种:

    氢气氢气

    ①电解法 将水电解得氢气和氧气。氯碱工业电解食盐溶液制取氯气、烧碱时也副产氢气。电解法能得到纯氢,但耗电量很高,每生产氢气1m3 ,耗电量达21.6~25.2MJ。
    烃类裂解法 此法得到的裂解气含大量氢气,其含量视原料性质及裂解条件的不同而异。裂解气深冷分离得到纯度90%的氢气,可作为工业用氢,如作为石油化工中催化加氢的原料。
    ③烃类蒸汽转化法 烃类在高温和催化剂存在下,可与水蒸气作用制成含氢的合成气。为了从合成气中得到纯氢,可采用分子筛通过变压吸附除去其他气体;也可采用膜分离得到纯氢;用金属钯吸附氢气,可分离出氢气体积达金属的1000倍。
    炼厂气石油炼厂生产过程中产生的各种含氢气体,如催化裂化催化重整石油焦化等过程产生的含氢气体,以及焦炉煤气(含氢45%~60%)经过深冷分离,可得纯度较高的工业氢气。

    纯化/氢气 编辑

    随着半导体工业、精细化工和光电纤维工业的发展,产生了对高纯氢的需求。例如,半导体生产工艺需要使用99.999%以上的高纯氢。但是目前工业上各种制氢方法所得到的氢气纯度不高,为满足工业上对各种高纯氢的需求,必须对氢气进行进一步的纯化。氢气的纯化方法大致可分为两类(物理法和化学法),六种方法。

    氢气的纯化方法:

    方法基本原理适用原料气制得的氢气纯度(%)适用规格
    高压催化法氢与氧发生催化反应而除去氧含氧的氢气,主要为电解法制得的氢气99.999
    金属氢化物分离法先使氢与金属形成金属氢化物后,加热或减压使其分解氢含量较低的气体>99.9999中小
    高压吸附法吸附剂选择吸附杂质任何含氢气体99.999
    低温分离法低温下使气体冷凝任何含氢气体90~98
    钯合金薄膜扩散法钯合金薄膜对氢有选择渗透性,而其他气体不能透过氢含量较低的气体>99.9999中小
    聚合物薄膜扩散法气体通过薄膜的扩散速率不同炼油厂废气92~98

    同位素/氢气 编辑

    在众多元素中,只有氢的同位素拥有不同名称。

    在自然界中存在的同位素有: 氕(piē,ㄆㄧㄝ)(1H)、氘(dāo,ㄉㄠ)(2H,D,重氢)、氚(chuān,ㄔㄨㄢ)(3H,T,超重氢

    工业用途/氢气 编辑

    氢气的最初用途是制氢气球、氢气飞艇。目前,全世界生产的氢气有三分之二用于制合成氨。其次,是用于石油炼制和石油化工的各种工艺过程,如加氢裂化、催化加氢、加氢精制、加氢脱硫、苯加氢制环己烷、萘加氢制十氢萘等。第三是生产甲醇。此外,氢气还用于动植物油脂的硬化,如制造人造奶油、脆化奶油、润滑脂等。

    氢气传感器氢气传感器

    许多化学品的生产都要消耗氢,例如氢气与氯气合成氯化氢(其水溶液为盐酸),氢与某些有机物作用生成醇、醛、醋酸、胺等。
     

    氢气传感器DH4氢气传感器DH4

    氢有很强的还原性,在冶金中能将钨和钼的氧化物还原成金属钨和钼。在热处理和金属氢化物生产中,可以利用氢气提供还原气氛。氢与氧燃烧时产生2600℃的高温,用于熔融和切割金属。氢对于新技术的应用日益重要。例如用液氢形成超低温以制得超导体,或进行发电机的低温冷却。氢的等离子流能产生高温。氢与氧燃烧放出大量的热,唯一生成物是水,所以氢是最理想的无污染燃料。在空间技术方面,液氢与液氧或氟可作为一级火箭的燃料,将来有希望作为核动力火箭推进剂。可以利用氢燃料电池产生电力。在原子物理研究中,液氢的气泡室可供拍摄核微粒轨迹和鉴定微粒物质之用。氢的同位素用于热核反应、制造氢弹等。

    氢是主要的工业原料,也是最重要的工业气体和特种气体,在石油化工、电子工业、冶金工业、食品加工、浮法玻璃、精细有机合成、航空航天等方面有着广泛的应用。同时,氢也是一种理想的二次能源( 二次能源是指必须由一种初级能源如太阳能、煤炭等来制取的能源)。在一般情况下,氢极易与氧结合。这种特性使其成为天然的还原剂使用于防止出现氧化的生产中。在玻璃制造的高温加工过程及电子微芯片的制造中,在氮气保护气氛中加入氢以去除残余的氧。在石化工业中,需加氢通过去硫和氢化裂解来提炼原油。氢的另一个重要的用途是对人造黄油、食用油、洗发精、润滑剂、家庭清洁剂及其它产品中的脂肪氢化。由于氢的高燃料性,航天工业使用液氢作为燃料。

    应用行业/氢气 编辑

    氢气氢气

    石油精炼
    浮法玻璃
    电子
    食品
    化工生产
    航天
    汽车业

    储存运输/氢气 编辑

    包装:氢气拖车/瓶组/钢瓶
    氢的贮运有四种方式可供选择,即气态贮运、液态贮运、金属氢化物贮运和微球贮运。目前,实际应用的只有前三种,微球贮运方式尚在研究中。

    安全环保/氢气 编辑

    氢气是一种无色、无嗅、无毒、易燃易爆的气体,和、氧、一氧化碳以及空气混合均有爆炸的危险,其中,氢与氟的混合物在低温和黑暗环境就能发生自发性爆炸,与氯的混合比为1:1时,在光照下也可爆炸。氢由于无色无味,燃烧时火焰是透明的,因此其存在不易被感官发现,在许多情况下向氢气中加入乙硫醇,以便感官察觉,并可同时付予火焰以颜色。氢虽无毒,在生理上对人体是惰性的,但若空气中氢含量增高,将引起缺氧性窒息。与所有低温液体一样,直接接触液氢将引起冻伤。液氢外溢并突然大面积蒸发还会造成环境缺氧,并有可能和空气一起形成爆炸混合物,引发燃烧爆炸事故。[1]

    科学家用农业废弃物制取燃料氢/氢气 编辑

      氢作为一种清洁能源已被广泛重视,并普遍作为燃料电池的动力源,然而制取氢的传统方法成本高,技术复杂。美国研究人员日前开发出一种利用木屑或农业废弃物的纤维素制取氢的技术,有望解决氢制取费用高的难题。   来自美国弗吉尼亚理工大学、橡树岭国家实验室等机构的研究人员发表报告说,他们把14种酶、1种辅酶、纤维素原料和加热到32摄氏度左右的水混合,制造出纯度足以驱动燃料电池的氢气。   研究人员说,他们的“一锅烩”过程有不少进步,比如采用与众不同的酶混合物,还提高了氢气的生成速度。此外,除了把纤维素中分解出的糖转化为化学能量外,这一过程还可产出高质量的氢。   研究人员说,他们主要使用从木屑中分解的纤维素原料制取氢,不过也可以使用稻草、废弃的庄稼秆等。木屑或农业废弃物资源非常丰富,利用它们制取氢,不仅可降低制造成本,而且将大大扩大生产氢的原料资源。

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    参考资料
    [1]^引用日期:2010-08-31

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