Purple glow in its plasma state |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Hydrogen | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Appearance | colorless gas | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Standard atomic weight Ar°(H) |
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Hydrogen in the periodic table | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Atomic number (Z) | 1 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Group | group 1: hydrogen and alkali metals | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Period | period 1 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Block | s-block | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Electron configuration | 1s1 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Electrons per shell | 1 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Physical properties | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Phase at STP | gas | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Melting point | (H2) 13.99 K (−259.16 °C, −434.49 °F) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Boiling point | (H2) 20.271 K (−252.879 °C, −423.182 °F) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Density (at STP) | 0.08988 g/L | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
when liquid (at m.p.) | 0.07 g/cm3 (solid: 0.0763 g/cm3)[2] | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
when liquid (at b.p.) | 0.07099 g/cm3 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Triple point | 13.8033 K, 7.041 kPa | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Critical point | 32.938 K, 1.2858 MPa | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Heat of fusion | (H2) 0.117 kJ/mol | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Heat of vaporization | (H2) 0.904 kJ/mol | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Molar heat capacity | (H2) 28.836 J/(mol·K) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Vapor pressure
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Atomic properties | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Oxidation states | −1, +1 (an amphoteric oxide) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Electronegativity | Pauling scale: 2.20 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Ionization energies |
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Covalent radius | 31±5 pm | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Van der Waals radius | 120 pm | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Spectral lines of hydrogen |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Other properties | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Natural occurrence | primordial | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Crystal structure | hexagonal
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Speed of sound | 1310 m/s (gas, 27 °C) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Thermal conductivity | 0.1805 W/(m⋅K) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Magnetic ordering | diamagnetic[3] | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Molar magnetic susceptibility | −3.98×10−6 cm3/mol (298 K)[4] | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
CAS Number | 12385-13-6 1333-74-0 (H2) |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
History | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Discovery | Henry Cavendish[5][6] (1766) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Named by | Antoine Lavoisier[7] (1783) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Main isotopes of hydrogen
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| references |
Hydrogen is the chemical element with the symbol H and atomic number 1. Hydrogen is the lightest element. At standard conditions hydrogen is a gas of diatomic molecules having the formula H2. It is colorless, odorless, tasteless,[8] non-toxic, and highly combustible. Hydrogen is the most abundant chemical substance in the universe, constituting roughly 75% of all normal matter.[9][note 1] Stars such as the Sun are mainly composed of hydrogen in the plasma state. Most of the hydrogen on Earth exists in molecular forms such as water and organic compounds. For the most common isotope of hydrogen (symbol 1H) each atom has one proton, one electron, and no neutrons.
In the early universe, the formation of protons, the nuclei of hydrogen, occurred during the first second after the Big Bang. The emergence of neutral hydrogen atoms throughout the universe occurred about 370,000 years later during the recombination epoch, when the plasma had cooled enough for electrons to remain bound to protons.[10]
Hydrogen is nonmetallic (except it becomes metallic at extremely high pressures) and readily forms a single covalent bond with most nonmetallic elements, forming compounds such as water and nearly all organic compounds. Hydrogen plays a particularly important role in acid–base reactions because these reactions usually involve the exchange of protons between soluble molecules. In ionic compounds, hydrogen can take the form of a negative charge (i.e., anion) where it is known as a hydride, or as a positively charged (i.e., cation) species denoted by the symbol H+. The H+ cation is simply a proton (symbol p) but its behavior in aqueous solutions and in ionic compounds involves screening of its electric charge by nearby polar molecules or anions. Because hydrogen is the only neutral atom for which the Schrödinger equation can be solved analytically,[11] the study of its energetics and chemical bonding has played a key role in the development of quantum mechanics.
Hydrogen gas was first artificially produced in the early 16th century by the reaction of acids on metals. In 1766–1781, Henry Cavendish was the first to recognize that hydrogen gas was a discrete substance,[12] and that it produces water when burned, the property for which it was later named: in Greek, hydrogen means «water-former».
Industrial production is mainly from steam reforming of natural gas, oil reforming, or coal gasification.[13] A small percentage is also produced using more energy-intensive methods such as the electrolysis of water.[13][14][15] Most hydrogen is used near the site of its production, the two largest uses being fossil fuel processing (e.g., hydrocracking) and ammonia production, mostly for the fertilizer market. It can be burned to produce heat or combined with oxygen in fuel cells to generate electricity directly, with water being the only emissions at the point of usage. Hydrogen atoms (but not gaseous molecules) are problematic in metallurgy because they can embrittle many metals.[16]
Properties
Combustion
Combustion of hydrogen with the oxygen in the air. When the bottom cap is removed, allowing air to enter at the bottom, the hydrogen in the container rises out of top and burns as it mixes with the air.
Hydrogen gas (dihydrogen or molecular hydrogen)[17] is highly flammable:
- 2 H2(g) + O2(g) → 2 H2O(l) (572 kJ/2 mol = 286 kJ/mol = 141.865 MJ/kg)[note 2]
The enthalpy of combustion is −286 kJ/mol.[18]
Hydrogen gas forms explosive mixtures with air in concentrations from 4–74%[19] and with chlorine at 5–95%. The explosive reactions may be triggered by spark, heat, or sunlight. The hydrogen autoignition temperature, the temperature of spontaneous ignition in air, is 500 °C (932 °F).[20]
Flame
Pure hydrogen-oxygen flames emit ultraviolet light and with high oxygen mix are nearly invisible to the naked eye, as illustrated by the faint plume of the Space Shuttle Main Engine, compared to the highly visible plume of a Space Shuttle Solid Rocket Booster, which uses an ammonium perchlorate composite. The detection of a burning hydrogen leak may require a flame detector; such leaks can be very dangerous. Hydrogen flames in other conditions are blue, resembling blue natural gas flames.[21] The destruction of the Hindenburg airship was a notorious example of hydrogen combustion and the cause is still debated. The visible flames in the photographs were the result of carbon compounds in the airship skin burning.[22]
Reactants
H2 is unreactive compared to diatomic elements such as halogens or oxygen. The thermodynamic basis of this low reactivity is the very strong H–H bond, with a bond dissociation energy of 435.7 kJ/mol.[23] The kinetic basis of the low reactivity is the nonpolar nature of H2 and its weak polarizability. It spontaneously reacts with chlorine and fluorine to form hydrogen chloride and hydrogen fluoride, respectively.[24] The reactivity of H2 is strongly affected by the presence of metal catalysts. Thus, while mixtures of H2 with O2 or air combust readily when heated to at least 500 °C by a spark or flame, they do not react at room temperature in the absence of a catalyst.
Electron energy levels
Depiction of a hydrogen atom with size of central proton shown, and the atomic diameter shown as about twice the Bohr model radius (image not to scale)
The ground state energy level of the electron in a hydrogen atom is −13.6 eV,[25] which is equivalent to an ultraviolet photon of roughly 91 nm wavelength.[26]
The energy levels of hydrogen can be calculated fairly accurately using the Bohr model of the atom, which conceptualizes the electron as «orbiting» the proton in analogy to the Earth’s orbit of the Sun. However, the atomic electron and proton are held together by electromagnetic force, while planets and celestial objects are held by gravity. Because of the discretization of angular momentum postulated in early quantum mechanics by Bohr, the electron in the Bohr model can only occupy certain allowed distances from the proton, and therefore only certain allowed energies.[27]
A more accurate description of the hydrogen atom comes from a purely quantum mechanical treatment that uses the Schrödinger equation, Dirac equation or Feynman path integral formulation to calculate the probability density of the electron around the proton.[28] The most complicated treatments allow for the small effects of special relativity and vacuum polarization. In the quantum mechanical treatment, the electron in a ground state hydrogen atom has no angular momentum at all—illustrating how the «planetary orbit» differs from electron motion.
Spin isomers
Molecular H2 exists as two spin isomers, i.e. compounds that differ only in the spin states of their nuclei.[29] In the orthohydrogen form, the spins of the two nuclei are parallel, forming a spin triplet state having a total molecular spin ; in the parahydrogen form the spins are antiparallel and form a spin singlet state having spin
. The equilibrium ratio of ortho- to para-hydrogen depends on temperature. At room temperature or warmer, equilibrium hydrogen gas contains about 25% of the para form and 75% of the ortho form.[30] The ortho form is an excited state, having higher energy than the para form by 1.455 kJ/mol,[31] and it converts to the para form over the course of several minutes when cooled to low temperature.[32] The thermal properties of the forms differ because they differ in their allowed rotational quantum states, resulting in different thermal properties such as the heat capacity.[33]
The ortho-to-para ratio in H2 is an important consideration in the liquefaction and storage of liquid hydrogen: the conversion from ortho to para is exothermic and produces enough heat to evaporate a most of the liquid if not converted first to parahydrogen during the cooling process.[34] Catalysts for the ortho-para interconversion, such as ferric oxide and activated carbon compounds, are used during hydrogen cooling to avoid this loss of liquid.[35]
Phases
Hydrogen gas is colorless and transparent, here contained in a glass ampoule.
- Gaseous hydrogen
- Liquid hydrogen
- Slush hydrogen
- Solid hydrogen
- Metallic hydrogen
- Plasma hydrogen
Compounds
Covalent and organic compounds
While H2 is not very reactive under standard conditions, it does form compounds with most elements. Hydrogen can form compounds with elements that are more electronegative, such as halogens (F, Cl, Br, I), or oxygen; in these compounds hydrogen takes on a partial positive charge.[36] When bonded to a more electronegative element, particularly fluorine, oxygen, or nitrogen, hydrogen can participate in a form of medium-strength noncovalent bonding with another electronegative element with a lone pair, a phenomenon called hydrogen bonding that is critical to the stability of many biological molecules.[37][38] Hydrogen also forms compounds with less electronegative elements, such as metals and metalloids, where it takes on a partial negative charge. These compounds are often known as hydrides.[39]
Hydrogen forms a vast array of compounds with carbon called the hydrocarbons, and an even vaster array with heteroatoms that, because of their general association with living things, are called organic compounds.[40] The study of their properties is known as organic chemistry[41] and their study in the context of living organisms is known as biochemistry.[42] By some definitions, «organic» compounds are only required to contain carbon. However, most of them also contain hydrogen, and because it is the carbon-hydrogen bond that gives this class of compounds most of its particular chemical characteristics, carbon-hydrogen bonds are required in some definitions of the word «organic» in chemistry.[40] Millions of hydrocarbons are known, and they are usually formed by complicated pathways that seldom involve elemental hydrogen.
Hydrogen is highly soluble in many rare earth and transition metals[43] and is soluble in both nanocrystalline and amorphous metals.[44] Hydrogen solubility in metals is influenced by local distortions or impurities in the crystal lattice.[45] These properties may be useful when hydrogen is purified by passage through hot palladium disks, but the gas’s high solubility is a metallurgical problem, contributing to the embrittlement of many metals,[16] complicating the design of pipelines and storage tanks.[46]
Hydrides
Compounds of hydrogen are often called hydrides, a term that is used fairly loosely. The term «hydride» suggests that the H atom has acquired a negative or anionic character, denoted H−, and is used when hydrogen forms a compound with a more electropositive element. The existence of the hydride anion, suggested by Gilbert N. Lewis in 1916 for group 1 and 2 salt-like hydrides, was demonstrated by Moers in 1920 by the electrolysis of molten lithium hydride (LiH), producing a stoichiometric quantity of hydrogen at the anode.[47] For hydrides other than group 1 and 2 metals, the term is quite misleading, considering the low electronegativity of hydrogen. An exception in group 2 hydrides is BeH2, which is polymeric. In lithium aluminium hydride, the [AlH4]− anion carries hydridic centers firmly attached to the Al(III).
Although hydrides can be formed with almost all main-group elements, the number and combination of possible compounds varies widely; for example, more than 100 binary borane hydrides are known, but only one binary aluminium hydride.[48] Binary indium hydride has not yet been identified, although larger complexes exist.[49]
In inorganic chemistry, hydrides can also serve as bridging ligands that link two metal centers in a coordination complex. This function is particularly common in group 13 elements, especially in boranes (boron hydrides) and aluminium complexes, as well as in clustered carboranes.[50]
Protons and acids
Oxidation of hydrogen removes its electron and gives H+, which contains no electrons and a nucleus which is usually composed of one proton. That is why H+ is often called a proton. This species is central to discussion of acids. Under the Brønsted–Lowry acid–base theory, acids are proton donors, while bases are proton acceptors.
A bare proton, H+, cannot exist in solution or in ionic crystals because of its unstoppable attraction to other atoms or molecules with electrons. Except at the high temperatures associated with plasmas, such protons cannot be removed from the electron clouds of atoms and molecules, and will remain attached to them. However, the term ‘proton’ is sometimes used loosely and metaphorically to refer to positively charged or cationic hydrogen attached to other species in this fashion, and as such is denoted «H+» without any implication that any single protons exist freely as a species.
To avoid the implication of the naked «solvated proton» in solution, acidic aqueous solutions are sometimes considered to contain a less unlikely fictitious species, termed the «hydronium ion» ([H3O]+). However, even in this case, such solvated hydrogen cations are more realistically conceived as being organized into clusters that form species closer to [H9O4]+.[51] Other oxonium ions are found when water is in acidic solution with other solvents.[52]
Although exotic on Earth, one of the most common ions in the universe is the H+3 ion, known as protonated molecular hydrogen or the trihydrogen cation.[53]
Isotopes
Hydrogen discharge (spectrum) tube
Deuterium discharge (spectrum) tube
Hydrogen has three naturally occurring isotopes, denoted 1
H, 2
H and 3
H. Other, highly unstable nuclei (4
H to 7
H) have been synthesized in the laboratory but not observed in nature.[54][55]
- 1
H is the most common hydrogen isotope, with an abundance of more than 99.98%. Because the nucleus of this isotope consists of only a single proton, it is given the descriptive but rarely used formal name protium.[56] It is unique among all stable isotopes in having no neutrons; see diproton for a discussion of why others do not exist. - 2
H, the other stable hydrogen isotope, is known as deuterium and contains one proton and one neutron in the nucleus. All deuterium in the universe is thought to have been produced at the time of the Big Bang, and has endured since that time. Deuterium is not radioactive, and does not represent a significant toxicity hazard. Water enriched in molecules that include deuterium instead of normal hydrogen is called heavy water. Deuterium and its compounds are used as a non-radioactive label in chemical experiments and in solvents for 1
H-NMR spectroscopy.[57] Heavy water is used as a neutron moderator and coolant for nuclear reactors. Deuterium is also a potential fuel for commercial nuclear fusion.[58] - 3
H is known as tritium and contains one proton and two neutrons in its nucleus. It is radioactive, decaying into helium-3 through beta decay with a half-life of 12.32 years.[50] It is so radioactive that it can be used in luminous paint, making it useful in such things as watches. The glass prevents the small amount of radiation from getting out.[59] Small amounts of tritium are produced naturally by the interaction of cosmic rays with atmospheric gases; tritium has also been released during nuclear weapons tests.[60] It is used in nuclear fusion reactions,[61] as a tracer in isotope geochemistry,[62] and in specialized self-powered lighting devices.[63] Tritium has also been used in chemical and biological labeling experiments as a radiolabel.[64]
Unique among the elements, distinct names are assigned to its isotopes in common use today. During the early study of radioactivity, various heavy radioactive isotopes were given their own names, but such names are no longer used, except for deuterium and tritium. The symbols D and T (instead of 2
H and 3
H) are sometimes used for deuterium and tritium, but the symbol P is already in use for phosphorus and thus is not available for protium.[65] In its nomenclatural guidelines, the International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC) allows any of D, T, 2
H, and 3
H to be used, although 2
H and 3
H are preferred.[66]
The exotic atom muonium (symbol Mu), composed of an antimuon and an electron, can also be considered a light radioisotope of hydrogen.[67] Because muons decay with lifetime 2.2 µs, muonium is too unstable to exhibit observable chemistry.[68] Nevertheless, muonium compounds are important test cases for quantum simulation, due to the mass difference between the antimuon and the proton,[69] and IUPAC nomenclature incorporates such hypothetical compounds as muonium chloride (MuCl) and sodium muonide (NaMu), analogous to hydrogen chloride and sodium hydride respectively.[70]
Thermal and physical properties
Table of thermal and physical properties of hydrogen (H2) at atmospheric pressure:[71][72]
Temperature (K) | Density (kg/m^3) | Specific heat (kJ/kg °C) | Dynamic viscosity (kg/m s) | Kinematic viscosity (m^2/s) | Thermal conductivity (W/m °C) | Thermal diffusivity (m^2/s) | Prandtl Number |
100 | 0.24255 | 11.23 | 4.21E-06 | 1.74E-05 | 6.70E-02 | 2.46E-05 | 0.707 |
150 | 0.16371 | 12.602 | 5.60E-06 | 3.42E-05 | 0.0981 | 4.75E-05 | 0.718 |
200 | 0.1227 | 13.54 | 6.81E-06 | 5.55E-05 | 0.1282 | 7.72E-05 | 0.719 |
250 | 0.09819 | 14.059 | 7.92E-06 | 8.06E-05 | 0.1561 | 1.13E-04 | 0.713 |
300 | 0.08185 | 14.314 | 8.96E-06 | 1.10E-04 | 0.182 | 1.55E-04 | 0.706 |
350 | 0.07016 | 14.436 | 9.95E-06 | 1.42E-04 | 0.206 | 2.03E-04 | 0.697 |
400 | 0.06135 | 14.491 | 1.09E-05 | 1.77E-04 | 0.228 | 2.57E-04 | 0.69 |
450 | 0.05462 | 14.499 | 1.18E-05 | 2.16E-04 | 0.251 | 3.16E-04 | 0.682 |
500 | 0.04918 | 14.507 | 1.26E-05 | 2.57E-04 | 0.272 | 3.82E-04 | 0.675 |
550 | 0.04469 | 14.532 | 1.35E-05 | 3.02E-04 | 0.292 | 4.52E-04 | 0.668 |
600 | 0.04085 | 14.537 | 1.43E-05 | 3.50E-04 | 0.315 | 5.31E-04 | 0.664 |
700 | 0.03492 | 14.574 | 1.59E-05 | 4.55E-04 | 0.351 | 6.90E-04 | 0.659 |
800 | 0.0306 | 14.675 | 1.74E-05 | 5.69E-04 | 0.384 | 8.56E-04 | 0.664 |
900 | 0.02723 | 14.821 | 1.88E-05 | 6.90E-04 | 0.412 | 1.02E-03 | 0.676 |
1000 | 0.02424 | 14.99 | 2.01E-05 | 8.30E-04 | 0.448 | 1.23E-03 | 0.673 |
1100 | 0.02204 | 15.17 | 2.13E-05 | 9.66E-04 | 0.488 | 1.46E-03 | 0.662 |
1200 | 0.0202 | 15.37 | 2.26E-05 | 1.12E-03 | 0.528 | 1.70E-03 | 0.659 |
1300 | 0.01865 | 15.59 | 2.39E-05 | 1.28E-03 | 0.568 | 1.96E-03 | 0.655 |
1400 | 0.01732 | 15.81 | 2.51E-05 | 1.45E-03 | 0.61 | 2.23E-03 | 0.65 |
1500 | 0.01616 | 16.02 | 2.63E-05 | 1.63E-03 | 0.655 | 2.53E-03 | 0.643 |
1600 | 0.0152 | 16.28 | 2.74E-05 | 1.80E-03 | 0.697 | 2.82E-03 | 0.639 |
1700 | 0.0143 | 16.58 | 2.85E-05 | 1.99E-03 | 0.742 | 3.13E-03 | 0.637 |
1800 | 0.0135 | 16.96 | 2.96E-05 | 2.19E-03 | 0.786 | 3.44E-03 | 0.639 |
1900 | 0.0128 | 17.49 | 3.07E-05 | 2.40E-03 | 0.835 | 3.73E-03 | 0.643 |
2000 | 0.0121 | 18.25 | 3.18E-05 | 2.63E-03 | 0.878 | 3.98E-03 | 0.661 |
History
Discovery and use
In 1671, Robert Boyle discovered and described the reaction between iron filings and dilute acids, which results in the production of hydrogen gas.[73][74]
Having provided a saline spirit [hydrochloric acid], which by an uncommon way of preparation was made exceeding sharp and piercing, we put into a vial, capable of containing three or four ounces of water, a convenient quantity of filings of steel, which were not such as are commonly sold in shops to Chymists and Apothecaries, (those being usually not free enough from rust) but such as I had a while before caus’d to be purposely fil’d off from a piece of good steel. This metalline powder being moistn’d in the viol with a little of the menstruum, was afterwards drench’d with more; whereupon the mixture grew very hot, and belch’d up copious and stinking fumes; which whether they consisted altogether of the volatile sulphur of the Mars [iron?], or of metalline steams participating of a sulphureous nature, and join’d with the saline exhalations of the menstruum, is not necessary to be here discuss’d. But whencesoever this stinking smoak proceeded, so inflammable it was, that upon the approach of a lighted candle to it, it would readily enough take fire, and burn with a blewish and somewhat greenish flame at the mouth of the viol for a good while together; and that, though with little light, yet with more strength than one would easily suspect.
— Robert Boyle, Tracts written by the Honourable Robert Boyle containing new experiments, touching the relation betwixt flame and air…
In 1766, Henry Cavendish was the first to recognize hydrogen gas as a discrete substance, by naming the gas from a metal-acid reaction «inflammable air». He speculated that «inflammable air» was in fact identical to the hypothetical substance called «phlogiston»[75][76] and further finding in 1781 that the gas produces water when burned. He is usually given credit for the discovery of hydrogen as an element.[5][6] In 1783, Antoine Lavoisier gave the element the name hydrogen (from the Greek ὑδρο- hydro meaning «water» and -γενής genes meaning «former»)[77] when he and Laplace reproduced Cavendish’s finding that water is produced when hydrogen is burned.[6]
Antoine-Laurent de Lavoisier
Lavoisier produced hydrogen for his experiments on mass conservation by reacting a flux of steam with metallic iron through an incandescent iron tube heated in a fire. Anaerobic oxidation of iron by the protons of water at high temperature can be schematically represented by the set of following reactions:
- 1) Fe + H2O → FeO + H2
- 2) Fe + 3 H2O → Fe2O3 + 3 H2
- 3) Fe + 4 H2O → Fe3O4 + 4 H2
Many metals such as zirconium undergo a similar reaction with water leading to the production of hydrogen.
Hydrogen was liquefied for the first time by James Dewar in 1898 by using regenerative cooling and his invention, the vacuum flask.[6] He produced solid hydrogen the next year.[6] Deuterium was discovered in December 1931 by Harold Urey, and tritium was prepared in 1934 by Ernest Rutherford, Mark Oliphant, and Paul Harteck.[5] Heavy water, which consists of deuterium in the place of regular hydrogen, was discovered by Urey’s group in 1932.[6] François Isaac de Rivaz built the first de Rivaz engine, an internal combustion engine powered by a mixture of hydrogen and oxygen in 1806. Edward Daniel Clarke invented the hydrogen gas blowpipe in 1819. The Döbereiner’s lamp and limelight were invented in 1823.[6]
The first hydrogen-filled balloon was invented by Jacques Charles in 1783.[6] Hydrogen provided the lift for the first reliable form of air-travel following the 1852 invention of the first hydrogen-lifted airship by Henri Giffard.[6] German count Ferdinand von Zeppelin promoted the idea of rigid airships lifted by hydrogen that later were called Zeppelins; the first of which had its maiden flight in 1900.[6] Regularly scheduled flights started in 1910 and by the outbreak of World War I in August 1914, they had carried 35,000 passengers without a serious incident. Hydrogen-lifted airships were used as observation platforms and bombers during the war.
The first non-stop transatlantic crossing was made by the British airship R34 in 1919. Regular passenger service resumed in the 1920s and the discovery of helium reserves in the United States promised increased safety, but the U.S. government refused to sell the gas for this purpose. Therefore, H2 was used in the Hindenburg airship, which was destroyed in a midair fire over New Jersey on 6 May 1937.[6] The incident was broadcast live on radio and filmed. Ignition of leaking hydrogen is widely assumed to be the cause, but later investigations pointed to the ignition of the aluminized fabric coating by static electricity. But the damage to hydrogen’s reputation as a lifting gas was already done and commercial hydrogen airship travel ceased. Hydrogen is still used, in preference to non-flammable but more expensive helium, as a lifting gas for weather balloons.
In the same year, the first hydrogen-cooled turbogenerator went into service with gaseous hydrogen as a coolant in the rotor and the stator in 1937 at Dayton, Ohio, by the Dayton Power & Light Co.;[78] because of the thermal conductivity and very low viscosity of hydrogen gas, thus lower drag than air, this is the most common type in its field today for large generators (typically 60 MW and bigger; smaller generators are usually air-cooled).
The nickel hydrogen battery was used for the first time in 1977 aboard the U.S. Navy’s Navigation technology satellite-2 (NTS-2).[79] For example, the ISS,[80] Mars Odyssey[81] and the Mars Global Surveyor[82] are equipped with nickel-hydrogen batteries. In the dark part of its orbit, the Hubble Space Telescope is also powered by nickel-hydrogen batteries, which were finally replaced in May 2009,[83] more than 19 years after launch and 13 years beyond their design life.[84]
Role in quantum theory
Hydrogen emission spectrum lines in the visible range. These are the four visible lines of the Balmer series
Because of its simple atomic structure, consisting only of a proton and an electron, the hydrogen atom, together with the spectrum of light produced from it or absorbed by it, has been central to the development of the theory of atomic structure.[85] Furthermore, study of the corresponding simplicity of the hydrogen molecule and the corresponding cation H+2 brought understanding of the nature of the chemical bond, which followed shortly after the quantum mechanical treatment of the hydrogen atom had been developed in the mid-1920s.
One of the first quantum effects to be explicitly noticed (but not understood at the time) was a Maxwell observation involving hydrogen, half a century before full quantum mechanical theory arrived. Maxwell observed that the specific heat capacity of H2 unaccountably departs from that of a diatomic gas below room temperature and begins to increasingly resemble that of a monatomic gas at cryogenic temperatures. According to quantum theory, this behavior arises from the spacing of the (quantized) rotational energy levels, which are particularly wide-spaced in H2 because of its low mass. These widely spaced levels inhibit equal partition of heat energy into rotational motion in hydrogen at low temperatures. Diatomic gases composed of heavier atoms do not have such widely spaced levels and do not exhibit the same effect.[86]
Antihydrogen (
H
) is the antimatter counterpart to hydrogen. It consists of an antiproton with a positron. Antihydrogen is the only type of antimatter atom to have been produced as of 2015.[87][88]
Cosmic prevalence and distribution
Hydrogen, as atomic H, is the most abundant chemical element in the universe, making up 75 percent of normal matter by mass and more than 90 percent by number of atoms. (Most of the mass of the universe, however, is not in the form of chemical-element type matter, but rather is postulated to occur as yet-undetected forms of mass such as dark matter and dark energy.[89]) This element is found in great abundance in stars and gas giant planets. Molecular clouds of H2 are associated with star formation. Hydrogen plays a vital role in powering stars through the proton-proton reaction in case of stars with very low to approximately 1 mass of the Sun and the CNO cycle of nuclear fusion in case of stars more massive than our Sun.[90]
States
Throughout the universe, hydrogen is mostly found in the atomic and plasma states, with properties quite distinct from those of molecular hydrogen. As a plasma, hydrogen’s electron and proton are not bound together, resulting in very high electrical conductivity and high emissivity (producing the light from the Sun and other stars). The charged particles are highly influenced by magnetic and electric fields. For example, in the solar wind they interact with the Earth’s magnetosphere giving rise to Birkeland currents and the aurora.
Hydrogen is found in the neutral atomic state in the interstellar medium because the atoms seldom collide and combine. They are the source of the 21-cm hydrogen line at 1420 MHz that is detected in order to probe primordial hydrogen.[91] The large amount of neutral hydrogen found in the damped Lyman-alpha systems is thought to dominate the cosmological baryonic density of the universe up to a redshift of z = 4.[92]
Under ordinary conditions on Earth, elemental hydrogen exists as the diatomic gas, H2. Hydrogen gas is very rare in the Earth’s atmosphere (1 ppm by volume) because of its light weight, which enables it to escape from the atmosphere more rapidly than heavier gases. However, hydrogen is the third most abundant element on the Earth’s surface,[93] mostly in the form of chemical compounds such as hydrocarbons and water.[50]
A molecular form called protonated molecular hydrogen (H+3) is found in the interstellar medium, where it is generated by ionization of molecular hydrogen from cosmic rays. This ion has also been observed in the upper atmosphere of the planet Jupiter. The ion is relatively stable in the environment of outer space due to the low temperature and density. H+3 is one of the most abundant ions in the universe, and it plays a notable role in the chemistry of the interstellar medium.[94] Neutral triatomic hydrogen H3 can exist only in an excited form and is unstable.[95] By contrast, the positive hydrogen molecular ion (H+2) is a rare molecule in the universe.
Production
H2 is produced in chemistry and biology laboratories, often as a by-product of other reactions; in industry for the hydrogenation of unsaturated substrates; and in nature as a means of expelling reducing equivalents in biochemical reactions.
Water electrolysis
Illustrating inputs and outputs of simple electrolysis of water production of hydrogen
The electrolysis of water is a simple method of producing hydrogen. A current is run through the water, and gaseous oxygen forms at the anode while gaseous hydrogen forms at the cathode. Typically the cathode is made from platinum or another inert metal when producing hydrogen for storage. If, however, the gas is to be burnt on site, oxygen is desirable to assist the combustion, and so both electrodes would be made from inert metals. (Iron, for instance, would oxidize, and thus decrease the amount of oxygen given off.) The theoretical maximum efficiency (electricity used vs. energetic value of hydrogen produced) is in the range 88–94%.[96][97]
- 2 H2O(l) → 2 H2(g) + O2(g)
Methane pyrolysis
Hydrogen production using natural gas methane pyrolysis is a one-step process that produces no greenhouse gases.[98][99][100][101] Developing volume production using this method is the key to enabling faster carbon reduction by using hydrogen in industrial processes,[102] fuel cell electric heavy truck transportation,[103][104][105][106] and in gas turbine electric power generation.[107][108] Methane pyrolysis is performed by having methane CH4 bubbled up through a molten metal catalyst containing dissolved nickel at 1,340 K (1,070 °C; 1,950 °F). This causes the methane to break down into hydrogen gas and solid carbon, with no other byproducts.[109][110]
- CH4(g) → C(s) + 2 H2(g) (ΔH° = 74 kJ/mol)
The industrial quality solid carbon may be sold as manufacturing feedstock or permanently landfilled; it is not released into the atmosphere and does not cause ground water pollution in landfill. Methane pyrolysis is in development and considered suitable for commercial bulk hydrogen production. Volume production is being evaluated in the BASF «methane pyrolysis at scale» pilot plant.[111] Further research continues in several laboratories, including at Karlsruhe Liquid-metal Laboratory (KALLA)[112] and the chemical engineering laboratory at University of California – Santa Barbara[113]
Other industrial methods
Illustrating inputs and outputs of steam reforming of natural gas, a process to produce hydrogen[image reference needed]
Hydrogen is often produced by reacting water with methane and carbon monoxide, which causes the removal of hydrogen from hydrocarbons at very high temperatures, with 48% of hydrogen production coming from steam reforming.[114][115] The water vapor is then reacted with the carbon monoxide produced by steam reforming to oxidize it to carbon dioxide and turn the water into hydrogen. Commercial bulk hydrogen is usually produced by the steam reforming of natural gas[116] with release of atmospheric greenhouse gas or with capture using CCS and climate change mitigation. Steam reforming is also known as the Bosch process and is widely used for the industrial preparation of hydrogen.
At high temperatures (1000–1400 K, 700–1100 °C or 1300–2000 °F), steam (water vapor) reacts with methane to yield carbon monoxide and H2.
- CH4 + H2O → CO + 3 H2
This reaction is favored at low pressures but is nonetheless conducted at high pressures (2.0 MPa, 20 atm or 600 inHg). This is because high-pressure H2 is the most marketable product, and pressure swing adsorption (PSA) purification systems work better at higher pressures. The product mixture is known as «synthesis gas» because it is often used directly for the production of methanol and related compounds. Hydrocarbons other than methane can be used to produce synthesis gas with varying product ratios. One of the many complications to this highly optimized technology is the formation of coke or carbon:
- CH4 → C + 2 H2
Consequently, steam reforming typically employs an excess of H2O. Additional hydrogen can be recovered from the steam by use of carbon monoxide through the water gas shift reaction, especially with an iron oxide catalyst. This reaction is also a common industrial source of carbon dioxide:[116]
- CO + H2O → CO2 + H2
Other important methods for CO and H2 production include partial oxidation of hydrocarbons:[117]
- 2 CH4 + O2 → 2 CO + 4 H2
and the coal reaction, which can serve as a prelude to the shift reaction above:[116]
- C + H2O → CO + H2
Hydrogen is sometimes produced and consumed in the same industrial process, without being separated. In the Haber process for the production of ammonia, hydrogen is generated from natural gas.[118] Electrolysis of brine to yield chlorine also produces hydrogen as a co-product.[119]
Olefin production units may produce substantial quantities of byproduct hydrogen particularly from cracking light feedstocks like ethane or propane.
Metal-acid
Many metals react with water to produce H2, but the rate of hydrogen evolution depends on the metal, the pH, and the presence alloying agents. Most commonly, hydrogen evolution is induced by acids. The alkali and alkaline earth metals, aluminium, zinc, manganese, and iron react readily with aqueous acids. This reaction is the basis of the Kipp’s apparatus, which once was used as a laboratory gas source:
- Zn + 2 H+ → Zn2+ + H2
In the absence of acid, the evolution of H2 is slower. Because iron is widely used structural material, its anaerobic corrosion is of technological significance:
- Fe + 2 H2O → Fe(OH)2 + H2
Many metals, such as aluminium, are slow to react with water because they form passivated coatings of oxides. An alloy of aluminium and gallium, however, does react with water.[120] At high pH, aluminium can produce H2:
- 2 Al + 6 H2O + 2 OH− → 2 [Al(OH)4]− + 3 H2
Some metal-containing compounds react with acids to evolve H2. Under anaerobic conditions, ferrous hydroxide (Fe(OH)
2) can be oxidized by the protons of water to form magnetite and H2. This process is described by the Schikorr reaction:
- 3 Fe(OH)2 → Fe3O4 + 2 H2O + H2
This process occurs during the anaerobic corrosion of iron and steel in oxygen-free groundwater and in reducing soils below the water table.
Thermochemical
More than 200 thermochemical cycles can be used for water splitting. Many of these cycles such as the iron oxide cycle, cerium(IV) oxide–cerium(III) oxide cycle, zinc zinc-oxide cycle, sulfur-iodine cycle, copper-chlorine cycle and hybrid sulfur cycle have been evaluated for their commercial potential to produce hydrogen and oxygen from water and heat without using electricity.[121] A number of laboratories (including in France, Germany, Greece, Japan, and the United States) are developing thermochemical methods to produce hydrogen from solar energy and water.[122]
Serpentinization reaction
In deep geological conditions prevailing far away from the Earth’s atmosphere, hydrogen (H2) is produced during the process of serpentinization. In this process, water protons (H+) are reduced by ferrous (Fe2+) ions provided by fayalite (Fe2SiO4). The reaction forms magnetite (Fe3O4), quartz (SiO2), and hydrogen (H2):[123][124]
- 3 Fe2SiO4 + 2 H2O → 2 Fe3O4 + 3 SiO2 + 3 H2
- fayalite + water → magnetite + quartz + hydrogen
This reaction closely resembles the Schikorr reaction observed in anaerobic oxidation of ferrous hydroxide in contact with water.
Applications
Petrochemical industry
Large quantities of H2 are used in the «upgrading» of fossil fuels. Key consumers of H2 include hydrodealkylation, hydrodesulfurization, and hydrocracking. Many of these reactions can be classified as hydrogenolysis, i.e., the cleavage of bonds to carbon. Illustrative is the separation of sulfur from liquid fossil fuels:
- R2S + 2 H2 → H2S + 2 RH
Hydrogenation
Hydrogenation, the addition of H2 to various substrates is conducted on a large scale. The hydrogenation of N2 to produce ammonia by the Haber–Bosch process consumes a few percent of the energy budget in the entire industry. The resulting ammonia is used to supply the majority of the protein consumed by humans.[125] Hydrogenation is used to convert unsaturated fats and oils to saturated fats and oils. The major application is the production of margarine. Methanol is produced by hydrogenation of carbon dioxide. It is similarly the source of hydrogen in the manufacture of hydrochloric acid. H2 is also used as a reducing agent for the conversion of some ores to the metals.[126]
Coolant
Hydrogen is commonly used in power stations as a coolant in generators due to a number of favorable properties that are a direct result of its light diatomic molecules. These include low density, low viscosity, and the highest specific heat and thermal conductivity of all gases.
Energy carrier
Elemental hydrogen has been widely discussed in the context of energy, as a possible future carrier of energy on an economy-wide scale.[127] Hydrogen is a »carrier» of energy rather than an energy resource, because there is no naturally occurring source of hydrogen in useful quantities.[128]
Hydrogen can be burned to produce heat or combined with oxygen in fuel cells to generate electricity directly, with water being the only emissions at the point of usage. The overall lifecycle emissions of hydrogen depend on how it is produced. Nearly all of the world’s current supply of hydrogen is created from fossil fuels.[129][130] The main method is steam methane reforming, in which hydrogen is produced from a chemical reaction between steam and methane, the main component of natural gas. Producing one tonne of hydrogen through this process emits 6.6–9.3 tonnes of carbon dioxide.[131] While carbon capture and storage can remove a large fraction of these emissions, the overall carbon footprint of hydrogen from natural gas is difficult to assess as of 2021, in part because of emissions created in the production of the natural gas itself.[132]
Electricity can be used to split water molecules, producing sustainable hydrogen provided the electricity was generated sustainably. However, this electrolysis process is currently more expensive than creating hydrogen from methane and the efficiency of energy conversion is inherently low.[133] Hydrogen can be produced when there is a surplus of variable renewable electricity, then stored and used to generate heat or to re-generate electricity.[134] It can be further transformed into synthetic fuels such as ammonia and methanol.[135]
Innovation in hydrogen electrolysers could make large-scale production of hydrogen from electricity more cost-competitive.[136] There is potential for hydrogen to play a significant role in decarbonising energy systems because in certain sectors, replacing fossil fuels with direct use of electricity would be very difficult.[133] Hydrogen fuel can produce the intense heat required for industrial production of steel, cement, glass, and chemicals. For steelmaking, hydrogen can function as a clean energy carrier and simultaneously as a low-carbon catalyst replacing coal-derived coke.[137] Hydrogen used in transportation would burn relatively cleanly, with some NOx emissions,[138] but without carbon emissions.[139] Disadvantages of hydrogen as an energy carrier include high costs of storage and distribution due to hydrogen’s explosivity, its large volume compared to other fuels, and its tendency to make pipes brittle.[132] The infrastructure costs associated with full conversion to a hydrogen economy would be substantial.[140]
Semiconductor industry
Hydrogen is employed to saturate broken («dangling») bonds of amorphous silicon and amorphous carbon that helps stabilizing material properties.[141] It is also a potential electron donor in various oxide materials, including ZnO,[142][143] SnO2, CdO, MgO,[144] ZrO2, HfO2, La2O3, Y2O3, TiO2, SrTiO3, LaAlO3, SiO2, Al2O3, ZrSiO4, HfSiO4, and SrZrO3.[145]
Aerospace
Liquid hydrogen and liquid oxygen together serve as cryogenic fuel in liquid-propellant rockets, as in the Space Shuttle main engines.
Niche and evolving uses
- Shielding gas: Hydrogen is used as a shielding gas in welding methods such as atomic hydrogen welding.[146][147]
- Cryogenic research: Liquid H2 is used in cryogenic research, including superconductivity studies.[148]
- Buoyant lifting: Because H2 is lighter than air, having only 7% of the density of air, it was once widely used as a lifting gas in balloons and airships.[149]
- Leak detection: Pure or mixed with nitrogen (sometimes called forming gas), hydrogen is a tracer gas for detection of minute leaks. Applications can be found in the automotive, chemical, power generation, aerospace, and telecommunications industries.[150] Hydrogen is an authorized food additive (E 949) that allows food package leak testing, as well as having anti-oxidizing properties.[151]
- Neutron moderation: Deuterium (hydrogen-2) is used in nuclear fission applications as a moderator to slow neutrons.
- Nuclear fusion fuel: Deuterium is used in nuclear fusion reactions.[6]
- Isotopic labeling: Deuterium compounds have applications in chemistry and biology in studies of isotope effects on reaction rates.[152]
- Rocket propellant: NASA has investigated the use of rocket propellant made from atomic hydrogen, boron or carbon that is frozen into solid molecular hydrogen particles that are suspended in liquid helium. Upon warming, the mixture vaporizes to allow the atomic species to recombine, heating the mixture to high temperature.[153]
- Tritium uses: Tritium (hydrogen-3), produced in nuclear reactors, is used in the production of hydrogen bombs,[154] as an isotopic label in the biosciences,[64] and as a source of beta radiation in radioluminescent paint for instrument dials and emergency signage.[59]
Biological reactions
H2 is a product of some types of anaerobic metabolism and is produced by several microorganisms, usually via reactions catalyzed by iron- or nickel-containing enzymes called hydrogenases. These enzymes catalyze the reversible redox reaction between H2 and its component two protons and two electrons. Creation of hydrogen gas occurs in the transfer of reducing equivalents produced during pyruvate fermentation to water.[155] The natural cycle of hydrogen production and consumption by organisms is called the hydrogen cycle.[156] Hydrogen is the most abundant element in the human body in terms of numbers of atoms of the element but, it is the 3rd most abundant element by mass, because hydrogen is so light. H2 occurs in the breath of humans due to the metabolic activity of hydrogenase-containing microorganisms in the large intestine. The concentration in fasted people at rest is typically less than 5 parts per million (ppm) but can be 50 ppm when people with intestinal disorders consume molecules they cannot absorb during diagnostic hydrogen breath tests.[157]
Hydrogen gas is produced by some bacteria and algae and is a natural component of flatus, as is methane, itself a hydrogen source of increasing importance.[158]
Water splitting, in which water is decomposed into its component protons, electrons, and oxygen, occurs in the light reactions in all photosynthetic organisms. Some such organisms, including the alga Chlamydomonas reinhardtii and cyanobacteria, have evolved a second step in the dark reactions in which protons and electrons are reduced to form H2 gas by specialized hydrogenases in the chloroplast.[159] Efforts have been undertaken to genetically modify cyanobacterial hydrogenases to efficiently synthesize H2 gas even in the presence of oxygen.[160] Efforts have also been undertaken with genetically modified alga in a bioreactor.[161]
Safety and precautions
Hazards | |
---|---|
GHS labelling: | |
Pictograms |
|
Signal word |
Danger |
Hazard statements |
H220 |
Precautionary statements |
P202, P210, P271, P377, P381, P403[162] |
NFPA 704 (fire diamond) |
0 4 0 |
Hydrogen poses a number of hazards to human safety, from potential detonations and fires when mixed with air to being an asphyxiant in its pure, oxygen-free form.[163] In addition, liquid hydrogen is a cryogen and presents dangers (such as frostbite) associated with very cold liquids.[164] Hydrogen dissolves in many metals and in addition to leaking out, may have adverse effects on them, such as hydrogen embrittlement,[165] leading to cracks and explosions.[166] Hydrogen gas leaking into external air may spontaneously ignite. Moreover, hydrogen fire, while being extremely hot, is almost invisible, and thus can lead to accidental burns.[167]
Even interpreting the hydrogen data (including safety data) is confounded by a number of phenomena. Many physical and chemical properties of hydrogen depend on the parahydrogen/orthohydrogen ratio (it often takes days or weeks at a given temperature to reach the equilibrium ratio, for which the data is usually given). Hydrogen detonation parameters, such as critical detonation pressure and temperature, strongly depend on the container geometry.[163]
See also
- Hydrogen economy – Using hydrogen to decarbonize sectors which are hard to electrify
- Hydrogen production – Family of industrial methods for generating hydrogen
- Hydrogen safety – Procedures for safe production, handling and use of hydrogen
- Hydrogen technologies – Technologies that relating to the production & use of hydrogen
- Hydrogen transport
- Liquid hydrogen – Liquid state of the element hydrogen
- Methane pyrolysis (for hydrogen)
- Natural hydrogen – Natural hydrogen, often called white hydrogen, is molecular hydrogen occurring in natural deposits
- Pyrolysis – Thermal decomposition of materials at elevated temperatures in an inert atmosphere
Notes
- ^ However, most of the universe’s mass is not in the form of baryons or chemical elements. See dark matter and dark energy.
- ^ 286 kJ/mol: energy per mole of the combustible material (molecular hydrogen).
References
- ^ «Standard Atomic Weights: Hydrogen». CIAAW. 2009.
- ^ Wiberg, Egon; Wiberg, Nils; Holleman, Arnold Frederick (2001). Inorganic chemistry. Academic Press. p. 240. ISBN 978-0123526519.
- ^ Lide, D. R., ed. (2005). «Magnetic susceptibility of the elements and inorganic compounds». CRC Handbook of Chemistry and Physics (PDF) (86th ed.). Boca Raton (FL): CRC Press. ISBN 978-0-8493-0486-6.
- ^ Weast, Robert (1984). CRC, Handbook of Chemistry and Physics. Boca Raton, Florida: Chemical Rubber Company Publishing. pp. E110. ISBN 978-0-8493-0464-4.
- ^ a b c «Hydrogen». Van Nostrand’s Encyclopedia of Chemistry. Wylie-Interscience. 2005. pp. 797–799. ISBN 978-0-471-61525-5.
- ^ a b c d e f g h i j k l Emsley, John (2001). Nature’s Building Blocks. Oxford: Oxford University Press. pp. 183–191. ISBN 978-0-19-850341-5.
- ^ Stwertka, Albert (1996). A Guide to the Elements. Oxford University Press. pp. 16–21. ISBN 978-0-19-508083-4.
- ^ «Hydrogen». Encyclopædia Britannica. Archived from the original on 24 December 2021. Retrieved 25 December 2021.
- ^ Boyd, Padi (19 July 2014). «What is the chemical composition of stars?». NASA. Archived from the original on 15 January 2015. Retrieved 5 February 2008.
- ^ Tanabashi et al. (2018) p. 358. Chpt. 21.4.1: «Big-Bang Cosmology» Archived 29 June 2021 at the Wayback Machine (Revised September 2017) by K.A. Olive and J.A. Peacock.[full citation needed]
- ^ Laursen, S.; Chang, J.; Medlin, W.; Gürmen, N.; Fogler, H. S. (27 July 2004). «An extremely brief introduction to computational quantum chemistry». Molecular Modeling in Chemical Engineering. University of Michigan. Archived from the original on 20 May 2015. Retrieved 4 May 2015.
- ^ Presenter: Professor Jim Al-Khalili (21 January 2010). «Discovering the Elements». Chemistry: A Volatile History. 25:40 minutes in. BBC. BBC Four. Archived from the original on 25 January 2010. Retrieved 9 February 2010.
- ^ a b Dincer, Ibrahim; Acar, Canan (14 September 2015). «Review and evaluation of hydrogen production methods for better sustainability». International Journal of Hydrogen Energy. 40 (34): 11094–11111. doi:10.1016/j.ijhydene.2014.12.035. ISSN 0360-3199. Archived from the original on 15 February 2022. Retrieved 4 February 2022.
- ^ «Hydrogen Basics – Production». Florida Solar Energy Center. 2007. Archived from the original on 18 February 2008. Retrieved 5 February 2008.
- ^ dos Santos, K. G.; Eckert, C. T.; De Rossi, E.; Bariccatti, R. A.; Frigo, E. P.; Lindino, C. A.; Alves, H. J. (2017). «Hydrogen production in the electrolysis of water in Brazil, a review». Renewable and Sustainable Energy Reviews. 68: 563–571. doi:10.1016/j.rser.2016.09.128.
- ^ a b Rogers, H. C. (1999). «Hydrogen Embrittlement of Metals». Science. 159 (3819): 1057–1064. Bibcode:1968Sci…159.1057R. doi:10.1126/science.159.3819.1057. PMID 17775040. S2CID 19429952.
- ^ «Dihydrogen». O=CHem Directory. University of Southern Maine. Archived from the original on 13 February 2009. Retrieved 6 April 2009.
- ^ Committee on Alternatives and Strategies for Future Hydrogen Production and Use (2004). The Hydrogen Economy: Opportunities, Costs, Barriers, and R&D Needs. National Academies Press. p. 240. ISBN 978-0-309-09163-3. Archived from the original on 29 January 2021. Retrieved 3 September 2020.
- ^ Carcassi, M. N.; Fineschi, F. (2005). «Deflagrations of H2–air and CH4–air lean mixtures in a vented multi-compartment environment». Energy. 30 (8): 1439–1451. doi:10.1016/j.energy.2004.02.012.
- ^ Patnaik, P. (2007). A Comprehensive Guide to the Hazardous Properties of Chemical Substances. Wiley-Interscience. p. 402. ISBN 978-0-471-71458-3. Archived from the original on 26 January 2021. Retrieved 3 September 2020.
- ^ Schefer, E. W.; Kulatilaka, W. D.; Patterson, B. D.; Settersten, T. B. (June 2009). «Visible emission of hydrogen flames». Combustion and Flame. 156 (6): 1234–1241. doi:10.1016/j.combustflame.2009.01.011. Archived from the original on 29 January 2021. Retrieved 30 June 2019.
- ^ «Myths about the Hindenburg Crash». Airships.net. Archived from the original on 20 April 2021. Retrieved 29 March 2021.
- ^ Lide, David R., ed. (2006). CRC Handbook of Chemistry and Physics (87th ed.). Boca Raton, FL: CRC Press. ISBN 0-8493-0487-3.
- ^ Clayton, D. D. (2003). Handbook of Isotopes in the Cosmos: Hydrogen to Gallium. Cambridge University Press. ISBN 978-0-521-82381-4.
- ^ NAAP Labs (2009). «Energy Levels». University of Nebraska Lincoln. Archived from the original on 11 May 2015. Retrieved 20 May 2015.
- ^ «photon wavelength 13.6 eV». Wolfram Alpha. 20 May 2015. Archived from the original on 12 May 2016. Retrieved 20 May 2015.
- ^ Stern, D. P. (16 May 2005). «The Atomic Nucleus and Bohr’s Early Model of the Atom». NASA Goddard Space Flight Center (mirror). Archived from the original on 17 October 2008. Retrieved 20 December 2007.
- ^ Stern, D. P. (13 February 2005). «Wave Mechanics». NASA Goddard Space Flight Center. Archived from the original on 13 May 2008. Retrieved 16 April 2008.
- ^ Staff (2003). «Hydrogen (H2) Properties, Uses, Applications: Hydrogen Gas and Liquid Hydrogen». Universal Industrial Gases, Inc. Archived from the original on 19 February 2008. Retrieved 5 February 2008.
- ^ Green, Richard A.; et al. (2012). «The theory and practice of hyperpolarization in magnetic resonance using parahydrogen». Prog. Nucl. Magn. Reson. Spectrosc. 67: 1–48. doi:10.1016/j.pnmrs.2012.03.001. PMID 23101588. Archived from the original on 28 August 2021. Retrieved 28 August 2021.
- ^ «Die Entdeckung des para-Wasserstoffs (The discovery of para-hydrogen)». Max-Planck-Institut für Biophysikalische Chemie (in German). Archived from the original on 16 November 2020. Retrieved 9 November 2020.
- ^ Milenko, Yu. Ya.; Sibileva, R. M.; Strzhemechny, M. A. (1997). «Natural ortho-para conversion rate in liquid and gaseous hydrogen». Journal of Low Temperature Physics. 107 (1–2): 77–92. Bibcode:1997JLTP..107…77M. doi:10.1007/BF02396837. S2CID 120832814.
- ^ Hritz, J. (March 2006). «CH. 6 – Hydrogen» (PDF). NASA Glenn Research Center Glenn Safety Manual, Document GRC-MQSA.001. NASA. Archived from the original (PDF) on 16 February 2008. Retrieved 5 February 2008.
- ^ Amos, Wade A. (1 November 1998). «Costs of Storing and Transporting Hydrogen» (PDF). National Renewable Energy Laboratory. pp. 6–9. Archived (PDF) from the original on 26 December 2014. Retrieved 19 May 2015.
- ^ Svadlenak, R. E.; Scott, A. B. (1957). «The Conversion of Ortho- to Parahydrogen on Iron Oxide-Zinc Oxide Catalysts». Journal of the American Chemical Society. 79 (20): 5385–5388. doi:10.1021/ja01577a013.
- ^ Clark, J. (2002). «The Acidity of the Hydrogen Halides». Chemguide. Archived from the original on 20 February 2008. Retrieved 9 March 2008.
- ^ Kimball, J. W. (7 August 2003). «Hydrogen». Kimball’s Biology Pages. Archived from the original on 4 March 2008. Retrieved 4 March 2008.
- ^ IUPAC Compendium of Chemical Terminology, Electronic version, Hydrogen Bond Archived 19 March 2008 at the Wayback Machine
- ^ Sandrock, G. (2 May 2002). «Metal-Hydrogen Systems». Sandia National Laboratories. Archived from the original on 24 February 2008. Retrieved 23 March 2008.
- ^ a b «Structure and Nomenclature of Hydrocarbons». Purdue University. Archived from the original on 11 June 2012. Retrieved 23 March 2008.
- ^ «Organic Chemistry». Dictionary.com. Lexico Publishing Group. 2008. Archived from the original on 18 April 2008. Retrieved 23 March 2008.
- ^ «Biochemistry». Dictionary.com. Lexico Publishing Group. 2008. Archived from the original on 29 March 2008. Retrieved 23 March 2008.
- ^ Takeshita, T.; Wallace, W. E.; Craig, R. S. (1974). «Hydrogen solubility in 1:5 compounds between yttrium or thorium and nickel or cobalt». Inorganic Chemistry. 13 (9): 2282–2283. doi:10.1021/ic50139a050.
- ^ Kirchheim, R.; Mutschele, T.; Kieninger, W.; Gleiter, H.; Birringer, R.; Koble, T. (1988). «Hydrogen in amorphous and nanocrystalline metals». Materials Science and Engineering. 99 (1–2): 457–462. doi:10.1016/0025-5416(88)90377-1.
- ^ Kirchheim, R. (1988). «Hydrogen solubility and diffusivity in defective and amorphous metals». Progress in Materials Science. 32 (4): 262–325. doi:10.1016/0079-6425(88)90010-2.
- ^ Christensen, C. H.; Nørskov, J. K.; Johannessen, T. (9 July 2005). «Making society independent of fossil fuels – Danish researchers reveal new technology». Technical University of Denmark. Archived from the original on 21 May 2015. Retrieved 19 May 2015.
- ^ Moers, K. (1920). «Investigations on the Salt Character of Lithium Hydride». Zeitschrift für Anorganische und Allgemeine Chemie. 113 (191): 179–228. doi:10.1002/zaac.19201130116. Archived (PDF) from the original on 24 August 2019. Retrieved 24 August 2019.
- ^ Downs, A. J.; Pulham, C. R. (1994). «The hydrides of aluminium, gallium, indium, and thallium: a re-evaluation». Chemical Society Reviews. 23 (3): 175–184. doi:10.1039/CS9942300175.
- ^ Hibbs, D. E.; Jones, C.; Smithies, N. A. (1999). «A remarkably stable indium trihydride complex: synthesis and characterisation of [InH3P(C6H11)3]». Chemical Communications (2): 185–186. doi:10.1039/a809279f.
- ^ a b c Miessler, G. L.; Tarr, D. A. (2003). Inorganic Chemistry (3rd ed.). Prentice Hall. ISBN 978-0-13-035471-6.
- ^ Okumura, A. M.; Yeh, L. I.; Myers, J. D.; Lee, Y. T. (1990). «Infrared spectra of the solvated hydronium ion: vibrational predissociation spectroscopy of mass-selected H3O+•(H2O)n•(H2)m«. Journal of Physical Chemistry. 94 (9): 3416–3427. doi:10.1021/j100372a014.
- ^ Perdoncin, G.; Scorrano, G. (1977). «Protonation Equilibria in Water at Several Temperatures of Alcohols, Ethers, Acetone, Dimethyl Sulfide, and Dimethyl Sulfoxide». Journal of the American Chemical Society. 99 (21): 6983–6986. doi:10.1021/ja00463a035.
- ^ Carrington, A.; McNab, I. R. (1989). «The infrared predissociation spectrum of triatomic hydrogen cation (H3+)». Accounts of Chemical Research. 22 (6): 218–222. doi:10.1021/ar00162a004.
- ^ Gurov, Y. B.; Aleshkin, D. V.; Behr, M. N.; Lapushkin, S. V.; Morokhov, P. V.; Pechkurov, V. A.; Poroshin, N. O.; Sandukovsky, V. G.; Tel’kushev, M. V.; Chernyshev, B. A.; Tschurenkova, T. D. (2004). «Spectroscopy of superheavy hydrogen isotopes in stopped-pion absorption by nuclei». Physics of Atomic Nuclei. 68 (3): 491–97. Bibcode:2005PAN….68..491G. doi:10.1134/1.1891200. S2CID 122902571.
- ^ Korsheninnikov, A.; Nikolskii, E.; Kuzmin, E.; Ozawa, A.; Morimoto, K.; Tokanai, F.; Kanungo, R.; Tanihata, I.; et al. (2003). «Experimental Evidence for the Existence of 7H and for a Specific Structure of 8He». Physical Review Letters. 90 (8): 082501. Bibcode:2003PhRvL..90h2501K. doi:10.1103/PhysRevLett.90.082501. PMID 12633420.
- ^ Urey, H. C.; Brickwedde, F. G.; Murphy, G. M. (1933). «Names for the Hydrogen Isotopes». Science. 78 (2035): 602–603. Bibcode:1933Sci….78..602U. doi:10.1126/science.78.2035.602. PMID 17797765.
- ^ Oda, Y.; Nakamura, H.; Yamazaki, T.; Nagayama, K.; Yoshida, M.; Kanaya, S.; Ikehara, M. (1992). «1H NMR studies of deuterated ribonuclease HI selectively labeled with protonated amino acids». Journal of Biomolecular NMR. 2 (2): 137–47. doi:10.1007/BF01875525. PMID 1330130. S2CID 28027551.
- ^ Broad, W. J. (11 November 1991). «Breakthrough in Nuclear Fusion Offers Hope for Power of Future». The New York Times. Archived from the original on 29 January 2021. Retrieved 12 February 2008.
- ^ a b Traub, R. J.; Jensen, J. A. (June 1995). «Tritium radioluminescent devices, Health and Safety Manual» (PDF). International Atomic Energy Agency. p. 2.4. Archived (PDF) from the original on 6 September 2015. Retrieved 20 May 2015.
- ^ Staff (15 November 2007). «Tritium». U.S. Environmental Protection Agency. Archived from the original on 2 January 2008. Retrieved 12 February 2008.
- ^ Nave, C. R. (2006). «Deuterium-Tritium Fusion». HyperPhysics. Georgia State University. Archived from the original on 16 March 2008. Retrieved 8 March 2008.
- ^ Kendall, C.; Caldwell, E. (1998). C. Kendall; J. J. McDonnell (eds.). «Chapter 2: Fundamentals of Isotope Geochemistry». Isotope Tracers in Catchment Hydrology. US Geological Survey: 51–86. doi:10.1016/B978-0-444-81546-0.50009-4. Archived from the original on 14 March 2008. Retrieved 8 March 2008.
- ^ «The Tritium Laboratory». University of Miami. 2008. Archived from the original on 28 February 2008. Retrieved 8 March 2008.
- ^ a b Holte, A. E.; Houck, M. A.; Collie, N. L. (2004). «Potential Role of Parasitism in the Evolution of Mutualism in Astigmatid Mites». Experimental and Applied Acarology. 25 (2): 97–107. doi:10.1023/A:1010655610575. PMID 11513367. S2CID 13159020.
- ^ van der Krogt, P. (5 May 2005). «Hydrogen». Elementymology & Elements Multidict. Archived from the original on 23 January 2010. Retrieved 20 December 2010.
- ^ § IR-3.3.2, Provisional Recommendations Archived 9 February 2016 at the Wayback Machine, Nomenclature of Inorganic Chemistry, Chemical Nomenclature and Structure Representation Division, IUPAC. Accessed on line 3 October 2007.
- ^ IUPAC (1997). «Muonium». In A.D. McNaught, A. Wilkinson (ed.). Compendium of Chemical Terminology (2nd ed.). Blackwell Scientific Publications. doi:10.1351/goldbook.M04069. ISBN 978-0-86542-684-9. Archived from the original on 13 March 2008. Retrieved 15 November 2016.
- ^ V.W. Hughes; et al. (1960). «Formation of Muonium and Observation of its Larmor Precession». Physical Review Letters. 5 (2): 63–65. Bibcode:1960PhRvL…5…63H. doi:10.1103/PhysRevLett.5.63.
- ^ Bondi, D.K.; Connor, J.N.L.; Manz, J.; Römelt, J. (20 October 1983). «Exact quantum and vibrationally adiabatic quantum, semiclassical and quasiclassical study of the collinear reactions Cl + MuCl, Cl + HCl, Cl + DCl». Molecular Physics. 50 (3): 467–488. Bibcode:1983MolPh..50..467B. doi:10.1080/00268978300102491. ISSN 0026-8976.
- ^ W.H. Koppenol; IUPAC (2001). «Names for muonium and hydrogen atoms and their ions» (PDF). Pure and Applied Chemistry. 73 (2): 377–380. doi:10.1351/pac200173020377. S2CID 97138983. Archived (PDF) from the original on 14 May 2011. Retrieved 15 November 2016.
- ^ Holman, Jack P. (2002). Heat transfer (9th ed.). New York, NY: McGraw-Hill. pp. 600–606. ISBN 0-07-240655-0. OCLC 46959719.
{{cite book}}
: CS1 maint: date and year (link) - ^ Incropera 1 Dewitt 2 Bergman 3 Lavigne 4, Frank P. 1 David P. 2 Theodore L. 3 Adrienne S. 4 (2007). Fundamentals of heat and mass transfer (6th ed.). Hoboken, NJ: John Wiley and Sons, Inc. pp. 941–950. ISBN 978-0-471-45728-2. OCLC 62532755.
{{cite book}}
: CS1 maint: date and year (link) - ^ Boyle, R. (1672). Tracts written by the Honourable Robert Boyle containing new experiments, touching the relation betwixt flame and air, and about explosions, an hydrostatical discourse occasion’d by some objections of Dr. Henry More against some explications of new experiments made by the author of these tracts: To which is annex’t, an hydrostatical letter, dilucidating an experiment about a way of weighing water in water, new experiments, of the positive or relative levity of bodies under water, of the air’s spring on bodies under water, about the differing pressure of heavy solids and fluids. Printed for Richard Davis. pp. 64–65.
- ^ Winter, M. (2007). «Hydrogen: historical information». WebElements Ltd. Archived from the original on 10 April 2008. Retrieved 5 February 2008.
- ^ Musgrave, A. (1976). «Why did oxygen supplant phlogiston? Research programmes in the Chemical Revolution». In Howson, C. (ed.). Method and appraisal in the physical sciences. The Critical Background to Modern Science, 1800–1905. Cambridge University Press. doi:10.1017/CBO9780511760013. ISBN 978-0-521-21110-9. Retrieved 22 October 2011.
- ^ Cavendish, Henry (12 May 1766). «Three Papers, Containing Experiments on Factitious Air, by the Hon. Henry Cavendish, F. R. S.» Philosophical Transactions. 56: 141–184. Bibcode:1766RSPT…56..141C. doi:10.1098/rstl.1766.0019. JSTOR 105491.
- ^ Stwertka, Albert (1996). A Guide to the Elements. Oxford University Press. pp. 16–21. ISBN 978-0-19-508083-4.
- ^ National Electrical Manufacturers Association (1946). A chronological history of electrical development from 600 B.C. New York, N.Y., National Electrical Manufacturers Association. p. 102. Archived from the original on 4 March 2016. Retrieved 9 February 2016.
- ^ Stockel, J.F; j.d. Dunlop; Betz, F (1980). «NTS-2 Nickel-Hydrogen Battery Performance 31». Journal of Spacecraft and Rockets. 17: 31–34. Bibcode:1980JSpRo..17…31S. doi:10.2514/3.57704.
- ^ Jannette, A. G.; Hojnicki, J. S.; McKissock, D. B.; Fincannon, J.; Kerslake, T. W.; Rodriguez, C. D. (July 2002). Validation of international space station electrical performance model via on-orbit telemetry (PDF). IECEC ’02. 2002 37th Intersociety Energy Conversion Engineering Conference, 2002. pp. 45–50. doi:10.1109/IECEC.2002.1391972. hdl:2060/20020070612. ISBN 0-7803-7296-4. Archived (PDF) from the original on 14 May 2010. Retrieved 11 November 2011.
- ^ Anderson, P. M.; Coyne, J. W. (2002). A lightweight high reliability single battery power system for interplanetary spacecraft. Aerospace Conference Proceedings. Vol. 5. pp. 5–2433. doi:10.1109/AERO.2002.1035418. ISBN 978-0-7803-7231-3. S2CID 108678345.
- ^ «Mars Global Surveyor». Astronautix.com. Archived from the original on 10 August 2009. Retrieved 6 April 2009.
- ^ Lori Tyahla, ed. (7 May 2009). «Hubble servicing mission 4 essentials». NASA. Archived from the original on 13 March 2015. Retrieved 19 May 2015.
- ^ Hendrix, Susan (25 November 2008). Lori Tyahla (ed.). «Extending Hubble’s mission life with new batteries». NASA. Archived from the original on 5 March 2016. Retrieved 19 May 2015.
- ^ Crepeau, R. (1 January 2006). Niels Bohr: The Atomic Model. Great Scientific Minds. ISBN 978-1-4298-0723-4.
- ^ Berman, R.; Cooke, A. H.; Hill, R. W. (1956). «Cryogenics». Annual Review of Physical Chemistry. 7: 1–20. Bibcode:1956ARPC….7….1B. doi:10.1146/annurev.pc.07.100156.000245.
- ^ Charlton, Mike; Van Der Werf, Dirk Peter (1 March 2015). «Advances in antihydrogen physics». Science Progress. 98 (1): 34–62. doi:10.3184/003685015X14234978376369. PMID 25942774. S2CID 23581065.
- ^ Kellerbauer, Alban (29 January 2015). «Why Antimatter Matters». European Review. 23 (1): 45–56. doi:10.1017/S1062798714000532. S2CID 58906869. Archived from the original on 29 January 2021. Retrieved 11 January 2020.
- ^ Gagnon, S. «Hydrogen». Jefferson Lab. Archived from the original on 10 April 2008. Retrieved 5 February 2008.
- ^ Haubold, H.; Mathai, A. M. (15 November 2007). «Solar Thermonuclear Energy Generation». Columbia University. Archived from the original on 11 December 2011. Retrieved 12 February 2008.
- ^ «Hydrogen». mysite.du.edu. Archived from the original on 18 April 2009. Retrieved 20 April 2008.
- ^ Storrie-Lombardi, L. J.; Wolfe, A. M. (2000). «Surveys for z > 3 Damped Lyman-alpha Absorption Systems: the Evolution of Neutral Gas». Astrophysical Journal. 543 (2): 552–576. arXiv:astro-ph/0006044. Bibcode:2000ApJ…543..552S. doi:10.1086/317138. S2CID 120150880.
- ^ Dresselhaus, M.; et al. (15 May 2003). «Basic Research Needs for the Hydrogen Economy» (PDF). APS March Meeting Abstracts. Argonne National Laboratory, U.S. Department of Energy, Office of Science Laboratory. 2004: m1.001. Bibcode:2004APS..MAR.m1001D. Archived from the original (PDF) on 13 February 2008. Retrieved 5 February 2008.
- ^ McCall Group; Oka Group (22 April 2005). «H3+ Resource Center». Universities of Illinois and Chicago. Archived from the original on 11 October 2007. Retrieved 5 February 2008.
- ^ Helm, H.; et al. (2003), «Coupling of Bound States to Continuum States in Neutral Triatomic Hydrogen», Dissociative Recombination of Molecular Ions with Electrons, Department of Molecular and Optical Physics, University of Freiburg, Germany, pp. 275–288, doi:10.1007/978-1-4615-0083-4_27, ISBN 978-1-4613-4915-0
- ^ Thomassen, Magnus. «Cost reduction and performance increase of PEM electrolysers» (PDF). fch.europa.eu. FCH JU. Archived (PDF) from the original on 17 April 2018. Retrieved 22 April 2018.
- ^ Kruse, B.; Grinna, S.; Buch, C. (2002). «Hydrogen Status og Muligheter» (PDF). Bellona. Archived from the original (PDF) on 16 February 2008. Retrieved 12 February 2008.
- ^ Von Wald, Gregory A. (2020). «Optimization-based technoeconomic analysis of molten-media methane pyrolysis for reducing industrial sector CO2 emissions». Sustainable Energy & Fuels. Royal Society of Chemistry. 4 (9): 4598–4613. doi:10.1039/D0SE00427H. S2CID 225676190. Archived from the original on 8 November 2020. Retrieved 31 October 2020.
- ^ Schneider, Stefan (2020). «State of the Art of Hydrogen Production via Pyrolysis of Natural Gas». ChemBioEng Reviews. Wiley Online Library. 7 (5): 150–158. doi:10.1002/cben.202000014.
- ^ Cartwright, Jon. «The reaction that would give us clean fossil fuels forever». New Scientist. Archived from the original on 26 October 2020. Retrieved 30 October 2020.
- ^ Karlsruhe Institute of Technology. «Hydrogen from methane without CO2 emissions». Phys.Org. Phys.Org. Archived from the original on 21 October 2020. Retrieved 30 October 2020.
- ^ Crolius, Stephen H. (27 January 2017). «Methane to Ammonia via Pyrolysis». Ammonia Energy Association. Ammonia Energy Association. Archived from the original on 31 December 2020. Retrieved 19 October 2020.
- ^ Fialka, John. «Energy Department Looks to Boost Hydrogen Fuel for Big Trucks». E&E News. Scientific American. Archived from the original on 6 November 2020. Retrieved 7 November 2020.
- ^ CCJ News (13 August 2020). «How fuel cell trucks produce electric power and how they’re fueled». CCJ News. Commercial Carrier Journal. Archived from the original on 19 October 2020. Retrieved 19 October 2020.
- ^ Toyota. «Hydrogen Fuel-Cell Class 8 Truck». Hydrogen-Powered Truck Will Offer Heavy-Duty Capability and Clean Emissions. Toyota. Archived from the original on 19 October 2020. Retrieved 19 October 2020.
- ^ Colias, Mike (26 October 2020). «Auto Makers Shift Their Hydrogen Focus to Big Rigs». Wall Street Journal. Archived from the original on 26 October 2020. Retrieved 26 October 2020.
- ^ GE Turbines. «Hydrogen fueled power turbines». Hydrogen fueled gas turbines. General Electric. Archived from the original on 19 October 2020. Retrieved 19 October 2020.
- ^ Solar Turbines. «Hydrogen fueled power turbines». Power From Hydrogen Gas For Carbon Reduction. Solar Turbines. Archived from the original on 19 October 2020. Retrieved 19 October 2020.
- ^ Upham, D. Chester (2017). «Catalytic molten metals for the direct conversion of methane to hydrogen and separable carbon». Science. American Association for Advancement of Science. 358 (6365): 917–921. Bibcode:2017Sci…358..917U. doi:10.1126/science.aao5023. PMID 29146810. S2CID 206663568.
- ^ Clarke, Palmer (2020). «Dry reforming of methane catalyzed by molten metal alloys». Nature Catalysis. 3: 83–89. doi:10.1038/s41929-019-0416-2. S2CID 210862772. Archived from the original on 29 January 2021. Retrieved 31 October 2020.
- ^ BASF. «BASF researchers working on fundamentally new, low-carbon production processes, Methane Pyrolysis». United States Sustainability. BASF. Archived from the original on 19 October 2020. Retrieved 19 October 2020.
- ^ Gusev, Alexander. «KITT/IASS – Producing CO2 Free Hydrogen From Natural Gas For Energy Usage». European Energy Innovation. Institute for Advanced Sustainability Studies. Archived from the original on 29 January 2021. Retrieved 30 October 2020.
- ^ Fernandez, Sonia. «Researchers develop potentially low-cost, low-emissions technology that can convert methane without forming CO2». Phys-Org. American Institute of Physics. Archived from the original on 19 October 2020. Retrieved 19 October 2020.
- ^ Freyermuth, George H. «1934 Patent: «The manufacture of hydrogen from methane hydrocarbons by the action of steam at elevated temperature»«. Patent Full-Text Databases. United States Patent and Trademark Office. Archived from the original on 1 October 2021. Retrieved 30 October 2020.
- ^ Press, Roman J.; Santhanam, K. S. V.; Miri, Massoud J.; Bailey, Alla V.; Takacs, Gerald A. (2008). Introduction to hydrogen Technology. John Wiley & Sons. p. 249. ISBN 978-0-471-77985-8.
- ^ a b c Oxtoby, D. W. (2002). Principles of Modern Chemistry (5th ed.). Thomson Brooks/Cole. ISBN 978-0-03-035373-4.
- ^ «Hydrogen Properties, Uses, Applications». Universal Industrial Gases, Inc. 2007. Archived from the original on 27 March 2008. Retrieved 11 March 2008.
- ^ Funderburg, E. (2008). «Why Are Nitrogen Prices So High?». The Samuel Roberts Noble Foundation. Archived from the original on 9 May 2001. Retrieved 11 March 2008.
- ^ Lees, A. (2007). «Chemicals from salt». BBC. Archived from the original on 26 October 2007. Retrieved 11 March 2008.
- ^ Parmuzina, A.V.; Kravchenko, O.V. (2008). «Activation of aluminium metal to evolve hydrogen from water». International Journal of Hydrogen Energy. 33 (12): 3073–3076. doi:10.1016/j.ijhydene.2008.02.025.
- ^ Weimer, Al (25 May 2005). «Development of solar-powered thermochemical production of hydrogen from water» (PDF). Solar Thermochemical Hydrogen Generation Project. Archived (PDF) from the original on 17 April 2007. Retrieved 21 December 2008.
- ^ Perret, R. «Development of Solar-Powered Thermochemical Production of Hydrogen from Water, DOE Hydrogen Program, 2007» (PDF). Archived from the original (PDF) on 27 May 2010. Retrieved 17 May 2008.
- ^ Russell, M. J.; Hall, A. J.; Martin, W. (2010). «Serpentinization as a source of energy at the origin of life». Geobiology. 8 (5): 355–371. doi:10.1111/j.1472-4669.2010.00249.x. PMID 20572872. S2CID 41118603.
- ^ Schrenk, M. O.; Brazelton, W. J.; Lang, S. Q. (2013). «Serpentinization, Carbon, and Deep Life» (PDF). Reviews in Mineralogy and Geochemistry. 75 (1): 575–606. Bibcode:2013RvMG…75..575S. doi:10.2138/rmg.2013.75.18. S2CID 8600635.
- ^ Smil, Vaclav (2004). Enriching the Earth: Fritz Haber, Carl Bosch, and the Transformation of World Food Production (1st ed.). Cambridge, MA: MIT. ISBN 978-0-262-69313-4.
- ^ Chemistry Operations (15 December 2003). «Hydrogen». Los Alamos National Laboratory. Archived from the original on 4 March 2011. Retrieved 5 February 2008.
- ^ «DOE Seeks Applicants for Solicitation on the Employment Effects of a Transition to a Hydrogen Economy». Hydrogen Program (Press release). US Department of Energy. 22 March 2006. Archived from the original on 19 July 2011. Retrieved 16 March 2008.
- ^ McCarthy, J. (31 December 1995). «Hydrogen». Stanford University. Archived from the original on 14 March 2008. Retrieved 14 March 2008.
- ^ Reed, Stanley; Ewing, Jack (13 July 2021). «Hydrogen Is One Answer to Climate Change. Getting It Is the Hard Part». The New York Times. ISSN 0362-4331. Archived from the original on 14 July 2021. Retrieved 14 July 2021.
- ^ IRENA (2019). Hydrogen: A renewable energy perspective (PDF). p. 9. ISBN 978-92-9260-151-5. Archived (PDF) from the original on 29 September 2021. Retrieved 17 October 2021..
- ^ Bonheure, Mike; Vandewalle, Laurien A.; Marin, Guy B.; Van Geem, Kevin M. (March 2021). «Dream or Reality? Electrification of the Chemical Process Industries». CEP Magazine. American Institute of Chemical Engineers. Archived from the original on 17 July 2021. Retrieved 6 July 2021.
- ^ a b Griffiths, Steve; Sovacool, Benjamin K.; Kim, Jinsoo; Bazilian, Morgan; et al. (2021). «Industrial decarbonization via hydrogen: A critical and systematic review of developments, socio-technical systems and policy options». Energy Research & Social Science. 80: 39. doi:10.1016/j.erss.2021.102208. ISSN 2214-6296. Archived from the original on 16 October 2021. Retrieved 11 September 2021.
- ^ a b Evans, Simon; Gabbatiss, Josh (30 November 2020). «In-depth Q&A: Does the world need hydrogen to solve climate change?». Carbon Brief. Archived from the original on 1 December 2020. Retrieved 1 December 2020.
- ^ Palys, Matthew J.; Daoutidis, Prodromos (2020). «Using hydrogen and ammonia for renewable energy storage: A geographically comprehensive techno-economic study». Computers & Chemical Engineering. 136: 106785. doi:10.1016/j.compchemeng.2020.106785. ISSN 0098-1354.
- ^ IRENA (2021). World Energy Transitions Outlook: 1.5°C Pathway (PDF). pp. 12, 22. ISBN 978-92-9260-334-2. Archived (PDF) from the original on 11 June 2021.
- ^ IEA (2021). Net Zero by 2050: A Roadmap for the Global Energy Sector (PDF). pp. 15, 75–76. Archived (PDF) from the original on 23 May 2021.
- ^ Blank, Thomas; Molly, Patrick (January 2020). «Hydrogen’s Decarbonization Impact for Industry» (PDF). Rocky Mountain Institute. pp. 2, 7, 8. Archived (PDF) from the original on 22 September 2020.
- ^ Heffel, J. W. (2002). «NOx emission and performance data for a hydrogen fueled internal combustion engine at 1500 rpm using exhaust gas recirculation». International Journal of Hydrogen Energy. 28 (8): 901–908. doi:10.1016/S0360-3199(02)00157-X.
- ^ «Carbon Capture Strategy Could Lead to Emission-Free Cars» (Press release). Georgia Tech. 11 February 2008. Archived from the original on 28 September 2013. Retrieved 16 March 2008.
- ^ Romm, J. J. (2004). The Hype About Hydrogen: Fact And Fiction in the Race To Save The Climate (1st ed.). Island Press. ISBN 978-1-55963-703-9.
- ^ Le Comber, P. G.; Jones, D. I.; Spear, W. E. (1977). «Hall effect and impurity conduction in substitutionally doped amorphous silicon». Philosophical Magazine. 35 (5): 1173–1187. Bibcode:1977PMag…35.1173C. doi:10.1080/14786437708232943.
- ^ Van de Walle, C. G. (2000). «Hydrogen as a cause of doping in zinc oxide» (PDF). Physical Review Letters. 85 (5): 1012–1015. Bibcode:2000PhRvL..85.1012V. doi:10.1103/PhysRevLett.85.1012. hdl:11858/00-001M-0000-0026-D0E6-E. PMID 10991462. Archived (PDF) from the original on 15 August 2017. Retrieved 1 August 2018.
- ^ Janotti, A.; Van De Walle, C. G. (2007). «Hydrogen multicentre bonds». Nature Materials. 6 (1): 44–47. Bibcode:2007NatMa…6…44J. doi:10.1038/nmat1795. PMID 17143265.
- ^ Kilic, C.; Zunger, Alex (2002). «n-type doping of oxides by hydrogen». Applied Physics Letters. 81 (1): 73–75. Bibcode:2002ApPhL..81…73K. doi:10.1063/1.1482783. S2CID 96415065. Archived from the original on 29 January 2021. Retrieved 16 December 2019.
- ^ Peacock, P. W.; Robertson, J. (2003). «Behavior of hydrogen in high dielectric constant oxide gate insulators». Applied Physics Letters. 83 (10): 2025–2027. Bibcode:2003ApPhL..83.2025P. doi:10.1063/1.1609245.
- ^ Durgutlu, A. (2003). «Experimental investigation of the effect of hydrogen in argon as a shielding gas on TIG welding of austenitic stainless steel». Materials & Design. 25 (1): 19–23. doi:10.1016/j.matdes.2003.07.004.
- ^ «Atomic Hydrogen Welding». Specialty Welds. 2007. Archived from the original on 16 July 2011.
- ^ Hardy, W. N. (2003). «From H2 to cryogenic H masers to HiTc superconductors: An unlikely but rewarding path». Physica C: Superconductivity. 388–389: 1–6. Bibcode:2003PhyC..388….1H. doi:10.1016/S0921-4534(02)02591-1.
- ^ Almqvist, Ebbe (2003). History of industrial gases. New York, N.Y.: Kluwer Academic/Plenum Publishers. pp. 47–56. ISBN 978-0-306-47277-0. Retrieved 20 May 2015.
- ^ Block, M. (3 September 2004). Hydrogen as Tracer Gas for Leak Detection. 16th WCNDT 2004. Montreal, Canada: Sensistor Technologies. Archived from the original on 8 January 2009. Retrieved 25 March 2008.
- ^ «Report from the Commission on Dietary Food Additive Intake» (PDF). European Union. Archived (PDF) from the original on 16 February 2008. Retrieved 5 February 2008.
- ^ Reinsch, J.; Katz, A.; Wean, J.; Aprahamian, G.; MacFarland, J. T. (1980). «The deuterium isotope effect upon the reaction of fatty acyl-CoA dehydrogenase and butyryl-CoA». J. Biol. Chem. 255 (19): 9093–97. doi:10.1016/S0021-9258(19)70531-6. PMID 7410413.
- ^ «NASA/TM—2002-211915: Solid Hydrogen Experiments for Atomic Propellants» (PDF). Archived (PDF) from the original on 9 July 2021. Retrieved 2 July 2021.
- ^ Bergeron, K. D. (2004). «The Death of no-dual-use». Bulletin of the Atomic Scientists. 60 (1): 15–17. Bibcode:2004BuAtS..60a..15B. doi:10.2968/060001004. Archived from the original on 19 April 2008. Retrieved 13 April 2008.
- ^ Cammack, R.; Robson, R. L. (2001). Hydrogen as a Fuel: Learning from Nature. Taylor & Francis Ltd. pp. 202–203. ISBN 978-0-415-24242-4. Archived from the original on 29 January 2021. Retrieved 3 September 2020.
- ^ Rhee, T. S.; Brenninkmeijer, C. A. M.; Röckmann, T. (19 May 2006). «The overwhelming role of soils in the global atmospheric hydrogen cycle» (PDF). Atmospheric Chemistry and Physics. 6 (6): 1611–1625. Bibcode:2006ACP…..6.1611R. doi:10.5194/acp-6-1611-2006. Archived (PDF) from the original on 24 August 2019. Retrieved 24 August 2019.
- ^ Eisenmann, Alexander; Amann, Anton; Said, Michael; Datta, Bettina; Ledochowski, Maximilian (2008). «Implementation and interpretation of hydrogen breath tests» (PDF). Journal of Breath Research. 2 (4): 046002. Bibcode:2008JBR…..2d6002E. doi:10.1088/1752-7155/2/4/046002. PMID 21386189. S2CID 31706721. Archived from the original (PDF) on 29 January 2021. Retrieved 26 December 2020.
- ^ Berger, W. H. (15 November 2007). «The Future of Methane». University of California, San Diego. Archived from the original on 24 April 2008. Retrieved 12 February 2008.
- ^ Kruse, O.; Rupprecht, J.; Bader, K.; Thomas-Hall, S.; Schenk, P. M.; Finazzi, G.; Hankamer, B. (2005). «Improved photobiological H2 production in engineered green algal cells» (PDF). The Journal of Biological Chemistry. 280 (40): 34170–7. doi:10.1074/jbc.M503840200. PMID 16100118. S2CID 5373909. Archived (PDF) from the original on 29 January 2021. Retrieved 24 August 2019.
- ^ Smith, Hamilton O.; Xu, Qing (2005). «IV.E.6 Hydrogen from Water in a Novel Recombinant Oxygen-Tolerant Cyanobacteria System» (PDF). FY2005 Progress Report. United States Department of Energy. Archived (PDF) from the original on 29 December 2016. Retrieved 6 August 2016.
- ^ Williams, C. (24 February 2006). «Pond life: the future of energy». Science. The Register. Archived from the original on 9 May 2011. Retrieved 24 March 2008.
- ^ «MyChem: Chemical» (PDF). Archived from the original (PDF) on 1 October 2018. Retrieved 1 October 2018.
- ^ a b Brown, W. J.; et al. (1997). «Safety Standard for Hydrogen and Hydrogen Systems» (PDF). NASA. NSS 1740.16. Archived (PDF) from the original on 1 May 2017. Retrieved 12 July 2017.
- ^ «Liquid Hydrogen MSDS» (PDF). Praxair, Inc. September 2004. Archived from the original (PDF) on 27 May 2008. Retrieved 16 April 2008.
- ^ «‘Bugs’ and hydrogen embrittlement». Science News. 128 (3): 41. 20 July 1985. doi:10.2307/3970088. JSTOR 3970088.
- ^ Hayes, B. «Union Oil Amine Absorber Tower». TWI. Archived from the original on 20 November 2008. Retrieved 29 January 2010.
- ^ Walker, James L.; Waltrip, John S.; Zanker, Adam (1988). «Lactic acid to magnesium supply-demand relationships». In John J. McKetta; William Aaron Cunningham (eds.). Encyclopedia of Chemical Processing and Design. Vol. 28. New York: Dekker. p. 186. ISBN 978-0-8247-2478-8. Retrieved 20 May 2015.
Further reading
- Chart of the Nuclides (17th ed.). Knolls Atomic Power Laboratory. 2010. ISBN 978-0-9843653-0-2.
- Ferreira-Aparicio, P.; Benito, M. J.; Sanz, J. L. (2005). «New Trends in Reforming Technologies: from Hydrogen Industrial Plants to Multifuel Microreformers». Catalysis Reviews. 47 (4): 491–588. doi:10.1080/01614940500364958. S2CID 95966974.
- Newton, David E. (1994). The Chemical Elements. New York: Franklin Watts. ISBN 978-0-531-12501-4.
- Rigden, John S. (2002). Hydrogen: The Essential Element. Cambridge, Massachusetts: Harvard University Press. ISBN 978-0-531-12501-4.
- Romm, Joseph J. (2004). The Hype about Hydrogen, Fact and Fiction in the Race to Save the Climate. Island Press. ISBN 978-1-55963-703-9.
- Scerri, Eric (2007). The Periodic System, Its Story and Its Significance. New York: Oxford University Press. ISBN 978-0-19-530573-9.
- Hydrogen safety covers the safe production, handling and use
External links
These audio files were created from a revision of this article dated 28 October 2006, and do not reflect subsequent edits.
- Basic Hydrogen Calculations of Quantum Mechanics
- Hydrogen at The Periodic Table of Videos (University of Nottingham)
- High temperature hydrogen phase diagram
- Wavefunction of hydrogen
Purple glow in its plasma state |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Hydrogen | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Appearance | colorless gas | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Standard atomic weight Ar°(H) |
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Hydrogen in the periodic table | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Atomic number (Z) | 1 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Group | group 1: hydrogen and alkali metals | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Period | period 1 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Block | s-block | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Electron configuration | 1s1 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Electrons per shell | 1 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Physical properties | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Phase at STP | gas | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Melting point | (H2) 13.99 K (−259.16 °C, −434.49 °F) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Boiling point | (H2) 20.271 K (−252.879 °C, −423.182 °F) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Density (at STP) | 0.08988 g/L | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
when liquid (at m.p.) | 0.07 g/cm3 (solid: 0.0763 g/cm3)[2] | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
when liquid (at b.p.) | 0.07099 g/cm3 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Triple point | 13.8033 K, 7.041 kPa | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Critical point | 32.938 K, 1.2858 MPa | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Heat of fusion | (H2) 0.117 kJ/mol | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Heat of vaporization | (H2) 0.904 kJ/mol | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Molar heat capacity | (H2) 28.836 J/(mol·K) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Vapor pressure
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Atomic properties | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Oxidation states | −1, +1 (an amphoteric oxide) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Electronegativity | Pauling scale: 2.20 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Ionization energies |
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Covalent radius | 31±5 pm | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Van der Waals radius | 120 pm | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Spectral lines of hydrogen |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Other properties | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Natural occurrence | primordial | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Crystal structure | hexagonal
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Speed of sound | 1310 m/s (gas, 27 °C) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Thermal conductivity | 0.1805 W/(m⋅K) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Magnetic ordering | diamagnetic[3] | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Molar magnetic susceptibility | −3.98×10−6 cm3/mol (298 K)[4] | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
CAS Number | 12385-13-6 1333-74-0 (H2) |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
History | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Discovery | Henry Cavendish[5][6] (1766) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Named by | Antoine Lavoisier[7] (1783) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Main isotopes of hydrogen
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| references |
Hydrogen is the chemical element with the symbol H and atomic number 1. Hydrogen is the lightest element. At standard conditions hydrogen is a gas of diatomic molecules having the formula H2. It is colorless, odorless, tasteless,[8] non-toxic, and highly combustible. Hydrogen is the most abundant chemical substance in the universe, constituting roughly 75% of all normal matter.[9][note 1] Stars such as the Sun are mainly composed of hydrogen in the plasma state. Most of the hydrogen on Earth exists in molecular forms such as water and organic compounds. For the most common isotope of hydrogen (symbol 1H) each atom has one proton, one electron, and no neutrons.
In the early universe, the formation of protons, the nuclei of hydrogen, occurred during the first second after the Big Bang. The emergence of neutral hydrogen atoms throughout the universe occurred about 370,000 years later during the recombination epoch, when the plasma had cooled enough for electrons to remain bound to protons.[10]
Hydrogen is nonmetallic (except it becomes metallic at extremely high pressures) and readily forms a single covalent bond with most nonmetallic elements, forming compounds such as water and nearly all organic compounds. Hydrogen plays a particularly important role in acid–base reactions because these reactions usually involve the exchange of protons between soluble molecules. In ionic compounds, hydrogen can take the form of a negative charge (i.e., anion) where it is known as a hydride, or as a positively charged (i.e., cation) species denoted by the symbol H+. The H+ cation is simply a proton (symbol p) but its behavior in aqueous solutions and in ionic compounds involves screening of its electric charge by nearby polar molecules or anions. Because hydrogen is the only neutral atom for which the Schrödinger equation can be solved analytically,[11] the study of its energetics and chemical bonding has played a key role in the development of quantum mechanics.
Hydrogen gas was first artificially produced in the early 16th century by the reaction of acids on metals. In 1766–1781, Henry Cavendish was the first to recognize that hydrogen gas was a discrete substance,[12] and that it produces water when burned, the property for which it was later named: in Greek, hydrogen means «water-former».
Industrial production is mainly from steam reforming of natural gas, oil reforming, or coal gasification.[13] A small percentage is also produced using more energy-intensive methods such as the electrolysis of water.[13][14][15] Most hydrogen is used near the site of its production, the two largest uses being fossil fuel processing (e.g., hydrocracking) and ammonia production, mostly for the fertilizer market. It can be burned to produce heat or combined with oxygen in fuel cells to generate electricity directly, with water being the only emissions at the point of usage. Hydrogen atoms (but not gaseous molecules) are problematic in metallurgy because they can embrittle many metals.[16]
Properties
Combustion
Combustion of hydrogen with the oxygen in the air. When the bottom cap is removed, allowing air to enter at the bottom, the hydrogen in the container rises out of top and burns as it mixes with the air.
Hydrogen gas (dihydrogen or molecular hydrogen)[17] is highly flammable:
- 2 H2(g) + O2(g) → 2 H2O(l) (572 kJ/2 mol = 286 kJ/mol = 141.865 MJ/kg)[note 2]
The enthalpy of combustion is −286 kJ/mol.[18]
Hydrogen gas forms explosive mixtures with air in concentrations from 4–74%[19] and with chlorine at 5–95%. The explosive reactions may be triggered by spark, heat, or sunlight. The hydrogen autoignition temperature, the temperature of spontaneous ignition in air, is 500 °C (932 °F).[20]
Flame
Pure hydrogen-oxygen flames emit ultraviolet light and with high oxygen mix are nearly invisible to the naked eye, as illustrated by the faint plume of the Space Shuttle Main Engine, compared to the highly visible plume of a Space Shuttle Solid Rocket Booster, which uses an ammonium perchlorate composite. The detection of a burning hydrogen leak may require a flame detector; such leaks can be very dangerous. Hydrogen flames in other conditions are blue, resembling blue natural gas flames.[21] The destruction of the Hindenburg airship was a notorious example of hydrogen combustion and the cause is still debated. The visible flames in the photographs were the result of carbon compounds in the airship skin burning.[22]
Reactants
H2 is unreactive compared to diatomic elements such as halogens or oxygen. The thermodynamic basis of this low reactivity is the very strong H–H bond, with a bond dissociation energy of 435.7 kJ/mol.[23] The kinetic basis of the low reactivity is the nonpolar nature of H2 and its weak polarizability. It spontaneously reacts with chlorine and fluorine to form hydrogen chloride and hydrogen fluoride, respectively.[24] The reactivity of H2 is strongly affected by the presence of metal catalysts. Thus, while mixtures of H2 with O2 or air combust readily when heated to at least 500 °C by a spark or flame, they do not react at room temperature in the absence of a catalyst.
Electron energy levels
Depiction of a hydrogen atom with size of central proton shown, and the atomic diameter shown as about twice the Bohr model radius (image not to scale)
The ground state energy level of the electron in a hydrogen atom is −13.6 eV,[25] which is equivalent to an ultraviolet photon of roughly 91 nm wavelength.[26]
The energy levels of hydrogen can be calculated fairly accurately using the Bohr model of the atom, which conceptualizes the electron as «orbiting» the proton in analogy to the Earth’s orbit of the Sun. However, the atomic electron and proton are held together by electromagnetic force, while planets and celestial objects are held by gravity. Because of the discretization of angular momentum postulated in early quantum mechanics by Bohr, the electron in the Bohr model can only occupy certain allowed distances from the proton, and therefore only certain allowed energies.[27]
A more accurate description of the hydrogen atom comes from a purely quantum mechanical treatment that uses the Schrödinger equation, Dirac equation or Feynman path integral formulation to calculate the probability density of the electron around the proton.[28] The most complicated treatments allow for the small effects of special relativity and vacuum polarization. In the quantum mechanical treatment, the electron in a ground state hydrogen atom has no angular momentum at all—illustrating how the «planetary orbit» differs from electron motion.
Spin isomers
Molecular H2 exists as two spin isomers, i.e. compounds that differ only in the spin states of their nuclei.[29] In the orthohydrogen form, the spins of the two nuclei are parallel, forming a spin triplet state having a total molecular spin ; in the parahydrogen form the spins are antiparallel and form a spin singlet state having spin
. The equilibrium ratio of ortho- to para-hydrogen depends on temperature. At room temperature or warmer, equilibrium hydrogen gas contains about 25% of the para form and 75% of the ortho form.[30] The ortho form is an excited state, having higher energy than the para form by 1.455 kJ/mol,[31] and it converts to the para form over the course of several minutes when cooled to low temperature.[32] The thermal properties of the forms differ because they differ in their allowed rotational quantum states, resulting in different thermal properties such as the heat capacity.[33]
The ortho-to-para ratio in H2 is an important consideration in the liquefaction and storage of liquid hydrogen: the conversion from ortho to para is exothermic and produces enough heat to evaporate a most of the liquid if not converted first to parahydrogen during the cooling process.[34] Catalysts for the ortho-para interconversion, such as ferric oxide and activated carbon compounds, are used during hydrogen cooling to avoid this loss of liquid.[35]
Phases
Hydrogen gas is colorless and transparent, here contained in a glass ampoule.
- Gaseous hydrogen
- Liquid hydrogen
- Slush hydrogen
- Solid hydrogen
- Metallic hydrogen
- Plasma hydrogen
Compounds
Covalent and organic compounds
While H2 is not very reactive under standard conditions, it does form compounds with most elements. Hydrogen can form compounds with elements that are more electronegative, such as halogens (F, Cl, Br, I), or oxygen; in these compounds hydrogen takes on a partial positive charge.[36] When bonded to a more electronegative element, particularly fluorine, oxygen, or nitrogen, hydrogen can participate in a form of medium-strength noncovalent bonding with another electronegative element with a lone pair, a phenomenon called hydrogen bonding that is critical to the stability of many biological molecules.[37][38] Hydrogen also forms compounds with less electronegative elements, such as metals and metalloids, where it takes on a partial negative charge. These compounds are often known as hydrides.[39]
Hydrogen forms a vast array of compounds with carbon called the hydrocarbons, and an even vaster array with heteroatoms that, because of their general association with living things, are called organic compounds.[40] The study of their properties is known as organic chemistry[41] and their study in the context of living organisms is known as biochemistry.[42] By some definitions, «organic» compounds are only required to contain carbon. However, most of them also contain hydrogen, and because it is the carbon-hydrogen bond that gives this class of compounds most of its particular chemical characteristics, carbon-hydrogen bonds are required in some definitions of the word «organic» in chemistry.[40] Millions of hydrocarbons are known, and they are usually formed by complicated pathways that seldom involve elemental hydrogen.
Hydrogen is highly soluble in many rare earth and transition metals[43] and is soluble in both nanocrystalline and amorphous metals.[44] Hydrogen solubility in metals is influenced by local distortions or impurities in the crystal lattice.[45] These properties may be useful when hydrogen is purified by passage through hot palladium disks, but the gas’s high solubility is a metallurgical problem, contributing to the embrittlement of many metals,[16] complicating the design of pipelines and storage tanks.[46]
Hydrides
Compounds of hydrogen are often called hydrides, a term that is used fairly loosely. The term «hydride» suggests that the H atom has acquired a negative or anionic character, denoted H−, and is used when hydrogen forms a compound with a more electropositive element. The existence of the hydride anion, suggested by Gilbert N. Lewis in 1916 for group 1 and 2 salt-like hydrides, was demonstrated by Moers in 1920 by the electrolysis of molten lithium hydride (LiH), producing a stoichiometric quantity of hydrogen at the anode.[47] For hydrides other than group 1 and 2 metals, the term is quite misleading, considering the low electronegativity of hydrogen. An exception in group 2 hydrides is BeH2, which is polymeric. In lithium aluminium hydride, the [AlH4]− anion carries hydridic centers firmly attached to the Al(III).
Although hydrides can be formed with almost all main-group elements, the number and combination of possible compounds varies widely; for example, more than 100 binary borane hydrides are known, but only one binary aluminium hydride.[48] Binary indium hydride has not yet been identified, although larger complexes exist.[49]
In inorganic chemistry, hydrides can also serve as bridging ligands that link two metal centers in a coordination complex. This function is particularly common in group 13 elements, especially in boranes (boron hydrides) and aluminium complexes, as well as in clustered carboranes.[50]
Protons and acids
Oxidation of hydrogen removes its electron and gives H+, which contains no electrons and a nucleus which is usually composed of one proton. That is why H+ is often called a proton. This species is central to discussion of acids. Under the Brønsted–Lowry acid–base theory, acids are proton donors, while bases are proton acceptors.
A bare proton, H+, cannot exist in solution or in ionic crystals because of its unstoppable attraction to other atoms or molecules with electrons. Except at the high temperatures associated with plasmas, such protons cannot be removed from the electron clouds of atoms and molecules, and will remain attached to them. However, the term ‘proton’ is sometimes used loosely and metaphorically to refer to positively charged or cationic hydrogen attached to other species in this fashion, and as such is denoted «H+» without any implication that any single protons exist freely as a species.
To avoid the implication of the naked «solvated proton» in solution, acidic aqueous solutions are sometimes considered to contain a less unlikely fictitious species, termed the «hydronium ion» ([H3O]+). However, even in this case, such solvated hydrogen cations are more realistically conceived as being organized into clusters that form species closer to [H9O4]+.[51] Other oxonium ions are found when water is in acidic solution with other solvents.[52]
Although exotic on Earth, one of the most common ions in the universe is the H+3 ion, known as protonated molecular hydrogen or the trihydrogen cation.[53]
Isotopes
Hydrogen discharge (spectrum) tube
Deuterium discharge (spectrum) tube
Hydrogen has three naturally occurring isotopes, denoted 1
H, 2
H and 3
H. Other, highly unstable nuclei (4
H to 7
H) have been synthesized in the laboratory but not observed in nature.[54][55]
- 1
H is the most common hydrogen isotope, with an abundance of more than 99.98%. Because the nucleus of this isotope consists of only a single proton, it is given the descriptive but rarely used formal name protium.[56] It is unique among all stable isotopes in having no neutrons; see diproton for a discussion of why others do not exist. - 2
H, the other stable hydrogen isotope, is known as deuterium and contains one proton and one neutron in the nucleus. All deuterium in the universe is thought to have been produced at the time of the Big Bang, and has endured since that time. Deuterium is not radioactive, and does not represent a significant toxicity hazard. Water enriched in molecules that include deuterium instead of normal hydrogen is called heavy water. Deuterium and its compounds are used as a non-radioactive label in chemical experiments and in solvents for 1
H-NMR spectroscopy.[57] Heavy water is used as a neutron moderator and coolant for nuclear reactors. Deuterium is also a potential fuel for commercial nuclear fusion.[58] - 3
H is known as tritium and contains one proton and two neutrons in its nucleus. It is radioactive, decaying into helium-3 through beta decay with a half-life of 12.32 years.[50] It is so radioactive that it can be used in luminous paint, making it useful in such things as watches. The glass prevents the small amount of radiation from getting out.[59] Small amounts of tritium are produced naturally by the interaction of cosmic rays with atmospheric gases; tritium has also been released during nuclear weapons tests.[60] It is used in nuclear fusion reactions,[61] as a tracer in isotope geochemistry,[62] and in specialized self-powered lighting devices.[63] Tritium has also been used in chemical and biological labeling experiments as a radiolabel.[64]
Unique among the elements, distinct names are assigned to its isotopes in common use today. During the early study of radioactivity, various heavy radioactive isotopes were given their own names, but such names are no longer used, except for deuterium and tritium. The symbols D and T (instead of 2
H and 3
H) are sometimes used for deuterium and tritium, but the symbol P is already in use for phosphorus and thus is not available for protium.[65] In its nomenclatural guidelines, the International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC) allows any of D, T, 2
H, and 3
H to be used, although 2
H and 3
H are preferred.[66]
The exotic atom muonium (symbol Mu), composed of an antimuon and an electron, can also be considered a light radioisotope of hydrogen.[67] Because muons decay with lifetime 2.2 µs, muonium is too unstable to exhibit observable chemistry.[68] Nevertheless, muonium compounds are important test cases for quantum simulation, due to the mass difference between the antimuon and the proton,[69] and IUPAC nomenclature incorporates such hypothetical compounds as muonium chloride (MuCl) and sodium muonide (NaMu), analogous to hydrogen chloride and sodium hydride respectively.[70]
Thermal and physical properties
Table of thermal and physical properties of hydrogen (H2) at atmospheric pressure:[71][72]
Temperature (K) | Density (kg/m^3) | Specific heat (kJ/kg °C) | Dynamic viscosity (kg/m s) | Kinematic viscosity (m^2/s) | Thermal conductivity (W/m °C) | Thermal diffusivity (m^2/s) | Prandtl Number |
100 | 0.24255 | 11.23 | 4.21E-06 | 1.74E-05 | 6.70E-02 | 2.46E-05 | 0.707 |
150 | 0.16371 | 12.602 | 5.60E-06 | 3.42E-05 | 0.0981 | 4.75E-05 | 0.718 |
200 | 0.1227 | 13.54 | 6.81E-06 | 5.55E-05 | 0.1282 | 7.72E-05 | 0.719 |
250 | 0.09819 | 14.059 | 7.92E-06 | 8.06E-05 | 0.1561 | 1.13E-04 | 0.713 |
300 | 0.08185 | 14.314 | 8.96E-06 | 1.10E-04 | 0.182 | 1.55E-04 | 0.706 |
350 | 0.07016 | 14.436 | 9.95E-06 | 1.42E-04 | 0.206 | 2.03E-04 | 0.697 |
400 | 0.06135 | 14.491 | 1.09E-05 | 1.77E-04 | 0.228 | 2.57E-04 | 0.69 |
450 | 0.05462 | 14.499 | 1.18E-05 | 2.16E-04 | 0.251 | 3.16E-04 | 0.682 |
500 | 0.04918 | 14.507 | 1.26E-05 | 2.57E-04 | 0.272 | 3.82E-04 | 0.675 |
550 | 0.04469 | 14.532 | 1.35E-05 | 3.02E-04 | 0.292 | 4.52E-04 | 0.668 |
600 | 0.04085 | 14.537 | 1.43E-05 | 3.50E-04 | 0.315 | 5.31E-04 | 0.664 |
700 | 0.03492 | 14.574 | 1.59E-05 | 4.55E-04 | 0.351 | 6.90E-04 | 0.659 |
800 | 0.0306 | 14.675 | 1.74E-05 | 5.69E-04 | 0.384 | 8.56E-04 | 0.664 |
900 | 0.02723 | 14.821 | 1.88E-05 | 6.90E-04 | 0.412 | 1.02E-03 | 0.676 |
1000 | 0.02424 | 14.99 | 2.01E-05 | 8.30E-04 | 0.448 | 1.23E-03 | 0.673 |
1100 | 0.02204 | 15.17 | 2.13E-05 | 9.66E-04 | 0.488 | 1.46E-03 | 0.662 |
1200 | 0.0202 | 15.37 | 2.26E-05 | 1.12E-03 | 0.528 | 1.70E-03 | 0.659 |
1300 | 0.01865 | 15.59 | 2.39E-05 | 1.28E-03 | 0.568 | 1.96E-03 | 0.655 |
1400 | 0.01732 | 15.81 | 2.51E-05 | 1.45E-03 | 0.61 | 2.23E-03 | 0.65 |
1500 | 0.01616 | 16.02 | 2.63E-05 | 1.63E-03 | 0.655 | 2.53E-03 | 0.643 |
1600 | 0.0152 | 16.28 | 2.74E-05 | 1.80E-03 | 0.697 | 2.82E-03 | 0.639 |
1700 | 0.0143 | 16.58 | 2.85E-05 | 1.99E-03 | 0.742 | 3.13E-03 | 0.637 |
1800 | 0.0135 | 16.96 | 2.96E-05 | 2.19E-03 | 0.786 | 3.44E-03 | 0.639 |
1900 | 0.0128 | 17.49 | 3.07E-05 | 2.40E-03 | 0.835 | 3.73E-03 | 0.643 |
2000 | 0.0121 | 18.25 | 3.18E-05 | 2.63E-03 | 0.878 | 3.98E-03 | 0.661 |
History
Discovery and use
In 1671, Robert Boyle discovered and described the reaction between iron filings and dilute acids, which results in the production of hydrogen gas.[73][74]
Having provided a saline spirit [hydrochloric acid], which by an uncommon way of preparation was made exceeding sharp and piercing, we put into a vial, capable of containing three or four ounces of water, a convenient quantity of filings of steel, which were not such as are commonly sold in shops to Chymists and Apothecaries, (those being usually not free enough from rust) but such as I had a while before caus’d to be purposely fil’d off from a piece of good steel. This metalline powder being moistn’d in the viol with a little of the menstruum, was afterwards drench’d with more; whereupon the mixture grew very hot, and belch’d up copious and stinking fumes; which whether they consisted altogether of the volatile sulphur of the Mars [iron?], or of metalline steams participating of a sulphureous nature, and join’d with the saline exhalations of the menstruum, is not necessary to be here discuss’d. But whencesoever this stinking smoak proceeded, so inflammable it was, that upon the approach of a lighted candle to it, it would readily enough take fire, and burn with a blewish and somewhat greenish flame at the mouth of the viol for a good while together; and that, though with little light, yet with more strength than one would easily suspect.
— Robert Boyle, Tracts written by the Honourable Robert Boyle containing new experiments, touching the relation betwixt flame and air…
In 1766, Henry Cavendish was the first to recognize hydrogen gas as a discrete substance, by naming the gas from a metal-acid reaction «inflammable air». He speculated that «inflammable air» was in fact identical to the hypothetical substance called «phlogiston»[75][76] and further finding in 1781 that the gas produces water when burned. He is usually given credit for the discovery of hydrogen as an element.[5][6] In 1783, Antoine Lavoisier gave the element the name hydrogen (from the Greek ὑδρο- hydro meaning «water» and -γενής genes meaning «former»)[77] when he and Laplace reproduced Cavendish’s finding that water is produced when hydrogen is burned.[6]
Antoine-Laurent de Lavoisier
Lavoisier produced hydrogen for his experiments on mass conservation by reacting a flux of steam with metallic iron through an incandescent iron tube heated in a fire. Anaerobic oxidation of iron by the protons of water at high temperature can be schematically represented by the set of following reactions:
- 1) Fe + H2O → FeO + H2
- 2) Fe + 3 H2O → Fe2O3 + 3 H2
- 3) Fe + 4 H2O → Fe3O4 + 4 H2
Many metals such as zirconium undergo a similar reaction with water leading to the production of hydrogen.
Hydrogen was liquefied for the first time by James Dewar in 1898 by using regenerative cooling and his invention, the vacuum flask.[6] He produced solid hydrogen the next year.[6] Deuterium was discovered in December 1931 by Harold Urey, and tritium was prepared in 1934 by Ernest Rutherford, Mark Oliphant, and Paul Harteck.[5] Heavy water, which consists of deuterium in the place of regular hydrogen, was discovered by Urey’s group in 1932.[6] François Isaac de Rivaz built the first de Rivaz engine, an internal combustion engine powered by a mixture of hydrogen and oxygen in 1806. Edward Daniel Clarke invented the hydrogen gas blowpipe in 1819. The Döbereiner’s lamp and limelight were invented in 1823.[6]
The first hydrogen-filled balloon was invented by Jacques Charles in 1783.[6] Hydrogen provided the lift for the first reliable form of air-travel following the 1852 invention of the first hydrogen-lifted airship by Henri Giffard.[6] German count Ferdinand von Zeppelin promoted the idea of rigid airships lifted by hydrogen that later were called Zeppelins; the first of which had its maiden flight in 1900.[6] Regularly scheduled flights started in 1910 and by the outbreak of World War I in August 1914, they had carried 35,000 passengers without a serious incident. Hydrogen-lifted airships were used as observation platforms and bombers during the war.
The first non-stop transatlantic crossing was made by the British airship R34 in 1919. Regular passenger service resumed in the 1920s and the discovery of helium reserves in the United States promised increased safety, but the U.S. government refused to sell the gas for this purpose. Therefore, H2 was used in the Hindenburg airship, which was destroyed in a midair fire over New Jersey on 6 May 1937.[6] The incident was broadcast live on radio and filmed. Ignition of leaking hydrogen is widely assumed to be the cause, but later investigations pointed to the ignition of the aluminized fabric coating by static electricity. But the damage to hydrogen’s reputation as a lifting gas was already done and commercial hydrogen airship travel ceased. Hydrogen is still used, in preference to non-flammable but more expensive helium, as a lifting gas for weather balloons.
In the same year, the first hydrogen-cooled turbogenerator went into service with gaseous hydrogen as a coolant in the rotor and the stator in 1937 at Dayton, Ohio, by the Dayton Power & Light Co.;[78] because of the thermal conductivity and very low viscosity of hydrogen gas, thus lower drag than air, this is the most common type in its field today for large generators (typically 60 MW and bigger; smaller generators are usually air-cooled).
The nickel hydrogen battery was used for the first time in 1977 aboard the U.S. Navy’s Navigation technology satellite-2 (NTS-2).[79] For example, the ISS,[80] Mars Odyssey[81] and the Mars Global Surveyor[82] are equipped with nickel-hydrogen batteries. In the dark part of its orbit, the Hubble Space Telescope is also powered by nickel-hydrogen batteries, which were finally replaced in May 2009,[83] more than 19 years after launch and 13 years beyond their design life.[84]
Role in quantum theory
Hydrogen emission spectrum lines in the visible range. These are the four visible lines of the Balmer series
Because of its simple atomic structure, consisting only of a proton and an electron, the hydrogen atom, together with the spectrum of light produced from it or absorbed by it, has been central to the development of the theory of atomic structure.[85] Furthermore, study of the corresponding simplicity of the hydrogen molecule and the corresponding cation H+2 brought understanding of the nature of the chemical bond, which followed shortly after the quantum mechanical treatment of the hydrogen atom had been developed in the mid-1920s.
One of the first quantum effects to be explicitly noticed (but not understood at the time) was a Maxwell observation involving hydrogen, half a century before full quantum mechanical theory arrived. Maxwell observed that the specific heat capacity of H2 unaccountably departs from that of a diatomic gas below room temperature and begins to increasingly resemble that of a monatomic gas at cryogenic temperatures. According to quantum theory, this behavior arises from the spacing of the (quantized) rotational energy levels, which are particularly wide-spaced in H2 because of its low mass. These widely spaced levels inhibit equal partition of heat energy into rotational motion in hydrogen at low temperatures. Diatomic gases composed of heavier atoms do not have such widely spaced levels and do not exhibit the same effect.[86]
Antihydrogen (
H
) is the antimatter counterpart to hydrogen. It consists of an antiproton with a positron. Antihydrogen is the only type of antimatter atom to have been produced as of 2015.[87][88]
Cosmic prevalence and distribution
Hydrogen, as atomic H, is the most abundant chemical element in the universe, making up 75 percent of normal matter by mass and more than 90 percent by number of atoms. (Most of the mass of the universe, however, is not in the form of chemical-element type matter, but rather is postulated to occur as yet-undetected forms of mass such as dark matter and dark energy.[89]) This element is found in great abundance in stars and gas giant planets. Molecular clouds of H2 are associated with star formation. Hydrogen plays a vital role in powering stars through the proton-proton reaction in case of stars with very low to approximately 1 mass of the Sun and the CNO cycle of nuclear fusion in case of stars more massive than our Sun.[90]
States
Throughout the universe, hydrogen is mostly found in the atomic and plasma states, with properties quite distinct from those of molecular hydrogen. As a plasma, hydrogen’s electron and proton are not bound together, resulting in very high electrical conductivity and high emissivity (producing the light from the Sun and other stars). The charged particles are highly influenced by magnetic and electric fields. For example, in the solar wind they interact with the Earth’s magnetosphere giving rise to Birkeland currents and the aurora.
Hydrogen is found in the neutral atomic state in the interstellar medium because the atoms seldom collide and combine. They are the source of the 21-cm hydrogen line at 1420 MHz that is detected in order to probe primordial hydrogen.[91] The large amount of neutral hydrogen found in the damped Lyman-alpha systems is thought to dominate the cosmological baryonic density of the universe up to a redshift of z = 4.[92]
Under ordinary conditions on Earth, elemental hydrogen exists as the diatomic gas, H2. Hydrogen gas is very rare in the Earth’s atmosphere (1 ppm by volume) because of its light weight, which enables it to escape from the atmosphere more rapidly than heavier gases. However, hydrogen is the third most abundant element on the Earth’s surface,[93] mostly in the form of chemical compounds such as hydrocarbons and water.[50]
A molecular form called protonated molecular hydrogen (H+3) is found in the interstellar medium, where it is generated by ionization of molecular hydrogen from cosmic rays. This ion has also been observed in the upper atmosphere of the planet Jupiter. The ion is relatively stable in the environment of outer space due to the low temperature and density. H+3 is one of the most abundant ions in the universe, and it plays a notable role in the chemistry of the interstellar medium.[94] Neutral triatomic hydrogen H3 can exist only in an excited form and is unstable.[95] By contrast, the positive hydrogen molecular ion (H+2) is a rare molecule in the universe.
Production
H2 is produced in chemistry and biology laboratories, often as a by-product of other reactions; in industry for the hydrogenation of unsaturated substrates; and in nature as a means of expelling reducing equivalents in biochemical reactions.
Water electrolysis
Illustrating inputs and outputs of simple electrolysis of water production of hydrogen
The electrolysis of water is a simple method of producing hydrogen. A current is run through the water, and gaseous oxygen forms at the anode while gaseous hydrogen forms at the cathode. Typically the cathode is made from platinum or another inert metal when producing hydrogen for storage. If, however, the gas is to be burnt on site, oxygen is desirable to assist the combustion, and so both electrodes would be made from inert metals. (Iron, for instance, would oxidize, and thus decrease the amount of oxygen given off.) The theoretical maximum efficiency (electricity used vs. energetic value of hydrogen produced) is in the range 88–94%.[96][97]
- 2 H2O(l) → 2 H2(g) + O2(g)
Methane pyrolysis
Hydrogen production using natural gas methane pyrolysis is a one-step process that produces no greenhouse gases.[98][99][100][101] Developing volume production using this method is the key to enabling faster carbon reduction by using hydrogen in industrial processes,[102] fuel cell electric heavy truck transportation,[103][104][105][106] and in gas turbine electric power generation.[107][108] Methane pyrolysis is performed by having methane CH4 bubbled up through a molten metal catalyst containing dissolved nickel at 1,340 K (1,070 °C; 1,950 °F). This causes the methane to break down into hydrogen gas and solid carbon, with no other byproducts.[109][110]
- CH4(g) → C(s) + 2 H2(g) (ΔH° = 74 kJ/mol)
The industrial quality solid carbon may be sold as manufacturing feedstock or permanently landfilled; it is not released into the atmosphere and does not cause ground water pollution in landfill. Methane pyrolysis is in development and considered suitable for commercial bulk hydrogen production. Volume production is being evaluated in the BASF «methane pyrolysis at scale» pilot plant.[111] Further research continues in several laboratories, including at Karlsruhe Liquid-metal Laboratory (KALLA)[112] and the chemical engineering laboratory at University of California – Santa Barbara[113]
Other industrial methods
Illustrating inputs and outputs of steam reforming of natural gas, a process to produce hydrogen[image reference needed]
Hydrogen is often produced by reacting water with methane and carbon monoxide, which causes the removal of hydrogen from hydrocarbons at very high temperatures, with 48% of hydrogen production coming from steam reforming.[114][115] The water vapor is then reacted with the carbon monoxide produced by steam reforming to oxidize it to carbon dioxide and turn the water into hydrogen. Commercial bulk hydrogen is usually produced by the steam reforming of natural gas[116] with release of atmospheric greenhouse gas or with capture using CCS and climate change mitigation. Steam reforming is also known as the Bosch process and is widely used for the industrial preparation of hydrogen.
At high temperatures (1000–1400 K, 700–1100 °C or 1300–2000 °F), steam (water vapor) reacts with methane to yield carbon monoxide and H2.
- CH4 + H2O → CO + 3 H2
This reaction is favored at low pressures but is nonetheless conducted at high pressures (2.0 MPa, 20 atm or 600 inHg). This is because high-pressure H2 is the most marketable product, and pressure swing adsorption (PSA) purification systems work better at higher pressures. The product mixture is known as «synthesis gas» because it is often used directly for the production of methanol and related compounds. Hydrocarbons other than methane can be used to produce synthesis gas with varying product ratios. One of the many complications to this highly optimized technology is the formation of coke or carbon:
- CH4 → C + 2 H2
Consequently, steam reforming typically employs an excess of H2O. Additional hydrogen can be recovered from the steam by use of carbon monoxide through the water gas shift reaction, especially with an iron oxide catalyst. This reaction is also a common industrial source of carbon dioxide:[116]
- CO + H2O → CO2 + H2
Other important methods for CO and H2 production include partial oxidation of hydrocarbons:[117]
- 2 CH4 + O2 → 2 CO + 4 H2
and the coal reaction, which can serve as a prelude to the shift reaction above:[116]
- C + H2O → CO + H2
Hydrogen is sometimes produced and consumed in the same industrial process, without being separated. In the Haber process for the production of ammonia, hydrogen is generated from natural gas.[118] Electrolysis of brine to yield chlorine also produces hydrogen as a co-product.[119]
Olefin production units may produce substantial quantities of byproduct hydrogen particularly from cracking light feedstocks like ethane or propane.
Metal-acid
Many metals react with water to produce H2, but the rate of hydrogen evolution depends on the metal, the pH, and the presence alloying agents. Most commonly, hydrogen evolution is induced by acids. The alkali and alkaline earth metals, aluminium, zinc, manganese, and iron react readily with aqueous acids. This reaction is the basis of the Kipp’s apparatus, which once was used as a laboratory gas source:
- Zn + 2 H+ → Zn2+ + H2
In the absence of acid, the evolution of H2 is slower. Because iron is widely used structural material, its anaerobic corrosion is of technological significance:
- Fe + 2 H2O → Fe(OH)2 + H2
Many metals, such as aluminium, are slow to react with water because they form passivated coatings of oxides. An alloy of aluminium and gallium, however, does react with water.[120] At high pH, aluminium can produce H2:
- 2 Al + 6 H2O + 2 OH− → 2 [Al(OH)4]− + 3 H2
Some metal-containing compounds react with acids to evolve H2. Under anaerobic conditions, ferrous hydroxide (Fe(OH)
2) can be oxidized by the protons of water to form magnetite and H2. This process is described by the Schikorr reaction:
- 3 Fe(OH)2 → Fe3O4 + 2 H2O + H2
This process occurs during the anaerobic corrosion of iron and steel in oxygen-free groundwater and in reducing soils below the water table.
Thermochemical
More than 200 thermochemical cycles can be used for water splitting. Many of these cycles such as the iron oxide cycle, cerium(IV) oxide–cerium(III) oxide cycle, zinc zinc-oxide cycle, sulfur-iodine cycle, copper-chlorine cycle and hybrid sulfur cycle have been evaluated for their commercial potential to produce hydrogen and oxygen from water and heat without using electricity.[121] A number of laboratories (including in France, Germany, Greece, Japan, and the United States) are developing thermochemical methods to produce hydrogen from solar energy and water.[122]
Serpentinization reaction
In deep geological conditions prevailing far away from the Earth’s atmosphere, hydrogen (H2) is produced during the process of serpentinization. In this process, water protons (H+) are reduced by ferrous (Fe2+) ions provided by fayalite (Fe2SiO4). The reaction forms magnetite (Fe3O4), quartz (SiO2), and hydrogen (H2):[123][124]
- 3 Fe2SiO4 + 2 H2O → 2 Fe3O4 + 3 SiO2 + 3 H2
- fayalite + water → magnetite + quartz + hydrogen
This reaction closely resembles the Schikorr reaction observed in anaerobic oxidation of ferrous hydroxide in contact with water.
Applications
Petrochemical industry
Large quantities of H2 are used in the «upgrading» of fossil fuels. Key consumers of H2 include hydrodealkylation, hydrodesulfurization, and hydrocracking. Many of these reactions can be classified as hydrogenolysis, i.e., the cleavage of bonds to carbon. Illustrative is the separation of sulfur from liquid fossil fuels:
- R2S + 2 H2 → H2S + 2 RH
Hydrogenation
Hydrogenation, the addition of H2 to various substrates is conducted on a large scale. The hydrogenation of N2 to produce ammonia by the Haber–Bosch process consumes a few percent of the energy budget in the entire industry. The resulting ammonia is used to supply the majority of the protein consumed by humans.[125] Hydrogenation is used to convert unsaturated fats and oils to saturated fats and oils. The major application is the production of margarine. Methanol is produced by hydrogenation of carbon dioxide. It is similarly the source of hydrogen in the manufacture of hydrochloric acid. H2 is also used as a reducing agent for the conversion of some ores to the metals.[126]
Coolant
Hydrogen is commonly used in power stations as a coolant in generators due to a number of favorable properties that are a direct result of its light diatomic molecules. These include low density, low viscosity, and the highest specific heat and thermal conductivity of all gases.
Energy carrier
Elemental hydrogen has been widely discussed in the context of energy, as a possible future carrier of energy on an economy-wide scale.[127] Hydrogen is a »carrier» of energy rather than an energy resource, because there is no naturally occurring source of hydrogen in useful quantities.[128]
Hydrogen can be burned to produce heat or combined with oxygen in fuel cells to generate electricity directly, with water being the only emissions at the point of usage. The overall lifecycle emissions of hydrogen depend on how it is produced. Nearly all of the world’s current supply of hydrogen is created from fossil fuels.[129][130] The main method is steam methane reforming, in which hydrogen is produced from a chemical reaction between steam and methane, the main component of natural gas. Producing one tonne of hydrogen through this process emits 6.6–9.3 tonnes of carbon dioxide.[131] While carbon capture and storage can remove a large fraction of these emissions, the overall carbon footprint of hydrogen from natural gas is difficult to assess as of 2021, in part because of emissions created in the production of the natural gas itself.[132]
Electricity can be used to split water molecules, producing sustainable hydrogen provided the electricity was generated sustainably. However, this electrolysis process is currently more expensive than creating hydrogen from methane and the efficiency of energy conversion is inherently low.[133] Hydrogen can be produced when there is a surplus of variable renewable electricity, then stored and used to generate heat or to re-generate electricity.[134] It can be further transformed into synthetic fuels such as ammonia and methanol.[135]
Innovation in hydrogen electrolysers could make large-scale production of hydrogen from electricity more cost-competitive.[136] There is potential for hydrogen to play a significant role in decarbonising energy systems because in certain sectors, replacing fossil fuels with direct use of electricity would be very difficult.[133] Hydrogen fuel can produce the intense heat required for industrial production of steel, cement, glass, and chemicals. For steelmaking, hydrogen can function as a clean energy carrier and simultaneously as a low-carbon catalyst replacing coal-derived coke.[137] Hydrogen used in transportation would burn relatively cleanly, with some NOx emissions,[138] but without carbon emissions.[139] Disadvantages of hydrogen as an energy carrier include high costs of storage and distribution due to hydrogen’s explosivity, its large volume compared to other fuels, and its tendency to make pipes brittle.[132] The infrastructure costs associated with full conversion to a hydrogen economy would be substantial.[140]
Semiconductor industry
Hydrogen is employed to saturate broken («dangling») bonds of amorphous silicon and amorphous carbon that helps stabilizing material properties.[141] It is also a potential electron donor in various oxide materials, including ZnO,[142][143] SnO2, CdO, MgO,[144] ZrO2, HfO2, La2O3, Y2O3, TiO2, SrTiO3, LaAlO3, SiO2, Al2O3, ZrSiO4, HfSiO4, and SrZrO3.[145]
Aerospace
Liquid hydrogen and liquid oxygen together serve as cryogenic fuel in liquid-propellant rockets, as in the Space Shuttle main engines.
Niche and evolving uses
- Shielding gas: Hydrogen is used as a shielding gas in welding methods such as atomic hydrogen welding.[146][147]
- Cryogenic research: Liquid H2 is used in cryogenic research, including superconductivity studies.[148]
- Buoyant lifting: Because H2 is lighter than air, having only 7% of the density of air, it was once widely used as a lifting gas in balloons and airships.[149]
- Leak detection: Pure or mixed with nitrogen (sometimes called forming gas), hydrogen is a tracer gas for detection of minute leaks. Applications can be found in the automotive, chemical, power generation, aerospace, and telecommunications industries.[150] Hydrogen is an authorized food additive (E 949) that allows food package leak testing, as well as having anti-oxidizing properties.[151]
- Neutron moderation: Deuterium (hydrogen-2) is used in nuclear fission applications as a moderator to slow neutrons.
- Nuclear fusion fuel: Deuterium is used in nuclear fusion reactions.[6]
- Isotopic labeling: Deuterium compounds have applications in chemistry and biology in studies of isotope effects on reaction rates.[152]
- Rocket propellant: NASA has investigated the use of rocket propellant made from atomic hydrogen, boron or carbon that is frozen into solid molecular hydrogen particles that are suspended in liquid helium. Upon warming, the mixture vaporizes to allow the atomic species to recombine, heating the mixture to high temperature.[153]
- Tritium uses: Tritium (hydrogen-3), produced in nuclear reactors, is used in the production of hydrogen bombs,[154] as an isotopic label in the biosciences,[64] and as a source of beta radiation in radioluminescent paint for instrument dials and emergency signage.[59]
Biological reactions
H2 is a product of some types of anaerobic metabolism and is produced by several microorganisms, usually via reactions catalyzed by iron- or nickel-containing enzymes called hydrogenases. These enzymes catalyze the reversible redox reaction between H2 and its component two protons and two electrons. Creation of hydrogen gas occurs in the transfer of reducing equivalents produced during pyruvate fermentation to water.[155] The natural cycle of hydrogen production and consumption by organisms is called the hydrogen cycle.[156] Hydrogen is the most abundant element in the human body in terms of numbers of atoms of the element but, it is the 3rd most abundant element by mass, because hydrogen is so light. H2 occurs in the breath of humans due to the metabolic activity of hydrogenase-containing microorganisms in the large intestine. The concentration in fasted people at rest is typically less than 5 parts per million (ppm) but can be 50 ppm when people with intestinal disorders consume molecules they cannot absorb during diagnostic hydrogen breath tests.[157]
Hydrogen gas is produced by some bacteria and algae and is a natural component of flatus, as is methane, itself a hydrogen source of increasing importance.[158]
Water splitting, in which water is decomposed into its component protons, electrons, and oxygen, occurs in the light reactions in all photosynthetic organisms. Some such organisms, including the alga Chlamydomonas reinhardtii and cyanobacteria, have evolved a second step in the dark reactions in which protons and electrons are reduced to form H2 gas by specialized hydrogenases in the chloroplast.[159] Efforts have been undertaken to genetically modify cyanobacterial hydrogenases to efficiently synthesize H2 gas even in the presence of oxygen.[160] Efforts have also been undertaken with genetically modified alga in a bioreactor.[161]
Safety and precautions
Hazards | |
---|---|
GHS labelling: | |
Pictograms |
|
Signal word |
Danger |
Hazard statements |
H220 |
Precautionary statements |
P202, P210, P271, P377, P381, P403[162] |
NFPA 704 (fire diamond) |
0 4 0 |
Hydrogen poses a number of hazards to human safety, from potential detonations and fires when mixed with air to being an asphyxiant in its pure, oxygen-free form.[163] In addition, liquid hydrogen is a cryogen and presents dangers (such as frostbite) associated with very cold liquids.[164] Hydrogen dissolves in many metals and in addition to leaking out, may have adverse effects on them, such as hydrogen embrittlement,[165] leading to cracks and explosions.[166] Hydrogen gas leaking into external air may spontaneously ignite. Moreover, hydrogen fire, while being extremely hot, is almost invisible, and thus can lead to accidental burns.[167]
Even interpreting the hydrogen data (including safety data) is confounded by a number of phenomena. Many physical and chemical properties of hydrogen depend on the parahydrogen/orthohydrogen ratio (it often takes days or weeks at a given temperature to reach the equilibrium ratio, for which the data is usually given). Hydrogen detonation parameters, such as critical detonation pressure and temperature, strongly depend on the container geometry.[163]
See also
- Hydrogen economy – Using hydrogen to decarbonize sectors which are hard to electrify
- Hydrogen production – Family of industrial methods for generating hydrogen
- Hydrogen safety – Procedures for safe production, handling and use of hydrogen
- Hydrogen technologies – Technologies that relating to the production & use of hydrogen
- Hydrogen transport
- Liquid hydrogen – Liquid state of the element hydrogen
- Methane pyrolysis (for hydrogen)
- Natural hydrogen – Natural hydrogen, often called white hydrogen, is molecular hydrogen occurring in natural deposits
- Pyrolysis – Thermal decomposition of materials at elevated temperatures in an inert atmosphere
Notes
- ^ However, most of the universe’s mass is not in the form of baryons or chemical elements. See dark matter and dark energy.
- ^ 286 kJ/mol: energy per mole of the combustible material (molecular hydrogen).
References
- ^ «Standard Atomic Weights: Hydrogen». CIAAW. 2009.
- ^ Wiberg, Egon; Wiberg, Nils; Holleman, Arnold Frederick (2001). Inorganic chemistry. Academic Press. p. 240. ISBN 978-0123526519.
- ^ Lide, D. R., ed. (2005). «Magnetic susceptibility of the elements and inorganic compounds». CRC Handbook of Chemistry and Physics (PDF) (86th ed.). Boca Raton (FL): CRC Press. ISBN 978-0-8493-0486-6.
- ^ Weast, Robert (1984). CRC, Handbook of Chemistry and Physics. Boca Raton, Florida: Chemical Rubber Company Publishing. pp. E110. ISBN 978-0-8493-0464-4.
- ^ a b c «Hydrogen». Van Nostrand’s Encyclopedia of Chemistry. Wylie-Interscience. 2005. pp. 797–799. ISBN 978-0-471-61525-5.
- ^ a b c d e f g h i j k l Emsley, John (2001). Nature’s Building Blocks. Oxford: Oxford University Press. pp. 183–191. ISBN 978-0-19-850341-5.
- ^ Stwertka, Albert (1996). A Guide to the Elements. Oxford University Press. pp. 16–21. ISBN 978-0-19-508083-4.
- ^ «Hydrogen». Encyclopædia Britannica. Archived from the original on 24 December 2021. Retrieved 25 December 2021.
- ^ Boyd, Padi (19 July 2014). «What is the chemical composition of stars?». NASA. Archived from the original on 15 January 2015. Retrieved 5 February 2008.
- ^ Tanabashi et al. (2018) p. 358. Chpt. 21.4.1: «Big-Bang Cosmology» Archived 29 June 2021 at the Wayback Machine (Revised September 2017) by K.A. Olive and J.A. Peacock.[full citation needed]
- ^ Laursen, S.; Chang, J.; Medlin, W.; Gürmen, N.; Fogler, H. S. (27 July 2004). «An extremely brief introduction to computational quantum chemistry». Molecular Modeling in Chemical Engineering. University of Michigan. Archived from the original on 20 May 2015. Retrieved 4 May 2015.
- ^ Presenter: Professor Jim Al-Khalili (21 January 2010). «Discovering the Elements». Chemistry: A Volatile History. 25:40 minutes in. BBC. BBC Four. Archived from the original on 25 January 2010. Retrieved 9 February 2010.
- ^ a b Dincer, Ibrahim; Acar, Canan (14 September 2015). «Review and evaluation of hydrogen production methods for better sustainability». International Journal of Hydrogen Energy. 40 (34): 11094–11111. doi:10.1016/j.ijhydene.2014.12.035. ISSN 0360-3199. Archived from the original on 15 February 2022. Retrieved 4 February 2022.
- ^ «Hydrogen Basics – Production». Florida Solar Energy Center. 2007. Archived from the original on 18 February 2008. Retrieved 5 February 2008.
- ^ dos Santos, K. G.; Eckert, C. T.; De Rossi, E.; Bariccatti, R. A.; Frigo, E. P.; Lindino, C. A.; Alves, H. J. (2017). «Hydrogen production in the electrolysis of water in Brazil, a review». Renewable and Sustainable Energy Reviews. 68: 563–571. doi:10.1016/j.rser.2016.09.128.
- ^ a b Rogers, H. C. (1999). «Hydrogen Embrittlement of Metals». Science. 159 (3819): 1057–1064. Bibcode:1968Sci…159.1057R. doi:10.1126/science.159.3819.1057. PMID 17775040. S2CID 19429952.
- ^ «Dihydrogen». O=CHem Directory. University of Southern Maine. Archived from the original on 13 February 2009. Retrieved 6 April 2009.
- ^ Committee on Alternatives and Strategies for Future Hydrogen Production and Use (2004). The Hydrogen Economy: Opportunities, Costs, Barriers, and R&D Needs. National Academies Press. p. 240. ISBN 978-0-309-09163-3. Archived from the original on 29 January 2021. Retrieved 3 September 2020.
- ^ Carcassi, M. N.; Fineschi, F. (2005). «Deflagrations of H2–air and CH4–air lean mixtures in a vented multi-compartment environment». Energy. 30 (8): 1439–1451. doi:10.1016/j.energy.2004.02.012.
- ^ Patnaik, P. (2007). A Comprehensive Guide to the Hazardous Properties of Chemical Substances. Wiley-Interscience. p. 402. ISBN 978-0-471-71458-3. Archived from the original on 26 January 2021. Retrieved 3 September 2020.
- ^ Schefer, E. W.; Kulatilaka, W. D.; Patterson, B. D.; Settersten, T. B. (June 2009). «Visible emission of hydrogen flames». Combustion and Flame. 156 (6): 1234–1241. doi:10.1016/j.combustflame.2009.01.011. Archived from the original on 29 January 2021. Retrieved 30 June 2019.
- ^ «Myths about the Hindenburg Crash». Airships.net. Archived from the original on 20 April 2021. Retrieved 29 March 2021.
- ^ Lide, David R., ed. (2006). CRC Handbook of Chemistry and Physics (87th ed.). Boca Raton, FL: CRC Press. ISBN 0-8493-0487-3.
- ^ Clayton, D. D. (2003). Handbook of Isotopes in the Cosmos: Hydrogen to Gallium. Cambridge University Press. ISBN 978-0-521-82381-4.
- ^ NAAP Labs (2009). «Energy Levels». University of Nebraska Lincoln. Archived from the original on 11 May 2015. Retrieved 20 May 2015.
- ^ «photon wavelength 13.6 eV». Wolfram Alpha. 20 May 2015. Archived from the original on 12 May 2016. Retrieved 20 May 2015.
- ^ Stern, D. P. (16 May 2005). «The Atomic Nucleus and Bohr’s Early Model of the Atom». NASA Goddard Space Flight Center (mirror). Archived from the original on 17 October 2008. Retrieved 20 December 2007.
- ^ Stern, D. P. (13 February 2005). «Wave Mechanics». NASA Goddard Space Flight Center. Archived from the original on 13 May 2008. Retrieved 16 April 2008.
- ^ Staff (2003). «Hydrogen (H2) Properties, Uses, Applications: Hydrogen Gas and Liquid Hydrogen». Universal Industrial Gases, Inc. Archived from the original on 19 February 2008. Retrieved 5 February 2008.
- ^ Green, Richard A.; et al. (2012). «The theory and practice of hyperpolarization in magnetic resonance using parahydrogen». Prog. Nucl. Magn. Reson. Spectrosc. 67: 1–48. doi:10.1016/j.pnmrs.2012.03.001. PMID 23101588. Archived from the original on 28 August 2021. Retrieved 28 August 2021.
- ^ «Die Entdeckung des para-Wasserstoffs (The discovery of para-hydrogen)». Max-Planck-Institut für Biophysikalische Chemie (in German). Archived from the original on 16 November 2020. Retrieved 9 November 2020.
- ^ Milenko, Yu. Ya.; Sibileva, R. M.; Strzhemechny, M. A. (1997). «Natural ortho-para conversion rate in liquid and gaseous hydrogen». Journal of Low Temperature Physics. 107 (1–2): 77–92. Bibcode:1997JLTP..107…77M. doi:10.1007/BF02396837. S2CID 120832814.
- ^ Hritz, J. (March 2006). «CH. 6 – Hydrogen» (PDF). NASA Glenn Research Center Glenn Safety Manual, Document GRC-MQSA.001. NASA. Archived from the original (PDF) on 16 February 2008. Retrieved 5 February 2008.
- ^ Amos, Wade A. (1 November 1998). «Costs of Storing and Transporting Hydrogen» (PDF). National Renewable Energy Laboratory. pp. 6–9. Archived (PDF) from the original on 26 December 2014. Retrieved 19 May 2015.
- ^ Svadlenak, R. E.; Scott, A. B. (1957). «The Conversion of Ortho- to Parahydrogen on Iron Oxide-Zinc Oxide Catalysts». Journal of the American Chemical Society. 79 (20): 5385–5388. doi:10.1021/ja01577a013.
- ^ Clark, J. (2002). «The Acidity of the Hydrogen Halides». Chemguide. Archived from the original on 20 February 2008. Retrieved 9 March 2008.
- ^ Kimball, J. W. (7 August 2003). «Hydrogen». Kimball’s Biology Pages. Archived from the original on 4 March 2008. Retrieved 4 March 2008.
- ^ IUPAC Compendium of Chemical Terminology, Electronic version, Hydrogen Bond Archived 19 March 2008 at the Wayback Machine
- ^ Sandrock, G. (2 May 2002). «Metal-Hydrogen Systems». Sandia National Laboratories. Archived from the original on 24 February 2008. Retrieved 23 March 2008.
- ^ a b «Structure and Nomenclature of Hydrocarbons». Purdue University. Archived from the original on 11 June 2012. Retrieved 23 March 2008.
- ^ «Organic Chemistry». Dictionary.com. Lexico Publishing Group. 2008. Archived from the original on 18 April 2008. Retrieved 23 March 2008.
- ^ «Biochemistry». Dictionary.com. Lexico Publishing Group. 2008. Archived from the original on 29 March 2008. Retrieved 23 March 2008.
- ^ Takeshita, T.; Wallace, W. E.; Craig, R. S. (1974). «Hydrogen solubility in 1:5 compounds between yttrium or thorium and nickel or cobalt». Inorganic Chemistry. 13 (9): 2282–2283. doi:10.1021/ic50139a050.
- ^ Kirchheim, R.; Mutschele, T.; Kieninger, W.; Gleiter, H.; Birringer, R.; Koble, T. (1988). «Hydrogen in amorphous and nanocrystalline metals». Materials Science and Engineering. 99 (1–2): 457–462. doi:10.1016/0025-5416(88)90377-1.
- ^ Kirchheim, R. (1988). «Hydrogen solubility and diffusivity in defective and amorphous metals». Progress in Materials Science. 32 (4): 262–325. doi:10.1016/0079-6425(88)90010-2.
- ^ Christensen, C. H.; Nørskov, J. K.; Johannessen, T. (9 July 2005). «Making society independent of fossil fuels – Danish researchers reveal new technology». Technical University of Denmark. Archived from the original on 21 May 2015. Retrieved 19 May 2015.
- ^ Moers, K. (1920). «Investigations on the Salt Character of Lithium Hydride». Zeitschrift für Anorganische und Allgemeine Chemie. 113 (191): 179–228. doi:10.1002/zaac.19201130116. Archived (PDF) from the original on 24 August 2019. Retrieved 24 August 2019.
- ^ Downs, A. J.; Pulham, C. R. (1994). «The hydrides of aluminium, gallium, indium, and thallium: a re-evaluation». Chemical Society Reviews. 23 (3): 175–184. doi:10.1039/CS9942300175.
- ^ Hibbs, D. E.; Jones, C.; Smithies, N. A. (1999). «A remarkably stable indium trihydride complex: synthesis and characterisation of [InH3P(C6H11)3]». Chemical Communications (2): 185–186. doi:10.1039/a809279f.
- ^ a b c Miessler, G. L.; Tarr, D. A. (2003). Inorganic Chemistry (3rd ed.). Prentice Hall. ISBN 978-0-13-035471-6.
- ^ Okumura, A. M.; Yeh, L. I.; Myers, J. D.; Lee, Y. T. (1990). «Infrared spectra of the solvated hydronium ion: vibrational predissociation spectroscopy of mass-selected H3O+•(H2O)n•(H2)m«. Journal of Physical Chemistry. 94 (9): 3416–3427. doi:10.1021/j100372a014.
- ^ Perdoncin, G.; Scorrano, G. (1977). «Protonation Equilibria in Water at Several Temperatures of Alcohols, Ethers, Acetone, Dimethyl Sulfide, and Dimethyl Sulfoxide». Journal of the American Chemical Society. 99 (21): 6983–6986. doi:10.1021/ja00463a035.
- ^ Carrington, A.; McNab, I. R. (1989). «The infrared predissociation spectrum of triatomic hydrogen cation (H3+)». Accounts of Chemical Research. 22 (6): 218–222. doi:10.1021/ar00162a004.
- ^ Gurov, Y. B.; Aleshkin, D. V.; Behr, M. N.; Lapushkin, S. V.; Morokhov, P. V.; Pechkurov, V. A.; Poroshin, N. O.; Sandukovsky, V. G.; Tel’kushev, M. V.; Chernyshev, B. A.; Tschurenkova, T. D. (2004). «Spectroscopy of superheavy hydrogen isotopes in stopped-pion absorption by nuclei». Physics of Atomic Nuclei. 68 (3): 491–97. Bibcode:2005PAN….68..491G. doi:10.1134/1.1891200. S2CID 122902571.
- ^ Korsheninnikov, A.; Nikolskii, E.; Kuzmin, E.; Ozawa, A.; Morimoto, K.; Tokanai, F.; Kanungo, R.; Tanihata, I.; et al. (2003). «Experimental Evidence for the Existence of 7H and for a Specific Structure of 8He». Physical Review Letters. 90 (8): 082501. Bibcode:2003PhRvL..90h2501K. doi:10.1103/PhysRevLett.90.082501. PMID 12633420.
- ^ Urey, H. C.; Brickwedde, F. G.; Murphy, G. M. (1933). «Names for the Hydrogen Isotopes». Science. 78 (2035): 602–603. Bibcode:1933Sci….78..602U. doi:10.1126/science.78.2035.602. PMID 17797765.
- ^ Oda, Y.; Nakamura, H.; Yamazaki, T.; Nagayama, K.; Yoshida, M.; Kanaya, S.; Ikehara, M. (1992). «1H NMR studies of deuterated ribonuclease HI selectively labeled with protonated amino acids». Journal of Biomolecular NMR. 2 (2): 137–47. doi:10.1007/BF01875525. PMID 1330130. S2CID 28027551.
- ^ Broad, W. J. (11 November 1991). «Breakthrough in Nuclear Fusion Offers Hope for Power of Future». The New York Times. Archived from the original on 29 January 2021. Retrieved 12 February 2008.
- ^ a b Traub, R. J.; Jensen, J. A. (June 1995). «Tritium radioluminescent devices, Health and Safety Manual» (PDF). International Atomic Energy Agency. p. 2.4. Archived (PDF) from the original on 6 September 2015. Retrieved 20 May 2015.
- ^ Staff (15 November 2007). «Tritium». U.S. Environmental Protection Agency. Archived from the original on 2 January 2008. Retrieved 12 February 2008.
- ^ Nave, C. R. (2006). «Deuterium-Tritium Fusion». HyperPhysics. Georgia State University. Archived from the original on 16 March 2008. Retrieved 8 March 2008.
- ^ Kendall, C.; Caldwell, E. (1998). C. Kendall; J. J. McDonnell (eds.). «Chapter 2: Fundamentals of Isotope Geochemistry». Isotope Tracers in Catchment Hydrology. US Geological Survey: 51–86. doi:10.1016/B978-0-444-81546-0.50009-4. Archived from the original on 14 March 2008. Retrieved 8 March 2008.
- ^ «The Tritium Laboratory». University of Miami. 2008. Archived from the original on 28 February 2008. Retrieved 8 March 2008.
- ^ a b Holte, A. E.; Houck, M. A.; Collie, N. L. (2004). «Potential Role of Parasitism in the Evolution of Mutualism in Astigmatid Mites». Experimental and Applied Acarology. 25 (2): 97–107. doi:10.1023/A:1010655610575. PMID 11513367. S2CID 13159020.
- ^ van der Krogt, P. (5 May 2005). «Hydrogen». Elementymology & Elements Multidict. Archived from the original on 23 January 2010. Retrieved 20 December 2010.
- ^ § IR-3.3.2, Provisional Recommendations Archived 9 February 2016 at the Wayback Machine, Nomenclature of Inorganic Chemistry, Chemical Nomenclature and Structure Representation Division, IUPAC. Accessed on line 3 October 2007.
- ^ IUPAC (1997). «Muonium». In A.D. McNaught, A. Wilkinson (ed.). Compendium of Chemical Terminology (2nd ed.). Blackwell Scientific Publications. doi:10.1351/goldbook.M04069. ISBN 978-0-86542-684-9. Archived from the original on 13 March 2008. Retrieved 15 November 2016.
- ^ V.W. Hughes; et al. (1960). «Formation of Muonium and Observation of its Larmor Precession». Physical Review Letters. 5 (2): 63–65. Bibcode:1960PhRvL…5…63H. doi:10.1103/PhysRevLett.5.63.
- ^ Bondi, D.K.; Connor, J.N.L.; Manz, J.; Römelt, J. (20 October 1983). «Exact quantum and vibrationally adiabatic quantum, semiclassical and quasiclassical study of the collinear reactions Cl + MuCl, Cl + HCl, Cl + DCl». Molecular Physics. 50 (3): 467–488. Bibcode:1983MolPh..50..467B. doi:10.1080/00268978300102491. ISSN 0026-8976.
- ^ W.H. Koppenol; IUPAC (2001). «Names for muonium and hydrogen atoms and their ions» (PDF). Pure and Applied Chemistry. 73 (2): 377–380. doi:10.1351/pac200173020377. S2CID 97138983. Archived (PDF) from the original on 14 May 2011. Retrieved 15 November 2016.
- ^ Holman, Jack P. (2002). Heat transfer (9th ed.). New York, NY: McGraw-Hill. pp. 600–606. ISBN 0-07-240655-0. OCLC 46959719.
{{cite book}}
: CS1 maint: date and year (link) - ^ Incropera 1 Dewitt 2 Bergman 3 Lavigne 4, Frank P. 1 David P. 2 Theodore L. 3 Adrienne S. 4 (2007). Fundamentals of heat and mass transfer (6th ed.). Hoboken, NJ: John Wiley and Sons, Inc. pp. 941–950. ISBN 978-0-471-45728-2. OCLC 62532755.
{{cite book}}
: CS1 maint: date and year (link) - ^ Boyle, R. (1672). Tracts written by the Honourable Robert Boyle containing new experiments, touching the relation betwixt flame and air, and about explosions, an hydrostatical discourse occasion’d by some objections of Dr. Henry More against some explications of new experiments made by the author of these tracts: To which is annex’t, an hydrostatical letter, dilucidating an experiment about a way of weighing water in water, new experiments, of the positive or relative levity of bodies under water, of the air’s spring on bodies under water, about the differing pressure of heavy solids and fluids. Printed for Richard Davis. pp. 64–65.
- ^ Winter, M. (2007). «Hydrogen: historical information». WebElements Ltd. Archived from the original on 10 April 2008. Retrieved 5 February 2008.
- ^ Musgrave, A. (1976). «Why did oxygen supplant phlogiston? Research programmes in the Chemical Revolution». In Howson, C. (ed.). Method and appraisal in the physical sciences. The Critical Background to Modern Science, 1800–1905. Cambridge University Press. doi:10.1017/CBO9780511760013. ISBN 978-0-521-21110-9. Retrieved 22 October 2011.
- ^ Cavendish, Henry (12 May 1766). «Three Papers, Containing Experiments on Factitious Air, by the Hon. Henry Cavendish, F. R. S.» Philosophical Transactions. 56: 141–184. Bibcode:1766RSPT…56..141C. doi:10.1098/rstl.1766.0019. JSTOR 105491.
- ^ Stwertka, Albert (1996). A Guide to the Elements. Oxford University Press. pp. 16–21. ISBN 978-0-19-508083-4.
- ^ National Electrical Manufacturers Association (1946). A chronological history of electrical development from 600 B.C. New York, N.Y., National Electrical Manufacturers Association. p. 102. Archived from the original on 4 March 2016. Retrieved 9 February 2016.
- ^ Stockel, J.F; j.d. Dunlop; Betz, F (1980). «NTS-2 Nickel-Hydrogen Battery Performance 31». Journal of Spacecraft and Rockets. 17: 31–34. Bibcode:1980JSpRo..17…31S. doi:10.2514/3.57704.
- ^ Jannette, A. G.; Hojnicki, J. S.; McKissock, D. B.; Fincannon, J.; Kerslake, T. W.; Rodriguez, C. D. (July 2002). Validation of international space station electrical performance model via on-orbit telemetry (PDF). IECEC ’02. 2002 37th Intersociety Energy Conversion Engineering Conference, 2002. pp. 45–50. doi:10.1109/IECEC.2002.1391972. hdl:2060/20020070612. ISBN 0-7803-7296-4. Archived (PDF) from the original on 14 May 2010. Retrieved 11 November 2011.
- ^ Anderson, P. M.; Coyne, J. W. (2002). A lightweight high reliability single battery power system for interplanetary spacecraft. Aerospace Conference Proceedings. Vol. 5. pp. 5–2433. doi:10.1109/AERO.2002.1035418. ISBN 978-0-7803-7231-3. S2CID 108678345.
- ^ «Mars Global Surveyor». Astronautix.com. Archived from the original on 10 August 2009. Retrieved 6 April 2009.
- ^ Lori Tyahla, ed. (7 May 2009). «Hubble servicing mission 4 essentials». NASA. Archived from the original on 13 March 2015. Retrieved 19 May 2015.
- ^ Hendrix, Susan (25 November 2008). Lori Tyahla (ed.). «Extending Hubble’s mission life with new batteries». NASA. Archived from the original on 5 March 2016. Retrieved 19 May 2015.
- ^ Crepeau, R. (1 January 2006). Niels Bohr: The Atomic Model. Great Scientific Minds. ISBN 978-1-4298-0723-4.
- ^ Berman, R.; Cooke, A. H.; Hill, R. W. (1956). «Cryogenics». Annual Review of Physical Chemistry. 7: 1–20. Bibcode:1956ARPC….7….1B. doi:10.1146/annurev.pc.07.100156.000245.
- ^ Charlton, Mike; Van Der Werf, Dirk Peter (1 March 2015). «Advances in antihydrogen physics». Science Progress. 98 (1): 34–62. doi:10.3184/003685015X14234978376369. PMID 25942774. S2CID 23581065.
- ^ Kellerbauer, Alban (29 January 2015). «Why Antimatter Matters». European Review. 23 (1): 45–56. doi:10.1017/S1062798714000532. S2CID 58906869. Archived from the original on 29 January 2021. Retrieved 11 January 2020.
- ^ Gagnon, S. «Hydrogen». Jefferson Lab. Archived from the original on 10 April 2008. Retrieved 5 February 2008.
- ^ Haubold, H.; Mathai, A. M. (15 November 2007). «Solar Thermonuclear Energy Generation». Columbia University. Archived from the original on 11 December 2011. Retrieved 12 February 2008.
- ^ «Hydrogen». mysite.du.edu. Archived from the original on 18 April 2009. Retrieved 20 April 2008.
- ^ Storrie-Lombardi, L. J.; Wolfe, A. M. (2000). «Surveys for z > 3 Damped Lyman-alpha Absorption Systems: the Evolution of Neutral Gas». Astrophysical Journal. 543 (2): 552–576. arXiv:astro-ph/0006044. Bibcode:2000ApJ…543..552S. doi:10.1086/317138. S2CID 120150880.
- ^ Dresselhaus, M.; et al. (15 May 2003). «Basic Research Needs for the Hydrogen Economy» (PDF). APS March Meeting Abstracts. Argonne National Laboratory, U.S. Department of Energy, Office of Science Laboratory. 2004: m1.001. Bibcode:2004APS..MAR.m1001D. Archived from the original (PDF) on 13 February 2008. Retrieved 5 February 2008.
- ^ McCall Group; Oka Group (22 April 2005). «H3+ Resource Center». Universities of Illinois and Chicago. Archived from the original on 11 October 2007. Retrieved 5 February 2008.
- ^ Helm, H.; et al. (2003), «Coupling of Bound States to Continuum States in Neutral Triatomic Hydrogen», Dissociative Recombination of Molecular Ions with Electrons, Department of Molecular and Optical Physics, University of Freiburg, Germany, pp. 275–288, doi:10.1007/978-1-4615-0083-4_27, ISBN 978-1-4613-4915-0
- ^ Thomassen, Magnus. «Cost reduction and performance increase of PEM electrolysers» (PDF). fch.europa.eu. FCH JU. Archived (PDF) from the original on 17 April 2018. Retrieved 22 April 2018.
- ^ Kruse, B.; Grinna, S.; Buch, C. (2002). «Hydrogen Status og Muligheter» (PDF). Bellona. Archived from the original (PDF) on 16 February 2008. Retrieved 12 February 2008.
- ^ Von Wald, Gregory A. (2020). «Optimization-based technoeconomic analysis of molten-media methane pyrolysis for reducing industrial sector CO2 emissions». Sustainable Energy & Fuels. Royal Society of Chemistry. 4 (9): 4598–4613. doi:10.1039/D0SE00427H. S2CID 225676190. Archived from the original on 8 November 2020. Retrieved 31 October 2020.
- ^ Schneider, Stefan (2020). «State of the Art of Hydrogen Production via Pyrolysis of Natural Gas». ChemBioEng Reviews. Wiley Online Library. 7 (5): 150–158. doi:10.1002/cben.202000014.
- ^ Cartwright, Jon. «The reaction that would give us clean fossil fuels forever». New Scientist. Archived from the original on 26 October 2020. Retrieved 30 October 2020.
- ^ Karlsruhe Institute of Technology. «Hydrogen from methane without CO2 emissions». Phys.Org. Phys.Org. Archived from the original on 21 October 2020. Retrieved 30 October 2020.
- ^ Crolius, Stephen H. (27 January 2017). «Methane to Ammonia via Pyrolysis». Ammonia Energy Association. Ammonia Energy Association. Archived from the original on 31 December 2020. Retrieved 19 October 2020.
- ^ Fialka, John. «Energy Department Looks to Boost Hydrogen Fuel for Big Trucks». E&E News. Scientific American. Archived from the original on 6 November 2020. Retrieved 7 November 2020.
- ^ CCJ News (13 August 2020). «How fuel cell trucks produce electric power and how they’re fueled». CCJ News. Commercial Carrier Journal. Archived from the original on 19 October 2020. Retrieved 19 October 2020.
- ^ Toyota. «Hydrogen Fuel-Cell Class 8 Truck». Hydrogen-Powered Truck Will Offer Heavy-Duty Capability and Clean Emissions. Toyota. Archived from the original on 19 October 2020. Retrieved 19 October 2020.
- ^ Colias, Mike (26 October 2020). «Auto Makers Shift Their Hydrogen Focus to Big Rigs». Wall Street Journal. Archived from the original on 26 October 2020. Retrieved 26 October 2020.
- ^ GE Turbines. «Hydrogen fueled power turbines». Hydrogen fueled gas turbines. General Electric. Archived from the original on 19 October 2020. Retrieved 19 October 2020.
- ^ Solar Turbines. «Hydrogen fueled power turbines». Power From Hydrogen Gas For Carbon Reduction. Solar Turbines. Archived from the original on 19 October 2020. Retrieved 19 October 2020.
- ^ Upham, D. Chester (2017). «Catalytic molten metals for the direct conversion of methane to hydrogen and separable carbon». Science. American Association for Advancement of Science. 358 (6365): 917–921. Bibcode:2017Sci…358..917U. doi:10.1126/science.aao5023. PMID 29146810. S2CID 206663568.
- ^ Clarke, Palmer (2020). «Dry reforming of methane catalyzed by molten metal alloys». Nature Catalysis. 3: 83–89. doi:10.1038/s41929-019-0416-2. S2CID 210862772. Archived from the original on 29 January 2021. Retrieved 31 October 2020.
- ^ BASF. «BASF researchers working on fundamentally new, low-carbon production processes, Methane Pyrolysis». United States Sustainability. BASF. Archived from the original on 19 October 2020. Retrieved 19 October 2020.
- ^ Gusev, Alexander. «KITT/IASS – Producing CO2 Free Hydrogen From Natural Gas For Energy Usage». European Energy Innovation. Institute for Advanced Sustainability Studies. Archived from the original on 29 January 2021. Retrieved 30 October 2020.
- ^ Fernandez, Sonia. «Researchers develop potentially low-cost, low-emissions technology that can convert methane without forming CO2». Phys-Org. American Institute of Physics. Archived from the original on 19 October 2020. Retrieved 19 October 2020.
- ^ Freyermuth, George H. «1934 Patent: «The manufacture of hydrogen from methane hydrocarbons by the action of steam at elevated temperature»«. Patent Full-Text Databases. United States Patent and Trademark Office. Archived from the original on 1 October 2021. Retrieved 30 October 2020.
- ^ Press, Roman J.; Santhanam, K. S. V.; Miri, Massoud J.; Bailey, Alla V.; Takacs, Gerald A. (2008). Introduction to hydrogen Technology. John Wiley & Sons. p. 249. ISBN 978-0-471-77985-8.
- ^ a b c Oxtoby, D. W. (2002). Principles of Modern Chemistry (5th ed.). Thomson Brooks/Cole. ISBN 978-0-03-035373-4.
- ^ «Hydrogen Properties, Uses, Applications». Universal Industrial Gases, Inc. 2007. Archived from the original on 27 March 2008. Retrieved 11 March 2008.
- ^ Funderburg, E. (2008). «Why Are Nitrogen Prices So High?». The Samuel Roberts Noble Foundation. Archived from the original on 9 May 2001. Retrieved 11 March 2008.
- ^ Lees, A. (2007). «Chemicals from salt». BBC. Archived from the original on 26 October 2007. Retrieved 11 March 2008.
- ^ Parmuzina, A.V.; Kravchenko, O.V. (2008). «Activation of aluminium metal to evolve hydrogen from water». International Journal of Hydrogen Energy. 33 (12): 3073–3076. doi:10.1016/j.ijhydene.2008.02.025.
- ^ Weimer, Al (25 May 2005). «Development of solar-powered thermochemical production of hydrogen from water» (PDF). Solar Thermochemical Hydrogen Generation Project. Archived (PDF) from the original on 17 April 2007. Retrieved 21 December 2008.
- ^ Perret, R. «Development of Solar-Powered Thermochemical Production of Hydrogen from Water, DOE Hydrogen Program, 2007» (PDF). Archived from the original (PDF) on 27 May 2010. Retrieved 17 May 2008.
- ^ Russell, M. J.; Hall, A. J.; Martin, W. (2010). «Serpentinization as a source of energy at the origin of life». Geobiology. 8 (5): 355–371. doi:10.1111/j.1472-4669.2010.00249.x. PMID 20572872. S2CID 41118603.
- ^ Schrenk, M. O.; Brazelton, W. J.; Lang, S. Q. (2013). «Serpentinization, Carbon, and Deep Life» (PDF). Reviews in Mineralogy and Geochemistry. 75 (1): 575–606. Bibcode:2013RvMG…75..575S. doi:10.2138/rmg.2013.75.18. S2CID 8600635.
- ^ Smil, Vaclav (2004). Enriching the Earth: Fritz Haber, Carl Bosch, and the Transformation of World Food Production (1st ed.). Cambridge, MA: MIT. ISBN 978-0-262-69313-4.
- ^ Chemistry Operations (15 December 2003). «Hydrogen». Los Alamos National Laboratory. Archived from the original on 4 March 2011. Retrieved 5 February 2008.
- ^ «DOE Seeks Applicants for Solicitation on the Employment Effects of a Transition to a Hydrogen Economy». Hydrogen Program (Press release). US Department of Energy. 22 March 2006. Archived from the original on 19 July 2011. Retrieved 16 March 2008.
- ^ McCarthy, J. (31 December 1995). «Hydrogen». Stanford University. Archived from the original on 14 March 2008. Retrieved 14 March 2008.
- ^ Reed, Stanley; Ewing, Jack (13 July 2021). «Hydrogen Is One Answer to Climate Change. Getting It Is the Hard Part». The New York Times. ISSN 0362-4331. Archived from the original on 14 July 2021. Retrieved 14 July 2021.
- ^ IRENA (2019). Hydrogen: A renewable energy perspective (PDF). p. 9. ISBN 978-92-9260-151-5. Archived (PDF) from the original on 29 September 2021. Retrieved 17 October 2021..
- ^ Bonheure, Mike; Vandewalle, Laurien A.; Marin, Guy B.; Van Geem, Kevin M. (March 2021). «Dream or Reality? Electrification of the Chemical Process Industries». CEP Magazine. American Institute of Chemical Engineers. Archived from the original on 17 July 2021. Retrieved 6 July 2021.
- ^ a b Griffiths, Steve; Sovacool, Benjamin K.; Kim, Jinsoo; Bazilian, Morgan; et al. (2021). «Industrial decarbonization via hydrogen: A critical and systematic review of developments, socio-technical systems and policy options». Energy Research & Social Science. 80: 39. doi:10.1016/j.erss.2021.102208. ISSN 2214-6296. Archived from the original on 16 October 2021. Retrieved 11 September 2021.
- ^ a b Evans, Simon; Gabbatiss, Josh (30 November 2020). «In-depth Q&A: Does the world need hydrogen to solve climate change?». Carbon Brief. Archived from the original on 1 December 2020. Retrieved 1 December 2020.
- ^ Palys, Matthew J.; Daoutidis, Prodromos (2020). «Using hydrogen and ammonia for renewable energy storage: A geographically comprehensive techno-economic study». Computers & Chemical Engineering. 136: 106785. doi:10.1016/j.compchemeng.2020.106785. ISSN 0098-1354.
- ^ IRENA (2021). World Energy Transitions Outlook: 1.5°C Pathway (PDF). pp. 12, 22. ISBN 978-92-9260-334-2. Archived (PDF) from the original on 11 June 2021.
- ^ IEA (2021). Net Zero by 2050: A Roadmap for the Global Energy Sector (PDF). pp. 15, 75–76. Archived (PDF) from the original on 23 May 2021.
- ^ Blank, Thomas; Molly, Patrick (January 2020). «Hydrogen’s Decarbonization Impact for Industry» (PDF). Rocky Mountain Institute. pp. 2, 7, 8. Archived (PDF) from the original on 22 September 2020.
- ^ Heffel, J. W. (2002). «NOx emission and performance data for a hydrogen fueled internal combustion engine at 1500 rpm using exhaust gas recirculation». International Journal of Hydrogen Energy. 28 (8): 901–908. doi:10.1016/S0360-3199(02)00157-X.
- ^ «Carbon Capture Strategy Could Lead to Emission-Free Cars» (Press release). Georgia Tech. 11 February 2008. Archived from the original on 28 September 2013. Retrieved 16 March 2008.
- ^ Romm, J. J. (2004). The Hype About Hydrogen: Fact And Fiction in the Race To Save The Climate (1st ed.). Island Press. ISBN 978-1-55963-703-9.
- ^ Le Comber, P. G.; Jones, D. I.; Spear, W. E. (1977). «Hall effect and impurity conduction in substitutionally doped amorphous silicon». Philosophical Magazine. 35 (5): 1173–1187. Bibcode:1977PMag…35.1173C. doi:10.1080/14786437708232943.
- ^ Van de Walle, C. G. (2000). «Hydrogen as a cause of doping in zinc oxide» (PDF). Physical Review Letters. 85 (5): 1012–1015. Bibcode:2000PhRvL..85.1012V. doi:10.1103/PhysRevLett.85.1012. hdl:11858/00-001M-0000-0026-D0E6-E. PMID 10991462. Archived (PDF) from the original on 15 August 2017. Retrieved 1 August 2018.
- ^ Janotti, A.; Van De Walle, C. G. (2007). «Hydrogen multicentre bonds». Nature Materials. 6 (1): 44–47. Bibcode:2007NatMa…6…44J. doi:10.1038/nmat1795. PMID 17143265.
- ^ Kilic, C.; Zunger, Alex (2002). «n-type doping of oxides by hydrogen». Applied Physics Letters. 81 (1): 73–75. Bibcode:2002ApPhL..81…73K. doi:10.1063/1.1482783. S2CID 96415065. Archived from the original on 29 January 2021. Retrieved 16 December 2019.
- ^ Peacock, P. W.; Robertson, J. (2003). «Behavior of hydrogen in high dielectric constant oxide gate insulators». Applied Physics Letters. 83 (10): 2025–2027. Bibcode:2003ApPhL..83.2025P. doi:10.1063/1.1609245.
- ^ Durgutlu, A. (2003). «Experimental investigation of the effect of hydrogen in argon as a shielding gas on TIG welding of austenitic stainless steel». Materials & Design. 25 (1): 19–23. doi:10.1016/j.matdes.2003.07.004.
- ^ «Atomic Hydrogen Welding». Specialty Welds. 2007. Archived from the original on 16 July 2011.
- ^ Hardy, W. N. (2003). «From H2 to cryogenic H masers to HiTc superconductors: An unlikely but rewarding path». Physica C: Superconductivity. 388–389: 1–6. Bibcode:2003PhyC..388….1H. doi:10.1016/S0921-4534(02)02591-1.
- ^ Almqvist, Ebbe (2003). History of industrial gases. New York, N.Y.: Kluwer Academic/Plenum Publishers. pp. 47–56. ISBN 978-0-306-47277-0. Retrieved 20 May 2015.
- ^ Block, M. (3 September 2004). Hydrogen as Tracer Gas for Leak Detection. 16th WCNDT 2004. Montreal, Canada: Sensistor Technologies. Archived from the original on 8 January 2009. Retrieved 25 March 2008.
- ^ «Report from the Commission on Dietary Food Additive Intake» (PDF). European Union. Archived (PDF) from the original on 16 February 2008. Retrieved 5 February 2008.
- ^ Reinsch, J.; Katz, A.; Wean, J.; Aprahamian, G.; MacFarland, J. T. (1980). «The deuterium isotope effect upon the reaction of fatty acyl-CoA dehydrogenase and butyryl-CoA». J. Biol. Chem. 255 (19): 9093–97. doi:10.1016/S0021-9258(19)70531-6. PMID 7410413.
- ^ «NASA/TM—2002-211915: Solid Hydrogen Experiments for Atomic Propellants» (PDF). Archived (PDF) from the original on 9 July 2021. Retrieved 2 July 2021.
- ^ Bergeron, K. D. (2004). «The Death of no-dual-use». Bulletin of the Atomic Scientists. 60 (1): 15–17. Bibcode:2004BuAtS..60a..15B. doi:10.2968/060001004. Archived from the original on 19 April 2008. Retrieved 13 April 2008.
- ^ Cammack, R.; Robson, R. L. (2001). Hydrogen as a Fuel: Learning from Nature. Taylor & Francis Ltd. pp. 202–203. ISBN 978-0-415-24242-4. Archived from the original on 29 January 2021. Retrieved 3 September 2020.
- ^ Rhee, T. S.; Brenninkmeijer, C. A. M.; Röckmann, T. (19 May 2006). «The overwhelming role of soils in the global atmospheric hydrogen cycle» (PDF). Atmospheric Chemistry and Physics. 6 (6): 1611–1625. Bibcode:2006ACP…..6.1611R. doi:10.5194/acp-6-1611-2006. Archived (PDF) from the original on 24 August 2019. Retrieved 24 August 2019.
- ^ Eisenmann, Alexander; Amann, Anton; Said, Michael; Datta, Bettina; Ledochowski, Maximilian (2008). «Implementation and interpretation of hydrogen breath tests» (PDF). Journal of Breath Research. 2 (4): 046002. Bibcode:2008JBR…..2d6002E. doi:10.1088/1752-7155/2/4/046002. PMID 21386189. S2CID 31706721. Archived from the original (PDF) on 29 January 2021. Retrieved 26 December 2020.
- ^ Berger, W. H. (15 November 2007). «The Future of Methane». University of California, San Diego. Archived from the original on 24 April 2008. Retrieved 12 February 2008.
- ^ Kruse, O.; Rupprecht, J.; Bader, K.; Thomas-Hall, S.; Schenk, P. M.; Finazzi, G.; Hankamer, B. (2005). «Improved photobiological H2 production in engineered green algal cells» (PDF). The Journal of Biological Chemistry. 280 (40): 34170–7. doi:10.1074/jbc.M503840200. PMID 16100118. S2CID 5373909. Archived (PDF) from the original on 29 January 2021. Retrieved 24 August 2019.
- ^ Smith, Hamilton O.; Xu, Qing (2005). «IV.E.6 Hydrogen from Water in a Novel Recombinant Oxygen-Tolerant Cyanobacteria System» (PDF). FY2005 Progress Report. United States Department of Energy. Archived (PDF) from the original on 29 December 2016. Retrieved 6 August 2016.
- ^ Williams, C. (24 February 2006). «Pond life: the future of energy». Science. The Register. Archived from the original on 9 May 2011. Retrieved 24 March 2008.
- ^ «MyChem: Chemical» (PDF). Archived from the original (PDF) on 1 October 2018. Retrieved 1 October 2018.
- ^ a b Brown, W. J.; et al. (1997). «Safety Standard for Hydrogen and Hydrogen Systems» (PDF). NASA. NSS 1740.16. Archived (PDF) from the original on 1 May 2017. Retrieved 12 July 2017.
- ^ «Liquid Hydrogen MSDS» (PDF). Praxair, Inc. September 2004. Archived from the original (PDF) on 27 May 2008. Retrieved 16 April 2008.
- ^ «‘Bugs’ and hydrogen embrittlement». Science News. 128 (3): 41. 20 July 1985. doi:10.2307/3970088. JSTOR 3970088.
- ^ Hayes, B. «Union Oil Amine Absorber Tower». TWI. Archived from the original on 20 November 2008. Retrieved 29 January 2010.
- ^ Walker, James L.; Waltrip, John S.; Zanker, Adam (1988). «Lactic acid to magnesium supply-demand relationships». In John J. McKetta; William Aaron Cunningham (eds.). Encyclopedia of Chemical Processing and Design. Vol. 28. New York: Dekker. p. 186. ISBN 978-0-8247-2478-8. Retrieved 20 May 2015.
Further reading
- Chart of the Nuclides (17th ed.). Knolls Atomic Power Laboratory. 2010. ISBN 978-0-9843653-0-2.
- Ferreira-Aparicio, P.; Benito, M. J.; Sanz, J. L. (2005). «New Trends in Reforming Technologies: from Hydrogen Industrial Plants to Multifuel Microreformers». Catalysis Reviews. 47 (4): 491–588. doi:10.1080/01614940500364958. S2CID 95966974.
- Newton, David E. (1994). The Chemical Elements. New York: Franklin Watts. ISBN 978-0-531-12501-4.
- Rigden, John S. (2002). Hydrogen: The Essential Element. Cambridge, Massachusetts: Harvard University Press. ISBN 978-0-531-12501-4.
- Romm, Joseph J. (2004). The Hype about Hydrogen, Fact and Fiction in the Race to Save the Climate. Island Press. ISBN 978-1-55963-703-9.
- Scerri, Eric (2007). The Periodic System, Its Story and Its Significance. New York: Oxford University Press. ISBN 978-0-19-530573-9.
- Hydrogen safety covers the safe production, handling and use
External links
These audio files were created from a revision of this article dated 28 October 2006, and do not reflect subsequent edits.
- Basic Hydrogen Calculations of Quantum Mechanics
- Hydrogen at The Periodic Table of Videos (University of Nottingham)
- High temperature hydrogen phase diagram
- Wavefunction of hydrogen
1. Положение водорода в периодической системе химических элементов
2. Электронное строение водорода
3. Физические свойства
4. Способы получения
5. Химические свойства
5.1. Взаимодействие с простыми веществами
5.1.1. Взаимодействие с активными металлами
5.1.2. Взаимодействие с серой
5.1.3. Взаимодействие с кремнием
5.1.4. Взаимодействие с азотом
5.1.5. Взаимодействие с углеродом
5.2. Взаимодействие со сложными веществами
5.2.1. Взаимодействие с оксидами металлов
5.2.2. Взаимодействие с органическими веществами
6. Применение водорода
Водородные соединения металлов
1. Способы получения
2. Химические свойства
2.1. Взаимодействие с водой
2.2. Взаимодействие с кислотами
2.3. Взаимодействие с окислителями
Летучие водородные соединения
1. Строение молекулы и физические свойства
2. Способы получения силана
3. Способы получения аммиака
4. Способы получения фосфина
5. Способы получения сероводорода
6. Химические свойства силана
Водород
Положение в периодической системе химических элементов
Водород расположен в главной подгруппе I группы и в первом периоде периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева.
Электронное строение водорода
Электронная конфигурация водорода в основном состоянии:
+1H 1s1 1s
Атом водорода содержит на внешнем энергетическом уровне один неспаренный электрон в основном энергетическом состоянии.
Степени окисления атома водорода — от -1 до +1. Характерные степени окисления -1, 0, +1.
Физические свойства
Водород – легкий газ без цвета, без запаха. Молекула водорода состоит из двух атомов, связанных между собой ковалентной неполярной связью:
Н–Н
Соединения водорода
Основные степени окисления водорода +1, 0, -1.
Типичные соединения водорода:
Степень окисления | Типичные соединения |
+1 | кислоты H2SO4, H2S, HCl и др.
вода H2O и др. летучие водородные соединения (HCl, HBr) кислые соли (NaHCO3 и др.) основания NaOH, Cu(OH)2 основные соли (CuOH)2CO3 |
-1 | гидриды металлов NaH, CaH2 и др. |
Способы получения
Еще один важный промышленный способ получения водорода — паровая конверсия метана. При взаимодействии перегретого водяного пара с метаном образуется угарный газ и водород:
СН4 + Н2O → СО + 3Н2
Также возможна паровая конверсия угля:
C0 + H2+O → C+2O + H20
Химические свойства
1. Водород проявляет свойства окислителя и свойства восстановителя. Поэтому водород реагирует с металлами и неметаллами.
1.1. С активными металлами водород реагирует с образованием гидридов:
2Na + H2 → 2NaH
Ca + H2 → CaH2
1.2. В специальных условиях водород реагирует с серой с образованием бинарного соединения сероводорода:
H2 + S → H2S
1.3. Водород не реагирует с кремнием.
1.4. С азотом водород реагирует при нагревании под давлением в присутствии катализатора с образованием аммиака:
3Н2 + N2 → 2NH3
1.5. В специальных условиях водород реагирует с углеродом.
C + 2H2 → CH4
1.6. Водород горит, взаимодействует с кислородом со взрывом:
2H2 + O2 → 2H2O
2. Водород взаимодействует со сложными веществами:
2.1. Восстанавливает металлы из основных и амфотерных оксидов. Восстановить из оксида водородом можно металлы, расположенные в электрохимическом ряду напряжений после алюминия. При этом образуются металл и вода.
Например, водород взаимодействует с оксидом цинка с образованием цинка и воды:
ZnO + H2 → Zn + H2O
Также водород восстанавливает медь из оксида меди:
СuO + H2 → Cu + H2O
Водород восстанавливает оксиды некоторых неметаллов.
Например, водород взаимодействует с оксидом азота (I):
N2O + H2 = N2 + H2O
2.2. С органическими веществами водород вступает в реакции присоединения (реакции гидрирования).
Применение водорода
Применение водорода основано на его физических и химических свойствах:
- как легкий газ, он используется для наполнения аэростатов (в смеси с гелием);
- кислородно-водородное пламя применяется для получения высоких температур при сварке металлов;
- как восстановитель используется для получения металлов (молибдена, вольфрама и др.) из их оксидов;
- водород используется для получения аммиака и искусственного жидкого топлива;
- получение твердых жиров (гидрогенизация).
Водородные соединения металлов
Соединения металлов с водородом — солеобразные гидриды МеНх. Это твердые вещества белого цвета с ионным строением. Устойчивые гидриды образуют активные металлы (щелочные, щелочноземельные и др.).
Способы получения
Гидриды металлов можно получить непосредственным взаимодействием активных металлов и водорода.
Например, при взаимодействии натрия с водородом образуется гидрид натрия:
2Na + H2 → 2NaH
Гидрид кальция можно получить из кальция и водорода:
Ca + H2 → CaH2
Химические свойства
1. Солеобразные гидриды легко разлагаются водой.
Например, гидрид натрия в водной среде разлагается на гидроксид натрия и водород:
NaH + H2O → NaOH + H2
2. При взаимодействии с кислотами гидриды металлов образуют соль и водород.
Например, гидрид натрия реагирует с соляной кислотой с образованием хлорида натрия и водорода:
NaH + HCl → NaCl + H2
3. Солеобразные гидриды проявляют сильные восстановительные свойства и взаимодействуют с окислителями (кислород, галогены и др.)
Например, гидрид натрия окисляется кислородом:
2NaH + O2 = 2NaOH
Гидрид натрия также окисляется хлором:
NaH + Cl2 = NaCl + HCl
Летучие водородные соединения
Соединения водорода с неметаллами — летучие водородные соединения.
Строение и физические свойства
Все летучие водородные соединения — газы (кроме воды).
CH4 — метан | NH3 — аммиак | H2O — вода | HF –фтороводород |
SiH4 — силан | PH3 — фосфин | H2S — сероводород | HCl –хлороводород |
AsH3 — арсин | H2Se — селеноводород | HBr –бромоводород | |
H2Te — теллуроводород | HI –иодоводород |
Способы получения силана
Силан образуется при взаимодействии соляной кислоты с силицидом магния:
Mg2Si + 4HCl → 2MgCl2 + SiH4
Видеоопыт получения силана из силицида магния можно посмотреть здесь.
Способы получения аммиака
В лаборатории аммиак получают при взаимодействии солей аммония с щелочами. Поскольку аммиак очень хорошо растворим в воде, для получения чистого аммиака используют твердые вещества.
Например, аммиак можно получить нагреванием смеси хлорида аммония и гидроксида кальция. При нагревании смеси происходит образование соли, аммиака и воды:
2NH4Cl + Са(OH)2 → CaCl2 + 2NH3 + 2Н2O
Тщательно растирают ступкой смесь соли и основания и нагревают смесь. Выделяющийся газ собирают в пробирку (аммиак — легкий газ и пробирку нужно перевернуть вверх дном). Влажная лакмусовая бумажка синеет в присутствии аммиака.
Видеоопыт получения аммиака из хлорида аммония и гидроксида кальция можно посмотреть здесь.
Еще один лабораторный способ получения аммиака – гидролиз нитридов.
Например, гидролиз нитрида кальция:
Ca3N2 + 6H2O → ЗСа(OH)2 + 2NH3
В промышленности аммиак получают с помощью процесса Габера: прямым синтезом из водорода и азота.
N2 + 3Н2 ⇄ 2NH3
Процесс проводят при температуре 500-550оС и в присутствии катализатора. Для синтеза аммиака применяют давления 15-30 МПа. В качестве катализатора используют губчатое железо с добавками оксидов алюминия, калия, кальция, кремния. Для полного использования исходных веществ применяют метод циркуляции непрореагировавших реагентов: не вступившие в реакцию азот и водород вновь возвращают в реактор.
Более подробно про технологию производства аммиака можно прочитать здесь.
Способы получения фосфина
В лаборатории фосфин получают водным или кислотным гидролизом фосфидов – бинарных соединений фосфора и металлов.
Например, фосфин образуется при водном гидролизе фосфида кальция:
Ca3P2 + 6H2O → 3Са(ОН)2 + 2PH3
Или при кислотном гидролизе, например, фосфида магния в соляной кислоте:
Mg3P2 + 6HCl → 3MgCl2 + 2PH3↑
Еще один лабораторный способ получения фосфина – диспропорционирование фосфора в щелочах.
Например, фосфор реагирует с гидроксидом калия с образованием гипофосфита калия и фосфина:
4P + 3KOH + 3H2O → 3KH2PO2 + PH3↑
Способы получения сероводорода
1. В лаборатории сероводород получают действием минеральных кислот на сульфиды металлов, расположенных в ряду напряжений левее железа.
Например, при действии соляной кислоты на сульфид железа (II):
FeS + 2HCl → FeCl2 + H2S↑
Еще один способ получения сероводорода – прямой синтез из водорода и серы:
S + H2 → H2S
Еще один лабораторный способ получения сероводорода – нагревание парафина с серой.
Видеоопыт получения и обнаружения сероводорода можно посмотреть здесь.
2. Также сероводород образуется при взаимодействии растворимых солей хрома (III) и алюминия с растворимыми сульфидами. Сульфиды хрома (III) и алюминия необратимо гидролизуются в водном растворе.
Например: хлорид хрома (III) реагирует с сульфидом натрия с образованием гидроксида хрома (III), сероводорода и хлорида натрия:
2CrCl3 + 3Na2S + 6H2O → 2Cr(OH)3 + 3H2S↑ + 6NaCl
Химические свойства силана
1. Силан — неустойчивое водородное соединение (самовоспламеняется на воздухе). При сгорании силана на воздухе образуется оксид кремния (IV) и вода:
SiН4 + 2О2 = SiO2 + 2Н2О
Видеоопыт сгорания силана можно посмотреть здесь.
2. Силан разлагается водой с выделением водорода:
SiH4 + 2H2O → SiO2 + 4H2
3. Силан разлагается (окисляется) щелочами:
SiH4 + 2NaOH + H2O → Na2SiO3 + 4H2
4. Силан при нагревании разлагается:
SiH4 → Si + 2H2
Химические свойства фосфина
1. В водном растворе фосфин проявляет очень слабые основные свойства (за счет неподеленной электронной пары). Принимая протон (ион H+), он превращается в ион фосфония. Основные свойства фосфина гораздо слабее основных свойств аммиака. Проявляются при взаимодействии с безводными кислотами.
Например, фосфин реагирует с йодоводородной кислотой:
PH3 + HI → PH4I
Соли фосфония неустойчивые, легко гидролизуются.
2. Фосфин PH3 – сильный восстановитель за счет фосфора в степени окисления -3. На воздухе самопроизвольно самовоспламеняется:
2PH3 + 4O2 → P2O5 + 3H2O
PH3 + 2O2 → H3PO4
3. Как сильный восстановитель, фосфин легко окисляется под действием окислителей.
Например, азотная кислота окисляет фосфин. При этом фосфор переходит в степень окисления +5 и образует фосфорную кислоту.
PH3 + 8HNO3 → H3PO4 + 8NO2 + 4H2O
Серная кислота также окисляет фосфин:
PH3 + 3H2SO4 → H3PO4 + 3SO2 + 3H2O
С фосфином также реагируют другие соединения фосфора, с более высокими степенями окисления фосфора.
Например, хлорид фосфора (III) окисляет фосфин:
2PH3 + 2PCl3 → 4P + 6HCl
Химические свойства сероводорода
1. В водном растворе сероводород проявляет слабые кислотные свойства. Взаимодействует с сильными основаниями, образуя сульфиды и гидросульфиды:
Например, сероводород реагирует с гидроксидом натрия:
H2S + 2NaOH → Na2S + 2H2O
H2S + NaOH → NaНS + H2O
2. Сероводород H2S – очень сильный восстановитель за счет серы в степени окисления -2. При недостатке кислорода и в растворе H2S окисляется до свободной серы (раствор мутнеет):
2H2S + O2 → 2S + 2H2O
В избытке кислорода:
2H2S + 3O2 → 2SO2 + 2H2O
3. Как сильный восстановитель, сероводород легко окисляется под действием окислителей.
Например, бром и хлор окисляют сероводород до молекулярной серы:
H2S + Br2 → 2HBr + S↓
H2S + Cl2 → 2HCl + S↓
Под действием избытка хлора в водном растворе сероводород окисляется до серной кислоты:
H2S + 4Cl2 + 4H2O → H2SO4 + 8HCl
Например, азотная кислота окисляет сероводород до молекулярной серы:
H2S + 2HNO3(конц.) → S + 2NO2 + 2H2O
При кипячении сера окисляется до серной кислоты:
H2S + 8HNO3(конц.) → H2SO4 + 8NO2 + 4H2O
Прочие окислители окисляют сероводород, как правило, до молекулярной серы.
Например, оксид серы (IV) окисляет сероводород:
2H2S + SO2 → 3S + 2H2O
Соединения железа (III) также окисляют сероводород:
H2S + 2FeCl3 → 2FeCl2 + S + 2HCl
Бихроматы, хроматы и прочие окислители также окисляют сероводород до молекулярной серы:
3H2S + K2Cr2O7 + 4H2SO4 → 3S + Cr2(SO4)3 + K2SO4 + 7H2O
2H2S + 4Ag + O2 → 2Ag2S + 2H2O
Серная кислота окисляет сероводород либо до молекулярной серы:
H2S + H2SO4(конц.) → S + SO2 + 2H2O
Либо до оксида серы (IV):
H2S + 3H2SO4(конц.) → 4SO2 + 4H2O
4. Сероводород в растворе реагирует с растворимыми солями тяжелых металлов: меди, серебра, свинца, ртути, образуя черные сульфиды, нерастворимые ни в воде, ни в минеральных кислотах.
Например, сероводород реагирует в растворе с нитратом свинца (II). при этом образуется темно-коричневый (почти черный) осадок, нерастворимый ни в воде, ни в минеральных кислотах:
H2S + Pb(NO3)2 → PbS + 2HNO3
Взаимодействие с нитратом свинца в растворе – это качественная реакция на сероводород и сульфид-ионы.
Видеоопыт взаимодействия сероводорода с нитратом свинца можно посмотреть здесь.
Химические свойства прочих водородных соединений
Кислоты образуют в водном растворе: водородные соединения VIA (кроме воды) и VIIA подгрупп.
Прочитать про химические свойства галогеноводородов вы можете здесь.
Вода
Физические свойства
Молекулы воды связаны водородными связями: nH2O = (Н2O)n, поэтому вода жидкая в отличие от ее газообразных аналогов H2S, H2Se и Н2Те.
Химические свойства
1. Вода реагирует с металлами и неметаллами.
1.1. С активными металлами вода реагирует при комнатной температуре с образованием щелочей и водорода:
2Na + 2H2O → 2NaOH + H2
- с магнием реагирует при кипячении:
Mg + 2H2O → Mg(OH)2 + H2
- алюминий не реагирует с водой, так как покрыт оксидной плёнкой. Алюминий, очищенный от оксидной плёнки, взаимодействует с водой, образуя гидроксид:
2Al + 6H2O = 2Al(OH)3 +3H2
- металлы, расположенные в ряду активности от Al до Н, реагируют с водяным паром при высокой температуре, образуя оксиды и водород:
Fe + 4Н2O → Fe3O4 + 4Н2
- металлы, расположенные в ряду активности от после Н, не реагируют с водой:
Ag + Н2O ≠
2. Вода реагирует с оксидами щелочных и щелочноземельных металлов, образуя щелочи (с оксидом магния – при кипячении):
Н2O + СаО = Са(OH)2
3. Вода взаимодействует с кислотными оксидами (кроме SiO2):
P2O5 + 3H2O = 2H3PO4
4. Некоторые соли реагируют с с водой. Как правило, в таблице растворимости такие соли отмечены прочерком:
Например, сульфид алюминия разлагается водой:
Al2S3 + 6H2O → 2Al(OH)3 + 3H2S
5. Бинарные соединения металлов и неметаллов, которые не являются кислотами и основаниями, разлагаются водой.
Например, фосфид кальция разлагается водой:
Са3Р2 + 6Н2О → 3Са(ОН)2 + 2РН3↑
6. Бинарные соединения неметаллов также гидролизуются водой.
Например, фосфид хлора (V) разлагается водой:
PCl5 + 4H2O → H3PO4 + 5HCl
6. Некоторые органические вещества гидролизуются водой или вступают в реакции присоединения с водой (алкены, алкины, алкадиены, сложные эфиры и др.).
Водород | |
---|---|
Газ без цвета, запаха и вкуса | |
Водород в разрядной трубке |
|
Название, символ, номер | Водород / Hydrogenium (H), 1 |
Атомная масса (молярная масса) |
[1,00784; 1,00811]а. е. м. (г/моль) |
Электронная конфигурация | 1s1 |
Радиус атома | 53 пм |
Ковалентный радиус | 32 пм |
Радиус иона | 54 (−1 e) пм |
Электроотрицательность | 2,20 (шкала Полинга) |
Степени окисления | +1, 0, −1 |
Энергия ионизации (первый электрон) |
1311,3 (13,595) кДж/моль (эВ) |
Плотность (при н. у.) | 0,0000899 (при 273 K (0 °C)) г/см³ |
Температура плавления | 14,01 K; −259,14 °C |
Температура кипения | 20,28 K; −252,87 °C |
Уд. теплота плавления | 0,117 кДж/моль |
Уд. теплота испарения | 0,904 кДж/моль |
Молярная теплоёмкость | 28,47 Дж/(K·моль) |
Молярный объём | 14,1 см³/моль |
Структура решётки | гексагональная |
Параметры решётки | a = 3,780 c = 6,167 Å |
Отношение c/a | 1,631 |
Температура Дебая | 110 K |
Теплопроводность | (300 K) 0,1815 Вт/(м·К) |
Номер CAS | 12385-13-6 |
Водород (H, лат. hydrogenium) — химический элемент периодической системы с обозначением H и атомным номером 1, самый лёгкий из элементов периодической таблицы. Его одноатомная форма — самое распространённое химическое вещество во Вселенной, составляющее примерно 75 % всей барионной массы. Звёзды, кроме компактных, в основном состоят из водородной плазмы.
Три изотопа водорода имеют собственные названия: 1H — протий, 2H — дейтерий и 3H — тритий (радиоактивен). Ядро самого распространённого изотопа, протия, состоит из одного только протона и не содержит нейтронов.
При стандартных температуре и давлении водород — бесцветный, не имеющий запаха и вкуса, нетоксичный двухатомный газ с химической формулой H2, 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.
Содержание
- 1 История открытия
- 2 Происхождение названия
- 3 Распространённость
- 3.1 Во Вселенной
- 3.2 Земная кора и живые организмы
- 4 Получение
- 4.1 В промышленности
- 4.2 В лаборатории
- 4.3 Очистка
- 4.4 Стоимость
- 5 Физические свойства
- 6 Изотопы
- 6.1 Свойства изотопов
- 7 Химические свойства
- 7.1 Взаимодействие со щелочными и щёлочноземельными металлами
- 7.2 Взаимодействие с оксидами металлов
- 7.3 Гидрирование органических соединений
- 8 Геохимия водорода
- 9 Меры предосторожности
- 10 Применение
- 10.1 Химическая промышленность
- 10.2 Нефтеперерабатывающая промышленность
- 10.3 Пищевая и косметическая промышленность
- 10.4 Химические лаборатории
- 10.5 Авиационная промышленность
- 10.6 Метеорология
- 10.7 Топливо
- 10.8 Электроэнергетика
- 10.9 Прочее
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
Распространение ионизированного водорода в межзвёздной среде в различных частях нашей Галактики. Изображение в диапазоне H-альфа.
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
Основная статья: Производство водорода
См. также: Биотехнологическое получение водорода
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 м3 газа. Почти все остальное получают из угля. Около 0,1 % (~100 тыс. тонн) вырабатывается электролизом. При производстве водорода в атмосферу поступает ~830 млн тонн CO2. Себестоимость водорода из природного газа оценивается в 1,5-3 доллара за 1 кг.
- Конверсия метана с водяным паром при 1000 °C:
-
- CH4 + H2O ⇄ CO + 3H2
- Пропускание паров воды над раскалённым коксом при температуре около 1000 °C:
-
- H2O + C ⇄ CO↑ + H2↑
- Электролиз водных растворов солей:
-
- 2NaCl + 2H2O → 2NaOH + Cl2↑ + H2↑
- Электролиз водных растворов гидроксидов активных металлов (преимущественно, гидроксида калия)
-
- 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.
- Каталитическое окисление кислородом:
-
- 2CH4 + O2 ⇄ 2CO + 4H2
- Крекинг и риформинг углеводородов в процессе переработки нефти.
В лаборатории
- Действие разбавленных кислот на металлы. Для проведения такой реакции чаще всего используют цинк и разбавленную серную кислоту:
-
- Zn + H2SO4 → ZnSO4 + H2↑
- Взаимодействие кальция с водой:
-
- Ca + 2H2O → Ca(OH)2 + H2↑
- Гидролиз гидридов:
-
- NaH + H2O → NaOH + H2↑
- Действие щелочей на цинк или алюминий:
-
- 2Al + 2NaOH + 6H2O → 2Na[Al(OH)4] + 3H2↑
-
- Zn + 2KOH + 2H2O → K2[Zn(OH)4] + H2↑
- С помощью электролиза. При электролизе водных растворов щелочей или кислот на катоде происходит выделение водорода, например:
-
- 2H3O+ + 2e− → 2H2O + H2↑
Очистка
В промышленности реализованы несколько способов очистки водорода из углерод-содержащего сырья (т. н. водородсодержащий газ — ВСГ).
- 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 м3 H2/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
Эмиссионный спектр излучения атомов водорода на фоне сплошного спектра в видимой области
Эмиссионный спектр атомов водорода. Четыре видимые глазом спектральные линии серии Бальмера
Водород — самый лёгкий газ: он легче воздуха в 14,5 раз. Поэтому, например, мыльные пузыри, наполненные водородом, на воздухе стремятся вверх. 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 и тем самым 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 — H2. 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⋅106 Дж/кг, малорастворим в воде — 18,8 мл/л.
Водород хорошо растворим во многих металлах (Ni, Pt, Pd и др.), особенно в палладии (850 объёмов H2 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.
Фазовая диаграмма водорода
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 очень низкие: температура −240,2 °C и давление 12,8 атм. Этим объясняются трудности при ожижении водорода. В жидком состоянии равновесный водород состоит из 99,79 % пара-H2, 0,21 % орто-H2.
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.
В 1935 году Уингер и Хунтингтон 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.
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-H2 (т. пл. −259,10 °C, т. кип. −252,56 °C) спины ядер параллельны, а у параводорода p-H2 (т. пл. −259,32 °C, т. кип. −252,89 °C) — противоположно друг другу (антипараллельны). Равновесная смесь o-H2 и p-H2 при заданной температуре называется равновесный водород e-H2.
Равновесная мольная концентрация параводорода в смеси в зависимости от температуры
Разделить модификации 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
Основная статья: Изотопы водорода
Термодинамическое состояние насыщенного пара водорода с различным изотопным составом
Наиболее известны три изотопа водорода: протий 1H (атомное ядро — протон), дейтерий 2H (ядро состоит из одного протона и одного нейтрона) и тритий 3H (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 H2 и HD (дейтероводород) в соотношении 3200:1. Содержание в нём молекул из чистого дейтерия D2 ещё меньше, отношение концентраций HD и D2 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,
KТемпература
кипения,
KТройная
точкаКритическая
точкаПлотность,
кг/м³T, K P, кПа T, K P, МПа жидкий газ H2 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 D2 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 T2 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-D2, p-D2, o-T2, p-T2. 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 | |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
1H | 1 | 0 | 1,007 825 032 07(10) | стабилен | 1⁄2+ | 99,9885(70) | ||
2H | 1 | 1 | 2,014 101 777 8(4) | стабилен | 1+ | 0,0115(70) | ||
3H | 1 | 2 | 3,016 049 277 7(25) | 12,32(2) года | 1⁄2+ | β− | 18,591(1) кэВ | |
4H | 1 | 3 | 4,027 81(11) | 1,39(10)⋅10−22 с | 2− | -n | 23,48(10) МэВ | |
5H | 1 | 4 | 5,035 31(11) | более 9,1⋅10−22 с | (1⁄2+) | -nn | 21,51(11) МэВ | |
6H | 1 | 5 | 6,044 94(28) | 2,90(70)⋅10−22 с | 2− | −3n | 24,27(26) МэВ | |
7H | 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 1H позволяют широко использовать ЯМР-спектроскопию в анализе органических веществ.
Химические свойства
Доля диссоциировавших молекул водорода при атмосферном давлении в зависимости от температуры
Молекулы водорода достаточно прочны, и для того, чтобы водород мог вступить в реакцию, должна быть затрачена большая энергия:
-
- H2 → 2H− 432 кДж
Поэтому при обычных температурах водород реагирует только с очень активными металлами, например, с кальцием, образуя гидрид кальция:
-
- Ca + H2 → CaH2
и с единственным неметаллом — фтором, образуя фтороводород:
-
- F2 + H2 → 2HF
С большинством же металлов и неметаллов водород реагирует при повышенной температуре или при другом воздействии, например, при освещении:
-
- O2 + 2H2 → 2H2O
Записанное уравнение отражает восстановительные свойства водорода.
-
- CuO + H2 → H2O + Cu
С галогенами образует галогеноводороды:
-
- H2 + F2 → 2HF , реакция протекает со взрывом в темноте и при любой температуре,
-
- H2 + Cl2 → 2HCl , реакция протекает со взрывом, только на свету.
С сажей взаимодействует при сильном нагревании:
-
- C + 2H2 → CH4
Взаимодействие со щелочными и щёлочноземельными металлами
При взаимодействии с активными металлами водород образует гидриды:
-
- 2Na + H2 → 2NaH
-
- Ca + H2 → CaH2
-
- Mg + H2 → MgH2
Гидриды — солеобразные, твёрдые вещества, легко гидролизуются:
-
- CaH2 + 2H2O → Ca(OH)2 + 2H2↑
Взаимодействие с оксидами металлов
Оксиды металлов (как правило, d-элементов) восстанавливаются до металлов:
-
- Fe2O3 + 3H2 → 2Fe + 3H2O
-
- 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.
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. Однако точное содержание данного газа в составе геосфер нашей планеты (исключая земную кору) — астеносферы, мантии, ядра Земли — неизвестно.
Свободный водород H2 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. 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
Применение | Доля |
---|---|
Производство аммиака | 54 % |
Нефтепереработка и химическая промышленность | 35 % |
Производство электроники | 6 % |
Металлургия и стекольная промышленность | 3 % |
Пищевая промышленность | 2 % |
Химическая промышленность
Химическая промышленность — это крупнейший потребитель водорода. Около 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.
Нефтеперерабатывающая промышленность
В нефтепереработке водород используется в процессах гидрокрекинга и гидроочистки, способствуя увеличению глубины переработки сырой нефти и повышению качества конечных продуктов. Для этих целей используется порядка 37 % всего производимого в мире водорода.
Пищевая и косметическая промышленность
При производстве саломаса (твёрдый жир, производимый из растительных масел). Саломас является основой для производства маргарина, косметических средств, мыла. Водород зарегистрирован в качестве пищевой добавки E949.
Химические лаборатории
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.
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.
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.
Топливо
Водород используют 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 .
Ведутся исследования по применению водорода как топлива для легковых и грузовых автомобилей.
В водородно-кислородных топливных элементах используется водород для непосредственного преобразования энергии химической реакции в электрическую.
Электроэнергетика
Водород применяется для охлаждения мощных электрических генераторов.
Прочее
Атомарный водород используется для атомно-водородной сварки. Высокая теплопроводность водорода используется для заполнения сфер гирокомпасов и стеклянных колб филаментных LED-лампочек.
Периодическая система химических элементов Д. И. Менделеева |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
|
|
|||
Внешний вид простого вещества | |||
---|---|---|---|
|
|||
Свойства атома | |||
Имя, символ, номер |
Водород / Hydrogenium (H), 1 |
||
Атомная масса (молярная масса) |
1,00794 а. е. м. (г/моль) |
||
Электронная конфигурация |
1s1 |
||
Радиус атома |
53 пм |
||
Химические свойства | |||
Ковалентный радиус |
32 пм |
||
Радиус иона |
54 (−1 e) пм |
||
Электроотрицательность |
2,20[1] (шкала Полинга) |
||
Степени окисления |
1,0, −1 |
||
Энергия ионизации (первый электрон) |
1311,3 (13,595) кДж/моль (эВ) |
||
Термодинамические свойства простого вещества | |||
Плотность (при н. у.) |
0,0000899 (при 273 K (0 °C)) г/см³ |
||
Температура плавления |
14,01 K |
||
Температура кипения |
20,28 K |
||
Теплота плавления |
0,117 кДж/моль |
||
Теплота испарения |
0,904 кДж/моль |
||
Молярная теплоёмкость |
14,235[2] Дж/(K·моль) |
||
Молярный объём |
14,1 см³/моль |
||
Кристаллическая решётка простого вещества | |||
Структура решётки |
гексагональная |
||
Параметры решётки |
a=3,780 c=6,167 Å |
||
Отношение c/a |
1,631 |
||
Температура Дебая |
110 K |
||
Прочие характеристики | |||
Теплопроводность |
(300 K) 0,1815 Вт/(м·К) |
Водоро́д — первый элемент периодической системы элементов; обозначается символом H. Название представляет собой кальку с латинского: лат. Hydrogenium (от др.-греч. ὕδωρ — «вода» и γεννάω — «рождаю») — «порождающий воду». Широко распространён в природе. Катион (и ядро) самого распространённого изотопа водорода 1H — протон.
Три изотопа водорода имеют собственные названия: 1H — протий (Н), 2H — дейтерий (D) и 3H — тритий (радиоактивен) (T).
Простое вещество водород — H2 — лёгкий бесцветный газ. В смеси с воздухом или кислородом горюч и взрывоопасен. Нетоксичен[2]. Растворим в этаноле и ряде металлов: железе, никеле, палладии, титане, платине.
Содержание
- 1 История
- 2 Происхождение названия
- 3 Распространённость
- 3.1 Во Вселенной
- 3.2 Земная кора и живые организмы
- 4 Получение
- 4.1 В промышленности
- 4.2 В лаборатории
- 5 Физические свойства
- 6 Изотопы
- 7 Свойства изотопов
- 8 Химические свойства
- 8.1 Взаимодействие со щелочными и щёлочноземельными металлами
- 8.2 Взаимодействие с оксидами металлов (как правило, d-элементов)
- 8.3 Гидрирование органических соединений
- 9 Геохимия водорода
- 10 Меры предосторожности
- 11 Экономика
- 12 Применение
- 12.1 Химическая промышленность
- 12.2 Пищевая промышленность
- 12.3 Авиационная промышленность
- 12.4 Топливо
- 13 Интересные факты
- 14 См. также
- 15 Примечания
- 16 Литература
- 17 Ссылки
История
Выделение горючего газа при взаимодействии кислот и металлов наблюдали в XVI и XVII веках на заре становления химии как науки. Прямо указывал на выделение его и Михаил Васильевич Ломоносов, но уже определённо сознавая, что это не флогистон. Английский физик и химик Генри Кавендиш в 1766 году исследовал этот газ и назвал его «горючим воздухом». При сжигании «горючий воздух» давал воду, но приверженность Кавендиша теории флогистона помешала ему сделать правильные выводы. Французский химик Антуан Лавуазье совместно с инженером Ж. Менье, используя специальные газометры, в 1783 г. осуществил синтез воды, а затем и её анализ, разложив водяной пар раскалённым железом. Таким образом 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». Русское наименование «водород» предложил химик М. Ф. Соловьев в 1824 году — по аналогии с «кислородом» М. В. Ломоносова .
Распространённость
Во Вселенной
Водород — самый распространённый элемент во Вселенной[3]. На его долю приходится около 92 % всех атомов (около 8 % составляют атомы гелия, доля всех остальных вместе взятых элементов — менее 0,1 %). Таким образом, водород — основная составная часть звёзд и межзвёздного газа. 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).
Водород входит в состав практически всех органических веществ и присутствует во всех живых клетках. В живых клетках по числу атомов на водород приходится почти 50 %.
Получение
В промышленности
- Электролиз водных растворов солей:
- Пропускание паров воды над раскалённым коксом при температуре около 1000 °C:
- Конверсия с водяным паром при 1000 °C:
- Каталитическое окисление кислородом:
- Крекинг и риформинг углеводородов в процессе переработки нефти.
- Из природного газа.
В лаборатории
- Действие разбавленных кислот на металлы. Для проведения такой реакции чаще всего используют цинк и разбавленную серную кислоту:
- Взаимодействие кальция с водой:
- Гидролиз гидридов:
- Действие щелочей на цинк или алюминий:
- С помощью электролиза. При электролизе водных растворов щелочей или кислот на катоде происходит выделение водорода, например:
Физические свойства
Спектр излучения водорода
Водород — самый лёгкий газ, он легче воздуха в 14,5 раз. Очевидно, что 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 и тем самым быстрее могут передавать теплоту от одного тела к другому. Отсюда следует, что водород обладает самой высокой теплопроводностью среди газообразных веществ. Его теплопроводность примерно в семь раз выше теплопроводности воздуха.
Молекула водорода двухатомна — Н2. 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 120,9·106 Дж/кг, малорастворим в воде — 18,8 мл/л.
Водород хорошо растворим во многих металлах (Ni, Pt, Pd и др.), особенно в палладии (850 объёмов H2 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 очень низкие: температура −240,2 °C и давление 12,8 атм. Этим объясняются трудности при ожижении водорода. В жидком состоянии равновесный водород состоит из 99,79 % пара-Н2, 0,21 % орто-Н2.
Твердый 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. При высоком давлении водород переходит в металлическое состояние.
Молекулярный водород существует в двух спиновых формах (модификациях) — в виде орто- и параводорода. В молекуле ортоводорода o-H2 (т. пл. −259,10 °C, т. кип. −252,56 °C) ядерные спины направлены одинаково (параллельны), а у параводорода p-H2 (т. пл. −259,32 °C, т. кип. −252,89 °C) — противоположно друг другу (антипараллельны). Равновесная смесь o-H2 и p-H2 при заданной температуре называется равновесный водород e-H2.
Равновесная мольная концентрация пара-водорода
Разделить модификации водорода можно адсорбцией на активном угле при температуре жидкого азота. При очень низких температурах равновесие между ортоводородом и параводородом почти нацело сдвинуто в сторону последнего. При 80 К соотношение форм приблизительно 1:1. Десорбированный параводород при нагревании превращается в ортоводород вплоть до образования равновесной при комнатной температуре смеси (орто-пара: 75:25). Без катализатора превращение происходит медленно (в условиях межзвёздной среды — с характерными временами вплоть до космологических), что даёт возможность изучить свойства отдельных модификаций.
Изотопы
Давление пара для различных изотопов водорода
Водород встречается в виде трёх изотопов, которые имеют индивидуальные названия: 1H — протий (Н), 2Н — дейтерий (D), 3Н — тритий (T; радиоактивный).
Протий и дейтерий являются стабильными изотопами с массовыми числами 1 и 2. Содержание их в природе соответственно составляет 99,9885 ± 0,0070 % и 0,0115 ± 0,0070 %[4]. Это соотношение может незначительно меняться в зависимости от источника и способа получения водорода.
Изотоп водорода 3Н (тритий) нестабилен. Его период полураспада составляет 12,32 лет[4]. Тритий содержится в природе в очень малых количествах.
В литературе[4] также приводятся данные об изотопах водорода с массовыми числами 4—7 и периодами полураспада 10−22—10−23 с.
Природный водород состоит из молекул H2 и HD (дейтероводород) в соотношении 3200:1. Содержание чистого дейтерийного водорода D2 ещё меньше. Отношение концентраций HD и D2, примерно, 6400:1.
Из всех изотопов химических элементов физические и химические свойства изотопов водорода отличаются друг от друга наиболее сильно. Это связано с наибольшим относительным изменением масс атомов[5].
Температура плавления, K |
Температура кипения, K |
Тройная точка, K / kPa |
Критическая точка, K / kPa |
Плотность жидкий / газ, кг/м³ |
|
---|---|---|---|---|---|
H2 | 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 | |
D2 | 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 | |
T2 | 20,63 | 25,04 | 20,62 / 21,6 | 40,44 / 1,85 | 260,17 / 3,136 |
Дейтерий и тритий также имеют орто- и парамодификации: p-D2, o-D2, p-T2, o-T2. Гетероизотопный водород (HD, HT, DT) не имеют орто- и парамодификаций.
Свойства изотопов
Свойства изотопов водорода представлены в таблице[4][6].
Изотоп | Z | N | Масса, а. е. м. | Период полураспада | Спин | Содержание в природе, % | Тип и энергия распада | |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
1H | 1 | 0 | 1,007 825 032 07(10) | стабилен | 1⁄2+ | 99,9885(70) | ||
2H | 1 | 1 | 2,014 101 777 8(4) | стабилен | 1+ | 0,0115(70) | ||
3H | 1 | 2 | 3,016 049 277 7(25) | 12,32(2) года | 1⁄2+ | β− | 18,591(1) кэВ | |
4H | 1 | 3 | 4,027 81(11) | 1,39(10)·10−22 с | 2− | -n | 23,48(10) МэВ | |
5H | 1 | 4 | 5,035 31(11) | более 9,1·10−22 с | (1⁄2+) | -nn | 21,51(11) МэВ | |
6H | 1 | 5 | 6,044 94(28) | 2,90(70)·10−22 с | 2− | −3n | 24,27(26) МэВ | |
7H | 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 1H позволяют широко использовать ЯМР-спектроскопию в анализе органических веществ.
Химические свойства
Доля диссоциировавших молекул водорода
Молекулы водорода достаточно прочны, и для того, чтобы водород мог вступить в реакцию, должна быть затрачена большая энергия:
Поэтому при обычных температурах водород реагирует только с очень активными металлами, например с кальцием, образуя гидрид кальция:
и с единственным неметаллом — фтором, образуя фтороводород:
С большинством же металлов и неметаллов водород реагирует при повышенной температуре или при другом воздействии, например при освещении:
Он может «отнимать» кислород от некоторых оксидов, например:
Записанное уравнение отражает восстановительные свойства водорода.
С галогенами образует галогеноводороды:
-
, реакция протекает со взрывом в темноте и при любой температуре,
-
, реакция протекает со взрывом, только на свету.
С сажей взаимодействует при сильном нагревании:
Взаимодействие со щелочными и щёлочноземельными металлами
При взаимодействии с активными металлами водород образует гидриды:
Гидриды — солеобразные, твёрдые вещества, легко гидролизуются:
Взаимодействие с оксидами металлов (как правило, d-элементов)
Оксиды восстанавливаются до металлов:
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.
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 и водород вместе с другими летучими элементами покинул планету во время аккреции или вскоре после неё.
Свободный водород H2 относительно редко встречается в земных газах, но в виде воды он принимает исключительно важное участие в геохимических процессах.
В состав минералов водород может входить в виде иона аммония, гидроксил-иона и кристаллической воды.
В атмосфере водород непрерывно образуется в результате разложения воды солнечным излучением[7]. Имея малую массу, молекулы водорода обладают высокой скоростью диффузионного движения (она близка ко второй космической скорости) и, попадая в верхние слои атмосферы, могут улететь в космическое пространство.
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 объему. 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. 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.
Экономика
Стоимость водорода при крупнооптовых поставках колеблется в диапазоне 2-5$ за кг[8]. В небольших количествах перевозится в стальных баллонах зелёного или тёмно-зелёного цвета.
Применение
Атомарный водород используется для атомно-водородной сварки.
Химическая промышленность
- При производстве аммиака, метанола, мыла и пластмасс
Пищевая промышленность
- При производстве маргарина из жидких растительных масел.
- Зарегистрирован в качестве пищевой добавки E949 (упаковочный газ, класс «Прочие»). Входит в список пищевых добавок, допустимых к применению в пищевой промышленности Российской Федерации в качестве вспомогательного средства для производства пищевой продукции.[источник не указан 658 дней]
Авиационная промышленность
Водород очень лёгок и в воздухе всегда поднимается вверх. 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.
Топливо
Водород используют в качестве ракетного топлива.
Ведутся исследования по применению водорода как топлива для легковых и грузовых автомобилей. Водородные двигатели не загрязняют окружающую среду и выделяют только водяной пар.
В водородно-кислородных топливных элементах используется водород для непосредственного преобразования энергии химической реакции в электрическую.
Интересные факты
- Хорватское название водорода — Vodik, ввёл в употребление филолог Богослав Шулек.
См. также
- Атом водорода
- Жидкий водород
- Соединения водорода
- Антиводород
- Водородная энергетика
- Молекула водорода
- Молекулярный ион водорода
Примечания
- ↑ Hydrogen: electronegativities (англ.). Webelements. Проверено 15 июля 2010.
- ↑ 1 2 Редкол.:Кнунянц И. Л. (гл. ред.) Химическая энциклопедия: в 5 т. — М.: Советская энциклопедия, 1988. — Т. 1. — С. 400—402. — 623 с. — 100 000 экз.
- ↑ Книга рекордов Гиннесса для химических веществ
- ↑ 1 2 3 4 G. Audi, O. Bersillon, J. Blachot and A. H. Wapstra (2003). «The NUBASE evaluation of nuclear and decay properties». Nuclear Physics A 729: 3–128. DOI:10.1016/j.nuclphysa.2003.11.001.
- ↑ Züttel A.,Borgschulte A.,Schlapbach L. Hydrogen as a Future Energy Carrier.- Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, 2008. — ISBN 978-3-527-30817-0
- ↑ G. Audi, A.H. Wapstra, and C. Thibault (2003). «The AME2003 atomic mass evaluation (II). Tables, graphs, and references.». Nuclear Physics A 729: 337—676. DOI:10.1016/j.nuclphysa.2003.11.003.
- ↑ Правилов А. М. Фотопроцессы в молекулярных газах. М.: Энергоатомиздат, 1992.
- ↑ Аркадий Шварц Снова о водороде Вестник online № 19(356) 15 сентября 2004
Литература
- Начала химии. Современный курс для поступающих в вузы: Учебное пособие для вузов /Н. Е. Кузьменко, В. В. Еремин, В. А. Попков. — М.: Издательство «Экзамен»,2005.
- Учебный справочник школьника. Учебное издание. — М.: Дрофа, 2001.
- Дигонский С. В., Тен В. В. Неизвестный водород. — СПб: Наука, 2006 ISBN 5-02-025114-3
Ссылки
Портал «Химия» | |
Водород в Викисловаре? | |
Водород на Викискладе? |
Периодическая система химических элементов Д. И. Менделеева | ||||||||||||||||||||||||||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 | 15 | 16 | 17 | 18 | |||||||||||||||
1 | H | He | ||||||||||||||||||||||||||||||
2 | Li | Be | B | C | N | O | F | Ne | ||||||||||||||||||||||||
3 | Na | Mg | Al | Si | P | S | Cl | Ar | ||||||||||||||||||||||||
4 | K | Ca | Sc | Ti | V | Cr | Mn | Fe | Co | Ni | Cu | Zn | Ga | Ge | As | Se | Br | Kr | ||||||||||||||
5 | Rb | Sr | Y | Zr | Nb | Mo | Tc | Ru | Rh | Pd | Ag | Cd | In | Sn | Sb | Te | I | Xe | ||||||||||||||
6 | Cs | Ba | La | Ce | Pr | Nd | Pm | Sm | Eu | Gd | Tb | Dy | Ho | Er | Tm | Yb | Lu | Hf | Ta | W | Re | Os | Ir | Pt | Au | Hg | Tl | Pb | Bi | Po | At | Rn |
7 | Fr | Ra | Ac | Th | Pa | U | Np | Pu | Am | Cm | Bk | Cf | Es | Fm | Md | No | Lr | Rf | Db | Sg | Bh | Hs | Mt | Ds | Rg | Cn | Uut | Fl | Uup | Lv | Uus | Uuo |
|
Водород | |
---|---|
Атомный номер | 1 |
Внешний вид простого вещества | газ без цвета, вкуса и запаха |
Свойства атома | |
Атомная масса (молярная масса) |
1,00794 а.е.м. (г/моль) |
Радиус атома | 79 пм |
Энергия ионизации (первый электрон) |
1311,3 кДж/моль (эВ) |
Электронная конфигурация | 1s1 |
Химические свойства | |
Ковалентный радиус | 32 пм |
Радиус иона | 54 (−1 e) пм |
Электроотрицательность (по Полингу) |
2,20 |
Электродный потенциал | |
Степени окисления | 1, −1 |
Термодинамические свойства простого вещества | |
Плотность вещества |
0,0000899 (при 273K (0 °C)) г/см³ |
Молярная теплоёмкость | 14,235 Дж/(K·моль) |
Теплопроводность | 0,1815 Вт/(м·K) |
Температура плавления | 14,01K |
Теплота плавления | 0,117 кДж/моль |
Температура кипения | 20,28K |
Теплота испарения | 0,904 кДж/моль |
Молярный объём | 14,1 см³/моль |
Кристаллическая решётка простого вещества | |
Структура решётки | гексагональная |
Параметры решётки | a=3,780 c=6,167 Å |
Отношение c/a | 1,631 |
Температура Дебая | 110 K |
Водород является первым элементом периодической системы элементов. Широко распространён в природе. Катион (и ядро) самого распространённого изотопа водорода 1H— протон. Свойства ядра 1H позволяют широко использовать ЯМР-спектроскопию в анализе органических веществ.
Трое из пяти изотопов водорода имеют собственные названия: 1H— протий (Н), 2H— дейтерий (D) и 3H— тритий (радиоактивен) (T).
Простое вещество водород— H2— лёгкий бесцветный газ. В смеси с воздухом или кислородом горюч и взрывоопасен. Нетоксичен. Растворим в этаноле и ряде металлов: железе, никеле, палладии, платине.
История водорода
Выделение горючего газа при взаимодействии кислот и металлов наблюдали в XVI и XVII веках на заре становления химии как науки. Прямо указывал на выделение его и М. В. Ломоносов, но уже определённо сознавая, что это не флогистон. Английский физик и химик Г. Кавендиш в 1766 году исследовал этот газ и назвал его «горючим воздухом». При сжигании «горючий воздух» давал воду, но приверженность Кавендиша теории флогистона помешала ему сделать правильные выводы. Французский химик А. Лавуазье совместно с инженером Ж. Менье, используя специальные газометры, в 1783г. осуществил синтез воды, а затем и её анализ, разложив водяной пар раскалённым железом. Таким образом он установил, что «горючий воздух» входит в состав воды и может быть из неё получен.
Происхождение названия водород
Лавуазье дал водороду название hydrogène (отὕδωρ— «вода» и γενναω— «рождаю»)— «рождающий воду». Русское наименование «водород» предложил химик М.Ф.Соловьев в 1824 году— по аналогии с ломоносовским «кислородом».
Распространённость водорода
Во Вселенной
Водород — самый распространённый элемент во Вселенной. На его долю приходится около 92% всех атомов (8% составляют атомы гелия, доля всех остальных вместе взятых элементов — менее 0,1%). Таким образом, водород — основная составная часть звёзд и межзвёздного газа. 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).
Водород входит в состав практически всех органических веществ и присутствует во всех живых клетках. В живых клетках по числу атомов на водород приходится почти 50%.
Получение Водорода
Промышленные способы получения простых веществ зависят от того, в каком виде соответствующий элемент находится в природе, то есть что может быть сырьём для его получения. Так, кислород, имеющийся в свободном состоянии, получают физическим способом— выделением из жидкого воздуха. Водород же практически весь находится в виде соединений, поэтому для его получения применяют химические методы. В частности, могут быть использованы реакции разложения. Одним из способов получения водорода служит реакция разложения воды электрическим током.
Основной промышленный способ получения водорода— реакция с водой метана, который входит в состав природного газа. Она проводится при высокой температуре (легко убедиться, что при пропускании метана даже через кипящую воду никакой реакции не происходит):
СН4 +2Н2O =CO2↑ +4Н2 −165 кДж
В лаборатории для получения простых веществ используют не обязательно природное сырьё, а выбирают те исходные вещества, из которых легче выделить необходимое вещество. Например, в лаборатории кислород не получают из воздуха. Это же относится и к получению водорода. Один из лабораторных способов получения водорода, который иногда применяется и в промышленности,— разложение воды электротоком.
Обычно в лаборатории водород получают взаимодействием цинка с соляной кислотой.
Получение водорода в промышленности
1.Электролиз водных растворов солей:
2NaCl +2H2O → H2↑ +2NaOH +Cl2
2.Пропускание паров воды над раскаленным коксом при температуре около 1000°C:
H2O +C ⇄ H2↑ +CO↑
3.Из природного газа.
Конверсия с водяным паром:
CH4 +H2O ⇄ CO↑ +3H2↑ (1000°C)
Каталитическое окисление кислородом:
2CH4 +O2 ⇄ 2CO↑ +4H2↑
4. Крекинг и риформинг углеводородов в процессе переработки нефти.
Получение водорода в лаборатории
1.Действие разбавленных кислот на металлы. Для проведения такой реакции чаще всего используют цинк и разбавленную соляную кислоту:
Zn +2HCl → ZnCl2 +H2↑
2.Взаимодействие кальция с водой:|
Ca +2H2O → Ca(OH)2 +H2↑
3.Гидролиз гидридов:
NaH +H2O → NaOH +H2↑
4.Действие щелочей на цинк или алюминий:
2Al +2NaOH +6H2O → 2Na[Al(OH)4] +3H2↑
Zn +2KOH +2H2O → K2[Zn(OH)4] +H2↑
5.С помощью электролиза. При электролизе водных растворов щелочей или кислот на катоде происходит выделение водорода, например:
2H3O+ +2e— → H2↑ +2H2O
Дополнительная информация про Водород
Биореактор для производства водорода
Физические свойства Водорода
Спектр излучения водорода
Эмиссионный спектр водорода
Равновесная мольная концентрация пара-водорода
Разделить модификации водорода можно адсорбцией на активном угле при температуре жидкого азота. При очень низких температурах равновесие между ортоводородом и параводородом почти нацело сдвинуто в сторону последнего. При 80 К соотношение форм приблизительно 1:1. Десорбированный параводород при нагревании превращается в ортоводород вплоть до образования равновесной при комнатной температуре смеси (орто-пара: 75:25). Без катализатора превращение происходит медленно (в условиях межзвездной среды— с характерными временами вплоть до космологических), что даёт возможность изучить свойства отдельных модификаций.
Водород — самый лёгкий газ, он легче воздуха в 14,5 раз. Очевидно, что 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 и тем самым быстрее могут передавать теплоту от одного тела к другому. Отсюда следует, что водород обладает самой высокой теплопроводностью среди газообразных веществ. Его теплопроводность примерно в семь раз выше теплопроводности воздуха.
Молекула водорода двухатомна — Н2. 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 120.9·106 Дж/кг, малорастворим в воде — 18,8 мл/л. Водород хорошо растворим во многих металлах (Ni, Pt, Pd и др.), особенно в палладии (850 объёмов на 1объём 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.
Фазовая диаграмма водорода
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 спуаз). Критические параметры водорода очень низкие: температура −240,2 °C и давление 12,8 атм. Этим объясняются трудности при ожижении водорода. В жидком состоянии равновесный водород состоит из 99,79% пара-Н2, 0,21% орто-Н2.
Твердый водород, температура плавления −259,2 °C, плотность 0,0807 г/см3 (при −262 °C) — снегоподобная масса, кристаллы гексогональной сингонии, пространственная группа P6/mmc, параметры ячейки a=3,75 c=6,12. При высоком давлении водород переходит в металлическое состояние.
Изотопы
Давление пара для различных изотопов водорода
Водород встречается в виде трёх изотопов, которые имеют индивидуальные названия: 1H— протий (Н), 2Н— дейтерий (D), 3Н— тритий (радиоактивный) (T).
Протий и дейтерий являются стабильными изотопами с массовыми числами 1и 2. Содержание их в природе соответственно составляет 99,9885±0,0070% и 0,0115 ± 0,0070%. Это соотношение может незначительно меняться в зависимости от источника и способа получения водорода.
Изотоп водорода 3Н (тритий) нестабилен. Его период полураспада составляет 12,32 лет. Тритий содержится в природе в очень малых количествах.
В литературе также приводятся данные об изотопах водорода с массовыми числами 4— 7и периодами полураспада 10−22— 10−23 с.
Природный водород состоит из молекул H2 и HD (дейтероводород) в соотношении 3200:1. Содержание чистого дейтерийного водорода D2 ещё меньше. Отношение концентраций HD и D2, примерно, 6400:1.
Из всех изотопов химических элементов физические и химические 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, K /kPa |
Критическая точка, K /kPa |
Плотность жидкий /газ, кг/м³ |
|
---|---|---|---|---|---|
H2 | 13.95 | 20,39 | 13,96 /7,3 | 32,98 /1,31 | 70,811 /1,316 |
HD | 16,60 | 22,13 | 16,60 /12,8 | 35,91 /1,48 | 114,80 /1,802 |
HT | 22,92 | 17,63 /17,7 | 37,13 /1,57 | 158,62 /2,310 | |
D2 | 18,62 | 23,67 | 18,73 /17,1 | 38,35 /1,67 | 162,50 /2,230 |
DT | 24.38 | 19,71 /19,4 | 39,42 /1,77 | 211,54 /2,694 | |
T2 | 25,04 | 20,62 /21,6 | 40,44 /1,85 | 260,17 /3,136 |
Дейтерий и тритий также имеют орто- и пара- модификации: p-D2, o-D2, p-T2, o-T2. Гетероизотопный водород (HD, HT, DT) не имеют орто- и пара- модификаций.
Химические свойства
Доля диссоциировавших молекул водорода
Молекулы водорода Н2 довольно прочны, и для того, чтобы водород мог вступить в реакцию, должна быть затрачена большая энергия:
- Н2 =2Н − 432 кДж
Поэтому при обычных температурах водород реагирует только с очень активными металлами, например с кальцием, образуя гидрид кальция:
- Ca +Н2 =СаН2
и с единственным неметаллом— фтором, образуя фтороводород:
- F2 +H2 =2HF
С большинством же металлов и неметаллов водород реагирует при повышенной температуре или при другом воздействии, например при освещении:
- О2 +2Н2 =2Н2О
Он может «отнимать» кислород от некоторых оксидов, например:
- CuO +Н2 =Cu +Н2O
Записанное уравнение отражает восстановительные свойства водорода.
- N2 +3H2 → 2NH3
С галогенами образует галогеноводороды:
- F2 +H2 → 2HF, реакция протекает со взрывом в темноте и при любой температуре,
- Cl2 +H2 → 2HCl, реакция протекает со взрывом, только на свету.
С сажей взаимодействует при сильном нагревании:
- C +2H2 → CH4
Взаимодействие со щелочными и щёлочноземельными металлами
При взаимодействии с активными металлами водород образует гидриды:
- 2Na +H2 → 2NaH
- Ca +H2 → CaH2
- Mg +H2 → MgH2
Гидриды— солеобразные, твёрдые вещества, легко гидролизуются:
- CaH2 +2H2O → Ca(OH)2 +2H2↑
Взаимодействие с оксидами металлов (как правило, d-элементов)
Оксиды восстанавливаются до металлов:
- CuO +H2 → Cu +H2O
- Fe2O3 +3H2 → 2Fe +3H2O
- WO3 +3H2 → W+3H2O
Гидрирование органических соединений
Молекулярный водород широко применяется в органическом синтезе для восстановления органических соединений. Эти процессы навзывают 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.
Геохимия водорода
На Земле содержание водорода понижено по сравнению с Солнцем, гигантскими планетами и первичными метеоритами, из чего следует, что во время образования Земля была значительно дегазирована и водород вместе с другими летучими элементами покинул планету во время аккреции или вскоре после неё.
Свободный водород H2 относительно редко встречается в земных газах, но в виде воды он принимает исключительно важное участие в геохимических процессах.
В состав минералов водород может входить в виде иона аммония, гидроксил-иона и кристаллической воды.
В атмосфере водород непрерывно образуется в результате разложения воды солнечным излучением. Имея малую массу, молекулы водорода обладают высокой скоростью диффузионного движения (она близка ко второй космической скорости) и, попадая в верхние слои атмосферы, могут улететь в космическое пространство.
Особенности обращения
|
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. Взрывоопасные концентрации водорода с кислородом возникают от 4% до 96% объёмных. При смеси с воздухом от 4% до 75(74)% объёмных. |
Применение водорода
Атомарный водород используется для атомно-водородной сварки.
Химическая промышленность
При производстве аммиака, метанола, мыла и пластмасс
Пищевая промышленность
При производстве маргарина из жидких растительных масел.
Зарегистрирован в качестве пищевой добавки E949 (упаковочный газ)
Авиационная промышленность
Водород очень лёгок и в воздухе всегда поднимается вверх. Когда-то дирижабли и воздушные шары наполняли водородом. Но в 30-х гг. XXв. произошло несколько катастроф, когда дирижабли взрывались и сгорали. В наше время дирижабли наполняют гелием.
Топливо
Водород используют в качестве ракетного топлива. Ведутся исследования по применению водорода как топлива для легковых и грузовых автомобилей. Водородные двигатели не загрязняют окружающей среды и выделяют только водяной пар.
В водородно-кислородных топливных элементах используется водород для непосредственного преобразования энергии химической реакции в электрическую.
Водород, Hydrogenium, Н (1)
Как горючий (воспламеняемый) воздух водород известен довольно давно. Его получали действием кислот на металлы, наблюдали горение и взрывы гремучего газа Парацельс, Бойль, Лемери и другие ученые XVI— XVIII вв. С распространением теории флогистона некоторые химики пытались получить водород в качестве «свободного флогистона». В диссертации Ломоносова «О металлическом блеске» описано получение водорода действием «кислотных спиртов» (например, «соляного спирта», т. е. соляной кислоты) на железо и другие металлы; русский ученый первым (1745) выдвинул гипотезу, о том что водород («горючий пар»— vapor inflammabilis) представляет собой флогистон. Кавендиш, подробно исследовавший свойства водорода, выдвинул подобную же гипотезу в 1766 г. Он называл водород «воспламеняемым воздухом», полученным из «металлов» (Inflammable air from metals), и полагал, как и все флогистики, что при растворении в кислотах металл теряет свой флогистон. Лавуазье, занимавшийся в 1779 г. исследованием состава воды путем ее синтеза и разложения, назвал водород Hydrogine (гидроген), или Hydrogene (гидрожен), от греч. гидор— вода и гайноме— произвожу, рождаю.
Номенклатурная комиссия 1787 г. приняла словопроизводство Hydrogene от геннао, рождаю. В «Таблице простых тел» Лавуазье водород (Hydrogene) упомянут в числе пяти (свет, теплота, кислород, азот, водород) «простых тел, относящихся ко всем трем царствам природы и которые следует рассматривать как элементы тел»; в качестве старых синонимов названия Hydrogene Лавуазье называет горючий газ (Gaz inflammable), основание горючего газа. В русской химической литературе конца XVIII и начала XIX в. встречаются два рода названий водорода: флогистические (горючий газ, горючий воздух, воспламенительный воздух, загораемый воздух) и антифлогистические (водотвор, водотворное существо, водотворный гас, водородный гас, водород). Обе группы слов представляют собой переводы французских названий водорода.
Изотопы водорода были открыты в 30-x годах текущего столетия и быстро приобрели большое значение в науке и технике. В конце 1931 г. Юри, Брекуэдд и Мэрфи исследовали остаток после длительного выпаривания жидкого водорода и обнаружили в нем тяжелый водород с атомным весом 2. Этот изотоп назвали дейтерием (Deuterium, D) от греч.— другой, второй. Спустя четыре года в воде, подвергнутой длительному электролизу, был обнаружен еще более тяжелый изотоп водорода 3Н, который назвали тритием (Tritium, Т), от греч.— третий.
Формула водорода
Атомная масса: 1,008 а.е.м.
Электронная формула водорода
Электронная формула: 1s1
Двойственное положение водорода в периодической системе объясняется тем, что он имеет определенное сходство как со щелочными металлами, так и с галогенами.
Подобно атомам щелочных металлов, атом водорода может отдать свой единственный электрон (окислиться) и превратиться в положительно заряженный и он Н +. Подобно атомам галогенов, атом водорода может присоединить еще один электрон для получения устойчивой конфигурации благородного газа (гелия), т.е. восстановиться и превратиться в отрицательно заряженный ион Н–.
Электроотрицательность водорода имеет промежуточное значение (2,1) между величинами электроотрицательностей типичных металлов и типичных неметаллов.
Водород – простое вещество, состоящее из двух атомов водорода.
Формула: H2.
Структурная формула водорода
Структурная формула:
При нормальных условиях водород – газ без цвета, вкуса и запаха. Самое легкое из известных веществ. Плотность водорода составляет 0,08987 г/л при нормальных условиях.
В природе водород существует в виде трёх изотопов, имеющих индивидуальные названия: 1H – протий (Н), 2Н – дейтерий (D), 3Н
— тритий (T). Протий и дейтерий – стабильные изотопы, тритий – радиоактивный с периодом полураспада 12,32 лет.
Природный водород состоит из молекул H2 и HD в соотношении 3200:1. Содержание чистого D2 ещё меньше.
Физические и химические свойства изотопов водорода довольно сильно отличаются друг от друга, в отличие от изотопов других химических элементов. Это связано с тем, что добавление каждого дополнительного протона вызывает сильное относительное увеличение массы атома.
Водород является основной составной частью звёзд и межзвёздного газа. Доля атомов водорода во Вселенной составляет 88,6 %.
Массовая доля водорода в земной коре –1%. Однако доля его атомов составляет 17% (второе место после кислорода). Водород на Земле большей частью находится в виде соединений; только небольшой процент водорода в виде простого вещества содержится в воздухе (0,00005% по объёму).
Водород входит в состав подавляющего большинства органических соединений и присутствует во всех живых организмах. В живых клетках водород занимает первое место по числу атомов – на его долю приходится почти 63%.
Примеры решения задач
Содержание:
Водород как химический элемент:
В 1766 г. английский ученый Г. Кавендиш открыл «горючий воздух». В 1783 г. в Париже Ж. Шарлем был запущен шар, заполненный водородом (рис. 25), в 1787 г. А. Лавуазье объяснил, что открытый Г. Кавендишем «горючий воздух» входит в состав воды, и дал ему название «gidrogenium» (Hydrogenium), что означает «рождающий воду». В настоящее время водород обозначается первой буквой этого слова — Н.
- Химический знак — Н.
- Формула простого вещества —
- Валентность — 1.
- Относительная атомная масса — 1,0078.
- Относительная молекулярная масса
В свободном виде водород встречается на Земле в малом количестве.
Он выделяется вместе с другими газами при вулканическом извержении и добыче нефти. Но он широко распространен в виде соединений. Водород — это элемент, образующий наибольшее число соединений. Он составляет 0,88% общей массы земной коры и воздуха. Он составляет 1/9 часть массы молекулы воды, входит в состав всех растительных и животных организмов, нефти, природных газов, ряда минералов.
Определение водорода
Водород — самый распространенный во Вселенной элемент. Он составляет основную часть массы Солнца и других звезд. Водород входит в состав газообразных туманностей, межзвездного газа, звезд во Вселенной, где его атомы превращаются в атомы гелия. Этот процесс происходит с выделением энергии (термоядерная реакция), что служит для многих звезд, в том числе и Солнца, основным источником энергии.
Рис.23 Полет воздушного шара, заполненного водородом. Париж, 1783 г.
Эта энергия необходима для многих природных процессов. Солнечная энергия согревает Землю, приводит в движение воздушные массы атмосферы и воду рек, морей и океанов, обеспечивает процесс фотосинтеза у зеленых растений, наконец, является основным условием для существования жизни.
Водород широко распространен на Земле в виде свободной воды, кристаллизационной воды минералов, метана и углеводородов нефти, различных гидроксидов, растительной и животной биомассы, органического вещества почвы.
Водород и кислоты
Среди соединений водорода, встречающихся в природе, особое место занимают кислоты (кислые воды).
Вспомните услаждающий вкус газированной воды и других прохладительных напитков или сок урюка и кислый вкус ревеня в жаркий летний день. Наверное, каждый знает кисловатый вкус лимона. В природе встречается очень много кислот.
В плодах цитрусовых (лимон, апельсин, мандарин) содержится лимонная кислота, в свежих фруктах (яблоки, айва, фанат) — яблочная кислота, в листьях щавеля и подорожника — щавелевая кислота, в брюшке у муравьев (а также в яде пчел) — муравьиная кислота, в газированной воде содержится угольная кислота.
Многие для приготовления пищи, а особенно печеного, используют уксусную кислоту, которая также применяется для приготовления консервов из овощей. Известно, что уксусную кислоту можно получить брожением винограда или яблок. Если вы будете наблюдать за прокисанием молока, то узнаете, что причиной этого является молочная кислота. В сельской местности готовят силос, в результате чего образуются молочная, масляная и другие кислоты. Для всех вышеназванных кислот характерен кислый вкус, и все они являются соединениями водорода.
Такие вещества, как лакмус, метилоранж, универсальный индикатор, по-разному окрашиваются в растворах кислот: лакмус краснеет, метилоранж становится розовым, универсальный индикатор приобретает красную окраску (рис. 26).
При взаимодействии металлов (магний, цинк, железо, медь) с растворами кислот (неорганических кислот, полученных синтетическим путем) реакция протекает по-разному, в частности, магний вытесняет водород из кислоты быстрее, цинк и железо — медленнее, а медь вообще не вытесняет.
Значит, кислоты — это вещества, которые обладают следующими общими свойствами:
- растворы кислот обладают кислым вкусом (в этом можно убедиться на примере природных кислот; пробовать на вкус синтетические кислоты опасно для жизни);
- растворы кислот изменяют окраску индикаторов;
- водные растворы почти всех кислот, взаимодействуя с целым рядом химически активных металлов, теряют водород.
Помимо натуральных есть еще синтетические кислоты, производимые химической промышленностью, которые также являются водородными соединениями. Всем известно, что при желудочно-кишечных расстройствах по указанию врача необходимо принимать слабый раствор соляной кислоты, или то, что серная кислота применяется в аккумуляторных батареях автомобилей.
Кислоты — это сложные вещества, которые обладают некоторыми общими свойствами.
Вещества, меняющие свою окраску в зависимости от специфических свойств соединений, называются индикаторами.
Рис. 26. Влияние растворов кислот на индикаторы
Получение водорода
Валентность водорода всегда постоянна и равна 1. Поэтому в соединениях, состоящих из двух элементов (бинарных соединениях), одним из которых является водород, число его атомов показывает валентность другого элемента:
Следовательно, благодаря тому что водород обладает постоянной валентностью, по нему легко определить валентность других элементов.
Рис. 27. Вытеснение водорода цинком из соляной кислоты
Получение водорода в лаборатории
В лаборатории водород получают в результате взаимодействия цинка или железа с соляной кислотой (рис. 27):
Для этого используют специальную установку или аппарат Киппа (рис. 28).
Аппарат Киппа в любое время готов к работе, которую можно прекратить также в любой момент.
Аппарат состоит из сосуда А и воронки Б и представляет собой соединенные между собой шарообразные и полушарообразные полые резервуары. При установлении воронки Б между ее концом и узкой частью соединения шара и полушара возникает щель. Через тубус В засыпаются кусочки металла такого размера, чтобы они не проходили через шель. В воронку наливается раствор кислоты, который заполняет полушар и достигает, проходя через щель, кусочки металла. Затем подача кислоты прекращается. Между металлом и кислотой протекает реакция, начинает выделяться газ, который выводится наружу посредством газоотводной трубки Г с пробкой, установленной на тубусе. По окончании опыта кран Г закрывается. В результате перекрывается путь для выхода газа. Газ, собираясь, оказывает давление на кислоту, кислота начинает подниматься по воронке, не соприкасаясь с кусочками металла, и в результате реакция прекращается. В шарообразной части сосуда можно хранить водород для его последующего использования.
В случае отсутствия аппарата Киппа из имеющейся в лаборатории посуды можно легко изготовить специальную установку. Принцип ее работы такой же, как и у аппарата Киппа.
Рис. 28. Составные части аппарата Киппа (а); заменяющая его специальная установка (б); работа аппарата Киппа (в)
Получение водорода в промышленности
В связи с тем, что водород широко применяется в народном хозяйстве, мы познакомимся с промышленными способами его получения. Водород как простое вещество встречается в природе в незначительном количестве. Чтобы получать его в промышленных масштабах, используют самые распространенные в природе соединения. К таким соединениям относятся вода и метан, являющийся основной составной частью природного газа. Из них водород получают следующим образом:
Водород его формула и молярная масса
Как простое вещество водород состоит из двух атомов . Его относительная молекулярная масса равна ~ 2 г/моль, он является самым легким и хорошо проводящим теплоту газом. При обычных условиях он встречается в атмосфере в небольших количествах. Водород обладает способностью растворяться в металлах. Как самый легкий газ, он обладает самой большой скоростью диффузии. Его молекулы по сравнению с молекулами других газов быстро распределяются в среде соответствующего вещества, легко проходят через различные препятствия. При высоком давлении и температуре эта его способность значительно возрастает.
Физические свойства. Водород — это газ без цвета, вкуса и запаха, плохо растворяется в воде (в 1 л при нормальных условиях растворяется 21,5 мл), хорошо растворяется в некоторых металлах (никель, палладий, платина). Это самый легкий газ — в 14,5 раз легче воздуха. Температура кипения -252,6°С; при -259, ГС образуются прозрачные кристаллы.
Химические свойства водорода
При обычной температуре активность молекулярного водорода небольшая, но атомарный водород очень активен.
Водород образует летучие соединения почти со всеми неметаллами. В зависимости от активности неметалла реакция протекает быстро или медленно.
1. Со фтором он взаимодействует уже при комнатной температуре:
2. С хлором вступает в реакцию на свету, а при нагревании взрывается (в темноте и без нагревания соединяется медленно):
3. При обычных условиях с кислородом не взаимодействует. Смесь водорода и кислорода в объемном соотношении 2:1 называется «гремучим газом», который при внешнем воздействии взрывается. Водород горит в кислороде:
При этой реакции температура может достичь 3000°С.
Со многими неметаллами водород вступает в реакцию при высоких температуре и давлении, в присутствии катализаторов (например, с серой и азотом).
1. При высоких температурах водород восстанавливает (вытесняет) металлы из их оксидов:
2. Щелочные и щелочноземельные металлы образуют с водородом при высоких температурах солеподобные соединения — гидриды:
Атомарный водород при комнатной температуре вступает в реакцию с серой, мышьяком, фосфором, кислородом, восстанавливает металлы из оксидов.
Водород как экологически чистое топливо и его использование
Водород — это топливо будущего, которое при горении образует только воду и не загрязняет окружающую среду, поэтому имеет огромные перспективы в качестве экологически чистого топлива.
Термоядерные реакции превращения водорода в гелий, протекающие на Солнце, являются единственным неисчерпаемым источником энергии для многих природных процессов. Если решится проблема управления этим процессом в искусственных условиях, то человечество будет обладать неиссякаемыми источниками энергии.
Водород используется в большом количестве в химической промышленности для производства аммиака. Основная часть этого аммиака используется для получения удобрений и азотной кислоты. Помимо этого водород расходуется на производство метилового спирта и хлористого водорода (соляной кислоты), гидрогенизацию (насыщение водородом) жиров и масел, угля и нефтепродуктов. При гидрогенизации масел образуется маргарин, а благодаря гидрогенизации угля и нефтепродуктов получают легкое топливо.
Температура водородо-кислородного пламени (~3000°С) позволяет резать и паять тугоплавкие металлы и кварц. Применение водорода в металлургии позволяет получать металлы, хорошо очищенные от оксидов и галогенидов. Жидкий водород используется в технике низких температур, в реактивной технике — как самое высокоэффективное топливо. Водород имеет огромное значение при получении атомной энергии и проведении научных исследований.
Вычисление водорода
В химических реакциях наряду с жидкими и твердыми веществами участвуют и газы. Осуществление расчетов с газообразными веществами происходит обычно в единицах объема
В равных объемах различных газов при одинаковых условиях содержится одинаковое число молекул. Например, в 22,4 л любого газообразного вещества при 0°С и 101,325 кПа содержится молекул.
Плотность газа р — это отношение молярной массы газа (М) к его молярному объему
Относительная плотность газов рассчитывается как отношение их молекулярных масс по уравнению:
Вычисление объема газов по уравнениям химических реакций
Пример №1
Какой объем занимают 6,8 г при нормальных условиях?
Решение:
при нормальных условиях занимают объем
—х л.
Решая пропорцию, находим:
Ответ: 4,48 л.
Пример №2
Какой объем водорода при нормальных условиях выделится при растворении 3,25 г цинка в избытке соляной кислоты?
Решение:
Напишем уравнение реакции и уравняем его:
Составим на основе уравнения реакции пропорцию и решим задачу:
Ответ: 1,12 л.
Пример №3
Какой объем водорода необходим для восстановления 28,8 г FeO? Решение:
Составим уравнение реакции:
Из уравнения реакции видно, что на восстановление 1 моля (72 г) FeO нужен 1 моль (22,4 л) водорода.
Для восстановления 72 г FeO необходимо 22,4 л
Ответ: 8,96 л.
Пример №4
Для получения кислорода в лабораторных условиях используют термическое разложение бертолетовой соли. Какой объем кислорода и какое количество КС1 образуется из 4,9 г этой соли при нормальных условиях?
Решение:
Напишем уравнение реакции разложения бертолетовой соли и уравняем его:
Ответ: 1,344 л и 2,98 г КС1.
Вычисление объемных соотношений газов по химическим уравнениям
Пример №5
В каком объемном соотношении необходимо взять водород и кислород, чтобы они прореагировали без остатка? Какой объем кислорода вступает в реакцию с 10 л водорода?
Решение:
1) Напишем уравнение реакции взаимодействия кислорода с водородом:
2Н2 + 02 = 2Н20.
Из уравнения известно, что 2 моля водорода без остатка реагируют с 1 молем кислорода.
2 моля водорода занимают объем 44,8 л, а 1 моль кислорода — 22,4 л. Объемные соотношения составят:
Следовательно, водород вступает без остатка в реакцию с кислородом при объемных соотношениях, составляющих небольшие целые числа — 2:1, т.е. 2 л водорода без остатка реаг ируют с 1 л кислорода.
2) Найдем объем кислорода, вступающего в реакцию с 10 л водорода. С 2 л водорода взаимодействует 1 л кислорода,
с 10 л — х л. х = 5 л.
Ответ: 2:1; 5л
Вычисление абсолютной и относительной плотности газов
Пример №6
Рассчитайте абсолютную плотность фтористого водорода и его относительную плотность по водороду.
Решение:
1) Найдем плотность HF.
Молярная масса 1 моля HF — 20 г, а молярный объем — 22,4 л,
2) Найдем относительную плотность HF по
Пример №7
Относительная плотность паров серы по азоту при комнатной температуре равна 9,14. Определите формулу паров серы.
Решение:
Определим молярную массу паров серы.
Если относительная молекулярная масса паров серы равна 256, то, поделив ее на относительную атомную массу серы — 32, мы получим число атомов в молекуле паров серы, т.е. 256 : 32 = 8.
Значит, формула паров серы —
Распространение водорода в природе и его получение
Влейте в пробирку немного разбавленной серной или соляной кислоты и опустите туда 2-3 кусочка цинка или алюминия. Подождите, когда из пробирки выйдет весь воздух, и потом подожгите полученный водород. Что вы наблюдаете? Запишите уравнение реакции.
Общая характеристика:
Распространение в природе
На земном шаре водород по массе составляет 1%. Элемент водорода содержится в составе большинства органических соединений. Водород считается самым распространённым химическим элементом во вселенной (в космосе). Примерно 50% Солнца и все звёзды состоят в основном из водорода. Как вы знаете, в природе существует три изотопа водорода — Протий: , Дейтерий:
(D), Тритий:
Наиболее широко распространённым в природе является Протий, наименее встречаемым — Дейтерий и в минимальном количестве, редко встречаемым — Тритий.
Впервые водород в чистом виде был получен английским учёным Г.Кавендишем в 1766 году.
Английский ученый. В 1766 году им был получен водород в чистом виде.Ученый вначале принял водород вследствие его легкости за флогистон.
Получение в лаборатории
1) В результате разложения воды под действием электрического тока.
2) В результате вступления в реакцию некоторых металлов (Li, Na, К, Mg, Са, Ва, Al, Zn, Fe) с кислотами (кроме разбавленной и концентрированной и концентрированной
. В этих реакциях в качестве кислоты используются разбавленные соляная и серная кислоты. Для получения водорода пользуются аппаратом Киппа (рис.1) или же устройством, представленным на рис. 2.
Сложные вещества, состоящие из одного или нескольких атомов водорода и кислотного остатка, называются кислотами. Атомы или группа атомов, соединённых с водородом в молекуле кислоты, называются кислотными остатками.
Составим уравнение реакции с металлом цинком (таблица 1).
1 моль любого металла выделяет мольное количество равное половине его валентности.
Полученные в результате реакции сложные вещества (хлорид цинка и сульфат цинка) называются солями. Соли — это сложные вещества, состоящие из атома металла и кислотного остатка.
Формулы солей составляются по валентности металла и кислотного остатка. Произношение названий солей основано на названиях металла и кислотного остатка. Например, — хлорид цинка;
— сульфат цинка. Если металл имеет переменную валентность, в таком случае, отмечается валентность металла (таблица 2).
При собирании водорода путём вытеснения воздуха конец газоотводной трубки вставляется в опрокинутый отверстием вниз сосуд (рис. 2).
Для проверки наличия водорода к концу газоотводной трубы подносят небольшую пробирку (на 10-20 секунд), затем, держа ее отверстием вниз, приближают к огню. Раздавшийся при этом взрывоподобный звук или гудение свидетельствуют о наличии водорода
3) В результате реакции активных металлов (Li, Na, К, Са, Ва и др.) с водой. Поскольку эти реакции протекают бурно, а порой и со взрывами, следует брать небольшой кусочек металла, а пробирку, в которой проводится опыт, закрыть воронкой. Во время реакции из молекулы воды вытесняется лишь 1 атом водорода и в результате получается одновалентная гидроксилъная группа (ОН). В свою очередь, гидроксильная группа, соединяясь с атомом металла, образует новое вещество.
Число гидроксильной группы в основаниях зависит от валентности металла.
Полученные в результате этих реакций сложные вещества называются основаниями или гидроксидами. Сложные вещества, состоящие из атома металла и гидроксильной группы, называются основаниями. Названия оснований читаются так: вначале произносится слово «гидроксид», а затем название металла. Если металл имеет переменную валентность, то его валентность отмечается (таблица 3).
Получение в промышленности
Водород в промышленности получают в результате разложения воды под действием постоянного тока:
Другие способы получения водорода в промышленности будут изучены в старших классах.
Свойства и применение водорода
Обратите внимание на картинки. Каким образом на первой картинке шары остаются в воздухе? С какой целью на изображениях шаров на второй картинке даны формулы газов? Поясните свои соображения.
Физические свойства
В свободном состоянии водород образует газ, состоящий из молекул Водород — это бесцветный газ без запаха, который легче воздуха в 14,5 раза. Легко взлетающие в воздух наполненные водородом мыльные пузыри также подтверждают это.
Химические свойства
Реакция с неметаллами. В обычных условиях водород химически неактивен. Его молекула отличается устойчивостью. Для разложения 1 моля молекул водорода на атомы требуется 420 к Дж энергии. Из неметаллов водород в обычных условиях вступает в реакцию только со фтором. Во время реакции водорода с кислородом или с воздухом происходит громкий взрыв. После реакции на стенках сосуда образуются капельки воды. Смесь из 2-х объемов водорода и 1-го объема кислорода
называется гремучим газом.
При горении водородного газа выделяется большое количество теплоты и температура достигает 3000 С. Реакция горения водорода в чистом кислороде применяется при сварке (водородная сварка) и резке металлов.
Водород горит не только в кислороде, но и в хлоре, смесь с которым также вызывает взрыв.
Полученный хлороводород является веществом в газообразном состоянии, его водный раствор называется соляной кислотой.
Если пробирку с расплавленной серой заполнить водородом, то будет ощущаться запах тухлых яиц, свидетельствующий об образовании нового газа — сероводорода:
Широкое применение на практике находит также вещество под названием аммиак образующееся в результате реакции водорода с азотом.
Водород непосредственно не взаимодействует с неметаллами Si и Р (в том числе и с инертными газами Не, Ne, Ar, Kr, Хе).
Реакции с металлами. Водород вступает в реакции соединения также с активными металлами. При этом образуются твердые вещества — гидриды (NaH, и др.).
Среди металлов бериллий (Be) и алюминий (А1) в непосредственное взаимодействие с водородом не вступают.
Реакции со сложными веществами. Получение ряда металлов в металлургической промышленности основано на реакциях взаимодействия водорода с оксидами данных металлов. При высокой температуре водород притягивает к себе кислород из состава оксидов малоактивных металлов (Zn, Cr, Fe, Cu и др.), вытесняя и выталкивая металлы в свободном состоянии, т.е. он освобождает (восстанавливает) металлы из их оксидов (из-за получения свободного металла масса исходного твёрдого вещества уменьшается).
Применение
Водород считается самым чистым топливом будущего, так как при сгорании он выделяет большое количество тепловой энергии и продуктом его сгорания являются лишь водяные пары, атмосфера при этом не загрязняется. Водород также используется при превращении жидкого масла (растительное масло) в твердое (маргарин), в качестве топлива, при получении, резке и сварке металлов, синтезе аммиака и метанола и др. Применение водорода показано в нижеприведённой схеме. Поскольку водород является самым легким газом, его также используют при наполнении аэростатов (рис. 1).
- Вода в химии и её элементный состав, молекулярное строение, формула и молярная масса
- Железо как химический элемент
- Озон как химический элемент
- Оксиды в химии
- Перспективы химического производства
- Типы химических реакций в химии
- Атом в химии
- Кислород как химический элемент
Водород | ||||||||||||||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
← Нейтроний | Гелий → | ||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||
Внешний вид простого вещества | ||||||||||||||||||||
Свечение водорода в газоразрядной трубке |
||||||||||||||||||||
Свойства атома | ||||||||||||||||||||
Название, символ, номер | Водоро́д / Hydrogenium (H), 1 | |||||||||||||||||||
Группа, период, блок |
1, 1, s-элемент |
|||||||||||||||||||
Атомная масса (молярная масса) |
[1,00784; 1,00811][комм 1][1] а. е. м. (г/моль) | |||||||||||||||||||
Электронная конфигурация | 1s1 | |||||||||||||||||||
Радиус атома | 53 пм | |||||||||||||||||||
Химические свойства | ||||||||||||||||||||
Ковалентный радиус | 32 пм | |||||||||||||||||||
Радиус иона | 54 (−1 e) пм | |||||||||||||||||||
Электроотрицательность | 2,20[2] (шкала Полинга) | |||||||||||||||||||
Степени окисления | -1, 0, +1 | |||||||||||||||||||
Энергия ионизации (первый электрон) |
1311,3 (13,595) кДж/моль (эВ) | |||||||||||||||||||
Термодинамические свойства простого вещества | ||||||||||||||||||||
Плотность (при н. у.) | 0,0000899 (при 273 K (0 °C)) г/см³ | |||||||||||||||||||
Температура плавления | 14,01 K; −259,14 °C | |||||||||||||||||||
Температура кипения | 20,28 K; −252,87 °C | |||||||||||||||||||
Тройная точка | 13,96 К (−259,19°C), 7.205[4] кПа | |||||||||||||||||||
Критическая точка | 32,24 К, 1,30[5] МПа | |||||||||||||||||||
Уд. теплота плавления | 0,117 кДж/моль | |||||||||||||||||||
Уд. теплота испарения | 0,904 кДж/моль | |||||||||||||||||||
Молярная теплоёмкость | 28,47[3] Дж/(K·моль) | |||||||||||||||||||
Молярный объём | 22,4⋅103 см³/моль | |||||||||||||||||||
Кристаллическая решётка простого вещества | ||||||||||||||||||||
Структура решётки | гексагональная | |||||||||||||||||||
Параметры решётки | a = 3,780 c = 6,167 Å | |||||||||||||||||||
Отношение c/a | 1,631 | |||||||||||||||||||
Температура Дебая | 110 K | |||||||||||||||||||
Прочие характеристики | ||||||||||||||||||||
Теплопроводность | (300 K) 0,1815 Вт/(м·К) | |||||||||||||||||||
Номер CAS | 12385-13-6 | |||||||||||||||||||
Эмиссионный спектр | ||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||
Наиболее долгоживущие изотопы | ||||||||||||||||||||
Основная статья: Изотопы водорода
|
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: 1H — протий, 2H — дейтерий и 3H — 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 — H2), который в смеси с воздухом или кислородом горюч и крайне пожаро- и взрывоопасен[3]. 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[7][8].
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[9][10].
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[11]:
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 %)[12]. 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[13][14]).
Водород входит в состав практически всех органических веществ и присутствует во всех живых клетках, где по числу атомов на водород приходится почти 63 %[15].
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 м3 газа[16]. Почти все остальное получают из угля. Около 0,1 % (~100 тыс. тонн) вырабатывается электролизом. При производстве водорода в атмосферу поступает ~830 млн тонн CO2. Себестоимость водорода, полученного из природного газа, оценивается в 1,5-3 доллара за 1 кг.
- Конверсия метана с водяным паром при 1000 °C:
- Пропускание паров воды над раскалённым коксом при температуре около 1000 °C:
- Электролиз водных растворов солей:
- Электролиз водных растворов гидроксидов активных металлов (преимущественно гидроксида калия)[17] (англ.)
-
- 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[17] (англ.) или без мембраны http://kyivtoulouse.univ.kiev.ua/journal/index.php/fruajc/article/view/201 Архивная копия от 5 февраля 2020 на Wayback Machine.
- Каталитическое окисление метана кислородом:
- Крекинг и риформинг углеводородов в процессе переработки нефти.
В лаборатории
- Действие разбавленных кислот на металлы. Для проведения такой реакции чаще всего используют цинк и разбавленную серную кислоту:
- Взаимодействие кальция с водой:
- Гидролиз гидридов:
- Действие щелочей на цинк или алюминий:
- С помощью электролиза. При электролизе водных растворов щелочей или кислот на катоде происходит выделение водорода, например:
Очистка
В промышленности реализованы несколько способов очистки водорода из водородосодержащего сырья (т. н. водородсодержащий газ — ВСГ)[18]. Водородсодержащий газ (Hydrogen containing gas) — это газ с высоким содержанием водорода (10 % и выше). Переход на сжигание водородсодержащих газов (ВСГ, HCG) — один из способов снижения выбросов углекислого газа в атмосферу.[19]
- 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 м3 Н2/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[20]. В небольших количествах перевозится в стальных баллонах зелёного или тёмно-зелёного цвета.
Физические свойства
Эмиссионный спектр атомов водорода. Четыре видимые глазом спектральные линии серии Бальмера
Водород — самый лёгкий газ: он легче воздуха в 14,5 раз. Поэтому, например, мыльные пузыри, наполненные водородом, на воздухе стремятся вверх[21]. 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 — Н2. 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⋅106 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 H2 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-Н2, 0,21 % орто-Н2[⇨].
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 Хунтингтон 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[22]. В 2017 году появилось сообщение о возможном экспериментальном наблюдении перехода водорода в металлическое состояние под высоким давлением[23][24].
Спиновые изомеры
Спиновые изомеры молекулярного водорода
Равновесная мольная концентрация параводорода в смеси в зависимости от температуры
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-H2 (т. пл. −259,10 °C, т. кип. −252,56 °C) спины ядер параллельны, а у параводорода p-H2 (т. пл. −259,32 °C, т. кип. −252,89 °C) — противоположны друг другу (антипараллельны). Равновесная смесь o-H2 и p-H2 при заданной температуре называется равновесный водород e-H2.
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[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
Термодинамическое состояние насыщенного пара водорода с различным изотопным составом
Наиболее известны три изотопа водорода: протий 1H (атомное ядро — протон), дейтерий 2Н (ядро состоит из одного протона и одного нейтрона) и тритий 3Н (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[26]. 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[26]. 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[26].
Природный молекулярный водород состоит из молекул H2 и HD (дейтероводород) в соотношении 3200:1. Содержание в нём молекул из чистого дейтерия D2 ещё меньше, отношение концентраций HD и D2 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[27].
-
Температура
плавления,
KТемпература
кипения,
KТройная
точкаКритическая
точкаПлотность,
кг/м³T, K P, кПа T, K P, МПа жидкий газ H2 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 D2 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 T2 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-D2, p-D2, o-T2, p-T2. Молекулы водорода с другим изотопным составом (HD, HT, DT) не имеют орто- и парамодификаций.
Свойства изотопов
Свойства изотопов водорода представлены в таблице[26][28].
Изотоп | Z | N | Масса, а. е. м. | Период полураспада | Спин | Содержание в природе, % | Тип и энергия распада | |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
1H | 1 | 0 | 1,007 825 032 07(10) | стабилен | 1⁄2+ | 99,9885(70) | ||
2H | 1 | 1 | 2,014 101 777 8(4) | стабилен | 1+ | 0,0115(70) | ||
3H | 1 | 2 | 3,016 049 277 7(25) | 12,32(2) года | 1⁄2+ | β− | 18,591(1) кэВ | |
4H | 1 | 3 | 4,027 81(11) | 1,39(10)⋅10−22 с | 2− | -n | 23,48(10) МэВ | |
5H | 1 | 4 | 5,035 31(11) | более 9,1⋅10−22 с | (1⁄2+) | -nn | 21,51(11) МэВ | |
6H | 1 | 5 | 6,044 94(28) | 2,90(70)⋅10−22 с | 2− | −3n | 24,27(26) МэВ | |
7H | 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 1H позволяют широко использовать ЯМР-спектроскопию в анализе органических веществ.
Химические свойства
Доля диссоциировавших молекул водорода при атмосферном давлении в зависимости от температуры
Молекулы водорода достаточно прочны, и для того, чтобы водород мог вступить в реакцию, должна быть затрачена большая энергия:
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:
и с единственным неметаллом — фтором, образуя фтороводород:
С большинством же металлов и неметаллов водород реагирует при повышенной температуре или при другом воздействии, например, при освещении:
Записанное уравнение отражает восстановительные свойства водорода.
С галогенами образует галогеноводороды:
-
, реакция протекает со взрывом в темноте и при любой температуре,
-
, реакция протекает со взрывом, только на свету.
С сажей взаимодействует при сильном нагревании:
Взаимодействие со щелочными и щёлочноземельными металлами
При взаимодействии с активными металлами водород образует гидриды:
Гидриды — солеобразные, твёрдые вещества, легко гидролизуются:
Взаимодействие с оксидами металлов
Оксиды металлов (как правило, d-элементов) восстанавливаются до металлов:
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.
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 3496 дней] Однако точное содержание данного газа в составе геосфер нашей планеты (исключая земную кору) — астеносферы, мантии, ядра Земли — неизвестно.[источник не указан 3496 дней]
Свободный водород H2 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[29][30].
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)[31][32][33].
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[34][35].
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 991 день] 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
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[37]. 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[37].
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[38] представила линейку коммерческих автомобилей на водороде, а также пикап Nikola Badger с запасом хода 960 км[39]
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[40].
Электроэнергетика
В электроэнергетике водород применяется для охлаждения мощных электрических генераторов[41].
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[42].
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[43].
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
- ↑ Указан диапазон значений атомной массы в связи с различной распространённостью изотопов в природе.
- Источники
- ↑ Michael E. Wieser, Norman Holden, Tyler B. Coplen, John K. Böhlke, Michael Berglund, Willi A. Brand, Paul De Bièvre, Manfred Gröning, Robert D. Loss, Juris Meija, Takafumi Hirata, Thomas Prohaska, Ronny Schoenberg, Glenda O’Connor, Thomas Walczyk, Shige Yoneda, Xiang‑Kun Zhu. Atomic weights of the elements 2011 (IUPAC Technical Report) (англ.) // Pure and Applied Chemistry. — 2013. — Vol. 85, no. 5. — P. 1047—1078. — doi:10.1351/PAC-REP-13-03-02. Архивировано 5 февраля 2014 года.
- ↑ Hydrogen: electronegativities (англ.). Webelements. Дата обращения: 15 июля 2010. Архивировано 27 июня 2010 года.
- ↑ 1 2 Водород // Химическая энциклопедия : в 5 т. / Гл. ред. И. Л. Кнунянц. — М.: Советская энциклопедия, 1988. — Т. 1: А — Дарзана. — С. 400—402. — 623 с. — 100 000 экз. — ISBN 5-85270-008-8.
- ↑ Фёдоров П. И., Тройная точка, 1998, с. 12.
- ↑ Хазанова Н. Е., Критическое состояние, 1990, с. 543.
- ↑ Standard atomic weights of the elements 2021 (IUPAC Technical Report) (англ.) — IUPAC, 1960. — ISSN 0033-4545; 1365-3075; 0074-3925 — doi:10.1515/PAC-2019-0603
- ↑ Boyle, R. (1672). «Tracts written by the Honourable Robert Boyle containing new experiments, touching the relation betwixt flame and air…» London.
- ↑ Winter, M. Hydrogen: historical information. WebElements Ltd (2007). Дата обращения: 5 февраля 2008. Архивировано 10 апреля 2008 года.
- ↑ Musgrave, A. Why did oxygen supplant phlogiston? Research programmes in the Chemical Revolution // Method and appraisal in the physical sciences (англ.) / Howson, C.. — Cambridge University Press, 1976. — (The Critical Background to Modern Science, 1800–1905).
- ↑ Cavendish, Henry. Three Papers, Containing Experiments on Factitious Air, by the Hon. Henry Cavendish, F. R. S (англ.) // Philosophical Transactions : journal. — 1766. — 12 May (vol. 56). — P. 141—184. — doi:10.1098/rstl.1766.0019. — Bibcode: 1766RSPT…56..141C. — JSTOR 105491.
- ↑ Севергин В. М. Пробирное искусство, или руководство к химическому испытанию металлических руд и других ископаемых тел. СПб.: Издание Имп. АН, 1801. C. 2.
- ↑ Н. Гринвуд, А. Эрншо. Химия элементов: в 2 томах. — БИНОМ. Лаборатория знаний, 2008. — Т. 1. — С. 11. — 607 с. — (Лучший зарубежный учебник). — ISBN 978-5-94774-373-9.
- ↑ Gribbin, John. Science. A History (1543-2001). — L.: Penguin Books, 2003. — 648 с. — ISBN 978-0-140-29741-6.
- ↑ Source for figures: Carbon dioxide, NOAA Earth System Research Laboratory Архивная копия от 25 декабря 2018 на Wayback Machine, (updated 2010.06). Methane, IPCC TAR table 6.1 Архивная копия от 15 июня 2007 на Wayback Machine, (updated to 1998). The NASA total was 17 ppmv over 100 %, and CO2 was increased here by 15 ppmv. To normalize, N2 should be reduced by about 25 ppmv and O2 by about 7 ppmv.
- ↑ Хорнак Д. П. Основы МРТ. Дата обращения: 23 августа 2013. Архивировано 9 февраля 2014 года.
- ↑ «Перепись ВОДОРОДА» Журнал «Газпром», сентябрь 2019, стр 42-43. Дата обращения: 22 октября 2019. Архивировано 22 октября 2019 года.
- ↑ 1 2 Da Rosa, Aldo Vieira. Fundamentals of renewable energy processes. — Amsterdam: Elsevier Academic Press, 2005. — С. 370. — xvii, 689 pages с. — ISBN 0120885107.
- ↑ А.К.Мановян. Технология переработки природных энергоносителей. — Москва: Химия, КолосС, 2004. — 456 с. — ISBN 5-98109-004-9, 5-9532-0219-97.
- ↑ Водородсодержащий газ - Что такое Водородсодержащий газ? - Техническая Библиотека Neftegaz.RU. neftegaz.ru. Дата обращения: 31 августа 2022. Архивировано 31 августа 2022 года.
- ↑ Аркадий Шварц. Снова о водороде Архивная копия от 30 сентября 2010 на Wayback Machine. Вестник online № 19(356) 15 сентября 2004.
- ↑ Мыльные пузыри с водородом Архивная копия от 26 июля 2014 на Wayback Machine — видеоопыт в Единой коллекции цифровых образовательных ресурсов.
- ↑ Неограническая химия. Том 2. Химия непереходных элементов / под ред. акад. Ю. Д. Третьякова. — Москва: Академия, 2004. — 368 с. — ISBN 5-7695-1436-1.
- ↑ Dias Ranga P., Silvera Isaac F. Observation of the Wigner-Huntington transition to metallic hydrogen // Science. — 2017. — 26 января (т. 355, № 6326). — С. 715—718. — ISSN 0036-8075. — doi:10.1126/science.aal1579. [исправить]
- ↑ Алексей Понятов. Десять крупнейших событий 2017 года в физике и астрономии. Стабильный металлический водород // Наука и жизнь. — 2018. — № 1. — С. 9. Архивировано 12 января 2018 года.
- ↑ Фаркаш Л. Орто- и параводород. [[Успехи физических наук]], т. 15, вып. 3. 1935 г.. Дата обращения: 22 сентября 2018. Архивировано 22 сентября 2018 года.
- ↑ 1 2 3 4 Audi G., Bersillon O., Blachot J., Wapstra A. H. The NUBASE evaluation of nuclear and decay properties // Nuclear Physics A. — 2003. — Т. 729. — С. 3—128. — doi:10.1016/j.nuclphysa.2003.11.001. — Bibcode: 2003NuPhA.729….3A.
- ↑ Züttel A., Borgschulte A., Schlapbach L. Hydrogen as a Future Energy Carrier. — Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, 2008. — ISBN 978-3-527-30817-0.
- ↑ Audi G., Wapstra A. H., Thibault C. The AME2003 atomic mass evaluation (II). Tables, graphs, and references (англ.) // Nuclear Physics A. — 2003. — Vol. 729. — P. 337—676. — doi:10.1016/j.nuclphysa.2003.11.003. — Bibcode: 2003NuPhA.729..337A.
- ↑ Портнов Александр. Вулканы — месторождения водорода. Архивная копия от 6 июня 2013 на Wayback Machine / Промышленные ведомости, № 10—12, октябрь—декабрь 2010.
- ↑ Гресов А. И., Обжиров А. И., Яцук А. В. К вопросу водородоносности угольных бассейнов Дальнего востока/ Вестник КРАУНЦ. Науки о Земле. 2010, № 1, Выпуск 15. С. 19—32.
- ↑ http://www.atmos-chem-phys.net/11/3375/2011/acp-11-3375-2011.pdf Архивная копия от 21 мая 2013 на Wayback Machine A new estimation of the recent tropospheric molecular hydrogen budget using atmospheric observations and variational inversion] doi:10.5194/acp-11-3375-2011, 2011 «The main sources of H2 are photochemical production by the transformation of formaldehyde (HCHO) in the atmosphere and incomplete combustion processes. Photolysis of HCHO, a product in the oxidation chain of methane and other volatile organic compounds (VOCs) accounts for 31 to 77 Tg yr−1 and represents half of the total H2 source. Fossil fuel and biomass burning emissions, two incomplete combustion sources, account for similar shares of the global H2 budget (5−25 Tg yr−1). H2 emissions (3−22 Tg yr−1) originating from nitrogen fixation in the continental and marine biosphere complete the sources. H2 oxidation by free hydroxyl radicals (OH) and enzymatic H2 destruction in soils must balance these sources because tropospheric H2 does not show a significant long term trend (Grant et al., 2010)»
- ↑ Chemistry of the Natural Atmosphere Архивная копия от 10 декабря 2017 на Wayback Machine pages 207—201, table 4.14
- ↑ Global environmental impacts of the hydrogen economy Архивная копия от 5 декабря 2014 на Wayback Machine page 61 table 1
- ↑ David C. Catling and Kevin J. Zahnle, The Planetary Air Leak. As Earth’s atmosphere slowly trickles away into space, will our planet come to look like Venus? Архивная копия от 2 февраля 2014 на Wayback Machine //SCIENTIFIC AMERICAN, May 2009
- ↑ Ferronsky V. I., Denisik S. A., Ferronsky S. V. Chapter 8. Global Dynamics of the Earth // Jacobi Dynamics: Many-Body Problem in Integral Characteristics. — (Astrophysics and Space Science Library. Vol. 130). — Springer Science & Business Media, 1986. — P. 296. — ISBN 9027724180, 9789027724182.
- ↑ Olu Ajayi-Oyakhire. Hydrogen – Untapped Energy?. Institution of Gas Engineers and Managers. Institution of Gas Engineers and Managers (2012). Дата обращения: 24 марта 2018. Архивировано из оригинала 17 апреля 2018 года.
- ↑ 1 2 Р. В. Радченко, А. С. Мокрушин, В. В. Тюльпа. Водород в энергетике. — Екатеринбург: Издательство Уральского университета, 2014. — С. 24. — 229 с. — ISBN 978-5-7996-1316-7.
- ↑ Nikola Архивная копия от 13 февраля 2020 на Wayback Machine
- ↑ Nikola Badger. Дата обращения: 14 февраля 2020. Архивировано 13 февраля 2020 года.
- ↑ Первый водородный поезд в Германии. Дата обращения: 14 февраля 2020. Архивировано 24 января 2020 года.
- ↑ Принцип действия и конструкция синхронных машин. Дата обращения: 9 июня 2014. Архивировано 13 сентября 2014 года.
- ↑ Helium - what is the current cost to labs?. www.peakscientific.com. Дата обращения: 17 ноября 2015. Архивировано 18 ноября 2015 года.
- ↑ А.А. Иванов (руководитель разработки). Наставление гидрометеорологическим постам и станциям. Выпуск 4.. Росгидромет. Росгидромет (16 июля 2003). Дата обращения: 24 марта 2018. Архивировано 3 июня 2021 года.
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 // Химическая энциклопедия. — Большая Российская энциклопедия, 1998. — Т. 5: Триптофан — Ятрохимия. — С. 12.
- Хазанова Н. Е. Критическое состояние // Химическая энциклопедия. — Советская энциклопедия, 1990. — Т. 2: Даф — Мед. — С. 541—543.
- Chart of the Nuclides. — 17th. — Knolls Atomic Power Laboratory, 2010. — ISBN 978-0-9843653-0-2.
- Newton, David E. The Chemical Elements. — New York: Franklin Watts (англ.) (рус., 1994. — ISBN 978-0-531-12501-4.
- Rigden, John S. Hydrogen: The Essential Element. — 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.). — Island Press (англ.) (рус., 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
- Hydrogen Архивная копия 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:10.1080/01614940500364958.
Эта страница в последний раз была отредактирована 6 января 2023 в 12:11.
Как только страница обновилась в Википедии она обновляется в Вики 2.
Обычно почти сразу, изредка в течении часа.