Что взрывается сильнее

Основное отличие — водород против кислорода

Периодическая таблица элементов показывает каждый элемент, который до сих пор был обнаружен на Земле в соответствии с их атомными номерами (в порядке возрастания). Некоторые из этих элементов очень распространены на земле, в то время как другие элементы содержатся в следовых количествах. Водород и кислород — это два элемента, которые встречаются почти повсюду на земле. Основное различие между водородом и кислородом заключается в том, что Водород не имеет нейтронов в своем наиболее стабильном изотопе, в то время как кислород имеет 8 нейтронов в своем наиболее стабильном изотопе.

Ключевые области покрыты

1. Что такое водород     – Определение, изотопы, структура, свойства, численность 2. Что такое кислород      — определение, изотопы, структура, свойства, численность3. В чем разница между водородом и кислородом      – Сравнение ключевых различий

Ключевые термины: Аллотропы, Атомный номер, Электрон, Водород, Изотопы, Нейтрон, Кислород, Протон, Протий

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{\displaystyle {\mathsf {H_{2}\rightarrow {}\ 2H}}}− 432 кДж

Поэтому при обычных температурах водород реагирует только с очень активными металлами, например, с кальцием, образуя гидрид кальция:

Ca+H2→ CaH2{\displaystyle {\mathsf {Ca+H_{2}\rightarrow {}\ CaH_{2}}}}

и с единственным неметаллом — фтором, образуя фтороводород:

F2+H2→ 2HF{\displaystyle {\mathsf {F_{2}+H_{2}\rightarrow {}\ 2HF}}}

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

O2+2H2→ 2H2O{\displaystyle {\mathsf {O_{2}+2H_{2}\rightarrow {}\ 2H_{2}O}}}

Записанное уравнение отражает восстановительные свойства водорода.

N2+3H2→ 2NH3{\displaystyle {\mathsf {N_{2}+3H_{2}\rightarrow {}\ 2NH_{3}}}}

С галогенами образует галогеноводороды:

H2+F2→ 2HF{\displaystyle {\mathsf {H_{2}+F_{2}\rightarrow {}\ 2HF}}}, реакция протекает со взрывом в темноте и при любой температуре,

H2+Cl2→ 2HCl{\displaystyle {\mathsf {H_{2}+Cl_{2}\rightarrow {}\ 2HCl}}}, реакция протекает со взрывом, только на свету.

С сажей взаимодействует при сильном нагревании:

C+2H2→ CH4{\displaystyle {\mathsf {C+2H_{2}\rightarrow {}\ CH_{4}}}}

Взаимодействие со щелочными и щёлочноземельными металлами

При взаимодействии с активными металлами водород образует гидриды:

2Na+H2→ 2NaH{\displaystyle {\mathsf {2Na+H_{2}\rightarrow {}\ 2NaH}}}

Ca+H2→ CaH2{\displaystyle {\mathsf {Ca+H_{2}\rightarrow {}\ CaH_{2}}}}

Mg+H2→ MgH2{\displaystyle {\mathsf {Mg+H_{2}\rightarrow {}\ MgH_{2}}}}

Гидриды — солеобразные, твёрдые вещества, легко гидролизуются:

CaH2+2H2O→ Ca(OH)2+2H2↑{\displaystyle {\mathsf {CaH_{2}+2H_{2}O\rightarrow {}\ Ca(OH)_{2}+2H_{2}\uparrow }}}

Взаимодействие с оксидами металлов

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

CuO+H2→ Cu+H2O{\displaystyle {\mathsf {CuO+H_{2}\rightarrow {}\ Cu+H_{2}O}}}

Fe2O3+3H2→ 2Fe+3H2O{\displaystyle {\mathsf {Fe_{2}O_{3}+3H_{2}\rightarrow {}\ 2Fe+3H_{2}O}}}

WO3+3H2→ W+3H2O{\displaystyle {\mathsf {WO_{3}+3H_{2}\rightarrow {}\ W+3H_{2}O}}}

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′{\displaystyle {\mathsf {R\!\!-\!\!CH\!\!=\!\!CH\!\!-\!\!R’+H_{2}}}\rightarrow {\mathsf {R\!\!-\!\!CH_{2}\!\!-\!\!CH_{2}\!\!-\!\!R’}}}

Сжижение — водород

Сжижение водорода достигается обычно многоступенчатым охлаждением в каскадных установках, для которых расход энергии меньше, чем в других. Но для ожижения водорода могут использоваться различные холодильные циклы, основанные как на эффекте дросселирования ( эффект Джоуля — Томпсона), так и на расширении водорода с производством внешней работы в расширительной машине-детандере.
 

Сжижение водорода имеет ряд особенностей по сравнению с ожижением воздуха и других газов. Эти особенности обусловлены переходом на более низкий уровень температур и физическими свойствами водорода. К числу таких особенностей относится следующие.
 

Сжижение водорода представляет весьма трудную задачу; к водородным установкам предъявляются большие требования в смысле надежности и безопасности в работе. Лабораторные ожижители водорода имеются во многих криогенных лабораториях за рубежом и в Советском Союзе.
 

Для сжижения водорода этим методом необходимо, чтобы Т4 3 Гинв.
 

Поэтому сжижение водорода без дополнительного охлаждения его невозможно. Для понижения температуры водорода ниже критической температуры необходимо использовать дроссельный эффект сжатого охлажденного водорода.
 

Для сжижения водорода вужно сначала охладить его ниже точки инверсии, что достигается применением более лешо сжижаемых газов, например воздуха. Для сжижения гелия приходятся его предварительно охлаждать жидким водородом.
 

Для сжижения водорода и гелия нужно до дросселирования значительно их охладить.
 

Методы сжижения водорода базируются главным образом на двух широко известных процессах: дросселировании сжатого газа и изэнтропном расширении.
 

При сжижении водорода до низкой температуры ( 20 К) необходимо проводить каталитическую конверсию орто-водорода в его более стабильную пара-форму до состояния равновесия ( 99 8 % пара-формы), чтобы избежать спонтанного установления равновесия в самом жидком водороде, сопровождающегося выделением тепла ( 1675 кДж / моль) и сильным испарением сжиженного водорода. Транспортные танки или хранилища наполняют высокообогащенным ( 95 %) пара-водородом.
 

При сжижении водорода приходится учитывать еше одно специфическое выделение тепла внутри аппаратов, связанное с переходом ор / по-водо-рода в пора-водород ( см. гл.
 

Следовательно, для сжижения водорода необходимо предварительно охладить сжатый газообразный водород до температуры около — 100 С и тогда только пускать его в машину Линде. Этого достигают, пропуская его предварительно через змеевик, погруженный в жидкий воздух.
 

Для увеличения коэффициента сжижения водорода целесообразно значительно понижать температуру предварительного охлаждения водорода при помощи кипящего под вакуумом азота или воздуха.
 

Эти температуры недостаточны для сжижения водорода, критическая температура которого значительно ниже указанных температур.
 

Получение

В настоящий момент существуют три наиболее распространённых метода получения синильной кислоты в промышленных масштабах:

Метод .mw-parser-output .ts-comment-commentedText{border-bottom:1px dotted;cursor:help}@media(hover:none){.mw-parser-output .ts-comment-commentedText:not(.rt-commentedText){border-bottom:0;cursor:auto}}Андрусова — прямой синтез из аммиака и метана в присутствии воздуха и платинового катализатора при высокой температуре:

2NH3+2CH4+3O2→Pt2HCN+6H2O.{\displaystyle {\mathsf {2NH_{3}+2CH_{4}+3O_{2}{\xrightarrow {Pt}}2HCN+6H_{2}O}}.}

Метод BMA (Blausäure aus Methan und Ammoniak), запатентованный фирмой Degussa: прямой синтез из аммиака и метана без воздуха в присутствии платинового катализатора при высокой температуре:

NH3+CH4→PtHCN+3H2.{\displaystyle {\mathsf {NH_{3}+CH_{4}{\xrightarrow {Pt}}HCN+3H_{2}}}.}

• Побочный продукт при производстве акрилонитрила путём окислительного аммонолиза пропилена.
• Реакцией цианида калия с водой и диоксидом углерода:

KCN+H2O+CO2⟶HCN+KHCO3{\displaystyle {\mathsf {KCN+H_{2}O+CO_{2}\longrightarrow HCN+KHCO_{3}}}}

Термическим разложением железосинеродистой и железистосинеродистой кислот:

2H3Fe(CN)6 →T FeFe(CN)6+6HCN{\displaystyle {\mathsf {2H_{3}\ {\xrightarrow {T}}\ Fe+6HCN}}}

3H4Fe(CN)6 →100oC Fe2Fe(CN)6+12HCN{\displaystyle {\mathsf {3H_{4}\ {\xrightarrow {100^{o}C}}\ Fe_{2}+12HCN}}}(в присутствии влаги)

В Шавиниганском процессе углеводороды (например, пропан) реагируют с аммиаком. В лаборатории небольшие количества синильной кислоты образуются путём добавления кислот к цианидным солям щелочных металлов:

HCl+NaCN⟶HCN+NaCl{\displaystyle {\ce {HCl + NaCN->HCN + NaCl}}}

H++NaCN⟶HCN+Na+{\displaystyle {\ce {H+ + NaCN ->HCN + Na+}}}

Эта реакция иногда является основой случайных отравлений, потому что кислота превращает нелетучую цианидную соль в газообразный циановодород.

Реакцией монооксида углерода с аммиаком:

NH3+CO→ThO2HCN+H2O.{\displaystyle {\mathsf {NH_{3}+CO{\xrightarrow {ThO2}}HCN+H_{2}O}}.}

Фотолиз метана в бескислородной атмосфере:

2CH4+N2⟶2HCN+3H2{\textstyle {\mathsf {2CH_{4}+N_{2}\longrightarrow 2HCN+3H_{2}}}}

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 1945 дней] Однако точное содержание данного газа в составе геосфер нашей планеты (исключая земную кору) — астеносферы, мантии, ядра Земли — неизвестно.[источник не указан 1945 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.. В состав минералов водород может входить в виде иона аммония, гидроксил-иона и воды.

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 обладают высокой скоростью диффузионного движения (она близка ко второй космической скорости) и, попадая в верхние слои атмосферы, могут улететь в космическое пространство (см. Диссипация атмосфер планет). Объёмы потерь оцениваются в 3 кг в секунду.

Примечания

1. ↑
2. Севергин В. М. Пробирное искусство, или руководство к химическому испытанию металлических руд и других ископаемых тел. СПб.: Издание Имп. АН, 1801. C. 2.
3. 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.
4. Gribbin, John. Science. A History (1543-2001). — L.: Penguin Books, 2003. — 648 с. — ISBN 978-0-140-29741-6.
5. ↑
6. А.К.Мановян. Технология переработки природных энергоносителей. — Москва: Химия, КолосС, 2004. — 456 с. — ISBN 5-98109-004-9, 5-9532-0219-97.
7. Неограническая химия. Том 2. Химия непереходных элементов / под ред. акад. Ю. Д. Третьякова. — Москва: Академия, 2004. — 368 с. — ISBN 5-7695-1436-1.
8. ↑
9. 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.
10. 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.
11. ↑ 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.

История

Первое документированное использование искусственного охлаждения в 1756 году было осуществлено английским учёным Вильямом Калленом, Гаспар Монж первым получил жидкое состояние оксида серы в 1784 году, Майкл Фарадей первым получил сжиженный аммиак, американский изобретатель Оливер Эванс первым разработал холодильный компрессор в 1805 году, Яков Перкинс первым запатентовал охлаждающую машину в 1834 году и Джон Гори первым в США запатентовал кондиционер в 1851 году, Вернер Сименс предложил концепцию регенеративного охлаждения в 1857 году, Карл Линде запатентовал оборудование для получения жидкого воздуха с использованием каскадного «эффекта расширения Джоуля — Томсона» и регенеративного охлаждения в 1876 году. В 1885 году польский физик и химик Зигмунд Вро́блевский опубликовал критическую температуру водорода 33 K, критическое давление 13.3 атм. и точку кипения при 23 K. Впервые водород был сжижен Джеймсом Дьюаром в 1898 году с использованием регенеративного охлаждения и своего изобретения, сосуда Дьюара. Первый синтез устойчивого изомера жидкого водорода —  — был осуществлен Полом Хартеком и Карлом Бонхеффером в 1929 году.

Применение

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

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 (твердый 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 удаленных мест.

Топливо

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

Ведутся исследования по применению водорода как топлива для легковых и грузовых автомобилей, хотя здесь серьезную проблему представляет водородное охрупчивание сталей, не позволяющее напрямую переводить обычный ДВС на этот газ. Водород в ДВС меньше загрязняет окружающую среду локально (использование водорода в этом качестве затрудняет низкая эффективность его получения и сопряжённых дополнительных расходов на его сжатие, транспортировку), но так же, как и бензиновые/дизельные аналоги, потребляет и деградирует моторное масло и все остальные неэкологичные материалы, присущие двигателям внутреннего сгорания. В смысле экологии электромобили значительно лучше, перспективен также двигатель Стирлинга.[источник не указан 2116 дней]

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

Прочее

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

Физические свойства

Смешивается во всех соотношениях с водой, этанолом, диэтиловым эфиром. Смешивается также со многими другими спиртами и эфирами, ароматическими углеводородами и тетрахлоруглеродом.

Молекула HCN имеет линейное строение с межатомными расстояниями H—C 0,1064 нм и C≡N 0,1156 нм и сильно полярна (электрический дипольный момент μ = 0,992⋅10−29 Кл·м).

Безводный цианистый водород является сильно ионизирующим растворителем, растворённые в нём электролиты хорошо диссоциируют на ионы. Его относительная диэлектрическая проницаемость при 25 °C равна 106,8 (выше, чем у воды). Это обусловлено линейной ассоциацией полярных молекул HCN за счёт образования водородных связей.

Температура плавления −13,29 °C, кипения +25,65 °C. Плотность 0,71618 г/см3 при 0 °C, 0,68708 г/см3 при 0 °C.

Критическое давление 4,95 МПа, критическая температура +183,5 °C, критическая плотность 0,195 г/см3.

Коэффициент преломления n_D = 1,26136 (20 °C).

Энтальпия образования 132 кДж/моль, энтальпия плавления 8,41 кДж/моль, энтальпия испарения 25,2 кДж/моль. Энтальпия сгорания −663 кДж/моль. Энтропия 201,71 Дж/(моль·К) (при 298 К).

Динамическая вязкость 0,183 мПа·с, кинематическая вязкость 17,78 мН/м.

Удельное электрическое сопротивление жидкой синильной кислоты 105 Ом·м.

Твёрдая синильная кислота при нормальном давлении существует в двух кристаллических модификациях. При температуре ниже −102,78°C образует кристаллы ромбической сингонии, пространственная группа I2mm, параметры ячейки a = 0,413 нм, b = 0,485 нм, c = 0,434 нм, Z = 2. Выше этой температуры переходит в кристаллы тетрагональной сингонии, пространственная группа I4mm, параметры ячейки a = 0,463 нм, c = 0,434 нм, Z = 2.