氫與氫能源教案

1、氫與氫能源摘要：氫的存在，早在16世紀(jì)就有人注意到了。曾經(jīng)接觸過氫氣的不只一個(gè)人，但因那時(shí)人們接觸到的各類氣體都籠統(tǒng)的稱作“空氣”，因此氫氣并無引發(fā)人們的注意。1766年卡文迪許發(fā)表了一篇人造空氣實(shí)驗(yàn)的研究報(bào)告，講述他用鐵、鋅等與稀硫酸、稀鹽酸等反映制得“易燃空氣”（氫氣），但因“燃素說”他并非以為這是一種新氣體。直至1782年，拉瓦錫才明確提出正確的結(jié)論：誰不是元素而是氫和氧的化合物，并把“易燃空氣”命名為“H-hydrogen”（氫），并確認(rèn)它是一種元素。關(guān)鍵詞：原子氫、分子氫、氫化物、氫能源正文：1.原子氫氫是周期表中的第一個(gè)元素，它在所有元素中具有最簡單的原子結(jié)構(gòu)。它是由一個(gè)帶+1電荷

2、的核和一個(gè)軌道電子組成。相較于堿金屬，氫不容易失去那個(gè)電子，而是使那個(gè)電子配對(duì)生成一個(gè)共價(jià)鍵。在許多反映中，鹵素容易取得一個(gè)電子而生成負(fù)離子，但氫只有在同高電負(fù)性的金屬反映時(shí)才會(huì)取得電子而生成負(fù)離子。氫的這些獨(dú)特的性質(zhì)是由氫的獨(dú)特的原子結(jié)構(gòu)、氫原子專門小的半徑和低的電負(fù)性決定的。氫有三種同位素：田（氣，符號(hào)H）、（笊，符號(hào)D）、田（瓶，符號(hào)T）o在它們的核中別離有0、1和2個(gè)中子，它們的質(zhì)量數(shù)別離為一、二、3,自然界中一般氫內(nèi)H同位素的豐度最大，H原子的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為樂D為,T的存在量僅為H的10一，T是一種不穩(wěn)固的放射性同位素，半衰期為年。因此，一般氫的性質(zhì)大體上是氫同位素的性質(zhì)。由于氫的這三種

3、同位素具有相同的電子層結(jié)構(gòu)，核外均有一個(gè)電子，因此它們的化學(xué)性質(zhì)大體相同，但由于質(zhì)量相差較大，因此致使它們的單質(zhì)和化合物在物理性質(zhì)上的不同，笊的重要性在于它與原子反映堆中重水D9有關(guān)，普遍應(yīng)用于反映機(jī)理的研究和光譜分析。旅可在核聚變反映中作示蹤原子。笊和氤的化合物利用電解的方式分離的。對(duì)水進(jìn)行水解，釋放H的速度比釋放D的速度快6倍。因此殘液中D含量增加，反復(fù)電解可取得富集了D二0的水或純D：0,由于D：0比H：0重，故稱為重水。氫和笊的物理性質(zhì)由此表可見，D：的熔物理常數(shù)D：熔點(diǎn)（K）1418沸點(diǎn)（K）2023沸點(diǎn)要比H二高。融化熱(KJ/mol)117219蒸發(fā)熱(KJ/mol)904升華熱

4、(KJ/mol)14K10291427蒸汽壓（mmHg）54D=0和壓0的物理性質(zhì)由此表可見，298K物理性質(zhì)H二0D：0密度(g/ml)298K時(shí)，D2的密度比H9冰點(diǎn)（K）273277大,但溶質(zhì)在D：0中沸點(diǎn)（K）373374的溶解度比在h£o中密度最大時(shí)溫度（K）277285要小。價(jià)電常數(shù)（293K）82NaCl溶解度(g/100g水)298K氫原子的價(jià)電子層結(jié)構(gòu)為Is',電負(fù)性為，當(dāng)氫原子同其他元素的原子化合時(shí)，具有以下成鍵特點(diǎn)：1）離子鍵當(dāng)H與電負(fù)性很小的活潑金屬（如Na、K、Ca等）形成氫化物時(shí)，H取得1個(gè)電子形成氫負(fù)離子。那個(gè)離子因具有較大的半徑（280pm）而

5、僅存在于離子型化合物的晶體中。2）共價(jià)鍵a）兩個(gè)氫原子能形成一個(gè)非極性的共價(jià)鍵，如分子；b）H原子與非金屬元素的原子化合時(shí)，形成畸形共價(jià)鍵，例如HC1分子。鍵的極性隨非金屬原子的電負(fù)性增大而增強(qiáng)。3）特殊的鍵型a）H原子能夠填充到許多過渡金屬晶格的間隙中，形成一類非整比化合物，一樣稱之為金屬型氫化物，例如等；b）在硼氫化合物（例如B此）和某些過渡金屬配合物（例如HCr（CO）J）中均存在著氫橋鍵；c）形成氫鍵在含有強(qiáng)極性鍵的共價(jià)氫化物中。近乎袒露的H原子能夠定向吸收臨近電負(fù)性高的原子（如F、0等）上的那電子對(duì)而形成份子間或分子內(nèi)的氫鍵，例如在HF分子中存在著很強(qiáng)的氫鍵。2.分子氫（單質(zhì)氫）假設(shè)

6、用液態(tài)空氣冷卻一般的氫氣，并用活性炭吸附分離，那么可取得氫分子的兩種變體,即正氫和仲氫。二者的區(qū)別在于分子內(nèi)兩個(gè)氫原子核的自旋方向不同：兩個(gè)原子核自旋方向相同的為正氫，反之那么為仲氫。這確實(shí)是自旋異構(gòu)現(xiàn)象。一般氫在室溫下含75%正氫和25%仲氫，低溫時(shí)仲氫含量較多，而在絕對(duì)零度是，仲氫含量可達(dá)100機(jī)二者化學(xué)性質(zhì)相同，但物理性質(zhì)有較大不同，這是由它們?cè)趦?nèi)能上由所不同造成的，這也是早成氫分子帶光譜上不同的緣故。單質(zhì)氫是由兩個(gè)H原子以共價(jià)鍵形式結(jié)合而成的雙原子分子，其鍵長為74pm,氫是已知的最輕氣體，無色無臭，幾乎不溶于水（273K時(shí)ldm，水溶dm，氫），氫比空氣輕倍，具有專門大的擴(kuò)散速度和很

7、高的導(dǎo)熱性。將氫冷卻至20K時(shí)，氣態(tài)氫可把除氮之外的其它氣體冷卻而變成固體。在同溫同壓下，氫氣密度最小。分子氫在地球上的豐度很小，但化合氫的豐度卻專門大。含有氫的化合物比其他任何元素的化合物都多。分子氫中H-H鍵的離解能為436KJ7mol,比一樣的單鍵高許多，相當(dāng)于一樣雙鍵的離解能。因此常溫下分子氫不活潑。但氫能在常溫下與氨在暗處迅速反映生成HF。高溫下，氫氣是超級(jí)好的還原劑。例如：a）氫氣能在空氣中燃燒生成水，火焰可達(dá)3273K左右；b）氫氣能同鹵素、氮?dú)獾确墙饘俜从?，生成共價(jià)型氫化物：c）氫氣與活潑金屬反映，生成金屬氫化物：例如：H:+2Na-*2NaHd）氫氣還能還原許多金屬氧化物或金

8、屬鹵化物為金屬。例如：H:4u0-*Cu+H:0在有機(jī)化學(xué)中，氫能使不飽和的碳?xì)浠衔锛託涠娠柡偷奶細(xì)浠衔?，這種反映叫加氫反映。在分子中加入氫即為還原反映。氫分子盡管穩(wěn)固，但在高溫下，在電弧中，或進(jìn)行低壓放電，或在紫外線照射下，氫分子能發(fā)生離解作用，取得原子氫：比一2HH=431KJ/mol氫氣的制備方式：1）實(shí)驗(yàn)室方式a）化學(xué)法Zn+2HC1-*ZnCl:+H:b）電解法采納質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25$的NaOH或KOH溶液作為電解液。陰極：2H=O+2e-H=+20H-陽極：40H-*0;+2H:0+4e-2）工業(yè)生產(chǎn)方式a）碳還原水蒸氣C（赤熱）+H=0-CO+Hob）燒類裂解CH.-C+2壓

9、c）水蒸氣轉(zhuǎn)換法CH.+H：O-C0+3H：d）在石油化學(xué)工作中，有烷是支取烯燃反映的副產(chǎn)物即為氫氣，可直接用于合成經(jīng)或石油的精細(xì)加工等生產(chǎn)中C:H6-CH:=CH:+H:e）鹽型氫化物與水反映CaH:+2H:0-Ca（OH）:+2H:f）利用硅的兩性性質(zhì)Si+Ca（0H）;+2Na0H-Na:SiO:+CaO+2H:3.氫化物氫與其他元素形成的二元化合物叫做氫化物。除稀有氣體外，大多數(shù)元素都能與氫結(jié)合生成氫化物。依據(jù)元素的電負(fù)性不同，可分為三類：1）離子型或類鹽型氫化物周期表中，活潑性最強(qiáng)的堿金屬和堿上金屬能在較高溫度下直接化合，氫取得一個(gè)電子成為氫負(fù)離子，生成離子型氫化物。離子型氫化物都是

10、白色鹽狀晶體，常因含少量金屬而顯灰色。離子型氫化物不同于非水溶劑，但能溶于熔融的堿金屬鹵化物中。離子型氫化物具有較高的反映活性，與水發(fā)生猛烈反映，放出氫氣：而且仍是強(qiáng)還原劑，尤其在高溫下可還原金屬氯化物、氧化物和含氧酸鹽：一樣在非水溶劑中能與一些缺電子化合物結(jié)合生成復(fù)合氫化物，此類清華物被普遍應(yīng)用于有機(jī)合物及合成中作為還原劑或在野外用于生氫劑，因?yàn)槟軌蚺c水強(qiáng)烈反映生成氫氣。2）共價(jià)型或分子型氫化物周期表中，P區(qū)元素單質(zhì)（除稀有氣體、錮、銘外）與氫結(jié)合生成的氫化物屬共價(jià)型氫化物。依照結(jié)構(gòu)中電子數(shù)和鍵數(shù)的不同，分為三種存在形式：a）缺電子氫化物第IHA族元素B和A1的氫化物屬缺電子氫化物：b）滿電

11、子氫化物第NA族的C和Si的4個(gè)價(jià)電子全參與成鍵，知足8電子構(gòu)型，形成滿電子氫化物；c）富電子氫化物第VA、VIA、VHA族的氫化物都屬于富電子氫化物。例如：陽八H：0、HF等，中心原子成鍵后還有剩余未成鍵的孤電子隊(duì)。P區(qū)氫化物屬分子型晶體，是由單個(gè)的飽和共價(jià)分子通過很弱的范德華力或在某情形下通過氫鍵把分子結(jié)合在一路組成的。其熔點(diǎn)、沸點(diǎn)較低，一樣條件下多為氣體，較軟,有揮發(fā)性，沒有導(dǎo)電性等。3）金屬型或過渡型氫化物周期表中，d區(qū)或過渡性金屬的銃族、鈦?zhàn)?、帆族及銘、銀、鈿、祠系和病系所有元素及s區(qū)的Be和Mg,與氫結(jié)合生成的二元?dú)浠?，稱為過渡型氫化物。具有金屬光澤、具有導(dǎo)電性，導(dǎo)電性隨氫含量的

12、改變而改變，還表現(xiàn)其他金屬特性如磁性等，因此這種氫化物稱為金屬型氫化物。依照組成，可分為整比化合物，如CrH：、NiH等；及非整比化合物，如、等。4.氫能源二次能源是聯(lián)系一次能源和能源用戶的中間紐帶。二次能源可分為進(jìn)程性能源（如電能）和含能體能源（如柴油和汽油）。作為二次能源的汽油和柴油等的生產(chǎn)完全依托化石燃料。但隨著化石燃料的消耗日趨增加，其儲(chǔ)量也日趨減少，總會(huì)枯竭。于是，氫能成為人們期待的新的二次能源。作為能源，氫有如下特點(diǎn)：1）所有元素中，氫重量最輕。在標(biāo)準(zhǔn)態(tài)下，其密度為0.0899g/L；在一252.7C時(shí)，可成為液體，假設(shè)將壓力增大到數(shù)百個(gè)大氣壓，液氫克變成金屬氫；2）所有氣體中，氫

13、氣的導(dǎo)熱性最好，比大多數(shù)氣體的導(dǎo)熱系數(shù)高出10倍，因此在能源工業(yè)中氫是極好的傳熱載體：3）氫是自然界存在最普遍的元素，據(jù)估量它組成了宇宙質(zhì)量的75樂除空氣中有氫氣外，它要緊以化合物的形態(tài)貯存于水中，而水是地球上最普遍的物質(zhì)。據(jù)推算，如把海水中的氫全數(shù)提取，所產(chǎn)生的總熱量比地球上所有化石燃料放出的熱量還打9000倍;4）除核燃料外，氫的發(fā)燒值是所有化石燃料、化工燃料中最高的，為142351KJ/Kg,是汽油發(fā)燒值的3倍：5）氫燃燒性能最好，點(diǎn)燃快，與空氣混合時(shí)有光泛的可燃范圍，且燃點(diǎn)高，燃燒速度快：6）氫本身無毒，與其他燃料相較氫燃燒最清潔，除生成水和少量氮化氫外可不能產(chǎn)生如C0等對(duì)環(huán)境有害的污染物質(zhì)，少量的氮化氫通過適當(dāng)處置也可不能污染環(huán)境專門大，且生成的水可繼續(xù)制氫，反復(fù)循環(huán)利用；7）氫能利用形式多，即可燃燒產(chǎn)生熱能，又可作為能源材料用于燃料電池或轉(zhuǎn)換成固體氫用作結(jié)構(gòu)材料；8）氫能夠以氣態(tài)、液態(tài)或固態(tài)的金屬氫化物顯現(xiàn)，能適應(yīng)貯運(yùn)及各類應(yīng)用環(huán)境的不同要求。由此可見，氫是理想的新含能體能源。目前液氫已普遍應(yīng)用于航天動(dòng)力的燃料。但氫能的大規(guī)模應(yīng)用還得解決兩個(gè)關(guān)鍵問題：1）廉價(jià)的制氫技術(shù)。氫的制取不僅需要消耗大量能量，而且目前的效率較低：2）平安靠得住的貯氫和輸氫方式，因?yàn)闅?/p>