Теория атома водорода. Водородная энергетика

Министерство  образования и науки Российской Федерации

Государственное образовательное учреждение высшего  профессионального образования

«Сибирский  государственный технологический  университет»

 

 

Кафедра физики

 

 

Курсовая  работа

 

 

Теория  атома водорода. Водородная энергетика

 

 

 

 

Проверил:    

<уч. степ., должность> 

<И.О. Фамилия>   

 

 

 

 

 

 

 

 

Задание

 

 

на выполнение курсовой работы по дисциплине

«Научные  основы инновационных технологий» (НОИТ)

 

студенту _________________________________________________________

группы   _________________

 

 

 

Тема _____________________________________________________________

__________________________________________________________________

Основные  вопросы, подлежащие исследованию ________________________

__________________________________________________________________

__________________________________________________________________

__________________________________________________________________

Рекомендованная литература для начала исследования___________________

__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Срок представления_________________________________________________

Задание выдал

Подпись преподавателя__________________________________ ( ____________________ )

 

Задание получил

Подпись студента _______________________________________ ( ____________________ )

 

 

 

Содержание

История.......……………………………………………………..5

Распространенность……………………………………………6

Получение....……………………………………………….…...7

Физические  свойства…………………………………………...9

Изотопы………………………………………………………....11

Химические  свойства...…………………………………..……12

Геохимия  водорода…………………………………….............14

Особенности обращения……………………………………….15

Применение  …………………………………………………….16

Водородная  энергетика………………………………………...17

Водородная  энергетика в России……………………………...18

Библиографический список……………………………………20

 

 

 

Водород / Hydrogenium (H) ►He
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)	2,0
Электродный потенциал
Степени окисления	1, −1
Термодинамические свойства простого вещества
Плотность	0,0000899 (при 273K (0 °C))г/см³
Молярная теплоёмкость	14,235[1] Дж/(K·моль)
Теплопроводность	0,1815 Вт/(м·K)
Температура плавления	14,01 K
Теплота плавления	0,117 кДж/моль
Температура кипения	20,28 K
Теплота испарения	0,904 кДж/моль
Молярный объём	14,1 см³/моль

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. Наименование «водород» предложил химик М. Ф. Соловьев в 1824 году.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Распространённость

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

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.

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.

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

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Физические свойства

 

Водород может существовать в двух формах (модификациях) — в виде орто- и пара- водорода. 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.

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 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 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

Водород встречается в виде трёх изотопов, которые имеют индивидуальные названия: ¹H — протий (Н), ²Н — дейтерий (D), ³Н — тритий(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 %. 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 — 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 D₂ещё меньше. Отношение концентраций HD и D₂, примерно, 6400:1.