Жидкий водород
| |||
 | |||
| Имена | |||
|---|---|---|---|
| Название ИЮПАК Водород | |||
| Систематическое название ИЮПАК Жидкий водород | |||
| Другие имена Водород (криогенная жидкость), Охлажденный водород; LH 2 , параводород | |||
| Идентификаторы | |||
3D model ( JSmol ) | |||
| ЧЭБИ | |||
| ХимическийПаук | |||
| КЕГГ | |||
ПабХим CID | |||
| номер РТЭКС |
| ||
| НЕКОТОРЫЙ | |||
| Число | 1966 | ||
| Характеристики | |||
| Ч 2 ( л ) | |||
| Молярная масса | 2.016 g·mol −1 | ||
| Появление | Бесцветная жидкость | ||
| Плотность | 0,07085 г/см 3 (4423 фунта/куб. футов) [1] | ||
| Температура плавления | -259,14 ° C (-434,45 ° F; 14,01 К) [2] | ||
| Точка кипения | -252,87 ° C (-423,17 ° F; 20,28 К) [2] | ||
| Опасности | |||
| СГС Маркировка : [3] | |||
  | |||
| Опасность | |||
| Х220 , Х280 | |||
| П210 , П377 , П381 , П403 | |||
| NFPA 704 (огненный алмаз) | |||
| 571 ° C (1060 ° F; 844 К) [2] | |||
| Взрывоопасные пределы | НПВ 4,0%; UEL 74,2% (в воздухе) [2] | ||
Если не указано иное, данные приведены для материалов в стандартном состоянии (при 25 °C [77 °F], 100 кПа). | |||
Жидкий водород ( H 2 (l) ) — жидкое состояние элемента водорода . Водород встречается в природе в молекулярной форме H 2 . [4]
Чтобы существовать в виде жидкости, H должен быть охлажден ниже критической точки 33 К. 2 Однако для того, чтобы он находился в полностью жидком состоянии при атмосферном давлении , H 2 необходимо охладить до 20,28 К (-252,87 °C; -423,17 °F). [5] Распространенный метод получения жидкого водорода предполагает использование компрессора, напоминающего по внешнему виду и принципу реактивный двигатель. Жидкий водород обычно используется в качестве концентрированной формы хранения водорода . Хранение его в жидком виде занимает меньше места, чем хранение в виде газа при нормальной температуре и давлении. Однако плотность жидкости очень низкая по сравнению с другими распространенными видами топлива. После сжижения его можно некоторое время сохранять в жидком состоянии в термоизолированных контейнерах. [6]
Есть два спиновых изомера водорода ; тогда как водород при комнатной температуре в основном состоит из ортоводорода, жидкий водород состоит из 99,79% параводорода и 0,21% ортоводорода. [5]
Для сжижения водорода теоретически требуется минимум 3,3 кВтч/кг (12 МДж/кг) и 3,9 кВтч/кг (14 МДж/кг), включая преобразование водорода в пара-изомер, но на практике обычно требуется 10–13 кВтч/кг ( 36–47 МДж/кг) по сравнению с теплотворной способностью водорода 33 кВтч/кг (119 МДж/кг). [7]
История [ править ]
В 1885 году Зигмунт Флорентий Врублевский опубликовал критическую температуру водорода как 33 К (-240,2 ° C; -400,3 ° F); критическое давление — 13,3 стандартных атмосферы (195 фунтов на квадратный дюйм); и температура кипения 23 К (-250,2 ° C; -418,3 ° F).
Водород был сжижен Джеймсом Дьюаром в 1898 году с помощью регенеративного охлаждения и его изобретения — вакуумной колбы . Первый синтез стабильной изомерной формы жидкого водорода, параводорода, был осуществлен Паулем Хартеком и Карлом Фридрихом Бонхёффером в 1929 году.
Спиновые изомеры водорода [ править ]
Два ядра в молекуле диводорода могут иметь два разных спиновых состояния.Параводород, у которого два ядерных спина антипараллельны, более стабилен, чем ортоводород, у которого они параллельны. При комнатной температуре газообразный водород находится в основном в орто-изомерной форме из-за тепловой энергии, но орто-обогащенная смесь метастабильна только при сжижении при низкой температуре. Он медленно подвергается экзотермической реакции, превращаясь в пара-изомер, при этом выделяется достаточно энергии в виде тепла, чтобы заставить часть жидкости закипеть. [8] Поэтому, чтобы предотвратить потерю жидкости во время длительного хранения, ее намеренно преобразуют в пара-изомер в рамках производственного процесса, обычно с использованием такого катализатора, как оксид железа (III) , активированный уголь , платинированный асбест, редкоземельные металлы, соединения урана, оксид хрома (III) или некоторые соединения никеля. [8]
Использует [ править ]
Жидкий водород является распространенным жидким ракетным топливом для ракетной техники и используется НАСА и ВВС США , которые эксплуатируют большое количество резервуаров с жидким водородом индивидуальной емкостью до 3,8 миллиона литров (1 миллион галлонов США). [9]
В большинстве ракетных двигателей, работающих на жидком водороде, он сначала охлаждает сопло и другие части, а затем смешивается с окислителем, обычно жидким кислородом , и сжигается с образованием воды со следами озона и перекиси водорода . Практические ракетные двигатели H 2 –O 2 работают с высоким содержанием топлива, поэтому в выхлопных газах содержится некоторое количество несгоревшего водорода. Это уменьшает эрозию камеры сгорания и сопла. Это также снижает молекулярную массу выхлопных газов, что может увеличить удельный импульс , несмотря на неполное сгорание.
Жидкий водород можно использовать в качестве топлива для двигателя внутреннего сгорания или топливного элемента . различные подводные лодки, в том числе подводная лодка Тип 212 , подводная лодка Тип 214 и другие, а также концептуальные водородные транспортные средства С использованием этой формы водорода были построены , такие как DeepC , BMW H2R и другие. Из-за его схожести строители иногда могут модифицировать и использовать оборудование совместно с системами, предназначенными для сжиженного природного газа (СПГ). Жидкий водород исследуется как топливо с нулевым содержанием углерода для самолетов . Из-за меньшей объемной энергии объемы водорода, необходимые для сгорания, велики. Если не прямой впрыск используется , сильный эффект вытеснения газа также затрудняет максимальное дыхание и увеличивает насосные потери.
Жидкий водород также используется для охлаждения нейтронов, которые будут использоваться при рассеянии нейтронов . Поскольку нейтроны и ядра водорода имеют схожие массы, обмен кинетической энергией за взаимодействие максимален ( упругое столкновение ). использовался перегретый жидкий водород с пузырьковой камерой Наконец, во многих экспериментах .
Первая термоядерная бомба Айви Майк использовала жидкий дейтерий , также известный как водород-2, для ядерного синтеза.
Свойства [ править ]
Продуктом сгорания водорода в среде чистого кислорода является исключительно водяной пар. Однако высокие температуры сгорания и присутствие атмосферного азота могут привести к разрыву связей N≡N, образуя токсичные NOx, если не проводить очистку выхлопных газов. [10] Поскольку вода часто считается безвредной для окружающей среды, двигатель, сжигающий ее, можно считать «нулевым уровнем выбросов». Однако в авиации водяной пар, выбрасываемый в атмосферу, способствует глобальному потеплению (в меньшей степени, чем CO 2 ). [11] Жидкий водород также имеет гораздо более высокую удельную энергию, чем бензин, природный газ или дизельное топливо. [12]
Плотность жидкого водорода всего 70,85 кг/м. 3 (при 20 К ), относительная плотность всего 0,07. Хотя удельная энергия более чем в два раза выше, чем у других видов топлива, это дает ему удивительно низкую объемную плотность энергии , во много раз меньшую.
Жидкий водород требует технологии криогенного хранения, такой как специальные термоизолированные контейнеры, и требует особого обращения, обычного для всех криогенных видов топлива . Это похоже на жидкий кислород , но более серьезное . Даже в термоизолированных контейнерах трудно поддерживать такую низкую температуру, и водород будет постепенно утекать (обычно со скоростью 1% в день). [12] ). Он также имеет многие из тех же проблем безопасности, что и другие формы водорода, а также достаточно холоден, чтобы сжижать или даже затвердевать атмосферный кислород, что может представлять опасность взрыва.
Тройная точка водорода находится при 13,81 К. [5] и 7,042 кПа. [13]
Безопасность [ править ]
Из-за низких температур жидкий водород представляет опасность холодовых ожогов . Водород сам по себе биологически инертен, и его единственная опасность для здоровья человека в виде пара — это вытеснение кислорода, приводящее к удушью, а также его очень высокая воспламеняемость и способность детонировать при смешивании с воздухом. Из-за воспламеняемости жидкий водород следует хранить вдали от источников тепла или пламени, если только не предполагается его возгорание. В отличие от газообразного водорода при температуре окружающей среды, который легче воздуха, водород, недавно испарившийся из жидкости, настолько холоден, что тяжелее воздуха и может образовывать легковоспламеняющиеся воздушно-водородные смеси тяжелее воздуха.
См. также [ править ]
- Промышленный газ
- Сжижение газов
- Водородная безопасность
- Сжатый водород
- Криоадсорбция
- Коэффициент расширения
- Бензиновый эквивалент в галлонах
- Слякоть водорода
- Твердый водород
- Металлический водород
- Водородная инфраструктура
- Самолет на водородном двигателе
- Цистерна с жидким водородом
- Цистерна с жидким водородом
- Водородный танкер
Ссылки [ править ]
- ^ Теплофизические свойства водорода , nist.gov, по состоянию на 14 сентября 2012 г.
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б с д Информация, относящаяся к жидкому водороду. Архивировано 17 июля 2009 г. на Wayback Machine , harvard.edu, по состоянию на 12 июня 2009 г.
- ^ СГС: ПОВЕДЕНИЕ 007010
- ^ «У нас есть (ракетная) химия, часть 1» . Блог НАСА . 15 апреля 2016 года . Проверено 3 октября 2021 г.
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б с IPTS-1968 , iupac.org, по состоянию на 1 января 2020 г.
- ^ «Доставка жидкого водорода» . Energy.gov . Проверено 30 июля 2022 г.
- ^ Гардинер, Монтерей (26 октября 2009 г.). Отчет о программе Министерства энергетики США по водороду и топливным элементам: Энергетические потребности для сжатия и сжижения газообразного водорода в связи с потребностями в хранении транспортных средств (PDF) (Отчет). Министерство энергетики США.
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б «Сжижение «постоянных» газов» (конспект лекций в формате PDF) . 2011 . Проверено 16 октября 2017 г.
- ^ Флинн, Томас (2004). Криогенная техника, второе издание, переработанное и расширенное . ЦРК Пресс. п. 401. ИСБН 978-0-203-02699-1 .
- ^ Льюис, Аластер К. (22 июля 2021 г.). «Оптимизация сопутствующих выгод от качества воздуха в водородной экономике: аргументы в пользу водородных стандартов выбросов NOx» . Наука об окружающей среде: Атмосфера . 1 (5): 201–207. дои : 10.1039/D1EA00037C . ISSN 2634-3606 . S2CID 236732702 .
- ^ Ноджуми, Х. (10 ноября 2008 г.). «Оценка выбросов парниковых газов от двигателей самолетов, работающих на водороде и керосине». Международный журнал водородной энергетики . 34 (3): 1363–1369. doi : 10.1016/j.ijhydene.2008.11.017 .
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б Водород как альтернативное топливо. Архивировано 8 августа 2008 г. в Wayback Machine . Almc.army.mil. Проверено 28 августа 2011 г.
- ^ Сенгель, Юнус А. и Тернер, Роберт Х. (2004). Основы наук о тепловых жидкостях , МакГроу-Хилл, с. 78, ISBN 0-07-297675-6