2018-04-24 20:32:27
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H2 - 化学中的氢气 免费编辑 修改义项名

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氢气(Hydrogen)是元素周期表中密度最小的气体。常温常压下是一种极易燃烧,无色透明、无臭无味的气体。

基本信息

  • 中文名

    氢气

  • 外文名

    Hydrogen

  • 化学式

    H₂

  • 解释

    元素周期表中最轻的气体

  • 同位素

    氕、氘、氚

折叠 编辑本段 氢气的化学式

(2应写在H的右下方,即H₂)

氢气(Hydrogen)是世界上最轻的气体。它的密度非常小,只有空气的2/29。所以用氢气充灌的气球,必须用手牢牢捉住。否则,只要一撒手它就会缓缓升上天空。灌好的氢气球,往往过一夜,第二天就飞不起来了。这是因为氢气能钻过橡胶上人眼看不见的小细孔,溜之大吉。不仅如此,在高温、高压下,氢气甚至可以穿过很厚的钢板。要气球能够在空中飘扬,那么就要在气球内的气体密度较小(比空气小)。

发现

1766年由卡文迪许(H.Cavendish)在英国判明。

折叠 编辑本段 氢气标准

工业氢GB/T3634-1995

H2≥99.90%(优等品)

H2≥99.50%(一等品)

H2≥99.00%(合格品)

纯 氢 GB/T7445-1995

H2≥99.99%

高纯氢 GB/T7445-1995

H2≥99.999%

超高纯氢 GB/T7445-1995

H2≥99.9999%

折叠 编辑本段 物理性质

氢气是无色并且密度比空气小的气体(在各种气体中,氢气的密度最小。标准状况下,1升氢气的质量是0.0899克,比空气轻得多)。因为氢气难溶于水,所以可以用排水集气法收集氢气。另外,在101千帕压强下,温度-252.87℃时,氢气可转变成无色的液体;-259.1℃时,变成雪状固体。常温下,氢气的性质很稳定,不容易跟其它物质发生化学反应。但当条件改变时(如点燃、加热、使用催化剂等),情况就不同了。

总结为:

分子式:H2

沸点:-252.77℃(20.38K)

密度:0.09kg/m3 0.0892g/L

相对分子质量:2.016

生产方法:电解、裂解、水煤气等

爆炸极限:4.0%~75.6%

折叠 编辑本段 主要性能

高燃烧性,还原剂,液态温度比氮更低

a. 可燃性:

纯氢的引燃温度为400℃。

氢气在空气里的燃烧,实际上是与空气里的氧气发生反应,生成水。

2H2+O2=2H2O(点燃)

这一反应过程中有大量热放出,是相同条件下汽油的三倍。因此可用作高能燃料,在火箭上使用。我国长征3号火箭就用液氢燃料。

不纯的H2点燃时会发生爆炸。但有一个极限,当空气中所含氢气的体积占混合体积的4%-74.2%时,点燃都会产生爆炸,这个体积分数范围叫爆炸极限

用试管收集一试管氢气,然后用燃着木条放到试管口,如果听到轻微的"噗"声,表明氢气是纯净的。如果听到尖锐的爆鸣声,表明氢气不纯。这时需要重新收集和检验。

如用排气法收集,则要用拇指堵住试管口一会儿,使试管内可能尚未熄灭的火焰熄灭,然后才能再收集氢气(或另取一试管收集)。收集好后,用大拇指赌住试管口移近火焰再移开,看是否有"噗"声,直到试验表明氢气纯净为止。

折叠 编辑本段 还原性

氢气与氧化铜反应,实质是氢气夺取氧化铜中的氧生成水,使氧化铜变为红色的金属铜。

CuO+H2=Cu+H2O(加热)

CO+3H2=CH4+H2O(催化剂)

在这个反应中,氧化铜失去氧变成铜,氧化铜被还原了,即氧化铜发生了还原反应。这种含氧化合物失去氧的反应,叫做还原反应。能夺取含氧化物里的氧,使它发生还原反应是的物质,叫做还原剂。还原剂具有还原性

根据氢气所具有的燃烧性质,它可以作为燃料,可以应用与航天、焊接、军事等方面;根据它的还原性,还可以用于冶炼某些金属材料等方面。

折叠 编辑本段 可燃性

在带尖嘴的导管口点燃纯净的氢气,观察火焰的颜色。然后在火焰上方罩一个冷而干燥的烧杯,过一会儿,我们可以看到,纯净的氢气在空气里安静地燃烧,产生淡蓝色的火焰(氢气在玻璃导管口燃烧时,火焰常略带黄色)。用烧杯罩在火焰的上方时,烧杯壁上有水珠生成,接触烧杯的手能感到发烫。

氢气在空气里燃烧,实际上是氢气跟空气里的氧气发生了化合反应,生成了水并放出大量的热。这个反应的化学方程式是:

2H2+O2=2H2O(点燃)

取一个一端开口,另一端钻有小孔的纸筒(或塑料筒等),用纸团堵住小孔,用向下排空气法收集氢气,使纸筒内充满氢气。把氢气发生装置移开,拿掉堵小孔的纸团,用燃着的木条在小孔处点火,注意有什么现象发生。(做这个实验时,人要离得远些,注意安全。)

我们可以看到,刚点燃时,氢气安静地燃烧,过一小会儿,突然听到"砰"的一声响,爆炸的气浪把纸筒高高掀起。

实验测定,空气里如果混入氢气的体积达到总体积的4%~74.2%,点燃时就会发生爆炸。这个范围叫做氢气的爆炸极限。实际上,任何可燃气体或可燃的粉尘如果跟空气充分混合,遇火时都有可能发生爆炸。因此,当可燃性气体(如氢气、液化石油气、煤气等)发生泄漏时,应杜绝一切火源、火星,以防发生爆炸。

正是由于这个原因,我们在使用氢气时,要特别注意安全。点燃氢气前,一定要检验氢气的纯度。

排水法收集一试管氢气,用拇指堵住,移近火焰,移开拇指点火,如果听到尖锐的爆鸣声,就表明氢气不纯,需要再收集,再检验,直到响声很小,才表明氢气已纯净。如果用向下排空气法收集氢气,经检验不纯而需要再检验时,应该用拇指堵住试管口一会儿,然后再收集氢气检验纯度,否则会发生危险。

因为刚检验过纯度的试管内,氢气火焰可能还没有熄灭,如果立刻就用这个试管去收集氢气,氢气火焰可能会点燃氢气发生器里尚混有空气的氢气,使氢气发生器发生爆炸。用拇指堵住试管口一会儿,就使试管内未熄灭的氢气火焰因缺氧气而熄灭。

折叠 编辑本段 应用

氢是主要的工业原料,也是最重要的工业气体和特种气体,在石油化工、电子工业、冶金工业、食品加工、浮法玻璃、精细有机合成、航空航天等方面有着广泛的应用。同时,氢也是一种理想的二次能源( 二次能源是指必须由一种初级能源如太阳能、煤炭等来制取的能源)。在一般情况下,氢极易与氧结合。这种特性使其成为天然的还原剂使用于防止出现氧化的生产中。在玻璃制造的高温加工过程及电子微芯片的制造中,在氮气保护气氛中加入氢以去除残余的氧。在石化工业中,需加氢通过去硫和氢化裂解来提炼原油。氢的另一个重要的用途是对人造黄油、食用油、洗发精、润滑剂、家庭清洁剂及其它产品中的脂肪氢化。由于氢的高燃料性,航天工业使用液氢作为燃料。

主要应用行业

石油精炼

浮法玻璃

电子

食品

化工生产

航天

汽车业

包装

氢气拖车/瓶组/钢瓶

折叠 编辑本段 贮存和运输

氢的贮运有四种方式可供选择,即气态贮运、液态贮运、金属氢化物贮运和微球贮运。目前,实际应用的只有前三种,微球贮运方式尚在研究中。

折叠 编辑本段 安全环保注意

氢气是一种无色、无嗅、无毒、易燃易爆的气体,和氟、氯、氧、一氧化碳以及空气混合均有爆炸的危险,其中,氢与氟的混合物在低温和黑暗环境就能发生自发性爆炸,与氯的混合比为1:1时,在光照下也可爆炸。氢由于无色无味,燃烧时火焰是透明的,因此其存在不易被感官发现,在许多情况下向氢气中加入乙硫醇,以便感官察觉,并可同时付予火焰以颜色。氢虽无毒,在生理上对人体是惰性的,但若空气中氢含量增高,将引起缺氧性窒息。与所有低温液体一样,直接接触液氢将引起冻伤。液氢外溢并突然大面积蒸发还会造成环境缺氧,并有可能和空气一起形成爆炸混合物,引发燃烧爆炸事故。

折叠 编辑本段 氢气之制取方法

有如下几种方法:[1]

一、电解水制氢

多采用铁为阴极面,镍为阳极面的串联电解槽(外形似压滤机)来电解苛性钾或苛性钠的水溶液。阳极出氧气,阴极出氢气。该方法成本较高,但产品纯度大,可直接生产99.7%以上纯度的氢气。这种纯度的氢气常供:①电子、仪器、仪表工业中用的还原剂、保护气和对坡莫合金的热处理等,②粉末冶金工业中制钨、钼、硬质合金等用的还原剂,③制取多晶硅、锗等半导体原材料,④油脂氢化,⑤双氢内冷发电机中的冷却气等。像北京电子管厂和科学院气体厂就用水电解法制氢。

二、水煤气法制氢

用无烟煤或焦炭为原料与水蒸气在高温时反应而得水煤气(C+H2O→CO+H2-热)。净化后再使它与水蒸气一起通过触媒令其中的CO转化成CO2(CO+H2O→CO2+H2)可得含氢量在80%以上的气体,再压入水中以溶去CO2,再通过含氨蚁酸亚铜(或含氨乙酸亚铜)溶液中除去残存的CO而得较纯氢气,这种方法制氢成本较低产量很大,设备较多,在合成氨厂多用此法。有的还把CO与H2合成甲醇,还有少数地方用80%氢的不太纯的气体供人造液体燃料用。像北京化工实验厂和许多地方的小氮肥厂多用此法。

三、由石油热裂的合成气和天然气制氢

石油热裂副产的氢气产量很大,常用于汽油加氢,石油化工和化肥厂所需的氢气,这种制氢方法在世界上很多国家都采用,在我国的石油化工基地如在庆化肥厂,渤海油田的石油化工基地等都用这方法制氢气

也在有些地方采用(如美国的Bay、way和Batan Rougo加氢工厂等)。

四、焦炉煤气冷冻制氢

把经初步提净的焦炉气冷冻加压,使其他气体液化而剩下氢气。此法在少数地方采用(如前苏联的Ke Mepobo工厂)。

五、电解食盐水的副产氢

氯碱工业中副产多量较纯氢气,除供合成盐酸外还有剩余,也可经提纯生产普氢或纯氢。像化工二厂用的氢气就是电解盐水的副产。

六、酿造工业副产

用玉米发酵丙酮、丁醇时,发酵罐的废气中有1/3以上的氢气,经多次提纯后可生产普氢(97%以上),把普氢通过用液氮冷却到-100℃以下的硅胶列管中则进一步除去杂质(如少量N2)可制取纯氢(99.99%以上),像北京酿酒厂就生产这种副产氢,用来烧制石英制品和供外单位用。

七、铁与水蒸气反应制氢

但品质较差,此系较陈旧的方法现已基本淘汰。

参考资料

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