氢能源开发（今典系列氢氧机，氢氧发生器，水焊机）

氢与氢能源

摘要：氢的存在，早在16世纪就有人注意到了。曾经接触过氢气的不只一个人，但因当时人们接触到的各种气体都笼统的称作“空气”，因此氢气并没有引起人们的注意。1766年卡文迪许发表了一篇《人造空气实验》的研究报告，讲述他用铁、锌等与稀硫酸、稀盐酸等反应制得“易燃空气”（氢气），但因“燃素说”他并不认为这是一种新气体。直至1782年，拉瓦锡才明确提出正确的结论：谁不是元素而是氢和氧的化合物，并把“易燃空气”命名为“H-hydrogen”（氢），并确认它是一种元素。

关键词：原子氢、分子氢、氢化物、氢能源

正文：

1. 原子氢

   氢是周期表中的第一个元素，它在所有元素中具有最简单的原子结构。它是由一个带+1电荷的核和一个轨道电子组成。相较于碱金属，氢不容易失去这个电子，而是使这个电子配对生成一个共价键。在许多反应中，卤素容易获得一个电子而生成负离子，但氢只有在同高电负性的金属反应时才会获得电子而生成负离子。氢的这些独特的性质是由氢的独特的原子结构、氢原子特别小的半径和低的电负性决定的。

   氢有三种同位素：11H（氕，符号H）、12H（氘，符号D）、13H（氚，符号T）。在它们的核中分别有0、1和2个中子，它们的质量数分别为1、2、3，自然界中普通氢内H同位素的丰度最大，H原子的质量分数为99.98%，D为0.016%，T的存在量仅为H的10-17。T是一种不稳定的放射性同位素，半衰期为12.4年。因此，普通氢的性质基本上是氢同位素的性质。

由于氢的这三种同位素具有相同的电子层结构，核外均有一个电子，所以它们的化学性质基本相同，但由于质量相差较大，因而导致它们的单质和化合物在物理性质上的差异，氘的重要性在于它与原子反应堆中重水D2O有关，广泛应用于反应机理的研究和光谱分析。氚可在核聚变反应中作示踪原子。氘和氚的化合物使用电解的方法分离的。对水进行水解，释放H的速度比释放D的速度快6倍。因此残液中D含量增加，反复电解可得到富集了D2O的水或纯D2O，由于D2O比H2O重，故称为重水。

氢和氘的物理性质			由此表可见，D2的熔沸点要比H2高。
物理常数	H2	D2
熔点（K）	14	18
沸点（K）	20	23
融化热（KJ/mol）	117	219
蒸发热（KJ/mol）	904	122.7
升华热（KJ/mol）14K	1029	1427
蒸汽压（mmHg）	54	5.8

D2O和H2O的物理性质			由此表可见，298K时，D2O的密度比H2O大，但溶质在D2O中的溶解度比在H2O中要小。
物理性质	H2O	D2O
密度（g/ml）298K	0.917	1.017
冰点（K）	273	277
沸点（K）	373	374
密度最大时温度（K）	277	285
价电常数（293K）	82	80.5
NaCl溶解度（g/100g水） 298K	35.9	30.5

氢原子的价电子层结构为1s1，电负性为2.2，当氢原子同其他元素的原子化合时，具有下列成键特征：

1) 离子键

当H与电负性很小的活泼金属（如Na、K、Ca等）形成氢化物时，H获得1个电子形成氢负离子。这个离子因具有较大的半径（280pm）而仅存在于离子型化合物的晶体中。

2) 共价键 

a) 两个氢原子能形成一个非极性的共价键，如H2分子；

b) H原子与非金属元素的原子化合时，形成畸形共价键，例如HCl分子。键的极性随非金属原子的电负性增大而增强。

3) 特殊的键型

a) H原子可以填充到许多过渡金属晶格的空隙中，形成一类非整比化合物，一般称之为金属型氢化物，例如ZrH1.30等；

b) 在硼氢化合物（例如B2H6）和某些过渡金属配合物（例如H[Cr(CO)5]2）中均存在着氢桥键；

c) 形成氢键 在含有强极性键的共价氢化物中。近乎裸露的H原子可以定向吸收邻近电负性高的原子（如F、O等）上的孤电子对而形成分子间或分子内的氢键，例如在HF分子中存在着很强的氢键。 

       

1. 分子氢（单质氢）

  若用液态空气冷却普通的氢气，并用活性炭吸附分离，则可得到氢分子的两种变体，即正氢和仲氢。两者的区别在于分子内两个氢原子核的自旋方向不同：两个原子核自旋方向相同的为正氢，反之则为仲氢。这就是自旋异构现象。

  普通氢在室温下含75%正氢和25%仲氢，低温时仲氢含量较多，而在绝对零度是，仲氢含量可达100%。两者化学性质相同，但物理性质有较大差异，这是由它们在内能上由所差异造成的，这也是早成氢分子带光谱上差异的原因。

  单质氢是由两个H原子以共价键形式结合而成的双原子分子，其键长为74pm，氢是已知的最轻气体，无色无臭，几乎不溶于水（273K时1dm3水溶0.02 dm3氢），氢比空气轻14.38倍，具有很大的扩散速度和很高的导热性。将氢冷却至20K时，气态氢可把除氦以外的其它气体冷却而变为固体。在同温同压下，氢气密度最小。分子氢在地球上的丰度很小，但化合氢的丰度却很大。含有氢的化合物比其他任何元素的化合物都多。

  分子氢中H-H键的离解能为436KJ/mol，比一般的单键高许多，相当于一般双键的离解能。因此常温下分子氢不活泼。但氢能在常温下与氟在暗处迅速反应生成HF。高温下，氢气是非常好的还原剂。例如：

a) 氢气能在空气中燃烧生成水，火焰可达3273K左右；

b) 氢气能同卤素、氮气等非金属反应，生成共价型氢化物；

c) 氢气与活泼金属反应，生成金属氢化物；例如：H2+2Na→2NaH

d) 氢气还能还原许多金属氧化物或金属卤化物为金属。

例如： H2+CuO →Cu+H2O

  在有机化学中，氢能使不饱和的碳氢化合物加氢而生成饱和的碳氢化合物，这类反应叫加氢反应。在分子中加入氢即为还原反应。

  氢分子虽然稳定，但在高温下，在电弧中，或进行低压放电，或在紫外线照射下，氢分子能发生离解作用，得到原子氢：H2 → 2H   △H=431KJ/mol

  氢气的制备方法：

1） 实验室方法

a) 化学法   Zn+2HCl → ZnCl2+H2

b) 电解法  采用质量分数为25%的NaOH或KOH溶液作为电解液。

阴极：2H2O+2eˉ →  H2+2OHˉ

阳极：4OHˉ→ O2+2H2O+4eˉ

2） 工业生产方法

a) 碳还原水蒸气    C（赤热）+ H2O → CO+H2

b) 烃类裂解      CH4 → C+2H2

c) 水蒸气转换法    CH4+H2O  → CO+3H2

d) 在石油化学工作中，有烷烃支取烯烃反应的副产物即为氢气，可直接用于合成氨或石油的精细加工等生产中     C2H6  → CH2＝CH2+H2

e) 盐型氢化物与水反应      CaH2+2H2O  → Ca(OH)2+2H2

f) 利用硅的两性性质       Si+Ca(OH)2+2NaOH  → Na2SiO2+CaO+2H2

3. 氢化物

  氢与其他元素形成的二元化合物叫做氢化物。除稀有气体外，大多数元素都能与氢结合生成氢化物。依据元素的电负性不同，可分为三类：

1) 离子型或类盐型氢化物

  周期表中，活泼性最强的碱金属和碱土金属能在较高温度下直接化合，氢获得一个电子成为氢负离子，生成离子型氢化物。离子型氢化物都是白色盐状晶体，常因含少量金属而显灰色。离子型氢化物不同于非水溶剂，但能溶于熔融的碱金属卤化物中。

  离子型氢化物具有较高的反应活性，与水发生激烈反应，放出氢气；而且还是强还原剂，尤其在高温下可还原金属氯化物、氧化物和含氧酸盐；同样在非水溶剂中能与一些缺电子化合物结合生成复合氢化物，此类清华物被广泛应用于有机合物及合成中作为还原剂或在野外用于生氢剂，因为可以与水强烈反应生成氢气。

2) 共价型或分子型氢化物

  周期表中，p区元素单质（除稀有气体、铟、铊外）与氢结合生成的氢化物属共价型氢化物。根据结构中电子数和键数的差异，分为三种存在形式：

a) 缺电子氢化物  第ⅢA族元素B和Al的氢化物属缺电子氢化物；

b) 满电子氢化物  第ⅣA族的C和Si的4个价电子全参与成键，满足8电子构型，形成满电子氢化物；

c) 富电子氢化物  第ⅤA、ⅥA、ⅦA族的氢化物都属于富电子氢化物。例如：NH3、H2O、HF等，中心原子成键后还有剩余未成键的孤电子队。

      p区氢化物属分子型晶体，是由单个的饱和共价分子通过很弱的范德华力或在某情况下通过氢键把分子结合在一起构成的。其熔点、沸点较低，一般条件下多为气体，较软，有挥发性，没有导电性等。

3) 金属型或过渡型氢化物

  周期表中，d区或过渡性金属的钪族、钛族、钒族及铬、镍、钯、镧系和锕系所有元素及s区的Be和Mg，与氢结合生成的二元氢化物，称为过渡型氢化物。具有金属光泽、具有导电性，导电性随氢含量的改变而改变，还表现其他金属特性如磁性等，所以这类氢化物称为金属型氢化物。根据组成，可分为整比化合物，如CrH2、NiH等；及非整比化合物，如VH0.56、TaH0.76等。

4. 氢能源

   二次能源是联系一次能源和能源用户的中间纽带。二次能源可分为过程性能源（如电能）和含能体能源（如柴油和汽油）。作为二次能源的汽油和柴油等的生产完全依靠化石燃料。但随着化石燃料的消耗日益增加，其储量也日益减少，总会枯竭。于是，氢能成为人们期待的新的二次能源。

  作为能源，氢有如下特点：

1) 所有元素中，氢重量最轻。在标准态下，其密度为0.0899g/L；在－252.7℃时，可成为液体，若将压力增大到数百个大气压，液氢克变为金属氢；

2) 所有气体中，氢气的导热性最好，比大多数气体的导热系数高出10倍，因此在能源工业中氢是极好的传热载体；

3) 氢是自然界存在最普遍的元素，据估计它构成了宇宙质量的75%，除空气中有氢气外，它主要以化合物的形态贮存于水中，而水是地球上最广泛的物质。据推算，如把海水中的氢全部提取，所产生的总热量比地球上所有化石燃料放出的热量还打9000倍；

4) 除核燃料外，氢的发热值是所有化石燃料、化工燃料中最高的，为142351KJ/Kg，是汽油发热值的3倍；

5) 氢燃烧性能最好，点燃快，与空气混合时有光泛的可燃范围，且燃点高，燃烧速度快；

6) 氢本身无毒，与其他燃料相比氢燃烧最清洁，除生成水和少量氮化氢外不会产生如CO等对环境有害的污染物质，少量的氮化氢经过适当处理也不会污染环境很大，且生成的水可继续制氢，反复循环利用；

7) 氢能利用形式多，即可燃烧产生热能，又可作为能源材料用于燃料电池或转换成固体氢用作结构材料；

8) 氢可以以气态、液态或固态的金属氢化物出现，能适应贮运及各种应用环境的不同要求。

由此可见，氢是理想的新含能体能源。目前液氢已广泛应用于航天动力的燃料。但氢能的大规模应用还得解决两个关键问题：

1） 廉价的制氢技术。氢的制取不仅需要消耗大量能量，而且目前的效率较低；

2） 安全可靠的贮氢和输氢方法，因为氢易气化、着火和爆炸。

氢能所具有的清洁、无污染、效率高、重量轻和储存及输运性能好、应用形式多等诸多优点，赢得了人们的青睐。利用氢能的途径和方法很多，例如航天器燃料，氢能飞机，氢能汽车，氢能发电，氢介质储能与输运，以及氢能空调，氢能冰箱等，有的正在开发，有的尚在探索中。随着科学技术的进步和氢能系统技术的全面发展，氢能应用范围必将不断扩大，氢能将深入到人类活动的各个方面，直至走进千家万户。

 

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