氫氣的制備貯存和運(yùn)輸

【專(zhuān)家解說(shuō)】：哥們，耐心看完下文吧 【氫的發(fā)現(xiàn)和氫的性質(zhì)的研究 】： 在18世紀(jì)末以前，曾經(jīng)有不少人做過(guò)制取氫氣的實(shí)驗(yàn)，所以實(shí)際上很難說(shuō)是誰(shuí)發(fā)現(xiàn)了氫，即使公認(rèn)對(duì)氫的發(fā)現(xiàn)和研究有過(guò)很大貢獻(xiàn)的卡文迪許本人也認(rèn)為氫的發(fā)現(xiàn)不只是他的功勞。早在16世紀(jì)，瑞士著名醫(yī)生帕拉塞斯就描述過(guò)鐵屑與酸接觸時(shí)有一種氣體產(chǎn)生；17世紀(jì)時(shí)，比利時(shí)著名的醫(yī)療化學(xué)派學(xué)者海爾蒙特（van Helmont，J.B.1579-1644）曾偶然接觸過(guò)這種氣體，但沒(méi)有把它離析、收集起來(lái)。 波義耳雖偶然收集過(guò)這種氣體，但并未進(jìn)行研究。他們只知道它可燃，此外就很少了解。1700年，法國(guó)藥劑師勒梅里（Lemery，N.1645-1715）在巴黎科學(xué)院的《報(bào)告》上也提到過(guò)它。最早把氫氣收集起來(lái)，并對(duì)它的性質(zhì)仔細(xì)加以研究的是卡文迪許。 1766年卡文迪許向英國(guó)皇家學(xué)會(huì)提交了一篇研究報(bào)告《人造空氣實(shí)驗(yàn)》，講了他用鐵、鋅等與稀硫酸、稀鹽酸作用制得“易燃空氣”（即氫氣），并用普利斯特里發(fā)明的排水集氣法把它收集起來(lái)，進(jìn)行研究。他發(fā)現(xiàn)一定量的某種金屬分別與足量的各種酸作用，所產(chǎn)生的這種氣體的量是固定的，與酸的種類(lèi)、濃度都無(wú)關(guān)。他還發(fā)現(xiàn)氫氣與空氣混合后點(diǎn)燃會(huì)發(fā)生爆炸；又發(fā)現(xiàn)氫氣與氧氣化合生成水，從而認(rèn)識(shí)到這種氣體和其它已知的各種氣體都不同。但是，由于他是燃素說(shuō)的虔誠(chéng)信徒，按照他的理解：這種氣體燃燒起來(lái)這么猛烈，一定富含燃素；硫磺燃燒后成為硫酸，那么硫酸中是沒(méi)有燃素的；而按照燃素說(shuō)金屬也是含燃素的。所以他認(rèn)為這種氣體是從金屬中分解出來(lái)的，而不是來(lái)自酸中。他設(shè)想金屬在酸中溶解時(shí)，“它們所含的燃素便釋放出來(lái)，形成了這種可燃空氣”。他甚至曾一度設(shè)想氫氣就是燃素，這種推測(cè)很快就得以當(dāng)時(shí)的一些杰出化學(xué)家舍勒、基爾萬(wàn)（Kirwan，R.1735-1812）等的贊同。由于把氫氣充到膀胱氣球中，氣球便會(huì)徐徐上升，這種現(xiàn)象當(dāng)時(shí)曾被一些燃素學(xué)說(shuō)的信奉者們用來(lái)作為他們“論證”燃素具有負(fù)重量的根據(jù)。但卡文迪許究竟是一位非凡的科學(xué)家，后來(lái)他弄清楚了氣球在空氣中所受浮力問(wèn)題，通過(guò)精確研究，證明氫氣是有重量的，只是比空氣輕很多。他是這樣做實(shí)驗(yàn)的：先把金屬和裝有酸的燒瓶稱(chēng)重，然后將金屬投入酸中，用排水集氣法收集氫氣并測(cè)體積，再稱(chēng)量反應(yīng)后燒瓶及內(nèi)裝物的總量。這樣他確定了氫氣的比重只是空氣的9%.但這些化學(xué)家仍不肯輕易放棄舊說(shuō)，鑒于氫氣燃燒后會(huì)產(chǎn)生水，于是他們改說(shuō)氫氣是燃素和水的化合物。 水的合成否定了水是元素的錯(cuò)誤觀念，在古希臘：恩培多克勒提出，宇宙間只存在火、氣、水、土四種元素，它們組成萬(wàn)物。從那時(shí)起直到18世紀(jì)70年代，人們一直認(rèn)為水是一種元素。1781年，普利斯特里將氫氣和空氣放在閉口玻璃瓶中，用電火花引爆，發(fā)現(xiàn)瓶的內(nèi)壁有露珠出現(xiàn)。同年卡文迪許也用不同比例的氫氣與空氣的混合物反復(fù)進(jìn)行這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，確認(rèn)這種露滴是純凈的水，表明氫是水的一種成分。這時(shí)氧氣業(yè)已發(fā)現(xiàn)，卡文迪許又用純氧代替空氣進(jìn)行試驗(yàn)，不僅證明氫和氧化合成水，而且確認(rèn)大約2份體積的氫與1份體積的氧恰好化合成水（發(fā)表于1784年）。這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果本已毫無(wú)疑義地證明了水是氫和氧的化合物，而不是一種元素，但卡文迪許卻和普利斯特里一樣，仍堅(jiān)持認(rèn)為水是一種元素，氧是失去燃素的水，氫則是含有過(guò)多燃素的水。他用下式表示“易燃空氣”（氫）的燃燒： （水＋燃素）＋ （水－燃素）—→水 易燃空氣（氫） 失燃素空氣（氧） 1782年，拉瓦錫重復(fù)了他們的實(shí)驗(yàn)，并用紅熱的槍筒分解了水蒸汽，明確提出正確的結(jié)論：水不是元素而是氫和氧的化合物，糾正了兩千多年來(lái)把水當(dāng)做元素的錯(cuò)誤概念。1787年，他把過(guò)去稱(chēng)作“易燃空氣”的這種氣體命名為“H-ydrogne”（氫），意思是“產(chǎn)生水的”，并確認(rèn)它是一種元素。 【氫氣分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)】： 工業(yè)氫GB/T3634-1995 H2≥99.90%（優(yōu)等品） H2≥99.50%（一等品） H2≥99.00%（合格品） 純 氫 GB/T7445-1995 H2≥99.99% 高純氫 GB/T7445-1995 H2≥99.999% 超高純氫 GB/T7445-1995 H2≥99.9999% 氫氣的產(chǎn)生由水通電產(chǎn)生氫氣和氧氣 【氫氣制備】： 一 原始?xì)錃馍a(chǎn)方法： 原始?xì)錃馐怯钪娲蟊ㄓ稍剂Ｗ有纬傻臍錃?，大部分分布在宇宙空間內(nèi)和大的星球中，是恒星的核燃料，是組成宇宙中各種元素及物質(zhì)的初始物質(zhì)。地球上沒(méi)有原始?xì)錃庖驗(yàn)榈厍虻囊κ`不了它。只有它的化合物。 二人造氫氣生產(chǎn)方法： 可分為以下幾種啟普發(fā)生器制氫氣 ⒈ 工業(yè)氫氣生產(chǎn)方法： ⑴由煤和水生產(chǎn)氫氣（生產(chǎn)設(shè)備煤氣發(fā)生設(shè)備，變壓吸附設(shè)備） ⑵有裂化石油氣生產(chǎn)（生產(chǎn)設(shè)備裂化設(shè)備，變壓吸附設(shè)備，脫碳設(shè)備） ⑶電解水生產(chǎn)（生產(chǎn)設(shè)備電解槽設(shè)備） ⑷工業(yè)廢氣。 ⒉民用氫氣生產(chǎn)方法： ⑴氨分解（生產(chǎn)設(shè)備汽化爐，分解爐，變壓吸附設(shè)備） ⑵由活潑金屬與酸（生產(chǎn)設(shè)備不銹鋼或玻璃容器設(shè)備） ⑵強(qiáng)堿與鋁或硅（生產(chǎn)設(shè)備充氫氣球機(jī)設(shè)備）一般生產(chǎn)氫氣球都用此方法。 ⒊試驗(yàn)室氫氣生產(chǎn)方法： 硫酸與鋅粒（生產(chǎn)設(shè)備啟普發(fā)生器） 4.其他 (1)由重水電解。 (2)由液氫低溫精鎦。 三、實(shí)驗(yàn)室制法 1.用強(qiáng)酸與活潑金屬反應(yīng)，如Zn+H2SO4=ZnSO4+H2↑ 2.用堿金屬與水反應(yīng)，如2Na+2H2O=2NaOH+H2↑ 四、工業(yè)制法 1.利用電解飽和食鹽水產(chǎn)生氫氣，如2NaCl+2H2O=2NaOH+Cl2↑+H2↑ 2.工業(yè)上用水和紅熱的碳反應(yīng) 3.用鋁和氫氧化鈉反應(yīng)制取: 2Al+2NaOH+2H2O=2NaAlO2+3H2↑ 五、制取氫氣的新方法 盛有氫氣的集氣瓶的放置方法1.用氧化亞銅作催化劑從水中制取氫氣。 2.用新型的鉬的化合物從水中制取氫氣。 3.用光催化劑反應(yīng)和超聲波照射把水完全分解的方法。 4.陶瓷跟水反應(yīng)制取氫氣。 5.生物質(zhì)快速裂解油制取氫氣。 6.從微生物中提取的酶制氫氣。 7.用細(xì)菌制取氫氣。 8.用綠藻生產(chǎn)氫氣。 9.有機(jī)廢水發(fā)酵法生物制氫氣。 10.利用太陽(yáng)能從生物質(zhì)和水中制取氫氣。 利用太陽(yáng)能從生物質(zhì)和水中制取氫氣是最佳的制取氫氣的方法。理由是太陽(yáng)能能量巨大、取之不盡、用之不竭、而且清潔、無(wú)污染、不需要開(kāi)采、運(yùn)輸。怎樣制取氫氣的成本就大大降低。 11.用二氧化鈦?zhàn)鞔呋瘎?在激光的照射下,讓水分解成氫氣和氧氣. 【包裝、貯存和運(yùn)輸】： 包裝方式：氫氣拖車(chē)/瓶組/鋼瓶 運(yùn)輸方式：氫的貯運(yùn)有四種方式可供選擇，即氣態(tài)貯運(yùn)、液態(tài)貯運(yùn)、金屬氫化物貯運(yùn)和微球貯運(yùn)。目前，實(shí)際應(yīng)用的只有前三種，微球貯運(yùn)方式尚在研究。 安全注意事項(xiàng) 氫氣是一種無(wú)色、無(wú)嗅、無(wú)毒、易燃易爆的氣體，和氟、氯、氧、一氧化碳以及空氣混合均有爆炸的危險(xiǎn)，其中，氫與氟的混合物在低溫和黑暗環(huán)境就能發(fā)生自發(fā)性爆炸，與氯的混合比為1：1時(shí)，在光照下也可爆炸。氫由于無(wú)色無(wú)味，燃燒時(shí)火焰是透明的，因此其存在不易被感官發(fā)現(xiàn)，在許多情況下向氫氣中加入乙硫醇，以便感官察覺(jué)，并可同時(shí)付予火焰以顏色。氫雖無(wú)毒，在生理上對(duì)人體是惰性的，但若空氣中氫含量增高，將引起缺氧性窒息。與所有低溫液體一樣，直接接觸液氫將引起凍傷。液氫外溢并突然大面積蒸發(fā)還會(huì)造成環(huán)境缺氧，并有可能和空氣一起形成爆炸混合物，引發(fā)燃燒爆炸事故。 【氫氣主要性能】： 高燃燒性，還原劑，液態(tài)溫度比氮更低 a. 可燃性： 純氫的引燃溫度為400℃。 氫氣在空氣里的燃燒，實(shí)際上是與空氣里的氧氣發(fā)生反應(yīng)，生成水。 2H2+O2=2H2O(點(diǎn)燃) 這一反應(yīng)過(guò)程中有大量熱放出，火焰呈淡藍(lán)色。燃燒時(shí)放出熱量是相同條件下汽油的三倍。因此可用作高能燃料，在火箭上使用。我國(guó)長(zhǎng)征3號(hào)火箭就用液氫燃料。 不純的H2點(diǎn)燃時(shí)會(huì)發(fā)生爆炸。但有一個(gè)極限，當(dāng)空氣中所含氫氣的體積占混合體積的4％－74.2%時(shí)，點(diǎn)燃都會(huì)產(chǎn)生爆炸，這個(gè)體積分?jǐn)?shù)范圍叫爆炸極限。 用試管收集一試管氫氣，然后用燃著木條放到試管口，如果聽(tīng)到輕微的“噗”聲，表明氫氣是純凈的。如果聽(tīng)到尖銳的爆鳴聲，表明氫氣不純。這時(shí)需要重新收集和檢驗(yàn)。 如用排氣法收集，則要用拇指堵住試管口一會(huì)兒，使試管內(nèi)可能尚未熄滅的火焰熄滅，然后才能再收集氫氣（或另取一試管收集）。收集好后，用大拇指 堵住試管口移近火焰再移開(kāi)，看是否有“噗”聲，直到試驗(yàn)表明氫氣純凈為止。 氫氣在空氣中燃燒會(huì)發(fā)出淡藍(lán)色的火焰，其裝置就是直接在玻璃尖管中點(diǎn)燃，那么我們真的能看到淡藍(lán)色的火焰嗎？ 在玻璃里，含鈉離子，而鈉離子的焰色卻是黃色的，所以，用上述方法只能看到黃色的火焰，卻不能看到淡藍(lán)色的火焰。如果要實(shí)現(xiàn)淡藍(lán)色的火焰，可采取以下方法： 方法一：用石英導(dǎo)管(天價(jià)，不適于普通中學(xué)的實(shí)驗(yàn)室) 方法二：用銅管(具有欺騙成分，因?yàn)殂~元素的焰色為綠色，而且銅能導(dǎo)熱，對(duì)用橡皮管連接銅管，點(diǎn)燃時(shí)會(huì)影響氣密性) 方法三：由于黃色火焰是玻璃中的鈉離子造成的，那么我們可以用類(lèi)似于用焰色反應(yīng)檢驗(yàn)鉀元素一樣透過(guò)鈷玻璃看火焰就可以排除鈉的干擾了。 b. 還原性 氫氣與氧化銅反應(yīng)，實(shí)質(zhì)是氫氣奪取氧化銅中的氧生成水，使氧化銅變?yōu)榧t色的金屬銅。 CuO+H2=Cu+H2O(加熱) CO+3H2=CH4+H2O(催化劑) 在這個(gè)反應(yīng)中，氧化銅失去氧變成銅，氧化銅被還原了，即氧化銅發(fā)生了還原反應(yīng)。這種含氧化合物失去氧的反應(yīng)，叫做還原反應(yīng)。能奪取含氧化物里的氧，使它發(fā)生還原反應(yīng)是的物質(zhì)，叫做還原劑。還原劑具有還原性。 根據(jù)氫氣所具有的燃燒性質(zhì)，它可以作為燃料，可以應(yīng)用與航天、焊接、軍事等方面；根據(jù)它的還原性，還可以用于冶煉某些金屬材料等方面。 此外，氫氣與有機(jī)物的加成反應(yīng)也體現(xiàn)了氫氣的還原性，如 CH2＝CH2+H2→CH3CH3 1）還原裝置 ①試管口應(yīng)略向下傾斜 ②通入氫氣的導(dǎo)管應(yīng)伸入試管底部 ③試管口不能用橡皮塞塞緊 ④用酒精燈外焰加熱 2）實(shí)驗(yàn)操作 ①實(shí)驗(yàn)前應(yīng)先通一會(huì)兒純凈的氫氣，然后開(kāi)始加熱 ②實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，先撤走酒精燈，繼續(xù)通氫氣，直至試管冷卻為止。 簡(jiǎn)記為“兩先兩后，先通氫后上燈，先移燈后停氫?！?/div>