ПРЕЗЕТАЦИЯ ПО ХИМИИ На тему: «ВОДОРОД»

ПРЕЗЕТАЦИЯ ПО ХИМИИ
На тему: «ВОДОРОД»
Введение.
Водород (Hudrogenium) был открыт в первой половине XVI века
немецким врачом и естествоиспытателем Парацельсом. В 1776 г.
Кавендиш (Англия) установил его свойства и указал отличия от
других газов. Водород имеет три изотопа: протий ¹Н, дейтерий ²Н
или D, тритий ³Н или Т. Их массовые числа равны 1, 2 и 3. Протий и
дейтерий стабильны, тритий – радиоактивен (период полураспада
12,5 лет). В природных соединениях дейтерий и протий в среднем
содержатся в отношении 1:6800 (по числу атомов). Тритий в природе
находится в ничтожно малых количествах.
Ядро атома водорода ¹Н содержит один протон. Ядро дейтерия и
трития включают не только протон, но и один, два нейтрона.
Молекула водорода состоит из двух атомов. Приведем некоторые
свойства, характеризующие атом и молекулу водорода:
Энергия ионизации атома, эВ
Сродство атома к электрону, эВ
Относительная электроотрицательность
Радиус атома, нм
Межъядерное расстояние в молекуле, нм
Стандартная энтальпия диссоциации молекул при 25ºС
13,60
0,75
2,1
0,046
0,0741
436,1
Водород в природе.
Водород встречается в свободном состоянии на Земле лишь в
незначительных количествах. Иногда он выделяется вместе с
другими газами при вулканических извержениях, а также из
буровых скважин при добычи нефти.
Но в виде соединений водород весьма распространен. Это видно
уже из того, что он составляет девятую часть массы воды.
Водород входит в состав всех животных и растительных
организмов, нефти, каменного и бурого углей, природных газов и
ряда минералов. На долю водорода из всей массы земной коры,
считая воду и воздух, приходится около 1%. Однако при пересчете
на проценты от общего числа атомов содержание водорода в
земной коре 17%.
Водород самый распространенный
элемент космоса. На его долю
приходится около половины массы
Солнца и большинства других звезд.
Он содержится в газовых туманностях,
в межзвездном газе, входит в состав
звезд.
В недрах звезд происходит
превращение ядер атомов водорода в
ядра атомов гелия. Этот процесс
протекает с выделением энергии; для
многих звезд, в том числе для Солнца,
он служит главным источником
энергии.
Скорость процесса, т. е. количество
ядер водорода, превращающихся в
ядра гелия в одном кубическом метре
за одну секунду, мала. Поэтому и
количество энергии, выделяющейся за
единицу времени в единице объема,
мало.
Однако, вследствие огромности
массы Солнца, общее количество
энергии, генерируемой и излучаемой
Солнцем, очень велико. Оно
соответствует уменьшению массы
Солнца приблизительно на 4 млн. т в
секунду.
Получение и очистка водорода.
Дорогие способы:
1. Электролиз воды, при котором, пропуская постоянный ток, на катоде
накапливают водород, а на аноде - кислород. Такая технология делает его
слишком дорогим энергоносителем. Поэтому пока водород используется только
для запуска космических аппаратов с водородно-кислородными двигателями.
2. Технология горячей переработки водяного пара при температуре 700-900
°С с участием легкого бензина и тяжелого жидкого топлива, отбирающего
кислород.
Проекты:
3. Предлагается построить в Гренландии несколько грандиозных
электростанций, которые будут использовать талую воду ледников для
производства электроэнергии, а энергия будет на месте затрачиваться на
электролиз для получения водорода, его сжижения и транспортировку по
трубопроводам и в танкерах в Европу и Америку.
4. Использование энергии атомных и специальных солнечных
электростанций для получения водорода путем электролиза воды.
Природные способы получения водорода без
огромных затрат энергии:
5. На поверхности частиц взвесей в
воде существуют адсорбированные и
закрепленные на поверхности
ферменты с высокой специфичностью
каталитического действия. Они
способны расщеплять однуединственную связь в одном из
веществ при очень высокой
активности в обычных условиях.
Иммобилизованные ферменты могут
быть использованы для получения
водорода(«магический порошок»).
6. Возможен также
микробиологический способ
получения водорода. В почве
существует ряд микроорганизмов,
которые выделяют водород в виде
побочного продукта. В случае
решения задачи дешевого получения
водородного топлива и разработки
технологии его накопления, хранения
и транспортировки человечество
получит неиссякаемый источник
экологически чистого энергоносителя,
встроенного в естественную систему
круговорота воды.
Применение водорода:
•
•
•
•
•
•
•
•
синтез аммиака (2NH3 (950 °С) --> N2 + 3H2)
гидрогенизации жиров
гидрировании угля, масел и углеводородов.
синтез соляной кислоты, метилового спирта, синильной кислоты
сварка и ковка металлов
изготовлении ламп накаливания и драгоценных камней
превращения жидких жиров в твердые (гидрогенизация)
производство жидкого топлива гидрогенизацией углей и мазута
Практическое применение водорода
многообразно:
• им обычно заполняют шары-зонды
• в химической промышленности он служит сырьём для получения
многих весьма важных продуктов (аммиака и др.)
• в пищевой - для выработки из раст. масел твёрдых жиров и т. д.
• плавления тугоплавких металлов, кварца и т. п.
• жидкий водород - наиболее эффективное реактивное топливо.
Применение водорода на промышленных
предприятиях Челябинской области.
В металлургии водород используют как восстановитель оксидов или хлоридов для получения
металлов и неметаллов (германия, кремния, галлия, циркония, гафния, молибдена, вольфрама
и др.). Водород находит своё применение на Челябинском, Магнитогорском,
Златоустовском Металлургических Комбинатах, на Челябинском Тракторном Заводе и на
многих др. промышленных предприятиях области.
ГЛАВНЫЕ ПРОБЛЕМЫ ВОДОРОДНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ
Сейчас считается, что основным потребителем водорода будут топливные элементы.
Обусловлено это тем, что в результате экологически чистого процесса соединения водорода с
кислородом получается самая распространенная экологически чистая электрическая
энергия.
Главная проблема в этом деле - высокая стоимость топливных элементов.
Стоимость 1 кВт мощности, производимой топливным элементом около 10 тыс. долл.
Стоимость же 1 кВт мощности, производимой бензиновым эквивалентом, - 3-5
долларов. Это - главная причина, сдерживающая переход на водородную энергетику на
данном этапе её освоения.
Известно, что чем больше катализатор разделит атомов водорода на протоны и электроны,
тем эффективнее идет процесс синтеза электрической энергии. Однако расчеты показывают,
что современные катализаторы разделяют на электроны и протоны лишь около 0,5
% атомов водорода. Фактически это и есть прямой коэффициент полезного
действия топливного элемента. Из этого следует важная задача разработчиков топливных
элементов - увеличение их прямого коэффициента полезного действия.
Наиболее совершенные электролизёры расходуют 4 кВтч электроэнергии на
получение одного кубического метра водорода из воды. При сжигании этого водорода может
выделиться около 3,5 кВтч чистой энергии. Из этого следует, что водород может
стать конкурентно-способным энергоносителем, только если затраты энергии на его
получение из воды понизить до 2 кВт/ч . Это и есть главная задача начального периода
развития водородной энергетики.
Но самый большой резерв снижения затрат энергии на электролиз воды скрыт в процессе
фотосинтеза. Ежегодно при этом процессе из воды выделяются сотни миллионов кубометров
водорода. А что если смоделировать указанный процесс в техническом устройстве? Уже
получены патенты на ряд таких устройств, и их можно увидеть в действии. Конечно, это пока
небольшие малопроизводительные лабораторные модели, но они устойчиво разлагают воду
на водород и кислород при силе тока 0,02-0,03 Ампера. Для поддержания такой модели в
рабочем состоянии, её необходимо периодически подзаряжать. В результате затраты энергии
на получение водорода из воды уменьшаются в несколько раз.
В заключении отмечу, что современная физика и химия не способны решить указанные
задачи, так как они базируются на ошибочных представлениях об орбитальном движении
электронов в атомах.
ВОДОРОД КАК ЭКОЛОГИЧЕСКИ ЧИСТОЕ ТОПЛИВО
Водород является невероятно перспективным
энергоносителем, так как он доступен в практически
неограниченном количестве.
Являясь компонентом воды и всех органических
соединений, водород абсолютно безвреден для окружающей
среды. Водород можно хранить в жидком (при глубоком
охлаждении) или газообразном состоянии, а
транспортировать его относительно просто. Как газ, водород
не ядовит, не имеет цвета и запаха. В жидком состоянии
водород содержит в три раза большее количество энергии,
чем в таком же по массе количестве бензина.
Применение ископаемых источников энергии
приводит к выбросу в атмосферу двуокиси углерода, а
при сгорании водорода образуется практически только
водяной пар. Производимый с помощью
восстанавливаемых источников, водород является
единственным альтернативным видом топлива,
который можно использовать в течение неограниченно
длительного времени.
Безвредность для экологии и независимость от
ископаемых источников энергии являются основными
причинами, по которым компания BMW первой среди
мировых автопроизводителей уже в 80-х годах начала
средне- и долгосрочные разработки автомобилей,
работающих на водороде. Цель — избежать вредных
выбросов в атмосферу и сделать получаемую из
восстанавливаемых источников энергию доступной в
большом количестве.
Сейчас во всем мире производится более 600 миллиардов
кубических метров водорода в год, в Германии — около
30 миллиардов.
Водород и Вселенная.
Слова «дейтерий» и «тритий» напоминают нам о
том, что сегодня человек располагает
мощнейшим источником энергии,
высвобождающейся при реакции
21Н + 31Н 42He + n0 + 17,6 Мэв.
Эта реакция начинается при десяти миллионах
градусов и протекает за ничтожные доли
секунды при взрыве термоядерной бомбы,
причем выделяется гигантское по масштабам
Земли количество энергии.
Водородные бомбы иногда сравнивают с
Солнцем. Однако мы уже видели, что на Солнце
идут медленные и стабильные термоядерные
процессы. Солнце дарует нам жизнь, а
водородная бомба — сулит смерть...
Но когда-нибудь настанет время,— и это время
не за горами,—когда мерилом ценности станет
не золото, а энергия. И тогда изотопы водорода
спасут человечество от надвигающегося
энергетического голода: в управляемых
термоядерных процессах каждый литр
природной воды будет давать столько же
энергии, сколько ее дают сейчас триста литров
бензина. И человечество будет с недоумением
вспоминать, что было время, когда люди
угрожали друг другу животворным источником
тепла и света...