常溫常壓下,氫氣是一種極易燃燒,無色透明、無臭無味且難溶于水的氣體。氫氣是世界上已知的密度最小的氣體,氫氣的密度只有空氣的1/14,即在0 ℃時,一個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下,氫氣的密度為0.0899 g/L。所以氫氣可作為飛艇、氫氣球的填充氣體(由于氫氣具有可燃性,安全性不高,飛艇現(xiàn)多用氦氣填充)。氫氣是相對分子質(zhì)量最小的物質(zhì),主要用作還原劑。
氫氣 (H2) 最早于16世紀(jì)初被人工制備,當(dāng)時使用的方法是將金屬置于強酸中。1766–1781年,亨利·卡文迪許發(fā)現(xiàn)氫元素,氫氣燃燒生成水(2H?+O?點燃=2H?O),拉瓦錫根據(jù)這一性質(zhì)將該元素命名為 “hydrogenium”(“生成水的物質(zhì)”之意,"hydro"是“水”,"gen"是“生成”,"ium"是元素通用后綴)。19 世紀(jì)50 年代英國醫(yī)生合信(B.Hobson)編寫《博物新編》(1855 年)時,把"hydrogen"翻譯為“輕氣”,意為最輕氣體。
工業(yè)上一般從天然氣或水煤氣制氫氣,而不采用高耗能的電解水的方法。制得的氫氣大量用于石化行業(yè)的裂化反應(yīng)和生產(chǎn)氨氣。氫氣分子可以進(jìn)入許多金屬的晶格中,造成“氫脆”現(xiàn)象,使得氫氣的存儲罐和管道需要使用特殊材料(如蒙耐爾合金),設(shè)計也更加復(fù)雜。
2018年2月,中國實現(xiàn)氫氣的低溫制備和存儲,榮獲科技部2017年度中國科學(xué)十大進(jìn)展。
- 中文名:氫氣
- 英文名:hydrogen
- 別 稱:純氫、液氫
- 化學(xué)式:H?
- 分子量:2.01588
- CAS登錄號:1333-74-0
- EINECS登錄號:215-605-7
- 熔 點:-259.2℃(14.01K)
- 沸 點:-252.77℃(20.28K)
- 水溶性:難溶于水
- 密 度:0.0899g/L
- 外 觀:無色
- 閃 點:可燃?xì)怏w,閃點無意義
- 應(yīng) 用:工業(yè)、氫氣球、氫能
- 安全性描述:無毒
- 危險性描述:易燃易爆
- 學(xué) 科:化學(xué)
研究歷史
1766年由卡文迪許(H.Cavendish)在英國發(fā)現(xiàn)。
在化學(xué)史上,人們把氫元素的發(fā)現(xiàn)與“發(fā)現(xiàn)和證明了水是氫和氧的化合物而非元素”這兩項重大成就,主要歸功于英國化學(xué)家和物理學(xué)家卡文迪許(Cavendish,H.1731-1810)。
在化學(xué)史上,有一個與這些論文稿有關(guān)的有趣的故事。卡文迪許1785年做過一個實驗,他將電火花通過尋常空氣和氧氣的混合體,想把其中的氮全部氧化掉,產(chǎn)生的二氧化氮用苛性鉀吸收。實驗做了三個星期,最后殘留下一小氣泡不能被氧化。他的實驗記錄保存在留下的文稿中,后面寫道:“空氣中的濁氣不是單一的物質(zhì)(氮氣),還有一種不與脫燃素空氣(氧)化合的濁氣,總量不超過全部空氣的1/12.一百多年后,1892年,英國劍橋大學(xué)的物理學(xué)家瑞利(Ragleigh,L.1842-1919)測定氮的密度時,發(fā)現(xiàn)從空氣得來的氮比從氨氧化分解產(chǎn)生的氮每升重0.0064克,百思不得其解。化學(xué)家萊姆塞(Ramsay,W.1852-1916)認(rèn)為來自空氣的氮氣里面能含有一種較重的未知氣體。這時,化學(xué)教授杜瓦(Duvel,J.1842-1923)向他們提到劍橋大學(xué)的老前輩卡文迪許的上述實驗和小氣泡之謎。他們立即把卡文迪許的科學(xué)資料借來閱讀,瑞利重復(fù)了卡文迪許當(dāng)年的實驗,很快得到了小氣泡。萊姆塞設(shè)計了一個新的實驗,除去空氣中的水蒸氣、二氧化碳、氧氣和氮氣后,也得到了這種氣體,密度比氮氣大,用分光鏡檢查后,肯定這是一種新的元素,取名氬。這樣,卡文迪許當(dāng)年的工作在1894年元素氬的發(fā)現(xiàn)中起了重要作用。從這個故事可看出卡文迪許嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目蒲凶黠L(fēng)和他對化學(xué)的重大貢獻(xiàn)。1871年,劍橋大學(xué)建立了一座物理實驗室,以卡文迪許的名字命名,這就是著名的卡文迪許實驗室,它在幾十年內(nèi),一直是世界現(xiàn)代物理學(xué)的一個重要研究中心。
在18世紀(jì)末以前,曾經(jīng)有不少人做過制取氫氣的實驗,所以實際上很難說是誰發(fā)現(xiàn)了氫,即使公認(rèn)對氫的發(fā)現(xiàn)和研究有過很大貢獻(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鐵屑與酸接觸時有一種氣體產(chǎn)生;17世紀(jì)時,比利時著名的醫(yī)療化學(xué)派學(xué)者海爾蒙特(van Helmont,J.B.1579-1644)曾偶然接觸過這種氣體,但沒有把它離析、收集起來;波義耳雖偶然收集過這種氣體,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,法國藥劑師勒梅里(Lemery,N.1645-1715)在巴黎科學(xué)院的《報告》上也提到過它。
但是,最早把氫氣收集起來,并對它的性質(zhì)仔細(xì)加以研究的是卡文迪許。
1766年卡文迪許向英國皇家學(xué)會提交了一篇研究報告《人造空氣實驗》,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,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、濃度都無關(guān)。他還發(fā)現(xiàn)氫氣與空氣混合后點燃會發(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,由于他是燃素說的虔誠信徒,按照他的理解:這種氣體燃燒起來這么猛烈,一定富含燃素;硫磺燃燒后成為硫酸,那么硫酸中是沒有燃素的;而按照燃素說金屬也是含燃素的。所以他認(rèn)為這種氣體是從金屬中分解出來的,而不是來自酸中。他設(shè)想金屬在酸中溶解時,“它們所含的燃素便釋放出來,形成了這種可燃空氣”。他甚至曾一度設(shè)想氫氣就是燃素,這種推測很快就得以當(dāng)時的一些杰出化學(xué)家舍勒、基爾萬(Kirwan,R.1735-1812)等的贊同。由于把氫氣充到氣球中,氣球便會徐徐上升,這種現(xiàn)象當(dāng)時曾被一些燃素學(xué)說的信奉者們用來作為他們“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,后來他弄清楚了氣球在空氣中所受浮力問題,通過精確研究,證明氫氣是有重量的,只是比空氣輕很多。他是這樣做實驗的:先把金屬和裝有酸的燒瓶稱重,然后將金屬投入酸中,用排水集氣法收集氫氣并測體積,再稱量反應(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,鑒于氫氣燃燒后會產(chǎn)生水,于是他們改說氫氣是燃素和水的化合物。
水的合成否定了水是元素的錯誤觀念,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,它們組成萬物。從那時起直到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)行這項實驗,確認(rèn)這種露滴是純凈的水,表明氫是水的一種成分。這時氧氣也已發(fā)現(xiàn),卡文迪許又用純氧代替空氣進(jìn)行試驗,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)。這些實驗結(jié)果本已毫無異議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,仍堅持認(rèn)為水是一種元素,氧是失去燃素的水,氫則是含有過多燃素的水。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)了他們的實驗,并用紅熱的槍筒分解了水蒸氣,明確提出正確的結(jié)論:水不是元素而是氫和氧的化合物,糾正了兩千多年來把水當(dāng)做元素的錯誤概念。1787年,他把過去稱作“易燃空氣”的這種氣體命名為“Hydrogen”(氫),意思是“產(chǎn)生水的”,并確認(rèn)它是一種元素。
物理性質(zhì)
氫氣是無色并且密度比空氣小的氣體(在各種氣體中,氫氣的密度最小。標(biāo)準(zhǔn)狀況下,1升氫氣的質(zhì)量是0.0899克,相同體積比空氣輕得多)。因為氫氣難溶于水,所以可以用排水集氣法收集氫氣。另外,在101千帕壓強下,溫度-252.87 ℃時,氫氣可轉(zhuǎn)變成淡藍(lán)色的液體;-259.1 ℃時,變成雪狀固體。常溫下,氫氣的性質(zhì)很穩(wěn)定,不容易跟其它物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。但當(dāng)條件改變時(如點燃、加熱、使用催化劑等),情況就不同了。如氫氣被鈀或鉑等金屬吸附后具有較強的活性(特別是被鈀吸附)。金屬鈀對氫氣的吸附作用最強。當(dāng)空氣中的體積分?jǐn)?shù)為4%-75%時,遇到火源,可引起爆炸。
氫氣是無色無味的氣體,標(biāo)準(zhǔn)狀況下密度是0.09克/升(最輕的氣體),難溶于水。在-252 ℃,變成無色液體,-259 ℃時變?yōu)檠┗罟腆w。
沸點 |
-252.77 ℃(20.38 K)
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熔點
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-259.2 ℃
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密度
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0.0899 g/L
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氣液容積比
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974 L/L(15℃,100kPa) |
相對分子質(zhì)量 | 2.0157 | 臨界溫度 | -234.8 ℃ |
生產(chǎn)方法 | 電解水、裂解、煤制氣等 | 臨界壓力 | 1664.8 kPa |
三相點 | -254.4 ℃ |
空氣中的燃燒界限
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5%~75%(體積)
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熔化熱
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48.84 kJ/kg(-254.5℃,平衡態(tài)) |
表面張力
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3.72 mN/m(平衡態(tài),-252。8℃) |
熱值 | 1.4*10^8 J/kg(2.82*10^5 J/mol) |
折射系數(shù)
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1.0001265(101.325kPa,25℃) |
比熱比
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Cp/Cv=1.40(101.325kPa,25℃,氣體) |
易燃性級別
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4
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易爆性級別
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1
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毒性級別
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0
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汽化熱:305 kJ/kg(△Hv ,-249.5℃)
臨界密度:66.8 kg/m3
氣體密度:0.0899 kg/m3(101.325kPa,0℃)
比容:11.12 m3/kg(101.325kPa,21.2℃)
導(dǎo)熱系數(shù):
0.1289 w/(m·K)(氣體101.325 kPa,0 ℃)、1264 W/(m·K)(液體,-252.8 ℃)
比熱容:
Cp=14.30 kJ/(kg·K),
Cv=10.21 kJ/(kg·K)(101.325kPa,25℃,氣體)
蒸氣壓力:
10.67 kPa(正常態(tài),17.703)
53.33 kPa(正常態(tài),21.621)
119.99 kPa(正常態(tài),24.249 K)
粘度:
0.010 lmPa·S(氣體,正常態(tài))
101.325 kPa (0 ℃)
0.040 mPa·s(液體,平衡態(tài),-252.8 ℃)
重氫在常溫常壓下為無色無嗅無毒可燃性氣體,是普通氫的一種穩(wěn)定同位素。它在通常水的氫中含0.0139%~0.0157%。其化學(xué)性質(zhì)與普通氫完全相同。但質(zhì)量大些,反應(yīng)速度小一些。
化學(xué)性質(zhì)
氫氣常溫下性質(zhì)穩(wěn)定,在點燃或加熱的條件下能多跟許多物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。
①可燃性(可在氧氣中或氯氣中燃燒):2H2+O2=點燃=2H2O(化合反應(yīng))
(點燃不純的氫氣要發(fā)生爆炸,點燃?xì)錃馇氨仨汄灱儯嗨频模ㄖ貧洌┰谘鯕庵悬c燃可以生成重水(D2O))
H2+Cl2=點燃=2HCl(化合反應(yīng))
H2+F2=2HF(氫氣與氟氣混合立刻爆炸,生成氟化氫氣體)
②還原性(使某些金屬氧化物還原)
H2+CuO
Cu+H2O(置換反應(yīng))

3H2+Fe2O3=高溫=2Fe+3H2O(置換反應(yīng))
3H2+WO3
W+3H2O(置換反應(yīng))

共價化合物
雖然氫氣在通常狀態(tài)下不是非常活潑,但氫元素與絕大多數(shù)元素能組成化合物。碳?xì)浠衔镆阎袛?shù)以百萬種,但它們無法由氫氣和碳直接化合得到。氫氣與電負(fù)性較強的元素(如鹵素)反應(yīng),在這些化合物中氫的氧化態(tài)為+1。氫與氟、氧、氮成鍵時,可生成一種較強的非共價的鍵,稱為氫鍵。氫鍵對許多生物分子具有重要意義。 氫也與電負(fù)性較低的元素(如活潑金屬)生成化合物,這時氫的氧化態(tài)通常為 -1,這樣的化合物稱為氫化物。
氫與碳形成的化合物,由于其與生物的關(guān)系,通常被稱為有機物,研究有機物的學(xué)科稱為有機化學(xué),而研究有機物在生物中所起的作用的科學(xué)稱為生物化學(xué)。按某些定義,“有機”只要求含有碳。但大多數(shù)含碳的化合物通常都含有氫。這些化合物的獨特性質(zhì)主要是由碳?xì)滏I決定的。故有時有機物的定義要求物質(zhì)含有碳?xì)滏I。
無機化學(xué)中,H- 可以作為橋接配體,連接配合物中的兩個金屬原子。這樣的特性通常在13族元素中體現(xiàn),尤以硼烷、鋁配合物和碳硼烷中。
離子型氫化物
含有氫元素的離子化合物稱離子型氫化物。“氫化物”一詞暗含氫顯負(fù)價,且其氧化態(tài)為-1的意思。氫負(fù)離子記做H-,其存在是1916年由吉爾伯特·路易斯預(yù)言的。1920年Moers用電解氫化鋰,在陽極產(chǎn)生氫氣,從而證明了離子型氫化物的存在。
質(zhì)子與質(zhì)子酸
對氫原子的氧化,也即讓氫原子失去其電子,即可得到H+(氫離子)。氫離子不含電子,由于氫原子通常不含中子,故氫離子通常只含1個質(zhì)子。這也就是為什么常將H+直接稱為質(zhì)子的原因。H+是酸堿理論的重要離子。
裸露的質(zhì)子H+不能直接在溶液或離子晶體中存在,這是由氫離子和其他原子、分子不可抗拒的吸引力造成的。除非在等離子態(tài)物質(zhì)中,氫離子不會脫離分子或原子的電子云。但是,“質(zhì)子”或“氫離子”這個概念有時也指帶有一個質(zhì)子的其他粒子,通常也記做“H+”。
為了避免認(rèn)為溶液中存在孤立的氫離子,一般在水溶液中將水和氫離子構(gòu)成的離子稱為水合氫離子(H3O+)。但這也只是一種理想化的情形。氫離子在水溶液中事實上以類似于H9O4+的形式存在。
盡管在地球上少見,H3+離子(質(zhì)子化分子氫)卻是宇宙中最常見的離子之一。
可燃性
氫氣是一種極易燃的氣體,燃點只有574℃,在空氣中的體積分?jǐn)?shù)為4%至75%時都能燃燒。氫氣燃燒的焓變?yōu)?minus;286 kJ/mol:
2 H2(g) + O2(g) → 2 H2O(l); ΔH = -572 kJ/mol
氫氣占4.1%至74.8%的濃度時與空氣混合,或占18.3%至59激下易引爆。氫氣的著火點為500 °C。純凈的氫氣與氧氣的混合物燃燒時放出紫外線。
因為氫氣比空氣輕,所以氫氣的火焰傾向于快速上升,故其造成的危害小于碳?xì)浠衔锶紵奈:Α錃馀c所有的氧化性元素單質(zhì)反應(yīng)。氫氣在常溫下可自發(fā)的和氯氣(需要光照)反應(yīng) ,氫氣和氟氣在冷暗處混合就可爆炸,生成具有潛在危險性的酸氯化氫或氟化氫。
在帶尖嘴的導(dǎo)管口點燃純凈的氫氣,觀察火焰的顏色。然后在火焰上方罩一個冷而干燥的燒杯,過一會兒,我們可以看到,純凈的氫氣在空氣里安靜地燃燒,產(chǎn)生淡藍(lán)色的火焰(氫氣在玻璃導(dǎo)管口燃燒時,火焰常略帶黃色)。用燒杯罩在火焰的上方時,燒杯壁上有水珠生成,接觸燒杯的手能感到發(fā)燙。
氫氣在空氣里燃燒,實際上是氫氣跟空氣里的氧氣發(fā)生了化合反應(yīng),生成了水并放出大量的熱。這個反應(yīng)的化學(xué)方程式是:
2H2+O2=點燃=2H2O
反過來,氫氣可以用電解水的方式制備。這個反應(yīng)的化學(xué)方程式是:
H2O=H++OH-
H++e-=H
2H=H2
OH--e-=OH
2OH=H2O2
2H2O2=2H2O+O2
總的化學(xué)方程式是:2H2O=通電=2H2↑+O2↑
取一個一端開口,另一端鉆有小孔的紙筒(或塑料筒等),用紙團堵住小孔,用向下排空氣法收集氫氣,使紙筒內(nèi)充滿氫氣。把氫氣發(fā)生裝置移開,拿掉堵小孔的紙團,用燃著的木條在小孔處點火,注意有什么現(xiàn)象發(fā)生。(做這個實驗時,人要離得遠(yuǎn)些,注意安全。)
我們可以看到,剛點燃時,氫氣在小孔處安靜地燃燒,過一小會兒,突然聽到“砰”的一聲響,爆炸的氣浪把紙筒頂部高高炸起。
實驗測定,空氣里如果混入氫氣的體積達(dá)到總體積的4%~74.2%,點燃時就會發(fā)生爆炸。這個范圍叫做氫氣的爆炸極限。實際上,任何可燃?xì)怏w或可燃的粉塵如果跟空氣充分混合,遇火時都有可能發(fā)生爆炸。因此,當(dāng)可燃性氣體(如氫氣、液化石油氣、煤氣等)發(fā)生泄漏時,應(yīng)杜絕一切火源、火星,禁止產(chǎn)生電火花,以防發(fā)生爆炸。
正是由于這個原因,我們在使用氫氣時,要特別注意安全。點燃?xì)錃馇埃欢ㄒ獧z驗氫氣的純度。
用排水法收集一試管氫氣,管口朝下,用拇指堵住,試管口移近火焰,移開拇指點火,如果聽到尖銳的爆鳴聲,就表明氫氣不純,需要再收集,再檢驗,直到響聲很小,只有“撲”的一聲或幾乎無聲才表明氫氣已較為純凈,可以安全進(jìn)行實驗。如果用向下排空氣法收集氫氣,經(jīng)檢驗不純而需要再檢驗時,應(yīng)該用拇指堵住試管口一會兒,然后再收集氫氣檢驗純度,否則會發(fā)生爆炸的危險。因為剛檢驗過純度的試管內(nèi),氫氣火焰可能還沒有熄滅,如果立刻就用這個試管去收集氫氣,氫氣火焰可能會點燃?xì)錃獍l(fā)生器里尚混有空氣的氫氣,使氫氣發(fā)生器發(fā)生爆炸。用拇指堵住試管口一會兒,就使試管內(nèi)未熄滅的氫氣火焰因缺氧氣而熄滅。
另外氫氣在氧氣過量和低溫有催化劑的條件下點燃可生成過氧化氫(H2O2)(過氧化物中氧元素的化合價為-1)
同素異形體
氫3:H3分子是由H2結(jié)合一個氫原子(H)而形成,和臭氧O3一樣,由O2和一個氧原子結(jié)合構(gòu)成,可寫為(O2.O),H3分子亦可寫為(H2.H),有三中心三電子鍵.它非常不穩(wěn)定,存在時間為微秒級,很快轉(zhuǎn)化為氫氣.其分子構(gòu)型為V型.是一種由三個氫原子構(gòu)成的不穩(wěn)定分子.這種中性的分子可以在低壓放電管中制備.這種分子只能以激發(fā)態(tài)存在.激發(fā)態(tài)的壽命為700納秒.如果分子失去能量并回到低能級,它將迅速自動分解能量最低的介穩(wěn)態(tài),能量為-3.777
eV,比H3+和e-狀態(tài)低,但是只能存在大約1皮秒.最穩(wěn)定的狀態(tài)可能是三氫陽離子獲得一個離域電子.
金屬態(tài)氫:2016年1月英國科學(xué)家在愛丁堡大學(xué)成功制出金屬態(tài)氫。
安全性
氫氣無毒,有窒息性。
氫氣有易燃易爆性,容易發(fā)生爆炸,所以純氫有一定危險性。
若燃燒時有尖銳的爆鳴聲,則說明氫氣不純;極易發(fā)生爆炸,所以對此須引起足夠的重視。
如果發(fā)生氫氣泄露,處理辦法是:迅速撤離泄漏污染區(qū)人員至上風(fēng)處,并進(jìn)行隔離,嚴(yán)格限制出入。切斷火源。建議應(yīng)急處理人員戴自給正壓式呼吸器,穿消防防護服。盡可能切斷泄漏源。合理通風(fēng),加速擴散。如有可能,將漏出氣用排風(fēng)機送至空曠地方或裝設(shè)適當(dāng)噴頭燒掉。漏氣容器要妥善處理,修復(fù)、檢驗后再用。滅火方法:切斷氣源。若不能立即切斷氣源,則不允許熄滅正在燃燒的氣體。噴水冷卻容器,可能的話將容器從火場移至空曠處。滅火劑:霧狀水、泡沫、二氧化碳、干粉。
應(yīng)用領(lǐng)域
氫氣生物學(xué)效應(yīng)
早在1975年就有人開展了氫氣治療腫瘤的研究,后來2001年才有法國學(xué)者將高壓氫用于治療肝臟寄生蟲感染的研究。早期的研究只能簡單地觀察氫氣被動物呼吸后的反應(yīng),顯然觀察結(jié)果證明氫氣對動物沒有產(chǎn)生顯著的影響。關(guān)于氫氣的生物學(xué)效應(yīng),最熱鬧地當(dāng)然屬于潛水醫(yī)學(xué),因為氫氣作為人類潛水呼吸的氣體被國際許多重要的潛水醫(yī)學(xué)研究單位深入研究,作為呼吸氣體的最重要前提是該氣體的安全性,就是不能對人體產(chǎn)生明顯的影響,包括在極端高壓下呼吸這種氣體。許多年的潛水醫(yī)學(xué)研究證明呼吸氫氣是非常安全的,但也同時給人們一種深刻印象,呼吸氫氣對人體是沒有明顯生物學(xué)效應(yīng)的。2007年日本學(xué)者報道,動物呼吸2%的氫可有效清除強毒性自由基,顯著改善腦缺血再灌注損傷,采用化學(xué)反應(yīng)、細(xì)胞學(xué)手段證明,氫溶解在液體中可選擇性中和羥自由基和亞硝酸陰離子。而后兩者是氧化損傷的最重要介質(zhì),體內(nèi)缺乏他們的清除機制,是多種疾病發(fā)生的重要基礎(chǔ)。隨后他們又用肝缺血和心肌缺血動物模型,證明呼吸2%的氫可以治療肝和心肌缺血再灌注損傷。采用飲用飽和氫水可治療應(yīng)激引起的神經(jīng)損傷和基因缺陷氧化應(yīng)激動物的慢性氧化損傷。美國匹茲堡大學(xué)器官移植中心學(xué)者Nakao等隨后證明,呼吸2%的氫可以治療小腸移植引起的炎癥損傷,飲用飽和氫水可治療心臟移植后心肌損傷、腎臟移植后慢性腎病。國內(nèi)第四軍醫(yī)大學(xué)謝克亮等的研究證明,呼吸氫氣能治療動物系統(tǒng)炎癥、多器官功能衰竭和急性顱腦損傷。孫學(xué)軍等的研究也證明,呼吸2%的氫可以治療新生兒腦缺血缺氧損傷。隨后,孫學(xué)軍等成功制備了飽和氫注射液,并與國內(nèi)40多家實驗室開展合作,先后發(fā)現(xiàn)該注射液對疼痛、關(guān)節(jié)炎、急性胰腺炎、老年性癡呆、慢性氧中毒、一氧化碳中毒遲發(fā)性腦病、肝硬化、脂肪肝、脊髓創(chuàng)傷、慢性低氧、腹膜炎、結(jié)腸炎、新生兒腦缺血缺氧損傷、心肌缺血再灌注損傷、腎缺血再灌注損傷和小腸缺血再灌注損傷等具有良好的治療作用。這些研究說明,氫是一種理想的自由基、特別是毒性自由基的良好清除劑,具有潛在的臨床應(yīng)用前景。
工業(yè)用途
1.氫是主要的工業(yè)原料,也是最重要的工業(yè)氣體和特種氣體,在石油化工、電子工業(yè)、冶金工業(yè)、食品加工、浮法玻璃、精細(xì)有機合成、航空航天等方面有著廣泛的應(yīng)用。同時,氫也是一種理想的二次能源( 二次能源是指必須由一種初級能源如太陽能、煤炭等來制取的能源)。在一般情況下,氫極易與氧結(jié)合。這種特性使其成為天然的還原劑使用于防止出現(xiàn)氧化的生產(chǎn)中。在玻璃制造的高溫加工過程及電子微芯片的制造中,在氮氣保護氣中加入氫以去除殘余的氧。在石化工業(yè)中,需加氫通過去硫和氫化裂解來提煉原油。氫的另一個重要的用途是對人造黃油、食用油、洗發(fā)精、潤滑劑、家庭清潔劑及其它產(chǎn)品中的脂肪氫化。由于氫的高燃料性,航天工業(yè)使用液氫作為燃料。
2.用作合成氨、合成甲醇、合成鹽酸的原料,冶金用還原劑,石油煉制中加氫脫硫劑等
醫(yī)學(xué)用途
一、氫氣治療疾病的概況
2007年,Ohsawa的關(guān)于氫氣選擇性抗氧化和對大鼠腦缺血治療作用的報道是該領(lǐng)域具有開創(chuàng)意義的工作。雖然早在1975年和2001年就有關(guān)于氫氣抗氧化的報道,但2001年是研究呼吸800 kpa氫氣14天的效應(yīng),而2007年報道是呼吸2kpa氫氣不足1小時的效應(yīng),兩者分壓相差400倍,呼吸時間相差600倍,所以這絕對是完全不同性質(zhì)的工作。該研究將大鼠中動脈臨時阻斷90分鐘(將一根縫合線插到大腦中動脈起始段),然后再灌流,這是經(jīng)典的腦中風(fēng)動物模型,類似腦缺血后再恢復(fù)血流的情況。在恢復(fù)血液供應(yīng)前5分鐘開始給動物呼吸含氫氣1、2、4%的混合氣體35分鐘,結(jié)果發(fā)現(xiàn)動物腦組織壞死體積非常顯著地減少。日本學(xué)者將這種作用歸因于氫氣可以選擇性中和羥基自由基(羥基自由基是生物體毒性最強的自由基),盡管氫氣也可以中和亞硝酸陰離子,但作用比較弱。該文章發(fā)表后,迅速引起國際上的廣泛關(guān)注,大批臨床和基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)學(xué)者迅速跟進(jìn),至2014年已經(jīng)有63個疾病類型被證明可以被氫氣有效治療。每年氫氣生物學(xué)文章數(shù)量,如2007年3篇、2008年15篇、2009年26篇、2010年50篇、2011年63篇、2012年95篇,呈現(xiàn)爆發(fā)式增長。氫氣的分子效應(yīng)可在多種組織和疾病存在,例如大腦、脊髓、眼、耳、肺、心、肝、腎、胰腺、小腸、血管、肌肉、軟骨、代謝系統(tǒng)、圍產(chǎn)期疾病和炎癥等。在上述這些器官、組織和疾病狀態(tài)中,氫氣對器官缺血再灌注損傷和炎癥相關(guān)疾病的治療效果最顯著,有4篇文章涉及到惡性腫瘤。
二、氫氣治療疾病的病理生理學(xué)機制
關(guān)于氫氣治療疾病病理生理學(xué)機制主流觀點仍是氫氣的選擇性抗氧化,在選擇性抗氧化基礎(chǔ)上,人們相繼證明氫氣對各類疾病過程中的氧化損傷,炎癥反應(yīng)、細(xì)胞凋亡和血管異常增生等具有治療作用。活性氧在各類心腦血管疾病如中風(fēng)和心肌梗死、代謝性疾病如糖尿病動脈硬化等人類重要急性和慢性疾病的病理生理進(jìn)程中扮演了重要角色,它是分子氧在還原過程中的中間產(chǎn)物,包括以氧自由基形式存在和非氧自由基形式存在的兩大類物質(zhì),其中氧自由基又包括羥自由基、超氧陰離子、一氧化氮、亞硝酸陰離子等物質(zhì)。生理情況下,活性氧在體內(nèi)不斷產(chǎn)生,也不斷被清除,處于動態(tài)平衡。但在缺血、炎癥等病理狀態(tài)下,機體將產(chǎn)生大量的活性氧。其中,羥自由基和過氧亞硝基陰離子毒性較強,是細(xì)胞氧化損傷的主要介質(zhì)。而一氧化氮、超氧陰離子和過氧化氫等物質(zhì)毒性較弱,具有重要的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)作用。既往在抗氧化損傷的治療中,還原性過強的藥物可能導(dǎo)致機體氧化- 還原狀態(tài)出現(xiàn)新的失衡。2007 年Ohsawa等人研究證實,氫氣能夠選擇性清除毒性較強的羥自由基和亞硝酸陰離子,而對其它具有重要生物學(xué)功能、毒性較低的活性氧影響不大,此即氫氣的選擇性抗氧化作用。該作用為抗氧化治療提供了新的思路。早在2001 年,Gharib等人報道吸入8 個大氣壓的氫氣對肝臟血吸蟲感染引起的炎癥反應(yīng)具有治療作用,他們認(rèn)為氫氣與羥自由基直接反應(yīng)是氫氣抗炎作用的基礎(chǔ)。2009 年Kajiya等人報道氫氣能明顯抑制葡聚糖硫酸鈉誘發(fā)的結(jié)腸炎癥反應(yīng),減少受損結(jié)腸的炎癥因子水平,減輕炎癥的病理損傷,改善預(yù)后。氫氣的抗炎作用與其抑制活性氧產(chǎn)生、中和羥自由基、抑制促炎因子釋放有關(guān)。另外,巨噬細(xì)胞在炎癥反應(yīng)和免疫調(diào)節(jié)中起重要作用,氫氣對巨噬細(xì)胞的調(diào)節(jié)為其抗炎作用奠定了基礎(chǔ)。孫學(xué)軍等2008 年的研究發(fā)現(xiàn),氫氣能減少大鼠缺血缺氧模型的組織損傷,呼吸低濃度的氫氣可時間依賴性地減少凋亡酶Caspase-3和Caspase-12 的活性,減少凋亡陽性細(xì)胞數(shù)量,研究提示氫氣的作用與減少Caspase 依賴性凋亡有關(guān)。Kubota等報道使用含氫氣的水滴眼具有抗角膜血管增生的作用。
三、氫氣對中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病的治療作用
氫氣生物學(xué)效應(yīng)發(fā)現(xiàn)以來,氫氣對以腦血管疾病為代表和以老年性癡呆為代表的中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾功能紊亂都具有明顯的保護作用。
氫氣對腦血管病的治療作用
Ohsawa等2007年報道的呼吸氫氣對大鼠左大腦中動脈阻斷模型的治療作用后。孫學(xué)軍等很快證明呼吸氫氣對新生兒窒息引起的缺血缺氧性腦損傷具有理想的治療作用,發(fā)現(xiàn)氫氣對缺血缺氧性腦損傷后神經(jīng)細(xì)胞凋亡酶活性有抑制作用,凋亡酶活性下降導(dǎo)致神經(jīng)細(xì)胞凋亡減少,使神經(jīng)細(xì)胞壞死減少。從而減輕了腦損傷,保護了成年后的腦功能。氫氣對心臟停跳引起的腦損傷具有保護作用,這進(jìn)一步肯定了氫氣對缺血缺氧性腦損傷的保護作用。衣達(dá)拉奉是被批準(zhǔn)用于中風(fēng)治療的抗氧化藥物,和單純使用衣達(dá)拉奉相比,氫氣聯(lián)合使用衣達(dá)拉奉上述核磁共振檢測指標(biāo)均獲得更好的改善。美國Loma Linda神經(jīng)外科研究所和南京醫(yī)科大學(xué)、浙江大學(xué)附屬醫(yī)院神經(jīng)外科等三家實驗室先后報道氫氣呼吸和注射氫氣生理鹽水對腦出血和珠網(wǎng)膜下腔出血引起的早期腦損傷、神經(jīng)細(xì)胞壞死、腦水腫和血管痙攣等具有理想的保護作用。
氫氣對神經(jīng)退行性疾病的治療作用
巴金森病是腦干神經(jīng)核黑質(zhì)內(nèi)多巴胺神經(jīng)元死亡引起的疾病,經(jīng)常是許多其他神經(jīng)退行性疾病如老年性癡呆的繼發(fā)表現(xiàn)。孫學(xué)軍等在模型制備前1周開始給動物隨意飲用氫氣飽和水,結(jié)果發(fā)現(xiàn)該治療可完全消除單側(cè)巴金森病癥狀的發(fā)生。非治療組動物注射側(cè)多巴胺神經(jīng)元數(shù)量比對照側(cè)減少到40.2%,而治療組僅減少到83%。即使在模型制備后3天開始給氫氣水治療,單側(cè)巴金森病癥狀仍可以被抑制,但治療效果低于預(yù)先治療,神經(jīng)元數(shù)量比對照側(cè)減少到76.3%。預(yù)先治療組動物在模型制備后48小時,紋狀體內(nèi)代表多巴胺神經(jīng)元末梢的酪氨酸羥化酶活性在模型對照組和治療組均顯著下降。Fujita等用MPTP誘導(dǎo)的小鼠巴金森病模型證明氫氣具有類似效應(yīng)。研究結(jié)果表明,和其他如銀杏葉比較,氫氣具有更理想的治療效果。
四、氫氣對肝臟病的治療作用
氫氣在肝臟領(lǐng)域的應(yīng)用研究十分突出,是早在2001年,法國潛水醫(yī)學(xué)領(lǐng)域就有學(xué)者希望證明氫氣的抗氧化作用,在馬賽法國著名飽和潛水設(shè)備公司COMEX SA的設(shè)備、技術(shù)和人員幫助下,他們開展了這一研究。讓感染了肝日本曼氏血吸蟲病的小鼠連續(xù)14天呼吸氫氧混合氣(氫氣濃度為87.5%,分壓為0.7 Mpa),觀察對小鼠肝臟功能、肝組織氧化損傷、纖維化和血液炎癥反應(yīng)等方面的影響,研究結(jié)果證明,連續(xù)呼吸高壓氫氣對肝臟血吸蟲病動物的肝組織損傷、炎癥反應(yīng)和后期的肝纖維化均有非常顯著的保護作用。Fukuda 等在2007 年制作了大鼠肝臟缺血再灌注的模型,通過對組織標(biāo)本的HE 染色加MDA 加肝功能酶學(xué)檢測,發(fā)現(xiàn)氫氣療法對肝臟的缺血損傷有非常明顯的治療效果。2009 年時,哈佛大學(xué)口腔醫(yī)院的學(xué)者Kajiya 等在實驗中讓大老鼠喝下能產(chǎn)生氫氣的細(xì)菌,發(fā)現(xiàn)對伴刀豆球蛋白誘導(dǎo)的肝炎具有預(yù)防作用,如果用抗生素殺滅這些細(xì)菌,則抗肝炎的作用消失,這顯示了氫氣對肝炎的預(yù)防與治療作用。他們還證明,飲用氫氣飽和水對伴刀豆球蛋白誘導(dǎo)的肝炎具有類似的治療效果。同年,Tsai 等發(fā)現(xiàn)飲用富氫電解水可以保護小鼠四氯化碳誘導(dǎo)的肝臟損傷。中國學(xué)者孫漢勇等采用GalN/LPS,CCl4 和DEN 3 種肝損傷動物模型,通過檢測氫氣、活性氧水平,評價氧化損傷、細(xì)胞凋亡和炎性反應(yīng)程度,發(fā)現(xiàn)腹腔注射氫氣生理鹽水對急性肝臟損傷、肝纖維化和肝臟細(xì)胞增生均具有顯著的抑制作用,同時細(xì)胞碉亡相關(guān)分子如JNK和caspase-3 活性下降,研究結(jié)果證明氫氣不僅能治療急性肝臟損傷,而且能治療肝硬化。劉渠等研究認(rèn)為,腹腔注射氫氣生理鹽水通過提高肝臟抗氧化能力,抑制肝臟炎性反應(yīng)能治療膽管阻塞后黃疸和肝損傷,這對臨床上的指導(dǎo)意義很大。對非酒精性脂肪肝的研究證明,長時間飲用氫氣水可以對抗高脂飲食引起的脂肪肝,不僅對肝臟功能、肝形態(tài)學(xué)如纖維化,而且對脂肪肝相關(guān)細(xì)胞內(nèi)信號通路均有明顯的阻斷效應(yīng),該效果可以和傳統(tǒng)的治療脂肪肝的藥物吡格列酮(促進(jìn)胰島素受體敏感性,降血脂)治療效果相嫣美。長期飲用氫氣水不僅可以對抗脂肪肝,而且可以顯著減少這種脂肪肝晚期轉(zhuǎn)化成肝癌的比例,也就是說可以減少脂肪肝發(fā)生肝癌的可能性。氫氣可以通過促進(jìn)一種重要的信號分子FGF 21發(fā)揮減肥和治療脂肪肝的效果。氫氣在肝臟疾病的臨床研究十分缺乏,2012年韓國學(xué)者Kang 等對49例接受放射治療的惡性肝癌病人,采用隨機安慰劑對照方法,給病人在放射治療期間飲用一定量的金屬鎂制備的氫氣水,通過對生活質(zhì)量進(jìn)行評價,發(fā)現(xiàn)該氫氣水可顯著提高肝癌病人放射治療后的生活量,同時可以降低血液中氧化應(yīng)激指標(biāo)。氫氣作為一種選擇性抗氧化物質(zhì),氫對肝臟缺血、藥物性肝炎、膽管阻塞引起的肝硬化、脂肪肝等多種類型的肝臟疾病具有有效和明顯的治療作用。
五、氫氣的臨床研究進(jìn)展
到2013年四月為至,先后有7個疾病臨床研究報道,分別是二型糖尿病、代謝綜合癥、血液透析、炎癥/線粒體肌肉病、腦干缺血和放射治療副作用和系統(tǒng)性紅斑狼瘡。從世界衛(wèi)生組織注冊的信息中可以發(fā)現(xiàn),也有一些沒有發(fā)表論文的臨床研究。這些研究報告顯示氫氣在人體脂代謝和糖代謝中的關(guān)鍵的調(diào)節(jié)作用。
燃料應(yīng)用
氫氣可以用作燃料,具有下列特點:
優(yōu)點
一、資源豐富。以水為原料,電解便可獲得。水資源在地球上相對主要燃料石油,煤也較豐富。
二、熱值高。氫燃燒的熱值高居各種燃料之冠,據(jù)測定,每千克氫燃燒放出的熱量為1.4*10^8J,為石油熱值的3倍多。因此,它貯存體積小,攜帶量大,行程遠(yuǎn)。
三、氫為燃料最潔凈。氫的燃燒產(chǎn)物是水,對環(huán)境不產(chǎn)生任何污染。相反,以汽油,柴油為燃料的車輛,排放大量氮氧化物、四乙基鉛[Pb(C2H5)4],會導(dǎo)致酸雨,酸霧和嚴(yán)重的鉛中毒。更重要的是,廢氣中還含有3,4-苯并芘的強致癌物質(zhì),污染大氣,危害健康。現(xiàn)世界各國對以氫為新型能源的研究頗為重視。日本于1984年5月24日在富士高速公路以每小時200千米速度首次試車(以氫為燃料)成功。
缺點
氫氣要安全儲藏和運輸并不容易,它重量輕、難捉摸、擴散速度快,需低溫液化,會導(dǎo)致閥門堵塞并形成不必要的壓力
行業(yè)應(yīng)用
核研究、氘核加速器的轟擊粒子、示蹤劑、可以做氣相色譜氫焰化驗原料、密度小充探空氣球、新型的高能燃料(驅(qū)動火箭)、冶煉金屬鎢、鉬等,還有石油精煉、浮法玻璃、電子、食品、飲水、化工生產(chǎn)、航天、汽車業(yè)等行業(yè)
制取方法
實驗室制取
①反應(yīng)原理:利用金屬活動性比氫強的金屬單質(zhì)與酸反應(yīng),置換出氫元素。
用鋅與稀硫酸反應(yīng):

注意:
1、這里最好不用鹽酸,是因為該反應(yīng)放熱,鹽酸會揮發(fā)出氯化氫氣體,使制得的氣體含有氯化氫雜質(zhì)。Zn+2HCl===ZnCl2+H2↑
2、鉀、鈣、鈉等金屬與稀酸反應(yīng)時,會優(yōu)先置換出水中的氫并生成相應(yīng)的堿,且反應(yīng)過于劇烈
3、選取的金屬應(yīng)與酸反應(yīng)速率適中,產(chǎn)生氣泡均勻
4、不能使用硝酸或濃硫酸,因為這兩種酸具有強氧化性,反應(yīng)將會生成NO2或SO2用鋁和氫氧化鈉溶液反應(yīng)制取:
2Al+2NaOH+6H2O=2Na[Al(OH)4]+3H2↑
注:市場上零壓氫氣機就是根據(jù)鋁和氫氧化鈉反應(yīng)制氫充球。因為是開放性,是一邊放料一邊充球,所以機內(nèi)是無氣壓的,安全系數(shù)較高。
電解水實驗
電解就是將兩根金屬或碳棒(即電極)放在要分解的物質(zhì)(電解質(zhì))中, 然后接上電源,使電流通過液 體。化合物的陽離子移到帶負(fù)電的電極(陰極),陰離子移到帶正電的電極(陽極),化合物分為二極。
H2O=H++OH-
H++e-=H
2H=H2
OH--e-=OH
2OH=H2O2
2H2O2=2H2O+O2
總的化學(xué)方程式是:2H2O=通電=2H2↑+O2↑
收集
1.排水集氣法(用于收集難溶于水的氣體)
優(yōu)點:可以收集到較純凈的氣體 缺點:收集到的氣體較濕潤
2.向下排空氣法(用于收集密度比空氣小,不與空氣中成分反應(yīng)的氣體),
優(yōu)點:過程簡潔 缺點:收集到的氣體不純
工業(yè)制作法
①水煤氣法(主要成分CO和H2,C+H2O==高溫==CO+H2)
②電解水的方法制氫氣(2H2O==通電==O2↑+2H2↑)
③電解飽和食鹽水(2NaCl+2H2O==通電==2NaOH+H2↑+Cl2↑)
原始制作法
原始?xì)錃馐怯钪娲蟊ㄓ稍剂W有纬傻臍錃猓蟛糠址植荚谟钪婵臻g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)。地球上沒有原始?xì)錃庖驗榈厍虻囊κ`不了它。只有它的化合物。
人造氫氣生產(chǎn)方法
可分為以下幾種
⒈ 工業(yè)氫氣生產(chǎn)方法:
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)
將水蒸氣通過熾熱的炭層:C+H2O(g)=高溫=CO+H2(水煤氣),再低溫分離
⑵由裂化石油氣生產(chǎn)(生產(chǎn)設(shè)備裂化設(shè)備,變壓吸附設(shè)備,脫碳設(shè)備)
CH4=高溫催化劑=C+2H2
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)
(3)強堿與鋁或硅(生產(chǎn)設(shè)備充氫氣球機設(shè)備)一般生產(chǎn)氫氣球都用此方法。
Si+2NaOH+H2O=加熱=Na2SiO3+2H2↑
(4)甲醇裂解(生產(chǎn)設(shè)備導(dǎo)熱油爐,甲醇汽化裂解設(shè)備,變壓吸附裝置)一般用氫氣量較大化工廠均用此方法。
CH3OH=高溫催化=2H2↑+CO↑,低溫分離
⒊試驗室氫氣生產(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。
工業(yè)制法
一、電解水制氫 多采用鐵為陰極面,鎳為陽極面的串聯(lián)電解槽(外形似壓濾機)來電解苛性鉀或苛性鈉的水溶液。陽極出氧氣,陰極出氫氣。該方法成本較高,但產(chǎn)品純度大,可直接生產(chǎn)99.7%以上純度的氫氣。這種純度的氫氣常供:①電子、儀器、儀表工業(yè)中用的還原劑、保護氣和對坡莫合金的熱處理等,②粉末冶金工業(yè)中制鎢、鉬、硬質(zhì)合金等用的還原劑,③制取多晶硅、鍺等半導(dǎo)體原材料,④油脂氫化,⑤雙氫內(nèi)冷發(fā)電機中的冷卻氣等。像北京電子管廠和科學(xué)院氣體廠就用水電解法制氫。利用電解飽和食鹽水產(chǎn)生氫氣
如2NaCl+2H2O==通電==2NaOH+Cl2↑+H2↑
二、水煤氣法制氫 氣用無煙煤或焦炭為原料與水蒸氣在高溫時反應(yīng)而得水煤氣(C+H2O====CO+H2—熱)。凈化后再使它與水蒸氣一起通過觸媒令其中的CO轉(zhuǎn)化成CO2(CO+H2O→CO2+H2)可得含氫量在80%以上的氣體,再壓入水中以溶去CO2,再通過含氨蟻酸亞銅(或含氨乙酸亞銅)溶液中除去殘存的CO而得較純氫氣,這種方法制氫成本較低產(chǎn)量很大,設(shè)備較多,在合成氨廠多用此法。有的還把CO與H2合成甲醇,還有少數(shù)地方用80%氫的不太純的氣體供人造液體燃料用。像北京化工實驗廠和許多地方的小氮肥廠多用此法。
三、由石油熱裂的合成氣和天然氣制氫 石油熱裂副產(chǎn)的氫氣產(chǎn)量很大,常用于汽油加氫,石油化工和化肥廠所需的氫氣,這種制氫方法在世界上很多國家都采用,在中國的石油化工基地如在慶化肥廠,渤海油田的石油化工基地等都用這方法制氫氣 也在有些地方采用(如美國的Bay、way和Batan Rougo加氫工廠等)。
四、焦?fàn)t煤氣冷凍制氫 把經(jīng)初步提凈的焦?fàn)t氣冷凍加壓,使其他氣體液化而剩下氫氣。此法在少數(shù)地方采用(如蘇聯(lián)的Ke Mepobo工廠)。
五、電解食鹽水的副產(chǎn)氫 在氯堿工業(yè)中副產(chǎn)多量較純氫氣,除供合成鹽酸外還有剩余,也可經(jīng)提純生產(chǎn)普氫或純氫。像化工二廠用的氫氣就是電解鹽水的副產(chǎn)。
利用電解飽和食鹽水產(chǎn)生氫氣:如2NaCl+2H2O=電解=2NaOH+Cl2↑+H2↑
六、釀造工業(yè)副產(chǎn)
用玉米發(fā)酵丙酮、丁醇時,發(fā)酵罐的廢氣中有1/3以上的氫氣,經(jīng)多次提純后可生產(chǎn)普氫(97%以上),把普氫通過用液氮冷卻到—100℃以下的硅膠列管中則進(jìn)一步除去雜質(zhì)(如少量N2)可制取純氫(99.99%以上),像北京釀酒廠就生產(chǎn)這種副產(chǎn)氫,用來燒制石英制品和供外單位用。
七、鐵與水蒸氣反應(yīng)制氫
3Fe+4H2O=高溫=Fe3O4+4H2
但品質(zhì)較差,此系較陳舊的方法現(xiàn)已基本淘汰
八、金屬鎂和水的反應(yīng)制氫

通過某些礦物質(zhì)的參與,鎂會在冷水中緩慢均衡地反應(yīng),并生成豐富的氫氣。
其他
工業(yè)上用水和紅熱的碳反應(yīng)
C+H2O=高溫=CO+H2
制取氫氣的新方法
1.用氧化亞銅作催化劑并用紫外線照射從水中制取氫氣。
2.用新型的鉬的化合物做催化劑從水中制取氫氣。
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。
8.用綠藻生產(chǎn)氫氣。
9.有機廢水發(fā)酵法生物制氫氣。
10.利用太陽能從生物質(zhì)和水中制取氫氣。
利用太陽能從生物質(zhì)和水中制取氫氣是最佳的制取氫氣的方法。理由是太陽能能量巨大、取之不盡、用之不竭、而且清潔、無污染、不需要開采、運輸。怎樣制取氫氣的成本就大大降低。
11.用二氧化鈦作催化劑,在激光的照射下,讓水分解成氫氣和氧氣.
12.硼和水蒸氣在高溫下反應(yīng)制取氫氣,化學(xué)方程式為2B+6H2O=高溫=2H3BO3+3H2
新型制氫
氫作為一種清潔能源已被廣泛重視,并普遍作為燃料電池的動力源,然而制取氫的傳統(tǒng)方法成本高,技術(shù)復(fù)雜。美國研究人員日前開發(fā)出一種利用木屑或農(nóng)業(yè)廢棄物的纖維素制取氫的技術(shù),有望解決氫制取費用高的難題。
來自美國弗吉尼亞理工大學(xué)、橡樹嶺國家實驗室等機構(gòu)的研究人員發(fā)表報告說,他們把14種酶、1種輔酶、纖維素原料和加熱到32攝氏度左右的水混合,制造出純度足以驅(qū)動燃料電池的氫氣。
研究人員說,他們的“一鍋燴”過程有不少進(jìn)步,比如采用與眾不同的酶混合物,還提高了氫氣的生成速度。此外,除了把纖維素中分解出的糖轉(zhuǎn)化為化學(xué)能量外,這一過程還可產(chǎn)出高質(zhì)量的氫。
研究人員說,他們主要使用從木屑中分解的纖維素原料制取氫,不過也可以使用稻草、廢棄的莊稼稈等。木屑或農(nóng)業(yè)廢棄物資源非常豐富,利用它們制取氫,不僅可降低制造成本,而且將大大擴大生產(chǎn)氫的原料資源。制法
2018年2月,中國實現(xiàn)氫氣的低溫制備和存儲,榮獲科技部2017年度中國科學(xué)十大進(jìn)展。
其他制氫反應(yīng)
氫化鈉與水反應(yīng):

氰化鈉溶液與銅反應(yīng):

硼氫化鈉與水反應(yīng):

鋁和氫氧化鈉溶液反應(yīng):

此外,還包括一些金屬(活動性比氫強)和酸的反應(yīng)同樣會生成氫氣。
檢測方法
中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn) GB 7445-87
本標(biāo)準(zhǔn)適用于氫氣的檢驗,規(guī)定了氫氣含量及氧、氮、一氧化碳、二氧化碳、甲烷、水分等雜質(zhì)含量的測定方法。
1 氫含量的測定
氫氣的體積百分含量(c)用差減法計算求得,按式(1)計算:
式中:
c1--氧氣的體積含量,ppm;
c2--氮氣的體積含量;ppm;
c3--一氧化碳的體積含量,ppm;
c4--二氧化碳的體積含量,ppm;
c5--甲烷的體積含量,ppm。
2 氧和氮含量的測定
采用變溫濃縮色譜技術(shù),以熱導(dǎo)檢測器檢測。首先使被測組分在液氮溫度下的濃縮柱上定量吸附,然后升溫定量脫附,再經(jīng)色譜柱分離后檢測。被測組分進(jìn)入熱導(dǎo)檢測器引起橋路阻值的變化與氧、氮含量成比例,由此可定氧、氮含量。
儀器
氣相色譜儀及配套的濃縮進(jìn)樣裝置,其示意流程圖如圖所示。要求儀器對氧、氮的最低檢測濃度分別不高于4ppm、8ppm。色譜儀的安裝和調(diào)試及濃縮操作按規(guī)定要求進(jìn)行。
1、便攜式氫氣檢測儀
便攜式氫氣泄漏檢測儀可連續(xù)檢測作業(yè)環(huán)境中氫氣濃度。氫氣泄漏檢測儀為自然擴散方式檢測氣體濃度,采用電化學(xué)傳感器,具有較好的靈敏度和出色的重復(fù)性;氫氣檢測儀采用嵌入式微控制技術(shù),菜單操作簡單,功能齊全,可靠性高,整機性能優(yōu)良。檢測儀外殼采用高強度工程材料、復(fù)合彈性橡膠材料精制而成,強度高、手感好。
2、泵吸式氫氣檢測儀
泵吸式氫氣檢測儀采用內(nèi)置吸氣泵,可快速檢測工作環(huán)境中氫氣濃度。泵吸式氫氣檢測儀采用電化學(xué)傳感器,具有非常清晰的大液晶顯示屏,聲光報警提示,保證在非常不利的工作環(huán)境下也可以檢測危險氣體并及時提示操作人員預(yù)防。
3、在線式氫氣檢測報警器
在線式氫氣檢測報警器由氣體檢測報警控制器和固定式氫氣檢測器組成,氣體檢測報警控制器可放置于值班室內(nèi),對各監(jiān)測點進(jìn)行監(jiān)測控制,氫氣檢測器安裝于氣體最易泄露的地點,其核心部件為氣體傳感器。氫氣檢測器將傳感器檢測到的氫氣濃度轉(zhuǎn)換成電信號,通過線纜傳輸?shù)綒怏w檢測報警控制器,氣體濃度越高,電信號越強,當(dāng)氣體濃度達(dá)到或超過報警控制器設(shè)置的報警點時,氣體檢測報警控制器發(fā)出報警信號,并可啟動電磁閥、排氣扇等外聯(lián)設(shè)備,自動排除隱患。在線式氫氣檢測報警器廣泛應(yīng)用于石油、化工、冶金、電力、煤礦、水廠等環(huán)境,有效防止爆炸事故的發(fā)生。
測定條件
a. 檢測器:熱導(dǎo)池;
b. 橋路電流:150~200 mA;
c. 載氣純度:不低于99.999%的高純氫,應(yīng)符合GB 7445-87《氫氣》要求;
d. 載氣流速:40~60 ml/min
e. 濃縮時樣品流速:1.0~1.5 ml/min;
f. 色譜柱:長2500px,內(nèi)徑3 mm,內(nèi)裝活化后的40~60目5分子篩,柱溫為室溫;
g. 濃縮柱:長750px,內(nèi)徑4 mm,內(nèi)裝活化后的40~60目5分子篩,吸附溫度為-196 ℃(液氮浴),脫附溫度為室溫(水浴)。
測定步驟
1.色普儀啟動
按氣相色譜儀使用說明書啟動儀器。開啟載氣,充分置換色譜系統(tǒng),純化載氣,調(diào)整流速至規(guī)定值,接通熱導(dǎo)池電源,調(diào)整儀器各部位達(dá)測定條件,待儀器工作穩(wěn)定。
2.測定
空白:關(guān)閉濃縮柱,套上液氮浴5min后,取下液氨浴,在室溫下浴下令載氣通過濃縮柱,以記錄儀上無色譜峰出現(xiàn)為正常:再令載氣通過濃縮,在小心嚴(yán)防空氣倒吸的情況下,濃縮載氣5min,測定色譜系統(tǒng)空白值符合2.3條c項要求為正常。
置換:將樣品氣鋼瓶經(jīng)采樣閥及管道與儀器相連,然后3次升降壓并用約20倍以上管道體積的樣品氣充分置換進(jìn)入濃縮柱前的連接管和閥體,使所取樣品具有代表性。
濃縮:令樣品氣以1.0~1.5L/min流速通過濃縮柱,置換2~3min后關(guān)閉濃縮柱出口,然后將濃縮柱緩慢套上液氮浴,待墊氣結(jié)束后打開濃縮柱出口,樣品氣流經(jīng)濕式流量計后放空。
樣品氣的濃縮體積數(shù)積數(shù)由被測組分含量和儀器靈敏度決定。
進(jìn)樣:濃縮完畢,關(guān)閉濃縮柱入口,取下液氨浴后在室溫下浴下放掉解吸的氫,關(guān)閉濃縮柱出口,迅速轉(zhuǎn)動六通閥。令載氣通過濃縮柱將被測組分帶入色譜柱,在濕式流量計上讀到樣品體積數(shù)。
測量:記錄各被測組分的色譜流出曲線,分別測量各組分峰面積A1。
定標(biāo)
用指數(shù)稀釋法配制的標(biāo)準(zhǔn)氣定標(biāo)。定標(biāo)方法見GB4815-84《氦氣檢驗方法》附錄C。
將標(biāo)準(zhǔn)氣直接進(jìn)樣測定出標(biāo)準(zhǔn)氣中氧和氮的色譜峰面積A2。
標(biāo)準(zhǔn)氣是以99.999%的氫為底氣,用空氣經(jīng)稀釋配制而成的,定標(biāo)時各組分的已知濃度應(yīng)與樣品氣濃縮后各相尖組分濃度相近。
純氫測定
純氫中氮的測定,無需進(jìn)行濃縮操作,其他步驟同上。采用1~5ml定體積量管接進(jìn)樣即可計算方法式(2)中的V1和V2分別代表樣品氣和標(biāo)準(zhǔn)氣的進(jìn)樣體積,氧的測定按GB 6285-86《氣體中微量氧的測定電化學(xué)法》進(jìn)行。
結(jié)果處理
以兩次平行測定的算術(shù)平均值為測定結(jié)果,平行測定的相對偏差:超純氫、高純氫、純氫分別不大于50%、20%、10%。
氫中被測組分的含量按式(2)計算:
式中:C1--樣品氣中被測組分的含量,ppm;
C2--標(biāo)準(zhǔn)氣中被測組分的含量,ppm;
A1--樣品氣中被測組分的峰面積,mm2;
A2--標(biāo)準(zhǔn)氣中被測組分的峰面積,mm2;
V1--樣品氣濃縮體積,ml;
V2--標(biāo)準(zhǔn)氣進(jìn)樣體積,ml。
參考選項
純度參考
GBT 3634.2-2011氫氣 第2部分:純氫、高純氫和超純氫
純氫、高純氫、超純氫(GB/T7445-1995)(已作廢)
項目名稱
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指標(biāo)
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超純氫
|
高純氫
|
純氫
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氫氣的體積分?jǐn)?shù)/10 ≥
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99.9999
|
99.999
|
99.99
|
氧氣(氬氣)的體積分?jǐn)?shù)/10 ≤
|
0.2
|
1
|
5
|
氮氣的體積分?jǐn)?shù)/10 ≤
|
0.4
|
5
|
60
|
一氧化碳含量/10 ≤
|
0.1
|
1
|
5
|
二氧化碳含量/10 ≤
|
0.1
|
1
|
5
|
甲烷含量/10 ≤
|
0.2
|
1
|
10
|
水分/10 ≤
|
1.0
|
3
|
30
|
注:表中純度和含量均以體積分?jǐn)?shù)表示(V/V)。
|
產(chǎn)品原料
上游原料:甲醇、氯化鈉、煤、氫氧化鉀、燒堿、鹽酸、重油
下游產(chǎn)品:氫溴酸、鹽酸、鹽酸(食用)、鹽酸(精制)、氯磺酸、工業(yè)氨水、硼氫化鈉、硼氫化鉀、氫化鈉、油浸氫化鈉、過氧化氫、多晶硅、鉬、壓縮氫氣、液氬
包裝運輸
1.包裝方式:氫氣拖車/瓶組/鋼瓶
2.運輸方式:氫的貯運有四種方式可供選擇,即氣態(tài)貯運、液態(tài)貯運、金屬氫化物貯運和微球貯運。現(xiàn)實際應(yīng)用的只有前三種,微球貯運方式尚在研究中。
注意事項
氫氣是一種無色、無嗅、無毒、易燃易爆的氣體,和氟氣、氯氣、氧氣、一氧化碳以及空氣混合均有爆炸的危險,其中,氫氣與氟氣的混合物在低溫和黑暗環(huán)境就能發(fā)生自發(fā)性爆炸,與氯氣的混合體積比為1:1時,在光照下也可爆炸。氫氣由于無色無味,燃燒時火焰是透明的,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有臭味的乙硫醇,以便使嗅覺察覺,并可同時賦予火焰以顏色。
氫氣雖無毒,在生理上對人體是惰性的,但若空氣中氫氣含量增高,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。與空氣混合能形成爆炸性混合物,遇熱或明火即會發(fā)生爆炸。氣體比空氣輕,在室內(nèi)使用和儲存時,漏氣上升滯留屋頂不易排出,遇火星會引起爆炸。氫氣與氟、氯、溴等鹵素會劇烈反應(yīng)。
氫氣因為是易燃壓縮氣體,故應(yīng)儲存于陰涼、通風(fēng)的倉間內(nèi)。倉內(nèi)溫度不宜超過30℃。遠(yuǎn)離火種、熱源。防止陽光直射。應(yīng)與氧氣、壓縮空氣、鹵素(氟氣、氯氣、溴)、氧化劑等分開存放。切忌混儲混運。儲存間內(nèi)的照明、通風(fēng)等設(shè)施應(yīng)采用防爆型,開關(guān)設(shè)在倉外,配備相應(yīng)品種和數(shù)量的消防器材。禁止使用易產(chǎn)生火花的機械設(shè)備工具。驗收時要注意品名,注意驗瓶日期,先進(jìn)倉的先發(fā)用。搬運時輕裝輕卸,防止鋼瓶及附件破損。
常見謠言
謠言一:氫氣(H2 )還原氧化銅吸熱辟謠:判斷反應(yīng)熱效應(yīng)的兩個標(biāo)準(zhǔn)是實驗實測以及通過熱力學(xué)進(jìn)行計算
計算過程:
反應(yīng):CuO(s)+H2(g)=Cu(cr)+H2O(g)
計算化學(xué)反應(yīng)熱效應(yīng)可以直接使用ΔH(例題見高等教育出版社《無機化學(xué)》上冊216頁),此處忽略溫度對ΔH的影響。
相應(yīng)物質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)生成焓:(單位:kJ/mol)(數(shù)據(jù)出自高等教育出版社《無機化學(xué)》上冊427頁起的附表)
據(jù)查,H2O(g)標(biāo)準(zhǔn)生成焓-241.82,CuO(cr)標(biāo)準(zhǔn)生成焓-157.30,H2(g)、Cu(cr)均為0
ΔH=0+(-241.818)-(-157.3)-(0)=-84.518<0,即反應(yīng)放熱
綜上可知氫氣還原氧化銅是典型的放熱反應(yīng)而非吸熱。
謠言二:氫氣(H2)具有還原性,所以不能被濃硫酸干燥
辟謠:氫氣的還原性一般在加熱時才體現(xiàn),在常溫下不體現(xiàn),只作為中性氣體,所以氫氣可以用濃硫酸干燥。一氧化碳?xì)怏w亦同理。 免責(zé)聲明:本資料來源于網(wǎng)絡(luò),如果侵犯了你的版權(quán)或其他權(quán)利,請通知我及時刪除。