Жидкий водород

Жидкий водород

Имена
Название ИЮПАК Жидкий водород
Другие имена Водород (криогенная жидкость); водород, охлаждаемая жидкость; LH 2 , пара-водород
Идентификаторы
Количество CAS	1333-74-0 Y
3D модель ( JSmol )	Интерактивное изображение
ЧЭБИ	ЧЕБИ: 33251 Y
ChemSpider	762 Y
КЕГГ	C00282 Y
PubChem CID	783
Номер RTECS	MW8900000
UNII	7YNJ3PO35Z Y
Номер ООН	1966 г.
ИнЧИ InChI = 1S / H2 / h1H Y Ключ: UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Y InChI = 1 / H2 / ч1H
Улыбки [H] [H]
Характеристики
Химическая формула	H 2
Молярная масса	2,016  г · моль -1
Внешность	Бесцветная жидкость
Плотность	70,85 г / л (4,423 фунта / куб. Фут) [1]
Температура плавления	-259,14 ° С (-434,45 ° F, 14,01 К) [2]
Точка кипения	-252,87 ° С (-423,17 ° F, 20,28 К) [2]
Опасности
Классификация ЕС (DSD) (устарела)
NFPA 704 (огненный алмаз)	3 4 0 CRYO
самовоспламенения температуру	571 ° С (1060 ° F, 844 К) [2]
Пределы взрываемости	НПВ 4,0%; UEL 74,2% (в воздухе) [2]
Если не указано иное, данные приведены для материалов в их стандартном состоянии (при 25 ° C [77 ° F], 100 кПа).
Y проверить  ( что есть   ?)YN
Ссылки на инфобоксы

Жидкий водород (LH2 или LH ₂ ) - это жидкое состояние элемента водорода . Водород находится в природе в молекулярной форме H ₂ .

Для того, чтобы существовать в виде жидкости, Н ₂ должен быть охлажден ниже критической точки 33  K . Однако, чтобы он находился в полностью жидком состоянии при атмосферном давлении , H ₂ необходимо охладить до 20,28 К (-252,87 ° C; -423,17 ° F). ^[3] Один из распространенных способов получения жидкого водорода включает компрессор, напоминающий реактивный двигатель как по внешнему виду, так и по принципу. Жидкий водород обычно используется как концентрированная форма хранения водорода.. Что касается любого газа, его хранение в виде жидкости занимает меньше места, чем хранение в виде газа при нормальной температуре и давлении. Однако плотность жидкости очень низкая по сравнению с другими распространенными видами топлива. После сжижения он может храниться в жидком состоянии в герметичных и теплоизолированных контейнерах.

Есть два спиновых изомера водорода ; жидкий водород состоит из 99,79% параводорода и 0,21% ортоводорода. ^[3]

История [ править ]

В 1885 году Зигмунт Флорентий Врублевский опубликовал критическую температуру водорода 33  К; критическое давление 13,3 атмосферы; и температура кипения 23  К.

Водород был сжижен Джеймсом Дьюаром в 1898 году с помощью регенеративного охлаждения и его изобретения - вакуумной колбы . Первый синтез стабильной изомерной формы жидкого водорода, параводорода, был осуществлен Полом Хартеком и Карлом Фридрихом Бонхёффером в 1929 году.

Спиновые изомеры водорода [ править ]

Два ядра в молекуле дигидрогена могут иметь два разных спиновых состояния. Параводород, в котором два ядерных спина антипараллельны, более стабилен, чем ортоводород, в котором они параллельны. При комнатной температуре газообразный водород в основном находится в орто-изомерной форме из-за тепловой энергии, но орто-обогащенная смесь метастабильна только при сжижении при низкой температуре. Он медленно претерпевает экзотермическую реакцию, чтобы стать пара-изомером, с выделением энергии, достаточной в виде тепла, чтобы вызвать кипение некоторой части жидкости. ^[4] Чтобы предотвратить потерю жидкости при длительном хранении, ее намеренно превращают в пара-изомер как часть производственного процесса, обычно с использованиемкатализатор, такой как оксид железа (III) , активированный уголь , платинированный асбест, редкоземельные металлы, соединения урана, оксид хрома (III) или некоторые соединения никеля. ^[4]

Использует [ редактировать ]

Жидкий водород - это обычное жидкое ракетное топливо для ракетной техники - и НАСА, и ВВС США используют большое количество резервуаров с жидким водородом индивидуальной емкостью до 3,8 миллиона литров (1 миллион галлонов США). ^[5] В большинстве ракетных двигателей, работающих на жидком водороде, он сначала охлаждает сопло и другие части, а затем смешивается с окислителем - обычно жидким кислородом (LOX) - и сжигается для получения воды со следами озона и перекиси водорода . Практическая H ₂ –O ₂ракетные двигатели работают с высоким содержанием топлива, поэтому выхлопные газы содержат несгоревший водород. Это снижает эрозию камеры сгорания и сопла. Это также снижает молекулярную массу выхлопных газов, что может фактически увеличить удельный импульс , несмотря на неполное сгорание.

Жидкий водород можно использовать в качестве топлива для двигателя внутреннего сгорания или топливного элемента . Различные подводные лодки ( Type 212 подводной лодки , подводные лодки типа 214 ) и концепции водородных транспортных средств были построены с использованием этой формы водорода (см DeepC , БМВ H2r ). Из-за его сходства строители могут иногда модифицировать и совместно использовать оборудование с системами, предназначенными для сжиженного природного газа (СПГ). Однако из-за более низкой объемной энергии объем водорода, необходимый для сгорания, велик. Если только прямой впрыск При использовании сильного газового вытеснения также затрудняется максимальное дыхание и увеличиваются насосные потери.

Жидкий водород также используется для охлаждения нейтронов с целью их рассеяния . Поскольку нейтроны и ядра водорода имеют одинаковые массы, обмен кинетической энергией при одном взаимодействии максимален ( упругое столкновение ). Наконец, перегретый жидкий водород использовался во многих экспериментах с пузырьковой камерой .

Первая термоядерная бомба , Айви Майк , использовала жидкий дейтерий (водород-2) для ядерного синтеза.

Свойства [ править ]

Продукт его сгорания с кислородом только является водяным паром (хотя , если его сгорание с кислородом и азотом может образовывать токсичные химические вещества ^{[ источник ? ]} ), Который может быть охлажден с некоторыми из жидкого водорода. Поскольку воду часто считают безвредной для окружающей среды, при ее сжигании можно считать "нулевые выбросы". Однако в авиации водяной пар, выбрасываемый в атмосферу, способствует глобальному потеплению (в меньшей степени, чем CO ₂ ). ^[6] Жидкий водород также имеет гораздо более высокую удельную энергию, чем бензин, природный газ или дизельное топливо. ^[7]

Плотность жидкого водорода составляет всего 70,99 г / л (при 20  К ), а относительная плотность всего 0,07. Хотя удельная энергия более чем в два раза выше, чем у других видов топлива, это дает ему удивительно низкую объемную плотность энергии , во много раз меньшую.

Жидкий водород требует технологии криогенного хранения, такой как специальные теплоизолированные контейнеры, и требует особого обращения, общего для всех криогенных видов топлива . Это похоже на жидкий кислород , но более опасно . Даже в теплоизолированных контейнерах трудно поддерживать такую ​​низкую температуру, и водород будет постепенно улетучиваться (обычно со скоростью 1% в день ^[7] ). Он также имеет многие из тех же проблем безопасности, что и другие формы водорода, а также является достаточно холодным, чтобы сжижать или даже затвердевать атмосферный кислород, что может быть опасным для взрыва.

Тройной точки водорода при 13,81 K ^[3] 7.042 кПа. ^[8]

• Пузырьки жидкого водорода, образующиеся в двух стеклянных колбах в лаборатории Bevatron , c. 1950-е годы

• Большой резервуар с водородом в вакуумной камере в Исследовательском центре Льюиса в 1967 году.

• Бак для жидкого водорода Linde , Museum Autovision , Altlußheim , Германия

Безопасность [ править ]

Из-за низких температур жидкий водород опасен для холодных ожогов . Элементарный водород как жидкость биологически инертен, и его единственная опасность для здоровья человека в виде пара - это вытеснение кислорода, приводящее к удушению. Из-за его воспламеняемости жидкий водород следует хранить вдали от источников тепла или пламени, если не предполагается возгорание.

См. Также [ править ]

Ссылки [ править ]