氢气的制备方法、存储方式及氢气燃料电池的工作原理

热心网友：氢气（Hydrogen）是世界上已知的最轻的气体。它的密度非常小，只有空气的1/14，即在标准大气压,0℃下,氢气的密度为0.0899g/L。所以氢气可作为飞艇的填充气体（由于氢气具有可燃性，安全性不高，飞艇现多用氦气填充）。灌好的氢气球，往往过一夜，第二天就飞不起来了。这是因为氢气能钻过橡胶上人眼看不见的小细孔，溜之大吉。不仅如此,在高温、高压下,氢气甚至可以穿过很厚的钢板。同位素 在自然界中存在的同位素有: H1(氕piē）、H2(氘dāo，重氢)、H3(氚chuān,超重氢) 以人工方法合成的同位素有: 氢4、氢5、氢6、氢7别名、英文名 氘；Deuterium、Heavy hydrogen．毒性·安全防护 重氢无毒，有窒息性。 重氢有易燃易爆性，所以对此须引起足够的重视。其它参见氢[编辑本段]发现 1766年由卡文迪许（H.Cavendish）在英国判明。 在化学史上，人们把氢元素的发现与“发现和证明了水是氢和氧的化合物而非元素”这两项重大成就，主要归功于英国化学家和物理学家卡文迪许（Cavendish，H.1731-1810）。18世纪的英国化学家卡文迪许 卡文迪许是一位百万富翁，但他生活十分朴素，用自己的钱在家里建立了一座规模相当大的实验室，一生从事于科学研究。曾有科学史家说：卡文迪许“是具有学问的人中最富的，也是富人当中最有学问的。”他观察事物敏锐，精于实验设计，所做实验的结果都相当准确，而且研究范围很广泛，对于许多化学、力学和电学问题以及地球平均密度等问题的研究，都作出了重要发现。但他笃信燃素说，这使他在化学研究工作中走过一些弯路。他在五十年中只发表过18篇论文，除了一篇是理论性的外，其余全是实验性和观察性的。在他逝世以后，人们才发现他写了大量很有价值的论文稿，没有公开发表。他的这些文稿是科学研究的宝贵文献，后来分别由物理学家麦克斯韦和化学家索普整理出版。 在化学史上，有一个与这些论文稿有关的有趣的故事。卡文迪许1785年做过一个实验，他将电火花通过寻常空气和氧气的混合体，想把其中的氮全部氧化掉，产生的二氧化氮用苛性钾吸收。实验做了三个星期，最后残留下一小气泡不能被氧化。他的实验记录保存在留下的文稿中，后面写道：“空气中的浊气不是单一的物质（氮气），还有一种不与脱燃素空气（氧）化合的浊气，总量不超过全部空气的1/12.一百多年后，1892年，英国剑桥大学的物理学家瑞利（Ragleigh，L.1842-1919）测定氮的密度时，发现从空气得来的氮比从氨氧化分解产生的氮每升重0.0064克，百思不得其解。化学家莱姆塞（Ramsay，W.1852-1916）认为来自空气的氮气里面能含有一种较重的未知气体。这时，化学教授杜瓦（Dewar，J.1842-1923）向他们提到剑桥大学的老前辈卡文迪许的上述实验和小气泡之谜。他们立即把卡文迪许的科学资料借来阅读，瑞利重复了卡文迪许当年的实验，很快得到了小气泡。莱姆塞设计了一个新的实验，除去空气中的水汽、碳酸气、氧和氮后，也得到了这种气体，密度比氮气大，用分光镜检查后，肯定这是一种新的元素，取名氩。这样，卡文迪许当年的工作在1894年元素氩的发现中起了重要作用。从这个故事可看出卡文迪许严谨的科研作风和他对化学的重大贡献。1871年，剑桥大学建立了一座物理实验室，以卡文迪许的名字命名，这就是著名的卡文迪许实验室，它在几十年内，一直是世界现代物理学的一个重要研究中心。氢的发现和氢的性质的研究 在18世纪末以前，曾经有不少人做过制取氢气的实验，所以实际上很难说是谁发现了氢，即使公认对氢的发现和研究有过很大贡献的卡文迪许本人也认为氢的发现不只是他的功劳。早在16世纪，瑞士著名医生帕拉塞斯就描述过铁屑与酸接触时有一种气体产生；17世纪时，比利时著名的医疗化学派学者海尔蒙特（van Helmont，J.B.1579-1644）曾偶然接触过这种气体，但没有把它离析、收集起来。 波义耳虽偶然收集过这种气体，但并未进行研究。他们只知道它可燃，此外就很少了解。1700年，法国药剂师勒梅里（Lemery，N.1645-1715）在巴黎科学院的《报告》上也提到过它。最早把氢气收集起来，并对它的性质仔细加以研究的是卡文迪许。 1766年卡文迪许向英国皇家学会提交了一篇研究报告《人造空气实验》，讲了他用铁、锌等与稀硫酸、稀盐酸作用制得“易燃空气”（即氢气），并用普利斯特里发明的排水集气法把它收集起来，进行研究。他发现一定量的某种金属分别与足量的各种酸作用，所产生的这种气体的量是固定的，与酸的种类、浓度都无关。他还发现氢气与空气混合后点燃会发生爆炸；又发现氢气与氧气化合生成水，从而认识到这种气体和其它已知的各种气体都不同。但是，由于他是燃素说的虔诚信徒，按照他的理解：这种气体燃烧起来这么猛烈，一定富含燃素；硫磺燃烧后成为硫酸，那么硫酸中是没有燃素的；而按照燃素说金属也是含燃素的。所以他认为这种气体是从金属中分解出来的，而不是来自酸中。他设想金属在酸中溶解时，“它们所含的燃素便释放出来，形成了这种可燃空气”。他甚至曾一度设想氢气就是燃素，这种推测很快就得以当时的一些杰出化学家舍勒、基尔万（Kirwan，R.1735-1812）等的赞同。由于把氢气充到膀胱气球中，气球便会徐徐上升，这种现象当时曾被一些燃素学说的信奉者们用来作为他们“论证”燃素具有负重量的根据。但卡文迪许究竟是一位非凡的科学家，后来他弄清楚了气球在空气中所受浮力问题，通过精确研究，证明氢气是有重量的，只是比空气轻很多。他是这样做实验的：先把金属和装有酸的烧瓶称重，然后将金属投入酸中，用排水集气法收集氢气并测体积，再称量反应后烧瓶及内装物的总量。这样他确定了氢气的比重只是空气的9%.但这些化学家仍不肯轻易放弃旧说，鉴于氢气燃烧后会产生水，于是他们改说氢气是燃素和水的化合物。 水的合成否定了水是元素的错误观念，在古希腊：恩培多克勒提出，宇宙间只存在火、气、水、土四种元素，它们组成万物。从那时起直到18世纪70年代，人们一直认为水是一种元素。1781年，普利斯特里将氢气和空气放在闭口玻璃瓶中，用电火花引爆，发现瓶的内壁有露珠出现。同年卡文迪许也用不同比例的氢气与空气的混合物反复进行这项实验，确认这种露滴是纯净的水，表明氢是水的一种成分。这时氧气业已发现，卡文迪许又用纯氧代替空气进行试验，不仅证明氢和氧化合成水，而且确认大约2份体积的氢与1份体积的氧恰好化合成水（发表于1784年）。这些实验结果本已毫无疑义地证明了水是氢和氧的化合物，而不是一种元素，但卡文迪许却和普利斯特里一样，仍坚持认为水是一种元素，氧是失去燃素的水，氢则是含有过多燃素的水。他用下式表示“易燃空气”（氢）的燃烧： （水＋燃素）＋ （水－燃素）—→水 易燃空气（氢） 失燃素空气（氧） 1782年，拉瓦锡重复了他们的实验，并用红热的枪筒分解了水蒸汽，明确提出正确的结论：水不是元素而是氢和氧的化合物，纠正了两千多年来把水当做元素的错误概念。1787年，他把过去称作“易燃空气”的这种气体命名为“H-ydrogne”（氢），意思是“产生水的”，并确认它是一种元素。[编辑本段]理化性质 氢气是无色并且密度比空气小的气体（在各种气体中，氢气的密度最小。标准状况下，1升氢气的质量是0.0899克，比空气轻得多）。因为氢气难溶于水，所以可以用排水集气法收集氢气。另外，在101千帕压强下，温度-252.87℃时，氢气可转变成无色的液体；-259.1℃时，变成雪状固体。常温下，氢气的性质很稳定，不容易跟其它物质发生化学反应。但当条件改变时（如点燃、加热、使用催化剂等），情况就不同了。如氢气被钯或铂等金属吸附后具有较强的活性（特别是被钯吸附）。金属钯对氢气的吸附作用最强。 总结为： 分子式：H2 沸点：-252.77℃(20.38K) 密度：0.09kg/m3 相对分子质量：2.016 生产方法：电解、裂解、煤制气等 分子量： 4.032 三相点： -254.4℃ 液体密度(平衡状态，-252.8℃)： 169kg/m3 气体密度(101.325kPa，0℃)：0.0899kg/m3 比容(101.325kPa，21.2℃)： 5.987m3/kg 气液容积比(15℃，100kPa)： 974L/L 压缩系数： 压力kPa 100 1000 5000· 10000 温度℃ 15 50 1.0087 1.0008 1.0060 1.0057 1.0296 1.0296 1.0600 1.0555 临界温度： -234.8℃ 临界压力： 1664.8kPa 临界密度： 66.8kg/m3 溶化热(-254.5℃)(平衡态)：48.84kJ/kg 气化热△Hv(-249.5℃)： 305kJ/kg 比热容(101.335kPa，25℃，气体)：Cp=7.243kJ/(kg·K) Cv=5.178kJ/(kK·K) 比热比(101.325kPa，25℃，气体)： Cp/Cv=1.40 蒸气压力(正常态，17.703)： 10.67kPa (正常态，21.621)： 53.33kPa (正常态，24.249K)： 119.99kPa 粘度(气体，正常态，101.325kPa，0℃)：0.010lmPa·S (液体，平衡态，-252.8℃)：0.040mPa·s 表面张力(平衡态，-252.8℃)： 3.72mN/m 导热系数(气体101.325kPa，0℃)：0.1289w/(m·K) (液体，-252.8℃)：’ 1264W/(m·K) 折射系数nv(101.325kPa，25℃)： 1.0001265 空气中的燃烧界限： 5%～75%(体积) 易燃性级别： 4 毒性级别：0 易爆性级别： 1 重氢在常温常压下为无色无嗅无毒可燃性气体，是普通氢的一种稳定同位素。它在通常水的氢中含0.0139%～0.0157%。其化学性质与普通氢完全相同。但因质量大，反应速度小一些。[编辑本段]氢气分类标准 工业氢GB/T3634-1995 H2≥99.90%（优等品） H2≥99.50%（一等品） H2≥99.00%（合格品） 纯 氢 GB/T7445-1995 H2≥99.99% 高纯氢 GB/T7445-1995 H2≥99.999% 超高纯氢 GB/T7445-1995 H2≥99.9999% 氢气的产生由水通电产生氢气和氧气[编辑本段]主要性能 高燃烧性，还原剂，液态温度比氮更低a. 可燃性： 纯氢的引燃温度为400℃。 氢气在空气里的燃烧，实际上是与空气里的氧气发生反应，生成水。 2H2+O2=2H2O(点燃) 这一反应过程中有大量热放出，火焰呈淡蓝色。燃烧时放出热量是相同条件下汽油的三倍。因此可用作高能燃料，在火箭上使用。我国长征3号火箭就用液氢燃料。 不纯的H2点燃时会发生爆炸。但有一个极限，当空气中所含氢气的体积占混合体积的4％－74.2%时，点燃都会产生爆炸，这个体积分数范围叫爆炸极限。 用试管收集一试管氢气，然后用燃着木条放到试管口，如果听到轻微的“噗”声，表明氢气是纯净的。如果听到尖锐的爆鸣声，表明氢气不纯。这时需要重新收集和检验。 如用排气法收集，则要用拇指堵住试管口一会儿，使试管内可能尚未熄灭的火焰熄灭，然后才能再收集氢气（或另取一试管收集）。收集好后，用大拇指 堵住试管口移近火焰再移开，看是否有“噗”声，直到试验表明氢气纯净为止。 氢气在空气中燃烧会发出淡蓝色的火焰，其装置就是直接在玻璃尖管中点燃，那么我们真的能看到淡蓝色的火焰吗？ 在玻璃里，含钠离子，而钠离子的焰色却是黄色的，所以，用上述方法只能看到黄色的火焰，却不能看到淡蓝色的火焰。如果要实现淡蓝色的火焰，可采取以下方法： 方法一：用石英导管(天价，不适于普通中学的实验室) 方法二：用铜管(具有欺骗成分，因为铜元素的焰色为绿色，而且铜能导热，对用橡皮管连接铜管，点燃时会影响气密性) 方法三：由于黄色火焰是玻璃中的钠离子造成的，那么我们可以用类似于用焰色反应检验钾元素一样透过钴玻璃看火焰就可以排除钠的干扰了。b.还原性 氢气与氧化铜反应，实质是氢气夺取氧化铜中的氧生成水，使氧化铜变为红色的金属铜。 CuO+H2=Cu+H2O(加热) CO+3H2=CH4+H2O(催化剂) 在这个反应中，氧化铜失去氧变成铜，氧化铜被还原了，即氧化铜发生了还原反应。这种含氧化合物失去氧的反应，叫做还原反应。能夺取含氧化物里的氧，使它发生还原反应是的物质，叫做还原剂。还原剂具有还原性。 根据氢气所具有的燃烧性质，它可以作为燃料，可以应用与航天、焊接、军事等方面；根据它的还原性，还可以用于冶炼某些金属材料等方面。 此外，氢气与有机物的加成反应也体现了氢气的还原性，如 CH2＝CH2+H2→CH3CH3 1）还原装置 ①试管口应略向下倾斜 ②通入氢气的导管应伸入试管底部 ③试管口不能用橡皮塞塞紧 ④用酒精灯外焰加热 2）实验操作 ①实验前应先通一会儿纯净的氢气，然后开始加热 ②实验结束后，先撤走酒精灯，继续通氢气，直至试管冷却为止。 简记为“两先两后，先通氢后上灯，先移灯后停氢。”[编辑本段]氢气的生产方法一 原始氢气生产方法： 原始氢气是宇宙大爆炸由原始粒子形成的氢气，大部分分布在宇宙空间内和大的星球中，是恒星的核燃料，是组成宇宙中各种元素及物质的初始物质。地球上没有原始氢气因为地球的引力束缚不了它。只有它的化合物。二 人造氢气生产方法： 可分为以下几种启普发生器制氢气 ⒈ 工业氢气生产方法： ⑴由煤和水生产氢气（生产设备煤气发生设备，变压吸附设备） ⑵有裂化石油气生产（生产设备裂化设备，变压吸附设备，脱碳设备） ⑶电解水生产（生产设备电解槽设备） ⑷工业废气。 ⒉民用氢气生产方法： ⑴氨分解（生产设备汽化炉，分解炉，变压吸附设备） ⑵由活泼金属与酸（生产设备不锈钢或玻璃容器设备） ⑵强碱与铝或硅（生产设备充氢气球机设备）一般生产氢气球都用此方法。 ⒊试验室氢气生产方法： 硫酸与锌粒（生产设备启普发生器） 4.其他 (1)由重水电解。 (2)由液氢低温精镏。[编辑本段]氢气的制取方法 实验室制取氢气一、实验室制法 1.用强酸与活泼金属反应，如Zn+H2SO4=ZnSO4+H2↑ 2.用碱金属与水反应，如2Na+2H2O=2NaOH+H2↑二、工业制法 1.利用电解饱和食盐水产生氢气，如2NaCl+2H2O=2NaOH+Cl2↑+H2↑ 2.工业上用水和红热的碳反应 3.用铝和氢氧化钠反应制取: 2Al+2NaOH+2H2O=2NaAlO2+3H2↑三、制取氢气的新方法 盛有氢气的集气瓶的放置方法1.用氧化亚铜作催化剂从水中制取氢气。 2.用新型的钼的化合物从水中制取氢气。 3.用光催化剂反应和超声波照射把水完全分解的方法。 4.陶瓷跟水反应制取氢气。 5.生物质快速裂解油制取氢气。 6.从微生物中提取的酶制氢气。 7.用细菌制取氢气。 8.用绿藻生产氢气。 9.有机废水发酵法生物制氢气。 10.利用太阳能从生物质和水中制取氢气。 利用太阳能从生物质和水中制取氢气是最佳的制取氢气的方法。理由是太阳能能量巨大、取之不尽、用之不竭、而且清洁、无污染、不需要开采、运输。怎样制取氢气的成本就大大降低。 11.用二氧化钛作催化剂,在激光的照射下,让水分解成氢气和氧气.[编辑本段]氢气的可燃性 在带尖嘴的导管口点燃纯净的氢气，观察火焰的颜色。然后在火焰上方罩一个冷而干燥的烧杯，过一会儿，我们可以看到，纯净的氢气在空气里安静地燃烧，产生淡蓝色的火焰（氢气在玻璃导管口燃烧时，火焰常略带黄色）。用烧杯罩在火焰的上方时，烧杯壁上有水珠生成，接触烧杯的手能感到发烫。 氢气在空气里燃烧，实际上是氢气跟空气里的氧气发生了化合反应，生成了水并放出大量的热。这个反应的化学方程式是： 2H2＋O2=2H2O(点燃) 取一个一端开口，另一端钻有小孔的纸筒(或塑料筒等)，用纸团堵住小孔，用向下排空气法收集氢气，使纸筒内充满氢气。把氢气发生装置移开，拿掉堵小孔的纸团，用燃着的木条在小孔处点火,注意有什么现象发生。(做这个实验时，人要离得远些，注意安全。) 我们可以看到，刚点燃时，氢气安静地燃烧，过一小会儿，突然听到“砰”的一声响，爆炸的气浪把纸筒高高炸起。 实验测定，空气里如果混入氢气的体积达到总体积的4％～74.2％，点燃时就会发生爆炸。这个范围叫做氢气的爆炸极限。实际上，任何可燃气体或可燃的粉尘如果跟空气充分混合，遇火时都有可能发生爆炸。因此，当可燃性气体(如氢气、液化石油气、煤气等)发生泄漏时，应杜绝一切火源、火星，禁止产生电火花，以防发生爆炸。 正是由于这个原因，我们在使用氢气时，要特别注意安全。点燃氢气前，一定要检验氢气的纯度。 用排水法收集一试管氢气，用拇指堵住，移近火焰，移开拇指点火，如果听到尖锐的爆鸣声，就表明氢气不纯，需要再收集，再检验，直到响声很小，只有“扑”的一声才表明氢气已纯净。如果用向下排空气法收集氢气，经检验不纯而需要再检验时，应该用拇指堵住试管口一会儿（以防点燃产生氢气的试管）然后再收集氢气检验纯度，否则会发生爆炸的危险。因为刚检验过纯度的试管内，氢气火焰可能还没有熄灭，如果立刻就用这个试管去收集氢气，氢气火焰可能会点燃氢气发生器里尚混有空气的氢气，使氢气发生器发生爆炸。用拇指堵住试管口一会儿，就使试管内未熄灭的氢气火焰因缺氧气而熄灭。 另外氢气在氧气过量和低温有催化剂的条件下点燃可生成过氧化氢（H2O2）（氧气化合价为1）[编辑本段]应用 氢是主要的工业原料，也是最重要的工业气体和特种气体，在石油化工、电子工业、冶金工业、食品加工、浮法玻璃、精细有机合成、航空航天等方面有着广泛的应用。同时，氢也是一种理想的二次能源（ 二次能源是指必须由一种初级能源如太阳能、煤炭等来制取的能源）。在一般情况下，氢极易与氧结合。这种特性使其成为天然的还原剂使用于防止出现氧化的生产中。在玻璃制造的高温加工过程及电子微芯片的制造中，在氮气保护气氛中加入氢以去除残余的氧。在石化工业中，需加氢通过去硫和氢化裂解来提炼原油。氢的另一个重要的用途是对人造黄油、食用油、洗发精、润滑剂、家庭清洁剂及其它产品中的脂肪氢化。由于氢的高燃料性，航天工业使用液氢作为燃料。[编辑本段]主要用途及应用行业 用途：核研究、氘核加速器的轰击粒子、示踪剂。 应用行业： 石油精炼 浮法玻璃 电子 食品 化工生产 航天 汽车业[编辑本段]包装、贮存和运输 包装方式：氢气拖车/瓶组/钢瓶 运输方式：氢的贮运有四种方式可供选择，即气态贮运、液态贮运、金属氢化物贮运和微球贮运。目前，实际应用的只有前三种，微球贮运方式尚在研究中。[编辑本段]安全注意事项 氢气是一种无色、无嗅、无毒、易燃易爆的气体，和氟、氯、氧、一氧化碳以及空气混合均有爆炸的危险，其中，氢与氟的混合物在低温和黑暗环境就能发生自发性爆炸，与氯的混合比为1：1时，在光照下也可爆炸。氢由于无色无味，燃烧时火焰是透明的，因此其存在不易被感官发现，在许多情况下向氢气中加入乙硫醇，以便感官察觉，并可同时付予火焰以颜色。氢虽无毒，在生理上对人体是惰性的，但若空气中氢含量增高，将引起缺氧性窒息。与所有低温液体一样，直接接触液氢将引起冻伤。液氢外溢并突然大面积蒸发还会造成环境缺氧，并有可能和空气一起形成爆炸混合物，引发燃烧爆炸事故。