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📜  氢气作为燃料——定义、用途、例子

📅  最后修改于: 2022-05-13 01:57:10.400000             🧑  作者: Mango

氢气作为燃料——定义、用途、例子

氢是现代元素周期表上的第一个元素。与所有其他元素相比，它具有最简单的原子结构。在原子形式中，它有一个质子和一个电子。另一方面，在元素形式中，它以称为二氢的双原子 (H 2 ) 分子的形式存在。如果氢失去它的一个电子，它将成为一种基本粒子，质子。

这就是氢气的独特之处。氢是宇宙中最丰富的元素。它在自由状态下的地球大气中并不常见。然而，当我们考虑结合状态的氢时，它是地球表面第三丰富的元素。

什么是二氢？

相比之下，由于其轻质，它在地球大气中的含量要少得多（按质量计为 0.15%）。然而，它以多种因素的组合形式出现，如水、植物和动物组织、蛋白质、碳水化合物、碳氢化合物和许多其他化合物。

氢气在工业上是通过石化产品的水煤气变换反应制备的。它是盐水电解的副产品。二氢具有非常高的负解离焓，因此它在室温下相当不活跃。然而，它在适当的条件下与几乎所有元素结合形成氢化物。

氢气的用途

  • 二氢的最大用途是合成氨。用于制造硝酸和氮肥。
  • 氢气通过多不饱和植物油（如棉籽、大豆等）的氢化用于制造 vanaspati 脂肪。
  • 也用于制造LiH、AlH 3 、CaH 2等金属氢化物。
  • 氢气用于制造大量有机化学品，特别是甲醇。

CO (g) + 2H 2 (g) ⇢ CH 3 OH (l) （在钴存在下）

  • 也用于制备氯化氢（HCL）。它用于在冶金过程中将重金属氧化物还原为金属。
  • 氢气在太空研究中用作火箭燃料。
  • 它用于在燃料电池中发电。与传统的化石燃料和电力相比，这具有几个优势。与汽油和其他燃料相比，它是无污染的，并且每单位质量的燃料释放更多的能量。

氢气作为燃料

氢气燃烧时会释放大量热量。我们可以比较不同燃料（如甲烷、液化石油气、二氢等）燃烧释放的能量，以摩尔、质量和体积的相同数量表示。

以摩尔、质量和体积表示的各种燃料燃烧释放的能量如下表所述：

The energy released on combustion (in kJ)Dihydrogen (in a gaseous state)Dihydrogen (in liquid state)LPGCH4 gasOctane (in liquid state)
per mole28628522208805511
per gram143142505347
per litre129968255903534005

从上表可以推断，以质量为基础，二氢比汽油释放更多的能量（约三倍）。此外，氢气的燃烧将导致比汽油更少的污染。由于二氮作为杂质存在于二氢中，因此唯一的污染物将是二氮的氧化物。

这可以通过降低钢瓶的温度来最小化，这样二氮和二氧之间的反应就不会发生。这可以通过向气缸中注入少量水来完成。虽然在这样做的同时，我们还应该考虑容纳氢气的容器的质量。如果我们考虑相应燃料产生的等量能量，一缸压缩氢气的重量将是一罐汽油的 30 倍。

此外，我们必须通过将氢气冷却到 20K 来将其转化为液态。我们将需要昂贵的绝缘罐进行这种转换。 NaNi 5 、Ti-TiH 2 、Mg-MgH 2等金属合金罐用于储存少量氢气。因此，由于这些缺点和限制，我们开发了替代技术来有效地使用氢气。

氢经济

氢经济是一种有效利用氢气的替代技术。氢经济的基本原理是以液态或气态二氢形式传输和储存能量。主要优点是在这种情况下，能量直接以氢气的形式而不是以电力的形式传输。

目前的进展

  • 2005 年 10 月，印度首次启动了使用氢气作为汽车燃料的试点项目。
  • 起初，只有 5% 的氢气混合在 CNG 中用于四轮汽车。这个百分比正在逐渐增加，以优化二氢作为燃料的使用。
  • 如今，它也用于发电的燃料电池。预计在未来几年将确定经济和更安全的氢气来源，将其用作常见的能源。

示例问题

问题1：什么是二氢？

回答：

问题二：什么是氢经济？

回答：

问题3：为什么氢会储存在合金中？

回答：

问题四：氢气是如何大规模生产的？

回答：

问题 5：比较氢和汽油作为燃料。

回答：

问题 6：氢气作为燃料会出现什么问题？

回答：