Kapalný vodík - Liquid hydrogen

Kapalný vodík
Dihydrogen-2D-Dimensions.png
Dihydrogen-3D-vdW.png
Tekutý vodík pour.jpg
Jména
Název IUPAC
Kapalný vodík
Ostatní jména
Vodík (kryogenní kapalina); vodík, chlazená kapalina; LH2para-vodík
Identifikátory
3D model (JSmol )
ChEBI
ChemSpider
KEGG
Číslo RTECS
  • MW8900000
UNII
UN číslo1966
Vlastnosti
H2
Molární hmotnost2.016 g · mol−1
VzhledBezbarvá kapalina
Hustota70,85 g / l (4,423 lb / cu ft)[1]
Bod tání -259,14 ° C (-434,45 ° F; 14,01 K)[2]
Bod varu -252,87 ° C (-423,17 ° F; 20,28 K)[2]
Nebezpečí
Vysoce hořlavý (F +)
NFPA 704 (ohnivý diamant)
571 ° C (1060 ° F; 844 K)[2]
Výbušné limityLEL 4,0%; UEL 74,2% (ve vzduchu)[2]
Pokud není uvedeno jinak, jsou uvedeny údaje o materiálech v nich standardní stav (při 25 ° C [77 ° F], 100 kPa).
šekY ověřit (co je šekY☒N ?)
Reference Infoboxu

Kapalný vodík (LH2 nebo LH2) je kapalný stav prvku vodík. Vodík se přirozeně nachází v molekulární H2 formulář.

Aby existoval jako kapalina, H2 musí být chlazeno pod jeho kritický bod 33 K. K tomu, aby byl v plně kapalném stavu v atmosférický tlak, H2 je třeba ochladit na 20,28 K (-252,87 ° C; -423,17 ° F).[3] Jeden běžný způsob získávání kapalného vodíku zahrnuje a kompresor vzhledem a principem připomínající proudový motor. Kapalný vodík se obvykle používá jako koncentrovaná forma skladování vodíku. Stejně jako u jakéhokoli plynu, jeho skladování jako kapaliny zabere méně místa než jeho skladování jako plynu při normální teplotě a tlaku. Hustota kapaliny je však ve srovnání s jinými běžnými palivy velmi nízká. Jakmile je zkapalněn, může být udržován jako kapalina v tlakových a tepelně izolovaných nádobách.

Existují dva spin izomery vodíku; kapalný vodík se skládá z 99,79% parahydrogenu a 0,21% orthohydrogenu.[3]

Dějiny

Další informace: Časová osa nízkoteplotní technologie

V roce 1885 Zygmunt Florenty Wróblewski publikoval kritickou teplotu vodíku jako 33 K; kritický tlak, 13,3 atmosfér; a bod varu, 23 K.

Vodík byl zkapalněn uživatelem James Dewar v roce 1898 pomocí regenerativní chlazení a jeho vynález, termoska. První syntéza stabilní izomerní formy kapalného vodíku, parahydrogenu, byla dosažena Paul Harteck a Karl Friedrich Bonhoeffer v roce 1929.

Odstřeďujte izomery vodíku

Hlavní článek: Odstřeďujte izomery vodíku

Dvě jádra v molekule dihydrogenu mohou mít dvě různá roztočit uvádí.Parahydrogen, ve kterém dva jaderné zatočení jsou antiparalelní, jsou stabilnější než orthohydrogen, ve kterém jsou dva paralelní. Při pokojové teplotě je plynný vodík díky tepelné energii většinou v ortoizomerní formě, ale orto-obohacená směs je pouze metastabilní při zkapalnění při nízké teplotě. Pomalu prochází exotermická reakce aby se stal para izomerem, s dostatečnou energií uvolněnou jako teplo, která způsobí var části kapaliny.[4] Aby se zabránilo ztrátě kapaliny během dlouhodobého skladování, je jako součást výrobního procesu záměrně přeměňována na para izomer. katalyzátor jako oxid železitý, aktivní uhlí platinovaný azbest, kovy vzácných zemin, sloučeniny uranu, oxid chromitý nebo některé sloučeniny niklu.[4]

Použití

Tekutý vodík je běžný kapalný raketové palivo pro raketová technika aplikace - obě NASA a United States Air Force provozovat velké množství nádrží na kapalný vodík s individuální kapacitou až 3,8 milionu litrů (1 milion amerických galonů).[5] Ve většině raketové motory poháněn kapalným vodíkem, to první ochlazuje trysku a další části před smícháním s oxidačním činidlem - obvykle kapalný kyslík (LOX) - a spálené za vzniku vody se stopami ozón a peroxid vodíku. Praktické H2-Ó2 raketové motory pracují s bohatým palivem, takže výfuk obsahuje nějaký nespálený vodík. To snižuje erozi spalovací komory a trysky. Snižuje také molekulovou hmotnost výfukových plynů, která se může ve skutečnosti zvyšovat specifický impuls, navzdory nedokonalému spalování.

Kapalný vodík
DOT Štítek s nebezpečným materiálem tekutý vodík.jpg
RTECSMW8900000
PEL-OSHAJednoduchý dusivý
ACGIH TLV-TWAJednoduché dusivé

Kapalný vodík lze použít jako palivo pro spalovací motor nebo palivový článek. Různé ponorky (Typ 212 ponorka, Typ 214 ponorka ) a koncept vodíková vozidla byly postaveny pomocí této formy vodíku (viz DeepC, BMW H2R ). Díky své podobnosti mohou stavitelé někdy upravovat a sdílet zařízení se systémy pro ně určenými zkapalněný zemní plyn (LNG). Nicméně kvůli nižší objemová energie, objemy vodíku potřebné pro spalování jsou velké. Ledaže přímé vstřikování Při použití výrazného efektu vytěsnění plynu také brání maximálnímu dýchání a zvyšuje ztráty čerpáním.

Kapalný vodík se také používá k chlazení neutronů, které se používají při rozptylu neutronů. Jelikož neutrony a vodíková jádra mají podobné hmotnosti, je výměna kinetické energie na interakci maximální (elastická kolize ). Nakonec se v mnoha případech použil přehřátý kapalný vodík bublinová komora experimenty.

První termonukleární bomba, Ivy Mike, použitá kapalina deuterium (vodík-2), pro jadernou fúzi.

Vlastnosti

Produktem jeho spalování pouze s kyslíkem je vodní pára (i když při spalování s kyslíkem a dusíkem může vytvářet toxické chemikálie), kterou lze ochladit pomocí části kapalného vodíku. Vzhledem k tomu, že voda je často považována za neškodnou pro životní prostředí, lze spalovací motor považovat za „nulové emise“. V letectví však vodní pára emitovaná v atmosféře přispívá ke globálnímu oteplování (v menší míře než CO2).[6] Kapalný vodík má také mnohem vyšší specifická energie než benzín, zemní plyn nebo nafta.[7]

Hustota kapalného vodíku je pouze 70,99 g / l (při 20 ° C)K. ), a relativní hustota pouhých 0,07. Ačkoli je specifická energie více než dvojnásobná u jiných paliv, dává to pozoruhodně nízkou objemovou kapacitu hustota energie, mnohokrát nižší.

Tekutý vodík vyžaduje kryogenní technologie skladování, jako jsou speciální tepelně izolované kontejnery, a vyžaduje speciální zacházení společné pro všechny kryogenní paliva. To je podobné, ale závažnější než kapalný kyslík. I u tepelně izolovaných nádob je obtížné udržovat tak nízkou teplotu a vodík bude postupně unikat (obvykle rychlostí 1% denně)[7]). Sdílí také mnoho stejných bezpečnostní problémy jako jiné formy vodíku, stejně jako dostatečně chladný na zkapalnění nebo dokonce tuhnutí atmosférického kyslíku, což může představovat nebezpečí výbuchu.

The trojitý bod vodíku je při 13,81 K.[3] 7,042 kPa.[8]

  • Bubliny kapalného vodíku se tvoří ve dvou skleněných baňkách u Bevatron laboratoř, c. 1950

  • Velká vodíková nádrž ve vakuové komoře ve Lewis Research Center v roce 1967

  • Nádrž na kapalný vodík z Linde, Muzeum Autovision, Altlußheim, Německo


Bezpečnost

Kvůli nízkým teplotám je kapalný vodík nebezpečný studené popáleniny. Elementární vodík jako kapalina je biologicky inertní a jeho jediným rizikem pro lidské zdraví jako pára je vytěsňování kyslíku, které vede k udušení. Kvůli své hořlavosti by měl být kapalný vodík chráněn před teplem nebo plamenem, pokud není zamýšleno zapálení.

Viz také

Reference

  1. ^ Termofyzikální vlastnosti vodíku , nist.gov, zpřístupněno 14. 09. 2012
  2. ^ A b C d Informace specifické pro kapalný vodík Archivováno 2009-07-17 na Wayback Machine, harvard.edu, přístup 12. 6. 2009
  3. ^ A b C IPTS-1968, iupac.org, zpřístupněno 1. 1. 2020
  4. ^ A b "Zkapalňování" stálých "plynů" (PDF skript). 2011. Citováno 2017-10-16.
  5. ^ Flynn, Thomas (2004). Cryogenic Engineering, druhé vydání, revidované a rozšířené. CRC Press. p. 401. ISBN  978-0-203-02699-1.
  6. ^ Nojoumi, H. (10. 11. 2008). „Posouzení emisí skleníkových plynů z pohonu letadel na vodík a petrolej“. International Journal of Hydrogen Energy. 34 (3): 1363–1369. doi:10.1016 / j.ijhydene.2008.11.017.
  7. ^ A b Vodík jako alternativní palivo Archivováno 2008-08-08 na Wayback Machine. Almc.army.mil. Citováno 2011-08-28.
  8. ^ Cengel, Yunus A. a Turner, Robert H. (2004). Základy věd o tepelné tekutině, McGraw-Hill, s. 78, ISBN  0-07-297675-6