Системите водород-метал често са прототипи в изследването на редица фундаментални физични свойства. Изключителната простота на електронните свойства и ниската маса на водородните атоми правят възможно анализирането на явления на микроскопично ниво. Разглеждат се следните задачи:
- Преструктуриране на електронната плътност близо до протон в сплав с ниски концентрации на водород, включително силно взаимодействие електрон-йон
- Определяне на непряко взаимодействие в метална матрица чрез смущение на „електронната течност” и деформация на кристалната решетка.
- При високи концентрации на водород възниква проблемът с образуването на метално състояние в сплави с нестехиометричен състав.
Водород - метални сплави
Водородът, локализиран в междинните пространства на металната матрица, леко изкривява кристалната решетка. От гледна точка на статистическата физика е реализиран модел на взаимодействащ „решетъчни газ“. От особен интерес е изследването на термодинамичните и кинетичните свойства в близост до точките на фазов преход. При ниски температури се образува квантова подсистема с висока енергия на нулеви трептения и голяма амплитуда на изместване. Това прави възможно изследването на квантовите ефекти по време на фазовите трансформации. Високата подвижност на водородните атоми в метала позволява да се изследват процесите на дифузия. Друга област на изследване е физиката и физическата химия на повърхностните явления на взаимодействието на водород с метали: разлагането на водородната молекула и адсорбцията на атомарния водород на повърхността. От особен интерес е случаят, когато началното състояние на водорода е атомно, а крайното състояние е молекулно. Това е важно при създаването на метастабилни системи метал-водород.
Приложение на системи водород - метал
- Пречистване на водород и водородни филтри
- Използването на метални хидриди в ядрени реактори като модератори, рефлектори и др.
- Изотопно разделяне
- Термоядрени реактори - извличане на тритий от литий
- Устройства за водна дисоциация
- Електроди за горивни клетки и батерии
- Съхранение на водород за автомобилни двигатели на базата на метални хидриди
- Термопомпи на базата на метални хидриди, включително климатици за автомобили и домове
- Преобразуватели на енергия за ТЕЦ
Интерметални метални хидриди
Хидридите на интерметалните съединения се използват широко в промишлеността. По-голямата част от акумулаторните батерии и акумулатори, например за мобилни телефони, преносими компютри (лаптопи), фото и видео камери, съдържат метален хидриден електрод. Такива батерии са екологични, защото не съдържат кадмий.
Типични никел-метал-хидридни батерии
Фондация Уикимедия. 2010 г.
Вижте какво са „метални хидриди“ в други речници:
Съединения на водород с метали и с неметали, които имат по-малка електроотрицателност от водорода. Понякога съединенията на всички елементи с водород се считат за хидриди. Класификация В зависимост от естеството на водородната връзка разграничават... ... Wikipedia
Водородните съединения с метали или неметали са по-малко електроотрицателни от водорода. Понякога G. се нарича conn. всички хим. елементи с водород. Има прости или бинарни хидриди, сложни (вижте например Алуминиеви хидриди, Метални борохидриди ... Химическа енциклопедия
Съединения на водорода с други елементи. В зависимост от характера на водородната връзка се разграничават три вида водород: йонен, метален и ковалентен. Йонните (подобни на соли) газове включват газовете от алкални и алкалоземни метали. Това… …
- (метали), имат метални свойства. Св. вие, по-специално електрически. проводимост, която се дължи на метал. природата на химията комуникации. Към М. с. включват конн. метали един с друг, интерметалиди и много други. конн. метали (главно преходни метали) с неметали... ... Химическа енциклопедия
Борни хидриди, борани, бор-водородни съединения. Известно е, че Б. съдържат от 2 до 20 борни атома на молекула. Най-простият B., BH3, не съществува в свободно състояние, той е известен само под формата на комплекси с амини, етери и др. Характер…… Велика съветска енциклопедия
Прости вещества, които при нормални условия имат характерни свойства: висока електрическа и топлопроводимост, отрицателен температурен коефициент на електрическа проводимост, способност да отразяват добре електромагнитните вълни... ... Велика съветска енциклопедия
ПОДГРУПА VA. ФОСФОРНО АЗОТНО СЕМЕЙСТВО Тенденцията на промени в свойствата от неметални към метални, идентифицирана в подгрупи IIIA и IVA, също е характерна за тази подгрупа. Преходът към металичност (макар и замъглен) започва с арсен, в... ... Енциклопедия на Collier
- (от латински inter между и метал) (интерметални съединения), химически. конн. две или няколко метали помежду си. Те принадлежат към метални съединения или металиди. И. се образуват в резултат на взаимодействие. компоненти по време на топене, кондензация от пара... Химическа енциклопедия
- (от гръцки metallon първоначално, мина, мина), във ва, които при нормални условия имат характерни, метални, високи електрически свойства. проводимост и топлопроводимост, отрицателни. температурен коефициент електрически проводимост, способност...... Химическа енциклопедия
Метал- (Метал) Определение на метал, физични и химични свойства на металите Определение на метал, физични и химични свойства на металите, приложение на метали Съдържание Съдържание Определение Срещане в природата Свойства Характерни свойства... ... Енциклопедия на инвеститора
Характерно е, че продуктът от взаимодействието на водород с торий, в сравнение с водородните производни на всички други метали, съдържа най-голямо количество водород и съответства по състав на съотношението ThH 3,75, т.е. доближава се до състава, съответстващ на максимална валентност на елементи от IV група. Плътността на съдържащия водород торий е почти 30% по-малка от плътността на метала, докато за други елементи от титановата подгрупа промяната в плътността при взаимодействие с водород е приблизително 15%.
Най-простите хидриди на елементи от въглеродната подгрупа - въглерод, силиций, германий, калай, олово - са четиривалентни и съответстват на общата формула MeH 4. Термичната стабилност на хидридите на елементи от група IV постепенно намалява с увеличаване на атомното тегло на тези елементи и атомния радиус.
Подгрупа на ванадий V групи . Взаимодействието на водорода с ванадий, ниобий и тантал е до голяма степен подобно. В тези системи не са открити химически съединения с точен стехиометричен състав. Тъй като абсорбцията и десорбцията на водород причиняват необратими промени в структурата на металния тантал, възможно е в системата тантал-водород и, очевидно, в системата ниобий-водород, да е възможна определена част от химични връзки от междинен тип.
Простите хидриди на азот, фосфор, арсен, антимон и бисмут имат общата формула MeH3. Хидридите на елементите от V група са по-малко стабилни от тези на елементите от IV и VI група. Повечето елементи от V група, в допълнение към простите хидриди като NH3, също образуват по-сложни съединения с водорода.
От елементи на подгрупата на хром VI група - хром, молибден, волфрам и уран, изследван е само уранов хидрид UH 3. Химическата връзка в това съединение вероятно се обяснява с наличието на водородни мостове, но не и с ковалентност, което е в съответствие със свойствата на UH 3 . Образуването на уранов хидрид е придружено от рязко (почти 42%) намаляване на плътността на урана. Тази степен на намаляване на плътността е максималната сред изследваните водородни производни на метали и по ред на величината съответства на увеличението на плътността, наблюдавано при образуването на хидриди на алкални метали от I група. Няма надеждна информация за производството на химични съединения с точен стехиометричен състав чрез взаимодействие на водород с хром, молибден и волфрам.
Хидриди на елементи от тази група могат да бъдат получени чрез директно взаимодействие на елементи с водород. В сериите H 2 O, H 2 S, H 2 Se, H 2 Te и H 2 Ro термичната стабилност на хидридите бързо намалява.
По отношение на химичното взаимодействие на водорода с елементите VIII група периодична система - желязо, никел и кобалт - в литературата има противоречиви данни. Естествено възникват съмнения относно реалното съществуване на хидриди на тези елементи. Взаимодействието на водород с желязо, кобалт и никел при повишени температури не е химичен процес в общоприетия смисъл. Това обаче все още не доказва невъзможността за съществуването на хидриди на тези елементи.
Много изследователи съобщават за получаване на продукти, които според тях са хидриди. По този начин има информация за индиректното производство на железни хидриди - FeH, FeH 2 и FeH 3, които са стабилни при температури под 150 ° C, над които се разлагат. Съобщава се и за производството на никелови и кобалтови хидриди. Получените продукти са тъмни, фино диспергирани пирофорни прахове. Според някои автори веществата от този тип всъщност не са хидриди, а фино диспергирани редуцирани метали, съдържащи значителни количества водород, физически адсорбиран на повърхността. Други смятат, че адсорбираният водород е на повърхността на метала в атомно състояние и образува химическа връзка с металните атоми.
Има много малко последователни данни за химичното взаимодействие на водорода с други елементи от VIII група (с изключение на паладий).
В табл Таблица 5 показва наличните данни за промяната в плътността на металите при взаимодействие с водород.
Докато теорията на тектониката на плочите празнува своята „победа“, като едновременно с това печели недостатъци в хода на по-нататъшните изследвания на структурата на подпочвата и върви към нейния колапс, теорията за разширяването на Земята реши двата си основни проблема и при в същото време - беше открита версия на такъв механизъм за разширяване, който едновременно премахва всички въпроси чрез „прекомерни“ налягания в ядрото.
Изход от дългата задънена улица беше предложен преди около три десетилетия от съветския учен Владимир Ларин (сега доктор на геологическите науки), който, както често се случва, подходи към този проблем от съвсем различен ъгъл.
Ориз. 69. Диаграма на метални и водородни атоми
На първо място, разтварянето на водород в метал не е просто смесването му с метални атоми - в този случай водородът отдава своя електрон, който има само един, в общата съкровищница на разтвора и остава абсолютно „гол“. ” протон. А размерите на протона са 100 хиляди пъти (!) по-малки от размерите на всеки атом, което в крайна сметка (заедно с огромната концентрация на заряд и маса на протона) му позволява дори да проникне дълбоко в електронната обвивка на други атоми (тази способност на гол протон вече е доказана експериментално).
Но прониквайки в друг атом, протонът изглежда увеличава заряда на ядрото на този атом, увеличава привличането на електрони към него и по този начин намалява размера на атома. Следователно разтварянето на водород в метал, колкото и парадоксално да изглежда, може да доведе не до разхлабване на такъв разтвор, а напротив, до уплътняване на оригиналния метал. При нормални условия (т.е. при нормално атмосферно налягане и стайна температура) този ефект е незначителен, но при високо налягане и температура е доста значителен.
По този начин предположението, че външното течно ядро на Земята съдържа значително количество водород, първо, не противоречи на неговите химични свойства; второ, той вече решава проблема с дълбокото съхранение на водород за рудни находища; и трето, което е по-важно за нас, позволява значително уплътняване на вещество без също толкова значително повишаване на налягането в него.
„В Московския университет създадоха цилиндър на базата на... интерметално съединение [сплав от лантан и никел]. Завъртете крана и от литров цилиндър ще излязат хиляда литра водород!“ (М. Курячая, „Хидриди, които не съществуват“).
Но се оказва, че всичко това са „семена“...
В металните хидриди - тоест в химичните съединения на метал с водород - имаме различна картина: не водородът отдава своя електрон (на общата доста разхлабена електронна касичка), а металът се отървава от външния си електронна обвивка, образувайки така наречената йонна връзка с водорода. В същото време водородният атом, приемайки допълнителен електрон в същата орбита, в която се върти електронът, който вече има, практически не променя размера си. Но радиусът на метален атомен йон - тоест атом без външната си електронна обвивка - е значително по-малък от радиуса на самия атом. За желязото и никела йонният радиус е приблизително 0,6 от радиуса на неутрален атом, а за някои други метали съотношението е още по-впечатляващо. Такова намаляване на размера на металните йони позволява те да бъдат уплътнени в хидридна форма няколко пъти без никакво повишаване на налягането в резултат на такова уплътняване!..
Нещо повече, тази способност за свръхуплътняване на опаковката на хидридни частици се открива експериментално дори при обикновени нормални условия (вижте таблица 1), а при високи налягания тя се увеличава още повече.
Плътност, g/cm
Метал
Хидрид
Уплътняване, %
Таблица 1. Компактност на някои хидриди (при нормални условия)
В допълнение, самите хидриди също са способни да разтварят допълнителен водород. По едно време дори се опитаха да използват тази способност при разработването на водородни автомобилни двигатели за съхранение на гориво.
„...например един кубичен сантиметър магнезиев хидрид съдържа един път и половина повече водород по тегло, отколкото се съдържа в кубичен сантиметър течен водород и седем пъти повече, отколкото в газ, компресиран до сто и петдесет атмосфери! ” (М. Курячая, „Хидриди, които не съществуват“).
Един проблем е, че при нормални условия хидридите са много нестабилни...
Но ние не се нуждаем от нормални условия, тъй като говорим за възможността за съществуването им дълбоко в недрата на планетата - където налягането е значително по-високо. И с увеличаване на налягането стабилността на хидридите се увеличава значително.
В днешно време е получено експериментално потвърждение на тези свойства и все повече геолози постепенно са склонни да вярват, че моделът на хидридното ядро може да се окаже много по-близо до реалността от предишния желязо-никелов модел. Освен това, усъвършенстваните изчисления на условията в недрата на нашата планета разкриват незадоволителния характер на „чистия“ желязо-никелов модел на нейното ядро.
„Сеизмологичните измервания показват, че както вътрешното (твърдо), така и външното (течно) ядро на Земята се характеризират с по-ниска плътност в сравнение със стойността, получена въз основа на модел на ядро, състоящо се само от метално желязо при същите физикохимични параметри. .
Наличието на водород в ядрото отдавна е предмет на дебат поради ниската му разтворимост в желязо при атмосферно налягане. Неотдавнашни експерименти обаче установиха, че железен хидрид FeH може да се образува при високи температури и налягания и при потапяне по-дълбоко е стабилен при налягания, надвишаващи 62 GPa, което съответства на дълбочини от ~1600 km. В тази връзка наличието на значителни количества (до 40 mol.%) водород в ядрото е напълно приемливо и намалява плътността си до стойности, съответстващи на сеизмологичните данни“(Ю. Пушчаровски, „Тектоника и геодинамика на мантията на Земята”).
Но най-важното е, че при определени условия - например при намаляване на налягането или при нагряване - хидридите са способни да се разпадат на своите компоненти. Металните йони преминават в атомно състояние с всички произтичащи от това последствия. Възниква процес, при който обемът на веществото се увеличава значително, без да се променя масата, тоест без да се нарушава законът за запазване на материята. Подобен процес възниква, когато водородът се отделя от разтвор в метал (виж по-горе).
А това вече дава напълно разбираем механизъм за увеличаване на размера на планетата!!!
„Основната геоложка и тектонична последица от хипотезата за първоначално хидридна Земя е значителна, може би многократна, в хода на геоложката история увеличаване на неговия обем, което се дължи на неизбежната декомпресия на вътрешността на планетата по време на дегазирането на водорода и прехода на хидриди към метали” (В. Ларин, „Хипотеза за първоначално хидридна Земя”).
И така, Ларин предложи теория, която не само решава някои от проблемите на рудните находища и обяснява редица процеси в историята на Земята (на които ще се върнем), но също така дава сериозна основа за хипотезата за разширяването на нашата планета - като странична последица.
Ларин направи най-важното - премахна всички основни проблеми на теорията за разширяването на Земята!..
Остават само „технически подробности“.
Например, абсолютно не е ясно колко точно се е увеличила нашата планета през целия период на нейното съществуване и с каква точно скорост се е случило нейното разширяване. Различни изследователи дадоха оценки, които бяха много различни една от друга, освен това силно напомняха на обикновено смучене на пръста.
„...в палеозоя, според тази хипотеза, радиусът на Земята е бил приблизително 1,5 - 1,7 пъти по-малък от съвременния и следователно оттогава обемът на Земята се е увеличил приблизително 3,5 - 5 пъти“ (О Сорохтин, „Катастрофата на разширяващата се Земя“).
„Най-вероятни ми се струват идеи за сравнително умерен мащаб на разширяване на Земята, при който от ранния архей (тоест над 3,5 милиарда години) нейният радиус може да се увеличи с не повече от един и половина до два пъти , от късния протерозой (т.е. над 1,6 милиарда години) - не повече от 1,3 - 1,5 пъти, а от началото на мезозоя (тоест през последните 0,25 милиарда години) с не повече от 5, максимум 10 процента“ (Е. Милановски, „Земята Разширява ли се земята? Пулсира ли земята?“).
уви Хипотезата на Ларин също не отговаря директно на този въпрос.
Освен това всички изследователи изхождат от факта, че процесът протича повече или по-малко равномерно от самото начало на формирането на Земята (авторът на хидридната теория В. Ларин също се придържа към тази хипотеза). И това води до толкова ниски темпове на разширение, че е почти невъзможно да се открие със съвременни инструменти. А проверката на валидността на теорията изглежда е само въпрос на далечно бъдеще.
Съхранявайки водород в хидридна форма, няма нужда от обемисти и тежки цилиндри, необходими при съхранение на сгъстен водороден газ, или трудни за производство и скъпи съдове за съхранение на течен водород. При съхраняване на водород под формата на хидриди, обемът на системата се намалява приблизително 3 пъти в сравнение с обема на съхранение в цилиндри. Транспортирането на водород е опростено. Няма разходи за преобразуване и втечняване на водорода.
Водородът може да се получи от метални хидриди чрез две реакции: хидролиза и дисоциация:
Чрез хидролиза е възможно да се получи два пъти повече водород, отколкото присъства в хидрида. Този процес обаче е практически необратим. Методът за производство на водород чрез термична дисоциация на хидрид прави възможно създаването на водородни акумулатори, за които лека промяна в температурата и налягането в системата причинява значителна промяна в равновесието на реакцията на образуване на хидрид.
Стационарните устройства за съхранение на водород под формата на хидриди нямат строги ограничения за маса и обем, така че ограничаващият фактор при избора на конкретен хидрид по всяка вероятност ще бъде неговата цена. За някои приложения ванадиевият хидрид може да бъде полезен, тъй като той се дисоциира добре при температура, близка до 270 K. Магнезиевият хидрид е относително евтин, но има относително висока температура на дисоциация от 560-570 K и висока топлина на образуване. Сплавта желязо-титан е сравнително евтина и нейният хидрид се дисоциира при температури от 320-370 K с ниска топлина на образуване.
Използването на хидриди има значителни предимства по отношение на безопасността. Повреден съд за водороден хидрид представлява значително по-малка опасност от повреден резервоар за течен водород или съд под налягане, пълен с водород.
Важно е свързването на водород с метал да става с отделяне на топлина. Екзотермичният процес на образуване на хидрид от водород М на метал (зареждане) и ендотермичният процес на освобождаване на водород от хидрида (разреждане) могат да бъдат представени под формата на следните реакции:
За техническата употреба на хидриди особен интерес представляват температури, при които налягането на водородна дисоциация в хидрида достига стойности над 0,1 MPa. Хидридите, при които налягането на дисоциация над 0,1 MPa се постига при температура под точката на замръзване на водата, се наричат нискотемпературни. Ако това налягане се постигне при температура над точката на кипене на водата, тогава такива хидриди се считат за високотемпературни.
За нуждите на автомобилния транспорт се създават хидриди, които теоретично могат да съдържат до 130-140 kg водород на 1 m 3 метален хидрид. Реализираният капацитет на хидрид обаче едва ли ще надхвърли 80 kg/m 3 Но дори това съдържание на водород в резервоар с вместимост 130 dm 3 е достатъчно за 400 km пробег на автомобила. Това са реални показатели за използване, но трябва да се вземе предвид увеличението на масата на резервоара, пълен с хидрид. Например, масата на латан-никеловия хидрид достига 1 тон, а на магнезиевия хидрид - 400 кг.
Към днешна дата са синтезирани и изследвани метални хидриди с широк спектър от свойства. Данните за свойствата на някои хидриди, които представляват най-голям потенциален интерес за промишлена употреба, са дадени в табл. 10.3 и 10.4. Както се вижда от табл. 10.3, например, магнезиевият хидрид позволява да се съхраняват 77 g H2 на 1 kg хидридна маса, докато в цилиндър под налягане от 20 MPa има само 14 g на 1 kg контейнер. В случай на течен водород можете да съхранявате 500 g на контейнер от 1 kg.
Цялостната програма за търсене, изследване и развитие на водородната енергия и горивните клетки планира да изследва паладий. Металът от платиновата група паладий е един от основните материали за горивни клетки и цялата водородна енергия. На негова основа се произвеждат катализатори, мембранни устройства за производство на чист водород, материали с подобрени функционални характеристики, горивни клетки, електролизатори и сензори за определяне на водород. Паладият може ефективно да натрупва водород, особено паладиев нанопрах.
В допълнение към водородната енергия, паладият се използва в катализатори за последваща обработка на отработените газове от конвенционалните автомобили; Електролизери за производство на водород и кислород чрез разлагане на вода; преносими горивни клетки, по-специално метанол; Електролизери с твърд оксид с електроди на основата на паладий; устройства за получаване на кислород от въздуха, включително за медицински цели; сензори за анализ на сложни газови смеси.
Важно е да се отбележи, че страната ни контролира около 50% от световното производство на този метал, необходим за производството на водород. В момента в Института по химическа физика на Руската академия на науките в Черноголовка се работи по създаването на водородни батерии на базата на метални хидриди.
Свойства на някои хидриди
Таблица 10.3
