Sistemi vodonik-metal često su prototipovi u proučavanju niza osnovnih fizičkih svojstava. Ekstremna jednostavnost elektronskih svojstava i mala masa atoma vodonika omogućavaju analizu fenomena na mikroskopskom nivou. Razmatraju se sljedeći zadaci:
- Restrukturiranje elektronske gustine u blizini protona u leguri s niskom koncentracijom vodika uključujući jaku interakciju elektrona i jona
- Određivanje indirektne interakcije u metalnoj matrici putem poremećaja „elektronske tečnosti“ i deformacije kristalne rešetke.
- Pri visokim koncentracijama vodika javlja se problem formiranja metalnog stanja u legurama nestehiometrijskog sastava.
Vodonik - legure metala
Vodik lokaliziran u međuprostorima metalne matrice blago iskrivljuje kristalnu rešetku. Sa stanovišta statističke fizike, implementiran je model međusobnog „mrežnog gasa“. Od posebnog interesa je proučavanje termodinamičkih i kinetičkih svojstava u blizini tačaka faznog prijelaza. Na niskim temperaturama formira se kvantni podsistem sa visokom energijom oscilacija nulte tačke i velikom amplitudom pomaka. Ovo omogućava proučavanje kvantnih efekata tokom faznih transformacija. Velika pokretljivost atoma vodika u metalu omogućava proučavanje procesa difuzije. Još jedno područje istraživanja je fizika i fizička kemija površinskih fenomena interakcije vodika s metalima: razlaganje molekule vodika i adsorpcija atomskog vodika na površini. Posebno je zanimljiv slučaj kada je početno stanje vodika atomsko, a konačno molekularno. Ovo je važno kada se stvaraju metastabilni metal-vodonik sistemi.
Primena sistema vodonik - metal
- Prečišćavanje vodika i vodikovi filteri
- Upotreba metalnih hidrida u nuklearnim reaktorima kao moderatora, reflektora itd.
- Izotopsko odvajanje
- Fuzijski reaktori - ekstrakcija tricijuma iz litijuma
- Uređaji za disocijaciju vode
- Elektrode za gorivne ćelije i baterije
- Skladištenje vodika za automobilske motore na bazi metalnih hidrida
- Toplotne pumpe na bazi metalnih hidrida, uključujući klima uređaje za vozila i kuće
- Energetski pretvarači za termoelektrane
Intermetalni metalni hidridi
Hidridi intermetalnih jedinjenja se široko koriste u industriji. Većina punjivih baterija i akumulatora, na primjer, za mobilne telefone, prijenosne računare (laptopove), foto i video kamere, sadrže metal-hidridnu elektrodu. Takve baterije su ekološki prihvatljive jer ne sadrže kadmijum.
Tipične nikl-metal-hidridne baterije
Wikimedia Foundation. 2010.
Pogledajte šta su "metalni hidridi" u drugim rječnicima:
Spojevi vodonika s metalima i nemetalima koji imaju manju elektronegativnost od vodonika. Ponekad se spojevi svih elemenata sa vodonikom smatraju hidridima. Klasifikacija U zavisnosti od prirode vodonične veze, razlikuju se... ... Wikipedia
Jedinjenja vodika s metalima ili nemetalima manje elektronegativna od vodonika. Ponekad se G. naziva konn. all chem. elemenata sa vodonikom. Postoje jednostavni ili binarni hidridi, složeni (vidi, na primjer, Aluminij hidridi, Metalni borohidridi ... Hemijska enciklopedija
Jedinjenja vodonika sa drugim elementima. U zavisnosti od prirode vodonične veze, razlikuju se tri vrste vodonika: jonski, metalni i kovalentni. Jonski (soliki) plinovi uključuju plinove alkalnih i zemnoalkalnih metala. Ovo… …
- (metali), imaju metalna svojstva. St. vi, posebno električni. provodljivost, koja je zbog metala. priroda hemije komunikacije. Za M. s. uključuje konn. metali međusobno, intermetalidi i mnogi drugi. conn. metali (uglavnom prelazni metali) sa nemetalima ... ... Hemijska enciklopedija
Bor-hidridi, borani, jedinjenja bora i vodonika. Poznato je da B. sadrže od 2 do 20 atoma bora po molekulu. Najjednostavniji B., BH3, ne postoji u slobodnom stanju, poznat je samo u obliku kompleksa sa aminima, etrima itd. lik… … Velika sovjetska enciklopedija
Jednostavne supstance koje u normalnim uslovima imaju karakteristična svojstva: visoku električnu i toplotnu provodljivost, negativan temperaturni koeficijent električne provodljivosti, sposobnost da dobro reflektuju elektromagnetne talase.... Velika sovjetska enciklopedija
PODGRUPA VA. PORODICA FOSFORA AZOTA Za ovu podgrupu karakterističan je i trend promjene svojstava od nemetalnih do metalnih, koji je identifikovan u podgrupama IIIA i IVA. Prelazak na metalnost (iako zamagljen) počinje sa arsenom, u ... ... Collier's Encyclopedia
- (od latinskog inter između i metal) (intermetalna jedinjenja), hem. conn. dva ili nekoliko metali među sobom. Pripadaju metalnim spojevima ili metalidima. I. nastaju kao rezultat interakcije. komponente tokom fuzije, kondenzacija iz pare... Hemijska enciklopedija
- (od grčkog metallon izvorno, rudnik, rudnik), u va, koji u normalnim uslovima imaju karakteristična, metalna, visoka električna svojstva. provodljivost i toplotna provodljivost, negativna. temperaturni koeficijent električni provodljivost, sposobnost...... Hemijska enciklopedija
Metal- (Metal) Definicija metala, fizičkih i hemijskih svojstava metala Definicija metala, fizičkih i hemijskih svojstava metala, primena metala Sadržaj Sadržaj Definicija Pojava u prirodi Svojstva Karakteristična svojstva... ... Investor Encyclopedia
Karakteristično je da proizvod interakcije vodonika sa torijom, u poređenju sa vodoničnim derivatima svih ostalih metala, sadrži najveću količinu vodonika i po sastavu odgovara omjeru ThH 3,75, odnosno približava se sastavu koji odgovara maksimalna valencija elemenata IV grupe. Gustoća torijuma koji sadrži vodonik je skoro 30% manja od gustine metala, dok je za ostale elemente podgrupe titanijuma promena gustine pri interakciji sa vodonikom oko 15%.
Najjednostavniji hidridi elemenata podgrupe ugljika - ugljik, silicijum, germanij, kalaj, olovo - su četverovalentni i odgovaraju općoj formuli MeH 4. Termička stabilnost hidrida elemenata IV grupe postepeno opada sa povećanjem atomske težine ovih elemenata i atomskog radijusa.
Vanadijum podgrupa V grupe . Interakcija vodika sa vanadijem, niobijem i tantalom je u velikoj mjeri slična. U ovim sistemima nisu pronađena hemijska jedinjenja tačnog stehiometrijskog sastava. Budući da apsorpcija i desorpcija vodonika uzrokuje nepovratne promjene u strukturi metalnog tantala, moguće je da je u sistemu tantal-vodonik i, po svemu sudeći, u sistemu niobijum-vodonik moguć određeni udio hemijskih veza srednjeg tipa.
Jednostavni hidridi dušika, fosfora, arsena, antimona i bizmuta imaju opću formulu MeH3. Hidridi elemenata grupe V su manje stabilni od onih elemenata grupe IV i VI. Većina elemenata grupe V, pored jednostavnih hidrida kao što je NH 3, formiraju i složenija jedinjenja sa vodonikom.
Od elemenata podgrupe hroma Grupa VI - hrom, molibden, volfram i uranijum, proučavan je samo uranijum hidrid UH 3. Hemijska veza u ovom jedinjenju se možda objašnjava prisustvom vodoničnih mostova, ali ne i kovalentnošću, što je u skladu sa svojstvima UH 3 . Formiranje uranijum-hidrida je praćeno naglim (skoro 42%) smanjenjem gustine uranijuma. Ovaj stepen smanjenja gustine je najveći među proučavanim vodoničnim derivatima metala i po redu odgovara povećanju gustine uočenom tokom formiranja hidrida alkalnih metala I grupe. Ne postoje pouzdani podaci o proizvodnji hemijskih jedinjenja preciznog stehiometrijskog sastava interakcijom vodonika sa hromom, molibdenom i volframom.
Hidridi elemenata ove grupe mogu se dobiti direktnom interakcijom elemenata sa vodonikom. U serijama H 2 O, H 2 S, H 2 Se, H 2 Te i H 2 Ro, termička stabilnost hidrida brzo opada.
Što se tiče hemijske interakcije vodonika sa elementima VIII grupa periodni sistem - gvožđe, nikl i kobalt - u literaturi postoje oprečni podaci. Naravno, pojavljuju se sumnje u stvarno postojanje hidrida ovih elemenata. Interakcija vodonika sa gvožđem, kobaltom i niklom na povišenim temperaturama nije hemijski proces u opšteprihvaćenom smislu. Međutim, to još ne dokazuje nemogućnost postojanja hidrida ovih elemenata.
Mnogi istraživači su prijavili da su dobili proizvode za koje vjeruju da su hidridi. Tako postoje podaci o indirektnoj proizvodnji željeznih hidrida - FeH, FeH 2 i FeH 3, koji su stabilni na temperaturama ispod 150°C, iznad kojih se razlažu. Prijavljena je i proizvodnja nikl i kobalt hidrida. Dobiveni proizvodi su tamni, fino dispergovani piroforni prahovi. Prema nekim autorima, supstance ovog tipa, zapravo, nisu hidridi, već fino dispergovani redukovani metali koji sadrže značajne količine vodika koji se fizički adsorbuje na površini. Drugi vjeruju da se adsorbirani vodik nalazi na površini metala u atomskom stanju i formira kemijsku vezu s atomima metala.
Postoji vrlo malo konzistentnih podataka o hemijskoj interakciji vodonika sa drugim elementima grupe VIII (sa izuzetkom paladija).
U tabeli U tabeli 5 prikazani su dostupni podaci o promeni gustine metala pri interakciji sa vodonikom.
Dok je teorija tektonike ploča slavila svoju “pobjedu”, istovremeno dobijajući nedostatke u toku daljih proučavanja strukture podzemlja i krećući se ka njenom kolapsu, teorija širenja Zemlje je riješila svoja dva glavna problema, a na U isto vrijeme - pronađena je verzija takvog mehanizma proširenja, koji istovremeno otklanja sva pitanja "prevelikim" pritiscima u jezgri.
Izlaz iz dugog ćorsokaka predložio je prije otprilike tri decenije sovjetski naučnik Vladimir Larin (sada doktor geoloških nauka), koji je, kao što se često dešava, ovom problemu pristupio iz sasvim drugog ugla.
Rice. 69. Dijagram atoma metala i vodonika
Prije svega, rastvaranje vodika u metalu nije jednostavno njegovo miješanje s atomima metala – u ovom slučaju, vodik predaje svoj elektron, koji ima samo jedan, u zajedničku riznicu rješenja i ostaje apsolutno „goli“. ” proton. A dimenzije protona su 100 hiljada puta (!) manje od dimenzija bilo kog atoma, što mu u konačnici (zajedno sa ogromnom koncentracijom naboja i mase protona) omogućava čak i da prodre duboko u elektronsku ljusku drugih atoma (ova sposobnost golog protona je već eksperimentalno dokazana).
Ali prodirući unutar drugog atoma, čini se da proton povećava naboj jezgre ovog atoma, povećavajući privlačenje elektrona prema njemu i na taj način smanjujući veličinu atoma. Stoga, rastvaranje vodika u metalu, ma koliko paradoksalno izgledalo, može dovesti ne do labavosti takvog rješenja, već, naprotiv, do zbijanje originalnog metala. U normalnim uslovima (tj. pri normalnom atmosferskom pritisku i sobnoj temperaturi) ovaj efekat je beznačajan, ali je pri visokom pritisku i temperaturi prilično značajan.
Dakle, pretpostavka da vanjsko tečno jezgro Zemlje sadrži značajnu količinu vodonika, prvo, nije u suprotnosti s njegovim hemijskim svojstvima; drugo, već rješava problem dubokog skladištenja vodonika za ležišta rude; i treće, ono što je za nas važnije, omogućava značajno sabijanje supstance bez jednako značajnog povećanja pritiska u njoj.
„Na Moskovskom univerzitetu su napravili cilindar na bazi... intermetalnog jedinjenja [legura lantana i nikla]. Okrenite slavinu i hiljadu litara vodonika će se osloboditi iz litarskog cilindra!” (M. Kuryachaya, “Hidridi koji nisu postojali”).
Ali ispostavilo se da su sve to "sjeme"...
U metalnim hidridima - to jest, u hemijskim jedinjenjima metala sa vodonikom - imamo drugačiju sliku: nije vodonik taj koji predaje svoj elektron (u opštu prilično labavu elektronsku kasicu-prasicu), već se metal oslobađa svog spoljašnjeg elektronsku ljusku, formirajući takozvanu ionsku vezu sa vodonikom. Istovremeno, atom vodika, prihvatajući dodatni elektron u istu orbitu u kojoj se rotira elektron koji već ima, praktički ne mijenja svoju veličinu. Ali radijus jona atoma metala – to jest atoma bez svoje vanjske elektronske ljuske – znatno je manji od polumjera samog atoma. Za gvožđe i nikl, radijus jona je približno 0,6 poluprečnika neutralnog atoma, a za neke druge metale taj odnos je još impresivniji. Ovakvo smanjenje veličine metalnih jona omogućava da se više puta zbijaju u hidridnom obliku bez ikakvog povećanja pritiska kao posledice takvog zbijanja!..
Štaviše, ova sposobnost hiper-denzifikacije pakovanja hidridnih čestica je eksperimentalno otkrivena čak i pod normalnim normalnim uslovima (vidi tabelu 1), a pri visokim pritiscima se još više povećava.
Gustina, g/cm
Metal
Hidrid
Zbijenost, %
Table 1. Kompaktibilnost nekih hidrida (u normalnim uslovima)
Osim toga, sami hidridi su također sposobni da rastvore dodatni vodonik. Svojevremeno su čak pokušali da iskoriste ovu sposobnost u razvoju hidrogenskih automobila za skladištenje goriva.
“...na primjer, jedan kubni centimetar magnezijum hidrida sadrži jedan i po puta više vodonika po težini nego što ga sadrži kubni centimetar tekućeg vodika, i sedam puta više nego u plinu komprimiranom na sto pedeset atmosfera! ” (M. Kuryachaya, “Hidridi koji nisu postojali”).
Jedan problem je što su u normalnim uslovima hidridi veoma nestabilni...
Ali normalni uslovi nam nisu potrebni, jer govorimo o mogućnosti njihovog postojanja duboko u utrobi planete - gdje je pritisak znatno veći. A s povećanjem pritiska, stabilnost hidrida se značajno povećava.
Danas je dobivena eksperimentalna potvrda ovih svojstava, a sve više geologa postepeno je sklono vjerovanju da bi se model hidridnog jezgra mogao pokazati mnogo bližim stvarnosti od prethodnog modela željezo-nikl. Štaviše, rafinirani proračuni uslova u utrobi naše planete otkrivaju nezadovoljavajuću prirodu „čistog“ modela željezo-nikl njegovog jezgra.
“Seizmološka mjerenja pokazuju da i unutrašnje (čvrsto) i vanjsko (tečno) jezgro Zemlje karakterizira manja gustina u odnosu na vrijednost dobijenu na osnovu modela jezgra koje se sastoji samo od metalnog željeza pod istim fizičko-hemijskim parametrima. .
Prisustvo vodonika u jezgru je dugo bilo predmet rasprave zbog njegove niske rastvorljivosti u gvožđu pri atmosferskom pritisku. Međutim, nedavni eksperimenti su utvrdili da se željezni hidrid FeH može formirati na visokim temperaturama i pritiscima i da je, kada ponire dublje, stabilan na pritiscima većim od 62 GPa, što odgovara dubinama od ~1600 km. U tom smislu, prisustvo značajnih količina (do 40 mol.%) vodonika u jezgru je sasvim prihvatljivo i smanjuje svoju gustoću na vrijednosti u skladu sa seizmološkim podacima"(Yu. Pushcharovsky, "Tektonika i geodinamika Zemljinog omotača").
Ali najvažnije je da se pod određenim uvjetima - na primjer, kada se smanji pritisak ili kada se zagrije - hidridi mogu razbiti na svoje komponente. Metalni joni prelaze u atomsko stanje sa svim posljedicama koje iz toga proizlaze. Javlja se proces u kojem se volumen tvari značajno povećava bez promjene mase, odnosno bez kršenja zakona održanja materije. Sličan proces se događa kada se vodik oslobađa iz otopine u metalu (vidi gore).
A ovo već daje potpuno razumljiv mehanizam za povećanje veličine planete!!!
“Glavna geološka i tektonska posljedica hipoteze o prvobitno hidridnoj Zemlji je značajna, možda višestruka, tokom geološke povijesti povećavajući njen volumen, što je zbog neizbježne dekompresije unutrašnjosti planete tokom otplinjavanja vodonika i prelaska hidrida u metale“ (V. Larin, „Hipoteza prvobitno hidridne Zemlje“).
Dakle, Larin je predložio teoriju koja ne samo da rješava neke od problema rudnih ležišta i objašnjava niz procesa u povijesti Zemlje (na koje ćemo se vratiti), već također pruža ozbiljno tlo za hipotezu o širenju našeg planeta - kao nuspojava.
Larin je učinio ono najvažnije - otklonio je sve glavne probleme teorije širenja Zemlje!..
Ostali su samo "tehnički detalji".
Na primjer, apsolutno nije jasno koliko se tačno naša planeta povećala za čitav period svog postojanja i kojom se tačno brzinom odvijala njena ekspanzija. Različiti istraživači dali su procjene koje su se međusobno jako razlikovale, osim toga, snažno podsjećaju na jednostavno sisanje prsta.
“...u paleozoiku, prema ovoj hipotezi, radijus Zemlje bio je otprilike 1,5 - 1,7 puta manji od modernog i, stoga, od tada se zapremina Zemlje povećala otprilike 3,5 - 5 puta" (O Sorokhtin, "Katastrofa Zemlje koja se širi").
„Najvjerovatnije mi se čine ideje o relativno umjerenoj skali širenja Zemlje, u kojoj se od ranog arheja (to jest, preko 3,5 milijardi godina) njen polumjer mogao povećati za najviše jedan i po do dva puta. , od kasnog proterozoika (to jest, preko 1,6 milijardi godina) - ne više od 1,3 - 1,5 puta, a od početka mezozoika (to jest, tokom posljednjih 0,25 milijardi godina) za najviše 5, maksimalno 10 posto" (E. Milanovsky, "Zemlja se širi? Da li zemlja pulsira?").
Avaj. Larinova hipoteza takođe ne daje direktan odgovor na ovo pitanje.
Štaviše, svi istraživači su polazili od činjenice da se proces odvija manje-više ravnomjerno od samog početka formiranja Zemlje (autor teorije hidrida, V. Larin, također se pridržava ove hipoteze). A to dovodi do tako niskih stopa ekspanzije da je to gotovo nemoguće otkriti modernim instrumentima. A čini se da je testiranje valjanosti teorije samo pitanje daleke budućnosti.
Skladištenjem vodonika u hidridnom obliku, nema potrebe za glomaznim i teškim bocama potrebnim za skladištenje komprimovanog vodonika, ili teškim za proizvodnju i skupim posudama za skladištenje tekućeg vodika. Prilikom skladištenja vodonika u obliku hidrida, zapremina sistema se smanjuje za približno 3 puta u odnosu na zapreminu skladištenja u cilindrima. Transport vodonika je pojednostavljen. Nema troškova za konverziju i ukapljivanje vodonika.
Vodik se može dobiti iz metalnih hidrida dvijema reakcijama: hidrolizom i disocijacijom:
Hidrolizom je moguće dobiti dvostruko više vodonika nego što je prisutno u hidridu. Međutim, ovaj proces je praktično nepovratan. Metoda proizvodnje vodonika termičkom disocijacijom hidrida omogućava stvaranje akumulatora vodonika, za koje mala promjena temperature i tlaka u sistemu uzrokuje značajnu promjenu ravnoteže reakcije formiranja hidrida.
Stacionarni uređaji za skladištenje vodika u obliku hidrida nemaju stroga ograničenja mase i zapremine, pa će ograničavajući faktor pri izboru određenog hidrida, po svoj prilici, biti njegova cena. Za neke primjene, vanadij hidrid može biti koristan, jer se dobro disocira na temperaturi blizu 270 K. Magnezijum hidrid je relativno jeftin, ali ima relativno visoku temperaturu disocijacije od 560-570 K i visoku toplotu formiranja. Legura gvožđa i titana je relativno jeftina, a njen hidrid disocira na temperaturama od 320-370 K uz nisku toplotu formiranja.
Upotreba hidrida ima značajne sigurnosne prednosti. Oštećena posuda sa hidrogenhidridom predstavlja znatno manju opasnost od oštećenog rezervoara za tečni vodik ili posude pod pritiskom napunjene vodonikom.
Važno je da se vezivanje vodonika za metal odvija oslobađanjem toplote. Egzotermni proces stvaranja hidrida iz vodika M metala (punjenje) i endotermni proces oslobađanja vodika iz hidrida (pražnjenje) mogu se predstaviti u obliku sljedećih reakcija:
Za tehničku upotrebu hidrida, od posebnog su značaja temperature pri kojima pritisak disocijacije vodika u hidridu dostiže vrednosti iznad 0,1 MPa. Hidridi kod kojih se pritisak disocijacije iznad 0,1 MPa postiže na temperaturi ispod tačke smrzavanja vode nazivaju se niskotemperaturni. Ako se ovaj pritisak postigne na temperaturi iznad tačke ključanja vode, onda se takvi hidridi smatraju visokotemperaturnim.
Za potrebe drumskog transporta stvaraju se hidridi koji teoretski mogu sadržavati do 130-140 kg vodonika po 1 m 3 metal hidrida. Međutim, malo je vjerovatno da će ostvareni hidridni kapacitet premašiti 80 kg/m 3 Ali i ovaj sadržaj vodika u rezervoaru kapaciteta 130 dm 3 dovoljan je za 400 km prijeđenih kilometraža vozila. Ovo su realni pokazatelji za upotrebu, ali treba uzeti u obzir povećanje mase rezervoara napunjenog hidridom. Na primjer, masa latan-nikl hidrida dostiže 1 tonu, a magnezijum hidrida - 400 kg.
Do danas su sintetizirani i proučavani metalni hidridi sa širokim spektrom svojstava. Podaci o svojstvima nekih hidrida koji su od najvećeg potencijalnog interesa za industrijsku upotrebu dati su u tabeli. 10.3 i 10.4. Kao što se vidi iz tabele. 10.3, na primjer, magnezijev hidrid omogućava skladištenje 77 g H2 na 1 kg hidridne mase, dok u cilindru pod pritiskom od 20 MPa ima samo 14 g po 1 kg posude. U slučaju tekućeg vodonika, možete pohraniti 500 g po posudi od 1 kg.
Sveobuhvatni program istraživanja, istraživanja i razvoja u oblasti energije vodika i gorivih ćelija planira proučavanje paladija. Metalni paladijum platinske grupe jedan je od glavnih materijala za gorivne ćelije i svu energiju vodika. Na njegovoj osnovi se proizvode katalizatori, membranski uređaji za proizvodnju čistog vodonika, materijali sa poboljšanim funkcionalnim karakteristikama, gorivne ćelije, elektrolizatori i senzori za određivanje vodonika. Paladijum može efikasno da akumulira vodonik, posebno nanoprašak paladijuma.
Pored energije vodonika, paladijum se koristi u katalizatorima za naknadnu obradu izduvnih gasova iz konvencionalnih automobila; elektrolizatori za proizvodnju vodika i kisika razgradnjom vode; Prijenosne gorivne ćelije, posebno metanol; čvrsti oksidni elektrolizatori sa elektrodama na bazi paladija; Uređaji za dobivanje kisika iz zraka, uključujući medicinske potrebe; senzori za analizu složenih gasnih mešavina.
Važno je napomenuti da naša zemlja kontroliše oko 50% svetske proizvodnje ovog metala neophodnog za proizvodnju vodonika. Trenutno, u Institutu za hemijsku fiziku Ruske akademije nauka u Černogolovki, u toku su radovi na stvaranju vodoničnih baterija na bazi metalnih hidrida.
Svojstva nekih hidrida
Tabela 10.3
