Väte-metallsystem är ofta prototyper i studiet av ett antal grundläggande fysikaliska egenskaper. Den extrema enkelheten hos elektroniska egenskaper och den låga massan av väteatomer gör det möjligt att analysera fenomen på mikroskopisk nivå. Följande uppgifter övervägs:
- Omarrangemang av elektrondensiteten nära en proton i en legering med låga vätekoncentrationer, inklusive stark elektron-jon-interaktion
- Bestämning av indirekt interaktion i en metallmatris genom störning av den "elektroniska vätskan" och deformation av kristallgittret.
- Vid höga vätekoncentrationer uppstår problemet med bildandet av ett metalliskt tillstånd i legeringar med en icke-stökiometrisk sammansättning.
Legeringar väte - metall
Väte lokaliserat i metallmatrisens mellanrum förvränger kristallgittret något. Ur statistisk fysiks synvinkel realiseras modellen för en interagerande "gittergas". Av särskilt intresse är studiet av termodynamiska och kinetiska egenskaper nära fasövergångspunkter. Vid låga temperaturer bildas ett kvantdelsystem med en hög energi av nollpunktssvängningar och med en stor förskjutningsamplitud. Detta gör det möjligt att studera kvanteffekter under fastransformationer. Den höga rörligheten av väteatomer i en metall gör det möjligt att studera diffusionsprocesser. Ett annat forskningsområde är fysiken och fysikalisk kemi för ytfenomen för interaktionen av väte med metaller: sönderfallet av en vätemolekyl och adsorption på ytan av atomärt väte. Av särskilt intresse är fallet när det initiala tillståndet för väte är atomärt och det slutliga tillståndet är molekylärt. Detta är viktigt när man skapar metastabila metall-vätesystem.
Tillämpning av väte-metallsystem
- Vättrening och vätefilter
- Användningen av metallhydrider i kärnreaktorer som moderatorer, reflektorer etc.
- Isotopseparation
- Fusionsreaktorer - utvinning av tritium från litium
- Vattendissociationsanordningar
- Elektroder för bränsleceller och batterier
- Vätgaslagring för bilmotorer baserade på metallhydrider
- Värmepumpar baserade på metallhydrider, inklusive luftkonditioneringsapparater för fordon och hem
- Energiomvandlare för värmekraftverk
Intermetalliska metallhydrider
Hydrider av intermetalliska föreningar har funnit bred användning inom industrin. Huvuddelen av laddningsbara batterier och ackumulatorer, till exempel för mobiltelefoner, bärbara datorer (bärbara datorer), kameror och videokameror innehåller en metallhydridelektrod. Sådana batterier är miljövänliga, eftersom de inte innehåller kadmium.
Typiska NiMH-batterier
Wikimedia Foundation. 2010 .
Se vad "Metalhydrider" är i andra ordböcker:
Föreningar av väte med metaller och med icke-metaller som har lägre elektronegativitet än väte. Ibland klassificeras föreningar av alla grundämnen med väte som hydrider. Klassificering Beroende på vätebindningens karaktär skiljer de ... ... Wikipedia
Föreningar av väte med metaller eller icke-metaller mindre elektronegativa än väte. Ibland hänvisas G. till komm. alla kemi. grundämnen med väte. Särskilj enkla, eller binära, G., komplexa (se till exempel aluminiumhydrider, metallborhydrider ... Kemisk uppslagsverk
Föreningar av väte med andra grundämnen. Beroende på vätebindningens natur särskiljs tre typer av väte: jonisk, metallisk och kovalent. Joniska (saltliknande) mineraler inkluderar alkalimetaller och alkaliska jordartsmetaller. Detta … …
- (metallider), besitta metalliska. St. du, i synnerhet elektriska. ledningsförmåga, vilket beror på metallisk. kemiens natur. anslutningar. Till M. s. inkludera Comm. metaller med varandra intermetallider och många andra. anslutning. metaller (främst övergångsvis) med icke-metaller. ... ... Kemisk uppslagsverk
Borhydrider, boraner, borföreningar med väte. B. är kända som innehåller från 2 till 20 boratomer i en molekyl. Den enklaste B., BH3, existerar inte i fritt tillstånd, den är endast känd i form av komplex med aminer, etrar och liknande. Karaktär… … Stora sovjetiska encyklopedien
Enkla ämnen som under normala förhållanden har karakteristiska egenskaper: hög elektrisk och termisk ledningsförmåga, negativ temperaturkoefficient för elektrisk ledningsförmåga, förmågan att reflektera elektromagnetiska vågor väl ... ... Stora sovjetiska encyklopedien
UNDERGRUPP VA. FOSFORKVÄVEFAMILJ Trenden att ändra egenskaper från icke-metalliska till metalliska, som avslöjades i undergrupperna IIIA och IVA, är också karakteristisk för denna undergrupp. Övergången till metallicitet (även om den inte är skarp) börjar med arsenik, i ... ... Collier Encyclopedia
- (av lat. inter between och metall) (intermetalliska föreningar), kemiska. anslutning. två eller flera metaller sinsemellan. Avser metalliska föreningar eller metallider. Och bildas som ett resultat av interaktion. komponenter under smältning, kondensation från ånga ... Kemisk uppslagsverk
- (av grekiska metallon ursprungligen, min, min), i wa, som under normala förhållanden har karakteristiska, metalliska, höga elektriska egenskaper. konduktivitet och värmeledningsförmåga, negativ. temperatur koefficient. elektrisk ledningsförmåga, förmåga ... ... Kemisk uppslagsverk
Metall- (Metal) Definition av metall, fysikaliska och kemiska egenskaper hos metaller Definition av metall, fysikaliska och kemiska egenskaper hos metaller, applicering av metaller Innehåll Innehåll Definition Att hitta i naturen Egenskaper Karakteristiska egenskaper ... ... Encyklopedi av investeraren
Det är karakteristiskt att produkten av interaktionen av väte med torium, i jämförelse med vätederivaten av alla andra metaller, innehåller den största mängden väte och motsvarar i sammansättning förhållandet ThH 3,75, d.v.s. närmar sig sammansättningen som motsvarar maximum valensen av elementen i grupp IV. Densiteten för väteinnehållande torium är nästan 30 % mindre än metallens densitet, medan för de återstående elementen i titanundergruppen är förändringen i densitet vid interaktion med väte cirka 15 %.
De enklaste hydriderna av elementen i kolundergruppen - kol, kisel, germanium, tenn, bly är fyrvärda och motsvarar den allmänna formeln MeH 4 . Den termiska stabiliteten för hydrider av grupp IV-element minskar gradvis med en ökning av atomvikten för dessa element och atomradien.
Vanadin undergrupp V grupper . Vätets växelverkan med vanadin, niob och tantal är likartad i många avseenden. Kemiska föreningar med exakt stökiometrisk sammansättning har inte hittats i dessa system. Eftersom absorption och desorption av väte orsakar irreversibla förändringar i strukturen hos metallisk tantal, är närvaron i tantal-väte-systemet och, uppenbarligen, i niob-väte-systemet av en viss fraktion av kemiska bindningar av en mellantyp möjlig.
Enkla hydrider av kväve, fosfor, arsenik, antimon och vismut har den allmänna formeln MeH3. Hydrider av element i grupp V är mindre resistenta än element i grupperna IV och VI. De flesta grundämnen i V-gruppen bildar, förutom enkla hydrider av NH 3-typ, också mer komplexa föreningar med väte.
Från elementen i undergruppen krom Grupp VI - krom, molybden, volfram och uran, endast uranhydrid UH 3 har studerats. Den kemiska bindningen i denna förening förklaras, möjligen, av närvaron av vätebryggor, men inte på något sätt av kovalens, vilket är förenligt med egenskaperna hos UH 3 . Bildandet av uranhydrid åtföljs av en kraftig (nästan 42%) minskning av uranets densitet. Denna grad av densitetsminskning är den högsta bland de studerade vätederivaten av metaller och motsvarar i storleksordning den ökning av densitet som observerats under bildandet av grupp I alkalimetallhydrider. Det finns ingen tillförlitlig information om att erhålla kemiska föreningar med exakt stökiometrisk sammansättning genom interaktion av väte med krom, molybden och volfram.
Hydrider av element i denna grupp kan erhållas genom direkt interaktion av element med väte. I serierna H 2 O, H 2 S, H 2 Se, H 2 Te och H 2 Po minskar hydridernas termiska stabilitet snabbt.
Angående den kemiska interaktionen mellan väte och grundämnen Grupp VIII periodiskt system - järn, nickel och kobolt - det finns motstridiga data i litteraturen. Naturligtvis finns det tvivel om den verkliga existensen av hydrider av dessa element. Vätets växelverkan med järn, kobolt och nickel vid förhöjda temperaturer är inte en kemisk process i konventionell mening. Detta bevisar dock ännu inte omöjligheten av förekomsten av hydrider av dessa element.
Många utredare rapporterar att de skaffat produkter som de tror är hydrider. Så det finns information om den indirekta produktionen av järnhydrider - FeH, FeH 2 och FeH 3, stabila vid temperaturer under 150 ° C, över vilken de sönderdelas. Nickel- och kobolthydrider har också rapporterats. De resulterande produkterna var mörka fint dispergerade pyrofora pulver. Enligt vissa författare är ämnen av denna typ faktiskt inte hydrider, utan finfördelade reducerade metaller som innehåller betydande mängder väte som är fysiskt adsorberat på ytan. Andra tror att adsorberat väte finns på metallytan i ett atomärt tillstånd och bildar en kemisk bindning med metallatomer.
Det finns mycket lite konsekventa data om den kemiska interaktionen av väte med de andra elementen i grupp VIII (med undantag för palladium).
I tabell. Figur 5 visar tillgängliga data om förändringen i densiteten av metaller vid interaktion med väte.
Medan teorin om plattektonik firade sin "seger", samtidigt fick nackdelar under loppet av ytterligare forskning om strukturen av det inre och på väg mot dess kollaps, löste teorin om jordens expansion sina två huvudproblem, och kl. samtidigt hittade man en variant av en sådan expansionsmekanism, som tar bort alla frågor längs vägen, enligt "upprörande" tryck i kärnan.
En väg ut ur den långa återvändsgränden föreslogs för ungefär tre decennier sedan av den sovjetiske vetenskapsmannen Vladimir Larin (numera doktor i geologiska vetenskaper), som, som ofta händer, närmade sig detta problem från en helt annan vinkel.
Ris. 69. Schema av metall- och väteatomer
För det första visar sig upplösningen av väte i en metall inte bara vara att blanda den med metallatomer - samtidigt ger väte sin elektron till lösningens gemensamma spargris, som den bara har en, och förblir en absolut "bar" proton. Och storleken på protonen är 100 tusen gånger (!) mindre än storleken på någon atom, vilket i slutändan (tillsammans med den enorma koncentrationen av laddning och protons massa) gör att den till och med kan penetrera djupt in i andra atomers elektronskal. (denna förmåga hos en blottad proton har redan bevisats experimentellt).
Men genom att tränga in i en annan atom ökar protonen så att säga laddningen av denna atoms kärna, vilket ökar attraktionen av elektroner till den och därmed minskar atomens storlek. Därför kan upplösningen av väte i en metall, oavsett hur paradoxalt det kan verka, inte leda till sprödheten hos en sådan lösning, utan tvärtom till packning av modermetallen. Under normala förhållanden (det vill säga vid normalt atmosfärstryck och rumstemperatur) är denna effekt försumbar, men vid högt tryck och temperatur är den mycket betydande.
Således motsäger antagandet att jordens yttre flytande kärna innehåller en betydande mängd väte, för det första inte dess kemiska egenskaper; för det andra löser det redan problemet med djuplagring av väte för malmfyndigheter; och för det tredje, vilket är viktigare för oss, tillåter en betydande komprimering av ett ämne utan en lika betydande ökning av trycket i den.
"På Moskvas universitet skapade de en cylinder baserad på ... en intermetallisk förening [en legering av lantan och nickel]. Vrid på kranen – och tusen liter väte släpps ur en liters cylinder! (M. Kuryachaya, "Hydrider som inte var").
Men det visar sig att allt detta är "frön" ...
I metallhydrider - det vill säga i kemiska föreningar av en metall med väte - har vi en annan bild: det är inte väte som ger upp sin elektron (till en vanlig ganska lös elektronisk spargris), utan metallen gör sig av med sin yttre elektronskal, som bildar en så kallad jonbindning med väte. Samtidigt ändrar väteatomen, som accepterar en extra elektron till samma bana, i vilken elektronen den redan har, praktiskt taget inte sin storlek. Men radien för en jon av en metallatom - det vill säga en atom utan dess yttre elektronskal - är mycket mindre än radien för själva atomen. För järn och nickel är jonradien cirka 0,6 av radien för en neutral atom, och för vissa andra metaller är förhållandet ännu mer imponerande. En sådan minskning av metalljonernas storlek gör att de kan komprimeras i hydridform flera gånger utan någon ökning av trycket som en konsekvens av sådan komprimering!
Dessutom detekteras denna förmåga att hyperkomprimera packningen av hydridpartiklar experimentellt även under vanliga normala förhållanden (se tabell 1), och vid höga tryck ökar den ännu mer.
Densitet, g/cm
Metall
hydrid
Komprimering, %
Flik. 1. Förmågan att komprimera vissa hydrider (under normala förhållanden)
Dessutom kan hydriderna själva också lösa upp ytterligare väte i sig själva. Vid ett tillfälle försökte de till och med använda denna förmåga i utvecklingen av vätgasmotorer för bränslelagring.
"... till exempel innehåller en kubikcentimeter magnesiumhydrid väte i vikt en och en halv gånger mer än den finns i en kubikcentimeter flytande väte, och sju gånger mer än i en gas komprimerad till etthundrafemtio atmosfärer !" (M. Kuryachaya, "Hydrider som inte var").
Ett problem - under normala förhållanden är hydrider väldigt instabila ...
Men vi behöver inte normala förhållanden, eftersom vi talar om möjligheten att deras existens finns djupt i planetens tarm - där trycket är mycket högre. Och med ökande tryck ökar stabiliteten av hydrider avsevärt.
Nu har experimentell bekräftelse av dessa egenskaper redan erhållits, och fler och fler geologer är gradvis benägna att tro att hydridkärnmodellen kan visa sig vara mycket närmare verkligheten än den tidigare järn-nickel-modellen. Dessutom avslöjar de raffinerade beräkningarna av förhållandena i tarmarna på vår planet otillfredsställelsen hos den "rena" järn-nickelmodellen av dess kärna.
"Seismologiska mätningar indikerar att både de inre (fasta) och yttre (flytande) kärnorna av jorden kännetecknas av en lägre densitet jämfört med värdet som erhålls på basis av en kärnmodell som endast består av metalliskt järn med samma fysikalisk-kemiska parametrar .. .
Närvaron av väte i kärnan har länge varit kontroversiell på grund av dess låga löslighet i järn vid atmosfärstryck. Nyligen genomförda experiment har dock gjort det möjligt att fastställa att järnhydrid FeH kan bildas vid höga temperaturer och tryck och, störtande djupt, är stabil vid tryck som överstiger 62 GPa, vilket motsvarar djup på ~1600 km. I detta avseende är närvaron av betydande mängder (upp till 40 mol.%) väte i kärnan helt acceptabel och reducerar dess densitet till värden som överensstämmer med seismologiska data"(Yu. Pushcharovsky, "Tektonik och geodynamik i jordens mantel").
Men det viktigaste är att under vissa förhållanden - till exempel när trycket sänks eller vid upphettning - kan hydrider sönderdelas till komponenter. Metalljoner passerar in i atomärt tillstånd med alla efterföljande konsekvenser. Det finns en process där materiens volym ökar avsevärt utan att massan förändras, det vill säga utan någon överträdelse av lagen om bevarande av materia. En liknande process inträffar också när väte frigörs från en lösning i en metall (se ovan).
Och detta ger redan en helt förståelig mekanism för att öka storleken på planeten !!!
"Den huvudsakliga geologiska och tektoniska konsekvensen av hypotesen om den ursprungligen hydriden jorden är en betydande, möjligen multipel under loppet av geologisk historia öka dess volym, vilket beror på den oundvikliga dekompressionen av planetens inre under avgasningen av väte och övergången av hydrider till metaller "(V. Larin," Hypothesis of the original hydride Earth ”).
Så Larin föreslog en teori som inte bara löser några av problemen med malmfyndigheter och förklarar ett antal processer i jordens historia (till vilka vi kommer att återkomma), utan också ger seriös grund för hypotesen om expansionen av vår planet - som en bieffekt.
Larin gjorde det viktigaste - han tog bort alla huvudproblem i teorin om jordens expansion! ..
Endast "tekniska detaljer" återstod.
Till exempel är det absolut inte klart hur mycket vår planet har ökat under hela dess existens, och i vilken takt dess expansion har skett. Olika forskare gav uppskattningar som skilde sig mycket från varandra, dessutom liknade de samtidigt starkt enkel fingersugning.
"... i paleozoikum, enligt denna hypotes, var jordens radie cirka 1,5 - 1,7 gånger mindre än den moderna och därför har jordens volym ökat med cirka 3,5 - 5 gånger sedan dess" ( O. Sorokhtin, "The Expanding Earth Catastrophe").
"De mest troliga idéerna förefaller mig om en relativt måttlig skala av jordens expansion, där dess radie från det tidiga arkeiska området (det vill säga över 3,5 miljarder år) kunde öka med högst en och en halv till två gånger , från det sena proterozoikumet (det vill säga över 1, 6 miljarder år) - inte mer än 1,3 - 1,5 gånger, och sedan början av mesozoikum (det vill säga under de senaste 0,25 miljarder åren) inte mer än 5, maximalt 10 procent "(E. Milanovsky," Jorden expanderar? Pulserar jorden?").
Ack. Larins hypotes ger inte heller något direkt svar på denna fråga.
Dessutom utgick alla forskare från det faktum att processen fortskrider från början av jordens bildande mer eller mindre jämnt (författaren till hydrideorin V. Larin ansluter sig också till denna hypotes). Och detta leder till så låga expansionshastigheter att det är praktiskt taget omöjligt att fixa det med moderna instrument. Och verifieringen av teorins giltighet verkar bara vara en fråga om en avlägsen framtid.
I fallet med vätelagring i hydridform behövs inget skrymmande och tunga cylindrar vid lagring av vätgas i komprimerad form, eller komplicerade och dyra kärl för lagring av flytande väte. När väte lagras i form av hydrider minskar systemets volym med cirka 3 gånger jämfört med volymen lagring i cylindrar. Förenklar transporten av väte. Det finns inga kostnader för omvandling och flytande av väte.
Väte kan erhållas från metallhydrider genom två reaktioner: hydrolys och dissociation:
Genom hydrolys kan man få dubbelt så mycket väte som det är i hydriden. Denna process är emellertid praktiskt taget irreversibel. Metoden för att erhålla väte genom termisk dissociation av en hydrid gör det möjligt att skapa väteackumulatorer, för vilka en liten förändring i temperatur och tryck i systemet orsakar en betydande förändring i jämvikten för hydridbildningsreaktionen.
Stationära anordningar för lagring av väte i form av hydrider har inga strikta restriktioner för massa och volym, så den begränsande faktorn i valet av en eller annan hydrid kommer med all sannolikhet att vara kostnaden. För vissa tillämpningar kan vanadinhydrid vara användbar eftersom den dissocierar bra vid en temperatur nära 270 K. Magnesiumhydrid är relativt billig, men har en relativt hög dissociationstemperatur på 560-570 K och ett högt bildningsvärme. Järn-titaniumlegeringen är relativt billig och dess hydrid dissocierar vid temperaturer på 320-370 K med låg bildningsvärme.
Användningen av hydrider har betydande säkerhetsfördelar. Ett skadat vätehydridkärl är mycket mindre farligt än en skadad vätsketank eller tryckkärl fylld med väte.
Det är viktigt att bindningen av väte till metallen fortsätter med frigöring av värme. Den exoterma processen för hydridbildning från väte M-metall (laddning) och den endotermiska processen för vätefrisättning från hydrid (urladdning) kan representeras som följande reaktioner:
För den tekniska användningen av hydrider är av särskilt intresse de temperaturer vid vilka trycket för vätedissociation i hydriden når ett värde över 0,1 MPa. Hydrider, där dissociationstrycket över 0,1 MPa uppnås vid en temperatur under vattnets fryspunkt, kallas lågtemperaturhydrider. Om detta tryck uppnås vid en temperatur över vattnets kokpunkt anses sådana hydrider vara höga.
För vägtransporternas behov skapas hydrider, som teoretiskt kan innehålla upp till 130-140 kg väte per 1 m 3 metallhydrid. Det är dock osannolikt att hydridens realiserbara kapacitet överstiger 80 kg/m 3 Men även en sådan vätehalt i en tank med en kapacitet på 130 dm 3 räcker för 400 km av en bilkörning. Dessa är verkliga indikatorer för applikationen, men ökningen av massan på tanken fylld med hydrid bör beaktas. Till exempel når massan av latan-nickelhydrid 1 ton och magnesiumhydrid - 400 kg.
Hittills har metallhydrider med ett brett utbud av egenskaper syntetiserats och studerats. Data om egenskaperna hos vissa hydrider, som är av störst potentiellt intresse för industriell användning, ges i tabell. 10.3 och 10.4. Som framgår av tabell. 10.3, till exempel, gör magnesiumhydrid det möjligt att lagra 77 g H 2 per 1 kg hydridmassa, medan det i en cylinder under ett tryck på 20 MPa endast finns 14 g per 1 kg kapacitet. Vid flytande väte kan 500 g per 1 kg behållare förvaras.
Det omfattande programmet för prospektering, forskning och utveckling för väteenergi och bränsleceller planerar att studera palladium. Platinagruppen metall palladium är ett av huvudmaterialen för bränsleceller och all väteenergi. Katalysatorer, membrananordningar för att producera rent väte, material med förbättrade funktionella egenskaper, bränsleceller, elektrolysörer och sensorer för att bestämma väte produceras på basis av detta. Palladium kan effektivt lagra väte, särskilt palladium nanopowder.
Förutom väteenergi används palladium i katalysatorer för efterbehandling av avgaser från konventionella fordon; elektrolysatorer för att erhålla väte och syre genom nedbrytning av vatten; bärbara bränsleceller, speciellt metanol; elektrolysatorer för fast oxid med palladiumbaserade elektroder; anordningar för att få syre från luften, inklusive för medicinska ändamål; sensorer för analys av komplexa gasblandningar.
Det är viktigt att notera att vårt land kontrollerar cirka 50% av världsproduktionen av denna metall som är nödvändig för väteproduktion. För närvarande arbetar Institute of Problems of Chemical Physics vid den ryska vetenskapsakademin i Chernogolovka med att skapa väteackumulatorer baserade på metallhydrider.
Egenskaper hos vissa hydrider
Tabell 10.3
