元素

氢 Hydrogen -最基本的元素、燃料电池的原料

从这篇开始,为了丰富网站的内容,小编会逐一为大家介绍元素周期表的各个元素。

首先今天的课题是最基本的,也是周期表上第一位的元素氢。氢气具有爆炸性,可能给一般的人的印象是比较危险的东西,但是,近年来,随着科学技术的发展,氢气被认为是「最绿色的能量源之一」,备受关注。

氢的基本物理性质

分类 非金属
原子序号・原子量 1 (1.00794)
电子配置 1s1
密度 0.0899kg/m3
融点 –259.14℃
沸点 –252.87℃
硬度
色・形状 无色・气体
存在度 地球 1520ppm、宇宙2.79 x 1010
克拉克值 0.87% (9位)
发现者 亨利·卡文迪许(1766年)
主要的同位素 1H(99.9885%)、2H(0.0115%)、3H(β, 12.33年)
用途例 代替能量源(H2)、燃料电池的原料(H2)、冷却材料(液氢)、同位素的应用(D)、细胞的发光材料(T)、化合物间的氢键结合、核聚合反应(T)、氨气合成(H2
前后的元素 无ー

最小的元素

氢是元素中最小的,只有一个质子,没有中子。由1766年英国的化学家亨利·卡文迪许分离得到,名字取自希腊语,意思是「可以生成水的东西」。克拉克值(各种元素在地壳中的平均含量之百分数)仅排在所有元素中的第九位,但是在地表以水的形式大量存在。

同时,氢元素是宇宙中存在最多的元素、大概占90%之多,不仅仅是宇宙空间,木星等行星上也含有大量的氢元素。

亨利·卡文迪许

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Henry Cavendish

1731-1810年,卡文迪许证明了氢气可以燃烧,并且生成水。这为天才其实据说发现了库仑定律、欧姆定律、砷的合成,但是都没有对外发布,是一个怪人。

为了纪念他做出的贡献,1874年剑桥大学设立了卡文迪许研究所,历代研究所长中出名的有发现电磁场方程式的麦克斯韦,发现原子核的卢瑟福等牛人。

作为新型绿色能源!

现如今广泛使用的汽油、石油等化石燃料由于难再生,并且造成了各种环境问题,因此,最近开发新型绿色能源一直是一个重大的课题。

氢元素的单体是氢气H2,它是很轻的物质,并且与氧气反应能放出大量的能量,并且产物是绿色的水,对环境无害,因此用途很广,很受期待。但是目前氢的来源主要还是来自化石燃料。这样造成的结果就是等于还是在用化石燃料。所以,氢气的生产,存储,产能-这一技术突破成为了一大研究热点课题。

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2014年邻国日本,发布了、「氢气・燃料电池战略路线图」,旨在到2040年,在全国覆盖氢气供给系统,实现零CO2排放。现在该项目主要在工业process上面应用着,以后还会有很多以氢为原料的新产品研发出来并且走向市场。当我们还在牺牲环境发展经济的时候,发达国家已经在考虑怎样更加提高生活质量,以及环境保护。

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电解水的逆反应ー燃料电池

燃料电池、虽然也被称为「电池」,但是它与干电池不同,不是用完就扔的,由于其原料是氢气(H2)与氧气(O2),只要能够有持续不断的供应,那么该电池是永久持久的,所以称为「发电机」更为合适。

燃料电池的发电原理十分简单,利用了水的电解的逆反应。电解水是通过电解使水分解为氢气与氧气,而燃料电池是氢气与氧气反应,生成水与放出电能。

而事实上,该原理并不是近年来发现的产物。早在1839年还是英国的(没办法,那会儿英国人太牛掰啊)W.Grove首先利用铂金作为点击,以稀硫酸作为电解质形成简易的电池,并且通过该电池发电分解出氢气与氧气,再利用氢气与氧气放电发现了燃料电池的原理。利用相同的原理做成的电池,搭载在在1965年人类首次登月的阿波罗宇宙飞船,而工业化的大型燃料电池已经商品化了。但是为何如今才被人想起,并且备受瞩目呢?实际上,主要还是产物只有水,对环境无害,并且随着近年来携带机器的发展(手提电脑,手机等),电池的重要性逐年变强的原因,而且燃料电池只需要有氢气供给的话,可以长时间驱动,不断发电,这也是个很重要的因素。

原理很简单,就是空气中含有的氧气O2与天然气等提取获得的氢气进行化学反应。燃料电池内部的话、氧气供给到空气极、氢气供给到燃料极、在电极中的催化剂作用下,氢气变成氢离子,氧气变成氧离子,氢离子与氧离子在电解质中反应。

2014年12月15日丰田汽车首次发售世界第一台燃料电池汽车(Fuel Cell Vehicle:FCV)。车载氢气接收装置,从氢气站注入氢气存储。并且在今年2016年3月本田也相继发售了第一台名为「CLARITY(クラリティ)」的燃料电池汽车。

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2009年发售的,家用的、家庭用热电联产系统「ENE-FARM」就是使用燃料电池的产品。ENE-FARM是「Energy」与「Farm(=农场)」结合后的词汇、从城市煤气中提取的氢气与大气中的氧气进行化学反应发电,并且用产生的热来烧水的机制。

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三种同位体

氢元素(1H)是元素中唯一一种没有中子的元素,而它含有两种同位体,即,含有中子的氘(2H:符号D)与氚(3H:符号T)。

氘是1932年美国化学家Harold C. Urey发现的,由于该成果,他获得了1934年的诺贝尔化学奖。由于氘的重量是氢的两倍,所以通过这个差异(同位素效果)可以用于很多化学,物理反应的机理研究。

另一个氢的同位体是氚(拼音读chuan),几乎无法从自然界中获取,基本上是在原子炉里对锂原子进行中子轰击后制备。该同位素目前来说主要用于分子生物学实验中,作为放射性同位素标记使用。

现在对于氢元素的同位素研究中最热点的还是利用氘与氚进行能量转换的核聚变反应。是无尽的能量的来源,但是目前还是存在一定的放射性污染风险。因此怎样实现稳定高效的使用一直以来是一个很大的课题。

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氘与氚的质子在高速碰撞下进行核聚变反应,放出17.3MeV的巨大能量。

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京都大学药学博士,现某化学企业小职员,化学空间员工副代表,网页小编&翻译。
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