Страница 3 из 11
У водорода имеется три изотопа, которые имеют собственные названия:1H – протий, 2H – дейтерий и 3H – тритий (радиоактивен). Протий – единственный стабильный нуклид, не имеющий нейтронов в ядре (атом содержит один протон и один электрон, рис. 1.1, а.
Рис. 1.1. a) Протий б) Дейтерий в) Тритий
Протий составляет 99,9885 ± 0,0070 % от общего числа атомов водорода во Вселенной и является наиболее распространённым нуклидом в природе среди изотопов всех химических элементов. Обычно, когда говорят о водороде, имеют в виду именно лёгкий водород – протий.
Дейте́рий-тяжёлый водород, обозначается символами D и 2H – стабильный изотоп водорода с атомной массой, равной 2. Ядро (дейтрон) состоит из одного протона и одного нейтрона, рис 1.1.б.
Три́тий – радиоактивный изотоп водорода. Обозначается T или 3H. Ядро трития состоит из протона и двух нейтронов, его называют тритоном, рис. 1.1.в.
Протий и дейтерий стабильны. Содержание этих изотопов в природном водороде составляет 99,9885 ± 0,0070 % и 0,0115 ± 0,0070 % соответственно. Оно может незначительно меняться в зависимости от источника и способа получения водорода. Тритий нестабилен, претерпевает бета-распад с периодом 12,32 года, превращаясь в стабильный гелий-3. Тритий встречается в природе в следовых количествах, образуясь главным образом при взаимодействии космических лучей со стабильными ядрами, при захвате дейтерием тепловых нейтронов и при взаимодействии природного изотопа лития-6 с нейтронами, порождёнными космическими лучами.
В свободном состоянии водород встречается крайне редко, лишь в очень незначительном количестве (в виде простого вещества водород содержится в атмосфере в количестве 0,00005 % по объему для сухого воздуха. Водород выделяется в свободном состоянии при извержении вулканов, находится в газообразных продуктах выделения фумарола, а также присутствует в виде включений в калийных солях, некоторых других минералах, в изверженных горных породах (гранит, гнейсы, базальты) и в некоторых природных и попутных газах ряда нефтяных месторождений, однако, в результате геологических процессов в атмосферу переходит гораздо меньше водорода, чем от биологических превращений.
Водород имеется в различных видах горючего, таблица 1.1.
Таблица 1.1. Примерное содержание водорода в различных видах горючего.
Значение водорода в химических процессах, происходящих на планете, почти так же велико, как и кислорода. При сжигании в чистом кислороде единственные продукты – высокотемпературное тепло и вода. При сгорании не образует никаких вредных веществ: нет сгоревших частиц и сажи, отсутствует тепловой выброс, исключено образование углекислого газа, что снижает вероятность увеличения парникового эффекта. Главным источником водорода на планете является вода. При ее разложении образуются молекула кислорода и две молекулы водорода. Кроме воды, источниками водорода могут быть газ, уголь, биомасса, причем как растений, так и отходов.
Эффективность водородной энергетики зависит от увеличения плотности и, соответственно, повышения энергоёмкости водорода. На рис. 1.2. показана удельная энергоемкость водорода и различных топлив по массе и по объему. Энергосодержание 1 г водорода эквивалентно энергосодержанию около 3 г бензина. При использовании водорода в топливных элементах вследствие высокого КПД топливного элемента (в 1,5–3 раза больше, чем у двигателя внутреннего сгорания) эффективность водорода, как топлива оказывается еще выше (в 4–10 раз).
Рис. 1.2. Удельная энергоемкость водорода и различных топлив
Но при переходе на водородное топливо неизбежно появление новых технических проблем, поскольку водород представляет собой искусственный энергоноситель, который должен быть получен из существующих в природе веществ, таблица 1.2.
Таблица 1.2. Свойства водорода как энергоносителя
Основные проблемы водородной энергетики заключаются в том, что получение вещества сопряжено с необходимостью расхода других энергоносителей (нефть, электроэнергия, газ), а также высокой угрозой образования взрывов. Специалисты стремятся устранить эти проблемные аспекты. Имея низкую вязкость, водород без проблем транспортируется по трубам. Его можно хранить в сжиженном, газообразном состоянии. Он довольно легок, имеет продолжительный срок хранения. Современные технологии водородной энергетики позволяют получать качественный топливный материал с высоким коэффициентом теплоотдачи.
Недостатки водородного топлива:
– водород более взрывоопасен, чем, например, метан;
– объемная теплота сгорания водорода в три раза меньше, чем у природного газа;
– относительно высокая цена при промышленном получении водорода (два основных направления получения водорода – электролиз и плазмохимия.
При электролизе для получения одного кубометра водорода требуется 4–5 киловатт-часов электроэнергии. Это дорого. Например, производство такого же количества бензина обходится примерно втрое дешевле). И всё же преимуществ у водородного топлива гораздо больше, чем недостатков. Таким образом, водород является перспективной заменой используемым сейчас источникам энергии.
Главные направления использования водорода сегодня – в нефтепереработке и в химической промышленности (для производства различных товаров, в первую очередь – аммиака и метанола), рис. 1.3.
Энергетическое использование водорода, по данным ARENA, оценивается всего в 1–2 % от общих объемов его потребления. Общий объем производства водорода в мире в настоящее время оценивается различными источниками в 55–65 млн тонн, причем совокупные среднегодовые темпы его роста за последние 20 лет невысоки – около 1,6 %. Более 90 % водорода производят на месте его потребления.