氫的理化性質(zhì)

氫是元素周期表中原子序數(shù)為1的第一個(gè)元素，它也是宇宙中最輕、最豐富的元素，占所有物質(zhì)質(zhì)量百分比的75%或體積百分比的90%。在地球上，氫是與幾乎所有其他元素能形成化合物的。氫也作為自由元素存在于大氣中，但小于1ppm(按照體積容量計(jì))。

氫的自由離子比氫分子更活潑，氫分子是兩個(gè)氫原子的非極性共價(jià)化合物。1776年，亨利·卡文迪什（Henry Cavendish ）發(fā)現(xiàn)氫是一種非常獨(dú)特的物質(zhì)。7年后（1783年），拉瓦錫（Lavoisier）證明了水是由氫和氧組成的，并將其命名為“造水器/制水機(jī)（water maker’）”。

氫的標(biāo)準(zhǔn)原子質(zhì)量為1.0078225 u（u是一種常用的計(jì)量單位,用于表示微觀粒子的質(zhì)量。在實(shí)際應(yīng)用中,u還可以用來表示分子或化合物的相對分子質(zhì)量。），有三種自然存在的同位素。最常見的氫同位素是自然界中豐度超過99.98%的穩(wěn)定的質(zhì)子（1H，H）。氫第二個(gè)同位素是1932年尤里（Urey. Deuterium）發(fā)現(xiàn)的穩(wěn)定氘（2H，D）或重氫。氘的天然分?jǐn)?shù)為0.014%，氘（D：2H）物理和化學(xué)性質(zhì)與1H略有不同。天然氫中幾乎所有的D都與氫原子結(jié)合，雙原子HD在天然氫中的分?jǐn)?shù)為0.032%；分子氘（D）的存在幾乎不可能的。氫的第三種同位素是放射性氚（3H，T），半衰期為12.3a，由盧瑟福（ Rutherford. ）于1934年發(fā)現(xiàn)。但同時(shí)也合成了短壽命同位素4H、5H和7H。

氫氣每單位質(zhì)量所含的能量比天然氣或汽油要多，這也使得它可能成為一種有吸引力的運(yùn)輸燃料(見表1)。

表1：氫的物理性質(zhì)

然而，由于它的分子量?。涫亲钶p的元素），重量輕，所以氫的單位體積能量密度很低。這意味著與其他燃料相比，要獲得與其他燃料相同的能量，必須使用更大的體積。當(dāng)然可以透過使用更大或更快流速的管道和更大的儲罐。氫可以被壓縮、液化或轉(zhuǎn)化為具有更高能量密度的氫基燃料，但這(以及隨后的任何再轉(zhuǎn)化)會導(dǎo)致效率方面的損失（能量形式的轉(zhuǎn)換都會伴隨效率損失）。

在較寬的溫度范圍內(nèi)，甚至在高壓下(高達(dá)約10Mpa)，氫可以被認(rèn)為是理想氣體。在標(biāo)準(zhǔn)溫度和壓力（STP）條件下，它是一種無色、無臭、無味、無毒、無腐蝕性、非金屬的雙原子氣體，原則上對生理沒有危險(xiǎn)性。由于密度低，氫必須被壓縮或液化。

氫氣在釋放時(shí)會迅速與周圍空氣混合。擴(kuò)散速度與擴(kuò)散系數(shù)成正比，并根據(jù)乘積Tn隨溫度變化，其中n在1.72–1.8范圍內(nèi)。氫氣在空氣中的擴(kuò)散系數(shù)是空氣在空氣中的擴(kuò)散系數(shù)的4倍。上升速度取決于氫氣與空氣的密度差，也取決于阻力和摩擦力、上升氣體體積的形狀和大小以及大氣湍流，因此不能僅在浮力的影響下直接確定，這在非密閉區(qū)域具有良好的安全效果，但在氫氣積聚的密閉空間會造成危險(xiǎn)情況。浮力和擴(kuò)散混合決定了氣體與周圍空氣混合的速率。氫氣與空氣的快速混合引起了安全問題，因?yàn)樗苋菀桩a(chǎn)生可燃混合物，但很快就會稀釋到不可燃的范圍。

由于體積小、分子量小、粘度低，氫氣的釋放速度比其他氣體更快會是一個(gè)問題。也可能通過完整（無破損）的材料實(shí)現(xiàn)少量的擴(kuò)散，并導(dǎo)致氣體在密閉空間內(nèi)積聚。與水相比，氫氣的泄漏率高出 50 倍，與氮?dú)庀啾雀叱?10 倍。為了檢測泄漏，可以添加著色劑，但不能適用所有情況，尤其液化氫。

溶解在液體中的氫可以滲透到鄰近的容器材料中。在高溫高壓下，氫會使低碳鋼脫碳和變脆。在任何涉及在壓力下儲存或運(yùn)輸氫氣的情況下，氫脆會是一個(gè)嚴(yán)重的問題。需要選擇適當(dāng)?shù)牟牧?，以防止氫脆?/p>

根據(jù)溫度的不同，氫以兩種不同的形式存在：正位氫(ortho：核自旋方向一致)和對位氫( para：自旋方向相反)。在室溫下，氫是75%的正位氫和25%的對位氫共存。在80K以上，氫是以更穩(wěn)定的形式存在。在20K時(shí)，熱平衡濃度為99.821% 對位氫和0.179%的正位氫。在3-4天的過渡期間發(fā)生，直到達(dá)到一個(gè)新的平衡狀態(tài)。磁性雜質(zhì)和低氧濃度都能催化正對位氫的轉(zhuǎn)化，使得轉(zhuǎn)化速率從幾個(gè)數(shù)量級提高到幾個(gè)小時(shí)。任何濃度的自旋態(tài)都可以在催化劑的幫助下在任何溫度下產(chǎn)生。兩種自旋態(tài)的性質(zhì)并沒有太大的區(qū)別，但區(qū)別在于兩種自旋態(tài)之間的能量差異，這就帶來了比熱和導(dǎo)熱系數(shù)的差異。自由氫原子和離子在輻射場的存在下產(chǎn)生，它們在重新組合之前就像催化劑一樣。重新組合會產(chǎn)生過量的正位氫。

在193 K以上的氫表現(xiàn)出積極的湯普森-焦耳（Thompson-Joule ）效應(yīng)：氫氣的溫度在減壓后升高，這可能引起點(diǎn)火，但自燃的可能性很小，僅僅是通過這種效應(yīng)，因?yàn)樵跍p壓或高溫下自燃過程中灰塵顆粒會帶靜電，這使得爆炸可能發(fā)生。

液態(tài)氫(LH2)需要其三分之一的燃燒熱（能量）來液化，但液氫具有極高純度的優(yōu)點(diǎn)，并且在一定條件下也是具有經(jīng)濟(jì)性的儲存和分配方式。為了保持儲罐的溫度，但蒸發(fā)損失是不可避免的。當(dāng)儲存正位氫時(shí)，其蒸發(fā)速率會更快。當(dāng)處于20K溫度時(shí)的正對位轉(zhuǎn)化釋放出670 kJ/kg，與相同溫度下蒸發(fā)潛熱的446 kJ/kg相比是巨大的。這意味著需要一種氫回路的設(shè)計(jì)，可以以一種安全的方式去除轉(zhuǎn)化熱。

冷氫氣比環(huán)境氣體揮發(fā)性小，當(dāng)存在露天LH2池時(shí)，需要考慮形成可燃混合物的可能性較大。由于空氣成分的凝結(jié)和凝固，LH2迅速污染自身，這給特定區(qū)域帶來了大量的氧氣，并形成了沖擊波爆炸混合物。當(dāng)LH2被加熱到環(huán)境條件時(shí)，在密閉區(qū)域內(nèi)體積增加845倍會產(chǎn)生額外的危害。在密閉空間中，最終壓力可上升到172Mpa，使系統(tǒng)過壓而發(fā)生爆炸。

溫度降到沸點(diǎn)以下會產(chǎn)生液態(tài)和固態(tài)的氫混合物或泥氫(SLH2)。由于固態(tài)氫融化和吸收熱量，泥漿狀態(tài)的氫具有更高密度和延長冷凍劑儲存時(shí)間的優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)蒸汽壓降至大氣壓力以下時(shí)（形成外壓壓力內(nèi)部壓力的形式），必須考慮采用防止空氣進(jìn)入的系統(tǒng)。當(dāng)固體氫形成時(shí)，釋放的熱量會導(dǎo)致對氫轉(zhuǎn)化。

當(dāng)溫度為13.8 K，壓力為7.2 kPa時(shí)，三相均能處于平衡狀態(tài)，即三相點(diǎn)(如圖1)。

圖1：氫狀態(tài)圖

如果氫保持在臨界溫度和壓力以上，就會形成單相：超臨界流體。它是氣體狀的且它是可壓縮的；而它是液體狀的，因?yàn)槊芏认喈?dāng)，兩者之間有一個(gè)過渡狀態(tài)，其特征是強(qiáng)烈的結(jié)構(gòu)波動，導(dǎo)致在臨界點(diǎn)附近流體性質(zhì)具有非比尋常的行為。與液體相比，它具有更高的流速。在超臨界狀態(tài)下，低溫氫的熱物理性質(zhì)與溫度和壓力有很大的關(guān)系，在臨界區(qū)域附近變化很大。在擬臨界溫度下，Cp有一個(gè)極大的熱尖峰現(xiàn)象。由于其黏度對溫度的依賴性，超臨界氫可能經(jīng)歷湍流到層流的轉(zhuǎn)變。在過渡狀態(tài)下傳熱系數(shù)是不可預(yù)測的，而在層流狀態(tài)下傳熱系數(shù)要低得多。

氫在壓力為2~3 ×圖片MPa，溫度約為4400 K時(shí)，會形成金屬氫的過渡相，在室溫下可能具有超導(dǎo)性。這種早在1935年就預(yù)測到的效應(yīng)，最終在1996年的沖擊壓縮試驗(yàn)中得到了證實(shí)。金屬氫被認(rèn)為存在于土星和木星內(nèi)部，但迄今為止在地球上還沒有實(shí)際應(yīng)用。氣態(tài)和液態(tài)氫都是絕緣體，但在臨界“擊穿”電壓以上，它由于電離而成為電導(dǎo)體。

氫氣密度隨溫度和壓力的變化如下圖2所示。

圖2：不同溫度和壓力條件下的氫氣密度

在正常情況下，氫氣是一種無色、無味、無毒的氣體。在NTP（標(biāo)準(zhǔn)溫度壓力）下，氣態(tài)氫的密度僅為0.089 g/l。在其沸點(diǎn)-252.76°C (1atm)以下，氫以液態(tài)存在。液態(tài)氫的密度為70.79 g/l(在沸點(diǎn)1atm時(shí))。液化使氫的密度增加約800倍。

氫的特征是負(fù)的焦耳-湯普遜系數(shù)。由于氫在達(dá)到反轉(zhuǎn)溫度(71°C)時(shí)從較高壓力轉(zhuǎn)換到較低壓力時(shí)溫度會升高，從該溫度開始?xì)浔憩F(xiàn)出正常的焦耳-湯普森系數(shù)。通常，氣體的液化利用焦耳-湯姆遜效應(yīng)。

氫與其他能源載體一樣，在大規(guī)模使用時(shí)存在安全和健康等方面的風(fēng)險(xiǎn)。也是因?yàn)樗姆肿哟笮『椭亓?，所以它需要特殊的設(shè)備和管理程序來處理；事實(shí)上，氫氣分子量是如此之小，以至于它可以擴(kuò)散到一些材料中，這會增加材料失效的幾率，或者氫氣會通過密封件和管道逃逸。氫氣是無毒氣體，但它是可燃的，由于它的點(diǎn)火范圍寬，點(diǎn)火能量低，但由于它的浮力和擴(kuò)散性，導(dǎo)致耗散迅速，所以可以緩解。它的火焰是無色無味的，導(dǎo)致人們很難發(fā)現(xiàn)火災(zāi)和泄漏。