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氢的性质

晨怡热管 http://nx8.net/news/58 2006/10/10 1:20:51
日期:2005-12-23 13:34:50 来源:来自网络 查看:[大 中 小] 作者:椴木杉 热度:

1.氢的构成及热物理性质

氢有三种同位素:原子量为1的氕(符号H);原子量为2的氘(符号D)和原子量为3的氚(符号T)。氕(通称氢)和氘(亦称重氢)是稳定的同位素;氚则是一种放射性同位素,半衰期为12.26年。氚放出b射线后转变成。氚是极稀有的,在1018个氢原子中只含有0.4~67个氚原子,所以自然氢中几乎全部是氕(H)和氘(D),它们的含量比约为6400:1。不论是那种方法获得的氢,其中氕的含量高达99.987%,氘(D)含量的范围在(0.013~0.016)%之间。事实上,因为氢是双原子气体,所以绝大多数的氘原子都是和氕原子结合在一起形成氘化氢(HD)。分子状态的氘-D2在自然氢中几乎不存在。因此,普通的氢实际上是H2和HD的混合物,HD在混合物里的数量在(0.026~0.032)%之间。

在通常状况下,氢是无色、无味无嗅的气体,极难溶解于水。氢是所有气体中最轻的,标准状态下的密度为0.0899,只有空气密度的1/14.38。在所有的气体中,氢的比热容最大、热导率最高、粘度最低。氢分子以超过任何其它分子的速度运动,所以氢具有最高的扩散能力;不仅能穿过极小的空隙,甚至能透过一些金属,如钯(Pd)从240开始便可以被氢渗透。

氢的转化温度比室温低得很多,其最高转化温度约为204K。因此,必须把氢预冷到此温度以下再节流方能产生冷效应。

众所周知,氢是一种易燃易爆物质。氢气在氧或空气中燃烧时产生几乎无色的火焰(若氢中不含杂质),其传播速度很快,达2.7m/s;着火能很低,为0.2mJ。在大气压力及293K时氢气与空气混合物的燃烧体积分数范围是(4~75)%(以体积计);当混合物中氢的体积分数为(18~65)%时特别容易引起爆炸。因此进行液氢操作时需要特别小心。而且应对液氢纯度进行严格的控制与检测。

氢不仅在低温技术中可以用作工质,或者液化之后可作为低温冷却剂,而且氢还是比较理想的清洁能源。在火箭技术中氢被作为推进剂,同时利用氢为原料还可以产生重氢,以满足核动力的需要。

二、氢的正仲转化

由双原子构成的氢分子H2内,由于两个氢原子核自旋方向的不同,故存在着正、仲两种形状。正氢(o-H2)的原子核自旋方向相同,仲氢(p-H2)的原子核自旋方向相反。正、仲态的平衡组成与温度有关。表7-3列出了不同温度下平衡状态的氢(称为平衡氢,用符号e-H2表示)中仲氢的质量分数。

 

 

 


在通常温度时,平衡氢是含75%正氢和25%仲氢的混合物,称为正常氢(或标准氢),用符号n-H2表示。高于常温时,正-仲态的平衡组成不变;低于常温时,正-仲态的平衡组成将发生变化。温度降低,仲氢所占的百分率增加。如在液氢的标准沸点时,氢的平衡组成为0.20%正氢和99.8%仲氢(实际应用中则可按全部为仲氢处理)。

在一定条件下,正氢可以变成为仲氢,这就是通常所说的正-仲态转化。在气态时,正-仲态转化只能在有催化剂(触媒)的情况下发生;液态氢则在没有催化剂的情况下也会自发地发生正-仲转化,但转化速率很缓慢。譬如液化的正常氢最初具有原来的气态氢的组成,但仲氢的百分率xp-H2将随时间而增大,可按下式近似计算
(8-1)
式中 t-时间(h)。若时间为100h,xp-H2将增大到59.5%。

氢的正-仲转化是一放热反应,转化过程中放出的热量和转化时的温度有关。不同温度下正-仲氢的转化热见表7-4。由表7-4知氢的正-仲转化热随温度升高而减小。在低温(T<60K)时,转化热实际上几乎保持恒定,约等于706kJ/kg。

 

 

 


正常氢转化成相同温度下的平衡氢所释放的热量见表7-5。由表7-5可见:液态正常氢转化时放出的热量超过气化潜热(447kJ/kg)。由于这一原因,即使在一个理想的绝热容器中,在正-仲态转化期间,储存的液态正常氢亦会发生气化;在起始的24h内约18%的液氢要蒸发损失掉,100h后损失将超过40%。为了减少液氢在储存中蒸发损失,通常在液氢产生过程中采用固态催化剂来加速正-仲态转化反应。最常用的固态催化剂有活性炭、金属氧化物、氢氧化铁、镍、铬或锰等。催化转化过程一般在几个不同的温度级进行,如(65~80)K,20K等。

 

 

 


如果使液态仲氢蒸发和加热,甚至当温度超过300K时,它仍将长时间地保持仲氢态。欲使仲氢重新变回到平衡组成,在存在催化剂(可用镍、钨、铂等)的情况下,要将其加热到1000K。在标准状态下,正常氢的沸点是20.39K,平衡氢的沸点是20.28K,前者的凝固点为13.95K,后者为13.81K。

由于氢是以正、仲两种状态共存,故氢的物性要视其正、仲态的组成而定。正氢和仲氢的许多物理性质稍微有所不同,尤其是密度、气化热、熔解热,液态的导热率及声速。然而,这些差别是较小的,工程计算中可以忽略不计。但在80~250K温度区间内,仲氢的比热容及热导率分别超过正氢将近百分之二十。

 

氢的构成及热物理性质

氢有三种同位素:原子量为1的氕(符号H);原子量为2的氘(符号D)和原子量为3的氚(符号T)。氕(通称氢)和氘(亦称重氢)是稳定的同位素。

在通常状况下,氢是无色、无味无嗅的气体,极难溶解于水。氢是所有气体中最轻的,标准状态下的密度为0.0899Kg/m3,只有空气密度的1/14.38。

氢的转化温度比室温低得很多,其最高转化温度约为204K。因此,必须把氢预冷到此温度以下再节流方能产生冷效应。

氢在低温技术中的应用

氢不仅在低温技术中可以用作工质,液化之后可作为低温冷却剂。

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