Применение водорода, его изотопов и соединений
Водород широко используется в химической промышленности для синтеза аммиака, метанола, хлороводорода, для гидрогенизации жиров, жидкого и твердого топлива (угля, нефти) и т.д. При гидрогенизации угля и нефти бедные водородом низкосортные виды топлива превращаются в высококачественные. Водород также используется для гидрирования растительных жиров (получение маргарина), для получения спиртов, альдегидов, кетонов. Но самым большим по объему потребления водорода сегодня является нефтяная промышленность, где он используется для удаления из нефти и продуктов ее переработки соединений серы. Водород применяется в металлургии для восстановления некоторых металлов из их оксидов (например, для получения железа прямым восстановлением железной руды). Водород используют для охлаждения мощных генераторов электрического тока. Жидким водородом наполняют пузырьковые камеры, регистрирующие элементарные частицы и их превращения. Для работы этих устройств требуются в год десятки тонн жидкого водорода.
В смеси с угарным газом (в виде водяного газа) применяется как топливо. Температура кислородно-водородного пламени достигает 2600-2800 °C, что позволяет сваривать и разрезать тугоплавкие металлы, кварц и проч. Применяется также атомарно-водородная сварка, где температура пламени достигает 4000 °C.
Водород используется для получения гидридов, которые находят применение в различных областях (гидрид лития – компонент ракетного топлива и используется в органических синтезах, гидрид кальция – используется для удаления следов влаги из топлив, гидрид натрия применяется в синтезе).
Водород обладает наибольшей теплотворной способностью из всех известных топлив:
| H2(г) | C(тв) | CH4(г) | C6H6(ж) | |
| Стандартная молярная энтальпия сгорания (кДж/моль) | -285,8 | -393,5 | -890,2 | -3267,4 |
| Удельная теплота сгорания (кДж/моль) | -142,9 | -32,8 | -55,6 | -41,9 |
Поэтому жидкий водород используется в ракетной технике.
В настоящее время проблема использования водорода приобрела особое значение. Энергетический кризис, проблема защиты окружающей среды от непрерывного и угрожающего загрязнения нефтью и продуктами сгорания различных топлив – все это стимулирует рост интереса к водороду как к экологически чистому горючему. Водород может служить универсальным источником энергии, получаемой как при непосредственном его сжигании, так и в топливных элементах. Подсчитано, что энергетические затраты на перекачивание водорода по трубопроводам меньше, чем потери электроэнергии в ЛЭП. При сгорании водорода образуется только вода и атмосфера остается чистой. Водород с успехом может быть использован как топливо для различных видов транспорта и в бытовых целях – отопление, приготовление пищи и т.д. Одним из главных преимуществ водородной энергетики также является то, что на Земле огромные запасы воды и водород – самый распространенный элемент во Вселенной. К сожалению, в действительности дело обстоит не так просто. Водородная энергетика имеет целый ряд существенных недостатков. Прежде всего, необходимо найти достаточно эффективный источник водорода (существующие на сегодня промышленные способы получения водорода требуют значительных затрат энергии). Далее, большой проблемой является хранение и транспортировка: плотность водорода (даже сжиженного или твердого) в 10-15 раз меньше плотности воды, поэтому объем, необходимый для его хранения весьма велик, а благодаря высокой диффундирующей способности водорода при переходе на водородную энергетику возникает необходимость использования особых материалов (водород приводит к растрескиванию стали). Однако одним из потенциальных способов хранения и транспортировки водорода является перевод его в гидриды или растворение в металлах.
И, наконец, с экологической безопасностью дело тоже обстоит не очень просто: основным источником экологических проблем являются не столько сами по себе продукты сгорания обычных топлив, сколько образующиеся при горении из-за высокой температуры оксиды азота. А поскольку температура пламени водорода выше, чем у угля или природного газа, при сжигании водорода их образуется даже больше. Поэтому водородная энергетика пока остается областью проектов.
В будущем может быть расширено применение водорода для металлургии.
Тяжелая вода является весьма эффективным замедлителем нейтронов в ядерных реакторах. Дейтерий широко применяют в научных исследованиях. А в дейтериево-тритиевой смеси проводят управляемую термоядерную реакцию.
