氢气的物理化学性质及主要应用

一、氢气的物理化学性质

氢气的物理性质：

1、在通常情况下，氢气是无色、无味的气体；

2、密度是最小的气体，只有空气的1/14，即氢气在1标准大气压和0℃，氢气的密度为0.089g/L；

3、难溶于水。

氢气的化学性质：

1、可燃性（用途：高能燃料、氢氧焰焊接、切割金属）；

2、还原性（用途：冶炼金属）。
 

 

二、氢气的主要用途

1、炼油厂

氢气在炼油厂的被用在各种加氢脱硫（HDS）和加氢裂化操作中。HDS是一种催化化学工艺，广泛用于从天然气和精炼石油产品（如汽油、喷气燃料、煤油、柴油和燃油）中除去硫。加氢裂化是一种将重油炼油产品在氢和催化剂的作用下分解成较小分子（柴油或汽油等蒸馏物）的工艺。

 

2、合成氨

哈伯－博施法是当今生产氨的主要工业方法，它在金属催化剂和一定的温度压力条件下直接将氢和氮结合生成氨。氨（NH3）用于生产硝酸铵，它是一种化肥，同时是许多家庭清洁产品的一部分。这一过程需要将氮和氢以1：3的比例混合，在一定压力和温度下，将其置于含有催化剂的容器中。最常用的是以铁为基础催化剂，通过K2O、CaO、SiO2和Al2O3等改良催化剂。反应通常发生在15－25MPa（150－250bar）和400－500℃之间。混合气体通常通过四个催化剂床，在每一道冷却床之间进行冷却，以保持合理的反应平衡常数。每次通过一个催化剂床时，只有大约15％的气体转化成氨：液氨被脱除，未反应的气体通过压缩机循环利用。在现代工厂中，总转化率可达到97％以上。

 

3、还原金属矿石

氢在商业上还被用来从矿石（黑钨矿、白钨矿和钨铁矿）中提取钨。同样的概念也可用于从黑铜矿和锥黑铜矿（氧化铜，CuO）中生产铜。利用氢气直接还原铁（DRI）是一个尚未得到大规模应用的方法，其优点是高炉煤气（BFG）主要由水蒸气和氮气组成，只有少量的二氧化碳。从理论上讲，氢还可以作为还原剂来生产银、金和铂等金属，但尚不适用于商业用途。

 

4、生产盐酸

盐酸（HCl）的大规模生产几乎总是与其他化学品的工业规模化生产相结合，可以变相的看做是一种副产品。然而，纯氯气可以直接与氢结合，在紫外光的照射下直接生成氯化氢。这是一种高度放热反应，很少用于商业生产氯化氢。

 

5、氢化剂

氢被用来把不饱和脂肪转化为饱和油和脂肪。例如，食品工业使用氢来制造氢化植物油，如人造黄油和黄油。饱和油和脂肪的加氢是一个间歇过程，发生在一个加热罐中。进料油（如葵花籽或橄榄油）被泵入加热的压力容器，并在加热时保持真空以抑制氧化。将温度升高到140－250℃，搅拌混合物以确保温度均匀。将与少量油混合的镍催化剂固体泵入反应容器中，接着送入氢气，这将使压力达到2．7－4 barg。加氢反应为放热反应，因此去除外部加热并冷却，剧烈搅拌，确保温度保持在70－80℃范围内。40－60分钟后，氢化油混合物被泵出，形成浆状物，催化剂固体在过滤器中去除。冷却到室温可以使氢化油凝固。

 

6、原子氢焊接

原子氢焊接（AHW）是一种在氢气的保护气氛中，两个金属钨电极之间的电弧焊的工艺，可用于焊接难熔金属和钨。

 

7、氢气作为冷却剂

许多现代大型发电机使用氢气作为转子冷却剂，其压力约为4bar。

其优点是：低密度（比空气低的风阻损失，约10％）；高导热性（减小冷却器尺寸）；高比热容；它比空气清洁，因此降低套管电阻的可能性较小。

 

8、作为搜索气体

由于氢气对环境的影响小于过去使用的基于CCLF3的气体，因此许多制造厂都使用氢气来检查泄漏情况。氢可以单独使用，也可以与其他元素一起使用。

 

9、甲醇生产

甲醇可以由合成气（一氧化碳和氢气）在涂有铜和锌氧化物的氧化铝颗粒催化剂固定床反应器中生产。甲醇也可以通过氢和二氧化碳的直接结合来进行制备：近年来，这种反应一直备受关注，因为它提供了将大气中的二氧化碳转化为化石燃料的可能性。在这个过程中，氢气和二氧化碳被泵入到装有催化剂的反应容器的密封室中，被加热到180－250℃。二氧化碳到甲醇的最大转化率约为24％。未转化的二氧化碳和氢气被回收并返回容器内。目前还没有该过程的整体热力学效率的报道。

 

10、制造过氧化氢

过氧化氢是临床和医院常用的常规杀菌剂。它是一种强氧化剂，特别适用于清洗伤口、切口和其他受损组织部分。它还用于漂白头发、美白牙齿和去除衣服上的污渍。在研究中，过氧化氢也被用于检测过氧化氢酶等酶的抗氧化能力。

 

11、作为还原剂

氢是氧化还原反应的关键元素。例如，它被用于平板玻璃的制造，以防止形成氧化亚锡（SnO）。

 

12、化学分析

氢用于各种化学分析方法。这些方法包括原子吸收光谱法，在这里氢被用作燃料来产生热量，同时产生中性原子。

 

13、气相色谱

氢是气相色谱中可用作载相的气体之一，用于分离挥发性物质。

 

14、气象气球

因为氢比其他气体轻，所以气象学家仍然把它用于高空气象气球。

 

15、能量载体

氢气不是能源，而是以可用的形式储存和输送能量。除了用于加热和CHP外，它还用作氢燃料电池的燃料，在汽车、火车、轮船和自行车等运输工具中使用。

 

16、氢气的用途是由氢气的性质决定的。例如，氢气密度是所有气体中最小的，可将氢气充入探空气球。氢气跟氧气反应时放出大量的热，氢氧焰可达3000℃的高温，用于焊接或切割金属；做高能燃料。利用氢气的还原性，可以冶炼重要的金属。

 

以上就是氢气的物理化学性质及主要应用，大家是否更加了解氢气了呢？