氢能与燃料电池 课件 化工第四章 氢的性质.pptx

4.氢的性质 4.1 氢气 4.1.1 氢的丰度及同位素 2 宇宙中的物质，＞90%（原子比）或70%（质量比）由氢组成 2 氢的同位素有：氕、氘和氚。 氢同位素示意图:氕(H)、氘(D)和氚(T) 氢同位素的原子数据 CAS No. 1H[12385-13-6] 2D[16873-17-9] 3T[15086-10-9] 原子质量[u] 1.007825 2.0140 3.01605 天然储量[%] 99.985 0.015 ≈10-18 半衰期[yr] 12.26 电离能[eV] 13.5989 13.6025 13.6038 热中子俘获截面[10-24 cm2] 0.322 0.51×10-3 6×10-6 核自旋[h/2π] +1/2 +1 +1/2 核磁矩，核磁子[μN] +2.79285 +0.85744 2.97896 4.2 氢分子 2 单重态分子具有的最小质子-质子分离能为0.74611 Å 可以通过对氢原子施加强磁场来抑制分子的形成 当氢原子数量相等，且电子自旋方向相反时，很容易成对结合形成单重态(总电子自旋等于零的状态）分子。 具有相同的电子自旋状态 2 仲氢 单重态氢分子有两种状态: 即正氢 (对称的, 具有平行的核自旋↑↑) 与仲氢(反对称,具有反平行核自旋↑↓) 正氢 和 仲氢 2 正氢 仲氢(自转化是一个激活的过程，非常缓慢) 正氢和仲氢的转换 99.8% 21.2K 4.1.3 物理性质 2 2 晶体结构 晶体(a)与非晶体(b)的微观结构 2 晶体结构 2 晶体结构 2 晶体结构 2 晶体结构 2 晶体结构 2 晶体结构 2 晶体结构 4.1.3 氢相图 2 4.1.4 氢气的状态方程 2 真实气体的状态方程 理想气体的状态方程 p·V = n · R · T 在真实的气体中，分子占据一定的体积存在范德华力相互作用 （2） （1）   2 4.1.4 状态方程 真实气体的吉布斯自由能： 理想气体的吉布斯自由能： G(p , T)= G(p0 , T) + n·R·Tln( p / p0 ) （3） （4） 2 4.1.4 状态方程 逸度系数 φ 定义为φ =f /p 且与标准压强p0无关 (p0 =1.013×105 Pa)     （5） （6） （7） 4.1.5 焦耳-汤姆逊效应，反转曲线 2 它描述了气体或液体与外界绝缘（不与环境发生热交换），并被强行通过阀门或多孔塞时发生温度变化的现象。 2 焦耳-汤姆逊(开尔文)系数 (理想气体 μ=0) 在压力为 p=0.1 MPa (实线) 与 p=10 MPa (虚线)下范德瓦尔斯近似下H2的焦耳-汤姆逊系数 通常通过将气体在一个特殊区域内节流,使气体发生冷却,以便随后液化该气体 2 反转曲线 当热焓不变时，在任何气体的温度-压力曲线上，曲线各点的压力降低对温度没有影响被称为气体的反转曲线。所以反转曲线有简单的形式μ=0. 2 焦耳-汤姆孙效应和反转温度 真实气体（相对理想气体而言）在等焓环境下自由膨涨，温度会上升或下降（是哪方看初始温度而定）。 对于给定压力，真实气体有一个焦耳-汤姆孙反转温度，高于温度时气体温度会上升，低于时气体温度下降，刚好在这温度时气体温度不变。 (1) 温度上升：当分子碰撞，势能暂时转换成动能，温度随之上升。 (2) 温度下降：当气体膨胀，分子之间的平均距离增大。因为分子间吸引力，气 体的势能上升。因为该过程为等熵过程，系统的总能量守恒，所以势能上升 必然会让动能下降，因此温度下降。 高于转化温度时，前者的影响更显著；低于转化温度时，后者的影响更显著。 4.1.6 氢的化学性质及扩散 2 氢的扩散能力 氢由于尺寸小(r=0.53Å)及质量小(原子量: 1.008)是扩散能力最强的元素。 扩散氛围 D(cm2S-1) T(℃) N2 0.674 0 O2 0.701 0 H2(自扩散) 1.285 0 H2O,蒸汽 0.759 100 H2O, 液体 4.8x10-5 25 铸铁, 熔炼 5.64x10-3 1600 Al, 熔炼 1.28x10-5 960 Palladium 5.0x10-7 25 Vanadium 5.0x10-5 25 表 4.10 氢在典型气体(p=101.3kPa)、液体和固体中的扩散系数 2 1.贡献价电子后形成氢离子 H+ 2.接受一个电子形成氢化物离子 H− 3.与其它原子共用电子，形成一对共价键 X-H 4.与所有原子共享一个电子形成金属键 H0 氢的化学性质取决于四种化学过程 与不同元素形成的氢化物及其电负性 2 电负性, 符号 χ,是描述原子或官能团有吸引电子(或电子密度)靠近自身的倾向的化学性质。 2 化