Hidrit hidrojen depolama sistemi. Metallerde hidrojen depolama Metallerarası hidritlerin pratik uygulama alanları

Hidrojenin toryum ile etkileşiminin ürününün, diğer tüm metallerin hidrojen türevleriyle karşılaştırıldığında en fazla miktarda hidrojen içermesi ve bileşimde ThH 3.75 oranına karşılık gelmesi, yani aşağıdakilere karşılık gelen bileşime yaklaşması karakteristiktir: IV. grup elementlerin maksimum değerliliği. Hidrojen içeren toryumun yoğunluğu metalin yoğunluğundan neredeyse %30 daha azdır, titanyum alt grubunun diğer elemanları için ise hidrojen ile etkileşime girdiğinde yoğunluktaki değişim yaklaşık %15'tir.

Karbon alt grubunun elementlerinin en basit hidritleri - karbon, silikon, germanyum, kalay, kurşun - dört değerlikli olup MeH4 genel formülüne karşılık gelir. Grup IV elementlerin hidritlerinin termal stabilitesi, bu elementlerin atom ağırlığı ve atom yarıçapının artmasıyla birlikte giderek azalır.

Vanadyum alt grubu V gruplar . Hidrojenin vanadyum, niyobyum ve tantal ile etkileşimi büyük ölçüde benzerdir. Bu sistemlerde tam stokiyometrik bileşime sahip hiçbir kimyasal bileşik bulunamadı. Hidrojenin emilmesi ve desorpsiyonu metalik tantal yapısında geri dönüşü olmayan değişikliklere neden olduğundan, tantal-hidrojen sisteminde ve görünüşe göre niyobyum-hidrojen sisteminde belirli bir oranda ara tip kimyasal bağların mümkün olması mümkündür.

Azot, fosfor, arsenik, antimon ve bizmutun basit hidritleri MeH3 genel formülüne sahiptir. Grup V elementlerinin hidritleri, grup IV ve VI elementlerinin hidritlerinden daha az kararlıdır. Grup V'in çoğu elementi, NH3 gibi basit hidritlere ek olarak hidrojenle daha karmaşık bileşikler de oluşturur.

Krom alt grubunun elementlerinden Grup VI - krom, molibden, tungsten ve uranyum, yalnızca uranyum hidrit UH 3 incelenmiştir. Bu bileşikteki kimyasal bağ muhtemelen hidrojen köprülerinin varlığıyla açıklanabilir, ancak UH3'ün özellikleriyle tutarlı olan kovalansla açıklanamaz. Uranyum hidrit oluşumuna, uranyum yoğunluğunda keskin (neredeyse %42) bir azalma eşlik ediyor. Bu yoğunluk azalması derecesi, metallerin incelenen hidrojen türevleri arasında maksimumdur ve büyüklük sırasına göre, grup I alkali metal hidritlerin oluşumu sırasında gözlemlenen yoğunluk artışına karşılık gelir. Hidrojenin krom, molibden ve tungsten ile etkileşimi yoluyla kesin stokiyometrik bileşime sahip kimyasal bileşiklerin üretimi hakkında güvenilir bilgi yoktur.

Bu grubun elementlerinin hidritleri, elementlerin hidrojen ile doğrudan etkileşimi yoluyla elde edilebilir. H 2 O, H 2 S, H 2 Se, H 2 Te ve H 2 Ro serisinde hidritlerin termal stabilitesi hızla azalır.

Hidrojenin elementlerle kimyasal etkileşimi ile ilgili olarak VIII grubu periyodik tablo - demir, nikel ve kobalt - literatürde çelişkili veriler vardır. Doğal olarak bu elementlerin hidritlerinin gerçek varlığı konusunda şüpheler ortaya çıkıyor. Hidrojenin demir, kobalt ve nikel ile yüksek sıcaklıklarda etkileşimi genel kabul görmüş anlamda kimyasal bir süreç değildir. Ancak bu, bu elementlerin hidritlerinin varlığının imkansızlığını henüz kanıtlamaz.

Birçok araştırmacı, hidrit olduğuna inandıkları ürünler elde ettiklerini bildirdi. Bu nedenle, 150 ° C'nin altındaki sıcaklıklarda stabil olan ve üzerinde ayrıştıkları demir hidritlerin (FeH, FeH2 ve FeH3) dolaylı üretimi hakkında bilgi vardır. Nikel ve kobalt hidritlerin üretimi de rapor edilmiştir. Ortaya çıkan ürünler koyu renkli, ince dağılmış piroforik tozlardı. Bazı yazarlara göre, bu tür maddeler aslında hidritler değil, yüzeyde fiziksel olarak adsorbe edilmiş önemli miktarlarda hidrojen içeren ince dağılmış indirgenmiş metallerdir. Diğerleri adsorbe edilmiş hidrojenin metalin yüzeyinde atomik durumda olduğuna ve metal atomlarıyla kimyasal bir bağ oluşturduğuna inanıyor.

Hidrojenin VIII. gruptaki diğer elementlerle (paladyum hariç) kimyasal etkileşimi hakkında çok az tutarlı veri vardır.

Masada Tablo 5, hidrojen ile etkileşime girdiğinde metallerin yoğunluğundaki değişime ilişkin mevcut verileri göstermektedir.

Levha tektoniği teorisi "zaferini" kutlarken, aynı zamanda yeraltı yapısının daha ileri çalışmaları sırasında dezavantajlar elde edip çöküşüne doğru ilerlerken, Dünya'nın genişleme teorisi iki ana sorununu çözdü ve aynı zamanda - böyle bir genişleme mekanizmasının, çekirdekteki "fahiş" baskılarla ilgili tüm soruları aynı anda ortadan kaldıran bir versiyonu bulundu.

Bu uzun çıkmazdan kurtulmanın bir yolu, yaklaşık otuz yıl önce, çoğu zaman olduğu gibi bu soruna tamamen farklı bir açıdan yaklaşan Sovyet bilim adamı Vladimir Larin (şu anda Jeoloji Bilimleri Doktoru) tarafından önerildi.

Pirinç. 69. Metal ve hidrojen atomlarının şeması

Her şeyden önce, hidrojenin bir metal içinde çözünmesi onu basitçe metal atomlarıyla karıştırmak değildir - bu durumda hidrojen, sahip olduğu tek elektronunu çözeltinin ortak hazinesine verir ve tamamen "çıplak" olarak kalır. ”proton. Ve bir protonun boyutları, herhangi bir atomun boyutlarından 100 bin kat (!) daha küçüktür ve bu, sonuçta (protonun muazzam yük konsantrasyonu ve kütlesiyle birlikte), diğer atomların elektron kabuğunun derinliklerine bile nüfuz etmesine olanak tanır. (Çıplak bir protonun bu yeteneği zaten deneysel olarak kanıtlanmıştır).

Ancak başka bir atomun içine nüfuz eden bir proton, bu atomun çekirdeğinin yükünü arttırıyor, elektronların ona olan çekiciliğini artırıyor ve böylece atomun boyutunu küçültüyor gibi görünüyor. Bu nedenle, hidrojenin bir metalde çözünmesi, ne kadar paradoksal görünse de, böyle bir çözümün gevşekliğine değil, tam tersine, orijinal metalin sıkıştırılması. Normal koşullar altında (yani normal atmosfer basıncında ve oda sıcaklığında) bu etki önemsizdir, ancak yüksek basınç ve sıcaklıkta oldukça önemlidir.

Dolayısıyla, Dünya'nın dış sıvı çekirdeğinin önemli miktarda hidrojen içerdiği varsayımı, öncelikle onun kimyasal özellikleriyle çelişmez; ikincisi, cevher yatakları için derin hidrojen depolama sorununu zaten çözüyor; ve üçüncüsü, bizim için daha önemli olan şey, basınçta eşit derecede önemli bir artış olmadan bir maddenin önemli ölçüde sıkıştırılmasına izin verir.

“Moskova Üniversitesi'nde... intermetalik bir bileşiğe [lantan ve nikel alaşımı] dayalı bir silindir yarattılar. Musluğu çevirin ve bir litrelik silindirden bin litre hidrojen açığa çıksın!” (M. Kuryachaya, “Var olmayan hidritler”).

Ama meğerse bunların hepsi “tohum”muş...

Metal hidritlerde - yani bir metalin hidrojenle kimyasal bileşiklerinde - farklı bir tabloyla karşı karşıyayız: elektronunu veren hidrojen değildir (genel olarak oldukça gevşek elektronik kumbaraya), ancak metal dış kısmından kurtulur. hidrojen ile sözde iyonik bağ oluşturan elektron kabuğu. Aynı zamanda, halihazırda sahip olduğu elektronun döndüğü aynı yörüngeye ek bir elektron kabul eden hidrojen atomu, pratikte boyutunu değiştirmez. Ancak metal atom iyonunun (yani dış elektron kabuğu olmayan bir atomun) yarıçapı, atomun yarıçapından önemli ölçüde daha küçüktür. Demir ve nikel için iyon yarıçapı, nötr bir atomun yarıçapının yaklaşık 0,6'sıdır ve diğer bazı metaller için bu oran daha da etkileyicidir. Metal iyonlarının boyutunda böyle bir azalma, bu tür bir sıkıştırmanın sonucu olarak basınçta herhangi bir artış olmaksızın bunların hidrit formunda birkaç kez sıkıştırılmasına olanak tanır!..

Ayrıca, hidrit parçacıklarının paketlenmesini aşırı yoğunlaştırma yeteneği, sıradan normal koşullar altında bile deneysel olarak tespit edilmiştir (bkz. Tablo 1) ve yüksek basınçlarda daha da artar.

Yoğunluk, g/cm

Metal

Hidrit

Sıkıştırma, %

Masa 1. Bazı hidritlerin sıkıştırılabilirliği (normal koşullar altında)

Ek olarak hidritlerin kendisi de ilave hidrojeni çözebilme yeteneğine sahiptir. Bir zamanlar bu yeteneği, yakıt depolamaya yönelik hidrojenli araba motorlarının geliştirilmesinde bile kullanmaya çalıştılar.

“...örneğin, bir santimetreküp magnezyum hidrit, ağırlıkça bir santimetreküp sıvı hidrojenin içerdiğinden bir buçuk kat daha fazla hidrojen içerir ve yüz elli atmosfere sıkıştırılmış bir gazdan yedi kat daha fazladır! ” (M. Kuryachaya, “Var olmayan hidritler”).

Bir sorun, normal koşullar altında hidritlerin çok kararsız olmasıdır...

Ancak normal koşullara ihtiyacımız yok, çünkü bunların gezegenin derinliklerinde - basıncın önemli ölçüde daha yüksek olduğu - var olma olasılığından bahsediyoruz. Artan basınçla birlikte hidritlerin stabilitesi önemli ölçüde artar.

Günümüzde, bu özelliklerin deneysel doğrulaması elde edildi ve giderek daha fazla jeolog, hidrit çekirdek modelinin gerçeğe önceki demir-nikel modelinden çok daha yakın olabileceğine inanmaya başladı. Dahası, gezegenimizin bağırsaklarındaki koşullara ilişkin incelikli hesaplamalar, çekirdeğinin "saf" demir-nikel modelinin yetersiz doğasını ortaya koyuyor.

“Sismolojik ölçümler, Dünya'nın hem iç (katı) hem de dış (sıvı) çekirdeklerinin, aynı fizikokimyasal parametreler altında yalnızca metalik demirden oluşan bir çekirdek modeline dayanarak elde edilen değere kıyasla daha düşük bir yoğunlukla karakterize edildiğini göstermektedir. .

Çekirdekteki hidrojenin varlığı, atmosferik basınçta demirdeki çözünürlüğünün düşük olması nedeniyle uzun süredir tartışma konusu olmuştur. Bununla birlikte, son deneyler, demir hidrit FeH'nin yüksek sıcaklık ve basınçlarda oluşabileceğini ve daha derine dalıldığında ~1600 km derinliğe karşılık gelen 62 GPa'yı aşan basınçlarda stabil olduğunu ortaya koymuştur. Bu bakımdan çekirdekte önemli miktarda (%40 mol'e kadar) hidrojen bulunması oldukça kabul edilebilirdir ve yoğunluğunu sismolojik verilerle tutarlı değerlere düşürür"(Yu. Pushcharovsky, "Dünya mantosunun tektoniği ve jeodinamiği").

Ancak en önemli şey, belirli koşullar altında (örneğin, basınç düşürüldüğünde veya ısıtıldığında) hidritlerin bileşenlerine ayrılabilmesidir. Metal iyonları, ortaya çıkan tüm sonuçlarla birlikte atomik bir duruma dönüşür. Bir maddenin hacminin, kütle değişmeden, yani maddenin korunumu yasasını ihlal etmeden önemli ölçüde arttığı bir süreç meydana gelir. Benzer bir işlem, hidrojenin bir metal içindeki bir çözeltiden salınması durumunda meydana gelir (yukarıya bakın).

Ve bu zaten gezegenin boyutunu büyütmek için tamamen anlaşılır bir mekanizma sağlıyor!!!

“Başlangıçta hidrit bir Dünya hipotezinin ana jeolojik ve tektonik sonucu, jeolojik tarih boyunca önemli, belki de birden fazla sonuçtur. hacmini arttırmak Bu, hidrojenin gazının alınması ve hidritlerin metallere geçişi sırasında gezegenin iç kısmının kaçınılmaz olarak dekompresyonundan kaynaklanmaktadır” (V. Larin, “Başlangıçta hidrit Dünya'nın Hipotezi”).

Dolayısıyla Larin, yalnızca cevher yataklarıyla ilgili bazı sorunları çözmekle kalmayıp, Dünya tarihindeki (bu konuya geri döneceğimiz) bir takım süreçleri açıklayan bir teori önerdi, aynı zamanda dünyamızın genişlemesi hipotezi için ciddi bir zemin de sağladı. gezegen - bir yan sonuç olarak.

Larin en önemli şeyi yaptı; Dünyanın genişleme teorisinin tüm temel sorunlarını ortadan kaldırdı!..

Geriye sadece “teknik detaylar” kalıyor.

Örneğin, gezegenimizin varoluşunun tamamı boyunca ne kadar arttığı ve genişlemesinin tam olarak hangi hızda gerçekleştiği kesinlikle belli değil. Farklı araştırmacılar, birbirinden çok farklı olan ve ayrıca basit bir parmak emmeyi güçlü bir şekilde hatırlatan tahminler verdiler.

“...Paleozoyik'te, bu hipoteze göre, Dünya'nın yarıçapı modern olandan yaklaşık 1,5 - 1,7 kat daha azdı ve bu nedenle, o zamandan beri Dünya'nın hacmi yaklaşık 3,5 - 5 kat arttı” (O) Sorokhtin, "Genişleyen Dünyanın Felaketi").

“Bana en olası fikirler, Dünya'nın nispeten ılımlı bir genişleme ölçeğiyle ilgili gibi görünüyor; bu durumda, erken Archean'dan (yani 3,5 milyar yıldan fazla) yarıçapı bir buçuk ila iki kattan fazla artmayabilirdi. Geç Proterozoik'ten (yani 1,6 milyar yıldan fazla) - en fazla 1,3 - 1,5 kat ve Mezozoik'in başlangıcından (yani son 0,25 milyar yıl boyunca) en fazla 5, maksimum Yüzde 10" (E. Milanovsky, "Dünya Dünya genişliyor mu? Dünya titreşiyor mu?").

Ne yazık ki. Larin'in hipotezi de bu soruyu doğrudan cevaplamıyor.

Dahası, tüm araştırmacılar, Dünya'nın oluşumunun başlangıcından itibaren sürecin aşağı yukarı eşit bir şekilde ilerlediği gerçeğinden yola çıktılar (hidrit teorisinin yazarı V. Larin de bu hipoteze bağlı kalıyor). Bu da o kadar düşük genişleme oranlarına yol açıyor ki, modern cihazlarla tespit edilmesi neredeyse imkansız. Ve teorinin geçerliliğinin test edilmesi yalnızca uzak bir gelecek meselesi gibi görünüyor.

Hidrojeni hidrit formunda depolayarak, sıkıştırılmış hidrojen gazını depolarken gereken hacimli ve ağır silindirlere veya sıvı hidrojeni depolamak için üretimi zor ve pahalı kaplara gerek kalmaz. Hidrojeni hidrür formunda depolarken sistemin hacmi, silindirlerdeki depolama hacmine göre yaklaşık 3 kat azalır. Hidrojenin taşınması basitleştirilmiştir. Hidrojenin dönüştürülmesi ve sıvılaştırılmasının hiçbir maliyeti yoktur.

Hidrojen, metal hidritlerden iki reaksiyonla elde edilebilir: hidroliz ve ayrışma:

Hidroliz yoluyla hidritte mevcut olanın iki katı kadar hidrojen elde etmek mümkündür. Ancak bu süreç pratik olarak geri döndürülemez. Bir hidrürün termal ayrışması yoluyla hidrojen üretme yöntemi, sistemdeki sıcaklık ve basınçtaki hafif bir değişikliğin hidrit oluşum reaksiyonunun dengesinde önemli bir değişikliğe neden olduğu hidrojen akümülatörlerinin oluşturulmasını mümkün kılar.

Hidrojeni hidrit formunda depolamak için kullanılan sabit cihazların kütle ve hacim konusunda katı kısıtlamaları yoktur, bu nedenle belirli bir hidrürün seçiminde sınırlayıcı faktör büyük olasılıkla maliyeti olacaktır. Bazı uygulamalar için vanadyum hidrit, 270 K'ye yakın bir sıcaklıkta iyi ayrıştığı için yararlı olabilir. Magnezyum hidrit nispeten ucuzdur, ancak 560-570 K gibi nispeten yüksek bir ayrışma sıcaklığına ve yüksek bir oluşum ısısına sahiptir. Demir-titanyum alaşımı nispeten ucuzdur ve hidrürü, düşük bir oluşum ısısıyla 320-370 K sıcaklıklarda ayrışır.

Hidridlerin kullanımının önemli güvenlik avantajları vardır. Hasarlı bir hidrojen hidrit kabı, hasarlı bir sıvı hidrojen tankına veya hidrojenle dolu basınçlı kaba göre önemli ölçüde daha az tehlike oluşturur.

Hidrojenin bir metale bağlanmasının ısının açığa çıkmasıyla gerçekleşmesi önemlidir. Bir metalin hidrojen M'sinden bir hidrit oluşumunun ekzotermik süreci (yükleme) ve hidrojenin hidritten salınmasının (boşaltma) endotermik süreci, aşağıdaki reaksiyonlar şeklinde temsil edilebilir:

Hidritlerin teknik kullanımı için, hidritteki hidrojen ayrışma basıncının 0,1 MPa'nın üzerindeki değerlere ulaştığı sıcaklıklar özellikle ilgi çekicidir. Suyun donma noktasının altındaki bir sıcaklıkta 0,1 MPa'nın üzerindeki ayrışma basıncına ulaşan hidritlere düşük sıcaklık denir. Bu basınca suyun kaynama noktasının üzerindeki bir sıcaklıkta ulaşılırsa, bu tür hidritler yüksek sıcaklık olarak kabul edilir.

Karayolu taşımacılığının ihtiyaçları için, teorik olarak 1 m3 metal hidrit başına 130-140 kg'a kadar hidrojen içerebilen hidritler oluşturulur. Ancak gerçekleşen hidrit kapasitesinin 80 kg/m3'ü aşması pek olası değildir. Ancak 130 dm3 kapasiteli bir tanktaki bu hidrojen içeriği bile 400 km'lik araç kilometresi için yeterlidir. Bunlar kullanıma yönelik gerçekçi göstergelerdir ancak hidritle dolu tankın kütlesindeki artış dikkate alınmalıdır. Örneğin, latan-nikel hidrürün kütlesi 1 tona ve magnezyum hidrürün kütlesi - 400 kg'a ulaşır.

Bugüne kadar çok çeşitli özelliklere sahip metal hidrürler sentezlenmiş ve incelenmiştir. Endüstriyel kullanım için en büyük ilgi potansiyeli olan bazı hidritlerin özelliklerine ilişkin veriler Tablo'da verilmektedir. 10.3 ve 10.4. Tablodan da anlaşılacağı üzere. Örneğin 10.3, magnezyum hidrit, 1 kg hidrit kütlesi başına 77 g H2 depolamayı mümkün kılarken, 20 MPa basınç altındaki bir silindirde 1 kg kap başına yalnızca 14 g bulunur. Sıvı hidrojen durumunda 1 kg'lık kap başına 500 g depolayabilirsiniz.

Hidrojen Enerjisi ve Yakıt Pillerine ilişkin Kapsamlı Arama, Araştırma ve Geliştirme Çalışmaları Programı, paladyumu incelemeyi planlıyor. Platin grubu metal paladyum, yakıt hücreleri ve tüm hidrojen enerjisinin ana malzemelerinden biridir. Temel olarak, saf hidrojen üretmek için katalizörler, membran cihazları, gelişmiş fonksiyonel özelliklere sahip malzemeler, yakıt hücreleri, elektrolizörler ve hidrojen belirleme sensörleri üretilmektedir. Paladyum, özellikle paladyum nanotozu olmak üzere hidrojeni etkili bir şekilde biriktirebilir.

Hidrojen enerjisine ek olarak paladyum, geleneksel arabalardan çıkan egzoz gazlarının sonradan arıtılması için katalizörlerde kullanılır; suyu ayrıştırarak hidrojen ve oksijen üretmek için elektrolizörler; taşınabilir yakıt hücreleri, özellikle metanol; paladyum bazlı elektrotlara sahip katı oksit elektrolizörleri; tıbbi amaçlar da dahil olmak üzere havadan oksijen elde etmeye yönelik cihazlar; karmaşık gaz karışımlarının analizi için sensörler.

Hidrojen üretimi için gerekli olan bu metalin dünya üretiminin yaklaşık %50'sini ülkemizin kontrol ettiğini belirtmekte fayda var. Şu anda Çernogolovka'daki Rusya Bilimler Akademisi Kimyasal Fizik Enstitüsü'nde metal hidritlere dayalı hidrojen pilleri oluşturma çalışmaları sürüyor.

Bazı hidritlerin özellikleri

Tablo 10.3

Demir(I) Hidrit

Demir hidrit molekülünün çubuk ve top modeli
isimler
Sistematik ad IUPAC Hidridoiron (3)
Tanımlayıcılar
özellikler
	FeH3
Molar kütle	56.853 gr mol -1
termokimya
	450,6 kJ mol-1
Bağıntılı bileşikler
Bağıntılı bileşikler	Demir hidritler, FeH2 CrH, CaH, MgH
Bilgi kutusu bağlantıları

Demir(I) hidrit sistematik olarak adlandırılan demir hidrit Ve poli (hidriron) kimyasal formülü (FeH) olan katı bir inorganik bileşiktir
N (ayrıca yazılı()
P veya FeH). Ortam sıcaklıklarında ayrışma açısından hem termodinamik hem de kinetik olarak kararsızdır ve bu nedenle kütlesel özellikleri hakkında çok az şey bilinmektedir.

Demir(I) hidrit en basit polimerik demir hidrittir. Kararsızlığı nedeniyle pratik endüstriyel kullanımı yoktur. Bununla birlikte, metalurjik kimyada demir(I) hidrit, bazı demir-hidrojen alaşımlarının temelini oluşturur.

İsimlendirme

Sistematik ad demir hidrit, bileşimsel terminolojiye göre oluşturulmuş geçerli bir IUPAC adı. Ancak adından da anlaşılacağı gibi doğa bileşimseldir; farklı kimyasal özellikler sergileyen moleküler türler gibi aynı stokiyometriye sahip bileşikler arasında ayrım yapmaz. Sistematik isimler poli (hidriron) Ve poli geçerli IUPAC adlarının yanı sıra, sırasıyla katkı maddesi ve elektron eksikliği olan ikame terminolojilerine göre oluşturulmuştur. Başlık bileşiğini diğerlerinden ayırırlar.

Hidridoiron

Sistematik olarak ferran (1) olarak da adlandırılan Hidridoiron, FeH (ayrıca yazılı) kimyasal formülüyle ilişkili bir bileşiktir. Aynı zamanda ortam sıcaklıklarında kararsız olup, otopolimerleşmeye ek bir eğilim gösterir ve bu nedenle konsantre edilemez.

Hydridoiron en basit moleküler demir hidrittir. Ayrıca demir(I) hidrit monomeri olarak da düşünülebilir. Yalnızca donmuş asal gazlarda, soğuk yıldızlarda veya demirin kaynama noktasının üzerindeki sıcaklıklarda gaz halinde hapsolmak gibi aşırı koşullar altında izolasyonda bulunmuştur. Üç adet sarkan değerlik bağına sahip olması beklenir ve bu nedenle bir serbest radikaldir; Bu gerçeği vurgulamak için formülü FeH 3 olarak yazılabilir.

Çok düşük sıcaklıklarda (10°C'nin altında) FeH, moleküler hidrojen FeH·H2 ile bir kompleks oluşturabilir.

Hydridoiron ilk olarak 1950'lerde B. Clément ve L. Åkerlind'in laboratuvarında keşfedildi.

özellikler

Radikallik ve asitlik

Diğer atomik veya moleküler türlerin bir elektronu, hidridoirondaki demir merkezine ikame yoluyla bağlanabilir:

RR → · Р

Bu bir elektronun yakalanması nedeniyle hidridoiron radikal bir karaktere sahiptir. Hydridoiron güçlü bir radikaldir.

Bir Lewis bazı elektron çifti, bir demir merkezi ile indirgenme yoluyla oluşabilir:

+: S →

Bağlı elektron çiftlerinin bu şekilde yakalanması nedeniyle hidridoiron, Lewis asidi karakterine sahiptir. Demir(I) hidrürün önemli ölçüde azaltılmış radikal özelliklere sahip olması, ancak asitlerle benzer özelliklere sahip olması, ancak reaksiyon hızı ve denge sabitinin farklı olması beklenmelidir.

Birleştirmek

Demir(I) hidritte atomlar, bireysel atomların birbirine kovalent bağlarla bağlandığı bir ağ oluşturur. Polimer bir katı olduğundan, tek kristalli bir numune erime ve çözünme gibi durumlar arasında geçişlere maruz kalmayacaktır çünkü bu, moleküler bağların yeniden düzenlenmesini gerektirecek ve dolayısıyla kimyasal kimliğini değiştirecektir. Moleküller arası kuvvetlerin dahil olduğu kolloidal kristal numunelerin durumlar arasında geçiş yapması beklenir.

(I)'de demir hidrit, demir-hidrojen sistemi bağlamında epsilon-prime demir hidrit olarak da anılan P63/MMC uzay grubuna sahip çift altıgen sıkı paketlenmiş kristal yapıyı benimser. -173 °C'nin (-279 °F) altındaki bir sıcaklıkta Ptom 3 m uzay grubuyla yüz merkezli bir kristal yapıya geçiş yaparak polimorfizm sergileyeceği tahmin edilmektedir.

Elektromanyetik özellikler

FeH'nin dörtlü ve altılı temel durumlarına sahip olduğu tahmin edilmektedir.

FeH molekülü, farklı yörüngelerde pozisyon alan bağlanmayan elektronların neden olduğu en az dört düşük elektronik enerji durumuna sahiptir: X 4 Δ, A 6 Δ, b 6 Π ve C 6 Σ +. Daha yüksek enerji durumları B 4 E - , C 4 Φ, D 4 Σ +, E 4 Π ve F 4 Δ olarak adlandırılır. Daha da yüksek seviyeler, dörtlü sistemden G 4 P ve N 4 D olarak etiketlenir ve g - Σ -, f 6 Π, F 6 Δ ve g 6 Φ. Dörtlü durumda, iç kuantum sayısı J, 1/2, 3/2, 5/2 ve 7/2 değerlerini alır.

FeH önemli bir absorpsiyon bandı oynar (sözde kanat grubu-ford) bandın kenarından itibaren yakın kızılötesi bölgede 989,652 nm'de ve absorpsiyon maksimumu 991 nm'de. Ayrıca 470 ila 502,5 nm arasında mavi ve 520 ila 540 nm arasında yeşil çizgiler vardır.

Bu dalga boyunda PE ile karşılaştırıldığında döteryumlanmış FED'deki küçük izotop kayması, grubun durumdan (0,0) geçişten, yani F 4 D-X 4 D'den kaynaklandığını gösterir.

Farklı titreşim geçişleri nedeniyle spektrumun her bir bölümünde çeşitli başka gruplar bulunur. (1,0) bandı da F 4 Δ-X 4 Δ geçişlerinden dolayı 869,0 nm civarındadır ve (2,0) bandı 781,8 nm civarındadır.

Her grubun çok sayıda çizgisi vardır. Bunun nedeni farklı dönme durumları arasındaki geçiştir. Çizgiler 4 Δ 7/2 - 4 Δ 7/2 (güçlü) ve 4 Δ 5/2 - 4 Δ 5/2, 4 Δ 3/2 - 4 Δ 3/2 ve 4 Δ 1/ alt aralıklarında gruplandırılmıştır. 2 - 4 Δ1/2. 7/2 gibi sayılar Ohm spin bileşeninin değeridir. Her birinin P ve R olmak üzere iki dalı vardır ve bazılarının Q dalı vardır. Her birinin içinde Λ bölünmesi adı verilen bir şey vardır, bu da daha düşük enerji hatları ("a" etiketli) ve daha yüksek enerji hatları ("b" olarak adlandırılır) ile sonuçlanır. ). Her biri için, 3,5'tan başlayıp 1'lik adımlarla yükselen, dönme kuantum sayısı olan J'ye bağlı bir dizi spektral çizgi vardır. J'nin ne kadar yükseleceği sıcaklığa bağlıdır. Ayrıca 12 adet uydu şubesi bulunmaktadır: 4 Δ 7/2 - 4 Δ 5/2, 4 Δ 5/2 - 4 Δ 3/2, 4 Δ 3/2 - 4 Δ 1/2, 4 Δ 5/2 - P ve R dalları ile 4 Δ 7/2, 4 Δ 3/2 - 4 Δ 5/2 ve 4 Δ 1/2 - 4 Δ 3/2.

Bazı çizgiler manyetik olarak hassastır, örneğin 994.813 ve 995.825 nm. Zeeman etkisi ile genişletilirler; aynı frekans bandındaki diğerleri, örneğin 994.911 ve 995.677 nm gibi manyetik alanların etkilerine karşı duyarsızdırlar. (0-0) grubunun spektrumunda 222 hat bulunmaktadır.

Uzaya giriş

Demir hidrit, Güneş'te keşfedilen birkaç molekülden biridir. Güneş spektrumunun mavi-yeşil kısmındaki PE çizgileri, 1972'de birçok soğurma çizgisi de dahil olmak üzere, 1972'de kaydedildi. Güneş lekelerine ek olarak gölgeler, Wing-Ford grubunu gösterir. belirgin bir şekilde.

PV (ve diğer hidritler) için şeritler

Sıkıştırılmış veya sıvılaştırılmış hidrojeni (silindirlerde) depolamanın geleneksel yöntemleri oldukça tehlikelidir. Ayrıca hidrojen çoğu metale ve alaşıma çok aktif bir şekilde nüfuz eder, bu da kapatma ve taşıma vanalarını çok pahalı hale getirir.

Hidrojenin metallerde çözünme özelliği 19. yüzyıldan beri bilinmektedir, ancak metal hidritlerin ve metallerarası bileşiklerin kompakt hidrojen depolama tesisleri olarak kullanılması olasılığı ancak şimdilerde görünür hale gelmiştir.

Hidrid türleri

Hidritler üç türe ayrılır (bazı hidritler, metal-kovalent olmak gibi birden fazla bağlanma özelliğine sahip olabilir): metalik, iyonik ve kovalent.

İyonik hidritler - Kural olarak yüksek basınçlarda (~100 atm.) ve 100°C'nin üzerindeki sıcaklıklarda oluşturulurlar. Tipik temsilciler alkali metal hidritlerdir. İlginç özellik iyonik hidritler ana maddeye göre daha yüksek derecede atomik yoğunluğa sahiptir.

Kovalent hidritler- Kullanılan metallerin ve metaller arası bileşiklerin düşük stabilitesi ve yüksek toksisitesi nedeniyle pratikte kullanılmaz. Tipik bir temsilci, dimetilberilyumun bir dietil eter çözeltisi içinde lityum alüminyum hidrit ile reaksiyona sokulmasıyla "ıslak kimya" yöntemiyle elde edilen berilyum hidrittir.

Metal hidrürler- metalik hidrojen alaşımları olarak düşünülebilir; bu bileşikler ana metaller gibi yüksek elektrik iletkenliği ile karakterize edilir. Metal hidritler hemen hemen tüm geçiş metallerini oluşturur. Bağ türlerine bağlı olarak metal hidritler kovalent (örneğin magnezyum hidrit) veya iyonik olabilir. Hemen hemen tüm metal hidrürler, dehidrojenasyon (hidrojen salınım reaksiyonu) için yüksek sıcaklıklara ihtiyaç duyar.

Tipik metal hidritler

• Kurşun hidrit - PbH4 - kurşunun hidrojen ile ikili inorganik kimyasal bileşiğidir. Çok aktiftir, oksijen varlığında (havada) kendiliğinden tutuşur.

• Çinko hidroksit - Zn(OH)2 - amfoterik hidroksit. Birçok kimya endüstrisinde reaktif olarak yaygın olarak kullanılır.

• Paladyum hidrit, paladyum atomları arasında hidrojenin bulunduğu bir metaldir.
• Nikel hidrit - NiH - genellikle akü elektrotları için lantan katkı maddeleri LaNi5 ile birlikte kullanılır.

Metal hidrürler aşağıdaki metalleri oluşturabilir:
Ni, Fe, Ni, Co, Cu, Pd, Pt, Rh, Pd-Pt, Pd-Rh, Mo-Fe, Ag-Cu, Au-Cu, Cu-Ni, Cu-Pt, Cu-Sn.

Depolanan hidrojen hacmi açısından rekor kıran metaller

Hidrojen depolamak için en iyi metal paladyumdur (Pd). Bir hacim paladyumda neredeyse 850 hacim hidrojen “paketlenebilir”. Ancak böyle bir depolama tesisinin beklentileri, bu platin grubu metalin yüksek maliyeti nedeniyle güçlü şüpheler uyandırıyor.
Buna karşılık bazı metaller (örneğin bakır Cu), bakır hacmi başına yalnızca 0,6 hacim hidrojeni çözer.

Magnezyum hidrit (MgH2), kristal kafeste %7,6'ya kadar kütlesel hidrojen fraksiyonu depolayabilir. Bu tür sistemlerin cazip değerlerine ve düşük özgül ağırlığına rağmen, ileri ve geri şarj-deşarj reaksiyonlarının yüksek sıcaklıkları ve bileşiğin dehidrojenasyonu sırasındaki yüksek endotermik kayıplar (depolanan hidrojenin enerjisinin yaklaşık üçte biri) bariz bir engeldir. .
MgH2 hidrürün β fazının kristal yapısı (resim)

Metallerde hidrojen birikimi

Hidrojenin metaller ve metaller arası bileşikler tarafından emilmesinin reaksiyonu, serbest bırakılmasından daha yüksek bir basınçta meydana gelir. Bu, doymuş bir a-çözeltisinden (orijinal madde) bir β-hidrite (depolanmış hidrojen içeren bir madde) geçiş sırasında kristal kafesin artık plastik deformasyonları ile belirlenir.

Hidrojeni eritmeyen metaller

Aşağıdaki metaller hidrojeni absorbe etmez:
Ag, Au, Cd, Pb, Sn, Zn
Bazıları sıkıştırılmış ve sıvılaştırılmış hidrojenin depolanması için kapatma vanaları olarak kullanılır.

Düşük sıcaklıktaki metal hidrürler en umut verici hidrürler arasındadır. Hidrojen giderme sırasında düşük kayıplara sahiptirler, yüksek şarj-deşarj döngü oranlarına sahiptirler, neredeyse tamamen güvenlidirler ve düşük toksisiteye sahiptirler. Sınırlama nispeten küçüktür spesifik yer çekimi hidrojen deposu. Teorik maksimum depolama miktarı %3'tür, ancak gerçekte hidrojenin kütle oranı %1-2'dir.

Toz metal hidritlerin kullanımı, tozların düşük ısı iletkenliği nedeniyle şarj-deşarj döngülerinin hızına kısıtlamalar getirir ve bunların depolanması için kapların tasarımına özel bir yaklaşım gerektirir. Isı transferini kolaylaştırmak ve ince ve düz silindirler üretmek için depolama konteynerine alanlar eklemek tipik bir uygulamadır. Yüksek termal iletkenliğe ve hidrojen ve baz maddeye karşı yüksek bir eylemsizlik eşiğine sahip olan metal hidrüre bir inert bağlayıcının eklenmesiyle deşarj-yükleme döngülerinin oranında hafif bir artış elde edilebilir.

Metallerarası hidrürler

Metallere ek olarak, "intermetalik bileşikler" olarak adlandırılan hidrojenin depolanması umut vericidir. Bu tür hidrojen depolama tesisleri, ev tipi metal hidrit pillerde yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu tür sistemlerin avantajı, reaktiflerin oldukça düşük maliyeti ve düşük zarardır. çevre. Şu anda metal hidrit pillerin yerini neredeyse evrensel olarak lityum enerji depolama sistemleri alıyor. Endüstriyel numunelerin nikel-metal hidrit pillerde (Ni-MH) depolanan maksimum enerjisi 75 Wh/kg'dır.

Bazı intermetalik bileşiklerin önemli bir özelliği, hidrojende bulunan yabancı maddelere karşı yüksek dirençleridir. Bu özellik, bu tür bağlantıların kirli ortamlarda ve nem varlığında kullanılmasına olanak tanır. Kirletici maddelerin ve hidrojendeki suyun varlığında tekrarlanan şarj-deşarj döngüleri, çalışan maddeyi zehirlemez ancak sonraki döngülerin kapasitesini azaltır. Baz maddenin metal oksitlerle kirlenmesi nedeniyle faydalı kapasitede bir azalma meydana gelir.

Metallerarası hidritlerin ayrılması

Intermetalik hidritler, yüksek sıcaklık (oda sıcaklığında hidrojen giderme) ve yüksek sıcaklık (100°C'den fazla) olarak ikiye ayrılır. Hidrit fazının ayrışmasının meydana geldiği basınç genellikle 1 atm'den fazla değildir.
Gerçek uygulamada üç veya daha fazla elementten oluşan kompleks intermetalik hidritler kullanılır.

Tipik intermetalik hidrürler

Nikel lantan hidrit - LaNi5 - bir birim LaNi5'in 6'dan fazla H atomu içerdiği bir hidrittir. Hidrojenin nikel lantandan desorpsiyonu şu durumlarda mümkündür: oda sıcaklıkları. Ancak bu intermetalik bileşiğin içerdiği elementler de oldukça pahalıdır.
Bir birim lantan-nikel hacmi, sıvı H2'den bir buçuk kat daha fazla hidrojen içerir.

Metallerarası hidrojen sistemlerinin özellikleri:

• hidritte yüksek hidrojen içeriği (ağırlıkça %);
• hidrojen izotoplarının absorpsiyon (desorpsiyon) reaksiyonunun ekzo (endo)-termalitesi;
• hidrojenin emilimi - desorpsiyonu sürecinde metal matrisin hacmindeki değişiklik;
• geri dönüşümlü ve seçici hidrojen emilimi.

Metallerarası hidritlerin pratik uygulama alanları:

• sabit hidrojen depolama tesisleri;
• hidrojen depolama hareketliliği ve taşınması;
• kompresörler;
• hidrojenin ayrılması (saflaştırılması);
• ısı pompaları ve klimalar.

Metal-hidrojen sistemlerinin uygulama örnekleri:

• ince hidrojen saflaştırması, her türlü hidrojen filtresi;
• toz metalurjisi için reaktifler;
• nükleer fisyon sistemlerinde (nükleer reaktörler) moderatörler ve yansıtıcılar;
• izotop ayrımı;
• termonükleer reaktörler;
• su ayrıştırma tesisleri (elektrolizörler, hidrojen gazı üretimi için girdap odaları);
• tungsten-hidrojen sistemlerine dayalı piller için elektrotlar;
• metal hidrit piller;
• klimalar (ısı pompaları);
• enerji santralleri için dönüştürücüler (nükleer reaktörler, termik santraller);
• hidrojen taşımacılığı.

Makalede metallerden bahsediliyor: