2014年1月28日 星期二

氫的化性 The Chemistry of Hydrogen

化學原理啟迪440
Georges Chakra Couture Spring/Summer 2013
1.     在正常的溫度壓力條件下,「氫」是無色、無味的氫氣分子H2氣體。因為氫氣分子的莫耳量小、且是非極性的,因此氫的熔點260和沸點253都非常低。
2.     氫氣是高度易燃的,空氣的混入18%60體積的氫氣會爆炸。化學課會教,將氫氣和氧氣灌入肥皂水,使肥皂水起泡,然後,再用放置在長棍末端的蠟燭點燃泡泡,隨即產生巨大的爆炸。
3.     工業氫氣的重要來源是,在高溫(8001000)與高壓(1050atm)下,加上金屬催化劑,使「甲烷」與「水」反應:
CH4(g)H2O(g)heat,pressure,catalyst→CO(g)3H2(g)
4.     汽油製程也會產生大量的氫氣副產品,工業就是將高分子量的碳氫化合物,斷裂成適合汽車使用的較小分子。
5.     電解水能製造出純氫氣,但是用電解大量生產氫氣不划算,因為使用的電力會花很多錢。工業使用的氫氣是用生產的,稱為哈柏法 the Haber process
6.     「氫氣」可用來氫化不飽和植物油(含有碳碳雙鍵),使植物油變成固體、飽和性的脂肪(含有碳碳單鍵):
7.     「氫」的化學行為是標準的非金屬,「氫」如果與非金屬結合將產生共價化合物;「氫」如果與活性金屬結合將形成鹽類。含有氫的二元化合物稱為氫化物hydrides
8.     氫化物分為三類,第一類是「氫原子」與活性最強的金屬結合,如此產生的化合物稱為離子氫化物ionic hydrides
9.     除了「氫」以外,1A族與 2A族元素是活性最強的金屬元素,例如LiHCaH2,它們是由氫離子H和金屬陽離子組成的離子化合物。
10. 氫陰離子H小小的1s軌域塞進2個電子,這造成強大的「電子電子斥力」,又因為氫原子核只有1電荷,所以氫離子是強還原劑。舉例來說,離子性的氫化物放入水中會激烈反應產生氫氣:
LiH(s)H2O(l)→H2(g)Li(aq)OH(aq)
11. 氫與非金屬元素結合會產生共價氫化物covalent hydrides,這是第二類氫化物。共價氫化物有HClCH4NH3H2O,其中最重要的氫化物是水。
12. 水分子的極性使水具有許多特殊的性質,水的實際沸點比按照他的莫耳量所預期的高;水的蒸汽熱大、熱容量也大,這2個特性使水成為非常好用的冷卻劑。
13. 液態水的密度高於固體冰,這是因為固態下,水分子間的氫鍵要達到最強,彼此必須相隔一段距離。水對離子和極性物質來說,是很好的溶劑;水是維繫生命系統運作的有效媒介。事實上,水是少數對有機體無毒的共價氫化物。
14. 第三類氫化物是金屬氫化物metallic hydrides填隙氫化物interstitial hydrides;過度金屬晶體與氫氣反應即會產生金屬氫化物。氫分子在過渡金屬表面分解,然後小顆的氫原子鑽入過渡金屬晶體結構的洞隙,稱為填隙interstices
15. 過渡金屬與氫的混合物,比較像固態的溶液,而不是化合物。能夠吸收比自己體積900倍的氫氣。
16. 我們可以用鈀純化氫氣,方法是在低壓下將空氣裝入容器中,容器裡有一片薄薄的鈀金屬壁隔開不同的空間,氫氣將擴散穿越鈀金屬壁到另一個隔間,留下不純然是氫氣的空氣於原本的空間。
17. 雖然氫能與過渡金屬結合成化合物,例如UH3FeH2,但填隙氫化物的組合方式並不像化合物那樣固定不變,而是十分多樣的;
18. 依據過渡金屬暴露於氫氣的程度大小,而填入不同數量的氫原子,因此有許多不同的非化合物比氫化物nonstoichiometric hydrides,這就是為什麼它們的化學式的元素係數比例並非整數,而是LaH2.76VH0.56
19. 加熱填隙氫化物,會使得金屬吸收的氫元素,以氫氣的形式逸散出去,因此填隙氫化物,可作為儲存氫氣的可動式燃料。
20. 汽車的內然機,稍做改裝便可燃燒氫氣,但是要怎麼儲存相當里程數的氫氣,至今仍是問題。有一種解決的辦法是,讓油箱的一部份裝汽油,另一部分裝過渡金屬構成的蜂窩狀固體。
21. 將氫氣打進蜂窩狀過渡金屬固體,製造出填隙氫化物,當引擎需要額外的能量,氫氣便從填隙氫化物中釋放出來;有許多汽車公司已經開始試用這個系統。
n  翻譯編寫Steven S. Zumdahl Chemical Principles

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