Гомоядерные вещества и материалы

Из вышеперечисленных неметаллических веществ в теплоэнергетике находят применение лишь водород, азот и кислород, их производные: вода, оксид азота(II), а также оксид углерода(II) CO, оксид углерода(IV) CO₂, оксид серы(IV) SO₂ оксид серы(VI) SO₃ и сероводород H₂S.

Водород. Химический знак – Н, порядковый номер 1, атомная масса 1,00. Водород относится к числу наиболее распространенных химических элементов. Его массовая доля в земной коре составляет 0,15 %. Свыше 95 % всех известных химических веществ содержат водород. Основными источниками водорода на Земле являются вода, нефть, природные газы. В космическом пространстве это самый распространенный элемент: он составляет более половины массы Солнца и других звезд. Водород имеет три изотопа с. относительной массой 1, 2 и 3. Это протий Н, дейтерий D и тритий Т. Атомы протия имеют ядро, состоящее из одного протона. Ядро атома дейтерия содержит один протон и один нейтрон, атома трития - один протон и два нейтрона. Протий и дейтерий являются стабильными изотопами. Они оба входят в составы соединений водорода, встречающихся в природе. Тритий - радиоактивный изотоп. В небольших количествах тритий обнаружен в атмосфере и атмосферных осадках.

В лабораторных условиях водород синтезируют действием металлов (цинка, железа, магния) на хлороводородную (соляную) или разбавленную серную кислоту. Водород можно также получить, растворяя алюминий в растворах щелочей.

В промышленности водород получают главным образом из метана СН₄, который входит в состав природного газа. При нагревании метана с парами воды образуется легко разделимая смесь водорода с оксидом углеродa(IV) СО₂.

Водород высокой степени чистоты получают, пропуская электрический ток через водные растворы некоторых веществ. Этот метод применяют в промышленности и в лабораторных условиях. Водород технический в зависимости от марки получают электролизом воды и хлористых солей или паровой конверсией углеводородных газов. Общая концентрация примесей в виде кислорода О₂, азота N₂, окиси углерода СО, двуокиси углерода СО₂ и метана составляет 0,2 - 5,0 %. Жидкий водород производится промышленностью многих стран, как ракетное топливо, в больших количествах. Молекулярный водород Н₂ представляет собой газ без цвета и запаха. Он намного легче воздуха и самый легкий из всех газов (1 л водорода при нормальных условиях имеет массу 0,09 г). Температура плавления водорода равна -259 °С, температура кипения составляет -253 °С. Практически нерастворим в воде. Водород хорошо поглощается некоторыми металлами. Например, 1 объем палладия поглощает до 900 объемов газообразного водорода Н₂.

Смеси технического водорода с хлором, кислородом и воздухом взрывоопасны. Нижний предел взрываемости смеси водорода с воздухом равен 4 об. %, а верхний - 75 об. %, а водорода с кислородом соответственно 4 об. % и 94 об. %. Смесь водорода с хлором в соотношении 1 : 1 взрывается на свету. При работе с водородом необходимо соблюдать осторожность. Если к струе водорода поднести зажженную спичку, то водород загорается и горит несветящимся пламенем. При поджигании смеси, состоящей из двух объемов водорода и одного объема кислорода, происходит почти мгновенное соединение газов, которое сопровождается взрывом. Такая смесь называется гремучим газом.Температура водородного пламени примерно равна 1000 °С, а при введении в него избыточного кислорода - 2500 - 3000 °С. Водород обладает свойствами, особо благоприятными для использования в качестве охлаждающей среды вместо воздуха, так как имеет высокую удельную теплопроводность и теплоемкость, а именно l равна 0,2 Вт/(м·К).

Водород химически малоактивен, большинство реакций с его участием протекает лишь при нагревании. При комнатной температуре водород взаимодействует со фтором. С другими неметаллами он реагирует при повышенной и высокой температуре. С металлами водород образует гидриды. Водород является хорошим восстановителем многих оксидов и других соединений. Это его свойство используется для получения металлов в лабораторной практике и в промышленности.

Крупные электрические машины заполняются водородом для снижения потерь мощности на трение ротора в газе и замедления старения органических компонентов изоляции. Его применяют в качестве восстановительной среды при пайке и термической обработке. Водород широко используется в химической промышленности, главным образом для синтеза аммиака, хлористого водорода и многих органических веществ, в частности метанола. В металлургии он применяется как восстановитель при получении железа, молибдена, вольфрама и других металлов. Смесь водорода с кислородом, которая при горении выделяет большое количество теплоты, используется для сварки и резки металлов, особенно тугоплавких, кварца и др. Водород входит в состав различных газообразных топлив, а именно: водяного, генераторного, рудничного, светильного и гремучих, а также используют в создании высокоэффективных источников тока - топливных элементов.

Широкое применение в атомной энергетике нашли изотопы водорода - дейтерий и тритий, которые являются ядерным горючим.

Азот. Азот расположен в V группе главной подгруппы, химический знак N, порядковый номер 7, молекулярная масса 28. Азот является одним из основных компонентов воздуха. Объемная доля его в воздухе 78 %. Азот входит в состав различных неорганических и органических природных соединений, его массовая доля в земной коре составляет 0,01 %.

Получают азот из атмосферного воздуха сжижением с последующей ректификацией. Содержание чистого азота в газообразном продукте колеблется от 99 до 99,9 %, а в жидком составляет 96 %. Концентрация кислорода в газообразном азоте достигает не более 1 %, а в жидком - 4 %.

Молекулярный азот N₂ представляет собой газ без цвета и запаха. В жидком и твердом состояниях он также бесцветен, в воде мало растворим: при 20 °С в 100 г воды растворяется всего 15,4 мл азота.

Молекула газообразного азота двухатомна и не распадается на отдельные атомы даже при высокой температуре. Азот химически инертен, при комнатной температуре не реагирует с металлами, за исключением лития. При нагревании соединяется с некоторыми металлами (магний, кальций), а при очень высокой температуре (3000 °С) непосредственно с кислородом с образованием оксидаазота(II)NO. При повышенных давлении и температуре азот взаимодействует с водородом, образуя аммиак NH₃.

В чистом виде азот применяется сравнительно редко (для высоковольтных конденсаторов постоянной емкости, для наполнения баллонов осветительных ламп). В микроэлектронике газообразный азот используют в качестве защитной среды, а жидкий - для наполнения ловушек в вакуумных системах, а также с его помощью создают инертную атмосферу при проведении химических реакций, для которых недопустимо наличие кислорода. Азот входит в состав некоторых топливных газов, а именно рудничных.

Кислород. Кислород имеет порядковый номер 8, относительную массу 16, химический знак – О. Кислород это самый распространённый из химических элементов на Земле. Его массовая доля в земной коре равна 47,2 %. Он является составной частью многих природных соединений, в частности, воды, оксидов, гидроксидов и солей, а также входит в состав всех растительных и животных организмов. Объемная доля газообразного кислорода в воздухе составляет 21 %. Он имеет три изотопа ^l6О, ¹⁷О и ¹⁸O. В свободном состоянии кислород встречается в виде двух гомосоединений, называемых кислород О₂ и озон О₃. Они являются его аллотропными или полиморфными модификациями.

В лабораторных условиях кислород получают термическим разложением некоторых солей, а именно, перманганата КМnО₄ и хлората калия КСlO₃ в присутствии небольших количеств оксида МnО₂, нитрата калия KNO₃ или натрия NaNO₃. Наиболее удобным лабораторным способом синтеза кислорода является взаимодействие пероксидов металлов с водой. Промышленным методом получения кислорода является его производство из жидкого воздуха, который при перегонке разделяют на его составляющие. Он также образуется как побочный продукт при промышленном электролизе воды.

Молекулярный кислород О₂ представляет собой газ без цвета и запаха. Его температура плавления равна -218,8 °С. Кислород кипит при -183,0 °С. В жидком виде он окрашен в голубой цвет. Растворимость кислорода в воде незначительна, а именно, предельная массовая доля его в водном растворе при 20 °С составляет 0,004 %. В жидкий и твердом состояниях он притягивается магнитом.

Кислород имеет высокую химическую активность, которая еще повышается при нагревании. Он реагирует со многими металлами и неметаллами с образованием чаще всего оксидов, реже пероксидов и только со фтором кислород ведет себя как восстановитель. При взаимодействии с гетеросоединениями кислород проявляет окислительные свойства и способен поддерживать горение веществ. В кислороде сгорают метан, сероводород и другие вещества. Он окисляет органические вещества до оксида углерода(IV) и воды.

Кислород применяют в металлургической промышленности при обжиге руд металлов, производстве чугунов и сталей. В химической промышленности его используют для получения оксидов, в частности, NО, который применяют в производстве азотной кислоты, а также SO₂ и SO₃, используемых при получении серной кислоты, а также многих органических веществ. Кислород применяется также для сварки и резки металлов. Его используют на подводных лодках, космических кораблях, при работе под водой, в шахтах, на большой высоте и в медицине как средство жизнеобеспечения. В качестве окислителя ракетного топлива применяют жидкий кислород. Он входит в состав различных топливных газов.

Вторая модификация кислорода озон в малых концентрациях содержится в воздухе. Озон образуется при грозовых разрядах, а также при процессах, в которых происходит выделение атомарного кислорода (радиолиз воды, разложение перекисей и др.), а также при воздействии на молекулярный кислород потока электронов, протонов, коротковолнового излучения, а именно за счет фото- и радиохимических реакций. В атмосфере на высоте 20 - 25 км от поверхности Земли существует так называемый «озонный пояс», который защищает Землю от ультрафиолетового излучения.

В промышленности озон получают в специальных приборах, называемых озонаторами. В них под действием электрического разряда происходит превращение молекулярного кислорода в озон.

В отличие от кислорода озон является газом голубой окраски и имеющим резкий запах. Он кипит при -111,9 °С, а плавится при -192,7 °С. Озон имеет более высокую растворимость в воде, чем кислород. Его массовая доля в растворе при 20 °С составляет 0,04 %. Жидкий озон представляет собой темно-синюю жидкость, а в твердом состоянии представляет темно-фиолетовые кристаллы.

Озон является еще более сильным окислителем. При взаимодействии с некоторыми металлами образует озониды. Вдыхание озона в больших количествах вредно. Он раздражает слизистые оболочки глаз и дыхательных органов.

Озон используется для отбеливания тканей, обеззараживания питьевой воды (вместо хлора), в медицине как дезинфицирующее средство.

Воздух. Воздух представляет собой смесь газов, которая состоит из азота N₂ (78,03 об. %), кислорода О₂ (20,93 %), углекислого СО₂ (0,03 %) и инертных (Не, Хе, Ar, Ne, Кг) (0,1 %). При 15 - 20 °С плотность воздуха равна 1,225 - 1,205 кг/м³. Электрическая прочность воздуха составляет 3×10⁶ В/м. Теплопроводность воздуха l равна 0,03 Вт/(м·К). Объекты, в которых применяется воздух в качестве электрической изоляции - линии электропередач, открытые распределительные устройства, воздушные конденсаторы и выключатели и т. п. Однако чаще всего он является вспомогательным изолятором, окружающим детали и узлы.

Вопросы для самопроверки

1. Водород: нахождение в природе, получение гомоядерного вещества, структура, физические и химические свойства, применение.

2. Азот: нахождение в природе, получение гомоядерного вещества, структура, физические и химические свойства, применение.

3. Кислород: нахождение в природе, получение гомоядерного вещества, структура, физические и химические свойства, применение.