在距今約140億年前,宇宙處于一片混沌,隨著一陣強烈的爆炸,誕生出了質(zhì)子、中子、電子等構(gòu)成物質(zhì)的基本粒子,以及位于元素周期表上**位的元素——氫(qīng)。接著,氫元素中含有多個中子的氘(dāo)、和氚(chuān)在高溫和高壓下聚變生成質(zhì)子數(shù)為1+1=2的氦元素。而產(chǎn)生出的氦又會和氫繼續(xù)反應(yīng),*終,在核聚變與核裂變的作用下,形成了構(gòu)成多姿多彩世界的各種元素。氫不僅是*輕的元素,而且作為構(gòu)成各種各樣物質(zhì)元素的基礎(chǔ),它也是宇宙中含量*多的元素,約占據(jù)宇宙質(zhì)量的75%。
氫元素常見的單質(zhì)(由同種元素組成的純凈物)是氫氣,分子式為H2,是*輕的氣體。1671年,化學(xué)家羅伯特·波義爾發(fā)現(xiàn)鐵(Fe)屑和稀釋酸之間會發(fā)生反應(yīng),并產(chǎn)生氣體,也就是氫氣。歷史上,*先對氫氣進行過系統(tǒng)性研究的科學(xué)家,是英國科學(xué)家卡文迪什,除了研究氫氣外,卡文迪什另一個重要的工作是測定地球密度和萬有引力常量。1766年,卡文迪什用鐵(Fe)和鋅(Zn)等與鹽酸及稀硫酸反應(yīng)的方法制取氫氣,并將氫氣用水銀槽法收集起來。
他還發(fā)現(xiàn),氫氣與空氣混合點燃會發(fā)生爆炸。所以卡文迪什稱這種氣體為“可燃空氣”。并指出,這種氣體比普通空氣輕11倍,并且不溶于水。1784年,卡文迪什發(fā)現(xiàn)氫和空氣混合爆炸后有液體產(chǎn)生,接著用多種不同比例的氫和空氣的混合物進行實驗,斷定所生成的液體是水,且定量地確認大約2體積氫氣與1體積氧氣恰好化合成水。三年后,法國化學(xué)家拉瓦錫正式確認氫是一種元素,并將這種氫氣命名為“hydrogen”,“hydro”的意思是水,“gen”表示生成,所以氫的含義是“水的生成者”。不論是作為構(gòu)成各種各樣物質(zhì)的元素的基礎(chǔ),還是作為生命之源——水的生成者,氫元素確確實實可以被稱作“萬物之源”。
氫氣作為*清潔環(huán)保的燃料,燃燒的時候只產(chǎn)生水,可實現(xiàn)完全的零排放,能夠真正體現(xiàn)綠色、低碳、可持續(xù)發(fā)展的原則。除了作為清潔能源,氫氣在許多領(lǐng)域都顯得舉足輕重:
1.作為保護氣體。電子材料、半導(dǎo)體材料和器件、集成電路以及電真空器件生產(chǎn)中,都需要高純氫做還原氣、攜帶氣和保護氣。
2.用于還原金屬。在冶金工業(yè)中,有色金屬如:鎢、鉬、鈦等生產(chǎn)和加工過程中,使用氫作還原劑和保護氣。在硅鋼片、磁性材料和磁性合金生產(chǎn)中,也需要高純氫氣作保護氣,以提高磁性和穩(wěn)定性。在精密合金退火、粉末冶金生產(chǎn)過程中,薄板和帶鋼軋制中常用氫-氮做保護氣。
3.用于食品貯存。在油脂工業(yè)中,將液態(tài)油氫化為固態(tài)或半固態(tài)的脂肪,生產(chǎn)人造奶油或肥皂工業(yè)用的硬化油。許多天然食用油具有很大程度的不飽和性,經(jīng)氫化處理后,所形成產(chǎn)品可穩(wěn)定貯存,并能抵抗**生長,提高油的黏度。
4.用于**防治。在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域,近年來的研究發(fā)現(xiàn),氫氣可以有效抑制體內(nèi)的部分活性氧,繼而產(chǎn)生抗氧化效應(yīng),在動物實驗中顯示出對多種氧化應(yīng)激相關(guān)**的良好防治作用,并在初步的臨床試驗中取得類似的防治效果。
5.用于儲存能量。氫氣可以通過燃料電池以電化學(xué)反應(yīng)形式直接轉(zhuǎn)換成電能,用于發(fā)電及交通運輸?shù)?,還可用作各種能源的中間載體。
6.燃料電池汽車。根據(jù)氫氣和氧氣的反應(yīng),能持續(xù)地產(chǎn)生電的發(fā)電裝置。燃料電池汽車,燃料電池公共汽車等是用其產(chǎn)生的電來驅(qū)動電動機的交通工具。
7.家用燃料電池。通過從燃氣中提取的氫氣和空氣中的氧氣發(fā)生反應(yīng)來發(fā)電的裝置。該過程中產(chǎn)生的熱量還可給熱水系統(tǒng)與地暖供熱。
8.氫氣發(fā)動機。以氫氣為燃料的內(nèi)燃機的排放幾乎都是水蒸氣,CO2排放為零。未來有望汽車和飛機上都采用氫氣發(fā)動機。
9.加氫站。對精制的氫氣進行加壓、并儲存在高壓鋼瓶內(nèi)、為燃料電池汽車和氫氣引擎汽車加注氫氣燃料的設(shè)施。
除此之外,在重要的工業(yè)合成氨和化肥的生產(chǎn)過程中,氫氣是重要反應(yīng)原料,在高溫高壓條件下,三分子的氫氣和一分子的氮氣會反應(yīng)生成兩分子的氨氣,這一過程又被成為工業(yè)固氮,它極大提升了人類糧食的產(chǎn)量。氫氣還能用于大型發(fā)電機組的冷卻,氫氣具有導(dǎo)熱性好(導(dǎo)熱系數(shù)是空氣的8.4倍),密度小,擴散快等優(yōu)點,用氫氣冷卻的效果好,容易輸送并可循環(huán)使用。
氫,這個神奇的元素,因為它,才有了這個美麗的大千世界和我們自身。氫,還有很多神奇的地方等待人們?nèi)グl(fā)現(xiàn)。
作為**能源的氫氣也是一種易燃易爆的氣體。對于氫氣**,工采網(wǎng)可為各種不同的應(yīng)用提供相應(yīng)的氫氣傳感器。