氫氣的製備及其多種用途

---

引言

氫氣的製備在實驗室和商業規模上都涉及多個步驟。氫是宇宙中最豐富的元素，用途廣泛。

什麼是氫氣？

氫氣在宇宙中含量豐富，是重量最輕的元素。它是一種氣態、非活性元素，無色、無味、無臭且無毒。氫主要存在於水中或任何有機化合物中，也存在於動植物組織中。其獨特的特性使其廣泛應用於燃料、澱粉、酸和許多其他物質中。

氫氣的性質

以下是氫氣的性質：

• 物理性質：氫氣無色、無味、無臭。它是一種易燃氣體，但不助燃。氫的原子質量為1.008原子質量單位 (amu)。

• 化學性質：氫分子僅含一個H-H鍵，具有最高的鍵能。它與其他元素共享電子並形成共價鍵。由於鍵能高，氫在標準溫度下反應性較低。因此，氫氣的製備通常在電弧高溫或紫外線照射下進行。

氫氣的製備

氫氣的製備涉及以下步驟：

實驗室製備方法

圖1 - 實驗室製備方法

在實驗室中，可以使用粒狀鋅和稀鹽酸製備氫氣。也可以透過使過量的鹼性水溶液與鋅反應來製備氫氣。反應方程式如下：

$$\mathrm{Zn\:+\:2NaOH\:\rightarrow\:\:+\:H_{2}}$$

工業製備方法

工業上製備氫氣的方法有以下幾種：

• 使用鉑電極電解酸化水，可以產生氫氣。

• 使用鎳電極電解溫熱的氫氧化鋇水溶液，可以得到高純度的氫氣。

• 在催化劑存在下，高溫下水蒸氣與烴反應可以產生氫氣。

圖2 - 電解法工業製備方法

烴類可用於生產合成氣（也稱為水煤氣），水煤氣由一氧化碳和氫氣組成。合成氣存在於汙水、廢料和其他相關物質中。它也可以透過煤氣化技術從煤中提取。使用鐵鉻酸鹽等催化劑在加熱條件下，可以從烴類中提高氫氣的產量。合成反應方程式如下：

$$\mathrm{CH_{4}(g)\:+\:H_{2}O(g)\:\rightarrow\:CO(g)\:+\:3H_{2}(g)}$$

$$\mathrm{CO(g)\:+\:H_{2}O(g)\:\rightarrow\:CO_{2}(g)\:+\:H_{2}(g)}$$

氫氣的主要生產方法是使用烴類，少量則透過電解法生產。

其他方法

另一種製備氫氣的方法是催化水蒸氣-烴類法。將氣態烴類在高壓下與水蒸氣一起在鎳催化劑上處理，以產生一氧化碳和氫氣。反應如下：

$$\mathrm{C_{n}H_{2n\:+\:2\:+\:nH_{2}O\:\rightarrow\:nCO\:+\:(2n\:+\:1)H_{2}}$$

$$\mathrm{C_{n}H_{2n\:+\:2}\:+\:2nH_{2}O\rightarrow\:nCO_{2}\:+\:(3n\:+\:1)H_{2}}$$

另一個重要的氫氣生產過程是烴類在高壓下的非催化部分氧化。

$$\mathrm{C_{n}H_{2n\:+\:2}\:+\:(n/2)O_{2}\:\rightarrow\:nCO\:+\:(n\:+\:1)H_{2}}$$

氫氣的用途

以下是氫氣的用途：

• 用於合成氨，製造氮肥和硝酸。

• 用於製造植物油和不飽和人造黃油。

• 用於製造許多有機物質，特別是甲醇。

• 氫氣可用於生產氯化氫，這是一種有用的化學物質。

• 也用於製造金屬混合物。

• 氫氣在冶金過程中有助於將金屬氧化物還原為金屬。氫氣也可作為火箭燃料。

• 氫燃料電池也用於發電。與其他能源相比，它對環境沒有任何負面影響，這是一個優勢。

• 氧氫焰和原子氫焰也用於焊接鐵和鋼材料。

• 汽車工業正在進行大量關於使用氫燃料電池的實驗。

結論

氫氣是一種重要且獨特的元素，用途廣泛。它在電子構型、物理和化學性質方面與鹼金屬和鹵素相似。氫也存在於太陽和恆星的組成中。儘管這種元素的生產存在侷限性，但在自然界中它仍然非常豐富。

常見問題

1. 氫氣的用途是什麼？

氫氣是最重要的元素之一，可用作燃料電池、動力車輛和工業中的燃料發電。

2. 為什麼我們需要了解氫氣的製備？

瞭解氫氣的製備對於生命的存在以及許多其他用途都是必要的。它就像我們日常生活中大多陣列成部分一樣重要。

3. 氫氣的化學名稱是什麼？

化學名稱為氫氣，分子式為H2。原子符號為H，原子序數為1。

4. 氫氣是易燃氣體嗎？

氫氣本身不易燃，但它助燃。有時點火會引發火災。