Нейтроны водорода: Водород — Hydrogen — qaz.wiki

Общие сведения

Название, символ

Дейтерий, ²H

Альтернативные названия

тяжёлый водород, D

Нейтронов

1

Протонов

1

Свойства нуклида

Атомная масса

2,0141017778(4) а. е. м.

Избыток массы

13 135,7216(3) кэВ

Удельная энергия связи (на нуклон)

1 112,283(0) кэВ

Изотопная распространённость

0,0115(70) %

Период полураспада

стабильный

Спин и чётность ядра

1+

№

Элементарные частицы

Единица измерения

Значение

1

Количество протонов

шт.

2

2

Масса протона

кг

1,67262178E-27

3

Масса протонов

кг

3,34524355E-27

4

Количество электронов

шт.

1

5

Масса свободного электрона

кг

9,10938291E-31

6

Масса электронов

кг

9,10938291E-31

7

Масса электронов + протонов

кг

3,34615449E-27

№

Наименование

Единица измерения

Значение

1

Масса дейтерия

а. е.м.

2,014101778

2

Атомная единица массы

кг

1,66053886E-27

3

Масса дейтерия

кг

3,34449E-27

4

Дефицит массы

кг

1,66022024E-30

5

Скорость света

 м / с

2,99792458E+08

6

Энергия связи дейтерия

дж

1,49213154E-13

Классический радиус электрона

2,81793800E-15

№

Наименование

Единица измерения

Значение

1

Заряд протона

Кл

1,60218920E-19

2

Коэффициент k

Н·м²/Кл²

8,98755179E+09

3

Сила без учета расстояния квадрата расстояния

н

2,30711374E-28

4

Радиус электрона

м

2,81793800E-15

5

Потенциальная энергия между протонами

дж

8,18724096E-14

6

Потенциальная энергия между протоном и электроном

дж

1,63744819E-13

7

Суммарное изменеие потенциалов

дж

2,45617229E-13

Водород-1 (протий)

Протий, наиболее распространенный изотоп водорода, состоит из одного протона и одного электрона. Уникальный среди всех стабильных изотопов, он не имеет нейтронов. (см. дипротон для обсуждения того, почему другие не существуют)

¹ H (атомная масса1.007 825 032 241 (94)  Да ) — наиболее распространенный изотоп водорода с содержанием более 99,98%. Поскольку ядро этого изотопа состоит только из одного протона , ему дали формальное название протий .

Распад протона никогда не наблюдался, поэтому водород-1 считается стабильным изотопом. Некоторые теории великого объединения, предложенные в 1970-х годах, предсказывают, что распад протона может происходить с периодом полураспада от 10 ²⁸ до 10 ³⁶ лет. Если это предсказание окажется верным, то водород-1 (и действительно все ядра, которые сейчас считаются стабильными) стабильны только на основании наблюдений . На сегодняшний день эксперименты показали, что минимальный период полураспада протона превышает 10 ³⁴ лет.

Водород-2 (дейтерий)

Атом дейтерия содержит один протон, один нейтрон и один электрон.

² H (атомная масса2,014 101 778 11 (12)  Да ), другой стабильный изотоп водорода, известен как дейтерий и содержит в своем ядре один протон и один нейтрон. Ядро дейтерия называется дейтроном. Дейтерий составляет 0,0026–0,0184% (по численности населения, а не по массе) образцов водорода на Земле, причем меньшее количество обычно обнаруживается в образцах газообразного водорода, а более высокое обогащение (0,015% или 150 частей на миллион) типично для океанской воды. Дейтерий на Земле был обогащен в отношении его начальной концентрации в Большом взрыве и внешней части Солнечной системы (около 27 ppm, по атомной доле) и его концентрации в более старых частях галактики Млечный Путь (около 23 ppm). Предположительно, дифференциальная концентрация дейтерия во внутренней части Солнечной системы связана с более низкой летучестью газа и соединений дейтерия, обогащающих фракции дейтерия в кометах и ​​планетах, подвергшихся значительному воздействию солнечного тепла на протяжении миллиардов лет эволюции Солнечной системы.

Дейтерий не радиоактивен и не представляет значительной опасности токсичности. Вода, обогащенная молекулами, в состав которых входит дейтерий вместо протия, называется тяжелой водой . Дейтерий и его соединения используются в качестве нерадиоактивной метки в химических экспериментах и ​​в растворителях для спектроскопии ¹ H- ЯМР . Тяжелая вода используется в качестве замедлителя нейтронов и теплоносителя в ядерных реакторах. Дейтерий также является потенциальным топливом для коммерческого ядерного синтеза .

Водород-3 (тритий)

Дополнительная информация: тритий

Атом трития содержит один протон, два нейтрона и один электрон.

³ H (атомная масса3.016 049 281 99 (23)  Да ) известен как тритий и содержит в своем ядре один протон и два нейтрона. Он радиоактивен, распадается на гелий-3 в результате β- распада с периодом полураспада 12,32 года. Незначительные количества трития возникают естественным образом из-за взаимодействия космических лучей с атмосферными газами. Тритий также был выделен во время испытаний ядерного оружия . Он используется в оружии термоядерного синтеза, как индикатор в геохимии изотопов и специализируется на осветительных устройствах с автономным питанием .

Наиболее распространенный метод производства трития — бомбардировка естественного изотопа лития, лития-6 , нейтронами в ядерном реакторе .

Когда-то тритий обычно использовался в экспериментах по химической и биологической маркировке в качестве радиоактивной метки , которая в последнее время стала менее распространенной. DT- ядерный синтез использует тритий в качестве основного реагента вместе с дейтерием , высвобождая энергию за счет потери массы, когда два ядра сталкиваются и сливаются при высоких температурах.

Водород-4

⁴ H ( атомная масса равна4.026 43 (11)  Да ) содержит в своем ядре один протон и три нейтрона. Это очень нестабильный изотоп водорода. Он был синтезирован в лаборатории путем бомбардировки трития быстро движущимися ядрами дейтерия . В этом эксперименте ядро ​​трития захватило нейтрон из быстро движущегося ядра дейтерия. Присутствие водорода-4 было установлено путем регистрации испускаемых протонов. Он распадается через испускание нейтронов на водород-3 (тритий) с периодом полураспада около 139 ± 10 мксек (или(1,39 ± 0,10) × 10 ^-22 секунд).

В сатирическом романе 1955 года «Мышь, которая ревела» название « квадиум» было дано изотопу водорода-4, который приводил в действие Q-бомбу , захваченную герцогством Гранд Фенвик у Соединенных Штатов.

Водород-4.1

Водород-4,1 похож на гелий-4, имея 2 протона и 2 нейтрона . Однако один из его электронов заменен мюоном . Поскольку орбиталь мюона находится очень близко к ядру атома , этот мюон можно рассматривать как часть ядра. Атом в целом можно описать так: « Ядро атома состоит из 1 мюона, 2 протонов и 2 нейтронов, с одним электроном снаружи», поэтому его можно рассматривать как один изотоп водорода, а также как экзотический атом . Вес мюона 0,1U ，, поэтому имя атома — Водород-4,1 ( ^4,1 H). Атом водорода-4.1 может реагировать с другими атомами. Он ведет себя как атом водорода, а не благородный атом гелия.

Водород-5

⁵ H — крайне нестабильный изотоп водорода. Ядро состоит из протона и четырех нейтронов. Он был синтезирован в лаборатории путем бомбардировки трития быстро движущимися ядрами трития. В этом эксперименте одно ядро ​​трития захватывает два нейтрона от другого, становясь ядром с одним протоном и четырьмя нейтронами. Оставшийся протон может быть обнаружен, и можно сделать вывод о существовании водорода-5. Он распадается в результате двойного испускания нейтронов на водород-3 (тритий) и имеет период полураспада не менее 910 мкс (9,1 × 10 ^-22 секунды).

Водород-6

⁶ H распадается либо в результате трехкратного испускания нейтронов в водород-3 (тритий), либо в результате четырехкратного испускания нейтронов в водород-2 (дейтерий), и имеет период полураспада 290 мксек (2,9 × 10 ^-22 секунды).

Водород-7

⁷ H состоит из протона и шести нейтронов . Он был впервые синтезирован в 2003 году группой русских, японских и французских ученых в RIKEN «s Радиоактивный изотоп Beam Factory бомбардировкой водорода с гелием 8 атомов. В результате реакции все шесть нейтронов гелия-8 были переданы ядру водорода. Два оставшихся протона были обнаружены телескопом «РИКЕН», устройством, состоящим из нескольких слоев датчиков, расположенным за целью циклотрона RI Beam. Водород-7 имеет период полураспада 23 йоктосекунды (2.3 × 10 ⁻²³  с ).

Цепи распада

Большинство тяжелых изотопов водорода распадаются непосредственно до ³ H, который затем распадается на стабильный изотоп ³ He . Однако иногда наблюдалось , что ⁶ H распадается непосредственно до стабильного ² H.

ЧАС13→12,32 yОн23+е-ЧАС14→139 ysЧАС13+п01ЧАС15→> 910 ysЧАС13+201пЧАС16→290 ysЧАС13+301пЧАС16→290 ysЧАС12+401пЧАС17→23 ysЧАС13+401п{\ displaystyle {\ begin {array} {rcl} \\ {\ ce {^ {3} _ {1} H}} & {\ ce {-> [12. {1} n}}} \\ {} \ end {массив}}}

Время распада для всех изотопов выражено в йокто-секундах, кроме ³ H, которое выражается в годах.

Смотрите также

Ссылки

дальнейшее чтение

Что у атома внутри

Валерия Сирота
«Квантик» №11, 2018

Слово «атом» по-гречески значит ‘неделимый’. Ещё древние греки придумали идею, что всё на свете, как из кирпичиков, сложено из крошечных «кусочков» — атомов. Но это было лишь одно из возможных предположений. Что это за кусочки и существуют ли они, никто не знал до XIX века, когда химики разобрались, что такое молекула, и составили список видов атомов — таблицу химических элементов.

А в самом конце XIX века вдруг выяснилось, что атом вовсе не неделимый! Он состоит из крошечного тяжёлого ядра и очень лёгких электронов, крутящихся вокруг. Потом оказалось, что и ядро можно разделить на части (хотя и очень трудно!): оно состоит из двух очень похожих видов частиц — протонов и нейтронов. Их массы почти равны, а у электрона масса почти в 2000 раз меньше (соотношение примерно как между человеком и мышкой).

Главное различие между этими частицами в том, что протоны притягивают электроны (и сами к ним притягиваются). А два протона (или два электрона) отталкиваются друг от друга с такой же силой. Эти силы называются электрическими. Нейтроны же вовсе не притягивают электроны, да и между собой и с протонами хоть и взаимодействуют, но совсем по-другому (про это мы скажем чуть ниже): в электрическом взаимодействии они не участвуют.

Договорились считать, что у протонов положительный электрический заряд, у электронов — отрицательный. А у нейтронов электрический заряд — ноль. Получается правило: одинаковые по знаку заряды отталкиваются, заряды разного знака — притягиваются.

Не путайте электрическую силу с гравитационным притяжением! В самом деле, все тела, имеющие массу, притягивают друг друга. Но эта сила крошечная даже для таких «средне-тяжёлых» тел, как, например, мы с вами. Большая она только тогда, когда одно из тел очень тяжёлое — звезда, планета или хотя бы астероид. А сила гравитационного притяжения протонов (и тем более протона и электрона) ничтожна.

Электрическая сила, напротив, очень велика: если бы можно было закрепить в каком-то месте протон (и воздух, конечно, убрать), а в трёх сантиметрах над ним поместить другой протон, то второй протон не упал бы вниз, а полетел бы вверх — отталкивание одного протона сильнее гравитационного притяжения всей Земли!

Обычно вещи вокруг нас не имеют электрического заряда — в них столько же электронов, сколько и протонов. Но от некоторых атомов электроны довольно легко отрываются. И вот если отодрать от атомов одного предмета тысячу или миллион-другой электронов и «прицепить» к атомам другого предмета, эти два предмета окажутся заряжены: один — положительно (в нём протонов больше, чем электронов), а другой — отрицательно (в нём лишние электроны). А ведь тысяча протонов, если они рядом, притягивают каждый электрон в тысячу раз сильнее, чем один протон. И начнут эти два предмета притягиваться друг к другу… Случалось вам видеть что-нибудь похожее? Например, когда вы старательно причёсываетесь пластмассовой расчёской, а волосы сами собой поднимаются ей навстречу?

И ещё. В отличие от, например, животных одного вида, которые всё-таки немножко отличаются друг от друга, все протоны (или все нейтроны, или электроны) совершенно одинаковы. Так что, например, электрон, «потерявший» свой атом, уже не сможет найти его среди других таких же…

О водороде | Гидрополь

Изотопы водорода

Водород [1] (водород, udwr = вода, gennein = происхождение, родить) является первым элементом в периодической таблице элементов, имеющих атомный номер 1 и электронную конфигурацию 1s1. Водород был получен за много лет до того, как Кавендиш в 1766 году признал его отдельным веществом и назвал его Лавуазье. Водород — самый распространенный из всех элементов во Вселенной, и считается, что более тяжелые элементы создавались и продолжают строиться из водорода и гелия. Было подсчитано, что водород составляет более 90% всех атомов или 75% массы Вселенной. Он содержится в Солнце и большинстве звезд и играет важную роль в протон-протонной реакции и углеродно-азотном цикле, который составляет энергию Солнца и звезд. Считается, что водород является основным компонентом планеты Юпитер и что на некоторой глубине внутри планеты давление настолько велико, что твердый молекулярный водород превращается в твердый металлический водород.

Обычный изотоп водорода Н, известный как протий [2], имеет атомную массу 1,0078 (1 протон и 1 электрон). В 1932 году Юри [3] объявил о получении стабильного изотопа дейтерия (D) с атомным весом 2,0140 (1 протон и 1 нейтрон, 1 электрон). Двумя годами позже [4] был открыт нестабильный изотоп тритий (T) с атомной массой 3,0161 (1 протон, 2 нейтрона, 1 электрон). Период полураспада трития составляет 12,5 лет [5]. Дейтерий содержится в 0,017% всех изотопов водорода.Атомы трития также составляют 10 ^-18 % всех изотопов водорода в результате естественных процессов в атмосфере, а также выпадений в результате прошлых испытаний ядерного оружия в атмосфере и работы ядерных реакторов и заводов по переработке топлива.

Рис. Схематическое изображение водорода или протия (H), дейтерия (D) и трития (T)

№ CAS	1H [12 385-13-6]	2Д [16873-17-9]	3 т [15086-10-9]
атомная масса [u]	1.007825	2,0140	3,01605
естественная численность [%]	99,985	0,015	»10 -18
период полураспада [а]			12,26 б 0,01861 МэВ
энергия ионизации [эВ]	13,5989	13.6025	13.6038
Сечение захвата тепловых нейтронов [10 -24 см 2 ]	0. 322	0,51 · 10 -3	<6 · 10 -6
ядерный спин [h / 2p]	+ ½	+1	+ ½
ядерный магнитный момент, ядерные магнетоны [мкН]	+2.79285	+0,85744	2,97 896

Табл. Атомные данные изотопов водорода.

Атомный радиус свободного атома водорода в основном состоянии, радиус Бора a ₀ = h ² / (p ² · e ² · m) = 0.529Å, а ковалентный атомный радиус водорода в кристаллических структурах составляет от 30 до 35 пм.

Молекула водорода

Изотопы H, D и T образуют двухатомные молекулы. Потенциальная энергия взаимодействия двух атомов водорода проходит через минимум на определенном межатомном расстоянии, когда два электрона образуют синглетное состояние ¹ S _g ⁺ , а именно состояние с нулевым полным спином электрона (комбинация двух электронов с противоположным спином). Энергия трипплетного состояния ³ S _u ⁺ , имеющего общий электронный спин, равный единице, увеличивается, когда два атома водорода с параллельным спином приближаются друг к другу. Атомы водорода противоположного спина существуют в равных количествах и легко объединяются в пары, образуя молекулы в синглетном состоянии. Образование молекул можно подавить, приложив сильное магнитное поле к атомарному газу водорода.

Рис. Синглетное состояние демонстрирует минимум потенциальной энергии взаимодействия для протон-протонного разделения, равного 0.74611 Å. Энергия связи составляет 4,52 эВ, т.е. 2,26 эВ на атом H (218,1 кДж · моль-1H) для разделения связи H-H.

Квантовая механика требует, чтобы волновая функция молекулы была антисимметричной относительно перестановки пространственных координат двух фермионов (спин = 1/2) и симметричной относительно перестановки бозонов (спин = 1). Таким образом, волновая функция молекулы H ₂ (T ₂ ) должна быть антисимметричной при замене двух протонов (тритонов), а D ₂ — симметричной при замене двух дейтронов. Всего существует (2I + 1) 2 комбинации ядерных спиновых состояний для двух идентичных ядер со спином I, из которых (2I + 1) (I + 1) состояния симметричны, а (2I + 1) I — антисимметричны.

Исследование применяет нейтроны для изучения переноса водорода в биологических системах

В результате инновационного сотрудничества ученых Лос-Аламосской национальной лаборатории, онкологического центра Фокса Чейза и Университета Теннесси дифракция нейтронов была успешно применена для создания трехмерной карты структуры фермента D-ксилозоизомеразы.Это модельная система для понимания других белков, участвующих в биологических процессах.

Новое исследование, впервые обнаружившее активные атомы водорода фермента, будет опубликовано в Интернете с 15 по 19 мая в раннем выпуске Proceedings of the National Academy of Sciences , а также в июньском выпуске журнала. .

Атомы водорода являются рабочими лошадками фермента, осуществляя химические реакции, которым он способствует, например, преобразование глюкозы во фруктозу для производства кукурузного сиропа с высоким содержанием фруктозы, широко используемого для подслащивания газированных напитков и других коммерческих продуктов.

Поиск атомов водорода показывает, как молекулы воды (H ₂ O) связаны в белке. То, как вода взаимодействует, влияет на функцию белка.

Работа в лаборатории Fox Chase Дженни П. Глускер, доктор философии, впервые раскрыла структуру D-ксилозоизомеразы в 1984 году с помощью рентгеновской кристаллографии.

«Однако этот метод плохо справляется с обнаружением атомов водорода, которые составляют примерно половину всех атомов в белке», — объяснила Эми К. Кац, приглашенный научный сотрудник Fox Chase из Университета Теннесси в Ноксвилле и ведущий автор. нового отчета вместе с Джерардом Дж.Буник, доктор философии из Университета Теннесси.

«Теперь, используя единственный в мире источник нейтронов расщепления, оборудованный для исследований дифракции белков, базирующийся в Лос-Аламосской национальной лаборатории, стало возможным определять местонахождение атомов водорода в активных центрах кристаллов D-ксилозоизомеразы», ​​- сказал Кац. «Это исследование демонстрирует потенциал для обнаружения и понимания процессов переноса атома водорода в больших биологических системах, что может привести к созданию улучшенных и более целенаправленных лекарств.«

Рентгеновские лучи против нейтронов

Рентгеновская кристаллография, самый давно используемый метод определения молекулярной структуры, бомбардирует кристаллизованные молекулы рентгеновскими лучами, которые рассеиваются — дифрагируют — для создания структур, которые фиксируются на пленке или в электронном виде. Данные и трехмерная компьютерная графика позволяют исследователям изучать возможные молекулярные модели.

Нейтроны — незаряженные субатомные частицы — еще один инструмент для исследования биологических структур, дополняющий дифракцию рентгеновских лучей и другие микроскопические исследования.Однако, в отличие от рентгеновских лучей, рассеяние нейтронов может одинаково хорошо обнаруживать тяжелые и легкие элементы и даже определять колебания атомов, а также их положение.

Ускоритель генерирует нейтроны, направляя интенсивный пучок частиц, обычно протонов, в мишень из тяжелых атомов. Это выбивает нейтроны из ядер мишени, и этот процесс называется расщеплением. Результирующий нейтронный импульс может быть направлен на множество экспериментальных станций.

«Будущее структурной биологии находится в источниках скалывания», — сказал соавтор исследования Бенно П.Шенборн, доктор философии, из центра Лос-Аламоса, штат Нью-Мексико, когда он открыл свою станцию ​​кристаллографии белков в Центре нейтронных исследований Лос-Аламоса в 1997 году.

Источник: Онкологический центр Fox Chase.

Обнаружены флуктуации плотности аморфного кремния

Цитата :
Исследование применяет нейтроны для изучения переноса водорода в биологических системах (2006, 16 мая)
получено 13 ноября 2020
с https: // физ.org / news / 2006-05-нейтроны-водород-биологический.html

Этот документ защищен авторским правом. За исключением честных сделок с целью частного изучения или исследования, нет
часть может быть воспроизведена без письменного разрешения. Контент предоставляется только в информационных целях.

Нейтронная томография слоя хранения водорода

Хотя существует множество методов для измерения среднего объемного поглощения водорода, на сегодняшний день не существует метода, который мог бы измерить полное трехмерное распределение водорода в резервуаре для хранения.Чтобы устранить этот недостаток, прототип резервуара для хранения водорода был исследован с помощью нейтронной томографии и радиографии.

Слой металлогидрида прототипа состоял из пористой алюминиевой пены на ≈90%, заполненной порошком LaNi _4,78 Sn _0,22 . Пена обеспечивала структурную целостность и увеличивала теплопроводность системы. Нагревательный стержень с четырьмя витками проходил по длине слоя и контактировал с алюминиевой пеной, нагревая гидрид металла во время десорбции водорода.Газообразный водород вводили в слой и удаляли из него через полую трубку фильтра из нержавеющей стали в центре. Один из аспектов этого исследования включал получение двух томограмм слоя хранения водорода: первая была после того, как слой был нагрет до 100 ° C и откачан до давления ниже 10 ^-6 мбар; второй — после того, как в слой залили около 12 стандартных литров водорода. На рис. 1 показаны срезы 3-D изображения слоя хранения водорода после добавления 12 стандартных литров H ₂ .Красный цвет указывает на более высокую концентрацию водорода, черный — на отсутствие водорода. (а) Срезы по длине платформы для хранения, (б) — (г) аксиальные срезы из мест, обозначенных в (а). Поглощение водорода — экзотермический процесс, и поглощение водорода уменьшается с повышением температуры. Вот почему видно, что водород преимущественно абсорбируется вдоль внешней окружности на (а) и накапливается к концу накопительного слоя. Это результат поглощения водорода LaNi _4,78 Sn _0.22 является экзотермическим в сочетании с пониженным поглощением водорода при более высоких температурах. С помощью нейтронной визуализации можно получить точную картину распределения водорода в слое-хранилище и сравнить его с моделями тепломассопереноса, чтобы оптимизировать хранение и транспортировку водорода в слое.

Водород по сравнению с другими видами топлива

Подобно бензину или природному газу, водород является топливом, с которым необходимо обращаться должным образом. При соблюдении простых правил его можно использовать так же безопасно, как и другие обычные виды топлива.

Издано Министерством энергетики США, Книга данных по водороду. предоставляет полезные данные о свойствах водорода, в том числе:

• Химические характеристики водорода (например, плотность, диапазон воспламеняемости, характеристики точки кипения, теплотворная способность)
• Сравнение характеристик водорода и многих других топлив.

Гистограммы, представленные в следующих разделах, сравнивают некоторые ключевые свойства водорода со свойствами нескольких обычно используемых видов топлива — природного газа, пропана и паров бензина.

Газообразный водород

Водород не имеет цвета, запаха, вкуса, нетоксичен и не ядовит. Он также не вызывает коррозии, но может охрупчивать некоторые металлы. Водород — самый легкий и мельчайший элемент, и в атмосферных условиях он представляет собой газ.

Природный газ и пропан также не имеют запаха, но промышленность добавляет серосодержащий одорант, чтобы люди могли их обнаружить. В настоящее время одоранты не используются с водородом, потому что не существует известных одорантов, достаточно легких, чтобы «путешествовать» с водородом с той же скоростью рассеивания.Современные одоранты также загрязняют топливные элементы, которые являются важным применением водорода.

Водород примерно в 57 раз легче паров бензина (как показано на Рисунке 1) и в 14 раз легче воздуха. Это означает, что если он выпущен в открытую среду, он обычно быстро поднимается и рассеивается. Это преимущество безопасности во внешней среде.

Рисунок 1. Относительная плотность пара

Водород — это очень маленькая молекула с низкой вязкостью, поэтому она подвержена утечкам.В замкнутом пространстве протекающий водород может накапливаться и достигать огнеопасной концентрации. Любой газ, кроме кислорода, является удушающим в достаточной концентрации. В закрытой среде утечки любого размера вызывают беспокойство, поскольку водород невозможно обнаружить человеческими органами чувств и он может воспламениться в широком диапазоне концентраций в воздухе, как обсуждается в следующем разделе. Правильная вентиляция и использование датчиков обнаружения могут снизить эти опасности.

Водород имеет высокое содержание энергии по массе, но не по объему, что представляет особую проблему для хранения.Чтобы хранить достаточное количество газообразного водорода, его сжимают и хранят при высоком давлении. В целях безопасности резервуары с водородом оснащены устройствами сброса давления, которые предотвращают чрезмерное повышение давления в резервуарах.

Сжигание водорода

Температура самовоспламенения вещества — это самая низкая температура, при которой оно самовоспламеняется без наличия пламени или искры. Температуры самовоспламенения водорода и природного газа очень похожи.Оба имеют температуру самовоспламенения более 1000 ° F, что намного выше, чем температура самовоспламенения паров бензина, как показано на Рисунке 2.

Рисунок 2. Температура самовоспламенения.

Диапазон воспламеняемости водорода (от 4% до 75% в воздухе) очень широк по сравнению с другими видами топлива, как показано на рисунке 3. При оптимальных условиях сгорания (объемное соотношение водорода и воздуха 29%) энергия, необходимая для инициировать горение водорода намного ниже, чем требуется для других обычных видов топлива (например,g., небольшая искра воспламенит его), как показано на рисунке 4. Но при низких концентрациях водорода в воздухе энергия, необходимая для начала горения, аналогична энергии других видов топлива.

Рисунок 3. Диапазон воспламеняемости

Рисунок 4. Минимальная энергия зажигания

Водород горит бледно-голубым пламенем, которое почти не видно при дневном свете, поэтому его почти невозможно обнаружить человеческими чувствами (см. Видео о характеристиках водородного пламени в разделе «Подтверждающие примеры» в правом столбце этой страницы).Примеси, такие как натрий из океанического воздуха или других горючих материалов, придают цвет водородному пламени. Датчики обнаружения почти всегда устанавливаются с водородными системами, чтобы быстро идентифицировать любую утечку и минимизировать возможность необнаруженного пламени. По сравнению с пламенем пропана (справа) на Рисунке 5, водородное пламя (слева) почти не видно, но его можно увидеть с помощью тепловизионной камеры, показанной на переднем плане. Ночью видно водородное пламя, как показано на Рисунке 6.

Кроме того, водородное пламя излучает небольшое количество инфракрасного (ИК) тепла, но значительное ультрафиолетовое (УФ) излучение.Это означает, что когда кто-то находится очень близко к водородному пламени, ощущение тепла мало, что делает случайный контакт с пламенем серьезной проблемой. Передержка ультрафиолета также вызывает опасения, поскольку может вызвать эффекты, похожие на солнечный ожог.

Если большое облако водорода вступает в контакт с источником воспламенения, воспламенение приведет к тому, что пламя вернется к источнику водорода. В открытых пространствах без ограничений пламя будет распространяться через горючее водородно-воздушное облако со скоростью несколько метров в секунду и даже быстрее, если температура облака выше температуры окружающей среды.В результате происходит быстрое выделение тепла, но небольшое избыточное давление, а продуктом сгорания является пар. Следует отметить, что сгорание водорода происходит быстрее, чем сгорание других видов топлива. Облако водорода сгорит за секунды, и вся энергия облака будет высвобождена.

Однако, если смеси газообразного водорода попадают в замкнутые пространства, очень вероятно возгорание, которое может привести к ускорению пламени и возникновению высокого давления, способного взорвать здания и бросить шрапнель.Легковоспламеняющиеся смеси водорода в замкнутых пространствах, таких как трубы или воздуховоды, в случае воспламенения легко вызовут ускоренное пламя и условия, которые могут привести к переходу к детонации. Детонация не происходит в неограниченных водородно-воздушных смесях без сильных ударных волн (т. Е. Взрывчатых веществ).

Утечка в системе хранения водорода под давлением (> 200 фунтов на кв. Дюйм) приведет к образованию струи, которая может распространяться на несколько метров. В случае воспламенения струйное пламя может серьезно повредить все, что встретится.

Расширение жидкого водорода

Жидкий водород имеет другие характеристики и другие потенциальные опасности, чем газообразный водород, поэтому для обеспечения безопасности используются другие меры контроля. В жидком виде водород хранится при -423 ° F, температуре, которая может вызвать криогенные ожоги или повреждение легких. Датчики обнаружения и средства индивидуальной защиты имеют решающее значение при работе с потенциальной утечкой или разливом жидкого водорода.

Объемное отношение жидкости к газу составляет приблизительно 1: 850.Итак, если вы представите себе галлон жидкого водорода, то такое же количество водорода, существующего в виде газа, теоретически займет около 850 галлонов контейнеров (без сжатия). Водород претерпевает быстрое фазовое превращение из жидкости в газ, поэтому для обеспечения безопасности в водородные системы встроены устройства вентиляции и сброса давления.

Жидкий водород также бесцветен. Он очень холодный и сохраняется только при хранении в криогенном хранилище. Хранение обычно находится под давлением до 150 фунтов на квадратный дюйм.При попадании на поверхности с температурой окружающей среды жидкий водород быстро закипит, а его пары будут быстро расширяться, увеличиваясь в 848 раз в объеме при нагревании до комнатной температуры. Если жидкий водород ограничен (например, между клапанами, закрывающими часть трубы) и оставлен нагреваться без сброса давления, давление приближается к

Замедлитель нейтронов — Energy Education

Замедлитель нейтронов — это тип материала в ядерном реакторе которые работают, чтобы замедлить быстрые нейтроны (произведенные расщеплением атомов в делящихся соединениях, таких как уран-235), чтобы сделать их более эффективными в цепной реакции деления.Это замедление или замедление нейтронов позволяет им легче поглощаться делящимися ядрами, вызывая больше событий деления (см. Рисунок 1).

Материалы, используемые для модерации, должны иметь очень определенный набор свойств. Во-первых, замедлитель не может сам поглощать нейтроны. Это означает, что замедлитель должен иметь низкое сечение поглощения нейтронов . Однако замедлитель должен замедлять нейтроны до приемлемой скорости. Таким образом, в идеальном замедлителе сечение рассеяния нейтронов велико. ^[1] Это рассеяние нейтронов является мерой того, насколько вероятно, что нейтрон будет взаимодействовать с атомом замедлителя. Если столкновения между нейтронами и ядрами являются упругими, это означает, что чем ближе по размеру ядро ​​атома к нейтрону, тем больше будет замедляться нейтрон. По этой причине более легкие элементы, как правило, являются более эффективными модераторами. ^[1] В таблице ниже показано, что обычные замедлители имеют низкое сечение поглощения нейтронов, но сравнительно большое сечение рассеяния нейтронов.

Рисунок 1. Когда медленный нейтрон сталкивается с делящимся материалом, таким как уран-235, он производит быстрые нейтроны. Затем замедлитель замедлит эти быстрые нейтроны и произведет больше медленных нейтронов для продолжения ядерной цепной реакции. Когда этот процесс повторяется, количество событий расщепления удваивается каждый раз. ^[2]

Типы замедляющих материалов

Существует несколько различных типов замедляющих материалов, и у каждого есть места, где они используются более эффективно. Обычно используемые замедлители включают тяжелую воду, легкую воду и графит. Ниже сравниваются относительные свойства этих материалов.Модераторы различаются по своим модерационным способностям, а также по стоимости.

Легкая вода

Легкая вода (не отличная от обычной воды) используется во многих реакторах, поскольку она содержит большое количество водорода. Водород хорошо работает как замедлитель нейтронов, потому что его масса почти идентична массе нейтрона. Это означает, что одно столкновение значительно снизит скорость нейтрона из-за законов сохранения энергии и импульса. ^[1] Кроме того, легкая вода в изобилии и довольно недорогая.Одним из недостатков является то, что водород имеет относительно высокое сечение поглощения нейтронов из-за его способности образовывать дейтерий. Таким образом, легкая вода может использоваться только в качестве замедлителя вместе с обогащенным топливом. Реакторы, использующие легкую воду, известны как легководные реакторы и включают реактор с водой под давлением (PWR), реактор с кипящей водой (BWR) и реактор со сверхкритическим водяным охлаждением (SCWR).

Тяжелая вода

Тяжелая вода используется в реакторах, потому что ее преимущества аналогичны легкой воде, но, поскольку она содержит атомы дейтерия, ее сечение поглощения нейтронов намного ниже. ^[1] Основным недостатком использования тяжелой воды является ее высокая стоимость производства, так как она производится с использованием процесса Girder-Sulfide. Реакторы, в которых используется тяжелая вода, включают конструкции CANDU и реакторы с тяжелой водой под давлением.

Графит

Graphite был популярным модератором в прошлом, однако один недостаток заключается в том, что он должен быть чрезвычайно чистым, чтобы быть эффективным. Однако графит может быть изготовлен искусственно с использованием борных электродов, поскольку бор является очень хорошим поглотителем нейтронов — небольшое загрязнение сделает графит неэффективным замедлителем. ^[1] Одно из преимуществ графита заключается в том, что даже при высокой чистоте, необходимой для хорошей работы графита, он доступен по довольно низкой цене. ^[4] Кроме того, графит является хорошим замедлителем, поскольку он термически стабилен и хорошо проводит тепло. Однако при высоких температурах графит может реагировать с кислородом и диоксидом углерода в реакторе, и это снижает его эффективность. Другой потенциальной проблемой использования графита в качестве замедлителя является его способность окисляться в присутствии воздуха, а также его низкая прочность и плотность, которые могут привести к изменению размеров в реакторе. ^[4]

Реакторы, в которых используется графитовый замедлитель, включают РБМК, реакторы с галечным слоем и магнокс-реактор.

Альтернативы

Ядерные реакторы могут быть тепловыми или быстрыми . В настоящее время почти все действующие реакторы являются тепловыми и, следовательно, требуют замедлителя для замедления быстрых нейтронов до теплового уровня, чтобы ядерное деление могло продолжаться. ^[5] Однако в быстрых реакторах замедлитель не нужен, и нейтроны внутри него движутся намного быстрее.Реакторы на быстрых нейтронах полезны, поскольку они повышают устойчивость ядерной энергетики. Это связано с тем, что они способны получать больше нейтронов из своего топлива, могут преобразовывать ядерные отходы в продукты, которые быстрее распадаются, и лучше реагируют на потенциально катастрофические отказы оборудования. Однако они более дорогие и довольно легко могут перегреться. ^[5]

Для дальнейшего чтения

Список литературы

Азот

Химический элемент азот относится к газам и неметаллам.Он был открыт в 1772 году Дэниелом Резерфордом и независимо Карлом Шееле.

Зона данных

Показать больше, в том числе: температуры, энергии, окисление,
реакции, соединения, радиусы, проводимости

Изображение НАСА. Азотные гейзеры Тритона выталкивают черные частицы на много миль над поверхностью. Они обдуваются ветрами на Тритоне и образуют черные отложения на поверхности спутника. (См. «Факты» ниже.)

Кислород удаляется из воздуха путем сжигания фосфора, в результате чего концентрация азота намного выше.

Жидкий азот конденсирует водяной пар из окружающего воздуха. НАСА.

Азотный цикл. Нажмите здесь для увеличения изображения. (Предоставлено Агентством по охране окружающей среды)

Открытие азота

Доктор Дуг Стюарт

В 1674 году английский врач Джон Мэйоу продемонстрировал, что воздух — это не один элемент, он состоит из разных веществ. Он сделал это, показав, что горючая только часть воздуха. По большей части это не так. ⁽¹⁾

Спустя почти столетие шотландский химик Джозеф Блэк провел более детальную работу с воздухом.После удаления кислорода и углекислого газа часть воздуха осталась.

Black использовал сжигание фосфора в качестве последнего шага при удалении кислорода. (Горящий фосфор имеет очень высокое сродство к кислороду и эффективно удаляет его полностью.) Затем Блэк поручил дальнейшее изучение газов в воздухе своему докторанту Дэниелу Резерфорду. ⁽²⁾

Резерфорд, основанный на работе Блэка, в несколько этапов тщательно удалил кислород и углекислый газ из воздуха. Он показал, что, как и углекислый газ, остаточный газ не может поддерживать горение или живые организмы.Однако, в отличие от углекислого газа, азот не растворялся в воде и растворах щелочей. Резерфорд сообщил о своем открытии в 1772 году «ядовитого воздуха», который мы теперь называем азотом. ⁽³⁾

Шведский фармацевт Карл Шееле независимо открыл азот, назвав его отработанным воздухом.

Шееле поглощал кислород разными способами, в том числе с помощью смеси серы и железных опилок и сжигания фосфора. После удаления кислорода он сообщил об остаточном газе, который не поддерживает горение и имеет от двух третей до трех четвертей объема исходного воздуха.Шееле опубликовал свои результаты в 1777 году, хотя считается, что работа была проведена в 1772 году. ⁽⁴⁾

Хотя Резерфорду и Шееле теперь совместно приписывают открытие азота, похоже, что оно было открыто ранее Генри Кавендишем, но не опубликовано.

До 1772 года (точная дата неизвестна — Пристли ссылается на это в своей работе «Эксперименты и наблюдения, сделанные в 1772 году и до него») Кавендиш писал Джозефу Пристли, описывая «выжженный воздух».

«Обожженный воздух» был приготовлен путем многократного пропускания воздуха над раскаленным углем (удаление кислорода) и затем барботирования оставшегося газа через раствор едкого калия (гидроксида калия), который удалял бы диоксид углерода.

Кавендиш писал: «Было обнаружено, что удельный вес этого воздуха очень мало отличается от удельного веса обычного воздуха; из двух он казался немного легче. Он гасил пламя и делал обычный воздух непригодным для того, чтобы заставить тела гореть так же, как и неподвижный воздух, но в меньшей степени, как свеча, которая горела около 80 дюймов в чистом обычном воздухе и которая немедленно гасла в обычном воздухе, смешанном с 6/55 неподвижного воздуха, сожженного примерно на 26 дюймов в обычном воздухе, смешанном с той же частью этого сгоревшего воздуха.” ⁽⁵⁾

В 1790 году французский химик Жан-Антуан-Клод Шапталь назвал элемент «азот» после того, как эксперименты показали, что он входит в состав селитры, как тогда называли нитрат калия.

Интересные факты об азоте

• Около 2,5% веса живых организмов составляет азот в органических молекулах.
• Многие молекулы жизни содержат азот. Это четвертый по содержанию элемент в организме человека.
• Азотсодержащий нитроглицерин может использоваться для облегчения стенокардии, опасного для жизни сердечного заболевания.
• Спутник Нептуна Тритон имеет азотные гейзеры высотой пять миль.
  Как и Земля, атмосфера Тритона состоит в основном из азота, но Тритон настолько холоден, что азот находится на поверхности в виде твердого твердого вещества. Твердый азот позволяет слабому свету, исходящему от солнца, проходить через него. Темные примеси в азотном льду или в более темных породах подо льдом слегка нагреваются на солнечном свете, таяя и испаряя твердый азот, который в конечном итоге прорывается через твердый азот в виде гейзеров, которые выталкивают частицы льда на расстояние от одного до пяти миль над мерзлой поверхностью Тритона.
• Азот — седьмой по содержанию элемент во Вселенной.
• В 1919 году мир впервые узнал, что атомные ядра могут распадаться. Эрнест Резерфорд сообщил, что он бомбардировал азот альфа-частицами (ядрами гелия) и обнаружил, что образуется водород. (Дальнейшие исследования Патрика Блэкетта показали, что альфа-частицы превратили азот-14 в кислород-17 плюс водород.)
• Азот Вселенной был создан и создается в результате цикла CNO в звездах тяжелее нашего Солнца.(См. Изображение ниже)

Азот и цикл CNO

Когда родилось первое поколение звезд во Вселенной, они содержали только элементы, образовавшиеся в результате Большого взрыва: водород, гелий и небольшое количество лития.

Когда эти звезды горели, они синтезировали более тяжелые элементы, такие как углерод. Затем сверхновые звезды распространяют более тяжелые элементы в галактики, где родилось больше звезд.

Углерод сверхновых играет решающую роль в горении многих звезд второго и более высоких поколений.В звездах, масса которых примерно в 1,1 — 1,5 раза больше массы нашего Солнца, углерод-12 катализирует синтез водорода с гелием, то есть углерод-12 принимает участие в реакции синтеза, но не потребляется ею.

Как вы можете видеть слева, углерод-12 регенерируется в конце каждого цикла, в результате чего четыре ядра водорода потребляются и образуется одно ядро ​​гелия. Эта реакция называется циклом CNO.

Со временем каждое ядро ​​углерода-12 может принимать участие в очень большом количестве циклов.Часть азота, полученная во время цикла CNO, ускользает от дальнейшей реакции. В конце жизни звезды этот азот может попасть в галактику. В нашей солнечной системе азот звезды, которая умерла миллиарды лет назад, стал важным элементом белков и ДНК и сформировал около 80 процентов атмосферы нашей планеты.

Что жидкий азот сделает с воздушным шаром?

Полициклический ароматический углеводород с азотом.Синие шары — это атомы углерода, а желтые шары — атомы водорода. Красный шар показывает положение атома азота, который почти идеально вписывается в молекулу. Эта молекула была обнаружена в спиральной галактике M81, примерно в 12 миллионах световых лет от Земли. (Изображение: НАСА)

Внешний вид и характеристики

Вредные воздействия:

Азот не токсичен при нормальных условиях.

Прямой контакт кожи с жидким азотом вызывает сильное обморожение.

Декомпрессия у дайверов или космонавтов может вызвать «изгибы» — потенциально фатальное состояние, когда в кровотоке образуются пузырьки азота.

Характеристики:

Азот — это двухатомный газ без цвета, запаха и вкуса, обычно инертный при стандартной температуре и давлении.

При атмосферном давлении азот жидкий при температуре от 63 К до 77 К.

Жидкости с более низкой температурой значительно дороже, чем жидкий азот.

Использование азота

Азот используется для производства аммиака (процесс Габера) и удобрений, жизненно важных для современных методов производства продуктов питания. Он также используется для производства азотной кислоты (процесс Оствальда).

При повышенном нефтеотдаче азот высокого давления используется для вытеснения сырой нефти, которая в противном случае не могла бы быть извлечена из нефтяных скважин. Инертные свойства азота находят применение в химической и нефтяной промышленности для покрытия резервуаров для хранения инертным слоем газа.

В качестве хладагента используется жидкий азот.Сверхпроводники для практических технологий в идеале не должны иметь электрического сопротивления при температурах выше 63 К, поскольку эта температура достижима относительно дешево с использованием жидкого азота. Более низкие температуры имеют гораздо более высокую цену.

Хотя элементарный азот не очень реакционноспособен, многие соединения азота нестабильны.

Во время сварки в стали естественным образом образуются оксиды, которые ослабляют сварной шов. Азот можно использовать для исключения кислорода во время сварки, что позволяет улучшить сварные швы.

В естественном мире круговорот азота имеет решающее значение для живых организмов. Азот забирается из атмосферы и превращается в нитраты во время грозы и азотфиксирующих бактерий. Нитраты удобряют рост растений, где азот связывается с аминокислотами, ДНК и белками. Затем его могут съесть животные. В конце концов азот от растений и животных возвращается в почву и атмосферу, и цикл повторяется.

Численность и изотопы

Изобилие земной коры: 19 частей на миллион по весу, 28 частей на миллион по молям

Солнечная система изобилия: 1000 частей на миллион по весу, 90 частей на миллион по молям

Стоимость, чистая: 0 $.4 на 100 г

Стоимость, оптом: $ за 100 г

Источник: В промышленных масштабах азот получают из жидкого воздуха путем фракционной перегонки. Атмосфера Земли содержит около 4 квадриллионов тонн (4 x 10 ¹⁵ ) азота.

Изотопы: Азот имеет 12 изотопов с известными периодами полураспада с массовыми числами от 11 до 19. Встречающийся в природе азот представляет собой смесь двух изотопов, ¹⁴ N и ¹⁵ N с естественным содержанием 99,6% и 0,4% соответственно. .

Список литературы

1. Александр Финдли, Химия на службе у человека, (2007) стр. 46. Финдли Пресс.
2. Аарон Джон Идэ, Развитие современной химии. (2007) стр. Dover Publications.
3. Джонатан Шектман, Новаторские научные эксперименты, изобретения и открытия 18 века, (2003) стр. 78. Издательская группа «Гринвуд».
4. Ида Фройнд, Экспериментальные основы химии — предложения по серии экспериментов, иллюстрирующих фундаментальные принципы химии., (2007) стр.145. Caffin Press.
5. Джордж Уилсон, Жизнь Генри Кавендиша. (1851) стр. 28. Общество Кавендиша. (pdf — большой скачать 31 МБ).
6. Ройстон М. Робертс, Serendipity, Случайные открытия в науке. (1989) p89. Джон Уайли и сыновья.

Цитируйте эту страницу

Для онлайн-ссылки скопируйте и вставьте одно из следующего:

  Азот 
 

или

  Факты об элементах азота 
 

Чтобы процитировать эту страницу в академическом документе, используйте следующую ссылку, соответствующую требованиям MLA:

 «Азот». Chemicool Periodic Table. Chemicool.com. 8 октября 2012 г. Интернет.
 
 
alexxlab
  Посмотреть все записи автора alexxlab → 
Вам также может понравиться
  
  Чем заменить канифоль: Страница не найдена — Svaring 
24.06.202129.05.2021
  
  Счетчик 3 фазный: Трехфазные электросчетчики | Счетчики электроэнергии трехфазные 380В 
24.08.202104.06.2021
  
  Давление в системе си имеет размерность: Давление в системе Си имеет размерность: 
01.12.201906.03.2021
Добавить комментарий Отменить ответ
Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *
Комментарий *
Имя * 
Email * 
Сайт