Физико-химические свойства гидрата водорода
Гидрат водорода
Газово-водный клатрат, в котором молекулярный водород заключён внутри кристаллической водной решётки, актуален для исследований и разработок, а также тестирования материалов, где оцениваются взаимодействия газ–твердое вещество.
| Номер CAS | Не указан для данной записи |
| Семейство | Газовые гидраты (клатраты) |
| Типичная форма | Порошок или кристаллическое твёрдое вещество (клатрат) |
| Распространённые фармакопейные стандарты | EP |
Гидрат водорода представляет собой молекулярное ассоциирование между молекулярным водородом и водой, характеризующееся стохиометрической формулой \(\ce{H4O}\). Структурно его лучше всего описать как физическую смесь (или клатратоподобное ассоциирование при определённых условиях) молекулы дигидрогена \(\ce{H2}\) и воды \(\ce{H2O}\). Электронная структура определяется закрытым оболочечным, неполярным гостем \(\ce{H2}\) и полярной водородной сетью хозяина воды; эта комбинация приводит к смешанному физико-химическому поведению, где дисперсионные и слабые взаимодействия хозяин–гость контролируют стабильность, тогда как водородная сеть воды управляет полярностью и характеристиками солватации.
С точки зрения кислотно-основных свойств и реакционной способности водный компонент обеспечивает обычную протическую, полярную среду; молекулярный водород является химически восстановителем, но кинетически инертен при отсутствии подходящих катализаторов. Липофильность минимальна для комплексной системы, поскольку поверхность, доступная растворителю, доминирует за счёт воды; однако нейтральная группа \(\ce{H2}\) неполярна и при формировании клатратоподобных структур будет распределяться в неполярных областях или клетках. Ассоциация гидрата не является кистохимически закреплённым новым соединением, а представляет собой физический агрегат, стабильность которого сильно зависит от температуры, давления и наличия центров нуклеации или каталитических поверхностей, способствующих проникновению или высвобождению водорода.
Распространённые коммерческие стандарты для данного вещества включают: EP.
Обзор и состав
Качественный состав
- Формальная (описательная) молекулярная формула: \(\ce{H4O}\).
- Компоненты: молекулярный водород \(\ce{H2}\) и вода \(\ce{H2O}\).
- Вычисленная молекулярная масса: 20.031 \(\mathrm{г}\,\mathrm{моль}^{-1}\).
- Точная масса: 20.026214747 \(\mathrm{u}\).
- Моноизотопная масса: 20.026214747 \(\mathrm{u}\).
- Количество доноров водородных связей: 1.
- Количество акцепторов водородных связей: 1.
- Топологическая полярная поверхность (TPSA): 1 (вычислено).
- Количество вращающихся связей: 0.
- Формальный заряд: 0.
- Число ковалентно связанных единиц: 2 (указывает на ассоциацию из двух компонентов).
Вычисленные или предоставленные инициатором наименования включают "молекулярный водород; гидрат". Структурные/описательные идентификаторы: SMILES "[HH].O", InChI InChI=1S/H2O.H2/h1H2;1H, InChIKey VBYZSBGMSZOOAP-UHFFFAOYSA-N.
Внешний вид и типичная форма
Экспериментально установленное значение данного свойства отсутствует в текущем контексте данных.
Поведение на уровне класса для водородно-водных ассоциаций: при нормальных условиях водород существует как отдельный газ низкой плотности с очень низкой растворимостью в воде; при пониженной температуре и повышенном давлении или в присутствии подходящих каркасных структур водород может удерживаться в клатратоподобных клетках кристаллической гидратной решётки, формируя твёрдую фазу гидрата водорода. Такие клатраты или гидраты обычно наблюдаются в криогенных или высокодавлениях экспериментах, а не как стабильный материал при стандартной лабораторной температуре и давлении. В практическом обращении водород чаще всего существует как растворённый газ в воде или как отдельная газовая фаза, если экспериментальные условия сознательно не настроены на формирование гидрата.
Химические свойства
Реакционная способность и коррозионное поведение
Гидрат водорода как ассоциация сочетает инертность молекулярного водорода с реакционной способностью воды. Основные моменты:
- Молекулярный водород (\(\ce{H2}\)) является восстановителем, но кинетически инертен по отношению к большинству субстратов при нормальных условиях; для химических изменений требуется каталитическая активация (металлические поверхности, дисперсные катализаторы или экстремальные условия).
- Вода обеспечивает протическую кислотность/основность и участвует в водородных связях; способна сольватировать ионы и полярные вещества, а также опосредует реакции гидролиза чувствительных растворённых веществ.
- Сам гидрат не является сильно коррозионным в химическом смысле; однако воздействие водорода может способствовать водородной хрупкости у восприимчивых металлов и сплавов при образовании атомарного водорода на поверхностях, особенно при каталитических или электрохимических условиях.
- Разложение твёрдых или метастабильных гидратов приводит к выделению молекулярного водорода и воды; такой выброс может быть быстрым при неблагоприятных термических или давленческих изменениях.
Совместимость и несовместимости
- Несовместим с сильными окислителями в том смысле, что выделяющийся водород является легко воспламеняющимся восстановителем, энергично реагирующим с окислителями при наличии источников воспламенения.
- Металлические катализаторы или реакционноспособные металлические поверхности способствуют диссоциации \(\ce{H2}\) до атомарного водорода, увеличивая риски хрупкости или непредвиденной реактивности.
- Реакционноспособные металлы и сплавы, образующие гидриды (например, высокодисперсные переходные металлы), могут взаимодействовать с водородом; при выборе материалов для хранения или транспортировки следует учитывать восприимчивость к повреждениям гидрогенизации.
- В текущем контексте данных явные таблицы совместимости отсутствуют; выбор материалов контейнеров и систем должен осуществляться согласно установленным инженерным рекомендациям для эксплуатации с водородом и водными системами.
Применение и безопасность
Промышленные и коммерческие контексты применения
Краткого резюме о применениях в текущем контексте данных нет; на практике вещество выбирается на основе описанных выше общих свойств. Общие области применения и исследовательские контексты включают:
- Экспериментальное исследование накопления водорода в водных клатратах или гидратах и изучение взаимодействий хозяин–гость в исследованиях энергетического хранения.
- Лабораторные исследования растворимости водорода, массопереноса и взаимодействий газ–жидкость в водных системах.
- Фундаментальные исследования фазового поведения, зависящего от давления и температуры, в области науки о газовых гидратах.
Опасности и меры обращение
- Воспламеняемость: молекулярный водород высоко воспламеняем и образует взрывоопасные смеси с воздухом. Любой процесс, способный выделять \(\ce{H2}\) (разложение гидрата, утечки из системы под давлением), требует контроля источников воспламенения, соответствующей вентиляции и газового детектирования.
- Удушье: вытеснение кислорода в замкнутых пространствах выделяющимся водородом представляет опасность удушья.
- Опасности, связанные с давлением и криогеникой: формирование или обращение твердых гидратов обычно связано с низкими температурами и/или высоким давлением; необходимы оборудования с сертификацией по давлению, термическая защита и безопасные процедуры снижения давления.
- Материальные аспекты: риск водородной хрупкости для восприимчивых металлов; избегать использования материалов, не сертифицированных для эксплуатации с водородом в условиях давления или катализатора.
- Средства индивидуальной защиты и инженерные мероприятия: стандартные СИЗ при работе с сжатыми газами и криогенными материалами, системы обнаружения газа, заземление и соединение заземляющих проводников при наличии легко воспламеняющихся газов, а также местная вытяжная вентиляция.
- Для получения подробной информации о рисках, транспортировке и нормативных требованиях пользователям следует обращаться к паспорту безопасности (SDS), специфичному для данного продукта, а также к местному законодательству.
