Hidro – Nguồn nhiên liệu sạch trong tương lai

24/10/2022

Hidro là nguyên tố hóa học nhỏ nhất trong vũ trụ, nhưng nó cũng là nguyên tố dồi dào nhất, chiếm tới 75% tổng lượng vật chất trong vũ trụ. Hidro được kỳ vọng sẽ trở thành nguồn năng lượng sạch thay thế trong tương lai.
Hãy cùng Khí công nghiệp Hỷ Vân đi tìm hiểu về nguyên tố thú vị này và những lợi ích mà nó mang lại qua bài viết dưới đây nhé.

1. Khí hidro là gì?

Hidro là chất khí, có tên tiếng Anh là hydrogen, ký hiệu H và số hiệu nguyên tử 1, đứng đầu tiên trong bảng hệ thống tuần hoàn. Công thức hóa học của đơn chất hidro tồn tại ở trạng thái khí là H₂.
Trên trái đất, một số lượng lớn các nguyên tử hidro được chứa trong nước, thực vật, động vật và cả con người. Mặc dù nó có mặt trong gần như tất cả các phân tử trong sinh vật sống, nhưng nó lại rất khan hiếm ở dạng khí – ít hơn một phần triệu theo thể tích. Nguyên nhân do hidro là chất khí rất nhẹ, trường hấp dẫn của Trái đất không đủ mạnh để giữ chúng lại khiến chúng bị thoát ra ngoài không gian. Vì vậy chúng ta thường chỉ bắt gặp khí hidro trên những tầng cao của khí quyển.
Trong các hoạt động sản xuất công nghiệp, hidro thường được dùng ở dạng khí hóa lỏng chứa trong các chai áp suất cao.

a. Tính chất vật lý

• • Hidro là một chất khí không màu, không mùi, không vị và tan rất ít trong nước, 1 lít nước ở 15°C hòa tan được 20 ml khí H2.
  • Hidro rất dễ cháy để tạo thành hơi nước, ngọn lửa hidro cháy trong không khí có màu xanh nhạt, ngọn lửa gần như vô hình.
  • Hidro có nhiệt độ sôi -252,87 °C và nhiệt độ nóng chảy -259,14 °C.
  • Hidro là khí nhẹ nhất trong các chất khí, tỷ khối của hidro so với không khí là 2/29 nên khí hidro nhẹ hơn rất nhiều so với không khí.
  • Ở trạng thái bình thường, hidro tồn tại ở dạng phân tử gồm 2 nguyên tử hidro liên kết với nhau.

b. Tính chất hóa học

Hidro là phi kim có tính khử có thể phản ứng với hầu hết các nguyên tố hóa học khác. Nó là chất khử mạnh ở nhiệt độ cao. Ở những nhiệt độ thích hợp, nó kết hợp được với oxi, oxit kim loại. Đó là những phản ứng hóa học đặc trưng của hidro. Các phản ứng này là phản ứng tỏa nhiệt.

Tác dụng với phi kim

• • Hidro tác dụng với một số loại phi kim: Br₂, Cl₂
    H₂ + Br₂  → 2HBr
    H₂ + Cl₂ → 2HCl

Tác dụng với oxi

• • Phương trình hóa học: 2H₂ + O₂ → 2H₂O
  • Thí nghiệm: Đưa ngọn lửa đang cháy của khí hiđro vào một bình chứa khí oxy thì ngọn lửa có hiện tượng cháy mạnh hơn và trên thành bình xuất hiện những giọt nước nhỏ. Tương tự, nếu đốt hidro trong không khí cũng tạo ra những giọt nước nhỏ li ti. Từ đó ta có thể kết luận khí hidro tác dụng với oxi sẽ sinh ra nước ở nhiệt độ cao.
  • Lưu ý rằng hỗn hợp khí oxi và khí hidro là hỗn hợp nổ. Hỗn hợp đạt hiệu quả gây nổ lớn nhất nếu trộn hidro và oxi với tỉ lệ 2:1
    Nguyên nhân gây ra hiện tượng này là do hỗn hợp cháy rất nhanh và tỏa nhiều nhiệt. Nhiệt lượng này khiến cho thể tích của hơi nước tạo ra sau phản ứng tăng cao đột ngột lên nhiều lần. Vì vậy sẽ làm chấn động mạnh đến không khí và gây nổ.

Tác dụng với CuO (oxit kim loại)

• • Phương trình hóa học: H₂ + CuO (màu đen) → Cu + H₂O
  • Hidro phản ứng với đồng oxit ở nhiệt độ khoảng 400 °C tạo thành nước và Cu.
  • Trong phản ứng hóa học trên, hidro đã chiếm chỗ của oxi trong hợp chất CuO vì vậy có thể kết luận rằng hidro có tính khử, hidro có thể kết hợp được với đơn chất oxi và kết hợp được cả với nguyên tố oxi trong một số hợp chất oxit của kim loại tại nhiệt độ thích hợp. Mọi phản ứng của hidro đều tỏa nhiệt.

2. Nguồn gốc hidro

Hidro và heli là 2 nguyên tố được hình thành cùng với sự ra đời của vũ trụ. Theo lý thuyết vụ nổ lớn (big bang), vũ trụ được hình thành cách đây 13,8 tỷ năm từ một điểm kỳ dị: một điểm cực nóng với mật độ gần như vô hạn.
Hidro là nguyên tố nhỏ nhất trong vũ trụ, nhưng nó cũng là nguyên tố dồi dào nhất, chiếm tới 3/4 tổng lượng vật chất trong vũ trụ. Phần lớn còn lại là heli.
Chỉ chưa đến 1% lượng hidro ban đầu được chuyển đổi thành các nguyên tố nặng hơn, được hình thành trong các ngôi sao, rất lâu sau vụ nổ lớn. Quá trình đó vẫn đang tiếp tục đến ngày nay.
Tất cả các nguyên tố khác cộng lại chỉ chiếm 1% vũ trụ.
Nguyên tố này được tìm thấy rất nhiều trong các ngôi sao và hành tinh khí khổng lồ. Mặt trời cũng được cấu tạo chủ yếu bởi hidro và heli.
Hidro đóng vai trò sống còn trong việc cung cấp năng lượng trong vũ trụ thông qua các phản ứng proton-proton và chu trình carbon – nitơ. Đó là các phản ứng nhiệt hạch giải phóng năng lượng khổng lồ thông qua việc tổ hợp hai nguyên tử hidro thành một nguyên tử heli.

3. Những hiểu biết khoa học đầu tiên

• • Năm 1520, nhà khoa học người Đức-Thụy Sĩ Theophrastus von Hohenheim, còn được gọi là Paracelsus, đã mô tả một loại khí bay lên có lẽ là hydro. Tuy nhiên, ông không đặt tên cho nó và không phát hiện ra điều gì về tính chất của nó.
  • Vào khoảng năm 1670, nhà giả kim thuật người Ireland Robert Boyle là người đầu tiên phát hiện ra một loại khí dễ cháy thoát ra trong phản ứng giữa sắt và axit loãng.
  • Gần một thế kỷ sau, vào năm 1766, nhà vật lý và hóa học người Anh Henry Cavendish đã xác định nó là một nguyên tố hóa học. Cavendish đã có thể mô tả chính xác các tính chất hóa học của nguyên tố này và cho rằng loại khí dễ cháy này không bắt nguồn từ axit mà từ kim loại. Khi kết hợp với oxy, khí dễ cháy này tạo ra một loại sương, có vẻ là nước.
  • Năm 1788, dựa trên những khám phá của Cavendish, nhà hóa học người Pháp Antoine Lavoisier đã đặt tên cho nguyên tố này là hydrogen. Bắt nguồn từ tiếng Hy Lạp “hydro” và “gen”, có nghĩa là “nước” và “sinh ra từ”.
  • Năm 1800, các nhà khoa học người Anh William Nicholson và Sir Anthony Carlisle đã phát hiện ra bằng cách đưa dòng điện vào nước, hydro và oxy tinh khiết có thể được tạo ra. Quá trình này sau đó được gọi là điện phân.
  • Năm 1839, nhà hóa học người Đức gốc Thụy Sĩ Christian Friedrich Schönbein đã phát hiện ra hiệu ứng pin nhiên liệu khi thử nghiệm với bạch kim, hydro và oxy. Sự kết hợp của khí hydro và oxy đã tạo ra nước và năng lượng điện, về cơ bản đây là nguyên lý ngược lại của quá trình điện phân.
  • Năm 1845, nhà khoa học người Anh, Ngài William Robert Grove đã đưa phát hiện của Schönbein vào thực tế bằng cách phát triển ‘pin volta khí’, bao gồm hai điện cực bạch kim trong axit sulfuric, với một đầu được đặt trong một bình kín chứa hydro và đầu kia trong bình chứa oxy.

4. Ứng dụng của hidro

a. Trong quá khứ

• • Xe chạy bằng khí hidro: Năm 1808, nhà phát minh người Thụy Sĩ François Isaac de Rivaz đã chế tạo ra loại động cơ đốt trong. Động cơ Rivaz của ông chạy bằng hỗn hợp khí hidro và oxi, xe có thể đạt vận tốc 8km/h. Sau đó, vào năm 1863, nhà phát minh người Bỉ Etienne Lenoir đã chế tạo động cơ 1 xi-lanh, 2 thì được gọi là ‘Hippomobile’. Năm 1865 đã có 350 đến 400 xe Hippomobiles chạy quanh Paris.

• • Zeppelin: Vào những năm 1930, Hindenburg, một chiếc Zeppelin của Đức chứa đầy hidro, đã thực hiện 10 chuyến bay xuyên Đại Tây Dương thành công từ Đức đến Hoa Kỳ. Tuy nhiên, khi nó đến Lakehurst, New Jersey vào ngày 6 tháng 5 năm 1937, một tai nạn xảy ra và nó đã bốc cháy. Thảm họa Hindenburg đã chính thức đánh dấu sự kết thúc của kỷ nguyên hàng không khí cầu

• • Pin nhiên liệu hidro: Năm 1959, kỹ sư người Anh Francis Thomas Bacon đã chế tạo pin nhiên liệu hidro-oxy 5kW thực tế đầu tiên. Pin nhiên liệu này được sử dụng cho các sứ mệnh tàu con thoi. Vào cuối những năm 1950 và đầu những năm 1960, Cơ quan Hàng không và Vũ trụ Quốc gia Hoa Kỳ (NASA), phối hợp với các đối tác công nghiệp, bắt đầu phát triển máy phát pin nhiên liệu cho các sứ mệnh không gian có người lái.

• • Bom hidro hay bomb H, bom khinh khí, bom nhiệt hạch lợi dụng quá trình phân hạch (tách hạt nhân) để kích hoạt phản ứng giữa các nguyên tử hidro khiến hạt nhân của chúng hợp nhất tạo ra nhiệt độ cực cao.

b. Hiện tại và tương lai

Từ giữa thế kỷ 20 đến nay, hidro ngày càng nhận được nhiều hơn sự quan tâm của nhân loại, nó được tập trung nghiên cứu và phát triển nhiều ứng dụng hơn trong đời sống con người, có thể kể đến một vài ứng dụng phổ biến như:

• • Sử dụng làm nguyên liệu thô để sản xuất urê thông qua amoniac để làm phân bón.
  • Sử dụng trong ngành công nghiệp lọc hóa dầu, để loại bỏ lưu huỳnh khỏi nhiên liệu và nâng cấp các phân đoạn dầu nặng.
  • Sử dụng để sản xuất nhiên liệu sinh học, chẳng hạn như biomethanol.
  • Sử dụng để sản xuất các loại nhựa khác nhau
  • Làm chất khử và xử lý khí để xử lý bề mặt trong ngành công nghiệp thủy tinh, công nghiệp kim loại và công nghiệp bán dẫn. Xem thêm: Vai trò của khí công nghiệp trong sản xuất chất bán dẫn
  • Dùng trong đèn xì – oxi để hàn cắt kim loại (Hidro phản ứng với Oxi tỏa nhiệt lớn)
  • Sử dụng trong phòng thí nghiệm để làm chất xúc tác hay là chất điều chế kim loại nhờ khả năng khử hợp chất oxit.
  • Sử dụng trong khinh khí cầu, sản xuất bóng bay vì hidro là chất khí nhẹ nhất.
  • Sử dụng trong các nhà máy điện như một chất làm mát trong máy phát điện .
  • Dùng để sản xuất điện thay thế nhiên liệu hóa thạch, sản xuất pin nhiên liệu (fuel cell)
  • Deuterium (hydro đồng vị 2) được sử dụng trong phản ứng tổng hợp hạt nhân.
  • Dùng trong động cơ tên lửa, do tính chất cháy sinh ra nhiều nhiệt hơn, hidro lỏng và oxy lỏng cùng nhau đóng vai trò là nhiên liệu đông lạnh trong các tên lửa đẩy.
  • Hidro thay thế cho xăng dầu sử dụng trong những phương tiện giao thông, vận tải.

Trong tương lai, hidro được kỳ vọng sẽ trở thành nguồn nhiên liệu sạch, dồi dào, đáng tin cậy, thay thế cho các nhiên liệu hóa thạch đang dần cạn kiệt. Bởi vì trong phân tử H₂ không chứa những nguyên tố hóa học khác nên sản phẩm cháy chỉ là nước (H₂O), không gây ra bất cứ sự cố môi trường nào ảnh hưởng đến con người.

5. Điều chế hidro trong phòng thí nghiệm

Hidro được điều chế trong phòng thí nghiệm thông qua phản ứng của axit (HCl hoặc H₂SO4) và kim loại (kẽm, sắt hoặc nhôm)

• • Zn + 2HCl → ZnCl₂ + H₂↑
  • Fe + H₂SO4 → FeSO4 + H₂↑

Khí H₂ ít tan trong nước và nhẹ hơn không khí nên ta có thể thu H₂ theo 2 cách: Đẩy nước hoặc đẩy không khí.

6. Sản xuất hidro công nghiệp

Ngày nay, hidro có thể được sản xuất thông qua một số phương pháp. Các phương pháp phổ biến nhất hiện nay là biến đổi khí tự nhiên (quy trình nhiệt) và điện phân. Các phương pháp khác bao gồm các quá trình sinh học và sử dụng năng lượng mặt trời.

Quy trình nhiệt

Hiện nay, khoảng 95% tổng lượng hydro được sản xuất từ ​​quá trình chuyển hóa hơi nước của khí tự nhiên (CH4).
Quy trình này được thực hiện bằng cách cho metan CH4 sủi bọt khí qua chất xúc tác kim loại nóng chảy có chứa niken hòa tan ở 1340 °K (1070 °C; 1950 °F). Điều này làm cho mêtan phân hủy thành khí hydro và carbon rắn, không có sản phẩm phụ nào khác.

• • • CH4 (g) → C (s) + 2H₂ (g) (ΔH ° = 74 kJ / mol)

Carbon rắn có thể được bán làm nguyên liệu sản xuất hoặc chôn lấp vĩnh viễn, không phát thải vào khí quyển và không gây ô nhiễm nguồn nước ngầm tại bãi chôn lấp. Quá trình nhiệt phân mêtan vẫn đang được phát triển và được cho là thích hợp để sản xuất hydro thương mại số lượng lớn.

Quy trình điện phân

Điện phân nước là một phương pháp đơn giản để sản xuất hidro. Cho một dòng điện chạy qua nước, khí oxy sẽ được tạo ra ở cực dương và khí hidro được tạo ra ở cực âm. Thông thường, cực âm được làm từ bạch kim hoặc một kim loại trơ khác.

Quy trình sử dụng năng lượng mặt trời

Đây là các quy trình sử dụng ánh sáng mặt trời làm tác nhân để sản xuất hidro. Có một số quá trình sử dụng năng lượng mặt trời, bao gồm quang sinh học, quang điện hóa và nhiệt hóa năng lượng mặt trời:
○ Quá trình quang học sử dụng hoạt động quang hợp tự nhiên của vi khuẩn và tảo lục để sản xuất hidro.
○ Quá trình quang điện hóa sử dụng các chất bán dẫn chuyên dụng để tách nước thành hidro và oxy.
○ Quá trình nhiệt hóa sử dụng nhiệt độ cao (500 °C – 2000 °C) bằng cách hội tụ năng lượng mặt trời để thúc đẩy một loạt các phản ứng hóa học tạo ra hidro.

Quy trình sinh học

Các quy trình sinh học sử dụng các vi sinh vật như vi khuẩn và vi tảo có thể tạo ra hidro thông qua các phản ứng sinh học. Trong quá trình chuyển hóa sinh khối của vi sinh vật, vi sinh vật phân hủy chất hữu cơ như sinh khối hoặc nước thải để tạo ra hidro, trong khi trong quá trình quang sinh, vi sinh sử dụng ánh sáng mặt trời làm nguồn năng lượng.

7. Lưu ý khi sử dụng hidro

• • Hidro là một chất khí cực kỳ dễ bắt cháy, nó cháy khi mật độ chỉ có 4%, tốc độ cháy là 3.500m/s và nhiệt độ 3100°C.
  • Hidro phản ứng cực mạnh với Clo và Flo, tạo ra axit hidro folic có thể gây ảnh hưởng cho phổi và các bộ phận khác của cơ thể con người.
  • Khí hidro rò rỉ ra không khí bên ngoài có thể tự bốc cháy. Hơn nữa, lửa hidro dù cực kỳ nóng nhưng lại hầu như không thể nhìn thấy được, do đó có thể dẫn đến tai nạn bỏng.
  • Khí Hidro khi trộn với oxy sẽ gây ra nổ khi bắt lửa hoặc khi có dòng điện chạy qua.

8. Thách thức trong chuyển đổi năng lượng hidro

Mặc dù có rất nhiều ưu điểm vượt trội như nguồn nguyên liệu dồi dào gần như vô tận, tạo ra nguồn năng lượng lớn, không phát thải gây ảnh hưởng môi trường, song việc đưa hidro trở thành nguồn năng lượng phổ thông thay thế các nguồn năng lượng hóa thạch vẫn có nhiều hạn chế. Nguyên nhân chủ yếu do quá trình sản xuất, lưu trữ và vận chuyển dạng năng lượng này tốn kém chi phí hơn nhiều so với các dạng năng lượng hóa thạch khác.

Việc sản xuất hidro từ điện phân nước sử dụng nguồn điện chủ yếu từ nhiên liệu hóa thạch. Có thể là than đá, dầu hoặc khí đốt. Bản chất của các nhiên liệu này là có hạn và gây ảnh hưởng môi trường. Điện từ năng lượng tái tạo như gió hay mặt trời lại có giá thành quá cao, không thể sử dụng để sản xuất hidro với quy mô rộng rãi.

Ở điều kiện thường, Hidro tồn tại trong thời gian rất ngắn, lại dễ bay hơi và cháy nổ. Do đó, việc vận chuyển, lưu trữ đến người sử dụng gặp rất nhiều khó khăn. Hiện nay H₂ chủ yếu được vận chuyển thông qua các đường ống hoặc trên các phương tiện giao thông ở trạng thái hóa lỏng hoặc nén trong các bình chịu áp.

Chính vì những khó khăn trên, hiện nay loại năng lượng này mới chỉ được áp dụng trên quy mô nhỏ tại một số quốc gia phát triển. Thách thức đặt ra với các nhà khoa học trong việc nghiên cứu phát triển các phương pháp mới để giảm giá thành của công nghệ sản xuất hidro.

9. Phân phối và vận chuyển khí hidro

Trong các hoạt động sản xuất thường ngày, khí Hidro thường được phân phối bằng cách chiết nạp vào các loại chai chứa khí có dung tích khác nhau. Tùy vào nhu cầu và mục đích sử dụng, mà quý khách hàng có thể chọn thể tích chai chứa phù hợp.

Khí công nghiệp Hỷ Vân là một trong những nhà cung cấp khí hidro uy tín hàng đầu, chúng tôi chuyên sản xuất, chiết nạp, bán lẻ khí hidro chất lượng cao.
Quý khách hàng có nhu cầu đặt hàng có thể liên hệ số điện thoại 0969.690.155 để được tư vấn trực tiếp, miễn phí!

Tin tức tiêu biểu

Vì Sao Khí Oxy Kỵ Dầu, Mỡ?

Tại sao khí Argon được dùng để hàn?

Khí Argon được sử dụng trong các thiết bị quang học

Nấu ăn bằng Nitơ lỏng có an toàn không?

Tầm quan trọng của van điều áp khí nén

Máy tạo khí nitơ bơm lốp xe