Свойства водорода

Водород относится к горючим газам. В нормальном состоянии он не имеет вкуса, запаха и цвета. Водород более чем в 14 раз легче воздуха, так как это самый легкий газ из существующих. Также у него самая большая теплопроводность. При этом он хорошо растворяется во многих металлах, в том числе платине, никеле, железе и прочих. В воде газ практически не растворим. Данный материал широко встречается на нашей планете, а во вселенной является самым распространенным элементом. Это обеспечивает относительно низкую себестоимость материала. Для получения водорода используются различные химические способы.

Водород в баллонах для сварки

Химические и физические свойства водорода позволяют использовать его как основной аналог ацетилена. Если сравнивать с другими методами сварки, то использование водорода является практически безвредным для пайки, резки и сварки. Данная особенность обусловлена паром, что является продуктом горения в данном процессе. Практически все, кто работает с газовой сваркой могут относительно быстро освоить и водородную. Применение данного газа очень широко востребовано в различных областях промышленности, причем не только в сварке.

Область применения при сварке

Физические свойства водорода позволяют использовать его вместо ацетилена и это является основной сферой использования в сварочной области. Его можно встретить практически во всех местах, где применяют ацетилен. Это сварка резка и пайка различных металлов, особенно, когда требуется высокая температура пламени. Из-за пара, который выделяется при работе, данный процесс получается более безопасным, тогда как его прямой аналог является самым опасным сварочным газом.

Процесс сварки с использование водорода

Главным отличием от ацетилена при сварке является то, что при использовании водорода шов покрывается очень толстым слоем шлака. Качество соединения будет уступать, так как наплавленный металл зачастую получается тонким и отличается высоким уровнем пористости. Чтобы избежать образования таких дефектов стоит дополнительно использовать бензин и прочие углеводороды, которые помогут связать кислород. Помимо этого может подойти толуол, бензол и прочее. Количество данных материалов для работы нужно относительно небольшое, поэтому, это не сильно повышает себестоимость получения шва.

Преимущества

Химические свойства водорода обеспечивают ряд условий, которые выделяют газ среди остальных и обеспечивают ему некоторые уникальные преимущества, которых нет у аналогичных материалов:

• Области применения водорода очень обширны, так что не возникает проблем с дефицитом материала;
• Стоимость водорода относительно небольшая, что упрощает процесс применения;
• Непосредственное сваривание намного безопаснее, чем работа с другими газами, так как здесь побочным продуктом является обыкновенный пар;
• Теплоемкость газа достаточно большая, так что его можно применять для тех соединений, которые требуют глубокой проварки.

Недостатки

В то же время свойства и применение водорода может нести в себе ряд негативных факторов, затрудняющее его применение для некоторых сварочных процедур:

• Несмотря на то, что сама сварка относительно безопасна, перевозка и хранение водородных баллонов отличается взрывоопасностью, так что нужно прилагать специальные меры предосторожности;
• Качество получаемых соединений значительно уступает ацетиленовой и прочим разновидностям сварки;
• Во время соединения происходит сильное образование шлаков, которые могут стать включениями в металл, а также затрудняют определение настоящей величины валика наплавленного металла;
• В шве образуется много пор;
•  Требуется дополнительно применять различные горючие углеводородные материалы.

Физические свойства водорода

Водород является самым легким газом во вселенной. Благодаря тому, что молекулы имеют меньшую массу, чем у других веществ, скорость их передвижения будет больше, чем у окружающих субстанций. Это обеспечивает высокую скорость передачи теплоты, что для сварки является отличным преимуществом. Чистый водород обладает двухатомной молекулой. Плотность вещества составляет 0,08987  г/л. Удельная теплоемкость водорода – 1209*10⁵ Дж/кг. Температура кипения достигает -252,76 градусов Цельсия. В воде вещество растеряется мало, но он отлично растворяется в различных металлах, в частности никеле и палладии. При взаимодействии водорода с углеродом, который находится в сплавах стали, возникает разрушение объектов, содержащих углерод.

Жидкое состояние вещества находится в узком промежутке от -252 до 259 градусов Цельсия. Жидкость получается легкой и бесцветной с высокой текучестью. Температура плавления твердого водорода составляет 259 градусов Цельсия. Здесь он выглядит как снегоподобная масса. Получение металлического состояния вещества пока остается лишь теоретическим предположением, так как при 2 000 000 атмосфер он поглощает инфракрасное излучение, что говорит о возможности превращения, но даже при таких параметрах давления он еще не становится металлом.

Химические свойства водорода

Рассматривая химические свойства водорода, стоит понимать, что его молекулы очень прочные и для того, чтоб произошла реакция взаимодействия, требуется потратить большое количество энергии. Реакция при обыкновенной температуре возможна только с кальцием и активными металлами. Помимо высоких температур для реакции кислорода с металлами и неметаллами может потребоваться еще и освещение.

Реакции с другими веществами это не единственные химические свойства водорода. Также стоит отметить постоянные, такие как радиус иона вещества, который равняется 54(-1)пм, степень окисления -1, ковалентный радиус – 32 пм, энергию ионизации – 1311 кДж/моль.

Молярная масса и удельная теплоемкость

Молярная масса водорода является постоянным значением и определяется по таблице Менделеева. Условно на один атом берется 1 грамм на моль. С учетом того, что водород это двухатомный газ, то соответственно для газа молярная масса будет равняться 2 грамма на моль.  Но это лишь условные обозначения, принятые для простоты расчетов. Реальная молярная масса водорода составляет 1,00794 г/моль, так что столь малым отклонением в расчетах часто пренебрегают.

Удельная теплоемкость является тем значением, которое зависит от температуры окружающей среды. Естественно, что в относительном плане оно все равно будет выше, чем у многих других газов, за счет уникальных свойств водорода, но при изменении условий окружающей среды оно также может увеличиваться или уменьшаться. В нормальных условиях величина относится к недиссоциированному состоянию. Только при температуре более 1500 градусов Цельсия диссоциация становится существенным фактором. При температуре в 27 градусов Цельсия удельная теплоемкость становится 14,31 кДж/(кг* градусы Цельсия).

Изотопы водорода

В природе данное вещество можно встретить в виде трех изотопов. Это протий, дейтерий и тритий. Дейтерий и протий являются стабильными изотопами. Массовые числа у них 2 и 1 соответственно. Протий несравнимо более распространенный практически при любом способе получения водорода, вне зависимости от источника. Тритий является нестабильным изотопом. Период полураспада у него составляет 12,32 лет. Это наименее распространенный вариант, который получается, когда стабильные ядра взаимодействуют с космическими лучами. После периода бета-распада тритий превращается в еще более редкий изотоп гелия, который становится стабильным.

Искусственно полученные изотопы являются тяжелыми и радиоактивными. Их массовые числа могут возрастать до 7. Стоит отметить, что среди изотопов всех веществ именно водородные обладают наибольшим количеством различий в свойствах между собой.

Инструкция по применению

Когда вода разлагается электрическим током, то водорода становится в два раза больше, чем кислорода. Это создает окислительное пламя, что существенно снижает качество сварки. Добавление паров бензин, спирта или ацетона помогает снизить содержание кислорода. Температура такого пламени составляет 2600 градусов Цельсия. Водородная сварка выполняет левым способом. В качестве легирующих элементов чаще всего используют магний или кремний. Это обеспечивает раскисление металла для ванны.

Меры безопасности

• Сжиженный водород вызывает обморожение кожи;
• Днем пламя водорода невидимо, так что для его обнаружения нужны специальные датчики;
• Соединение чистого водорода и кислорода может привести к взрыву, так что нужно следить за концентрацией данных веществ.

Заключение

Для сварочной области химические свойства водорода хоть и нельзя назвать очень удобными, но в своей нише он очень востребован. Его применяют в тех местах, где нельзя допускать загазованности помещений. В стандартных условиях газ будет уступать остальным по качеству, но в других он практически незаменим и технологию работы с ним можно достаточно легко освоить.