Перед решением задачи, пожалуйста, прочитайте здесь инструкции и советы...

Водород считают самым перспективным синтетическим топливом: он – легкий, энергоемкий, достаточно доступный и экологический чистый: продуктом его окисления является чистая вода.

1. Сравните удельные теплоты сгорания (кДж/г) водорода, углерода и углеводородов – метана и бензина (C₈H₁₈) (3 балла). Продуктами сгорания считайте углекислый газ и жидкую воду. Необходимые термодинамические данные найдите самостоятельно. Какое топливо наиболее энергоемко (1 балл)?

2. Максимальная полезная работа, совершаемая с помощью химической реакции, равна уменьшению энергии Гиббса реакции. Вычислите максимальную работу, совершаемую при сгорании 1 кг водорода электродвигателем, связанным с водородным топливным элементом (3 балла). Какое расстояние может проехать за счет этой энергии автомобиль массой 1000 кг, если кпд электродвигателя равен 50% (1 балл)? Необходимые термодинамические данные найдите самостоятельно. Коэффициент трения примите равным 0.1.

На пути к широкому практическому использованию водорода в энергетике надо решить ряд глобальных технических проблем, главная из которых – компактное и безопасное хранение водорода. Идеальное устройство для хранения водорода должно содержать большой процент водорода в небольшом объеме и легко отдавать его по мере необходимости. Было предложено несколько принципиально разных подходов к хранению водорода, один из которых основан на использовании углеродных материалов, в частности нанотрубок. В «Водородной программе» Министерства энергетики США (1992) был установлен следующий критерий: для создания эффективного топливного элемента необходимо добиться аккумулирующей способности углерода 63 кгH₂ / м³ (6.5 мас.% H₂). С тех пор началась и сейчас достигла апогея гонка за процентами водорода. На сегодня рекордный материал содержит 18 мас.% H.

3. В каком химическом соединении массовая доля водорода максимальна (2 балла)? Чему она равна (1 балл)? Рассматриваются только наиболее распространенные изотопы элементов.

4. Один из механизмов поглощения водорода нанотрубками – хемосорбция, то есть адсорбция водорода H₂ на поверхности трубки с последующей диссоциацией и образованием химических связей C–H. Чему равна максимально возможная массовая доля водорода в нанотрубках при хемосорбции (3 балла)? Чему равна доля связанных с водородом атомов углерода, если массовая доля водорода составляет 6.5% (2 балла)?

5. Хемосорбция не очень удобна для связывания водорода, так как трудно извлечь связанный водород: связи C–H полностью разрываются лишь при 600^оС. Гораздо более удобным механизмом для связывания является обратимая физическая адсорбция молекулярного водорода посредством ван-дер-ваальсова взаимодействия. Используя геометрические представления, оцените, какова массовая доля водорода H₂, плотно заполнившего внутреннюю полость длинной углеродной нанотрубки диаметром d нм и длиной l нм (l >> d >> 1) (5 баллов). Поверхность нанотрубки образована правильными шестиугольниками со стороной 0.142 нм. Молекулу водорода считайте шаром диаметром 0.3 нм.

6. Назовите другие, не связанные с углеродом, способы хранения водорода, и укажите по одному их главному, на ваш взгляд, преимуществу и недостатку (2 балла).

1) база данных ИВТАН

2) база данных NIST