氫的物理和化學(精)/氫能利用關鍵技術系列

作者：編者:李星國|責編:袁海燕
出版社：化學工業
ISBN：9787122509581

出版日期：2026/09/01
裝幀：精裝
頁數：551

人民幣：RMB 268 元售價：元

內容大鋼

    氫能正日益受到廣泛關注，已從最初的「氫經濟」理念，逐步拓展至構建「氫社會」、實現「氫進萬家」等更廣闊的發展願景。氫能涉及產業鏈的各個環節，涵蓋的知識面更為廣泛和深入。紮實掌握《氫的物理和化學》相關知識，將為從事氫能科學與技術工作奠定堅實基礎。
    本書系統梳理了氫能從氫形成、製備、儲運到應用全鏈條中的關鍵物理與化學問題，共分為14章，內容涵蓋自然界的氫、氫的基礎物理與化學特性、材料中的氫行為、氫氣的壓縮與熱學性質、氫的吸附溶解與擴散行為、氫的電輸運特性、磁學特性、燃燒特性、電解水制氫與化學、燃料電池與化學、氫同位素與核聚變應用、氫內燃機與燃氣輪機，以及氫還原和氫冶金等方面。為便於初學者理解，書中配有典型例題解析；同時為加深理解，各章后均附有習題供讀者練習。
    本書既適合立志投身氫能科學與技術的青年學生作為教材使用，也可供從事氫能相關研究、工程技術及科研管理工作的專業人員參考。

作者介紹

編者:李星國|責編:袁海燕

第1章  自然界的氫
  1.1  氫的形成和宇宙中的氫
    1.1.1  宇宙大爆炸
    1.1.2  氫燃燒與元素的形成
    1.1.3  宇宙中的氫
  1.2  太陽系中的氫
    1.2.1  太陽上的氫
    1.2.2  行星的形成與氫
  1.3  地球中的氫
    1.3.1  地殼中的氫
    1.3.2  地核中的氫
    1.3.3  天然氫氣
  1.4  化石原料與氫
    1.4.1  煤炭的形成與氫
    1.4.2  石油和天然氣的形成與氫
  1.5  氫的發現和研究發展
    1.5.1  氫的發現
    1.5.2  氫的研究發展
    1.5.3  氫逃逸至宇宙
  參考文獻
  習題
第2章  氫的基礎物理特性
  2.1  氫與現代物理
    2.1.1  氫原子模型
    2.1.2  氫原子光譜
    2.1.3  量子力學理論
    2.1.4  薛定諤方程
    2.1.5  氫原子鐘
    2.1.6  氘的發現
  2.2  氫氣的結構和性質
    2.2.1  H2的分子結構
    2.2.2  氫氣的核自旋異構體
    2.2.3  氫氣的主要物理性質
    2.2.4  氫氣的一些特異性能
  2.3  液態氫和固態氫
    2.3.1  液態氫
    2.3.2  固態氫
  2.4  金屬氫
    2.4.1  金屬氫的提出
    2.4.2  兩類金屬氫
    2.4.3  金屬氫的製備
    2.4.4  金屬氫的特性和可能應用
  2.5  反氫和反物質
    2.5.1  反氫
    2.5.2  反氫的特性
    2.5.3  反氫的合成
    2.5.4  反物質
  2.6  分數氫
  參考文獻
  習題

第3章  氫的基礎化學特性
  3.1  氫原子和氫分子
    3.1.1  氫原子
    3.1.2  氫原子的兩性特徵
    3.1.3  氫分子
    3.1.4  氫分子結合能
    3.1.5  氫的成鍵特徵
  3.2  氫氣的可燃性、還原性和氧化性
    3.2.1  氫氣的可燃性
    3.2.2  氫氣的還原性
    3.2.3  氫氣的氧化性
  3.3  氫的化學反應
    3.3.1  氫與非金屬的反應
    3.3.2  氫與金屬的反應
    3.3.3  氫與過渡金屬的配位反應
    3.3.4  氫與金屬氧化物的反應
    3.3.5  加氫和脫氫反應
    3.3.6  氫的其他反應
  3.4  氫化物的類型和特徵
    3.4.1  概述
    3.4.2  金屬氫化物
    3.4.3  主族元素與氫的共價型化合物
    3.4.4  配位氫化物
    3.4.5  高壓氫化物相
  3.5  氫的能源特性
    3.5.1  氫氣的能量
    3.5.2  氫能的高熱值和低熱值
    3.5.3  燃燒值
    3.5.4  氫能與其他燃料的比較
    3.5.5  輸出最大功和能源效率
  3.6  氫與化學化工
    3.6.1  氫與環境
    3.6.2  氫與化工
    3.6.3  氫氣療法
    3.6.4  氫與植物
  參考文獻
  習題
第4章  材料中的氫
  4.1  金屬中的氫
    4.1.1  氫進入金屬的過程和狀態
    4.1.2  氫在金屬中的固溶位置
    4.1.3  金屬中的氫固溶度
    4.1.4  金屬中的氫固溶焓
  4.2  陶瓷和有機物中的氫
    4.2.1  氫在陶瓷中的侵入和擴散
    4.2.2  有機聚合物中的氫
  4.3  儲氫合金
    4.3.1  儲氫合金的發現
    4.3.2  儲氫合金的熱力學原理
    4.3.3  儲氫合金的溫度變化和焓變

  4.4  氫對材料性能的影響
    4.4.1  氫對力學、導電和磁性性能的影響
    4.4.2  超導MgB2的製備
    4.4.3  電化學性能的變化
  4.5  氫脆
    4.5.1  氫脆的種類
    4.5.2  氫脆的過程
    4.5.3  氫脆機制
    4.5.4  納爾遜曲線
    4.5.5  氫脆的預防
  參考文獻
  習題
第5章  氫氣的壓縮和熱學性質
  5.1  非理想氣體
    5.1.1  氣體狀態方程
    5.1.2  氫氣的氣體狀態方程
  5.2  氣體的壓縮
    5.2.1  不同氣體的壓縮
    5.2.2  氫氣的壓縮與做功
    5.2.3  氫氣壓縮過程的密度變化
  5.3  物質的熱容
    5.3.1  固體物質的熱容
    5.3.2  氣體的熱容
    5.3.3  熱容與熱力學參數
  5.4  氣體的焦耳-湯姆孫效應
    5.4.1  節流膨脹
    5.4.2  焦耳-湯姆孫效應
    5.4.3  幾種氣體的焦耳-湯姆孫效應
  5.5  工程中的焦耳-湯姆孫效應影響
    5.5.1  氫氣輸運中的影響
    5.5.2  加氫站的設計
    5.5.3  高壓容器的充氫
    5.5.4  與天然氣的填充比較
  5.6  液氫的生產
    5.6.1  液氫的製備工藝
    5.6.2  氫氣的仲化
    5.6.3  最小氫氣液化功
    5.6.4  氫氣液化的主要設備
  參考文獻
  習題
第6章  氫的吸附、溶解和擴散
  6.1  氫氣的吸附
    6.1.1  等溫吸附方程
    6.1.2  等溫吸附線的類型
    6.1.3  氫氣的吸附特點
    6.1.4  氫氣純化
  6.2  擴散理論
    6.2.1  氣體擴散定律
    6.2.2  菲克第一定律
    6.2.3  菲克第二定律

    6.2.4  兩端成分不受擴散影響的擴散偶
    6.2.5  擴散動力學與溫度特性
  6.3  氣體在液體中的溶解和擴散
    6.3.1  氣體在液體中的溶解
    6.3.2  亨利定律
    6.3.3  液體中的氫氣擴散
  6.4  氫在金屬中的擴散
    6.4.1  氫在金屬中的固溶
    6.4.2  氫在金屬中的擴散機制
    6.4.3  金屬中氫擴散的溫度變化
    6.4.4  擴散係數的測量方法
    6.4.5  合金中元素的影響
    6.4.6  金屬膜中的氫氣擴散和分離
  6.5  氫在陶瓷中的擴散
    6.5.1  多孔陶瓷中的氫擴散
    6.5.2  陶瓷膜的氫氣分離
  6.6  聚合物中的氫氣滲透
    6.6.1  聚合物中的氣體滲透機理
    6.6.2  聚合物膜的氫氣分離
    6.6.3  電解槽隔膜中的氫擴散
    6.6.4  燃料電池隔膜中的氫遷移
    6.6.5  高壓容器中的氫滲透
  6.7  氫氣泄漏
    6.7.1  氫氣泄漏現象
    6.7.2  高壓泄漏口噴出的氫氣擴散
    6.7.3  真空中材料中的氫氣逸出
  參考文獻
  習題
第7章  氫的電輸運特性
  7.1  物質的電導
    7.1.1  電阻率和電導率
    7.1.2  三種電阻率
  7.2  氫對金屬導電的影響
    7.2.1  鈮、鋯、鈦金屬氫化物的電阻變化
    7.2.2  Pd和Pd氫化物的電阻變化
    7.2.3  稀土氫化物的電阻變化
  7.3  陶瓷中的氫傳輸和導電
    7.3.1  陶瓷導電的機制
    7.3.2  質子傳導陶瓷材料
    7.3.3  氧化物質子傳導機制
    7.3.4  質子陷阱
    7.3.5  質子陶瓷燃料電池
  7.4  有機物中的氫傳輸和導電
    7.4.1  共軛聚合物及共軛結構
    7.4.2  質子交換膜的種類
    7.4.3  質子交換中的質子傳導機理
    7.4.4  質子交換膜存在的問題
  參考文獻
  習題
第8章  氫的磁學特性

  8.1  物質的磁性
    8.1.1  物質磁性的來源
    8.1.2  原子核磁矩
    8.1.3  物質的幾種磁性體
  8.2  氫原子和氫分子的磁性
    8.2.1  氫原子的磁性
    8.2.2  氫分子的磁性
    8.2.3  氧分子的磁性
    8.2.4  水的磁性
  8.3  氫原子核的磁性
    8.3.1  氫核磁矩
    8.3.2  拉莫爾進動和共振
    8.3.3  氘的核電四極矩
  8.4  核磁共振氫譜和核磁共振成像
    8.4.1  核磁共振氫譜
    8.4.2  核磁共振成像
    8.4.3  MRI成像基本原理
    8.4.4  MRI成像應用
  8.5  氫原子的超精細結構
    8.5.1  氫原子的玻爾光譜
    8.5.2  氫原子光譜的精細結構
    8.5.3  氫原子光譜的超精細結構
  8.6  氫與材料的磁性
    8.6.1  過渡金屬的磁性
    8.6.2  稀土金屬的磁性
    8.6.3  稀土永磁材料的HDDR現象
  參考文獻
  習題
第9章  氫氣燃燒基本特性
  9.1  燃燒熱化學
    9.1.1  氫氣和氧氣的反應
    9.1.2  燃燒熱
    9.1.3  絕熱燃燒溫度
    9.1.4  氫氣燃燒基本特性
  9.2  氫氣的燃燒特性
    9.2.1  最小著火能
    9.2.2  淬熄距離
    9.2.3  燃燒範圍和自燃範圍
    9.2.4  燃燒速度和火焰顏色
    9.2.5  氫氣燃燒中的NOx的形成
  9.3  氫氣的爆炸特性
    9.3.1  燃燒與爆炸
    9.3.2  爆轟波的特性
    9.3.3  爆燃轉為爆轟的評估
  9.4  影響爆炸的因素
    9.4.1  溫度（自燃溫度）
    9.4.2  爆炸濃度範圍
    9.4.3  壓力
    9.4.4  容器形狀和大小
    9.4.5  爆燃的成長

    9.4.6  安全性
  9.5  氫與其他燃料混合燃燒
    9.5.1  混合燃料層流燃燒速度
    9.5.2  氫氣-甲烷混合燃燒
    9.5.3  氫氣-乙醇混合燃燒
    9.5.4  氫-氨混合燃燒
  參考文獻
  習題
第10章  電解水制氫與化學
  10.1  水溶液及電極電位
    10.1.1  電解質電離
    10.1.2  電極電位
    10.1.3  電極電位與pH值
  10.2  水電解過程和特性
    10.2.1  水電解方程和電解池
    10.2.2  水電解理論電壓值和熱中性分解電壓
    10.2.3  水電解能耗與物料的消耗
    10.2.4  水電解中的電極反應
    10.2.5  電極上的氫氣和氧氣析出
  10.3  水電解的實際電壓
    10.3.1  極化現象
    10.3.2  氫超電位和氧超電位
    10.3.3  電阻過電位
    10.3.4  影響過電位的因素
  10.4  電解池的其他特性
    10.4.1  水電解的熱平衡
    10.4.2  漏電流和逆電流
    10.4.3  催化劑及性能
    10.4.4  鹼性電解槽和PEM電解槽的性能與材料
  10.5  其他制氫方法
    10.5.1  煤制氫
    10.5.2  天然氣制氫
    10.5.3  甲醇裂解制氫
    10.5.4  氨分解制氫
    10.5.5  工業副產物制氫
    10.5.6  生物發酵制氫
    10.5.7  太陽光分解水制氫
    10.5.8  熱化學分解水制氫
    10.5.9  制氫方法與成熟度
  參考文獻
  習題
第11章  燃料電池與化學
  11.1  燃料電池的分類與結構
    11.1.1  燃料電池的分類
    11.1.2  燃料電池的結構和電極反應
    11.1.3  常見燃料電池的特徵比較
  11.2  燃料電池電動勢和效率
    11.2.1  吉布斯自由能變化
    11.2.2  理論電功和電動勢
    11.2.3  能源轉換效率

    11.2.4  H2-O2系統燃料電池電動勢
    11.2.5  CO-O2系統燃料電池電動勢
    11.2.6  H2-O2系統燃料電池能源效率
    11.2.7  CO-O2系統燃料電池能源效率
  11.3  燃料電池實際工作電壓（電極反應動力學）
    11.3.1  巴特勒-福爾默方程
    11.3.2  電壓損耗
    11.3.3  電壓、功率和效率隨電流密度的變化
    11.3.4  工作條件的影響
  11.4  燃料電池關鍵材料
    11.4.1  燃料電池催化劑
    11.4.2  燃料電池中的材料腐蝕
  參考文獻
  習題
第12章  氫同位素與核聚變
  12.1  氫原子和同位素
    12.1.1  氫原子
    12.1.2  氫的同位素和同位素效應
    12.1.3  中子吸收和散射
    12.1.4  重水反應堆
  12.2  核聚變反應
    12.2.1  核聚變反應基本原理
    12.2.2  太陽上的核聚變
    12.2.3  地球上的核聚變
    12.2.4  核聚變武器
    12.2.5  核電池及氚電池
    12.2.6  氫和反氫的聚變反應
  12.3  核聚變反應堆（D-T反應）
    12.3.1  可控核聚變起源
    12.3.2  國際熱核聚變實驗堆
    12.3.3  核聚變堆系統
    12.3.4  核聚變爐內的氫
  12.43  He核能和資源
    12.4.1  D-T聚變反應堆的瓶頸
    12.4.2  其他核聚變反應的可能性
    12.4.3  對3He能源的期待
    12.4.4  人類走向太空的核能技術
  12.5  氫同位素分離
    12.5.1  氫同位素的分離濃縮
    12.5.2  氫同位素的分離方法
    12.5.3  氚的提純回收
  參考文獻
  習題
第13章  氫內燃機與燃氣輪機
  13.1  氫內燃機
    13.1.1  氫內燃機結構系統
    13.1.2  NOx的排放
    13.1.3  熱效率和輸出功率
    13.1.4  氫內燃機的運行
  13.2  氫燃料燃氣輪機

    13.2.1  傳統的燃氣輪機
    13.2.2  氫燃氣輪機
    13.2.3  氫燃氣輪機的種類和特點
    13.2.4  氫燃氣輪機的效率和功率
  13.3  氨內燃機和燃氣輪機
    13.3.1  氨的特性和燃燒科學
    13.3.2  氨的分解
    13.3.3  氨內燃機
    13.3.4  氨燃氣輪機
  13.4  醇類內燃機和燃氣輪機
    13.4.1  醇的種類和基本特性
    13.4.2  乙醇汽油和內燃機
    13.4.3  甲醇內燃機和燃氣輪機
  參考文獻
  習題
第14章  氫還原和氫冶金
  14.1  直接還原鐵
    14.1.1  氫氣直接還原鐵
    14.1.2  直接還原鐵的主要工藝
  14.2  直接還原鐵的機理和特點
    14.2.1  氫基豎爐內主要反應
    14.2.2  氫還原鐵的特點
  14.3  高爐氫冶金
    14.3.1  高爐中的CO2排放
    14.3.2  高爐富氫冶煉
    14.3.3  混氫冶金和全氫冶金
  14.4  氫還原的熱力學和動力學
    14.4.1  O2分壓和H2O分壓的影響
    14.4.2  氫直接還原的熱力學
    14.4.3  CO與H2還原的區別
    14.4.4  氫還原和鐵的形成過程
  14.5  有色金屬氧化物的氫直接還原
    14.5.1  氧化鎢和氧化鉬還原
    14.5.2  氧化鉬還原
    14.5.3  鎳氧化物還原
    14.5.4  稀有金屬氧化物
    14.5.5  氫輔助鎂熱還原TiO2
  參考文獻
  習題
索引

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