Актуальность анализа металлов на водород определяется тем, что многие химические технологии имеют дело с водородом под большим давлением и часто при высоких температурах. В первую очередь это нефтехимия – гидрокрекинг, гидрирование, риформинг. Так, каталитическое гидрирование ведут при температурах до 400 о С и давлении до 400 атмосфер.
В силу чрезвычайно малых размеров атомов (даже не атомов, а протонов) водород легко растворяется в большинстве металлов и диффундирует в них. Это растворы внедрения. Время установления равновесия очень невелико; в зависимости от температуры и размеров изделий оно может составлять единицы – десятки часов. Процессу растворения предшествуют, естественно, адсорбция молекулярного водорода на поверхности металла и его атомизация. Чаще всего при данной температуре зависимость концентрации [H] растворённого в металле водорода от его парциального давления в газовой фазе c хорошей точностью подчиняется т. н. закону Сивертса, общему для двухатомных газов (закону квадратного корня), что как раз и свидетельствует об атомарной форме существования водорода в растворе: [H] = k • √(p(H_2))
Для большинства металлов с увеличением температуры растворимость водорода увеличивается (железо, марганец, хром, медь, кобальт, никель), другие же, способные к образованию водородных соединений, показывают отрицательную температурную зависимость. К последним относятся, например, титан, цирконий, ниобий, тантал, лантан.
Концентрация водорода в металле выражается обычно либо в массовых процентах, либо в единицах объёма газообразного Н2, растворяющегося в определённой массе металла.
Разные полиморфные модификации металла растворяют водород, как, впрочем, и другие газы, по-разному. Для железа это иллюстрируется рис.1. На рис. 2 приведены данные по влиянию на растворимость легирующих элементов.
Палладий обладает одной удивительной особенностью: при сравнительно небольшой растворимости коэффициент диффузии в нём водорода намного выше, чем у всех прочих металлов. По понятным причинам диффузия водорода в металлах хорошо изучена. Для палладия она становится заметной при 240 оС, для железа – при 300, для никеля – при 450, для платины – при 500, для меди – при 640 оС. В качестве иллюстрации на рис. 3 приведены данные по проницаемости палладиевых мембран (к сожалению, не указана толщина).
Исключая палладий, тонкие мембраны которого гипотетически можно использовать для получения сверхчистого водорода (дорого), для всех остальных металлов трудно найти в растворении водорода что-то полезное.
Воздействие водорода на сталь связывают с разрушением карбида железа и обусловленным этим ухудшением механических свойств:
Метан, образующийся в этой реакции, имеет сравнительно большие молекулы и не может легко диффундировать в металле. Он выделяется в дефектах решётки, в пустотах и приводит к образованию локальных очагов больших напряжений, главным образом по границам зёрен, и растрескиванию металла. В приповерхностных слоях изделий появляются пузыри (так называемые флокены), а на поверхности - хорошо заметные вздутия. Это явление называется водородной коррозией, и оно необратимо. Ухудшаются усталостные свойства стали.
Предполагается, что существует и другой механизм разрушения – за счёт выделения самого водорода при снижении температуры хорошо насыщенного им металла.
В производстве титана водород также является нежелательной примесью: ухудшает пластические свойства металла и создаёт большие трудности при сварке. Однако, в производстве титана существуют некоторые технологии, в ходе которых добиваются т. н. «водородного пластифицирования» отливок с целью облегчить процессы их прессования и обработки резанием. Водород при этом рассматривается как временный легирующий элемент, легко удаляемый вакуумным отжигом готовых изделий.