Простой способ получения водорода. Получение водорода
Получение водорода
Водород широко используют в самых различных отраслях промышленности: в синтезе хлорводорода, аммиака (аммиак далее используется для производства азотных удобрений), в анилинокрасочном производстве, при восстановлении из руд цветных металлов. В пищевой промышленности его применяют для получения заменителей животных жиров (маргаринов). В связи с вышеперечисленным актуальным вопросом является получение водорода в промышленных условиях.
Этот газ рассматривается как будущий носитель энергии в силу того, что он является возобновляемым, не выделяет "парникового газа" CO₂ при сжигании, дает большое количество энергии на единицу веса в процессе горения и легко преобразуется в электроэнергию топливных элементов.
В лабораторных условиях чаще всего водород получают восстановлением металлами, которые стоят левее в электрохимическом ряду напряжений, из воды и кислот:Zn + 1HCl = ZnCl₂ + H₂↑: ΔH <02Na + 2HOH = 2NaOH + H₂↑: ΔH <0.
В промышленности получение водорода происходит, в основном, путем переработки природных и попутных газов.
1. Конверсия метана. Процесс заключается во взаимодействии метана с парами воды при 800 – 900°С: CH₄ + H₂O = CO↑ + 3H₂↑; ΔH>0. Наряду с этим используют процесс неполного окисления углеводородов кислородом в присутствии водяных паров: 3CH₄ + O₂ + H₂O = 3CO + 7 H₄. Эти методы со временем утратят свое значение, поскольку запасы углеводородного сырья истощаются.
2. Биоводород может быть получен из морских водорослей в биореакторе. В конце 1990-х годов было обнаружено, что если водорослей лишить серы, они будут переключаться с производства кислорода, т. е. нормального фотосинтеза, на производство водорода. Биоводород может также производиться в биореакторах, использующих, кроме водорослей, бытовые отходы. Процесс происходит благодаря бактериям, которые поглощают углеводород, а производят водород и CO2.
3. Глубокое охлаждение коксового газа. При процессе коксования каменного угля получают три фракции: твердую – кокс, жидкую – каменноугольную смолу - и газообразную, содержащую, помимо углеводородов, молекулярный водород (около 60%). Эту фракцию подвергают сверхглубокому охлаждению после того, как обработают специальным веществом, что дает возможность отделить от примесей водород.
4. Получение водорода из воды с применением электролиза – способ, дающий самый чистый водород: 2H₂O →электролиз→2H₂ + O.
5. Конверсия углерода. Вначале получается водяной газ, при пропускании паров воды через раскаленный до 1000°С кокс: C + H₂O = CO↑ + H₂↑; ΔH>0, который затем в смеси с водяным паром пропускают над нагретым до 400 - 500°С катализатором Fe₂O₃. Происходит взаимодействие оксида углерода (II) и водяного пара: CO + H₂O + (H₂) = CO₂ + 2H₂↑; ΔH>0.
6. Получение водорода конверсией угарного газа (CO), основанное на уникальной реакции с помощью фотосинтетических пурпурных бактерий (одноклеточных микроорганизмов своеобразной красной или розовой окраски, которая связана с наличием пигментов фотосинтеза). Эти бактерии выделяют водород в результате реакции конверсии: CO + H₂O →CO₂ + H₂.
Образование водорода идет из воды, реакция не требует высоких температур и освещения. Процесс происходит при комнатной температуре в темноте.
Важное промышленное значение в наши дни приобретает выделение водорода из газов, образующихся при переработке нефти.
Однако многие не знают, что возможно получение водорода в домашних условиях. Для этих целей можно воспользоваться реакцией раствора щелочи и алюминия. Возьмем пол-литровую стеклянную бутылку, пробку с отверстием, газоотводную трубку, 10 г медного купороса, 20 г соли, 10 г алюминия, 200 г воды, воздушный шар.
Готовим раствор медного купороса: на 100 г воды добавляем 10 г медного купороса.
Готовим соляной раствор: на 100 г воды добавляем 20 г соли.
Растворы смешиваем. Добавляем в полученную смесь алюминий. После того, как в бутылке появилась белая взвесь, прикрепляем к трубке шар и наполняем его выделяющимся водородом.
Обратите внимание! Данный опыт проводить нужно только на свежем воздухе. Обязателен контроль температуры, так как реакция происходит с выделением тепла и может выйти из-под контроля.
Также следует помнить, что водород, если его смешать с воздухом, образует зрывоопасную смесь, которую называют гремучим газом (две части водорода и одна часть кислорода). Если такую смесь поджечь, то она взорвется.
fb.ru
Производство водорода
Одним из существенных достоинств водородной энергетики является наличие множества способов производства водорода. Это способствует повышению энергетической безопасности и снижению зависимости от определенных типов сырья. Производство водорода может осуществляться:
- способом паровой конверсии метана и природного газа;
- при помощи газификации угля;
- посредством электролиза воды;
- способом пиролиза;
- методом частичного окисления;
- биотехнологическими способами.
На сегодняшний день самый дешевый и доступный способ – это паровая конверсия. По прогнозам специалистов его использование будет иметь место на начальном этапе внедрения водородной экономики. Однако в будущем все же понадобится переход на использование возобновляемых источников энергии, потому что существенное сокращение выброса парниковых газов является едва ли не главной причиной перехода к водородной энергетике. В таком качестве можно использовать солнечную энергию или энергию ветра, которая позволяет осуществлять электролиз воды.
Возможность сосредоточить производство водорода на больших предприятиях предполагает снижение себестоимости выработки, но в то же время нужны дополнительные расходы на транспортирование водорода к специальным автозаправочным станциям. Как вариант рассматривается производство водорода в малых масштабах непосредственно на водородных АС.
Сейчас водород получают из многих источников сырья. Далее рассмотрим наиболее востребованные из них.
Углеводороды
На сегодняшний день почти половина выработки водорода осуществляется методом паровой конверсии природного газа (метана). Этот процесс представляет собой смешивание метана с водяным паром при температуре 700 − 1000°С под высоким давлением при наличии катализатора.
Газификация угля
Газификация угля является старейшим способом добычи водорода. Процесс происходит так: нагревается уголь до температуры 800 -1300°С в условиях отсутствия кислорода. FutureGen разработала проект новой водородной электростанции, основанной на производстве основного элемента таким способом. Ее предполагают в скором времени построить в США.
Биомасса
Из биомассы водород добывают двумя способами: биохимическим и термохимическим. При биохимическом производстве водород вырабатывается различными бактериями, к примеру, Rodobacter speriodes. Термохимический метод предполагает нагревание биомассы до температуры 500 - 800°С (древесные отходы) при отсутствии доступа воздуха. Результатом этого является выделение h3, CO и Ch5.
Мусор
Технологический прогресс предполагает нахождение новых методов выработки водорода, коим является производство водорода из мусора. Данный метод уже активно внедряется в жизнь.
Химическая реакция воды с металлами
Американский университет Purdue изобрел способ выработки водорода из воды посредством использования сплава алюминия. Он предполагает формирование пеллетов из сплава галлия с алюминием, которые затем помещаются в емкость с водой. Возникает химическая реакция, в результате которой производится водород.
Электролиз воды осуществляют водородные генераторы, преобразовывая в электроэнергию тепло от промышленных установок либо от окружающей среды и разлагая воду.
Получение водорода из энергетических источников, таких как ветер, солнце, атомная энергия пока только исследуется учеными. Как показывают исследования, данные методы имеют перспективу широкого использования в будущем. Их внедрение планируется осуществить в следующие несколько лет. Конечно поначалу себестоимость водорода, добытого такими способами, будет высокой, но затем ее показатель постепенно достигнет оптимальной отметки.
На данный момент водород используется при изготовлении бензина, аммиака, а также без него не обходится производство перекиси водорода.
fb.ru
Получение водорода - Ида Тен
История открытия водорода
История водорода начинается с XVI века, когда было замечено, что при действии кислот на железо и другие металлы выделяется некий неизвестный газ. Первоначально его назвали «горючим воздухом». Такое название газ получил из-за способности гореть.
Во второй половине XVIII века английский ученый Генри Кавендиш получил водород при действии соляной кислоты HCl на цинк:
Zn + 2HCl = ZnCl2 + h3.
Что же такое кислота с точки зрения химии? Кислота – это сложное вещество, в состав которого всегда входят атомы водорода. В формулах кислот атомы водорода принято писать на первом месте. Атомы, следующие в формуле за водородом, называют кислотным остатком. Так, в соляной кислоте HCl кислотный остаток – Cl. Например, в серной кислоте h3SO4, кислотный остаток – SO4.
Кислота – сложное вещество, в состав которого входят атомы водорода и кислотный остаток
Генри Кавендиш изучил свойства «горючего воздуха». Он установил, что этот газ намного легче воздуха, а при сгорании на воздухе образует прозрачные капли жидкости. Этой жидкостью оказалась вода. Генри Кавендиша считают первооткрывателем водорода.
Вывод о том, что «горючий воздух» представляет собой простое вещество, был сделан в 1784 году французским химиком Антуаном Лораном Лавуазье.
Антуан Лоран Лавуазье дал этому веществу латинское название (Hydrogenium), которое происходило от греческих слов «хюдор» – вода и «геннао» – рождаю.
В те годы под элементами подразумевали простые вещества, которые нельзя далее разложить на составные части. Поэтому у химического элемента водорода такое же название, как и у просто вещества h3. Русское слово водород – это точный перевод латинского названия Hydrogenium.
Получение водорода в лаборатории
Современный лабораторный способ получения водорода не отличается от того, которым его получал Генри Кавендиш. Это реакции металлов с кислотами.
В лаборатории водород получают в аппарате Киппа (рисунок 152). 
- реакционная колба с резервуаром;
- воронка с длинной трубкой;
- газоотводная трубка.
Реакционная колба имеет верхнюю шарообразную часть с отверстием, в которое вставляется газоотводная трубка, снабженная краном или зажимом, и нижний резервуар в виде полусферы. Нижний резервуар и реакционная колба разделены резиновой или пластиковой прокладкой с отверстием, через которое проходит в нижний резервуар длинная трубка воронки, доходящая почти до дна.
На прокладку через боковое отверстие шпателем насыпают твёрдые вещества (мрамор, цинк). Отверстие закрывается пробкой с газоотводной трубкой. Затем при открытом кране или зажиме в верхнюю воронку заливается раствор кислоты. Когда уровень жидкости достигает вещества на прокладке, начинается химическая реакция с выделением газа.
При закрытии крана давление выделяющегося газа выдавливает жидкость из реактора в верхнюю часть воронки. Реакция прекращается. Открытие крана приводит к возобновлению реакции.
Поместим в реакционную колбу кусочки цинка. В качестве кислоты воспользуемся серной кислотой. При контакте цинка и серной кислоты протекает реакция:
Zn + h3SO4 = ZnSO4 + h3
Водородом можно заполнить мыльный пузырь. Для этого необходимо 
опустить газоотводную трубку в мыльный раствор. На конце трубки начнется формирование мыльного пузыря, заполненного водородом; со временем пузырь отрывается и улетает вверх, что доказывает легкость водорода.
Соберем выделяющийся водород. С учетом того, что водород намного легче воздуха, для сбора водорода сосуд, в котором собирается газ, необходимо располагать вверх дном, или производить собирание методом вытеснения воды.
Как обнаружить водород? Заполним пробирку водородом, держа ее вверх дном, по отношению к газоотводной трубке. Поднесем пробирку отверстием к пламени спиртовки – слышится характерный хлопок. Хлопок – это признак того, что в пробирке содержится водород. При поднесении пробирки к пламени водород вступает в реакцию с кислородом, содержащимся в воздухе. При малых количествах реакция кислорода и водорода сопровождается хлопком. Более подробно об этой реакции будет рассказано в следующем параграфе.
Получение водорода в промышленности
Одним из промышленных способов получения водорода является реакция разложения воды под действием электрического тока:
2h3O эл.ток → 2h3 + O2.
Данный метод позволяет получить чистый водород и кислород. Процесс 
превращения химических веществ в другие вещества под действием электричества называется электролизом.
Электролиз – химическая реакция, протекающая под действием электрического тока
Проведем электролиз воды. В стакан наполненный водой, опустим металлические электроды. Поверх электродов опустим в стакан пробирки, заполненные водой. Подсоединим электроды к источнику тока – батарейке. В пробирках наблюдается выделение газов – водорода и кислорода, которые вытесняют воду.
Наблюдая за процессом электролиза, можно заметить, что в одной из пробирок газа собирается в два раза больше, чем в другой. Проанализировав уравнение реакции электролиза воды, можно сделать вывод, в какой пробирке выделяется водород, а в какой – кислород. Попробуйте это сделать самостоятельно.
Существуют и другие способы получения водорода.
Железо-паровой метод долгое время широко применялся в промышленности. Через электрическую трубчатую печь проходит трубка из нержавеющей стали, заполненная железными стружками. Через трубку с железными стружками пропускают водяной пар. При температуре около 800°С пары воды взаимодействуют с железом, образуя оксид Fe3O4 (железную окалину) и газообразный водород:
3Fe + 4Н2О = 4Н2 + Fe3O4.
Можно получить Н2, пропуская Н2О через слой раскаленного угля. При этом образуется смесь двух газов – СО и Н2 (водяной газ):
Н2О + С = CO + Н2
В настоящее время водород получают взаимодействием углеводородов (в основном метана, СН4) с водяным паром или неполным окислением метана кислородом:
СН4 + Н2О = СО + 3Н2,
2СН4 + О2 = 2СО + 4Н2.
- В лаборатории водород получают в аппарате Киппа
- Исходными веществами для получения водорода в лаборатории являются некоторые металлы и кислоты
- Собирать водород нужно методом вытеснения воды, или методом вытеснения воздуха, расположив пробирку вверх дном по отношению к газоотводной трубке
- Кислота – сложное вещество, в состав которого входят атомы водорода и кислотный остаток
- Обнаружить водород можно по характерному хлопку при поднесении пробирки с водородом к пламени
- Одним из промышленных способов получения водорода является электролиз воды
- Электролиз – химическая реакция, протекающая под действием электрического тока
idaten.ru
Получение водорода
.
В ограниченном масштабе применяют способ взаимодействия водяного пара с фосфором и термического разложения углеводородов:
СН4 (1000 °С) = С + 2 Н2 (выделяется в виде газа).
В некоторых случаях водород получают в результате каталитического расщепления метанола с водяным паром
СН3 ОН + Н2 О (250 °С) = СО2 + 3 Н2 ,
или в результате каталитического термического разложения аммиака
2 Nh4 (950 °С) --> N2 + 3 h3 .
Однако эти исходные соединения получают в больших масштабах из водорода; между тем получение из них водорода является особенно простым и может быть использовано в таких производствах, которые потребляют его в сравнительно малых количествах (менее 500 м3 /сутки).
Важнейшие методы получения водорода.
1. Растворение цинка в разбавленной соляной кислоте
Zn + 2 HCl = ZnCl2 + h3
Этот способ чаще всего применяют в лабораториях.
Вместо соляной кислоты можно также использовать разбавленную серную кислоту; однако если концентрация последней слишком высока, то выделяющийся газ легко загрязняется SO2 и h3 S. При использовании не вполне чистого цинка образуются ещё и другие соединения, загрязняющие водород, например Ash4 и Ph4 . Их присутствие и обусловливает неприятный запах получаемого этим способом водорода.
Для очистки водород пропускают через подкисленный раствор перманганата или бихромата калия, а затем через раствор едкого кали, а также через концентрированную серную кислоту или через слой силикагеля для освобождения от влаги. Мельчайшие капельки жидкости, захваченные водородом при его получении и заключённые в пузырьках газа, лучше всего устранять при помощи фильтра из плотно спрессованной обычной или стеклянной ваты.
Если приходится пользоваться чистым цинком, то к кислоте необходимо добавить две капли платинохлористоводородной кислоты или сернокислой меди, иначе цинк не вступает в реакцию.
2. Растворение алюминия или кремния в едкой щёлочи
2 Al + 2 NaOH + 6 h3 O = 2 Na[Al(OH)4 ] + 3 h3
Si + 2 KOH + h3 O = Na2 SiO3 + 2 h3
Эти реакции применяли раньше для получения водорода в полевых условиях (для наполнения аэростатов). Для получения 1 м3 водорода (при 0 °С и 760 мм рт. ст.) требуется только 0,81 кг алюминия или 0,63 кг кремния по сравнению с 2,9 кг цинка или 2,5 кг железа.
Вместо кремния также применяют ферросилиций (кремниевый метод). Смесь ферросилиция и раствора едкого натра, введённая в употребление незадолго до первой мировой войны во французской армии под названием гидрогенита, обладает свойством после поджигания тлеть с энергичным выделением водорода по следующей реакции:
Si + Ca(OH)2 + 2 NaOH = Na2 SiO3 + CaO + 2 h3 .
3. Действие натрия на воду
2 Na + 2 h3 O = 2 NaOH + h3
Ввиду того, что чистый натрий реагирует в этом случае слишком энергично, его чаще вводят в реакцию в виде амальгамы натрия; этот способ применяют преимущественно для получения водорода, когда им пользуются для восстановления "in statu nascendi". Аналогично натрию с водой реагируют и остальные щелочные и щелочноземельные металлы.
4. Действие гидрида кальция на воду
СaН2 + 2 h3 O = Сa(OH)2 + 2 h3
Этот метод является удобным способом получения водорода в полевых условиях. Для получения 1 м3 водорода теоретически необходимо 0,94 кг СаН2 и, кроме воды, не требуется никаких других реактивов.5. Пропускание водяного пара над раскалённым докрасна железом
4 Н2 О + 3 Fe = Fe3 O4 + 4 h3
При помощи этой реакции в 1783 г. Лавуазье впервые аналитически доказал состав воды. Образующийся при этой реакции оксид железа нетрудно восстановить до металлического железа, пропуская над ним генераторный газ так, что пропускание водяного пара над одним и тем же железом можно провести произвольное число раз. Этот метод долгое время имел большое промышленное значение. В небольших масштабах его применяют и в настоящее время.
6. Пропускание водяного пара над коксом.
При температуре выше 1000 °С реакция идёт главным образом по уравнению
Н2 О + С = СО + Н2 .
Вначале получают водяной газ, т. е. смесь водорода и монооксида углерода с примесью небольших количеств углекислого газа и азота. От углекислого газа легко освобождаются промыванием водой под давлением. Монооксид углерода и азот удаляют при помощи процесса Франка-Каро-Линде, т. е. сжижением этих примесей, что достигается охлаждением жидким воздухом до -200 °С. Следы СО удаляют, пропуская газ над нагретой натронной известью
СО + NaOH = HCOONa - формиат натрия.
Этот метод даёт очень чистый водород, который используют, например, для гидрогенизации жиров.
Чаще, однако, водяной газ в смеси с парами воды при температуре 400 °С пропускают над соответствующими катализаторами, например над оксидом железа или кобальта (контактный способ получения водяного газа). В этом случае СО реагирует с водой по уравнению
СО + Н2 Опар = СО2 + Н2 ("конверсия СО").
Образующийся при этом СО2 поглощается водой (под давлением). Остаток монооксида углерода (~1 об. %) вымывают аммиачным раствором однохлористой меди. Применяемый в этом способе водяной газ получают пропусканием водяного пара над раскалённым коксом. В последнее время всё больше используют взаимодействие водяного пара с пылевидным углём (превращение угольной пыли в газы). Полученный таким способом водяной газ содержит обычно большое количество водорода. Выделяемый из водяного газа водород (содержащий азот) применяют главным образом для синтеза аммиака и гидрирования угля.
7. Фракционное сжиженнее коксового газа.
Подобно получению из водяного газа, водород можно получать фракционным сжижением коксового газа, основной составной частью которого является водород.
Сначала коксовый газ, из которого предварительно удаляют серу, очищают от СО2 промыванием водой под давлением с последующей обработкой раствором едкого натра. Затем постепенно освобождают от остальных примесей ступенчатой конденсацией, проводимой до тех пор, пока не остаётся только водород; от других примесей его очищают промыванием сильно охлаждённым жидким азотом. Этот метод применяют главным образом, чтобы получить водород для синтеза аммиака.
8. Взаимодействие метана с водяным паром (разложение метана).
Метан взаимодействует с водяным паром в присутствии соответствующих катализаторов при нагревании (1100 °С) по уравнению
СН4 + Н2 Опар + 204 кДж (при постоянном давлении).
Необходимое для реакции тепло следует подводить или извне, или применяя "внутреннее сгорание", т. е. подмешивая воздух или кислород таким образом, чтобы часть метана сгорала до диоксида углерода
СН4 + 2 О2 = СО2 + 2 Н2 Опар + 802 кДж (при постоянном давлении).
При этом соотношение компонентов выбирают с таким расчётом, чтобы реакция в целом была экзотермичной
12 СН4 + 5 Н2 Опар + 5 О2 = 29 Н2 + 9 СО + 3 СО2 + 85,3 кДж.
Из монооксида углерода посредством "конверсии СО" также получают водород. Удаление диоксида углерода производят вымыванием водой под давлением. Получаемый методом разложения метана водород используют главным образом при синтезе аммиака и гидрировании угля.
9. Взаимодействие водяного пара с фосфором (фиолетовым).
2 Р + 8 Н2 О = 2 Н3 РО4 + 5 Н2
Обычно процесс проводят таким образом: пары фосфора, получающиеся при восстановлении фосфата кальция в электрической печи, пропускают вместе с водяным паром над катализатором при 400-600 °С (с повышением температуры равновесие данной реакции смещается влево). Взаимодействие образовавшейся вначале Н3 РО4 с фосфором с образованием Н3 РО3 и РН3 предотвращают быстрым охлаждением продуктов реакции (закалка). Этот метод применяют прежде всего, если водород идёт для синтеза аммиака, который затем перерабатывают на важное, не содержащее примесей удобрение - аммофос (смесь гидро- и дигидрофосфата аммония).
10. Электролитическое разложение воды.
2 h3 O = 2 h3 + O2
Чистая вода практически не проводит тока, поэтому к ней прибавляются электролиты (обычно КОН). При электролизе водород выделяется на катоде. На аноде выделяется эквивалентное количество кислорода, который, следовательно, в этом методе является побочным продуктом.
Получающийся при электролизе водород очень чист, если не считать примеси небольших количеств кислорода, который легко удалить пропусканием газа над подходящими катализаторами, например над слегка нагретым палладированным асбестом. Поэтому его используют как для гидрогенизации жиров, так и для других процессов каталитического гидрирования. Водород, получаемый этим методом довольно дорог.
Применение водорода.
В настоящее время водород получают в огромных количествах. Очень большую часть его используют при синтезе аммиака, гидрогенизации жиров и при гидрировании угля, масел и углеводородов. Кроме того, водород применяют для синтеза соляной кислоты, метилового спирта, синильной кислоты, при сварке и ковке металлов, а также при изготовлении ламп накаливания и драгоценных камней. В продажу водород поступает в баллонах под давлением свыше 150 атм. Они окрашены в тёмно-зелёный цвет и снабжаются красной надписью "Водород".
Водород используется для превращения жидких жиров в твердые (гидрогенизация), производства жидкого топлива гидрогенизацией углей и мазута. В металлургии водород используют как восстановитель оксидов или хлоридов для получения металлов и неметаллов (германия, кремния, галлия, циркония, гафния, молибдена, вольфрама и др.).
Практическое применение водорода многообразно: им обычно заполняют шары-зонды, в химической промышленности он служит сырьём для получения многих весьма важных продуктов (аммиака и др.), в пищевой - для выработки из растительных масел твёрдых жиров и т. д. Высокая температура (до 2600 °С), получающаяся при горении водорода в кислороде, используется для плавления тугоплавких металлов, кварца и т. п. Жидкий водород является одним из наиболее эффективных реактивных топлив. Ежегодное мировое потребление водорода превышает 1 млн. т.
mirznanii.com
Урок 26. Получение водорода и его применение – HIMI4KA
В уроке 26 «Получение водорода и его применение» из курса «Химия для чайников» узнаем о получении водорода в лабораториях и в промышленности, а также выясним в каких отраслях промышленности его применяют.
Водород находит широкое применение в технике и лабораторных исследованиях. Мировое промышленное производство водорода из меряется десятками миллионов тонн в год.
Выбор промышленного способа получения простых веществ зависит от того, в какой форме соответствующий элемент находится в природе. Водород находится в природе преимущественно в соединениях с атомами других элементов. Поэтому для его получения необходимо использовать химические методы. Эти же методы применяют для получения водорода и в лабораторной практике.
Получение водорода в лаборатории
В лабораториях водород получают уже известным вам способом, действуя кислотами на металлы: железо, цинк и др. Поместим на дно пробирки три гранулы цинка и прильем небольшой объем соляной кислоты. Там, где кислота соприкасается с цинком (на поверхности гранул), появляются пузырьки бесцветного газа, которые быстро поднимаются к поверхности раствора:
Атомы цинка замещают атомы водорода в молекулах кислоты, в результате чего образуется простое вещество водород Н2, пузырьки которого выделяются из раствора. Для получения водорода таким способом можно использовать не только хлороводородную кислоту и цинк, но и некоторые другие кислоты и металлы.
Соберем водород методом вытеснения воздуха, располагая пробирку вверх дном (объясните почему), или методом вытеснения воды и проверим его на чистоту. Пробирку с собранным водородом наклоняем к пламени спиртовки. Глухой хлопок свидетельствует о том, что водород чистый; «лающий» громкий звук взрыва говорит о загрязненности его примесью воздуха.
В химических лабораториях для получения относительно небольших объемов водорода обычно применяют способ разложения воды с помощью электрического тока:
Из уравнения процесса разложения следует, что из 2 моль воды образуются 2 моль водорода и 1 моль кислорода. Следовательно, и соотношение объемов этих газов также равно:
Получение водорода в промышленности
Очевидно, что при огромных объемах промышленного производства сырьем для получения водорода должны быть легкодоступные и дешевые вещества. Такими веществами являются природный газ (метан СН4) и вода. Запасы природного газа очень велики, а воды — практически неограниченны.
Самый дешевый способ получения водорода — разложение метана при нагревании:
Эту реакцию проводят при температуре около 1000 °С.
В промышленности водород также получают, пропуская водяные пары над раскаленным углем:
Существуют и другие промышленные способы получения водорода.
Применение водорода
Водород находит широкое практическое применение. Основные области его промышленного использования показаны на рисунке 103.
Значительная часть водорода идет на переработку нефти. Около 25 % производимого водорода расходуется на синтез аммиака Nh4. Это один из важнейших продуктов химической промышленности. Производство аммиака и азотных удобрений на его основе осуществляется в нашей стране на ОАО «Гродно Азот». Республика Беларусь поставляет азотные удобрения во многие страны мира.
В большом количестве водород расходуется на получение хлороводородной кислоты. Реакция горения водорода в
кислороде используется в ракетных двигателях, выводящих в космос летательные аппараты. Водород применяют и для получения металлов из оксидов. Таким способом получают тугоплавкие металлы молибден и вольфрам.
В пищевой промышленности водород используют в производстве маргарина из растительных масел. Реакцию горения водорода в кислороде применяют для сварочных работ. Если использовать специальные горелки, то можно повысить температуру пламени до 4000 оС. При такой температуре проводят сварочные работы с самыми тугоплавкими материалами.
В настоящее время в ряде стран, в том числе и в Беларуси, начаты исследования по замене невозобновляемых источников энергии (нефти, газа, угля) на водород. При сгорании водорода в кислороде образуется экологически чистый продукт — вода. А углекислый газ, вызывающий парниковый эффект (потепление окружающей среды), не выделяется.
Предполагают, что с середины XXI в. должно быть начато серийное производство автомобилей на водороде. Широкое применение найдут домашние топливные элементы, работа которых также основана на окислении водорода кислородом.
Краткие выводы урока:
- В лаборатории водород получают действием кислот на металлы.
- В промышленности для получения водорода используют доступное и дешевое сырье — природный газ, воду.
- Водород — это перспективный источник энергии XXI в.
Надеюсь урок 26 «Получение водорода и его применение» был понятным и познавательным. Если у вас возникли вопросы, пишите их в комментарии. Если вопросов нет, то переходите к следующему уроку.
himi4ka.ru
Получение водорода
.
Саратовских Мария Станиславовна, Агеева Елена Евгеньевна, 10А, школа №75
Черноголовка
Водородная энергетика сформировалась как одно из направлений развития научно-технического прогресса в середине 70-х годов прошлого столетия. По мере того, как расширялась область исследований, связанных с получением, хранением, транспортом и использованием водорода, становились все более очевидными экологические преимущества водородных технологий в различных областях народного хозяйства. Успехи в развитии ряда водородных технологий (таких как топливные элементы, транспортные системы на водороде, металлогидридные и многие другие) продемонстрировали, что использование водорода приводит к качественно новым показателям в работе систем или агрегатов. А выполненные технико-экономические исследования показали: несмотря на то, что водород является вторичным энергоносителем, то есть стоит дороже, чем природные топлива, его применение в ряде случаев экономически целесообразно уже сейчас. Поэтому работы по водородной энергетике во многих, особенно промышленно развитых странах относятся к приоритетным направлениям развития науки и техники и находят все большую финансовую поддержку со стороны как государственных структур, так и частного капитала.
Свойства водорода.
В свободном состоянии и при нормальных условиях водород - бесцветный газ, без запаха и вкуса. Относительно воздуха водород имеет плотность 1/14. Он обычно и существует в комбинации с другими элементами, например, кислорода в воде, углерода в метане и в органических соединениях. Поскольку водород химически чрезвычайно активен, он редко присутствует как несвязанный элемент.
Охлажденный до жидкого состояния водород занимает 1/700 объема газообразного состояния. Водород при соединении с кислородом имеет самое высокое содержание энергии на единицу массы: 120.7 ГДж/т. Это - одна из причин, почему жидкий водород используется как топливо для ракет и энергетики космического корабля, для которой малая молекулярная масса и высокое удельное энергосодержание водорода имеет первостепенное значение. При сжигании в чистом кислороде единственные продукты - высокотемпературное тепло и вода. Таким образом, при использовании водорода не образуются парниковые газы и не нарушается даже круговорот воды в природе.
Производство водорода.
Запасы водорода, связанного в органическом веществе и в воде, практически неисчерпаемы. Разрыв этих связей позволяет производить водород и затем использовать его как топливо. Разработаны многочисленные процессы по разложению воды на составные элементы.
При нагревании свыше 25000 С вода разлагается на водород и кислород (прямой термолиз). Столь высокую температуру можно получить, например, с помощью концентратов солнечной энергии. Проблема здесь состоит в том, чтобы предотвратить рекомбинацию водорода и кислорода.
В настоящее время в мире большая часть производимого в промышленном масштабе водорода получается в процессе паровой конверсии метана (ПКМ). Полученный таким путем водород используется как реагент для очистки нефти и как компонент азотных удобрений, а также для ракетной техники. Пар и тепловая энергия при температурах 750-8500 С требуются, чтобы отделить водород от углеродной основы в метане, что и происходит в химически паровых реформерах на каталитических поверхностях. Первая ступень процесса ПКМ расщепляет метан и водяной пар на водород и моноксид углерода. Вслед за этим на второй ступени "реакция сдвига" превращает моно оксид углерода и воду в диоксид углерода и водород. Эта реакцияпроисходит при температурах 200-2500 С.
В 30-е годы в СССР получали в промышленных масштабах синтез-газ путем паро-воздушной газификации угля. В настоящий момент в ИПХФ РАН в Черноголовке разрабатывается технология газификация угля в сверхадиабатическом режиме. Эта технология позволяет переводить тепловую энергию угля в тепловую энергию синтез-газа с КПД 98%.
Начиная с 70-х годов прошлого века в стране были выполнены и получили необходимое научно-техническое обоснование и экспериментальное подтверждение проекты высокотемпературных гелиевых реакторов (ВТГР) атомных энерготехнологических станций (АЭТС) для химической промышленности и черной металлургии. Среди них АБТУ-50, а позднее - проект атомной энерготехнологической станции с реактором ВГ-400 мощностью 1060 МВт для ядерно-химического комплекса по производству водорода и смесей на его основе, по выпуску аммиака и метанола, а также ряд последующих проектов этого направления.
Основой для проектов ВТГР послужили разработки ядерных ракетных двигателей на водороде. Созданные в нашей стране для этих целей испытательные высокотемпературные реакторы и демонстрационные ядерные ракетные двигатели продемонстрировали работоспособность при нагреве водорода до рекордной температуры 3000К.
Высокотемпературные реакторы с гелиевым теплоносителем - это новый тип экологически чистых универсальных атомных энергоисточников, уникальные свойства которых - способность вырабатывать тепло при температурах более 10000 С и высокий уровень безопасности - определяют широкие возможности их использования для производства в газотурбинном цикле электроэнергии с высоким КПД и для снабжения высокотемпературным теплом и электричеством процессов производства водорода, опреснения воды, технологических процессов химической, нефтеперерабатывающей, металлургической и др. отраслей промышленности.
Одним из наиболее продвинутых в этой области является международный проект ГТ-МГР, который разрабатывается совместными усилиями российских институтов и американской компании GA. С проектом сотрудничают также компании Фраматом и Фуджи электрик.
Получение атомного водорода.
В качестве источника атомного водорода используют вещества, отщепляющие при их облучении атомы водорода. Например, при облучении ультрафиолетовым светом йодистого водорода происходит реакция с образованием атомного водорода:
HI + hv® H + I
Для получения атомного водорода применяется также метод термической диссоциации молекулярного водорода на платиновой, палладиевой или вольфрамовой проволоке, нагретой в атмосфере водорода при давлении менее 1,33 Па. Диссоциации водорода на атомы можно достигнуть и при использовании радиоактивных веществ. Известен способ получения атомного водорода в высокочастотном электрическом разряде с последующим вымораживанием молекулярного водорода.
Физические методы извлечения водорода из водородосодержащих смесей.
Водород в значительных количествах содержится во многих газовых смесях, например в коксовом газе, в газе, получаемом при пиролизе бутадиена, в производстве дивинила.
Для извлечения водорода из водородосодержащих газовых смесей используют физические методы выделения и концентрирования водорода.
Низкотемпературная конденсация и фракционирование. Этот процесс характеризуется высокой степенью извлечения водорода из газовой смеси и благоприятными экономическими показателями. Обычно при давлении газа 4 МПа для получения 93-94%-ного водорода необходима температура 115К. При концентрации водорода в исходном газе более 40% степень его извлечения может достигать 95%. Расход энергии на концентрирование h3 от 70 до 90% составляет примерно 22 кВт. ч на 1000м3 выделяемого водорода.
Адсорбционное выделение. Этот процесс осуществляется при помощи молекулярных сит в циклически работающих адсорберах. Его можно проводить под давлением 3-3,5 МПа со степенью извлечения 80-85% h3 в виде 90%-ного концентрата. По сравнению с низкотемпературным методом выделения водорода для проведения этого процесса требуется примерно на 25-30% меньше капитальных и на 30-40% эксплуатационных затрат.
Адсорбционное выделение водорода при помощи жидких растворителей. В ряде случаев метод пригоден для получения чистого h3. По этому методу может быть извлечено 80-90% водорода, содержащегося в исходной газовой смеси, и достигнута его концентрация в целевом продукте 99,9%. Расход энергии на извлечение составляет 68 кВт. ч на 1000м3 h3 .
Получение водорода электролизом воды.
Электролиз воды один из наиболее известных и хорошо исследованных методов получения водорода. Он обеспечивает получение чистого продукта (99,6-99,9% h3 ) в одну технологическую ступень. В производственных затратах на получение водорода стоимость электрической энергии составляет примерно 855.
Этот метод получил применение в ряде стран, обладающих значительными ресурсами дешевой гидроэнергии. Наиболее крупные электрохимические комплексы находятся в Канаде, Индии, Египте, Норвегии, но созданы и работают тысячи более мелких установок во многих странах мира. Важен этот метод и потому, что он является наиболее универсальным в отношении использования первичных источников энергии. В связи с развитием атомной энергетики возможен новый расцвет электролиза воды на базе дешевой электроэнергии атомных электростанций. Ресурсы современной электроэнергетики недостаточны для получения водорода в качестве продукта для дальнейшего энергетического использования.
Электрохимический метод получения водорода из воды обладает следующими положительными качествами: 1) высокая чистота получаемого водорода – до 99,99% и выше; 2) простота технологического процесса, его непрерывность, возможность наиболее полной автоматизации, отсутствие движущихся частей в электролитической ячейке; 3) возможность получения ценнейших побочных продуктов – тяжелой воды и кислорода; 4) общедоступное и неисчерпаемое сырье – вода; 5) гибкость процесса и возможность получения водорода непосредственно под давлением; 6) физическое разделение водорода и кислорода в самом процессе электролиза.
Во всех процессах получения водорода разложением воды в качестве побочного продукта будут получаться значительные количества кислорода. Это даст новые стимулы его применения. Он найдет свое место не только как ускоритель технологических процессов, но и как незаменимый очиститель и оздоровитель водоемов, промышленных стоков. Эта сфера использования кислорода может быть распространена на атмосферу, почву, воду. Сжигание в кислороде растущих количеств бытовых отходов сможет решить проблему твердых отбросов больших городов.
mirznanii.com
Получение водорода химическим способом в домашних условиях |
Самый первый элемент, который вы встретите, открыв периодическую таблицу Менделеева это водород. Весьма простое вещество водород (h3) представляет собой бесцветный газ. Водород, сам по себе, горючь и взрывоопасен. Водород нетоксичен, но практически не встречается в природе в чистой виде – его, как правило, извлекают из других веществ разнообразными способами. В этой статье описано простой и доступный рецепт получения водорода химическим способом.
Получение водорода в домашних условиях:
Получить водород в домашних условиях, на пример, для того что бы надуть воздушный шарик или просто из любопытства. Можно достаточно быстро и просто, с минимальными затратами времени и денег – вам для этого не нужны редкие химические реактивы.
Предупреждение:
Водород — бесцветный газ, который горюч и взрывоопасен – проводите свои опыты, соблюдая все правила техники безопасности!!!
Рецепт первый, не проверенный:
Вам понадобится поваренная соль, медный купорос и алюминиевая фольга или проволока (алюминиевая стружка), вода и стеклянные ёмкости для смешивани.
Насыпьте в отдельный одноразовый стаканчик медный купорос (количество выбирайте сами), а в другой стаканчик поваренную соль в таком же количестве (купорос и соль пропорция один к одному) После вам необходимо растворить в стеклянной банкевашу смесь. Далее вам необходимо высыпать в раствор соли и медного купороса алюминиевую стружку и можете наблюдать выделение водорода.
Рецепт второй, проверенный нами:
Я делал так: взял медный купорос и каустическую соду (средство для прочистки труб типа крот), по чайной ложке (пропорция 1:1) и растворил в ста миллилитрах воды. После чего высыпал туда мелко нарезанную алюминиевую проволоку. Смесь аж забурлила, очень активно начал выделятся водород, и выделялся до того момента пока смесь была голубого цвета. Когда смесь стала белой, водород уже не выделялся, хотя бурление продолжалось. Видимо медный купорос весь прореагировал и его необходимо туда добавлять снова и снова. Я поджигал смесь и она горела оранжевым пламенем пока была синей и выделялся водород, как побелела — гореть перестала. Если вы начинающий химик и не знаете всех правил техники безопасности, то поджигать смесь я вам не советую — это взрывоопасно!!!
P.S.: Я постарался наглядно показать и описать не хитрые советы. Надеюсь, что хоть что-то вам пригодятся. Но это далеко не всё что возможно выдумать, так что дерзайте, и штудируйте сайт http://bip-mip.com/
bip-mip.com
