Реферат на тему получение водорода
Обновлено: 04.07.2024
Изучение свойств водорода и его использования в промышленности. Описание сущности водородной технологии и проблем получения энергии. Изучение методов получения молекулярного водорода и водородного топлива. Оценка роли водорода в кругообороте веществ.
| Рубрика | Производство и технологии |
| Вид | реферат |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 10.02.2014 |
| Размер файла | 20,0 K |
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Водород на Земле
Водород - один из наиболее распространённых элементов и на Земле. В земной коре из каждых 100 атомов 17 - атомы водорода. Он составляет примерно 0,88 % от массы земного шара (включая атмосферу, литосферу и гидросферу). Если вспомнить, что воды на земной поверхности более 1,5•1018 м3 и что массовая доля водорода в воде составляет 11,19 %, то становится ясно, что сырья для получения водорода на Земле - неограниченное количество. Водород входит в состав нефти, древесины, угля, природного газа. Водород входит в состав всех животных и растительных организмов. Он содержится и в вулканических газах. Основная масса водорода попадает в атмосферу в результате биологических процессов. При разложении в анаэробных условиях миллиардов тонн растительных остатков в воздух выделяется значительное количество водорода. Этот водород в атмосфере быстро рассеивается и диффундирует в верхние слои атмосферы. Имея малую массу, молекулы водорода обладают высокой скоростью диффузионного движения (она близка ко второй космической скорости) и, попадая в верхние слои атмосферы, могут улететь в космическое пространство.
Что такое водородная технология?
Под водородной технологией подразумевается совокупность промышленных методов и средств для получения, транспортировки и хранения водорода, а также средств и методов его безопасного использования на основе неисчерпаемых источников сырья и энергии.
В чём же привлекательность водорода и водородной технологии?
Переход транспорта, промышленности, быта на сжигание водорода - это путь к радикальному решению проблемы охраны воздушного бассейна от загрязнения оксидами углерода, азота, серы, углеводородами.
Водород, получаемый из воды, - один из наиболее энергонасыщенных носителей энергии. Чтобы накопить ископаемое горючее на нашей планете, нужны миллионы лет, а чтобы в цикле получения и использования водорода из воды получить воду, нужны дни, недели, а иногда часы и минуты.
Но водород как топливо и химическое сырьё обладает и рядом других ценнейших качеств. Универсальность водорода заключается в том, что он может заменить любой вид горючего в самых разных областях энергетики, транспорта, промышленности, в быту. Он заменяет бензин в автомобильных двигателях, керосин в реактивных авиационных двигателях, ацетилен в процессах сварки и резки металлов, природный газ для бытовых и иных целей, метан в топливных элементах, кокс в металлургических процессах (прямое восстановление руд), углеводороды в ряде микробиологических процессов. Водород легко транспортируется по трубам и распределяется по мелким потребителям, его можно получать и хранить в любых количествах. В то же время водород - сырьё для ряда важнейших химических синтезов (аммиака, метанола, гидразина), для получения синтетических углеводородов.
Как и из чего в настоящее время получают водород?
В распоряжении современных технологов имеются сотни технических методов получения водородного топлива, углеводородных газов, жидких углеводородов, воды. Выбор того или иного метода диктуется экономическими соображениями, наличием соответствующих сырьевых и энергетических ресурсов. В разных странах могут быть различные ситуации. Например, в странах, где имеется дешёвая избыточная электроэнергия, вырабатываемая на гидроэлектростанциях, можно получать водород электролизом воды (Норвегия); где много твёрдого топлива и дороги углеводороды, можно получать водород газификацией твёрдого топлива (Китай); где дешёвая нефть, можно получать водород из жидких углеводородов (Ближний Восток). Однако больше всего водорода получают в настоящее время из углеводородных газов конверсией метана и его гомологов (США, Россия).
После двухступенчатой конверсии метана, если водород предназначается для синтеза аммиака, в конвертированном газе кроме водорода (57%) и азота (22,4%) содержатся оксид углерода 13,4% и диоксид углерода 7,7% (объёмн.).
Оксид углерода далее превращается в водород и диоксид углерода в системе паровой конверсии. Паровая конверсия оксида углерода до водорода проводится в две ступени. Первая ступень конверсии осуществляется при температуре 330 - 400 oС на железо-хромовом катализаторе, при этом на выходе из конвертора первой ступени содержание оксида углерода в конвертированном газе падает до 3,3% (объёмн.), и с таким содержанием оксида углерода газ, пройдя через испаритель, вступает во вторую, низкотемпературную ступень конверсии. Здесь на низкотемпературном катализаторе конверсии, содержащем оксидные соединения меди, цинка, алюминия, хрома, при температуре 190-210 оС происходит доконверсия остаточного оксида углерода до его содержания на выходе из конвертора 0,4 - 0,5 %. Далее газ поступает на очистку углерода различного рода поглотителями. Так в промышленных условиях получают чистый водород и азото-водородную смесь.
Получение водорода - будущая технология
Современная технология обеспечивает ежегодное получение во всём мире десятков миллионов тонн молекулярного водорода. Более 90% его получается каталитической конверсией метана, жидких углеводородов, газификацией твёрдого топлива. Совершенно ясно, что в будущем при переходе на водородную технологию такие источники получения водорода, кроме твёрдого топлива, будут в основном исключены. В качестве основного источника сырья будет использоваться вода. В качестве источника энергии для разложения воды - атомная энергия в различных её видах (тепло, электроэнергия) и энергия воды, ветра в виде электрической энергии, энергия солнечного излучения. Электролиз воды проводится в промышленной практике давно и широко описан в литературе. Сейчас делаются значительные усилия в научной промышленности, чтобы использовать неисчерпаемую энергию солнечного излучения для разложения воды. Это и применение фотолизных ячеек для разложения воды, солнечных ячеек для получения электроэнергии с последующим её использованием при электролизе воды. Главная задача, которая здесь решается, заключается в том, чтобы провести под непосредственным воздействием солнечной энергии ряд фотохимических реакций с целевым назначением разложения воды до водорода кислорода. Суть проблемы заключается в том, чтобы подобрать такие биологические системы, которые будут использовать солнечную энергию для разложения воды.
Но наиболее в технологическом плане являются методы термохимического разложения воды. Эти методы важны тем, что для разложения воды они могут использовать и тепло атомных реакторов, солнечное тепло, и тепло геотермальных вод, и любые другие виды тепла, например перепад температур верхних и нижних слоёв тропических морей. Разрабатываются и комбинированные термохимические процессы, которые наряду с теплом используют электрическую энергию - термоэлектрохимические процессы, солнечное излучение, фото- и термохимические процессы. Термохимические процессы разложения воды привлекательны ещё и тем, что в результате целого ряда химических превращений, протекающих в термохимическом цикле (системе), из цикла в окружающее пространство ничего, кроме водорода и кислорода, не выделяется. Все химические процессы, сопровождающие разложение воды, находятся в закрытом циркуляционном контуре. В этот контур подводятся только вода и тепло (высокопотенциальное), от контура отводятся водород, кислород и тепло (низкопотенциальное).
Сколько получают водорода и для каких целей?
Водород получают в газообразном виде и, если для использования необходим жидкий водород, его подвергают глубокому охлаждению и ожижению.
Где же в настоящее время используется такая масса водорода? Во-первых, в азотной промышленности, для получения синтетического аммиака. Во-вторых, для получения метанола из СО и Н2, Значительное количество водорода используется в нефтехимической промышленности для очистки нефти от сернистых соединений, для гидрирования тяжелых нефтяных фракций и повышения выхода легких фракций, в ряде нефтехимических синтезов, для гидрирования жиров, в металлургии для восстановления руд черных и цветных металлов, жидкий водород необходим в авиации и космонавтике, в ряде производств. В будущем потребление водорода будет расти более высокими темпами. Возникнет промышленность синтетического жидкого и газообразного топлива на базе твердых горючих ископаемых (гидрирование и гидрогазификация твердых топлив).
Роль водорода и водородной технологии в кругообороте веществ в природе
В настоящее время связанный углерод в виде природного газа, нефти, твёрдого горючего (древесины, торфа, каменного угля) активной человеческой деятельностью в промышленности, на транспорте и в быту переводится в энергетические тупики - залежи карбонатных пород. Общее промышленно выделение СО2 в атмосферу с каждым годом возрастает. Возвратить эту огромную массу связанного углерода, исчисляемую десятками миллиардов тонн, в кругооборот веществ в природе - одна из важнейших задач водородной технологии. Именно водородная технология разработала ряд путей для достижения этой цели. В основе этой технологии лежат процессы гидрирования СО2 до метана, метанола, жидких углеводородов.
В долгосрочной перспективе диоксид углерода при наличии мощных источников дешёвого водорода может стать главным, а возможно и единственным сырьевым источником промышленного органического синтеза. При этом, вероятно, найдут применение как обычные химические, каталитические процессы, так и фотохимические и биохимические методы. Здесь необъятный простор для творчества всех степенях науки. Основным компонентом новой системы органической технологии на база СО2 является наличие мощной водородной технологии. Превратить СО2 атмосферы, а если потребуется и часть осадочных карбонатов земной коры в источник углеводородов - крупнейшая задача химии XXI века.
Внимание, водород!
Говоря о водороде, его широком использовании в быту, промышленности, на транспорте, нельзя забывать и о его взрыво- и пожароопасных свойствах. Недостаточная подготовленность и нестрогое выполнение правил при использовании водорода может привести к трагедиям, гибели людей.
При изучении в школе водорода как химического элемента необходимо осветить и его большое будущее в нашей жизни. На уроках химии следует подготавливать учащихся к обращению с ним при его получении и использовании. Нужно призывать их к большой осторожности и вниманию при работе с водородом. Каждый учащийся должен знать пределы его воспламенения и взрываемости в воздухе, в кислороде, энергию воспламенения, правила хранения и техники безопасности при обращении с водородом как газообразном, так и в жидком состоянии.
Проблемы получения энергии
Сейчас на человечество надвигается энергетический кризис, и пока официальная наука с прискорбием сообщает, что нет альтернативы традиционным источникам энергии - уголь, нефть, газ.
Огромную часть энергии дают нам АЭС и ГЭС. Поговорим об АЭС. На них используется энергия, получающаяся в результате расщепления атомного ядра. Но год назад Владимир Машков в своих исследованиях предложил расщеплять не тяжелые атомы, а легчайшие элементарные частицы.
Водород - очень перспективный энергоноситель, позволяющий одновременно решить сложные экологические проблемы. При его сгорании (быстро протекающей экзотермической реакции окисления кислородом) получаются лишь вода и тепло. Да, образуются еще окислы азота, количество которых зависит от температуры сгорания смеси в цилиндре двигателя. И здесь важно, что в водородных двигателях температура сгорания топлива на режимах городской эксплуатации существенно ниже, чем в углеводородных (бензиновых, спиртовых, метановых, пропан-бутановых и т.д.).
Очевидно, что если под "водородным двигателем" понимать электрический, получающий энергию от реакции соединения водорода и кислорода в топливных элементах, то окислов азота не будет совсем. А углеводородное топливо "поставляет" при сжигании целый букет токсичных соединений, среди которых сажа - далеко не самая вредная.
"Водородное будущее" автотранспорта эксперты связывают, прежде всего, с топливными элементами. Их притягательность признают все.
Никаких движущихся частей, никаких взрывов. Водород и кислород тихо-мирно соединяются в "ящике с мембраной" (так упрощённо можно представить топливный элемент) и дают водяной пар плюс электричество.
Ford, General Motors, Toyota, Nissan и многие другие компании наперебой щеголяют "топливоэлементными" концепткарами и собираются вот-вот "завалить" всех водородными модификациями некоторых из своих обычных моделей.
Водородные заправки уже появились в нескольких местах в Германии, Японии, США. В Калифорнии строят первые станции по электролизу воды, использующие ток, выработанный солнечными батареями. Аналогичные эксперименты проводят по всему миру.
Между тем, есть ещё один путь внедрения водорода на автотранспорте -- сжигание его в ДВС. Такой подход исповедуют BMW и Mazda. Японские и немецкие инженеры видят в этом свои преимущества.
Прибавку в весе машины даёт лишь водородная топливная система, в то время, как в авто на топливных элементах прирост (топливные элементы, топливная система, электромоторы, преобразователи тока, мощные аккумуляторы) -- существенно превышает "экономию" от удаления ДВС и его механической трансмиссии.
Потеря в полезном пространстве также меньше у машины с водородным ДВС (хотя водородный бак и в том, и другом случае съедает часть багажника).
Эту потерю можно было бы вообще свести к нулю, если сделать автомобиль (с ДВС), потребляющий только водород. Но тут-то и проявляется главный козырь японских и германских "раскольников".
BMW и Mazda предлагают сохранить в автомобиле возможность ездить на бензине (по аналогии с распространёнными ныне двухтопливными машинами "бензин/газ").
Такой подход, по замыслу автостроителей, облегчит постепенный переход автотранспорта только на водородное питание.
Меж тем, серийный выпуск и массовые продажи машин на топливных элементах долгое время будут сильно сдерживаться малым числом таких заправочных станций. Да, и стоимость топливных элементов пока велика.
Кроме того, перевод на водород обычных ДВС (при соответствующих настройках) не только делает их чистыми, но и повышает термический КПД и улучшает гибкость работы.
Дело в том, что водород обладает намного более широким, по сравнению с бензином, диапазоном пропорций смешивания его с воздухом, при которых ещё возможен поджиг смеси.
И сгорает водород полнее, даже вблизи стенок цилиндра, где в бензиновых двигателях обычно остаётся несгоревшая рабочая смесь.
водород промышленность топливо энергия
В результате написанной работы мы очень много узнали о таком важном, незаменимом, и интереснейшем веществе на нашей планете, как водород. Сколько бесценной информации уже смогли открыть учёные, изучая его, и сейчас, остаётся только гадать, что ещё можно открыть и узнать.
В прошлом году я писала работу по экологической химии, касающейся адсорбции в процессах очистки природных и сточных вод. Я говорила о применении новых технологий в чистке водоёмов. В моей теперешней работе я больше затрагиваю не гидросферу, а атмосферу. Если в нашей, да и во всех других странах, во всём мире, частенько возникают вопросы, что же делать с загрязнённой атмосферой, то почему нам не обратиться к такому аспекту, и не сделать акцент на том, чтобы её попросту не загрязнять.
Разумеется, это не возможно. Невозможно прекратить работу химической и других видов промышленности и применения современных технологий в сельском хозяйстве, агитируя и объясняя это только лишь тем, что мы боремся за чистоту воздуха. Но мы этого и не требуем
Но посмотрите, чем мы дышим, посмотрите, сколько выхлопных газов, разнообразных вредных веществ существует в атмосфере только лишь благодаря тому, что в мире распространено такое явление как автомобили. И если есть возможность предотвратить попадание этих опаснейших веществ в атмосферу, то почему мы этого до сих пор не сделали, почему это не сделали не мы, а те, кто этим должен заниматься? Куда смотрит наше здравоохранение?
Написав эту работу, я узнала, что у нашего мира ещё есть возможность хоть как то наладить экологическую обстановку, но захотят ли это сделать остальные, и будет ли им интересны дальнейшие разработки учёных этой отрасли, которые, поскольку тоже являются людьми этой планеты имеет прямую заинтересованность в этом вопросе.
Водород? Что такое водород? Простой элемент? Элемент, который имеет только лишь ряд особенностей, который только лишь немногим отличается от других?
Нет, как мы видим из всех доказательств, приведённых в работе, по тому, что мы узнали, мы теперь уверены, что водород - это не просто элемент, водород - это чудо, и сейчас его не без оснований называют чудесным топливом будущего.
Подобные документы
Получение водорода–будущая технология. Как и из чего в настоящее время получают водород. Сколько его получают и для каких целей. Роль водорода и водородной технологии в кругообороте веществ в природе. Проблемы получения энергии. Водородные двигатели.
реферат [32,9 K], добавлен 11.12.2007
Технологическая схема паро-углекислотного пиролиза углеводородного сырья и производственные связи установки получения водорода. Характеристика автоматизации производства и системы управления для снижения себестоимости и повышения качества Синтез-Газа.
дипломная работа [2,2 M], добавлен 26.11.2010
Процесс каталитического алкилирования для получения разветвленных углеводородов. Схема выделения фтористого водорода (HF) из кислых стоков процесса алкилирования, содержащих кислоторастворимые масла. Схема процесса выделения HF из реакции алкилирования.
курсовая работа [349,4 K], добавлен 11.10.2010
Изучение экстракционной технологии производства экологически чистого дизельного топлива. Описание технологической схемы получения очищенного топлива. Расчет реактора гидроочистки дизельной фракции, стабилизационной колонны и дополнительного оборудования.
курсовая работа [1,3 M], добавлен 24.01.2012
Водород в сплавах на основе железа. Способы определения содержания водорода в металле. Техника производства стали. Технология плавки. Исследования в условиях сталеплавильного производства. Струйно-кавитационное рафинирование.
дипломная работа [171,1 K], добавлен 13.09.2006
Описание установки как объекта автоматизации, варианты совершенствования технологического процесса. Расчет и выбор элементов комплекса технических средств. Расчет системы автоматического управления. Разработка прикладного программного обеспечения.
дипломная работа [4,2 M], добавлен 24.11.2014
Нанотехнологии и переход к водородной энергетике, разработка и изготовление наномашин. Основной вклад нанотехнологий в "чистое" производство водорода. Развитие новой области знаний о поведении наноразмерных систем с ионной и смешанной проводимостью.
Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Саратовских Мария Станиславовна, Агеева Елена Евгеньевна, 10А, школа №75
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 25000С 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 750-8500С 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 200-2500С.
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 10000С 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:
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 H2 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% H2 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 H2. 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 H2.
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% H2 ) 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.
Еще более ценным побочным продуктом электролиза воды является тяжелая вода – хороший замедлитель нейтронов в атомных реакторах. Кроме того, тяжелая вода используется в качестве сырья для получения дейтерия, который в свою очередь является сырьем для термоядерной энергетики.
Список литературы
Справочник. “Водород. Свойства, получение, хранение, транспортирование, применение”. Москва “Химия” - 1989 г.
Ю.М. Буров “Сверхадиабатические обжиговые печи” стр.6-7. “Машиностроитель”1995г. №12.
- Для учеников 1-11 классов и дошкольников
- Бесплатные сертификаты учителям и участникам
АДМИНИСТРАЦИЯ ГОРОДА НИЖНЕГО НОВГОРОДА
Департамент образования
Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение
603044, г. Нижний Новгород, проспект Героев, д. 20
тел. (8312) 270-19-59
Малая научно – исследовательская работа
Научный руководитель:
учитель химии Полежаева Э. Д.
г. Нижний Новгород
Содержание стр .
Глава 1 Обзор литературы 5-13
Глава 2 Методика исследования и результаты экспериментальной работы 14-15
2.1 Получение водорода в лабораторных условиях 14 2.2 Изучение свойств водорода 2.2.1 Взаимодействие с кислородом 14 2.2.2Взаимодействие с оксидом меди ( II ) 15 2.2.3 Образование мыльных пузырей 15
Выводы 16 Заключение 17
Список используемых источников и литературы 18
Что же такое водород? Водород - первый элемент периодической системы Д.И. Менделеева. Чем же так интересен и важен для человека водород? Исследования Солнца, звёзд, межзвёздного пространства показывают, что самым распространённым элементом Вселенной является водород (в космосе в виде раскалённой плазмы он составляет 70 % массы Солнца и звёзд). Превращения, которые происходят с водородом при гигантском давлении и температуре в десятки миллионов градусов, дают возможность Солнцу излучать тепло и свет. Нет опасений, что на Солнце скоро иссякнут запасы водорода. Оно существует миллиарды лет, а запас водорода в нём достаточен для того, чтобы обеспечить ещё столько же лет горения. Человек живёт в водородно-гелиевой вселенной. Поэтому водород представляет для нас очень большой интерес. Влияние и польза водорода в наши дни очень велика. На Земле водород тоже играет очень большую роль. Массовая доля водорода в земной коре составляет 1 % — это девятый по распространенности элемент. Однако его роль в природе определяется не массой, а числом атомов, доля которых среди остальных элементов составляет 17 %. Больше всего различных соединений водород образует с углеродом: нефть и горючие сланцы, бензин и черный асфальт. Такие соединения называются углеводородами. Водород широко применяется при сварке и резке металлов. Если к соединениям углерода и водорода добавить кислород, получаются новые, соединения - углеводы, например, такие не похожие друг на друга вещества, как крахмал и сахар. А если водород соединить с азотом, получится газ - аммиак. Он необходим для изготовления удобрений. Водород входит в состав всех животных и растительных организмов.
Много достоинств у водорода - экологически безвреден, энергоемок, находится в природе в изобилии и это позволяет использовать его как ракетное топливо. Те же особенности водорода делают его перспективным и в качестве топлива авиационного.
Предмет исследования - физические и химические свойства водорода
Цель работы: получение водорода и изучение его свойств .
Изучить теоретический материал, касающийся водорода и его свойств;
Выяснить, кто открыл водород и откуда появилось это название;
Расширить представления о физических и химических свойствах водорода;
Узнать, каковы области применения водорода;
Получить водород и изучить его свойства экспериментально .
Глава 1 Обзор литературы
1.1 Нахождение в природе
Водород — самый распространённый элемент во Вселенной. На его долю приходится около 88,6 % всех атомов.Водород — основная составная часть звёзд и межзвёздного газа. Он играет ключевую роль в протекающих в звездах реакциях синтеза. По некоторым расчётам, каждую секунду в глубинах Солнца примерно 564 млн. тонн водорода в результате термоядерного синтеза превращаются в 560 млн. тонн гелия, а 4 млн. тонн водорода превращаются в мощное излучение, которое уходит в космическое пространство. Водород – один из наиболее распространённых элементов и на Земле. В земной коре из каждых 100 атомов 17 – атомы водорода. Он составляет примерно 0,88 % от массы земного шара (включая атмосферу, литосферу и гидросферу). Если вспомнить, что воды на земной поверхности более 1,5∙1018 м 3 и что массовая доля водорода в воде составляет 11,19 %, то становится ясно, что сырья для получения водорода на Земле – неограниченное количество. Водород входит в состав нефти (10,9 – 13,8 %), древесины (6 %), угля (бурый уголь – 5,5%), природного газа (25,13 %). Водород входит в состав всех животных и растительных организмов. Он содержится и в вулканических газах. Основная масса водорода попадает в атмосферу в результате биологических процессов. При разложении в анаэробных условиях миллиардов тонн растительных остатков в воздух выделяется значительное количество водорода. Этот водород в атмосфере быстро рассеивается и диффундирует в верхние слои атмосферы. Имея малую массу, молекулы водорода обладают высокой скоростью диффузионного движения (она близка ко второй космической скорости) и, попадая в верхние слои атмосферы, могут улететь в космическое пространст-во. Концентрация водорода в верхних слоях атмосферы составляет 1∙10-4 %.
История открытия водорода
Странным на первый взгляд делом занялся однажды английский ученый Генри Кавендиш: он стал пускать мыльные пузыри. Но это не было развлечением. Перед этим он заметил, что, когда железные опилки обливают серной кислотой, появляется много пузырьков какого-то газа. Что это за газ?
1.3 Характеристика химического элемента водорода
Водород - это элемент первой группы главной подгруппы в первом малом периоде. Данный период состоит всего из двух атомов: гелия и рассматриваемого нами элемента. Порядковый номер водорода - 1, количество электронов такое же, соответственно, протонов столько же. Атомная масса - 1,00795. Благодаря совсем маленькой атомной массе, водород считается самым легким элементом. Кроме того, его плотность также очень мала, поэтому он также является эталоном легкости. Таким образом, очевидно, что атом водорода - это совершенно уникальный, непохожий на все остальные элемент. Следовательно, свойства его тоже особенные, а образуемые простые и сложные вещества очень важны. В одород (простое вещество) - это газ. Его эмпирическая формула записываться как Н 2.
1.4 Водород простое вещество
Молекулы водорода образованы двумя атомами химического элемента водорода. Формула его Н 2 . Относительная молекулярная масса простого вещества водорода равна: Mr ( H 2 ) =2 Ar ( H ) =2. Следовательно, молярная масса водорода равна: M ( H 2 ) =2г/моль Молярный объем водорода, как и других газов при нормальных условиях, равен: Vm ( H 2 )=22,4 л/моль. Молекула водорода самая легкая из молекул всех веществ. Поэтому газообразный водород по плотности значительно уступает воздуху и кислороду — он в 14,5 раза легче воздуха и в 16 раз легче кислорода. В виде простого вещества водород встречается на Земле лишь в небольшом количестве в вулканических и некоторых других природных газах. Молекулы водорода Н 2 обнаружены в верхних слоях земной атмосферы. В Солнечной системе простое вещество водород входит в состав атмосферы планет — Юпитера, Сатурна, Урана.
1.4.1 Физические свойства водорода.
При обычных условиях водород - это газ, не имеющий запаха, цвета и вкуса. Это самое лёгкое вещество на Земле. Его плотность равна примерно 0,9г/дм³. В воде водород растворяется плохо (примерно 2 объёма на 100 объёмов воды), но может поглощаться некоторыми металлами. Например, 1 объём палладия может растворить до 900 объёмов водорода.
Температура кипения - (-252,6 0 С). Температура плавления - (-259,1 0 С). В обозначенном интервале температур является бесцветной жидкостью, не имеющей запаха. Жидкий водород замерзает, превращаясь в бесцветные кристаллы. 2 Является горючим и взрывоопасным веществом. Кристаллическая решетка простого вещества молекулярная. Водород - неметалл.
1.4.2 Химические свойства водорода.
В соединениях водород всегда одновалентен.
Молекула водорода состоит из двух атомов. Возникновение связи между ними объясняется образованием обобщенной пары электронов Н:Н или Н 2
Благодаря этому обобщению электронов молекула Н 2 более энергетически устойчива, чем его отдельные атомы. Чтобы разорвать в 1 моль водорода молекулы на атомы, необходимо затратить энергию 436 кДж.
Этим объясняется сравнительно небольшая активность молекулярного водорода при обычной температуре.
Со многими неметаллами водород образует газообразные соединения типа RН 4 , RН 3 , RН 2 , RН.
При нагревании водород вступает в реакции соединения с простыми веществами — кислородом, хлором, азотом, серой и углеродом.
1) С галогенами образует галогеноводороды:
Н 2 + Cl 2 → 2НСl.
2) С кислородом - воду:
2Н 2 + О 2 → 2Н 2 О
При обычных температурах реакция протекает медленно, выше 550°С — со взрывом. Смесь 2 объемов Н 2 и 1 объема О 2 называется гремучим газом.
3) При нагревании энергично реагирует с серой с образованием сероводорода:
Н 2 + S → H 2 S
4) С азотом с образованием аммиака лишь на катализаторе и при повышенных температурах и давлениях:
ЗН 2 + N 2 → 2NН 3
5) С углеродом при высоких температурах образует метан:
2Н 2 + С → СН 4
6) С щелочными и щелочноземельными металлами образует гидриды :
Н 2 + 2Li → 2LiH
Со сложными веществами:
7) С оксидами металлов (используется для восстановления металлов):
CuO + H 2 → Cu + H 2 O
Fe 3 O 4 + 4H 2 → 3Fe + 4Н 2 О
1.5 Получение водорода.
Существует множество различных способов получения водорода. Одни из них применяются уже давно, другие – это современные разработки. Очевидно, что при огромных объемах промышленного производства сырьем для получения водорода должны быть легкодоступные и дешевые вещества. Такими веществами являются природный газ (метан СН 4 ) и вода. Запасы природного газа очень велики, а воды — практически неограниченны.
1.5.1 Промышленные способы получения водорода:
Паровая конверсия метана;
Газификация угля - процесс подразумевает нагревание угля до 1000 0С, в результате чего образуется водород и высокоуглеродный уголь;
Сырьем для получения водорода является природный газ, уголь и нефть. И здесь возникает самая большая проблема из-за вредных выбросов при использовании этих ресурсов. Поэтому можно с уверенностью сказать, что самый экологически чистый способ получения водорода – это электролиз водных растворов солей (например, NaCI , Na 2 SO 4 ). 3
1.5.2 Лабораторные способы получения водорода :
Действие разбавленных кислот на металлы:
Zn +2HCl → ZnCl 2 +H 2 ↑
При воздействии кислот на металлы. Как правило, используется цинк в гранулах и 10-20% раствор серной (либо соляной) кислоты. Сам процесс происходит в аппарате Киппа. Он позволяет прерывать, либо возобновлять реакцию по мере необходимости.
Взаимодействие щелочных и щелочноземельных металлов с водой:
Ca +2H 2 O → Ca(OH) 2 +H 2 ↑
Гидролиз гидридов: гидриды металлов легко разлагаются водой с образованием соответствующей щелочи и водорода:
NaH +H 2 O → NaOH +H 2 ↑
СаH 2 + 2Н 2 О = Са(ОН) 2 + 2Н 2 ↑
Действие щелочей на цинк или алюминий :
2Al +2NaOH +6H 2 O → 2Na[Al(OH) 4 ] +3H 2 ↑
Zn +2KOH +2H 2 O → K 2 [Zn(OH) 4 ] +H 2 ↑
Электролиз воды. Для увеличения электрической проводимости воды к ней добавляют электролит, например NаОН, Н 2 SO 4 или Na 2 SO 4 . На катоде образуется 2 объема водорода, на аноде — 1 объем кислорода.
2H 2 O → 2H 2 +О 2
1.6 Применение водорода
Водород получают в газообразном виде и, если для использования необходим жидкий водород, его подвергают глубокому охлаждению и ожижению. Мировое промышленное производство водорода измеряет- ся десятками миллионов тонн в год. Так как водород в 14,5 раз легче воздуха, и если им наполнить воздушные шары, они будут отдаляться от Земли со скоростью 85 км в час, что в два раза превышает скорость шаров, наполненных гелием, и в шесть раз - скорость шаров, наполнен- ных природным газом. Первыми поднялись на воздушном шаре заполненном водородом французские физики Ф. Робер и Ж. Шарль (1783). С 1852 года -- с тех самых пор, как первый дирижабль на основе водорода был создан Генри Гиффардом -- водород использовал- ся в воздухоплавании.
Глава 2 Методика исследования и результаты
экспериментальной работы
2.1 П олучения водорода и з цинка и соляной кислоты
Действие разбавленных кислот на металлы:
Zn +2HCl → ZnCl 2 +H 2 ↑
Опыт №1. Для опыта нам понадобится аппарат Кирюшкина. Поместили в аппарат несколько кусочков цинка и добавили 10% -ную соляную кислоту. Чтобы собрать выделяемый водород берем еще одну пробирку (перевернутую вверх дном) и вставляем в нее газоотводную трубку. В пробирке начинает накапливаться водород. Важно помнить, что в пробирке также присутствует и кислород (в составе воздуха), а вместе эти два газа представляют собой взрывоопасную смесь. Поэтому следует позаботиться о технике безопасности.
2.2 Изучение химических свойств водорода
2.2.1 Взаимодействие с кислородом:
2Н 2 + О 2 → 2Н 2 О
с выделением тепла. При обычных температурах реакция протекает медленно, выше 550°С — со взрывом. Смесь 2 объемов Н 2 и 1 объема О 2 называется гремучим газом.
Опыт №1 . Проверка водорода на чистоту и горение. Поднесем к пламени горящей спиртовке пробирку, в которой собран водород.
2.2.2 Взаимодействие с оксидами металлов (используется для восстановления металлов):
CuO + H 2 → Cu + H 2 O
Опыт №2 . Поместим в пробирку немного черного порошка оксида меди ( II ). В эту же пробирку внесем газоотводную трубку от аппарата Кирюшкина, в котором мы получили водород. Пробирку с оксидом нагреем на пламени спиртовки.
Результат: наблюдаем изменение окраски черного порошка на красный (это металл – медь) и образование на стенках пробирки капелек воды .
2.2.3 Образование мыльных пузырей
Источник водорода – аппарат Кирюшкина. Выделяющийся в результате реакции водород при открытом кране выходит по газоотводной трубке. Подносим конец газоотводной трубки к фарфоровой чашке в которой находится мыльный раствор. Содержимое фарфоровой чашки начинает пузыриться. Мыльные пузыри, заполненные водородом, стремятся вверх. Водород – газ, который значительно легче воздуха.
На основании изучение данной темы можно сделать следующие выводы:
2. Водород это газ, который можно получать в школьной лаборатории, н о необходимо соблюдать правила по технике безопасности, так как этот газ взрывоопасен. При горении он образует воду.
3. Водород восстанавливает металлы из их оксидов, в результате реакции нами были получены - медь ( это металл красного цвета) и вода;
4.Водород очень лёгок и в воздухе всегда поднимается вверх. Когда-то дирижабли и воздушные шары наполняли водородом. Но в 30-х гг. XX в. произошло несколько катастроф, в ходе которых дирижабли взрывались и сгорали. Во время блокады Ленинграда город защищали от бомбежек аэростатами заполненными водородом. В наше время дирижабли наполняют гелием, несмотря на его существенно более высокую стоимость.
В заключение мне хотелось бы сказать, что в одород очень важное, незаменимое и интереснейшее вещество. Он – самый распространенный элемент во Вселенной. Энергия, излучаемая Солнцем и другими звёздами, выделяется в результате ядерных реакций с участием его ядер. В земной коре он встречается почти исключительно в виде соединений: входит в состав нефти, природного газа, каменного угля, некоторых минералов. Самое известное соединение водорода – это его оксид, вода.
В ходе работы я узнал, что у нас есть возможность изменить экологическую обстановку на Земле, уменьшить выброс вредных веществ в атмосферу. Водород не без оснований называют чудесным топливом будущего. т.к, при его использовании не образуются парниковые газы и не нарушается круговорот воды в природе.
В ограниченном масштабе применяют способ взаимодействия водяного пара с фосфором и термического разложения углеводородов:
СН 4 (1000 °С) = С + 2 Н 2 (выделяется в виде газа).
В некоторых случаях водород получают в результате каталитического расщепления метанола с водяным паром
СН 3 ОН + Н 2 О (250 °С) = СО 2 + 3 Н 2 ,
или в результате каталитического термического разложения аммиака
2 NH 3 (950 °С) --> N 2 + 3 H 2 .
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 м 3 /сутки).
Важнейшие методы получения водорода.
1. Растворение цинка в разбавленной соляной кислоте
Zn + 2 HCl = ZnCl 2 + H 2
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 SO 2 и H 2 S. При использовании не вполне чистого цинка образуются ещё и другие соединения, загрязняющие водород, например AsH 3 и PH 3 . 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 H 2 O = 2 Na[Al(OH) 4 ] + 3 H 2
Si + 2 KOH + H 2 O = Na 2 SiO 3 + 2 H 2
Эти реакции применяли раньше для получения водорода в полевых условиях (для наполнения аэростатов). Для получения 1 м 3 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 = Na 2 SiO 3 + CaO + 2 H 2 .
3. Действие натрия на воду
2 Na + 2 H 2 O = 2 NaOH + H 2
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
СaН 2 + 2 H 2 O = Сa(OH) 2 + 2 H 2
Этот метод является удобным способом получения водорода в полевых условиях. Для получения 1 м 3 водорода теоретически необходимо 0,94 кг СаН 2 и, кроме воды, не требуется никаких других реактивов.5. Пропускание водяного пара над раскалённым докрасна железом
4 Н 2 О + 3 Fe = Fe 3 O 4 + 4 H 2
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
Н 2 О + С = СО + Н 2 .
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 + Н 2 Опар = СО 2 + Н 2 ("конверсия СО").
Образующийся при этом СО 2 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 СО 2 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
СН 4 + Н 2 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
СН 4 + 2 О 2 = СО 2 + 2 Н 2 Опар + 802 кДж (при постоянном давлении).
При этом соотношение компонентов выбирают с таким расчётом, чтобы реакция в целом была экзотермичной
12 СН 4 + 5 Н 2 Опар + 5 О 2 = 29 Н2 + 9 СО + 3 СО 2 + 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 Н 2 О = 2 Н 3 РО 4 + 5 Н 2
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 Н 3 РО 4 с фосфором с образованием Н 3 РО 3 и РН 3 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 H 2 O = 2 H 2 + O 2
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.
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.
Нахождение водорода в природе.
Водород является одним из наиболее распространённых элементов - его доля составляет 0,88% от массы всех трёх оболочек земной коры (атмосферы, гидросферы и литосферы), что при пересчёте на атомные проценты даёт цифру 15,5.
Основное количество этого элемента находится в связанном состоянии. Так, вода содержит его около 11 вес. %, глина - около 1,5% и т. д. В виде соединений с углеродом водород входит в состав нефти, горючих природных газов и всех организмов.
Свободный водород состоит из молекул Н 2 . Он часто содержится в вулканических газах. Частично он образуется также при разложении некоторых органических остатков. Небольшие его количества выделяются зелёными растениями. Атмосфера содержит около 10-5 объёмн. % водорода.
В природе водород образуется главным образом при разложении органических веществ, например целлюлозы или белков, некоторыми видами бактерий. Большие его количества освобождаются при коксовании угля; поэтому светильный и коксовый газы в среднем состоят на 50 объёмн. % из свободного водорода. В последнее время коксовый газ стали технически перерабатывать на водород, сжижая его и выделяя водород как трудно конденсирующийся газ.
Читайте также: