Получение водорода в промышленности и в лаборатории. Получение водорода в промышленности
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. Установки получения (производства) водорода.
Общее описание
- Генератор водорода
- Установка оборудована 2 пакетами элементов для производства водорода 30 нм³/ч
- Контейнер модернизирован и подготовлен для увеличения производительности в будущем до 45 нм³/ч. Так же если в будущем потребуется дополнительно увеличить мощность, то контейнер рассчитан на увеличение до 60 нм³/ч.
- Модуль хранения объемом 50 м³ по воде для хранения 450 нм³ водорода при 10 бар.
Предложенная нами система включает стандартные встроенные системы безопасности, стандартное заводское приемочное испытание и комплект технической документации.
Услуги на месте включают: пуск системы, ввод в эксплуатацию и обучение на месте. Строительные работы и подготовка площадки, выполняемые на месте, осуществляются заказчиком в соответствии с требованиями.
Энергоисточники (вода, электричество, азот, воздух КИП,…) должны быть доступны на месте.
Характеристики электролизера:
- Полностью автоматическая работа
- Полный контроль получения водорода
- Производство под давлением (10 бар изб.) без установки компрессора
- Высокая эффективность и надежность
- Очень низкие затраты на техническое обслуживание (ограниченное число подвижных деталей, без насоса для электролита)
- Водород не содержит углерода – без вредных выбросов
- Производственный процесс сертифицирован по ISO 9001, 14001
- Услуги по пуску и пост-продажному обслуживанию
Введение
Установка производства водорода в контейнерном исполнении для установки снаружи представляет собой комплексную установку производства водорода с производительностью по водороду 60 нм³/ч при чистоте 99,998% и давлении 10 бар (изб.)
Разработан модифицированный ISO контейнер повышенной вместимости для размещения генератора водорода и всего его питающего оборудования.
Ввод оборудования для наружного размещения в эксплуатацию на площадке заказчика тем самым значительно облегчен по сравнению с установкой в существующее помещение генератора на базе скида.
Надежность
Используя принцип внедрения технологического уровня эксплуатационной безопасности оборудования каждая установка помимо прочего обладает следующими характеристиками:
- минимальное присутствие газа в системе
- определение минимального давления для предотвращения попадания воздуха
- система непрерывного мониторинга/обнаружения водорода в атмосфере
- система защитной вентиляции зона II (только с кожухом или корпусом (каркасом) для наружного размещения)
- надежная логическая схема для всех параметров
- Система бесперебойного питания, обеспечивающая безопасное отключение в случае аварийного отключения питания
- Система постоянного мониторинга, чистота производства О2 газа
- Системы множественного / параллельного управления
- Многократное резервирование параметров, которые являются критичными в рамках безопасности системы
Автоматизация
Надежность – это одно из наиболее значимых требований для наших заказчиков. Установка разработана для полностью непрерывной эксплуатации с минимальной потребностью в присутствии оператора, обеспечивая константный поток водорода.
- Система контроля давления: Человеко-машинный интерфейс на панели управления позволяет операторы выбрать требуемое давление газа (между 8 и 10 бар изб.). Установка автоматически регулирует свою производительность с тем, чтобы обеспечить установленное давление.
- Автоматизация охлаждения: охлаждающая вода поступает в теплообменники через клапан, регулируемый ПЛК. При повышении температуры клапан открывается, тем самым подавая большее количество охлаждающей воды в контур. В результате этого – стабильная производственная температура.
- Автоматическая продувка азотом: следуя принципам системы, продувка азотом требуется перед запуском установки при внутреннем давлении ниже 15 кПа. Процесс продувки регулируется ПЛК системы путем активации клапана в последовательном процессе.
- Удаленный I/O: используя современное соединение PROFIBUS, мы значительно уменьшили количество соединительных кабелей и соответственно время, необходимое на установку. Внедрение прокола в комбинации с безопасным ПЛК и безопасным I/O позволяет системе полностью соответствовать самым строгим актуальным нормам и стандартам безопасности. ПЛК автоматически диагностирует любые ошибки передачи данных, не только делая систему безопаснее, но также сокращая время и силы на устранения неполадок.
Объем поставки
Сенсорный экран с человеко-машинным интерфейсом (HMI)
Экран HMI расположен на панели управления и позволяет оператору контролировать и эксплуатировать электролизер либо с экрана, либо с удаленного соединения, через защищенное соединение VPN. Система мониторинга включает в себя запись данных на компактную флэш карту. Она также позволяет нашим техническим специалистам подключаться к электролизеру, для диагностики и исправления случаев неисправностей и тревожной сигнализации при необходимости.
Исполнение контейнера
ISO 40’ футовый контейнер спроектирован и модифицирован для размещения водородной установки 60 нм³/ч и включает:
- изолированные стенки и перекрытия
- пол из металлических листов
- запираемые двери во внешних стенках
- Освещение во всех отсеках
- Все устройства полностью оснащены и установлены на место вкл. трубную обвязку и кабели, что значительно сокращает время и затраты на установку / межсоединения на месте.
- Два вытяжных вентилятора, которые вытягивают воздух через технологическое помещение из помещения общего назначения. Первый обеспечивает минимальный поток и работает постоянно. Поток проверяется между помещением общего назначения и технологическим помещением и подается аварийный сигнал, если минимум не достигнут.
Второй вентилятор активируется, когда температура окружающего воздуха в технологическом помещении находится вне пределов спецификации или когда обнаружен водород.
Технологический скид
Ключевым компонентов электролизного скида является пакет биполярных ячеек для электролиза воды под давлением. Пакет ячеек состоит из кольцевых электролизных ячеек, в каждой из которых содержатся два электрода и одна щелочная неорганическая ионообменная мембрана.
Генерация h3 и O2 происходит при подаче тока на пакет ячеек. Газы затем направляются на газовый сепаратор, который представляет собой двойной сосуд под давление из нержавеющей стали, после которого они промываются в специально спроектированном напорном сосуде, расположенном над газосепаратором.
Технологическая часть поставляется как полностью собранный скид, в который включено оборудование, например:
- Пакеты ячеек
- Газосепарторы, установка промывки газообразного водорода и коалесцирующие фильтры
- Теплообменники для электролита и системы газового охлаждения
- Лоток детектора утечек с реле уровня
- Детектор водорода , панель анализатора для водорода в кислороде
- Приборы кип и распределительные коробки: датчики, трансмиттеры, реле и т.д.
- Клапаны и вентиляционные коллекторы (h3 и O2)
Блок управления
Шкаф панели управления включает в себя ПЛК и все соответствующее оборудования для обеспечения автоматической и надежной эксплуатации установки. Панель управления с помощью кабелей будет подсоединена как к технологической части, так и к силовой стойке. Характеристики:
- Утвержденный электрический кожух с 2 запираемыми дверцами
- Вентиляторы охлаждения + система фильтрации воздуха
- ПЛК (Siemens S-7 программное обеспечение)
- Снаружи: терминал с дисплеем для визуализации и HMI
- Аварийный останов на дверце кожуха
- Блок бесперебойного питания для безопасного отключения
- Источник питания 24 В пост. тока
- Автоматические выключатели и трансформаторы
- Печатные платы и звуковая сигнализация
Блок питания
Блок питания конвертирует входящей 3х фазный переменный ток в стабилизированный постоянный ток, требуемый для процесса электролиза.
Каждый блок питания может питать до 2 пакетов элементов и состоит из:
- Кожух с запираемой дверцей
- Охлаждающие вентиляторы + система фильтрации воздуха
- Защитная блокировка дверного переключателя
- ПЛК контролируется тиристорами
- Трансформатор
- Выпрямительный диод
- Автоматические выключатели, контакторы
- Измерительный пакет элементов на дверце амперметр и вольтметр
- Устройство проверки фазы
Система очистки водорода
Система очистки водорода спроектирована для дальнейшей очистки водорода до минимального уровня в размере 99.998%. Данная чистота достигается в 2 этапа:
Этап 1. Деоксидизация: для уменьшения содержания O2 в потоке газообразного h3 с помощью каталитической реакции. Выход O2 в h3 составляет менее 10 ppm или опционально менее 2 ppm.
Этап 2. Осушка: для удаления влажности в 2 колоннах осушки. Одна колонна находится в работе, в то время как вторая находится в режиме резерва / регенерации. Водород на выходе будет иметь атмосферную точку росы менее -60 °C или опционально менее -75 °C.
Система очистка водорода сконструирована на скиде и располагается в технологическом помещении. Система очистки водорода управляется с помощью центрального ПЛК в панели управления и имеет следующие особенности:
- Сосуд деокисидзации с катализатором для удаления О2 в h3 (с обогревом и изоляцией)
- Теплообменник
- Коалесцирующий фильтр
- Система дренажного сосуда для удаления воды
- Оборудование КИП
- Две колонны осушки с молекулярным ситом (с обогревом и изоляцией) (с временной регенерацией)
- Соединения до контура охлаждения газа
- Соединение до вентиляционных коллекторов технологической части (h3 и O2)
Холодильник (охлаждение газа)
Холодильник подает охлаждающую воду низкой температуры в замкнутый контур газообразного водорода и кислорода в сторону теплообменников при температуре 15 °C, вне зависимости от температуры окружающей среды. Охлажденная вода охлаждает газообразный водород и кислород, превращая водяной пар, появляющийся в процессе электролиза, в конденсат. Затем он фильтруется и удаляется из потока газа. Холодильник устанавливается внутри кожуха для применения внутри помещения и включает насос и расширительный бак.
Спецификация на чиллер
Система охлаждения электролита
Данная система охлаждения, включающая в себя насосный скид и сухой охладитель, выводит тепло в окружающий воздух.
Охлаждающая вода, как правило, водный раствор этиленгликоль, циркулирует в закрытом контуре, через высокопроизводительный теплообменник по типу «электролит-вода», установленный в технологической части установки производства водорода.
Благодаря системе охлаждения закрытого цикла гарантируется полная выходная способность установки по водороду в диапазоне температуры окружающей среды от -40 до +40°C. Сухой охладитель и насосный скид регулируются с помощью центрального ПЛК в панели управления.
Спецификация на сухой охладитель
Система подготовки питательной воды
Система подготовки питательной воды превращает водопроводную воду в чистую деминерализованную воду, необходимую для процесса электролиза. Осуществляется постоянный мониторинг за качеством воды, прежде чем она сможет поступить в процесс. Размеры ВхШхГ – 1,5х1,0х0,5 м
Система включает в себя такие фильтрационные очистные этапы как:
- Мембрана обратного осмоса
- Ионообменная система смешанного типа со смолой (2 резервуара, наполненные смолой)
- Система смягчения воды с цифровым дозирующим насосом (анти-накипь)
- Измеритель электропроводности
- Активированный уголь и предварительные фильтры для улавливания частиц
- Указатели давления и реле
Спецификация на питательную воду
Техническая спецификация
Вышеуказанные данные представлены только для информации и не могут быть использованы для гарантийных целей.
Общий вид
Дополнительные опции (по запросу)
Улучшение чистоты -75 °C 2ppm O2
Данная опция снижает атмосферную точку росы произведенного h3 с -60 °C до -75 °C, а содержание О2 в произведенном h3 с 10ppm до 2 ppm.
Уменьшенное содержание N2 – распылительный разбрызгиватель
Распылительный разбрызгиватель – это устройство, устанавливаемое на входе деминерализованной воды установки производства водорода для уменьшения содержания N2 менее 2 ppm произведенного h3.
Замер чистоты в режиме реального времени
Производится непрерывный мониторинг произведенного h3 в реальном времени как по содержанию воды («точка росы»), так и по содержанию кислорода. Данная опция может быть выбрана только в сочетании с системой очистки водорода.
Спускной клапан (только в комбинации с системой замера чистоты в режиме реального времени)
Данное устройство автоматически выпускает h3 в атмосферу, в случае если его качество не соответствует спецификации. Данная опция может быть выбрана только в комбинации с системой замера чистоты h3 в режиме реального времени.
Использование кислорода
Стандартно О2 сбрасывается в атмосферу. Производитель может обеспечить опциональную систему для очистки О2 и его подготовки для дальнейшего использования / очистки со стороны заказчика.
Система кондиционирования воздуха на панели управления
Это модульная установка кондиционирования воздуха, устанавливаемая на электропанелях. Данное устройство рекомендовано для систем, часто эксплуатируемых в температурах окруж. среды более +40 °C
Массовый расходомер
Массовый расходомер – это непосредственный замер объема h3, идущего в линию заказчика.
Содержание кислорода в детекторе атмосферы
Трансмиттер кислорода в атмосфере может быть реализован в технологическом помещении для непрерывного мониторинга уровня O2 в атмосфере технологического помещения. Система сигнализации срабатывает, если уровень кислорода падает ниже или поднимается выше безопасных предельных значений.
Автоматический перезапуск
Данная функция позволяет установке непрерывно определять актуальное давление в линии заказчика. Если установка находится в резервном режиме, то с помощью данной функции установка может быть автоматически повторно запущена, как только давление линии заказчика окажется ниже заданного порогового значения.
Опции по каркасу для наружной установки
Низкотемпературная опция:
Будут предприняты специальные действия, чтобы допустить работу при температуре окружающей среды до -40 °C. Например, адоптированная система охлаждения с закрытым контуром и усиленная система обогрева.
Аварийные огни:
В случае отключения сетевого питания аварийные огни в помещении с приборами управления будут светить до 30 минут.
Внешние огни:
Огни снаружи контейнера при входе в помещение с приборами управления / для инженерного оборудования и технологического помещения.
Вентиляционные трубы:
Две трубы из высококачественной нержавеющей стали с колпачками от дождя для безопасной вентиляции h3 и О2. Длина данных вентиляционных труб соответствует спецификации, для каркаса для наружного размещения, который установлен в зоне без прилегающих конструкций. Вентиляционные трубы должны быть вертикально соединены на месте к специально определенным фланцам на боковой стороне контейнера. Кабели обогрева для защиты труб от нулевых температур (точка замерзания) включены в данный объем.
Границы объема поставки
Границей установка электролиза является каркас для наружного размещения. На внешних стенках каркаса для наружного размещения имеются металлические пластины, которые включают следующие соединения:
- Пользователь водородного газа
- Вход питательной воды
- Вход воздуха КИП
- Вентиляционное отверстие кислорода (вентиляционная линия не включена)
- Вентиляционное отверстие водорода (вентиляционная линия не включена)
- Соединение дренажа конденсата
- Вход инертного газа (азот)
- Электрические межсоединения: включены внутри контейнера
- Механические межсоединения: включены внутри контейнера
- Энергопитание: автоматический прерыватель на стороне электролиза.
- Охлаждающая вода (2 контура):
Сухой охладитель (охлаждение электролита)
- Сухой охладитель поставляется в отдельной коробке. Он спроектирован для установки на крыше каркаса для наружного размещения, а объем поставки включает технические условия на крыше контейнера для их установки.
- Трубка обвязки и кабели для соединения контейнера к внутренней части контейнера включены, но монтаж сухого охладителя на крыше и осуществление соединений на месте осуществляются заказчиком.
Холодильник (охлаждение газа):
- Холодильник поставляется с полностью выполненными соединениями в каркасе для наружного размещения
Установка водоподготовки:
- Установка водоподготовки поставляется с полностью выполненными соединениями в каркасе для наружного размещения.
intech-gmbh.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). Аппарат Киппа изготовляется из стекла и состоит из нескольких частей:
- 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
| |
| | |
www.wewees.ru
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
Способы получения водорода. Задачи 785
Задача 785. Почему в периодической системе элементов водород относят как к I, так и к VII группе?Решение:Атом водорода содержит один электрон, его электронная конфигурация имеет вид: 1s2. Поэтому атом водорода способен как отдавать, так и присоединять по одному электрону. Таким образом, образом водород проявляет двойственную химическую природу, как окислительную, так и восстановительную способность. В большинстве реакций водород выступает в качестве восстановителя, образуя соединения, в которых степень его окисленности равна +1. в реакциях с активными металлами водород выступает в качестве окислителя, степень окисленности его при этом равна -1. Итак, водород, отдавая электрон, проявляет сходство с металлами I-й группы главной подгруппы периодической системы химических элементов, а, присоединяя электрон, - с неметаллами VII-й группы главной подгруппы. Поэтому водород в периодической системе обычно помещают в главной подгруппе I-й группы и, в тоже время, в скобках, помещают в главной подгруппе VII-й группы.
Задача 786. Как получают водород в промышленности и в лаборатории? Привести уравнения реакций.Решение:а) Получение водорода в промышленности:1. Получение синтез-газа:
Ni 800oCСН4 + Н2О → CO + 3h3
2. Крекинг углеводородов:
С2Н6 → 2С + 3Н2
3. Электролиз водного раствора едкого натра или едкого калия. Используют 25% NaOH или 34% КОН. Электроды изготавливают из листового никеля. При этом на катоде выделяется водород, а на аноде – кислород:
Катодный процесс: 2Н2О + 2 = Н2 + 2ОН-;Анодный процесс: 4ОН- - 4 = О2 + 4Н+.
4. Вытеснение водорода из воды различными металлами. Метод основан на том, что активные металлы вытесняют водород из воды, например, натрий и кальций разлагают воду при обычных условиях, магний – при нагревании, цинк – при накаливании с водяным паром, железо – при нагревании около 7000С. Чаще всего используют в промышленности для получения водорода так называемый железо-паровой метод:
3Fe + 4h3O = Fe2O4 + 4h3↑;Fe + h3O = FeO + h3↑.
5. Получение водорода из природного газа. В промышленности по этому методу природный газ смешивают с кислородом и водяным паром при нагревании данной смеси до 800-9000 С в присутствии катализатора (пароводяная и кислородная конверсия):
2Ch5 + O2 + 2h3O = 2CO2 + 6h3.
6. Метод выделения водорода из коксового газа или из газов переработки нефти. Метод основан на глубоко охлаждении газовой смеси, при котором все газы кроме водорода сжижаются – водород остаётся в газовой фазе, которую под давлением собирают в баллоны.
7. Метод получения водорода при получении сажи из природного газа:
Ch5 → C + 2h3↑
8. Метод получения водорода при пропускании паров воды над раскалённым углем при температуре 10000 С (водяной газ, содержащий до 86% угарного газа и водорода):
C + h3O = CO + h3
б) Получение водорода в лабораторных условиях:
1. Метод растворения цинка в холодной соляной кислоте или в разбавленной серной кислоте:
Zn + 2HCl = ZnCl2 + h3↑; Zn + h3SO4 = ZnSO4 + h3↑.
2. Растворение алюминия с сильными щелочами:
2Al + 2NaOH + 10h3O = 2Na[Al(OH)4(h3O)2] + 3h3↑
3. Электролиз раствора КОН (электроды из листового никеля):
Катодный процесс: 2Н2О + 2 = Н2 + 2ОН-;Анодный процесс: 4ОН- - 4 = О2 + 4Н+.
4. Действие порошком алюминия на кипящую воду в присутствии нескольких капель разбавленного перманганата калия:
t0 2Al + 3h3O → Al2O3 + 3h3↑.
5. В полевых условиях водород получают из смеси (порошок ферросилиция с сухим Са(ОН)2 и NaOH). При поджигании данной смеси сначала она начинает тлеть, а затем наблюдается выделение водорода:
Si + Ca(OH)2 + NaOH = Na2SiO3 + CaO + 2h3↑
Смесь называется гидрогенит.
Задача 787. Можно ли для электролитического получения водорода использовать в качестве электролита водные растворы h3SO4, K2,SO4 KCl, CuSO4, NaOH? Ответ обосновать.Решение:Электродные потенциалы калия, натрия и меди соответственно равны -2,92 В, -2,714 В и +0,337 В, а водородного электрода в кислой в щелочной и в нейтральной средах соответственно равен 0,00 В, -0,83 В и -0,41 В. При этом на катоде происходит электрохимическое выделение водорода в зависимости от условий среды:Катодный процесс: В кислой среде: 2H+ + 2 = Н2↑;В щелочной или нейтральной среде: 2Н2О + 22 = h3 + 2ОН-.Следовательно, при электролизе h3SO4 будет разряжаться ионы водорода и выделяться газообразный водород.
При электролизе K2SO4 и KCl происходит электрохимическое восстановление воды, результатом которого будет выделение водорода и гидроксид-ионов, потому что электродный потенциал калия (-2,92 В) значительно электроотрицательнее, чем потенциалы -0,41В и -0,83 В.
При электролизе раствора CuSO4 будет происходить разряд ионов меди и, при этом на катоде выделится металлическая медь, потому что электродный потенциал меди значительно положительнее, чем потенциал водородного электрода.
При электролизе NaOH происходит электрохимическое восстановление воды, результатом которого будет выделение водорода и гидроксид-ионов, потому что электродный потенциал натрия (-2,714 В) значительно электроотрицательнее, чем потенциалы -0,41В и -0,83В.
Таким образом, для электрохимического получения водорода можно использовать растворы h3SO4, K2SO4 KCl и NaOH.
Задача 788. Железо-паровой метод получения водорода основан на обратимой реакции 3Fe + 4h3O = Fe3O4 + 4h3↑. В каких условиях следует осуществлять этот процесс, чтобы реакция протекала до практически полного окисления железа?Решение:Уравнение реакции имеет вид:
3Fe + 4h3O = Fe3O4 + 4h3↑
Из уравнения реакции следует, что из четырёх молекул парообразной воды образуется четыре молекулы газообразного водорода, т.е. реакция протекает без изменения числа молей газообразных веществ, поэтому равновесие системы не нарушается при изменении давления. В данном случае при удалении продукта реакции водорода из реакционной зоны равновесие системы согласно принципу Ле Шателье сместится вправо, в сторону увеличения образования водорода. Но лучше всего выводить из реакционной системы твёрдый продукт Fe3O4, что будет способствовать смещению равновесия вправо, если железную окалину направлять на регенерацию, допустим посредством накаливания окалины в струе паровоздушной смеси и, затем, возвратить образуемое металлическое железо в реакционную зону. Избыток металлического железа будет способствовать ускорению реакции и, следовательно, увеличению продукта реакции. Таким образом, отведение водорода и регенерация железа способствуют протеканию реакции до практически полного окисления металлического железа.
buzani.ru
Водород
| Атомный номер | 1 |
| Внешний вид простого вещества | газ без цвета, вкуса и запаха |
| Атомная масса(молярная масса) | 1,00794 а.е.м. (г/моль) |
| Радиус атома | 79 пм |
| Энергия ионизации(первый электрон) | 1311,3 кДж/моль (эВ) |
| Электронная конфигурация | 1s1 |
| Ковалентный радиус | 32 пм |
| Радиус иона | 54 (−1 e) пм |
| Электроотрицательность(по Полингу) | 2,20 |
| Электродный потенциал | |
| Степени окисления | 1, −1 |
| Плотность вещества | 0,0000899 (при 273K (0 °C)) г/см³ |
| Молярная теплоёмкость | 14,235 Дж/(K·моль) |
| Теплопроводность | 0,1815 Вт/(м·K) |
| Температура плавления | 14,01K |
| Теплота плавления | 0,117 кДж/моль |
| Температура кипения | 20,28K |
| Теплота испарения | 0,904 кДж/моль |
| Молярный объём | 14,1 см³/моль |
| Структура решётки | гексагональная |
| Параметры решётки | a=3,780 c=6,167 Å |
| Отношение c/a | 1,631 |
| Температура Дебая | 110 K |
| H | 1 |
| 1,00794 | |
| 1s1 | |
| Водород | |
Водород является первым элементом периодической системы элементов. Широко распространён в природе. Катион (и ядро) самого распространённого изотопа водорода 1H— протон. Свойства ядра 1H позволяют широко использовать ЯМР-спектроскопию в анализе органических веществ.
Трое из пяти изотопов водорода имеют собственные названия: 1H— протий (Н), 2H— дейтерий (D) и 3H— тритий (радиоактивен) (T).
Простое вещество водород— h3— лёгкий бесцветный газ. В смеси с воздухом или кислородом горюч и взрывоопасен. Нетоксичен. Растворим в этаноле и ряде металлов: железе, никеле, палладии, платине.
История водорода
Выделение горючего газа при взаимодействии кислот и металлов наблюдали в XVI и XVII веках на заре становления химии как науки. Прямо указывал на выделение его и М. В. Ломоносов, но уже определённо сознавая, что это не флогистон. Английский физик и химик Г. Кавендиш в 1766 году исследовал этот газ и назвал его «горючим воздухом». При сжигании «горючий воздух» давал воду, но приверженность Кавендиша теории флогистона помешала ему сделать правильные выводы. Французский химик А. Лавуазье совместно с инженером Ж. Менье, используя специальные газометры, в 1783г. осуществил синтез воды, а затем и её анализ, разложив водяной пар раскалённым железом. Таким образом он установил, что «горючий воздух» входит в состав воды и может быть из неё получен.
Происхождение названия водород
Лавуазье дал водороду название hydrogène (отὕδωρ— «вода» и γενναω— «рождаю»)— «рождающий воду». Русское наименование «водород» предложил химик М.Ф.Соловьев в 1824 году— по аналогии с ломоносовским «кислородом».
Распространённость водорода
Во Вселенной
Водород — самый распространённый элемент во Вселенной. На его долю приходится около 92% всех атомов (8% составляют атомы гелия, доля всех остальных вместе взятых элементов — менее 0,1%). Таким образом, водород — основная составная часть звёзд и межзвёздного газа. В условиях звёздных температур (например, температура поверхности Солнца ~6000 °C) водород существует в виде плазмы, в межзвёздном пространстве этот элемент существует в виде отдельных молекул, атомов и ионов и может образовывать молекулярные облака, значительно различающиеся по размерам, плотности и температуре.
Земная кора и живые организмы
Массовая доля водорода в земной коре составляет 1%— это десятый по распространённости элемент. Однако его роль в природе определяется не массой, а числом атомов, доля которых среди остальных элементов составляет 17% (второе место после кислорода, доля атомов которого равна ~52%). Поэтому значение водорода в химических процессах, происходящих на Земле, почти так же велико, как и кислорода. В отличие от кислорода, существующего на Земле и в связанном, и в свободном состояниях, практически весь водород на Земле находится в виде соединений; лишь в очень незначительном количестве водород в виде простого вещества содержится в атмосфере (0,00005% по объёму).
Водород входит в состав практически всех органических веществ и присутствует во всех живых клетках. В живых клетках по числу атомов на водород приходится почти 50%.
Получение Водорода
Промышленные способы получения простых веществ зависят от того, в каком виде соответствующий элемент находится в природе, то есть что может быть сырьём для его получения. Так, кислород, имеющийся в свободном состоянии, получают физическим способом— выделением из жидкого воздуха. Водород же практически весь находится в виде соединений, поэтому для его получения применяют химические методы. В частности, могут быть использованы реакции разложения. Одним из способов получения водорода служит реакция разложения воды электрическим током.
Основной промышленный способ получения водорода— реакция с водой метана, который входит в состав природного газа. Она проводится при высокой температуре (легко убедиться, что при пропускании метана даже через кипящую воду никакой реакции не происходит):
СН4 +2Н2O =CO2↑ +4Н2 −165 кДж
В лаборатории для получения простых веществ используют не обязательно природное сырьё, а выбирают те исходные вещества, из которых легче выделить необходимое вещество. Например, в лаборатории кислород не получают из воздуха. Это же относится и к получению водорода. Один из лабораторных способов получения водорода, который иногда применяется и в промышленности,— разложение воды электротоком.
Обычно в лаборатории водород получают взаимодействием цинка с соляной кислотой.
Получение водорода в промышленности
1.Электролиз водных растворов солей:2NaCl +2h3O → h3↑ +2NaOH +Cl2
2.Пропускание паров воды над раскаленным коксом при температуре около 1000°C:h3O +C ⇄ h3↑ +CO↑
3.Из природного газа.
Конверсия с водяным паром:Ch5 +h3O ⇄ CO↑ +3h3↑ (1000°C)Каталитическое окисление кислородом:2Ch5 +O2 ⇄ 2CO↑ +4h3↑
4. Крекинг и риформинг углеводородов в процессе переработки нефти.
Получение водорода в лаборатории
1.Действие разбавленных кислот на металлы. Для проведения такой реакции чаще всего используют цинк и разбавленную соляную кислоту:Zn +2HCl → ZnCl2 +h3↑
2.Взаимодействие кальция с водой:|Ca +2h3O → Ca(OH)2 +h3↑
3.Гидролиз гидридов:NaH +h3O → NaOH +h3↑
4.Действие щелочей на цинк или алюминий:2Al +2NaOH +6h3O → 2Na[Al(OH)4] +3h3↑Zn +2KOH +2h3O → K2[Zn(OH)4] +h3↑
5.С помощью электролиза. При электролизе водных растворов щелочей или кислот на катоде происходит выделение водорода, например:2h4O+ +2e- → h3↑ +2h3O
Дополнительная информация про Водород
Биореактор для производства водорода
Физические свойства Водорода
Спектр излучения водорода
Эмиссионный спектр водорода
Равновесная мольная концентрация пара-водорода
Разделить модификации водорода можно адсорбцией на активном угле при температуре жидкого азота. При очень низких температурах равновесие между ортоводородом и параводородом почти нацело сдвинуто в сторону последнего. При 80 К соотношение форм приблизительно 1:1. Десорбированный параводород при нагревании превращается в ортоводород вплоть до образования равновесной при комнатной температуре смеси (орто-пара: 75:25). Без катализатора превращение происходит медленно (в условиях межзвездной среды— с характерными временами вплоть до космологических), что даёт возможность изучить свойства отдельных модификаций.
Водород — самый лёгкий газ, он легче воздуха в 14,5 раз. Очевидно, что чем меньше масса молекул, тем выше их скорость при одной и той же температуре. Как самые лёгкие, молекулы водорода движутся быстрее молекул любого другого газа и тем самым быстрее могут передавать теплоту от одного тела к другому. Отсюда следует, что водород обладает самой высокой теплопроводностью среди газообразных веществ. Его теплопроводность примерно в семь раз выше теплопроводности воздуха.
Молекула водорода двухатомна — Н2. При нормальных условиях — это газ без цвета, запаха и вкуса. Плотность 0,08987 г/л (н.у.), температура кипения −252,76 °C, удельная теплота сгорания 120.9·106 Дж/кг, малорастворим в воде — 18,8 мл/л. Водород хорошо растворим во многих металлах (Ni, Pt, Pd и др.), особенно в палладии (850 объёмов на 1объём Pd). С растворимостью водорода в металлах связана его способность диффундировать через них; диффузия через углеродистый сплав (например, сталь) иногда сопровождается разрушением сплава вследствие взаимодействия водорода с углеродом (так называемая декарбонизация). Практически не растворим в серебре.
Фазовая диаграмма водорода
Жидкий водород существует в очень узком интервале температур от −252,76 до −259,2 °C. Это бесцветная жидкость, очень лёгкая (плотность при −253 °C 0,0708 г/см3) и текучая (вязкость при −253 °C 13,8 спуаз). Критические параметры водорода очень низкие: температура −240,2 °C и давление 12,8 атм. Этим объясняются трудности при ожижении водорода. В жидком состоянии равновесный водород состоит из 99,79% пара-Н2, 0,21% орто-Н2.
Твердый водород, температура плавления −259,2 °C, плотность 0,0807 г/см3 (при −262 °C) — снегоподобная масса, кристаллы гексогональной сингонии, пространственная группа P6/mmc, параметры ячейки a=3,75 c=6,12. При высоком давлении водород переходит в металлическое состояние.
Изотопы
Давление пара для различных изотопов водорода
Водород встречается в виде трёх изотопов, которые имеют индивидуальные названия: 1H— протий (Н), 2Н— дейтерий (D), 3Н— тритий (радиоактивный) (T).
Протий и дейтерий являются стабильными изотопами с массовыми числами 1и 2. Содержание их в природе соответственно составляет 99,9885±0,0070% и 0,0115 ± 0,0070%. Это соотношение может незначительно меняться в зависимости от источника и способа получения водорода.
Изотоп водорода 3Н (тритий) нестабилен. Его период полураспада составляет 12,32 лет. Тритий содержится в природе в очень малых количествах.
В литературе также приводятся данные об изотопах водорода с массовыми числами 4— 7и периодами полураспада 10−22— 10−23 с.
Природный водород состоит из молекул h3 и HD (дейтероводород) в соотношении 3200:1. Содержание чистого дейтерийного водорода D2 ещё меньше. Отношение концентраций HD и D2, примерно, 6400:1.
Из всех изотопов химических элементов физические и химические свойства изотопов водорода отличаются друг от друга наиболее сильно. Это связано с наибольшим относительным изменением масс атомов.
| 13.95 | 20,39 | 13,96 /7,3 | 32,98 /1,31 | 70,811 /1,316 |
| 16,60 | 22,13 | 16,60 /12,8 | 35,91 /1,48 | 114,80 /1,802 |
| 22,92 | 17,63 /17,7 | 37,13 /1,57 | 158,62 /2,310 | |
| 18,62 | 23,67 | 18,73 /17,1 | 38,35 /1,67 | 162,50 /2,230 |
| 24.38 | 19,71 /19,4 | 39,42 /1,77 | 211,54 /2,694 | |
| 25,04 | 20,62 /21,6 | 40,44 /1,85 | 260,17 /3,136 |
Дейтерий и тритий также имеют орто- и пара- модификации: p-D2, o-D2, p-T2, o-T2. Гетероизотопный водород (HD, HT, DT) не имеют орто- и пара- модификаций.
Химические свойства
Доля диссоциировавших молекул водорода
Молекулы водорода Н2 довольно прочны, и для того, чтобы водород мог вступить в реакцию, должна быть затрачена большая энергия:
Н2 =2Н − 432 кДжПоэтому при обычных температурах водород реагирует только с очень активными металлами, например с кальцием, образуя гидрид кальция:
Ca +Н2 =СаН2и с единственным неметаллом— фтором, образуя фтороводород:
F2 +h3 =2HFС большинством же металлов и неметаллов водород реагирует при повышенной температуре или при другом воздействии, например при освещении:
О2 +2Н2 =2Н2ООн может «отнимать» кислород от некоторых оксидов, например:
CuO +Н2 =Cu +Н2OЗаписанное уравнение отражает восстановительные свойства водорода.
N2 +3h3 → 2Nh4С галогенами образует галогеноводороды:
F2 +h3 → 2HF, реакция протекает со взрывом в темноте и при любой температуре,Cl2 +h3 → 2HCl, реакция протекает со взрывом, только на свету.С сажей взаимодействует при сильном нагревании:
C +2h3 → Ch5Взаимодействие со щелочными и щёлочноземельными металлами
При взаимодействии с активными металлами водород образует гидриды:
2Na +h3 → 2NaHCa +h3 → Cah3Mg +h3 → Mgh3Гидриды— солеобразные, твёрдые вещества, легко гидролизуются:
Cah3 +2h3O → Ca(OH)2 +2h3↑Взаимодействие с оксидами металлов (как правило, d-элементов)
Оксиды восстанавливаются до металлов:
CuO +h3 → Cu +h3OFe2O3 +3h3 → 2Fe +3h3OWO3 +3h3 → W+3h3OГидрирование органических соединений
Молекулярный водород широко применяется в органическом синтезе для восстановления органических соединений. Эти процессы навзывают реакциями гидрирования. Эти реакции проводят в присутствии катализатора при повышенных давлении и температуре. Катализатор может быть как гомогенным (напр. Катализатор Уилкинсона), так и гетерогенным (напр. никель Ренея, палладий на угле).
Так, в частности, при каталитическом гидрировании ненасыщенных соединений, таких как алкены и алкины, образуются насыщенные соединения — алканы.
Геохимия водорода
На Земле содержание водорода понижено по сравнению с Солнцем, гигантскими планетами и первичными метеоритами, из чего следует, что во время образования Земля была значительно дегазирована и водород вместе с другими летучими элементами покинул планету во время аккреции или вскоре после неё.
Свободный водород h3 относительно редко встречается в земных газах, но в виде воды он принимает исключительно важное участие в геохимических процессах.
В состав минералов водород может входить в виде иона аммония, гидроксил-иона и кристаллической воды.
В атмосфере водород непрерывно образуется в результате разложения воды солнечным излучением. 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.
Особенности обращения
Водород при смеси с воздухом образует взрывоопасную смесь— так называемый гремучий газ. Наибольшую взрывоопасность этот газ имеет при объёмном отношении водорода и кислорода 2:1, или водорода и воздуха приближённо 2:5, так как в воздухе кислорода содержится примерно 21%. Также водород пожароопасен. Жидкий водород при попадании на кожу может вызвать сильное обморожение. Взрывоопасные концентрации водорода с кислородом возникают от 4% до 96% объёмных. При смеси с воздухом от 4% до 75(74)% объёмных. |
Применение водорода
Атомарный водород используется для атомно-водородной сварки.
Химическая промышленность
При производстве аммиака, метанола, мыла и пластмасс
Пищевая промышленность
При производстве маргарина из жидких растительных масел.Зарегистрирован в качестве пищевой добавки E949 (упаковочный газ)
Авиационная промышленность
Водород очень лёгок и в воздухе всегда поднимается вверх. Когда-то дирижабли и воздушные шары наполняли водородом. Но в 30-х гг. XXв. произошло несколько катастроф, когда дирижабли взрывались и сгорали. В наше время дирижабли наполняют гелием.
Топливо
Водород используют в качестве ракетного топлива. Ведутся исследования по применению водорода как топлива для легковых и грузовых автомобилей. Водородные двигатели не загрязняют окружающей среды и выделяют только водяной пар.
В водородно-кислородных топливных элементах используется водород для непосредственного преобразования энергии химической реакции в электрическую.
Водород, Hydrogenium, Н (1)Как горючий (воспламеняемый) воздух водород известен довольно давно. Его получали действием кислот на металлы, наблюдали горение и взрывы гремучего газа Парацельс, Бойль, Лемери и другие ученые XVI— XVIII вв. С распространением теории флогистона некоторые химики пытались получить водород в качестве «свободного флогистона». В диссертации Ломоносова «О металлическом блеске» описано получение водорода действием «кислотных спиртов» (например, «соляного спирта», т. е. соляной кислоты) на железо и другие металлы; русский ученый первым (1745) выдвинул гипотезу, о том что водород («горючий пар»— vapor inflammabilis) представляет собой флогистон. Кавендиш, подробно исследовавший свойства водорода, выдвинул подобную же гипотезу в 1766 г. Он называл водород «воспламеняемым воздухом», полученным из «металлов» (Inflammable air from metals), и полагал, как и все флогистики, что при растворении в кислотах металл теряет свой флогистон. Лавуазье, занимавшийся в 1779 г. исследованием состава воды путем ее синтеза и разложения, назвал водород Hydrogine (гидроген), или Hydrogene (гидрожен), от греч. гидор— вода и гайноме— произвожу, рождаю.
Номенклатурная комиссия 1787 г. приняла словопроизводство Hydrogene от геннао, рождаю. В «Таблице простых тел» Лавуазье водород (Hydrogene) упомянут в числе пяти (свет, теплота, кислород, азот, водород) «простых тел, относящихся ко всем трем царствам природы и которые следует рассматривать как элементы тел»; в качестве старых синонимов названия Hydrogene Лавуазье называет горючий газ (Gaz inflammable), основание горючего газа. В русской химической литературе конца XVIII и начала XIX в. встречаются два рода названий водорода: флогистические (горючий газ, горючий воздух, воспламенительный воздух, загораемый воздух) и антифлогистические (водотвор, водотворное существо, водотворный гас, водородный гас, водород). Обе группы слов представляют собой переводы французских названий водорода.
Изотопы водорода были открыты в 30-x годах текущего столетия и быстро приобрели большое значение в науке и технике. В конце 1931 г. Юри, Брекуэдд и Мэрфи исследовали остаток после длительного выпаривания жидкого водорода и обнаружили в нем тяжелый водород с атомным весом 2. Этот изотоп назвали дейтерием (Deuterium, D) от греч.— другой, второй. Спустя четыре года в воде, подвергнутой длительному электролизу, был обнаружен еще более тяжелый изотоп водорода 3Н, который назвали тритием (Tritium, Т), от греч.— третий.
Периодическая система химических элементов Дмитрия Ивановича Менделеева:
www.himsnab-spb.ru
© 2005-2018, Национальный Экспертный Совет по Качеству.
