Урок 26. Получение водорода и его применение

Способы получения водорода в промышленных условиях

Добыча путем конверсии метана

. Вода в парообразном состоянии, предварительно нагретая до 1000 градусов по Цельсию, смешивается с метаном под давлением и в присутствии катализатора. Способ этот интересный и проверенный, также надо отметить, что он постоянно совершенствуется: ведется поиск новых катализаторов, более дешевых и эффективных.

Рассмотрим самый древний метод получения водорода — газификацию угля

. При условии отсутствия доступа воздуха и температуре в 1300 градусов Цельсия, нагревают уголь и водяной пар. Таким образом, происходит вытеснение водорода из воды, и получается углекислый газ (водород будет наверху, углекислый газ, также получаемый в результате проводимой реакции, – внизу). Таким будет разделение газовой смеси, все очень просто.

Получение водорода путем электролиза воды

считается самым простым вариантом. Для его осуществления необходимо залить в емкость раствор соды, поместить также туда два электрических элемента. Один будет заряжен положительно (анод), а второй – отрицательно (катод). При подаче тока водород отправится на катод, а кислород — на анод.

Получение водорода по методике частичного окисления

. Для этого используется сплав алюминия и галлия. Его помещают в воду, что приводит к образованию водорода и оксида алюминия в процессе реакции. Галлий необходим для того, чтобы реакция произошла в полном объеме (этот элемент не позволит алюминию окислиться преждевременно).

В последнее время приобрела актуальность методика использования биотехнологий

: при условии недостатка кислорода и серы, хламидомонады начинают интенсивно выделять водород. Очень интересный эффект, который сейчас активно изучается.

Не стоит забывать и еще один старый, проверенный метод добычи водорода, который заключается в использовании разных щелочных элементов

и воды. В принципе, эта методика осуществима в лабораторных условиях при наличии необходимых мер безопасности. Таким образом, в ходе реакции (она протекает при нагревании и с катализаторами) образуется оксид металла и водород. Остается только его собрать.

Получить водород путем взаимодействия воды и угарного газа

можно только в промышленных условиях. Образуется углекислый газ и водород, принцип их разделения описан выше.

ИЗОБРЕТЕНИЕ ИМЕЕТ СЛЕДУЮЩИЕ ПРЕИМУЩЕСТВА

Тепло, полученное при окислении газов, можно использовать непосредственно на месте, причем водород и кислород получаются при утилизации отработанного пара и технической воды.

Небольшой расход воды при получении электроэнергии и тепла.

Простота способа.

Значительная экономия энергии, т.к. она затрачивается только на разогрев стартера до установившегося теплового режима.

Высокая производительность процесса, т.к. диссоциация молекул воды длится десятые доли секунды.

Взрыво- и пожаробезопасность способа, т.к. при его осуществлении нет необходимости в емкостях для сбора водорода и кислорода.

В процессе работы установки вода многократно очищается, преобразуясь в дистиллированную. Это исключает осадки и накипь, что увеличивает срок службы установки.

Установка изготавливается из обычной стали; за исключением котлов, изготавливаемых из жаропрочных сталей с футеровкой и экранированием их стенок. То есть не требуются специальные дорогие материалы.

Изобретение может найти применение в

промышленности путем замены углеводородного и ядерного топлива в силовых установках на дешевое, распространенное и экологически чистое — воду при сохранении мощности этих установок.

Горение водорода

Водород, значит, рождающий воду. Вода получается при горении водорода — при соединении водорода с кислородом. В ходе реакции выделяется очень большое количество энергии.

2H2 + O2 = 2H2O + Q

Значит, водород можно использовать в качестве топлива. И как со всяким топливом с водородом нужно обращаться осторожно.

Получаем водород реакцией цинка с соляной кислотой.

Поджигаем водород у конца газоотводной трубки. Вначале пламя едва заметно (водород не окрашивает пламя). Постепенно стеклянная трубка раскаляется, и пламя становится желтым: соединения натрия, входящие в состав стекла окрашивают пламя.

Рис. 2. Горение водорода

Итак, водород – топливо. На водороде и кислороде могут работать реактивные двигатели. Теплоту реакции горения водорода используют для сварки и резки металлов. При сгорании водорода в чистом кислороде температура достигает 2800оС. Такое пламя плавит кварц и большинство металлов. Важно, что водород – безвредное для окружающей среды топливо, т.к. продуктом его горения является вода.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

Способ получения водорода и кислорода из пара воды

, включающий пропускание этого пара через электрическое поле, отличающийся тем, что используют перегретый пар воды с температурой
500 — 550 o C
, пропускаемый через электрическое поле постоянного тока высокого напряжения для диссоциации пара и разделения его на атомы водорода и кислорода.

Давно хотел сделать подобную штуку. Но дальше опытов с батарейкой и парой электродов не доходило. Хотелось сделать полноценный аппарат для производства водорода, в количествах для того чтобы надуть шарик. Прежде чем делать полноценный аппарат для электролиза воды в домашних условиях, решил все проверить на модели.

Общая схема электролизера выглядит так.

Эта модель не подходит для полноценной ежедневной эксплуатации. Но проверить идею удалось.

Итак для электродов я решил применить графит. Прекрасный источник графита для электродов это токосъемник троллейбуса. Их полно валяется на конечных остановках. Нужно помнить, что один из электродов будет разрушаться.

Пилим и дорабатываем напильником. Интенсивность электролиза зависит от силы тока и площади электродов.

К электродам прикрепляются провода. Провода должны быть тщательно изолированы.

Для корпуса модели электролизера вполне подойдут пластиковые бутылки. В крышке делаются дырки для трубок и проводов.

Все тщательно промазывается герметиком.

Для соединения двух ёмкостей подойдут отрезанные горлышки бутылок.

Их необходимо соединить вместе и оплавить шов.

Гайки делаются из бутылочных крышек.

В двух бутылках в нижней части делаются отверстия. Все соединяется и тщательно заливается герметиком.

В качестве источника напряжения будем использовать бытовую сеть 220в. Хочу предупредить, что это довольно опасная игрушка. Так что, если нет достаточных навыков или есть сомнения, то лучше не повторять. В бытовой сети у нас ток переменный, для электролиза его необходимо выпрямить. Для этого прекрасно подойдет диодный мост. Тот что на фотографии оказался не достаточно мощным и быстро перегорел. Наилучшим вариантом стал китайский диодный мост MB156 в алюминиевом корпусе.

Диодный мост сильно нагревается. Понадобится активное охлаждение. Кулер для компьютерного процессора подойдет как нельзя лучше. Для корпуса можно использовать подходящую по размеру распаячную коробку. Продается в электротоварах.

Под диодный мост необходимо подложить несколько слоев картона.

В крышке распаячной коробки делаются необходимые отверстия.

Так выглядит установка в сборе. Электролизер запитывается от сети, вентилятор от универсального источника питания. В качестве электролита применяется раствор пищевой соды. Тут нужно помнить, что чем выше концентрация раствора, тем выше скорость реакции. Но при этом выше и нагрев. Причем свой вклад в нагрев будет вносить реакция разложения натрия у катода. Эта реакция экзотермическая. В результате неё будет образовываться водород и гидроксид натрия.

Тот аппарат, что на фото выше, очень сильно нагревался. Его приходилось периодически отключать и ждать пока остынет. Проблему с нагревом удалось частично решить путем охлаждения электролита. Для этого я использовал помпу для настольного фонтана. Длинная трубка проходит из одной бутылки в другую через помпу и ведро с холодной водой.

Актуальность этого вопроса на сегодняшний день достаточно высока по причине того, что сфера использования водорода чрезвычайно обширна, а в чистом виде он практически нигде в природе не встречается. Именно поэтому было разработано несколько методик, позволяющих осуществлять добычу этого газа из других соединений посредством химических и физических реакций. Об этом и рассказывается в приведенной статье.

Урок Практическая работа «Получение водорода и исследование его свойств.»

Урок 31 Класс 8 —

Тема:
Практическая работа № 4 Получение водорода и исследование его свойств.
Дата ____________20

МБОУ «С(К)ОШ №16», учитель химии Березинская А.А.

Цель:

• совершенствовать экспериментальные умения — приемы работы с лабораторным оборудованием и веществами; умения наблюдать, делать выводы, оформлять результаты практической работы в тетрад;
• работа над развитием навыков умелого обращения с огнем, опасными веществами.
• умение составлять уравнения химических реакций, умение делать выводы, соблюдать правила техники безопасности;
• расширение кругозора обучающихся, формирование уважения к истории науки.
• развитие представлений о здоровом образе жизни в блоках: «Химия в быту — безопасное поведение».

Коррекционные цели:

коррекция и развитие связной устной и письменной речи, коррекция и развитие моторной памяти, развитие умений делать выводы.

Оборудование:

• лабораторный штатив с лапкой, держатель для пробирок, штатив для пробирок, ложка-дозатор, фильтровальная бумага
• спиртовка, спички
• автоматический прибор Кирюшкина для получения газов, 3 пробирки, кристаллизатор с водой

Реактивы:

гранулы цинка, соляная кислота (разб.), оксид меди (II).

Тип урока

: урок- практикум (виртуальная лаборатория)

Правила техники безопасности:

Работа со спиртовкой; работа со стеклом; Проверка прибора на герметичность.

Ход работы:

I. Подготовка к проведению практической работы.

1. Инструктаж по технике безопасности при работе с сухим горючим.
2. Технический инструктаж о проведении практической работы.

II. Актуализация знаний

1. Какие исходные вещества будем использовать мы для получения водорода?
2. Необходимо ли нагревать реакционную смесь?
3. На что обратить внимание при записи наблюдений?
4. Какой прибор будем использовать для получения водорода?
5. Какими способами можно собрать водород, почему?

Знакомство с инструкцией: учебник стр. ________

III. Проведение практической работы (просмотр видео: Получение водорода.)

III. Закрепление знаний, умений, навыков.

После проведения работы сделать вывод, записать все результаты в тетрадь.

Домашнее задание: § ________.

Практическая работа № 4.Получение водорода и исследование его свойств.

С правилами ТБ ознакомлен (а)

Цель:

научиться получать, собирать водород; изучить физические и химические свойства водорода.

Оборудование:

лабораторный штатив с лапкой, держатель для пробирок, штатив для пробирок, ложка-дозатор, фильтровальная бумага,спиртовка, спички, автоматический прибор Кирюшкина для получения газов, 3 пробирки, кристаллизатор с водой.

Реактивы:

гранулы цинка, соляная кислота (разб.), оксид меди (II).

Ход работы

1. Способ получения водорода – взаимодействие активных металлов с кислотами.

Zn + 2HCl = ZnCl2 + Н2? + Q — при обычных условиях

Наблюдения:

• реакция взаимодействия гранул цинка с соляной кислотой идет сначала медленно, затем очень бурно, пробирка разогревается
• из газоотводной трубки выделяется бесцветный газ
• при упаривании полученного раствора на стеклянной пластинке остается белый порошок

2. Приборы для получения и собирания водорода

Рис. Прибор для получения водорода – автоматический, который позволяет в любой момент остановить реакцию с помощью зажима (прибор Кирюшкина).

Собирание газа методом вытеснения воды – возможно, т.к. водород малорастворим в ней.

– следовательно, водород легче воздуха

3. Обнаружение водорода – проверка его на чистоту

Наблюдения:

• при сжигании первой порции газа раздается резкий лающий звук
• при сжигании второй порции газа слышен легкий хлопок Рисунок 5

  «п-пах»

4. Свойство водорода – активный восстановитель

Наблюдения:

• порошок меняет цвет с черного на медный
• на стенках пробирки появляются бесцветные капельки жидкости

Вывод:

Одним из способов получения водорода в лаборатории является взаимодействие цинка с разбавленной соляной кислотой, при этом образуется соль (хлорид цинка) и водород. Водород – бесцветный газ, без запаха, малорастворим в воде, легче воздуха, в смеси с воздухом взрывоопасен, восстанавливает металлы из их оксидов.

3

Добыча водорода в условиях домашнего хозяйства

Выбор электролизера

Для получения элемента дома необходим специальный аппарат – электролизер. Вариантов такого оборудования на рынке много, аппараты предлагают как известные технологические корпорации, так и мелкие производители. Брендовые агрегаты дороже, но качество их сборки выше.

Домашний прибор отличается малыми габаритами и легкостью в эксплуатации. Основными деталями его являются:

Электролизер — что это

• риформер;
• система очистки;
• топливные элементы;
• компрессорное оборудование;
• емкость для хранения водорода.

В качестве сырья берется простая вода из-под крана, а электричество идет из обычной розетки. Сэкономить на электроэнергии позволяют агрегаты на солнечных батареях.

«Домашний» водород применяют в системах отопления или приготовления пищи. А также им обогащают бензовоздушную смесь, чтобы повысить мощность двигателей автомобиля.

Изготовление аппарата своими руками

Еще дешевле сделать прибор самому в домашних условиях. Сухой электролизер выглядит как герметичный контейнер, который представляет собой две электродные пластины в емкости с электролитическим раствором. Во Всемирной сети предлагаются разнообразные схемы сборки аппаратов разных моделей:

• с двумя фильтрами;
• с верхним либо нижним расположением контейнера;
• с двумя или тремя клапанами;
• с оцинкованной платой;
• на электродах.

Схема устройства электролиза
Простой прибор для получения водорода создать несложно. Для него потребуются:

• листовая нержавеющая сталь;
• прозрачная трубка;
• штуцеры;
• пластиковая емкость (1,5 л);
• водяной фильтр и обратный клапан.

Устройство простого прибора для получения водорода
Помимо этого, нужны будут различные метизы: гайки, шайбы, болты. Первым делом нужно распилить лист на 16 квадратных отсеков, у каждого из них спилить угол. В противоположном от него углу требуется высверлить отверстие для болтового крепления пластин. Для обеспечения постоянного тока пластины нужно подключать по схеме: плюс–минус–плюс–минус. Изолируют эти детали друг от друга с помощью трубки, а на соединении болтом и шайбами (по три штуки между пластинками). На плюс и минус насаживают по 8 пластин.

При правильной сборке ребра пластинок не будут задевать электроды. Собранные детали опускают в емкость из пластика. В месте касания стенок болтами делают два установочных отверстия. Устанавливают защитный клапан для удаления избытка газа. В крышку контейнера монтируют штуцеры и герметизируют швы силиконом.

Тестирование аппарата

Чтобы протестировать аппарат, выполняют несколько действий:

Схема получения водорода

1. Наполняют жидкостью.
2. Прикрыв крышкой, соединяют один конец трубки со штуцером.
3. Второй опускают в воду.
4. Подключают к источнику питания.

После включения прибора в розетку через несколько секунд будет заметен процесс электролиза и выпадение осадка.

Чистая вода не обладает хорошей электропроводностью. Для улучшения этого показателя нужно создать электролитический раствор, добавив щелочь – гидроксид натрия. Он есть в составах для очищения труб наподобие «Крота».

Как устроен прибор

Электролизер состоит из нескольких пластин из металла, погруженных в герметическую емкость с дистиллированной водой.
Сам корпус имеет клеммы, чтобы подключать источник питания и есть втулка, через которую выводится газ.

Работу прибора можно описать так: электроток пропускается через дистиллированную воду между пластинами с разными полями (у одной — анод, у другой — катод), расщепляет её на кислород и водород.

В зависимости от площади пластин электроток имеет свою силу, если площадь большая, то и тока по воде проходит много и больше выделяется газа. Схема подключения пластин поочередная, сначала плюс, потом минус и так далее.

Электроды рекомендуется делать из нержавеющей стали, которая в процессе электролиза не вступает в реакцию с водой. Главное найти нержавейку высокого качества. Между электродами лучше сделать расстояние маленькими, но так, чтобы пузыри газа легко между ними передвигались. Крепеж лучше изготовить из соответствующего металла, что и электроды.

В рассматриваемом варианте устройство включает в себя 16 пластин, расположены они друг от друга в пределах 1 мм.

За счет того, что пластины имеют достаточно немалую площадь поверхности и толщину, можно будет пропустить через такое устройство высокие токи, однако нагрева металла не произойдет. Если измерить на воздухе емкость электродов, то она составит 1nF, данный набор использует до 25А в простой воде из водопровода.

Для сбора водородного генератора своими руками можно применить контейнер пищевой, так как его пластик термоустойчив. Затем нужно в контейнер опустить электроды для сбора газа с разъемами изолированными герметично, крышкой и другими соединениями.

Если использовать контейнер из металла, то во избежание короткого замыкания, электроды крепятся на пластике. С двух сторон медных и латунных фитингов устанавливаются два разъема (фитинг – монтировать, собирать) для извлечения газа. Разъемы контактные и фитинги нужно прочно закрепить, применяя герметик из силикона.

Изготовить газогенератор также можно в домашних условиях. Методика подробно изложена здесь:

Способы получения водорода

Водород – газообразный элемент без цвета и запаха с плотностью 1/14 по отношению к воздуху. В свободном состоянии он встречается редко. Обычно водород соединен с другими химическими элементами: кислородом, углеродом.

Получение водорода для промышленных нужд и энергетики проводится несколькими методами. Самыми популярными считаются:

• электролиз воды;
• метод концентрирования;
• низкотемпературная конденсация;
• адсорбция.

Выделить водород можно не только из газовых или водных соединений. Добыча водорода производится при воздействии на дерево и уголь высокими температурами, а также при переработке биоотходов.

Атомный водород для энергетики получают, используя методику термической диссоциации молекулярного вещества на проволоке из платины, вольфрама либо палладия. Ее нагревают в водородной среде под давлением менее 1,33 Па. А также для получения водорода используются радиоактивные элементы.

Термическая диссоциация

Электролизный метод

Наиболее простым и популярным методом выделения водорода считается электролиз воды. Он допускает получение практически чистого водорода. Другими преимуществами этого способа считаются:

Принцип действия электролизного генератора водорода

• доступность сырья;
• получение элемента под давлением;
• возможность автоматизации процесса из-за отсутствия движущихся частей.

Процедура расщепления жидкости электролизом обратен горению водорода. Его суть в том, что под воздействием постоянного тока на электродах, опущенных в водный раствор электролита, выделяются кислород и водород.

Дополнительным преимуществом считается получение побочных продуктов, обладающих промышленной ценностью. Так, кислород в большом объеме необходим для катализации технологических процессов в энергетике, очистки почвы и водоемов, утилизации бытовых отходов. Тяжелая вода, получаемая при электролизе, в энергетике используется в атомных реакторах.

Получение водорода концентрированием

Этот способ основан на выделении элемента из содержащих его газовых смесей. Так, наибольшая часть производимого в промышленных объемах вещества, извлекается с помощью паровой конверсии метана. Добытый в этом процессе, водород используют в энергетике, в нефтеочистительной, ракетостроительной индустрии, а также для производства азотных удобрений. Процесс получения H2 осуществляют разными способами:

• короткоцикловым;
• криогенным;
• мембранным.

Последний способ считается наиболее эффективным и менее затратным.

Конденсация под действием низких температур

Эта методика получения H2 заключается в сильном охлаждении газовых соединений под давлением. В результате они трансформируются в двухфазную систему, которая впоследствии разделяется сепаратором на жидкое составляющее и газ. Для охлаждения применяют жидкие среды:

• воду;
• сжиженный этан или пропан;
• жидкий аммиак.

Эта процедура не так проста, как кажется. Чисто разделить углеводородные газы за один раз не получится. Часть компонентов уйдет с газом, забираемым из сепарационного отсека, что не экономично. Решить проблему можно глубоким охлаждением сырья перед сепарацией. Но это требует больших энергозатрат.

В современных системах низкотемпературных конденсаторов дополнительно предусмотрены колонны деметанизации либо деэтанизации. Газовую фазу выводят с последней сепарационной ступени, а жидкость направляется в ректификационную колонну с потоком сырого газа после теплообмена.

Способ адсорбции

Во время адсорбции для выделения водорода используют адсорбенты – твердые вещества, поглощающие необходимые компоненты газовой смеси. В качестве адсорбентов применяют активированный уголь, силикатный гель, цеолиты. Для осуществления этого процесса применяют специальные аппараты – циклические адсорберы или молекулярные сита. При реализации под давлением этот метод позволяет извлекать 85-процентный водород.

Если сравнивать адсорбцию с низкотемпературной конденсацией, можно отметить меньшую материальную и эксплуатационную затратность процесса – в среднем, на 30 процентов. Методом адсорбции производят водород для энергетики и с применением растворителей. Такой способ допускает извлечение 90 процентов H2 из газовой смеси и получение конечного продукта с концентрацией водорода до 99,9%.