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 <0
2Na + 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.