Как получить водород из воды. Водород из воды

Водород - широко распространенный элемент. Благодаря своей уникальности он может выступать в качестве окислителя и в качестве восстановителя. Существует несколько методов получения водорода .

Промышленный метод получения водорода.

1. Электролиз водных растворов солей (поваренная соль NaCl ).

2. Пропускание паров поды над раскаленным коксом (Т = 1000 °С):

H 2 O + C = H 2 + CO ,

Реакция обратима!

Смесь (Н 2 , СО и Н 2 О ) называется водяным газом.

А на 2-ой стадии водяной газ пропускают над оксидом железа (III) при температуре около 450°С:

СО + Н 2 О = СО 2 + Н 2 ,

Часто эту реакцию называют реакцией сдвига.

3. Получение из природного газа. Основа - конверсия метана (основной компонент природного газа, СН 4 ) с водяным паром. В итоге получается обратимая смесь, которая называется синтез-газом. Условия протекания процесса: никелевый катализатор и 1000°С:

СН 4 + Н 2 О = СО 2 + 3Н 2 ,

Эту реакцию часто используют для получения водорода для реакции Габера (синтез аммиака).

4. Крекинг нефтяных продуктов.

Лабораторный метод получения водорода.

1. Под воздействием разбавленных кислот на металлы, которые стоят в ряду напряжения левее водорода.

Zn + HCl = ZnCl 2 + H 2 ,

2. Электролиз растворов кислот, щелочей на катоде выделяется водород.

3. Действие щелочей на цинк или алюминий:

2Al + 2NaOH + 6H 2 O = 2Na + 3H 2

4. Гидролиз гидридов:

NaH + H 2 O = NaOH + H 2 ,

5. Реакция кальция с водой:

Ca + 2H 2 O = Ca(ОН) 2 + H 2 .

Всем еще со школы известно, что водород в таблице Менделеева занимает самое первое место и обозначается символом Н. Но, невзирая на эти знания, мало кто слышал о том, что получение водорода из воды можно без проблем выполнить в домашних условиях. Кроме того, стоит заметить тот факт, что на сегодняшний день этот химический элемент активно используется в качестве автомобильного топлива, поскольку он при сгорании не попадает в окружающую среду. Кстати, промышленным путем водород получают при помощи реакции водяного пара с разогретым углеродом (коксом), электролизом раствора хлористого натрия и т.д. Одним словом, существует огромное количество способов, благодаря которым вещество можно получить в лабораторных условиях. Но, а используя ниже описанные методы, можно провести эксперимент по получению водорода дома. Вот только в этом случае не стоит забывать об осторожности при работе с горючими веществами.

Изначально следует позаботиться о наличии под рукой всего необходимого для химического эксперимента. Во-первых, нужно убедиться в том, что пробирка для сбора водорода является полностью целой (даже самая маленькая трещинка может испортить весь процесс). Кроме того, перед проведением опыта с тлеющей лучиной, пробирку для предосторожности рекомендовано обмотать с помощью плотной ткани. После подготовительного процесса можно смело переходить к практике и, взяв в руки колбу, немного наполнить ее водой. Далее в воду помещается кусочек кальция, и емкость сразу же плотно закупоривается при помощи пробки. «Колено» трубки, что изогнуто и проходит через пробку, должно быть в емкости с водой («гидрозатворе»), а кончики трубки – слегка выглядывать из воды. Торчащий конец нужно очень быстро накрыть пробиркой, перевернутой верх дном. В итоге эта пробирка должна будет наполниться водородом (край пробирки держат в воде).

Как только в колбе полностью завершится реакция, пробирку надо сразу же закрыть очень плотной пробкой, которая держится верх дном, что поможет предотвратить улетучивание более легкого водорода. Кстати, лучше всего это проделать, продолжая ее край держать под водой. А вот для того чтобы проверить наличие водорода, необходимо вытащить пробку, а затем к краю пробирки поднести тлеющую лучинку. В итоге должен раздастся специфический хлопок. К месту будет напомнить о том, что кальций по сравнению со щелочными металлами, хоть и менее активный, но тоже опасен, поэтому работать с ним нужно все равно осторожно. Хранить его рекомендовано в емкости из стекла под пленкой из жидкого парафина, или керосина. Извлекать элемент следует непосредственно уже перед самим опытом при помощи длинного пинцета. Также по возможности лучше всего обзавестись резиновыми перчатками!

Также водород из воды в домашних условиях можно получить следующим весьма не сложным методом. Изначально в бутылку из пластика объемом в 1,5 литра набирается вода. После чего в этой воде растворяют едкий калий (примерно 15 грамм) или каустическую соль. Далее бутылку нужно поместить в кастрюлю, в которую предварительно набирают воду. Теперь необходимо взять 40 сантиметровую алюминиевую проволоку и порезать ее на кусочки, длина которых должна ровняться 5 сантиметрам. Порезанная проволока кидается в бутылку, а на ее горловину надевается заранее подготовленный резиновый шарик. Водород, что выделяется в ходе реакции между алюминием и щелочью, будет собираться в резиновом шарике. Поскольку данная реакция осуществляется с активным выделением тепла – нужно непременно соблюдать правила безопасности и действовать осторожно!

И наконец-то, водород из воды получают при помощи обычной поваренной соли. Для этого в стеклянную емкость с узким горлышком засыпают соль в размере пяти больших ложек и хорошо размешивают. После чего берется провод из меди и просовывается в шприц со стороны поршня. Этот участок необходимо хорошо герметизировать при помощи клея. Далее шприц опускают в емкость с соляным раствором и постепенно заполняют его. Медный провод надо подключить к отрицательному выводу аккумулятора 12 Вольт. В итоге реакции электролиза, возле проводка начнет выделяться водород, который вытесняется из шприца соляным раствором. Как только медный провод перестанет контактировать с соленой водой, реакция полностью завершиться. Вот так можно с помощью довольно простых методов самостоятельно получить водород из воды. Кстати, в ходе использования любого из методов необходимо помнить, что водород при смешивании с кислородом становится взрывоопасным!

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.

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.

Возможно ли получить водород в лабораторных или домашних условиях?

Сделать это можно, однако лучше не стоит. Причиной тому является взрывоопасность водорода. Кроме того, все реакции с его выделением являются экзотермическими, то есть сопровождаются интенсивным выделением тепла. В том случае, если вы решили синтезировать водород в домашних условиях и отступать от своих намерений не собираетесь, то делать это надо будет на улице. Если возникнет аварийная ситуация, так меньше будет пострадавших. В лучшем случае вы отделаетесь только ожогами от тепла, которое возникнет в ходе химической реакции.

Для того чтобы добыть водород в домашних условиях, используется несколько реагентов: медный купорос, кухонная соль, алюминий и вода. Сам процесс включает в себя несколько этапов.

1. Необходимо смешать раствор купороса с раствором хлорида натрия, в результате чего получится раствор зеленого цвета.
2. В приготовленный раствор помещаем алюминий.
3. Скопившиеся вокруг алюминия пузырьки – не что иное, как водород. Когда алюминиевая фольга покроется красным налетом, это будет свидетельствовать о том, что медь полностью вытеснена алюминием из раствора.

Опять-таки, если вы решили работать над получением водорода в домашних условиях, то необходимо позаботиться о том, чтобы в результате вашей деятельности не пострадали окружающие. показано, какие интересные и безопасные опыты с водородом можно провести дома.

Вам понадобится

• пластиковая бутылка емкостью 1,5 литра, резиновый шарик, кастрюля с водой, гидроксид калия или гидроксид натрия (каустическая сода, едкий натр), 40 сантиметров проволоки из алюминия, кусочек цинка, стеклянная емкость с узким горлышком, раствор соляной кислоты, резиновый шарик, аккумулятор 12 Вольт, провод из меди, провод из цинка, стеклянный сосуд, вода, поваренная соль, клей, шприц.

Инструкция

Заполните наполовину водой пластиковую бутылку. Киньте в бутылку и растворите в воде 10-15 грамм едкого натра или соды. Поставьте бутылку в кастрюлю с водой. Нарежьте алюминиевую проволоку кусочками по 5 сантиметров длиной и киньте в бутылку. Наденьте на горловину бутылки резиновый шарик. Выделяемый во время реакции с раствором щелочи будет в резиновом шарике. Эта происходит с бурным выделением - будьте осторожны!

Налейте в стеклянную емкость соляной и киньте в нее цинк. Наденьте на горловину стеклянной емкости воздушный шарик. Выделяемый во время реакции с соляной кислотой водород будет собираться в воздушном шаре.

Налейте в стеклянную емкость воду и размешайте в ней 4–5 столовых ложек поваренной соли. Затем просуньте в шприц со стороны поршня медный провод. Герметизируйте это место клеем. Опустите шприц в сосуд с соляным раствором и отодвигая поршень, заполните шприц. Подключите медный провод к отрицательному выводу аккумулятора. Опустите рядом со шприцом в раствор соли цинковый провод и подключите его к положительному выводу аккумулятора. В результате реакции электролиза около медного провода выделяется водород, который вытесняет , контакт медного провода с соляным раствором прервется, и реакция прекратится.

Современное название водороду – гидроген, дал французский знаменитый химик Лавуазье. Название обозначает – гидро (вода) и генез (рождающий). Открыл «горючий воздух», как его раньше называли, Кавендиш в 1766 году, он же и доказал, что водород легче воздуха. В школьной программе по химии присутствуют уроки, в которых рассказывается не только об этом газе, но и способе его получения.

Вам понадобится

• Колба Вюрца, гидроксид натрия, алюминий в гранулах и пудра, мерный стакан, алюминиевая ложка, штатив,капельная воронка. Защитные очки и перчатки, лучина, зажигалка или спички.

Инструкция

Первый способ.
Возьмите колбу Вюрца, в которой к горловине припаяна стеклянная отводная трубка, и капельную воронку. Соберите систему на штативе, прикрепив колбу зажимом и установив ее на поверхность стола. Сверху в нее вставьте капельную воронку с краником.

Проверьте плотное закрепление всех системы – колбы Вюрца и зажима. Возьмите . Он должен быть в гранулах. Положите его в колбу. Налейте в капельную воронку более-менее насыщенный раствор . Приготовьте две емкости для сдерживания , а также лучину и зажигалку или спички, чтобы ее поджечь.

Влейте из капельной воронки в колбу Вюрца гидроксид натрия, для этого откройте кран на воронке. Подождите, через некоторое начнется выделение водорода. Водород, с небольшим содержанием , заполнит колбу полностью. Чтобы ускорить этот процесс, нагрейте колбу Вюрца снизу при помощи горелки.

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% H 2) в одну технологическую ступень. В производственных затратах на получение водорода стоимость электрической энергии составляет примерно 85%.

Электролиз воды один из наиболее известных и хорошо исследованных ме­тодов получения водорода . Он обеспечивает получение чистого про­дукта (99,6-99,9 % Н 2) в одну технологическую ступень. Экономика про­цесса в основном зависит от стоимости электроэнергии. В производственных затратах на получение водорода стоимость электрической энергии составляет примерно 85 % .

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. Если электроэнергию получать за счет наиболее дешевой атомной энергии, то при КПД процесса получения электроэнергии, равном 40 % (в случае быстрых реакторов-размножителей) и КПД процесса получения водорода электролизом даже 80 %, полный КПД электролизного процесса составит 0,8-0,4 = 0,32, или 32 %. Далее, если предположить, что электроэнергия составляет 25 % полного производства энергии, а 40 % электроэнергии расходуется на электролиз, тогда вклад этого источника в общее энергообеспечение составит в лучшем случае 0,25Х X 0,4-0,32 = 0,032, или 3,2%. Следовательно, электролиз воды, как метод получения водорода для энергоснабжения может рассматриваться в строго ограниченных рамках. Однако как метод получения водорода для химиче­ской и металлургической индустрии его следует иметь на технологическом вооружении, поскольку при определенных экономических условиях он может быть использован в крупнопромышленном масштабе.

Электролиз с успехом может быть использован на гидростанциях или в тех случаях, когда тепловые и атомные электростанции имеют избыточные мощности, и получение водорода является средством для использования, хра­нения и накопления энергии. Для этой цели могут быть использованы мощ­ные электролизеры производительностью до 1 млн. м 3 водорода в сутки. На крупном заводе электролиза воды мощностью 450 т/сут и выше рас­ход электроэнергии на 1 м 3 водорода может быть доведен до 4-4,5 кВт-ч. При таком расходе электроэнергии в ряде энергетических ситуаций электро­лиз воды даже в современных условиях сможет стать конкурентоспособным методом получения водорода .

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.

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.