Дешевий спосіб одержання водню. Отримання водню в промисловості та в лабораторії

Давно хотів зробити таку штуку. Але далі дослідів із батареєю та парою електродів не доходило. Хотілося зробити повноцінний апарат для виробництва водню, в кількостях для того, щоб надути кульку. Перш ніж робити повноцінний апарат для електролізу води в домашніх умовах, вирішив перевірити все на моделі.

Загальна схема електролізера має такий вигляд.

Ця модель не підходить для повноцінної щоденної експлуатації. Але перевірити ідею вдалося.

Отже, для електродів я вирішив застосувати графіт. Прекрасне джерело графіту для електродів це струмознімач тролейбуса. Їх повно валяється на кінцевих зупинках. Потрібно пам'ятати, що один з електродів руйнуватиметься.

Пилимо і допрацьовуємо напилком. Інтенсивність електролізу залежить від сили струму та площі електродів.

До електродів прикріплюються дроти. Провід має бути ретельно ізольований.

Для корпусу моделі електролізера цілком підійдуть пластикові пляшки. У кришці робляться дірки для трубок та проводів.

Все ретельно промазується герметиком.

Для з'єднання двох ємностей підійдуть відрізані шийки пляшок.

Їх необхідно з'єднати разом та оплавити шов.

Гайки виготовляються з пляшкових кришок.

У двох пляшках у нижній частині робляться отвори. Все з'єднується та ретельно заливається герметиком.

Як джерело напруги використовуватимемо побутову мережу 220в. Хочу попередити, що це небезпечна іграшка. Отже, якщо немає достатніх навичок чи є сумніви, то краще не повторювати. У побутовій мережі у нас змінний струм, для електролізу його необхідно випрямити. Для цього чудово підійде діодний міст. Той, що на фотографії виявився мало потужним і швидко перегорів. Найкращим варіантом став китайський діодний міст MB156 в алюмінієвому корпусі.

Діодний міст сильно нагрівається. Знадобиться активне охолодження. Кулер для комп'ютерного процесора підійде якнайкраще. Для корпусу можна використовувати відповідну за розміром розпаювальну коробку. Продається в електротоварах.

Під діодний міст потрібно підкласти кілька шарів картону.

У кришці розпаювальної коробки робляться необхідні отвори.

Так виглядає установка у зборі. Електролізер запитується від мережі, вентилятора від універсального джерела живлення. Як електроліт застосовується розчин харчової соди. Тут слід пам'ятати, що чим вища концентрація розчину, тим вища швидкість реакції. Але при цьому вищий і нагрів. Причому свій внесок у нагрівання вноситиме реакція розкладання натрію у катода. Ця екзотермічна реакція. В результаті її утворюватиметься водень і гідроксид натрію.

Той апарат, що на фото вище, дуже нагрівався. Його доводилося періодично відключати і чекати доки охолоне. Проблему з нагріванням удалося частково вирішити шляхом охолодження електроліту. Для цього я використав помпу для настільного фонтану. Довга трубка проходить з однієї пляшки в іншу через помпу та відро з холодною водою.

Всім ще зі школи відомо, що водень у таблиці Менделєєва займає найперше місце і позначається символом Н. Але, незважаючи на ці знання, мало хто чув про те, що одержання водню з води можна без проблем виконати в домашніх умовах. Крім того, варто зауважити той факт, що на сьогоднішній день цей хімічний елемент активно використовується як автомобільне паливо, оскільки він при згорянні не потрапляє в навколишнє середовище. До речі, промисловим шляхом водень одержують за допомогою реакції водяної пари з розігрітим вуглецем (коксом), електроліз розчину хлористого натрію і т.д. Одним словом, існує безліч способів, завдяки яким речовину можна отримати в лабораторних умовах. Але, а використовуючи описані нижче методи, можна провести експеримент з отримання водню будинку. Ось тільки в цьому випадку не варто забувати про обережність під час роботи з горючими речовинами.

Спочатку слід подбати про наявність під рукою всього необхідного для хімічного експерименту. По-перше, потрібно переконатися в тому, що пробірка для збору водню є цілою (навіть найменша тріщина може зіпсувати весь процес). Крім того, перед проведенням досвіду з тліючою лучиною, пробірку для обережності рекомендовано обмотати за допомогою щільної тканини. Після підготовчого процесу можна сміливо переходити до практики і, взявши до рук колбу, трохи наповнити її водою. Далі у воду поміщається шматочок кальцію, і ємність відразу щільно закупорюється за допомогою пробки. «Коліно» трубки, що вигнуте і проходить через пробку, має бути в ємності з водою («гідрозатворі»), а кінчики трубки – злегка виглядати з води. Кінець кінець потрібно дуже швидко накрити пробіркою, перевернутою верх дном. У результаті ця пробірка повинна буде наповнитись воднем (край пробірки тримають у воді).

Як тільки в колбі повністю завершиться реакція, пробірку треба відразу ж закрити дуже щільною пробкою, яка тримається верх дном, що допоможе запобігти випаровуванню легшого водню. До речі, найкраще це зробити, продовжуючи її край тримати під водою. А ось для того щоб перевірити наявність водню, необхідно витягнути пробку, а потім до краю пробірки піднести тліє лучинку. У результаті має пролунати специфічна бавовна. Доречно нагадати про те, що кальцій порівняно зі лужними металами, хоч і менш активний, але теж небезпечний, тому працювати з ним треба однаково обережно. Зберігати його рекомендовано в ємності зі скла під плівкою рідкого парафіну, або гасу. Витягувати елемент слід безпосередньо перед самим досвідом за допомогою довгого пінцета. Також по можливості найкраще придбати гумові рукавички!

Також водень із води в домашніх умовах можна отримати наступним дуже нескладним способом. Спочатку в пляшку із пластику об'ємом 1,5 літра набирається вода. Після цього у цій воді розчиняють їдкий калій (приблизно 15 грам) або каустичну сіль. Далі пляшку потрібно помістити в каструлю, в яку попередньо набирають воду. Тепер необхідно взяти 40-сантиметровий алюмінієвий дріт і порізати його на шматочки, довжина яких повинна дорівнювати 5 сантиметрам. Порізаний дріт кидається в пляшку, а на її горловину надягається заздалегідь підготовлена гумова кулька. Водень, що виділяється в ході реакції між алюмінієм та лугом, збиратиметься у гумовій кульці. Оскільки ця реакція здійснюється з активним виділенням тепла – потрібно неодмінно дотримуватися правил безпеки та діяти обережно!

І, нарешті, водень з води отримують за допомогою звичайної кухонної солі. Для цього в скляну ємність із вузьким шийкою засипають сіль у розмірі п'яти великих ложок і добре розмішують. Після чого береться провід із міді та просовується в шприц з боку поршня. Цю ділянку необхідно добре герметизувати за допомогою клею. Далі шприц опускають у ємність із соляним розчином і поступово заповнюють його. Мідний дріт треба підключити до негативного виведення акумулятора 12 Вольт. У результаті реакції електролізу, біля проведення почне виділятися водень, який витісняється зі шприца соляним розчином. Як тільки мідний дріт перестане контактувати із солоною водою, реакція повністю завершиться. Ось так можна за допомогою досить простих методів самостійно отримати водень із води. До речі, під час використання будь-якого з методів необхідно пам'ятати, що водень при змішуванні з киснем стає вибухонебезпечним!

Вам знадобиться

пластикова пляшка ємністю 1,5 літра, гумова кулька, каструля з водою, гідроксид калію або гідроксид натрію (каустична сода, їдкий натр), 40 сантиметрів дроту з алюмінію, шматочок цинку, скляна ємність з вузькою шийкою, розчин соля акумулятор 12 Вольт, дріт з міді, дріт з цинку, скляна посудина, вода, кухонна сіль, клей, шприц.

Інструкція

Заповніть наполовину водою пластикову пляшку. Киньте в пляшку і розчиніть у воді 10-15 г їдкого натру або соди. Поставте пляшку в каструлю із водою. Наріжте алюмінієвий дріт шматочками по 5 см довжиною і киньте в пляшку. Надягніть на горловину пляшки гумову кульку. Що виділяється під час реакції з розчином лугу буде в гумовій кульці. Ця відбувається з бурхливим виділенням – будьте обережні!

Налийте в скляну ємність соляної та киньте в неї цинк. Надягніть на горловину скляної ємності повітряну кульку. Водень, що виділяється під час реакції з соляною кислотою, буде збиратися в повітряній кулі.

Налийте в скляну ємність воду і розмішайте в ній 4-5 столових ложок кухонної солі. Потім просуньте в шприц з боку поршня мідний дріт. Герметизуйте це місце клеєм. Опустіть шприц у посудину із соляним розчином і відсуваючи поршень, заповніть шприц. Підключіть мідний дріт до негативного виведення акумулятора. Опустіть поряд зі шприцем у розчин солі цинковий дріт і підключіть його до позитивного виведення акумулятора. В результаті реакції електролізу біля мідного дроту виділяється водень, який витісняє контакт мідного дроту з соляним розчином перерветься, і реакція припиниться.

Сучасна назва водню- Гідроген, дав французький знаменитий хімік Лавуазьє. Назва позначає – гідро (вода) та генез (що народжує). Відкрив «горюче повітря», як його раніше називали, Кавендіш у 1766 році, він же й довів, що водень легший за повітря. У шкільній програмі з хімії присутні уроки, в яких розповідається не лише про цей газ, а й спосіб його отримання.

Вам знадобиться

Колба Вюрца, гідроксид натрію, алюміній в гранулах і пудра, мірна склянка, алюмінієва ложка, штатив, крапельна лійка. Захисні окуляри та рукавички, скіпка, запальничка або сірники.

Інструкція

Перший метод.
Візьміть колбу Вюрца, в якій до горловини припаяна скляна труба відвідна, і краплинну воронку. Зберіть систему на штативі, прикріпивши колбу затискачем та встановивши її на поверхню столу. Зверху в неї вставте краплинну вирву з краником.

Перевірте щільне закріплення всіх систем – колби Вюрца та затиску. Візьміть. Він має бути у гранулах. Покладіть його у колбу. Налийте в краплинну вирву більш-менш насичений розчин. Приготуйте дві ємності для стримування, а також скіпку і запальничку або сірники, щоб її підпалити.

Влийте з крапельної вирви в колбу Вюрца гідроксид натрію, для цього відкрийте кран на вирві. Зачекайте, через деяке розпочнеться виділення водню. Водень з невеликим вмістом заповнить колбу повністю. Щоб прискорити процес, нагрійте колбу Вюрца знизу за допомогою пальника.

Отримання.

В обмеженому масштабі застосовують спосіб взаємодії водяної пари з фосфором та термічного розкладання вуглеводнів:

СН 4 (1000 ° С) = С + 2 Н 2 (виділяється у вигляді газу).

У деяких випадках водень одержують внаслідок каталітичного розщеплення метанолу з водяною парою.

СН 3 ВІН + Н 2 О (250 ° С) = СО 2 + 3 Н 2

або внаслідок каталітичного термічного розкладання аміаку

2 NH 3 (950 °С) -> N 2 + 3 H 2 .

Однак ці вихідні сполуки одержують у великих масштабах з водню; тим часом одержання з них водню є особливо простим і може бути використане в таких виробництвах, які споживають його порівняно малих кількостях (менше 500 м 3 /добу).

Найважливіші методи одержання водню.

1. Розчинення цинку у розведеній соляній кислоті

Zn + 2 HCl = ZnCl 2 + H 2

Цей спосіб найчастіше застосовують у лабораторіях.

Замість соляної кислоти можна використовувати розведену сірчану кислоту; однак якщо концентрація останньої занадто висока, то газ, що виділяється, легко забруднюється SO 2 і H 2 S. При використанні не цілком чистого цинку утворюються ще й інші сполуки, що забруднюють водень, наприклад AsH 3 і PH 3 . Їхня присутність і обумовлює неприємний запах водню, що отримується цим способом.

Для очищення водень пропускають через підкислений розчин перманганату або біхромату калію, а потім через розчин їдкого калі, а також через концентровану сірчану кислоту або шар силікагелю для звільнення від вологи. Найдрібніші крапельки рідини, захоплені воднем при його одержанні та укладені в бульбашках газу, найкраще усувати за допомогою фільтра із щільно спресованої звичайної або скляної вати.

Якщо доводиться користуватися чистим цинком, до кислоти необхідно додати дві краплі платинохлористоводневої кислоти або сірчанокислої міді, інакше цинк не вступає в реакцію.

2. Розчинення алюмінію або кремнію в їдкому лугу

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

Si + 2 KOH + H 2 O = Na 2 SiO 3 + 2 H 2

Ці реакції застосовували раніше для одержання водню в польових умовах (для наповнення аеростатів). Для отримання 1 м 3 водню (при 0 ° С і 760 мм рт. ст.) Потрібно тільки 0,81 кг алюмінію або 0,63 кг кремнію в порівнянні з 2,9 кг цинку або 2,5 кг заліза.

Замість кремнію також застосовують феросиліцій (кремнієвий метод). Суміш феросиліцію та розчину їдкого натру, введена у вживання незадовго до першої світової війни у французькій армії під назвою гідрогеніту, має властивість після підпалювання тліти з енергійним виділенням водню за наступною реакцією:

Si + Ca(OH) 2 + 2 NaOH = Na 2 SiO 3 + CaO + 2 H 2 .

3. Дія натрію на воду

2 Na + 2 H 2 O = 2 NaOH + H 2

Зважаючи на те, що чистий натрій реагує в цьому випадку занадто енергійно, його частіше вводять у реакцію у вигляді амальгами натрію; цей спосіб застосовують переважно для одержання водню, коли ним користуються для відновлення "in statu nascendi". Аналогічно натрію з водою реагують та інші лужні та лужноземельні метали.

4. Дія гідриду кальцію на воду

СaН 2 + 2 H 2 O = Сa(OH) 2 + 2 H 2

Цей метод є зручним способом отримання водню у польових умовах. Для отримання 1 м 3 водню теоретично необхідно 0,94 кг СаН 2 і крім води не потрібно ніяких інших реактивів.

5. Пропускання водяної пари над розпеченим до червоного заліза.

4 Н 2 О + 3 Fe = Fe 3 O 4 + 4 H 2

З допомогою цієї реакції 1783 р. Лавуазьє вперше аналітично довів склад води. Оксид заліза, що утворюється при цій реакції, неважко відновити до металевого заліза, пропускаючи над ним генераторний газ так, що пропускання водяної пари над одним і тим же залізом можна провести довільне число разів. Цей метод тривалий час мав велике промислове значення. У невеликих масштабах його застосовують і зараз.

6. Пропускання водяної пари над коксом.

При температурі вище 1000 °С реакція йде головним чином за рівнянням

Н 2 О + С = СО + Н 2.

Спочатку отримують водяний газ, тобто суміш водню та монооксиду вуглецю з домішкою невеликих кількостей вуглекислого газу та азоту. Від вуглекислого газу легко звільняються промиванням водою під тиском. Монооксид вуглецю та азот видаляють за допомогою процесу Франка-Каро-Лінде, тобто зрідженням цих домішок, що досягається охолодженням рідким повітрям до -200 °С. Сліди СО видаляють, пропускаючи газ над нагрітим натронним вапном

СО + NaOH = HCOONa – форміат натрію.

Цей метод дає дуже чистий водень, який використовують, наприклад, гідрогенізації жирів.

Найчастіше водяний газ у суміші з парами води при температурі 400 °С пропускають над відповідними каталізаторами, наприклад над оксидом заліза або кобальту (контактний спосіб отримання водяного газу). В цьому випадку СО реагує з водою за рівнянням

СО + Н 2 Опар = СО 2 + Н 2 ("конверсія СО").

СО 2, що утворюється при цьому
поглинається водою (під тиском). Залишок монооксиду вуглецю (~1 об. %) вимивають аміачним розчином однохлористої міді. Водяний газ, що застосовується в цьому способі, отримують пропусканням водяної пари над розпеченим коксом. Останнім часом все більше використовують взаємодію водяної пари з пилоподібним вугіллям (перетворення вугільного пилу на гази). Отриманий таким способом водяний газ зазвичай містить велику кількість водню. Водень, що виділяється з водяного газу (містить азот) застосовують головним чином для синтезу аміаку і гідрування вугілля.

7. Фракційне скраплення коксового газу.

Подібно до отримання з водяного газу, водень можна отримувати фракційним зрідженням коксового газу, основною складовою якого є водень.

Спочатку коксовий газ, з якого попередньо видаляють сірку, очищають від 2 промиванням водою під тиском з подальшою обробкою розчином їдкого натру. Потім поступово звільняють від інших домішок ступінчастою конденсацією, що проводиться доти, доки залишається тільки водень; від інших домішок його очищають промиванням сильно охолодженим рідким азотом. Цей метод застосовують головним чином, щоб одержати водень для синтезу аміаку.

8. Взаємодія метану з водяною парою (розкладання метану).

Метан взаємодіє з водяною парою у присутності відповідних каталізаторів при нагріванні (1100 °С) за рівнянням

СН 4 + Н 2 Опар + 204 кДж (при постійному тиску).

Необхідне для реакції тепло слід підводити або ззовні, або застосовуючи "внутрішнє згоряння", тобто підмішуючи повітря або кисень таким чином, щоб метану згорала до діоксиду вуглецю

СН 4 + 2 Про 2 = СО 2 + 2 Н 2 Опар + 802 кДж (при постійному тиску).

При цьому співвідношення компонентів вибирають з таким розрахунком, щоб реакція загалом була екзотермічною

12 СН 4 + 5 Н 2 Опар + 5 О 2 = 29 Н2 + 9 СО + 3 СО 2 + 85,3 кДж.

З монооксиду вуглецю за допомогою "конверсії" також отримують водень. Видалення діоксиду вуглецю виробляють вимиванням водою під тиском. Отриманий методом розкладання метану водень використовують головним чином при синтезі аміаку та гідруванні вугілля.

9. Взаємодія водяної пари з фосфором (фіолетовим).

2 Р + 8 Н 2 О = 2 Н 3 РО 4 + 5 Н 2

Зазвичай процес проводять таким чином: пари фосфору, що виходять при відновленні фосфату кальцію в електричній печі, пропускають разом з водяною парою над каталізатором при 400-600 ° С (з підвищенням температури рівновага даної реакції зміщується вліво). Взаємодія Н 3 РО 4 з фосфором з утворенням Н 3 РО 3 і РН 3 запобігають швидким охолодженням продуктів реакції (загартування). Цей метод застосовують перш за все, якщо водень йде для синтезу аміаку, який потім переробляють на важливе добриво, що не містить домішок - амофос (суміш гідро-і дигідрофосфату амонію).

10. Електролітичне розкладання води.

2 H 2 O = 2 H 2 + O 2

Чиста вода практично не проводить струму, тому до неї додаються електроліти (зазвичай КОН). При електролізі водень виділяється на катоді. На аноді виділяється еквівалентна кількість кисню, який, отже, у цьому методі є побічним продуктом.

Водень, що виходить при електролізі, дуже чистий, якщо не вважати домішки невеликих кількостей кисню, який легко видалити пропусканням газу над відповідними каталізаторами, наприклад над злегка нагрітим паладированним азбестом. Тому його використовують як гідрогенізації жирів, так інших процесів каталітичного гидрирования. Водень, що отримується цим методом досить дорогий.

СН 4 (1000 ° С) = С + 2 Н 2 (виділяється у вигляді газу).

У деяких випадках водень одержують внаслідок каталітичного розщеплення метанолу з водяною парою.

СН 3 ВІН + Н 2 О (250 ° С) = СО 2 + 3 Н 2

або внаслідок каталітичного термічного розкладання аміаку

2 NH 3 (950 °С) -> N 2 + 3 H 2 .

Найважливіші методи одержання водню.

1. Розчинення цинку у розведеній соляній кислоті

Zn + 2 HCl = ZnCl 2 + H 2

Цей спосіб найчастіше застосовують у лабораторіях.

2. Розчинення алюмінію або кремнію в їдкій лугу

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

Si + 2 KOH + H 2 O = Na 2 SiO 3 + 2 H 2

Si + Ca(OH) 2 + 2 NaOH = Na 2 SiO 3 + CaO + 2 H 2 .

3. Дія натрію на воду

2 Na + 2 H 2 O = 2 NaOH + H 2

4. Дія гідриду кальцію на воду

СaН 2 + 2 H 2 O = Сa(OH) 2 + 2 H 2

Цей метод є зручним способом отримання водню у польових умовах. Для отримання 1 м 3 водню теоретично необхідно 0,94 кг СаН 2 і крім води не потрібно ніяких інших реактивів.5. Пропускання водяної пари над розпеченим до червоного заліза.

4 Н 2 О + 3 Fe = Fe 3 O 4 + 4 H 2

6. Пропускання водяної пари над коксом.

При температурі вище 1000 °С реакція йде головним чином за рівнянням

Н 2 О + С = СО + Н 2.

СО + NaOH = HCOONa – форміат натрію.

Цей метод дає дуже чистий водень, який використовують, наприклад, гідрогенізації жирів.

СО + Н 2 Опар = СО 2 + Н 2 ("конверсія СО").

СО 2, що утворюється при цьому, поглинається водою (під тиском). Залишок монооксиду вуглецю (~1 об. %) вимивають аміачним розчином однохлористої міді. Водяний газ, що застосовується в цьому способі, отримують пропусканням водяної пари над розпеченим коксом. Останнім часом все більше використовують взаємодію водяної пари з пилоподібним вугіллям (перетворення вугільного пилу на гази). Отриманий таким способом водяний газ зазвичай містить велику кількість водню. Водень, що виділяється з водяного газу (містить азот) застосовують головним чином для синтезу аміаку і гідрування вугілля.

7. Фракційне скраплення коксового газу.

8. Взаємодія метану з водяною парою (розкладання метану).

Метан взаємодіє з водяною парою у присутності відповідних каталізаторів при нагріванні (1100 °С) за рівнянням

СН 4 + Н 2 Опар + 204 кДж (при постійному тиску).

СН 4 + 2 Про 2 = СО 2 + 2 Н 2 Опар + 802 кДж (при постійному тиску).

При цьому співвідношення компонентів вибирають з таким розрахунком, щоб реакція загалом була екзотермічною

12 СН 4 + 5 Н 2 Опар + 5 О 2 = 29 Н2 + 9 СО + 3 СО 2 + 85,3 кДж.

9. Взаємодія водяної пари з фосфором (фіолетовим).

2 Р + 8 Н 2 О = 2 Н 3 РО 4 + 5 Н 2

10. Електролітичне розкладання води.

2 H 2 O = 2 H 2 + O 2

Застосування водню.

Нині водень отримують у величезних кількостях. Дуже більшу частину його використовують при синтезі аміаку, гідрогенізації жирів та при гідруванні вугілля, олій та вуглеводнів. Крім того, водень застосовують для синтезу соляної кислоти, метилового спирту, синильної кислоти, при зварюванні та куванні металів, а також при виготовленні ламп розжарювання та дорогоцінного каміння. У продаж водень надходить у балонах під тиском понад 150 атм. Вони пофарбовані в темно-зелений колір і мають червоний напис "Водень".

Водень використовується для перетворення рідких жирів у тверді (гідрогенізація), виробництва рідкого палива гідрогенізацією вугілля та мазуту. У металургії водень використовують як відновник оксидів або хлоридів для одержання металів та неметалів (германію, кремнію, галію, цирконію, гафнію, молібдену, вольфраму та ін.).

Практичне застосування водню різноманітне: їм зазвичай заповнюють кулі-зонди, в хімічній промисловості він служить сировиною для отримання багатьох вельми важливих продуктів (аміаку та ін), в харчовій - для вироблення з олії твердих жирів і т. д. Висока температура (до 2600 °С), що виходить при горінні водню в кисні, використовується для плавлення тугоплавких металів, кварцу і т. п. Рідкий водень є одним з найефективніших реактивних палив. Щорічне світове споживання водню перевищує 1 млн т.