Как известно водород в ближайшей перспективе рассматривается как альтернативное энергетическое сырье, которое может заменить природный газ, нефть и уголь. На данный момент уже ведутся инженерные проработки для использования существующей газотранспортной сети с целью технического перевооружения для транспорта смеси природного газа и водорода с переходом в перспективе на чистый водород.
УГОЛОК БЕЗОПАСНОСТИ!!!
Не будем в деталях останавливаться на аспектах промышленной и пожарной безопасности объектов на которых получается, хранится, транспортируется и используется водород в газообразном и жидком виде. На случай, если кто-то из решит получать водород в домашних условиях и объемах больше чем лабораторная пробирка, то следующая заметка для вас.
Водород самый противный с точки зрения взрыво- и пожаробезопасности горючий газ. Смеси водорода с воздухом, содержащие более 4% об. водорода , и смеси на основе водорода в которых более 4% об. кислорода являются крайне взрывоопасными. Это самая широкая область воспламенения среди всех существующих горючих газов. Проблема осложняется еще и тем, что водород имеет низкую температуру возгорания и легко восламеняется на поверхностях, которые даже не считаются каталитически активными. Например, хорошим катализатором и инициатором окисления водорода является самая обычная ржавчина.
ВОДА И ВОЗДУХ - САМОЕ ДЕШЕВОЕ СЫРЬЕ
Как говорится в мудром мультфильме "Трое из Простоквашино", чтобы продать что-нибудь ненужное, надо сначала купить что-нибудь ненужное, а у нас денег нет. Мы планируем получать (а возможно и продавать) все сугубо нужное - водород, а получать мы его хотим из относительно ненужного или доступного всем на безвозмездной основе сырья. Пока, что безвозмездно от матушки земли мы получаем воздух с фиксированным компонентным оставом ( безмерно спасибо Земле за это) и воду (читаем как Н2О). Про солнечную энергию и прочие космические вливания в общий материально-тепловой баланс земного шара я промолчу.
ЧТО ТАКОЕ ВОДА?
Некая прозрачная субстанция, которая в комнатных условиях представляет собой капельную жидкость, и с которой можно легко познакомиться, открыв водопроводный кран на кужне или в ванной и сунув руку в получившуюся струю. Но будьте осторожны в ней присутствует ВОДОРОД! Вот это поворот).
Вода - это химическое соединение, химическая формула - Н2О - всем хорошо известна. Вода состоит из двух элементов - водорода и кислорода.
Попытаемся разложить соединение "вода" на составные части и затем опять создать его. Сразу можно отметить, что решить эту задачу не так легко, вода - очень устойчивое соединение. Чтобы отделить атом водорода от атома кислорода, нужны очень сильные вспомогательные средства, и напротив, соединяется водород с кислородом легко и черезвыйчайно бурно. В данном случае оправдывается изречение (обычно конечно же не верное): химия там, где что-то сверкает и грохочет и вспомним заметку про безопасность.
РАЗЛОЖИМ ВОДУ
Первый подход к получению водорода выполним с использованием не такого хайпового метода как электролитическое разложение воды, мы о нем вспомним в следующей части. Рассмотрим такой рецепт разложения химического соединения: чтобы освободить компонент А из соединения AB, нужно ввести в реакцию с ними вещество C, которое соединяется с В легче, чем А.
Для этого в пробирку из тугоплавкого стекла насыплем порошок железа. Подойдут металлические опилки от напильника, наточить можно любую железку. Например, кусок старой водопроводно трубы, гвоздя и т.п. Насыпать нужно слой высотой в 2..3 см. Затем добавим по капле 0,5 мл воды. Воспользуйтесь шприцем для точного дозирования. Железный порошок хорошо впитывает воду. На влажную поврехность насыпаем еще примерно 3 см сухого порошка железа. Пробирку закрываем резиновой пробкой, через которую пропустим стеклянную изогнутую трубку с диаметром внутреннего сечения 3..6 мм.
Закрепим пробирку на штативе или с помощью куска толстой медной проволоки, для того чтобы не держать это хозяйство в руках). Газоотводную трубку погрузим в воду и над ее концом укрепим перевернутую пробирку, наполненную водой. Лабораторную посуду можно купить через интренет.
Кстати, такое приспособление для улавливания газов называется пневматическая ванна.
Для успеха опыта необходимо, чтобы порошок железа, начиная с сухого конца столбика, нагревался как можно сильнее. Для прогрева я использовал баллон с пропан-бутановой смесью и горелкой с автоподжигом, который продается в Леруа.
Начинаем прогревать пробирку со стороны сухого порошка: прогреваем пробирку выше сухого порошка, потом медленно подведем пламя в зону сухого порошка.
Влажный слой нагревается, вода испаряется, и водяной пар взаимодействует с горячим порошком железа. При этом железо захватывает кислород воды, а водород освобождается. Он проходит через стеклянную трубку, а в пневматической ванне образуются пузырьки, которые собираются в наполненной водой пробирке. Это будет происходить очень быстро и можно таким образом собрать 2 или 3 пробирки водорода. Каждую наполненную пробирку прямо под водой надо закрыть пробкой и только после этого извлечь из пневматической ванны. Иначе можно выпустить полученный драгоценный газ или смешать его с воздухом получив гремучую смесь.
Как только пузырьки газа прекратят выходить прекратим нагрев и приступим к тестированию получившегося газа. Для этого возьмём одну из пробирок с собранным газом, перевернем ее вниз отверстием (помните, что водород легче воздуха) и внесем пламя снизу в отвестие пробирки. Газ быстро сгорит. Можно будет понаблюдать голубое пламя и услышать свистящий звук, а возможно и сильный хлопок. Если хлопнуло, значит, в пробирке не чистый водород, а смешанный с воздухом. Воздух мог попасть при его вытеснении из нашей импровизированной аппаратуры в начале опыта.
На больших производствах перед подачей горючего газа производят замещение атмосферы путем вытестнения из трубопроводов и аппаратов, вначале воздуха, с помощью продувки инертным газом (техническим азотом) до содержания кислорода ниже 1% об., а затем вытеснение инертного газа продувкой сырьевым или товарным газом.
Железо очень легко соединяется с кислородом, поэтому оно может вытеснять водород из воды. При комнатной температуре этот процесс протекает очень медленно, и напротив, при температуре красного каления очень интенсивно. Водород при воспламенении сгорает. Он соединяется с кислородом воздуха, и опять образуется вода. Если водород не смешан с самого начала с кислородом или воздухом, сгорание протекает спокойно, иначе будет бабах!
Таким образом железо более склонно к образованию соединения с кислородом, чем водород, и поэтому вытесняет его из воды. Другие металлы также способны к этому, например цинк, алюминий, магний или натрий. Такие металлы называют активными, в то время как неактивные металлы: медь, серебро, золото и платина - не могут разлагать воду (сильно влияют на химическую кинетику - скорость и направление протекание реакции - условия, при которых эта реакция протекает).
Металлы по их способности соединяться с кислородом можно поставить в ряд, который начинается с самого благородного металла (который ни на чо не реагирует и ведет себя благородно))) - золото, и заказчивается наиболее реакционноспособными щелочными металлами (такие химические беспредельщики) - натрием, калием и т.д. Склонность к соединению с элементом называют в химии сродством. Золото обладает слабым, а натрий - очень сильным сродством к кислороду. Вытеснять водород из воды могут те металлы, сродство которых к кислороду больше, чем сродство к нему водорода.
ВОДОРОД ПОЛУЧЕН
Теперь когда мы освоили получение водорода в лабораторных условиях можно подумать над тем как данную реакцию переложить в производственный процесс: откуда брать тепло на нагрев реактора, что будет служить веществом для связывания кислорода и как собирать и хранить водород.
Куда же девать данный водород? Первое, что приходит на ум: как топливо для энергетических топливных ячеек для получения электроэнергии. И интерено, сколько можно получить энергии через данный процесс получения водорода, например, в частном доме или на удаленном от инфраструктуры объекте, или возможно как мобильный водородный повербанк)))