Предыдущая статья:
Первая статья:
Водород является самым распространенным элементом во Вселенной (88.6% по числу атомов). Далее идет гелий (11.3% по числу атомов) и только 0.1% приходится на все остальные элементы. Из водорода и гелия состоят звезды, в частности, наше Солнце на 74% по массе состоит из водорода и на 24% из гелия (или 90,7% и 9.1% по количеству атомов).
Вы можете задать вопрос: а откуда вообще узнали, из чего состоит Солнце? Туда что, летали?
На самом деле различные атомы излучают свет различной длины волны. При том, в достаточно узком диапазоне. Именно поэтому, анализируя спектр солнечного изучения, ученые узнали его состав.
Теперь о самом водороде. Это вещество представляет собой газ без цвета и без запаха, чрезвычайно взрывоопасен и пожароопасен. В земной коре его крайней мало, примерно 1% по массе. И находится он не в чистом виде, а в виде различных соединений.
Формула водорода – H2. То есть его молекулы состоят из двух атомов, как, собственно, и большинство элементарных газов. Водород одновалентный, поэтому его атомы и объединяются в такие вот двойные молекулы: атомы в этой молекуле вступают в одинарную связь друг с другом. Молекула эта довольно прочная, поэтому при обычной температуре водород реагирует разве что с кальцием, образуя гидрид кальция:
Тут у вас может возникнуть вопрос: а почему же водород взрывоопасен, если он ни с чем не реагирует? Все дело в том, что реакция соединения водорода с кислородом происходит с выделением теплоты. Да, для этого смесь надо нагреть. Но нагреть ее можно и маленькой искоркой. В том месте, куда попадет эта искорка, запуститься реакция. При этом выделится тепловая энергия и нагреет смесь рядом. Та тоже прореагирует. То есть, пойдет цепная реакция, которая очень быстро, можно сказать, мгновенно, распространиться на весь объем газа. В общем, если газа много, то рванет так, что мало не покажется.
В лабораторных условиях водород можно добыть растворяя металл в кислоте, например, вот такую реакцию дает серная кислота и цинк:
То есть, опускаем кусочек цинка в серную кислоту и собираем выделившийся газ. Это и будет водород. Но что делать, если нет ни цинка, ни серной кислоты? Не беда, водород можно добыть путем электролиза воды. Для этого опускаем в воду электроды и пускаем по ним постоянный ток. Вода начнет расщепляться на кислород и водород. На катоде (который минус) выделяется водород, на аноде (который плюс) – кислород:
Процесс гидролиза воды можно описать вот таким вот химическим уравнением:
Как еще можно получить водород в лабораторных условиях?
Можно опустить в воду кальций, пойдет вот такая химическая реакция:
Вещество Ca(OH)2 называется гидроксил кальция (гашенная известь), представляет собой порошок белого цвета, плохо растворимый в воде.
Разумеется, в промышленности водород добывают совсем другим способом. Почему? Потому что важно получить его много и дешево. Поэтому лабораторные способы для промышленности не годятся, с их помощь можно только получить немного водорода для химических опытов. А если мы точно так же попробуем добывать газ в промышленных масштабах, это, во-первых, влети в копеечку, а во-вторых, много добыть все равно не получится.
«А зачем же нужно так много водорода?» – спросите вы.
А затем, что водород используется в химической промышленности, главным образом, для получения аммиака (NH3). А зачем нужен аммиак? Ну, во-первых, он применятся в медицине, это всем известный нашатырный спирт. А во-вторых, аммиак используется для производства азотных удобрений, взрывчатых веществ, азотной кислоты, соды, различных полимеров (пластмасс). Короче, аммиак очень нужное вещество.
Водород, надо сказать, используется не только в химической промышленности, но еще и в качестве топлива для ракет и даже автомобилей (например, в таких автомобилях как Toyota Mirai, Hyundai Nexo и Coradia iLint). Кроме того, водород используется в пищевой и косметической промышленности.
Но довольно о том, где используется водород. Я, кажется, собирался написать о том, как его получить в промышленных масштабах.
Существует несколько способов.
Способ 1. Конверсия метана с водяным паром. Смесь метана(это обычный газ в нашей газовой плите) и водяного пара нагревают до 1000 градусов Цельсия. При этом идет вот такая реакция:
В данном уравнении стрелка показывает в обе стороны. Это означает, что реакция обратима. Для того, чтобы не происходил обратный процесс, смесь, во-первых, постоянно подогревают, во-вторых, добавляют катализатор (вещество, ускоряющее процесс протекание реакции). В качестве катализатор используют никелевые катализаторы на оксидно-алюмениевых или цеолитных носителях с различными добавками. Технологическая установка для протекания реакции, как правило, включает в себя следующие блоки:
1. Блок подачи исходного сырья (метана).
2. Парогенератор.
3. Реактор паровой конверсии.
4. Холодильник для охлаждения газа.
5. Сепаратор для отделения целевых продуктов.
Способ 2. Пропускание паров воды над раскаленным коксом. Кокс – это такое вещество серого цвета, которое получают путем коксования каменного угля. Описание процесса коксования выходит за рамки этот статьи, расскажу лишь вкратце. Каменный уголь сушат, потом нагревают, плавят, затем дают затвердеть и прокаливают. В итоге получается кокс. По сути, кокс – это обычный углерод.
Но вернемся к водороду. И так, при пропускании паров воды над раскаленным коксом идет следующая химическая реакция:
Иными словами, на выходе получается смесь водорода с так называемым угарным газом. Не стоит путать углекислый газ (CO2) и угарный (CO). Посланий очень ядовит. Почему? Потому что углерод четырехвалентный, он должен присоединить к себе два атома кислорода. Если присоединен только один, как в угарном газе, то молекула очень активно пытается присоединить к себе недостающий атом. Если человек вдыхает такой газ, то он как бы забирает у него весь кислород. И человек буквально задыхается.
Надо сказать, что полученный таким образом водород не чистый, он, как вы поняли, с примесью CO, и его специально очищают. В зависимости от степени очистки различают “grey hydrogen” – довольно «грязный» газ, он не может использоваться в топливных элементах, потому что отравляет катализаторы, и “blue hydrogen”, более чистый. Хотя, последний всё равно не может использоваться в топливных элементах, потому что отравляет платиновый катализатор.
Способ 3. Электролиз водных растворов солей. Например, электролиз раствора поваренной соли. При этом выделяется водород и хлор:
Способ 4. Электролиз водных растворов гидроксидов активных металлов. Под гидроксидами понимаются соединения, имеющие гидроксильную группу –OH. Например, NaOH – гидроксид натрия, KOH – гидроксид калия.
При этом получается очень чистый водород, так называемая степень green hydrogen. Именно поэтому такой способ используют, несмотря на его энергозатратность и дороговизну.
Возможен и электролиз чистой воды. В любом случае уравнение реакции будет такое:
“4e-“ обозначает, что в данной реакции происходит обмен свободными электронами в количестве 4 штуки.
Вообще, чтобы было понятно, распишу полную реакции. для случая, когда электролизу подвергается раствор NaOH:
Способ 5. Каталитическое окисление метана кислородом. Эта реакция происходит при температуре 800-1000 градусов Цельсия в присутствии катализатора. Вот ее уравнение:
Способ 6. Крекинг и реформинг углеводородов в процессе переработки нефти. Крекинг – это разложение нефтепродуктов в специальных установках при температуре 450-550 градусов Цельсия. Как правило, при такой температуре рвутся C-C связи в молекулярных цепочках, таким образом, нефтепродукты, такие как мазут и соляровое масло разлагаются на более ценные продукты, такие как бензин и прочее. Но это уже из области органической химии, до нее мы еще доберемся.
Итак, мы изучили что такое водород, как его получить и для чего он нужен. На следующем уроке поговорим о гелии.
Следующая статья: