Ученые научились получать водород из воды — Российская газета

Раскрыта главная опасность британского штамма коронавируса 02:33 Елизавета II рассказала о своем источнике вдохновения в 2020 году 02:20 В Британии начались испытания нового препарата для профилактики COVID-19 01:49 На Новый год в Москве может потеплеть до плюс 4 градусов и пойти дождь 01:30 Когда приезжающим на Кубу понадобятся отрицательные тесты на COVID-19 00:58 Россия — США — онлайн-трансляция матча МЧМ по хоккею 00:05 ВОЗ: Случаи заражения новым штаммом COVID отмечены в 8 странах Европы 25.12.2020 Пострадавшему в ДТП под Рязанью мальчику ампутировали три конечности 25.12.2020 Гинцбург заявил об отсутствии аллергических реакций на вакцину «Спутник V» 25.12.2020 Александр Гинцбург поддержал введение «ковид-паспортов» 25.12.2020 Минобороны сообщило о низком уровне заболеваний военнослужащих COVID-19 25.12.2020 Турция запретила въезд без справки об отсутствии коронавируса 25.12.2020 Министр труда рассказал, когда 31 декабря станет выходным днем 25.12.2020 Котяков: В центрах занятости числятся 2,9 млн человек 25.12.2020 Котяков: В 2020 году охват населения мерами соцподдержки увеличился 25.12.2020 Плющенко был возмущен оценками Трусовой 25.12.2020 В провинции Буэнос-Айрес поступило более 100 заявок на вакцинацию «Спутником V» 25.12.2020 Семья убитой аспирантки решила не обжаловать приговор историку Соколову 25.12.2020 В Петербурге служба «122» стала принимать звонки о вызове врача на дом 25.12.2020 Время осмотра пациента врачом увеличилось вдвое 25.12.2020 В США в результате взрыва ранены трое, не исключен теракт 25.12.2020 Фигуристка Щербакова еще не до конца восстановилась после коронавируса 25.12.2020 Валиева: Падение с акселя случилось из-за неуверенности 25.12.2020 Skoda выпустит субкомпактный кроссовер для небогатых стран 25.12.2020 Онкодиагнозы будут перепроверять чаще 25.12.2020 • • •

Получение водорода электролизом воды / Статьи и обзоры / Элек.ру

Получение чистого водорода путем электролиза воды — самая очевидная и эффективная технология, и один из наиболее перспективных способов получения альтернативного топлива. Водород добывают из любого водного раствора, а при сгорании он превращается обратно в воду.

По сравнению с прочими методами получения водорода, электролиз воды отличается целым рядом преимуществ. Во-первых, в ход идет доступное сырье — деминерализованная вода и электроэнергия. Во-вторых, во время производства отсутствуют загрязняющие выбросы. В-третьих, процесс целиком автоматизирован. Наконец, на выходе получается достаточно чистый (99,99%) продукт. Из всех методов электролиза наиболее перспективным считают высокотемпературный электролиз (себестоимость водорода от 2,35 до 4,8 $/кг). Его следует иметь на технологическом вооружении, поскольку при определенных экономических условиях он может быть использован в крупнопромышленном масштабе.

Электролизом воды называется физико-химический процесс, при котором под действием постоянного электрического тока дистиллированная вода разлагается на кислород и водород. В результате разделения на части молекул воды, водорода по объему получается вдвое больше, чем кислорода. Эффективность электролиза такова, что из 500 мл воды получается около кубометра обоих газов с затратами около 4 квт/ч электрической энергии.

Технологический ток для протекания процесса электролиза воды для получения водорода и кислорода получается, как правило, при помощи промышленного выпрямителя с необходимыми рабочими параметрами, Обычно это напряжение до 90В и силой тока до 1500 А. Подходящим агрегатом является Пульсар СМАРТ.

На электронном дисплее выпрямителя Пульсар СМАРТ или в специальном ПО для компьютера можно контролировать все стадии процесса производства, что позволяет оператору следить за параметрами, и круглосуточно журналировать протекание технологического процесса. Полностью автоматическая работа, включающая непрерывный мониторинг всех параметров для безаварийного функционирования без надзора оператора. Все параметры, касающиеся напряжения и силы тока постоянно измеряются и контролируются микропроцессором выпрямителя. Более того, все контролируемые параметры фиксируются устройством, которое в случае сбоя или отклонения может автоматически остановить процесс и сигнализирует об этом при помощи световой колонны.

Выпрямители тока серии Пульсар СМАРТ разработаны в соответствии с самыми высокими требованиями промышленной эффективности и международными стандартами. При этом технологическое программное обеспечение допускает гибкую адаптацию к требованиям Заказчика, и постоянно совершенствуется.

Получение водорода — Знаешь как

Рис. 56. Шарик натрия на поверхности воды

Атом водорода состоит из ядра и одного электрона. С атомами металлоидов атомы водорода образуют ковалентные связи, более или менее поляризованные. В некоторых из этих соединений (Н₂O, НСl и др.) состояние атома водорода приближается к ионизированному Н⁺.

Главным источником получения водорода служит вода. Для получения из нее водорода можно воспользоваться способностью многих металлов вытеснять из воды водород с одновременным образованием гидроокисей или окисей взятых металлов. Особенно легко уже при обыкновенной температуре взаимодействуют с водой щелочные металлы натрий и калий, а также кальций, барий и др.

Если кусочек натрия бросить в чашку с водой, то происходит энергичная реакция; натрий с шипением начинает двигаться по поверхности воды, вытесняя из нее водород. При этом образуется так много тепла, что натрий плавится и превращается в шарик, который быстро уменьшается в размерах и вскоре исчезает (рис. 56). Иногда разогревание столь сильно, что выделяющийся водород загорается.

Взаимодействие натрия с водой выражается уравнением

 2Na + 2Н₂O = 2NaOH + Н₂

Сущность этой реакции заключается в отдаче электрона атомом натрия одному иону водорода из молекулы воды. Атомы натрия превращаются при этом в положительно заряженные ионы, в виде которых и входят в состав NaOH, а ионы водорода превращаются в атомы, связывающиеся затем попарно с образованием молекул Н₂. Аналогично протекает реакция с калием и кальцием.

Кроме указанных металлов, с водой могут взаимодействовать и другие металлы, но уже при более высоких температурах. Так, магний вытесняет водород из воды при температуре ее кипения, цинк и железо только при накаливании их в струе водяного пара. Во всех этих случаях водород, находящийся в состоянии, близком к ионизированному, получает электроны от атомов металла и превращается в нейтральные атомы.

В промышленности для получения водорода из воды пользуются следующими методами.

Конверсионный метод является наиболее распространенным методом получения водорода, особенно идущего на синтез аммиака. При работе по этому методу сквозь слой раскаленного угля пропускают водяной пар. Образующаяся при этом смесь окиси углерода с водородом носит название водяного

г а з а и может применяться как газообразное топливо . Если процесс ведется с целью получения водорода, то для удаления из полученной смеси окиси углерода водяной газ пропускают вместе с водяным паром над раскаленной окисью железа, служащей катализатором. Окись углерода взаимодействует с водяным паром, образуя водород и углекислый газ. Эта реакция, называемая конверсией окиси углерода, выражается уравнением

(Н₂) + СО + Н₂О ⇄ СО₂ + Н₂ + (Н₂) + 10 ккал

При низких температурах равновесие сдвинуто вправо, а с повышением температуры смещается в сторону образования исходных веществ.

Так как реакция протекает с достаточной скоростью только при температурах не ниже 450°, то для повышения степени конверсии окиси углерода водяной пар добавляют к водяному газу в количестве, значительно большем, чем это следует из уравнения реакции, благодаря чему равновесие, несмотря на высокую температуру, остается сильно сдвинутым вправо.

Образовавшийся в результате конверсии углекислый газ отделяют от водорода, промывая газовую смесь водой, под давлением 20 ат. Для окончательной очистки водород пропускают еще через ряд растворов, поглощающих все примеси.

При работе по конверсионному методу вместо водяного газа часто пользуются другими газами, содержащими окись углерода, в частности генераторным газом.

Железо-паровой метод является наиболее старым из методов получения водорода, утратившим в настоящее время свое былое значение. Метод основан на взаимодействии железа с водяным паром при пропускании последнего над накаленными железными стружками:

3Fe + 4Н₂О ⇄Fe₃О₄ + 4Н₂ + 35,3 ккал

Реакция обратима и в направлении слева направо идет с выделением тепла. Следовательно, в соответствии с принципом Ле-Шателье, чем ниже температура, тем сильнее равновесие должно быть сдвинуто в сторону образования водорода. Однако при низких температурах из-за малой скорости реакции равновесие устанавливается слишком медленно. Поэтому на практике реакцию ведут при температурах не ниже 700°. При 700° равновесная смесь содержит приблизительно равные объемы водорода и водяного пара, т. е. половина пропускаемого пара остается неиспользованной. Так как образующийся водород вместе с избытком водяного пара сейчас же удаляется из сферы реакции, то процесс идет непрерывно до тех пор, пока все железо не превратится в окалину. Образовавшуюся окалину восстанавливают затем водяным газом и снова пускают в реакцию.

Электрохимический метод получения водорода

При наличии дешевой электрической — энергии экономически целесообразно получать водород из воды, разлагая ее электрическим током. Преимуществом этого метода является высокая степень чистоты получаемого водорода, что исключает необходимость в весьма сложных устройствах для его очистки от примесей. Кроме того, с электролизом воды в настоящее время связано и получение тяжелой воды, необходимой для ядерных реакторов.

Электрохимическим методом получают около 18% мировой продукции водорода.

Некоторое количество водорода получается также методом глубокого охлаждения коксового газа. При нагревании каменного угля без доступа воздуха до 900—1200° образуется так называемый коксовый газ — смесь, содержащая около 50—60% водорода; твердый остаток представляет собой кокс. Для выделения водорода из коксового газа последний подвергают глубокому охлаждению. При этом все газы, кроме водорода, переходят в жидкое состояние и таким путем отделяются от водорода.

За последние двадцать лет в качестве источника получения водорода стал широко применяться метан, содержащийся в природных газах и газах переработки нефти. В 1940 году в США из нового вида сырья было получено 5% водорода, идущего на синтез аммиака, в 1945 году — уже 45%, а в 1953 году—-66%.

Получение водорода из метана можно осуществить разными способами:

1) термическим разложением метана:

СН₄ = С + 2Н₂ + 18 ккал

2) взаимодействием метана с водяным паром:

СН₄ + Н₂О = СО + 3Н₂ — 49 ккал

3) взаимодействием метана с двуокисью углерода или со смесью двуокиси углерода я водяного пара:

 СН₄ + СО₂ = 2СО + 2Н₂ —60,1 ккал

3СН₄ + СО₂ + 2Н₂О = 4СО + 8Н₂ — 158,6 ккал

4) неполным окислением метана:

2СН₄ + О₂ = 2СО + 4Н₂ + 16,1 ккал

При всех этих способах, кроме первого, получаются газовые смеси с сравнительно высоким содержанием окиси углерода. Для увеличения выхода водорода эти смеси вместе с водяным паром подвергают конверсии.

Если водород не используют непосредственно на месте получения, то его транспортируют в сжатом состоянии в стальных баллонах, где он находится под большим давлением.

В лабораториях водород обычно получают действием разбавленной серной или соляной кислоты на цинк:

 Zn + H₂SО₄ = ZnО₄ + Н₂

Вместо цинка можно взять железо, но в этом случае реакция идет гораздо медленнее.

Водород, получающийся при действии кислот на цинк и другие металлы, всегда содержит пары воды, а также некоторые газообразные примеси. Если нужен сухой водород, то получающийся газ освобождают от водяных паров, пропуская через концентрированную серную кислоту, жадно поглощающую влагу. Для удаления других примесей пользуются растворами различных солей.

65 66 67

Вы читаете, статья на тему Получение водорода

Производство водорода в промышленности — Знаешь как

Производство водорода

Содержание статьи

Что такое производство водорода это процесс получения газа из водород содержащих веществ (вода). Один из самых востребованных это ее электролиз, в результате получается химически чистый водород. 

В лабораторных условиях технический водород может быть получен реакцией кислот на металлы или электролизом воды.

Большие количества водорода применяются как сырье для синтеза аммиака и метанола, гидрогенизации жиров, производства бензина из угля, для селективного автоклавного восстановления цветных металлов из аммиачных растворов, восстановления руд и др. Кроме того, водород применяют для создания необходимой атмосферы в печах, для резки и сварки металлов, в качестве охлаждающего реагента в мощных генераторах электрического тока и т. д.

Промышленные способы получения водорода подразделяются на физические, химические и электрохимические.

Электрохимический способ получения водорода основан на электролитическом разложении воды. Этот метод может иметь преимущества перед другими методами там, где по условиям технологии требуется газ высокой чистоты, не содержащий каталитических ядов, либо при наличии дешевой электроэнергии. Малые количества водорода, требуемые постоянно или периодически, целесообразно во всех случаях получать электролизом, как наиболее простым из известных способов.

Впервые процесс электролиза воды наблюдали Труствик и Диманн в 1789 г. Первые конструкции промышленных электролизов с моно- и биполярными электродами, а также работающих при повышенных давлениях, были разработаны в 1888 г. Д. А. Лачиновым.

Электролит для получения водорода

При электролизе чистой воды на катоде выделяется водород, а на аноде — кислород. Однако удельная электропроводность чистой воды столь незначительна, что ее электролиз будет сопровождаться огромным расходом энергии. Следовательно, для практических целей в воду необходимо ввести электропроводящую добавку — кислоту, соль или щелочь. По электропроводности кислоты и щелочи имеют преимущество перед солями. Кислоты более электропроводны чем щелочи, а соли обладают меньшей удельной электропроводностью, чем кислоты и щелочи.

В щелочных растворах простые конструкционные материалы железо и обычные стали —оказываются вполне стойкими. Поэтому в промышленности для электролиза воды применяют исключительно щелочные электролиты.

Недостатком щелочных электролитов является снижение их электропроводности со временем, связанное с превращением гидроокиси в карбонат под действием СО₂ воздуха.

К материалам для электродов предъявляется еще одно требование — перенапряжение выделения водорода и кислорода на них должно быть по возможности мало. Наилучший катодный материал — платинированная или гладкая платина. Однако, из-за высокой стоимости платину в качестве электродного материала не применяют. Металлы группы железа, устойчивые в щелочах, обладают и невысоким перенапряжением. Перенапряжение на железе и кобальте на несколько десятков милливольт меньше, чем на никеле.

Катодные процессы получения

В щелочных растворах выделение водорода происходит за счет присоединения электрона к молекуле воды:

2Н₂О+2е→ Н₂+2ОН^—

Зависимость скорости этой реакции (силы тока I) от перенапряжения (η>0) выражается уравнением:

η = a + ((RT):(αF))lnI

где а — постоянная; R — газовая постоянная; Т — температура, °К; F — постоянная Фарадея; α — коэффициент переноса.

Из уравнения следует, что при прочих равных условиях перенапряжение пропорционально константе а, зависящей от материала электрода. Влияние материала электрода уже было рассмотрено выше. Здесь необходимо отметить следующее. Константа а по физическому смыслу есть перенапряжение при плотности тока, равной единице (1 а/см²). Но плотность тока мы относим к единице видимой поверхности электрода («габаритная» плотность тока), а в формулу входит истинная плотность тока. Следовательно, качество поверхности должно существенно сказываться на величине перенапряжения. Если поверхность имеет развитый рельеф, то каждой единице видимой поверхности будет соответствовать значительно большая истинная поверхность и при той же габаритной плотности тока истинная плотность тока будет в соответствующее число раз меньше.

Существует несколько способов получения высокоразвитой поверхности катодов. Увеличить истинную поверхность можно наждачной обработкой. Такая обработка стального катода снижает перенапряжение выделения водорода при плотности тока 1000 а/м² и температуре 60—80° С на 0,2 в.

Вторым способом увеличения истинной поверхности является гальваническое осаждение на электроды металлов в виде губки. Этим удается снизить перенапряжение примерно на 0,3—0,4 в. Впрочем, катоды электролизных ванн спустя некоторое время работы самопроизвольно покрываются слоем губчатого железа, осаждаемого током в. процессе электролиза, так как вследствие коррозии аппаратуры в растворе появляются ионы железа, хотя и в очень малых количествах. Было предложено также гальванически покрывать катоды никелем, причем вести электролиз из раствора с добавкой роданистой соли. При этом в катодном осадке оказывается до 20% серы, которая затем выщелачиваясь в раствор, создает высокоразвитую поверхность электрода. Перенапряжение выделения водорода в результате этого может быть снижено в условиях опытов на 0,3—0,4 в.

Перенапряжение пропорционально логарифму плотности тока, т.с. с ростом плотности тока оно сперва растет быстро, а затем все медленнее и медленнее. Следовательно, рост напряжения на ванне с увеличением плотности тока в области малых плотностей тока будет большим, чем в области больших плотностей тока.

Повышение температуры снижает перенапряжение и увеличивает скорость электродной реакции. В реальных условиях возрастание температуры на 1 град снижает перенапряжение примерно на 2—3 мв.

В щелочном электролите нет катионов, которые могли бы разряжаться на катоде и приводить к появлению других электродных реакций, кроме реакции образования газообразного водорода. Единственной побочной реакцией, которая может протекать на катоде, является реакция электровосстановления растворенного кислорода:

О₂+2Н₂О + 4е → 4ОН^—

Эта реакция протекает при значительно более положительных потенциалах, чем реакция катодного образования водорода. Однако ее скорость ограничивается малой растворимостью кислорода в щелочных растворах особенно при высоких температурах. На нее обычно тратятся всего лишь доли процента тока. Поэтому естественно, что электролизные ванны всегда работают с очень высокими катодными выходами по току (порядка 97—98% с учетом утечек тока).

Анодный процесс

Процесс выделения кислорода на аноде сопровождается окислением материала анода. Поэтому при длительном электролизе разряд анионов идет не на металле, а на окисленной поверхности электрода. На величину перенапряжения выделения кислорода оказывает влияние природа поверхностных окислов и прочность связи кислород — металл. С течением времени перенапряжение выделения кислорода несколько повышается пока не достигнет через длительный промежуток времени постоянного значения. Поэтому величина анодного потенциала в промышленной, длительно работающей ванне, более положительна, чем та, которую определяют в лабораторных условиях. По данным Я. И. Турьяна, эта разница для промышленных плотностей тока составляет 0,15—0,18 в.

Побочные реакции на аноде отсутствуют.

Электролит электроды диафрагмы 

Для выбора оптимальной концентрации щелочи необходимо знать зависимость удельной электропроводности растворов от концентрации при различных температурах. Кривые, выражающие эту зависимость, при всех температурах проходят через максимум. С повышением температуры максимумы сдвигаются в сторону больших концентраций щелочи. При 70° С, что близко к температуре электролита в промышленных ваннах, максимальной электропроводностью обладают 22% раствор NaOH и соответственно 32% раствор КОН. Однако применяют 16—18% растворы NaOH и 25—29% растворы КОН. Этим, не снижая существенно удельную электропроводность раствора, уменьшают расход щелочи на приготовление электролита и восполнение потерь, а также достигают некоторого снижения агрессивности среды, ибо в концентрированных растворах щелочей коррозия хотя и невелика, но все же более заметна. Для еще большего подавления коррозии в электролит обычно добавляют пассиватор —K₂Cr₂O₇, из расчета ~2 г/л электролита, заливаемого в ванну.

Максимальная электропроводность раствора КОН больше, чем NaOH, но стоимость NaOH меньше. Поэтому как КОН, так и NaOH одинаково могут быть использованы в электролизных ваннах.

Оно оказывается прямо пропорционально силе тока, проходящего через электролит, или плотности тока. Эта величина сильно зависит от материала электрода и высоты электродов.

Величину газонаполнения нельзя рассчитать теоретическим путем. Поэтому приходится определять газонаполнение экспериментально в каждом конкретном случае и затем рассчитывать значение К по формуле. При конструировании электролизеров стремятся создать условия, обеспечивающие величину газонаполнения не выше 15—20%.

Снижение напряжения на ванне при работе с кобальтированными железными катодами объясняется не только меньшим перенапряжением выделения водорода на кобальте, но и меньшим газонаполнением катодного пространства.

При электролизе щелочных растворов с электродами из металлов группы железа анодное пространство оказывается мало заполненным пузырьками газа. Наоборот, на катоде образуются очень мелкие пузыри, которые пронизывают всю толщу раствора, резко повышая его сопротивление. Это явление не может быть объяснено тем, что на катоде выделяется водорода в 2 раза больше, чем на аноде кислорода. Объясняется это явление тем, что в условиях электролиза с никелевыми или железными электродами потенциал катода более удален от потенциала нулевого заряда поверхности металла электрода, чем потенциал анода. Поэтому смачиваемость катода больше, чем анода и на катоде дипольные молекулы воды более интенсивно выталкивают пузырьки с поверхности.

Методы борьбы с газонаполнением электролита различны. В некоторой степени снижение газонаполнения удается осуществить повышением температуры. Целесообразно, несмотря на высокую стоимость кобальта, железные катоды гальванически покрывать слоем кобальта. Но эти способы не дают радикального решения вопроса. Поэтому снижение газонаполнения в основном проводят по линии создания таких конструкций электродов, которые позволяли бы удалять газы из межэлектродного пространства.

Если вести электролиз между двумя плоскими электродами, то весь объем выделяющихся газов будет проходить между электродами и повышать сопротивление электролита, находящегося между ними. Электролиз с такими электродами удается вести при невысоких катодных плотностях тока (200—300 а/м²).

Было предложено много различных конструкций электродов, позволяющих газам уходить из межэлектродного пространства . Однако все они не получили большого распространения.

Эффективное удаление газа происходит при циркуляции электролита внутри ячейки, основанной на разности плотностей электролита с газовыми пузырьками и без них. Такую циркуляцию можно создать, применяя «двойные электроды», состоящие из двух плоских листов, скрепленных друг с другом с небольшим зазором. Работающими сторонами электрода являются только наружные поверхности. Внутренние поверхности не работают, и электролит между листами остается свободным от газовых пузырьков. Плотность электролита с наружной стороны электрода, благодаря наличию газовых пузырьков, оказывается меньше плотности электролита между листами. Поэтому электролит между листами, опускаясь вниз, выталкивает электролит с газовыми пузырьками наверх. Образуется довольно интенсивная циркуляция электролита, способствующая выносу газовых пузырьков и, следовательно, снижению газонаполнения.

Наибольшее распространение получили вынесенные вперед перфорированные или сетчатые (однослойные и многослойные) электроды, работающие по принципу двойных электродов.

Во всех типах промышленных ванн для разделения газов применяются диафрагмы, которые изготовляют из асбестовой ткани. Роль диафрагмы — воспрепятствовать смешению газов. Разделение азов должно быть достаточно полным, ибо при смешении газов не только теряются продукты электролиза, но и образуются взрывоопасные, смеси. Смеси оказываются взрывоопасными, если в кислороде содержится более 5% водорода, или в водороде более 5,7% кислорода. Вместе с тем диафрагма должна быть достаточно пориста для того, чтобы падение напряжения в ней было незначительно.

Электролиз воды под давлением

Во многих случаях промышленной практики (синтез аммиака, заполнение баллонов сжатым газом и др.) желательно получать газы под давлением. Получение компримированных газов непосредственно из электролизеров значительно сокращает стоимость оборудования, так как делает ненужным применение отдельных компрессорных установок. Предельное, теоретически возможное, давление при электролизе воды составляет около 1860 атм. При этом давлении объем газов равняется объему воды, из которой они получены.

С ростом давления напряжение разложения увеличивается. Действительно, зависимость равновесных потенциалов водородного и кислородного электродов от давления.

Исследования электролиза воды под давлением показали, что такой процесс возможен. При этом было обнаружено, что напряжение на ванне, работающей под давлением, не увеличивалось, а, наоборот, в ряде случаев при повышении давления до 50 атм несколько снижалось. Это явление, согласно исследованиям В. В. Ипатьева с сотрудниками, объясняется тем, что, при электролизе под давлением, объем, занимаемый выделяющимися газами, уменьшается, а это снижает газонаполнение электролита и диафрагмы и уменьшает их сопротивление. Последний фактор перекрывает рост напряжения разложения с повышением давления. На практике оказывается затруднительным вести электролиз при давлениях выше 10—20 атм. Для работы при этих давлениях используются тщательно выполненные и надежно собранные фильтрпрессные электролизеры.

Статья на тему Производство водорода и кислорода

Получение водорода — Основы химии на Ида Тен

Содержание статьи

История открытия водорода История водорода начинается с XVI века, когда было замечено, что при действии кислот на железо и другие металлы выделяется некий неизвестный газ. Первоначально его назвали «горючим воздухом». Такое название газ получил из-за способности гореть. Во второй половине XVIII века английский ученый Генри Кавендиш получил водород при действии соляной кислоты HCl на цинк:

Zn + 2HCl = ZnCl2 + h3­

Что же такое кислота с точки зрения химии? Кислота – это сложное вещество, в состав которого всегда входят атомы водорода. В формулах кислот атомы водорода принято писать на первом месте. Атомы, следующие в формуле за водородом, называют кислотным остатком. Так, в соляной кислоте HCl кислотный остаток – Cl.

Например, в серной кислоте h3SO4, кислотный остаток – SO4. Кислота – сложное вещество, в состав которого входят атомы водорода и кислотный остаток Генри Кавендиш изучил свойства «горючего воздуха». Он установил, что этот газ намного легче воздуха, а при сгорании на воздухе образует прозрачные капли жидкости. Этой жидкостью оказалась вода.

Генри Кавендиша считают первооткрывателем водорода. Вывод о том, что «горючий воздух» представляет собой простое вещество, был сделан в 1784 году французским химиком Антуаном Лораном Лавуазье.

Антуан Лоран Лавуазье дал этому веществу латинское название (Hydrogenium), которое происходило от греческих слов «хюдор» – вода и «геннао» – рождаю. В те годы под элементами подразумевали простые вещества, которые нельзя далее разложить на составные части. Поэтому у химического элемента водорода такое же название, как и у просто вещества h3. Русское слово водород – это точный перевод латинского названия Hydrogenium.

Получение водорода в лаборатории

Современный лабораторный способ получения водорода не отличается от того, которым его получал Генри Кавендиш. Это реакции металлов с кислотами. В лаборатории водород получают в аппарате Киппа (рисунок 152).

Аппарат Киппа изготовляется из стекла и состоит из нескольких частей:

1. реакционная колба с резервуаром;
2. воронка с длинной трубкой;
3. газоотводная трубка.

Реакционная колба имеет верхнюю шарообразную часть с отверстием, в которое вставляется газоотводная трубка, снабженная краном или зажимом, и нижний резервуар в виде полусферы. Нижний резервуар и реакционная колба разделены резиновой или пластиковой прокладкой с отверстием, через которое проходит в нижний резервуар длинная трубка воронки, доходящая почти до дна. На прокладку через боковое отверстие шпателем насыпают твёрдые вещества (мрамор, цинк). Отверстие закрывается пробкой с газоотводной трубкой. Затем при открытом кране или зажиме в верхнюю воронку заливается раствор кислоты. Когда уровень жидкости достигает вещества на прокладке, начинается химическая реакция с выделением газа. При закрытии крана давление выделяющегося газа выдавливает жидкость из реактора в верхнюю часть воронки. Реакция прекращается. Открытие крана приводит к возобновлению реакции. Поместим в реакционную колбу кусочки цинка. В качестве кислоты воспользуемся серной кислотой. При контакте цинка и серной кислоты протекает реакция:

Zn + h3SO4 = ZnSO4 + h3­

Водородом можно заполнить мыльный пузырь.

Для этого необходимо опустить газоотводную трубку в мыльный раствор. На конце трубки начнется формирование мыльного пузыря, заполненного водородом; со временем пузырь отрывается и улетает вверх, что доказывает легкость водорода. Соберем выделяющийся водород. С учетом того, что водород намного легче воздуха, для сбора водорода сосуд, в котором собирается газ, необходимо располагать вверх дном, или производить собирание методом вытеснения воды. Как обнаружить водород? Заполним пробирку водородом, держа ее вверх дном, по отношению к газоотводной трубке. Поднесем пробирку отверстием к пламени спиртовки – слышится характерный хлопок.

Хлопок – это признак того, что в пробирке содержится водород. При поднесении пробирки к пламени водород вступает в реакцию с кислородом, содержащимся в воздухе. При малых количествах реакция кислорода и водорода сопровождается хлопком. Более подробно об этой реакции будет рассказано в следующем параграфе.

Получение водорода в промышленности

Одним из промышленных способов получения водорода является реакция разложения воды под действием электрического тока:

2h3O эл.ток → 2h3­ + O2­.

Данный метод позволяет получить чистый водород и кислород. Процесс превращения химических веществ в другие вещества под действием электричества называется электролизом.

Электролиз – химическая реакция, протекающая под действием электрического тока Проведем электролиз воды. В стакан наполненный водой, опустим металлические электроды. Поверх электродов опустим в стакан пробирки, заполненные водой. Подсоединим электроды к источнику тока –

батарейке. В пробирках наблюдается выделение газов – водорода и кислорода, которые вытесняют воду. Наблюдая за процессом электролиза, можно заметить, что в одной из пробирок газа собирается в два раза больше, чем в другой. Проанализировав уравнение реакции электролиза воды, можно сделать вывод, в какой пробирке выделяется водород, а в какой – кислород. Попробуйте это сделать самостоятельно.

Существуют и другие способы получения водорода. Железо-паровой метод долгое время широко применялся в промышленности. Через электрическую трубчатую печь проходит трубка из нержавеющей стали, заполненная железными стружками. Через трубку с железными стружками пропускают водяной пар. При температуре около 800°С пары воды взаимодействуют с железом, образуя оксид Fe3O4 (железную окалину) и газообразный водород:

3Fe + 4Н2О = 4Н2­ + Fe3O4.

Можно получить

Н2, пропуская Н2О через слой раскаленного угля. При этом образуется смесь двух газов – СО и Н2 (водяной газ):

Н2О + С = CO­ + Н2­

В настоящее время водород получают взаимодействием углеводородов (в основном метана, СН4) с водяным паром или неполным окислением метана кислородом:

СН4 + Н2О = СО + 3Н2

2СН4 + О2 = 2СО + 4Н2

Итог статьи:

• В лаборатории водород получают в аппарате Киппа
• Исходными веществами для получения водорода в лаборатории являются некоторые металлы и кислоты
• Собирать водород нужно методом вытеснения воды, или методом вытеснения воздуха, расположив пробирку вверх дном по отношению к газоотводной трубке
• Кислота – сложное вещество, в состав которого входят атомы водорода и кислотный остаток
• Обнаружить водород можно по характерному хлопку при поднесении пробирки с водородом к пламени
• Одним из промышленных способов получения водорода является электролиз воды
• Электролиз – химическая реакция, протекающая под действием электрического тока

Перовскиты помогут дешево и эффективно получить водород из воды

Karuturi et al. / Advanced Energy Materials, 2020

Австралийские материаловеды научились эффективно получать водород из воды без использования дорогостоящих полупроводниковых материалов. Они использовали фотокатод из текстурированного кремния и соединили его с широкозонным перовскитным солнечным элементом, расположив солнечные элементы друг под другом. Эффективность преобразования солнечной энергии в водород составила 17,6 процентов. Результаты исследования опубликованы в журнале

Advanced Energy Materials.

Использование солнечной энергии для получения водорода из воды — технология, которая в перспективе позволит решить две проблемы одновременно: запасание нестабильной солнечной энергии впрок и получение экологически чистого топлива с высокой плотностью энергии. Для выхода на рынок такие преобразователи должны показывать эффективность не менее 20 процентов, при стоимости водорода не выше 4 долларов за килограмм.
Использовать солнечную энергию для получения водорода можно несколькими способами. В фотовольтаических преобразователях солнечный элемент соединен с ячейкой для электролиза, и солнечный свет преобразуется в электроэнергию, которая расходуется на электролиз водных растворов с образованием водорода и кислорода на электрокатализаторах. В фотоэлектрохимических преобразователях один или оба электрода состоят из полупроводниковых материалов. При облучении светом в полупроводнике образуются электроны и дырки, которые напрямую участвуют в реакциях образования водорода и кислорода. Считается, что фотоэлектрохимические преобразователи в перспективе будут дешевле (в них используются более дешевые катализаторы), но есть у таких устройств и серьезный недостаток. Дело в том, что лучше всего для получения водорода подходят полупроводники с шириной запрещенной зоны около 2 электрон-вольт. Однако, такой полупроводник поглощает только самую коротковолновую (высокоэнергетическую) часть солнечного излучения, поэтому общая эффективность устройств априори будет невысока. Для преодоления этой проблемы можно соединить фотоэлектрод с солнечным элементом — то есть по сути объединить фотовольтаический и фотоэлектрохимический преобразователь в одном устройстве. В этом случае солнечный элемент обеспечивает ток и напряжение смещения, и эффективность преобразования возрастает. Ученым удалось получить тандемный фотоэлектрохимический преобразователь на основе арсенида галлия с эфективностью 19 процентов. Но из-за высокой стоимости арсенида галлия такие преобразователи не подходят для промышленного использования.

Материаловеды под руководством Шивы Кришны Карутури (Siva Krishna Karuturi) и Хепина Шэня (Heping Shen) из Австралийского Национального Университета разработали тандемный фотоэлектрохимический преобразователь без использования арсенида галлия и других дорогостоящих полупроводников. Фотокатод они сделали из кремния n-типа с поверхностью, текстурированной в виде пирамид — это улучшает поглощение света и увеличивает площадь соприкосновения с раствором электролита. На сторону электрода, которая была погружена в раствор, нанесли тонкий слой платинового катализатора, а на противоположную сторону, которая поглощала солнечный свет — противоотражательное покрытие из нитрида кремния и металлические контакты. Когда такой кремниевый фотокатод поглощает солнечное излучение, в его зоне проводимости генерируются электроны, которые затем реагируют с катионами Н⁺, восстанавливая их до молекулярного водорода.

Конструкция и принцип работы тандемного солнечно-водородного преобразователя

Karuturi et al. / Advanced Energy Materials, 2020

Кремниевый фотокатод был соединен с солнечным элементом на основе недорогого и простого в получении перовскитного полупроводника. Элементы были расположены в виде тандема (друг под другом) — сначала солнечный луч проходит сквозь полупрозрачный перовскитный солнечный элемент с большей шириной запрещенной зоны, а затем через кремниевый. Перовскит поглощает фотоны с высокой энергией и пропускает фотоны с низкой энергией, которые потом поглощаются в кремниевом полупроводнике. Тандемная конфигурация позволяет максимально использовать освещаемую солнцем площадь — это важно для промышленного применения солнечных модулей. Конструкция таких солнечных элементов требует соблюдения дополнительных условий: в частности, надо правильно подобрать толщину и значение запрещенной зоны перовскита, чтобы кремниевый элемент получил достаточно излучения и на нем образовалось достаточно электронов и дырок. Если бы авторы не соблюдали это условие и расположили перовскитный и кремниевый элементы рядом, им было бы проще добиться высокой эффективности, но при промышленном использовании такая ячейка заняла бы вдвое больше освещаемого солнцем места, то есть фактически ее эффективность надо было бы разделить на два.Для того, чтобы добиться оптимальной эффективности, авторы испробовали несколько перовскитных материалов разного состава и с разными значениями запрещенной зоны и остановились на широкозонном смешанном перовските Cs_0.10Rb_0.05FA_0.75MA_0.15PbI_1.8Br_1.2. Благодаря большой величине запрещенной зоны перовскита (1,75 электрон-вольт), на расположенный под ним кремниевый солнечный элемент попадало больше фотонов, и фототок на нем был на 29 процентов выше, чем в случае стандартного перовскита с запрещенной зоной около 1,4 электрон-вольт.

Общая эффективность преобразования солнечной энергии в энергию водородного топлива составила 17,6 процента, устройства выдерживали трое суток непрерывного облучения солнцем. Такие показатели — большой шаг вперед для перовскитных фотоэлектрохимических преобразователей: ранее такие устройства не демонстрировали эффективность выше 10 процентов.

 В дальнейшем авторы работы собираются заменить платиновый катализатор на более дешевый аналог. Теоретическое моделирование, которое они провели, показывает, что фотоэлектрохимический преобразователь может достичь эффективности в 20 процентов даже без платинового катализатора. Для этого нужно повысить фактор заполнения перовскитного солнечного элемента — параметр, который характеризует качество солнечного элемента, в частности вклад омических потерь — с 67 до 80 процентов. Стандартные (неширокозонные) перовскитные солнечные элементы с таким фактором заполнения уже удавалось получить нескольким коллективам ученых, поэтому можно ожидать, что и для широкозонных перовскитов это значение скоро будет достигнуто.

Два месяца назад американские и китайские химики разработали прототип электролизера, который вообще не содержит дорогих материалов. Авторы отказались не только от катализатора из металлов платиновой группы (вместо них использовали наностержни оксида кобальта), но и от полимерных транспортных слоев в перовскитном солнечном элементе, а для инкапсуляции использовали коммерческую упаковочную пленку. Правда эффективность такого устройства была невысокой — 6,7 процентов.

Наталия Самойлова

Центр данных по альтернативным видам топлива: Производство и распределение водорода

Несмотря на то, что водород присутствует в большом количестве на Земле как элемент, он почти всегда присутствует в составе другого соединения, такого как вода (H ₂ O) или метан (CH ₄ ), и должен быть разделен на чистый водород (H ₂ ) для использования в электромобилях на топливных элементах. Водородное топливо соединяется с кислородом воздуха через топливный элемент, создавая электричество и воду в результате электрохимического процесса.

Производство

Водород можно производить из различных внутренних ресурсов, включая ископаемое топливо, биомассу и электролиз воды с помощью электричества. Воздействие водорода на окружающую среду и энергоэффективность зависят от того, как он производится. Реализуется несколько проектов по снижению затрат, связанных с производством водорода.

Есть несколько способов производства водорода:

• Риформинг / газификация природного газа: Синтез-газ, смесь водорода, окиси углерода и небольшого количества двуокиси углерода, образуется в результате реакции природного газа с высокотемпературным паром.Окись углерода реагирует с водой с образованием дополнительного водорода. Это самый дешевый, эффективный и распространенный способ. На конверсию природного газа с использованием пара приходится большая часть водорода, ежегодно производимого в Соединенных Штатах.

  Синтез-газ можно также создать путем реакции угля или биомассы с высокотемпературным паром и кислородом в газификаторе под давлением, который преобразуется в газообразные компоненты — процесс, называемый газификация . Полученный синтез-газ содержит водород и монооксид углерода, которые реагируют с водяным паром для отделения водорода.

• Электролиз: Электрический ток расщепляет воду на водород и кислород. Если электричество производится из возобновляемых источников, таких как солнце или ветер, полученный водород также будет считаться возобновляемым и имеет множество преимуществ по выбросам. Набирают обороты проекты по производству водорода, когда избыточная возобновляемая электроэнергия, если таковая имеется, используется для производства водорода посредством электролиза.

• Возобновляемый жидкий риформинг: Возобновляемое жидкое топливо, такое как этанол, реагирует с высокотемпературным паром с образованием водорода вблизи точки конечного использования.

• Ферментация: Биомасса превращается в сырье, богатое сахаром, которое можно сбраживать для получения водорода.

Ряд методов производства водорода находятся в стадии разработки:

Основными производителями водорода являются Калифорния, Луизиана и Техас. Сегодня почти весь водород, производимый в Соединенных Штатах, используется для очистки нефти, обработки металлов, производства удобрений и обработки пищевых продуктов.

Основной задачей производства водорода является снижение стоимости технологий производства, чтобы сделать получаемый водород конкурентоспособным по стоимости по сравнению с обычным транспортным топливом.Государственные и промышленные научно-исследовательские и опытно-конструкторские проекты снижают стоимость, а также воздействие на окружающую среду технологий производства водорода. Узнайте больше о производстве водорода в Управлении технологий водорода и топливных элементов.

Распределение

Большая часть водорода, используемого в Соединенных Штатах, производится там или поблизости от того места, где он используется, обычно на крупных промышленных предприятиях. Инфраструктура, необходимая для распределения водорода по общенациональной сети заправочных станций, необходимых для повсеместного использования электромобилей на топливных элементах, все еще нуждается в развитии.Первоначальное развертывание транспортных средств и станций сосредоточено на построении этих распределительных сетей, прежде всего в южной и северной Калифорнии.

В настоящее время водород распределяется тремя способами:

• Трубопровод: Этот наименее дорогой способ доставки больших объемов водорода ограничен, так как в настоящее время доступно только около 1600 миль трубопроводов США для доставки водорода. Эти трубопроводы расположены недалеко от крупных нефтеперерабатывающих и химических заводов в Иллинойсе, Калифорнии и на побережье Мексиканского залива.

• Трубные прицепы высокого давления: Транспортировка сжатого водородного газа грузовиком, железнодорожным вагоном, кораблем или баржей в трубчатых прицепах высокого давления стоит дорого и используется в основном на расстояния до 200 миль или меньше.

• Цистерны для сжиженного водорода: Криогенное сжижение — это процесс охлаждения водорода до температуры, при которой он становится жидкостью. Хотя процесс сжижения является дорогостоящим, он позволяет транспортировать водород более эффективно (по сравнению с использованием трубных прицепов высокого давления) на большие расстояния грузовиком, железнодорожным вагоном, кораблем или баржей.Если сжиженный водород не используется с достаточно высокой скоростью в точке потребления, он выкипает (или испаряется) из резервуаров для хранения. В результате необходимо тщательно согласовывать скорость доставки и потребления водорода.

Создание инфраструктуры распределения и доставки водорода на тысячи будущих заправочных станций представляет собой множество проблем. Поскольку водород содержит меньше энергии на единицу объема, чем все другие виды топлива, его транспортировка, хранение и доставка к месту конечного использования обходятся дороже в пересчете на галлон бензина (на ГПЭ).Строительство новой сети водородных трубопроводов связано с высокими начальными капитальными затратами, а свойства водорода создают уникальные проблемы для материалов трубопроводов и конструкции компрессора. Однако, поскольку водород может производиться из самых разных ресурсов, региональное или даже местное производство водорода может максимально использовать местные ресурсы и минимизировать проблемы с распределением.

Необходимо учитывать компромисс между централизованным и распределенным производством. Производство водорода централизованно на крупных заводах снижает производственные затраты, но увеличивает затраты на сбыт.Производство водорода в точке конечного потребления — например, на заправочных станциях — снижает затраты на сбыт, но увеличивает производственные затраты из-за затрат на создание производственных мощностей на месте.

Государственные и промышленные научно-исследовательские проекты преодолевают препятствия на пути эффективного распределения водорода. Узнайте больше о распределении водорода в Управлении технологий водорода и топливных элементов.

Исследователи разрабатывают новое органическое устройство для получения водорода из воды и солнечного света

Предоставлено: Алекс Перес.

Водород имеет большой потенциал в качестве топлива.Исследователи из группы фотоэлектрических и оптоэлектронных устройств Университета Жауме I разработали органическое устройство, превращающее воду в водород, используя только солнечный свет. В настоящее время органические материалы, используемые в этих устройствах, предлагают большую универсальность и эффективность при более низкой стоимости, чем доступные неорганические материалы, но они демонстрируют проблемы со стабильностью при контакте с водной средой. Исследование, опубликованное в журнале Journal of Physical Chemistry , показывает исключительную стабильность этих устройств и представляет собой важный шаг в получении солнечного топлива из органических материалов.

Сиксто Хименес, координатор исследования, отметил: «Производство водорода было достигнуто за три часа, что демонстрирует стабильность органических материалов, которая не была достигнута до сих пор».

Органические фотоэлектрические устройства подвержены коррозии в воде и очень легко повреждаются. «Наша стратегия заключалась в создании физического барьера между фотоэлектрическим компонентом и катализатором, который вызывает реакцию образования водорода.Для этого мы нанесли компактные слои нанометрового оксида титана, который не только действует как барьер между водой и фотоэлектрической частью, но также электрически соединяет фотоэлектрическую часть и платиновый катализатор. Используя эту стратегию, мы можем значительно повысить стабильность, сохранив при этом производительность этих устройств », — сказал исследователь Антонио Герреро.

Получение солнечного топлива, такого как водород из воды и солнечного света, — это стратегия, направленная на решение глобальной энергетической проблемы.«У нас могут быть полностью возобновляемые ресурсы, такие как солнечный свет и вода, для получения такого проводника энергии, как водород. Кроме того, водород — это химическое соединение, которое можно найти в бесконечном количестве в промышленности, например, в производстве удобрений или синтезе соединений водорода», — отметил Хименес.

Исследование было проведено в рамках проекта PHOCS (Photogenerated Hydrogen by Organic Catalytic Systems), финансируемого в рамках 7-й рамочной программы Европейского Союза, который направлен на разработку новых устройств на основе органических полупроводниковых материалов для выполнения фоторазложения воды, ведущего к эффективному производству водорода.Он направлен на оптимизацию использования более дешевых и экологически чистых материалов для производства водорода.

Предоставлено: Алекс Перес.

Одна из основных задач проекта, который завершится в ноябре, — продемонстрировать, что органические материалы (пластмассы) могут быть использованы для фотоэлектрохимического производства водорода, цель, которая уже достигнута. Хименес объясняет: «Водород можно использовать в качестве бензина из-за его высокого энергетического потенциала, энергии, которая может быть преобразована в электричество и в механическую энергию.«Использование этого солнечного топлива» позволит вам в ближайшем будущем отправиться на станцию ​​обслуживания и вместо заправки бензином вы сможете заправляться водородом, который будет преобразовываться в электричество через топливный элемент, а затем в механическую энергию. Вода будет единственным продуктом отходов ». Таким образом, исследовательский проект способствует переходу от нынешней энергетической модели, основанной на ископаемом топливе, к устойчивой модели, уважающей окружающую среду, с упором на использование солнечной энергии.Этот переход станет возможным с разработкой новых полупроводниковых материалов.

Вклад в проект PHOCS группы под руководством Сиксто Хименеса из Universitat Jaume I заключался в том, чтобы понять, какие физико-химические механизмы работают в этих устройствах. Они использовали различные методы, разработанные в лабораториях группы Photovoltaic and Optoelectronic Devices.Более того, группа разработала собственное органическое устройство, которое отличается уровнем стабильности. Следующим шагом будет повышение эффективности устройства, особенно его способности преобразования энергии.

---

Усовершенствованный экономичный катализатор для водоразделительных устройств.

---

Дополнительная информация: «Органические фотоэлектрохимические элементы с количественным преобразованием фотоносителя» Energy Environ.Sci. , 2014,7, 3666-3673 DOI: 10.1039 / C4EE01775G Предоставлено Ассоциация RUVID

Ссылка : Исследователи разрабатывают новое органическое устройство для получения водорода из воды и солнечного света (2015, 12 мая). получено 25 декабря 2020 с https: // физ.org / news / 2015-05-device-Hydro-Sunlight.html

Этот документ защищен авторским правом. За исключением честных сделок с целью частного изучения или исследования, нет часть может быть воспроизведена без письменного разрешения. Контент предоставляется только в информационных целях.

Водород — Conservapedia

Водород
Недвижимость
Атомный символ	H
Атомный номер
Классификация	Группа 1
Атомная масса	1.001
Температура плавления (° C)	−259,16
Температура кипения (° C)	−252,879
Плотность (граммы на куб. См)	0,08988
Обилие литосферы (%)	0,0000005
Степени окисления	-1, +1
Прочая информация
Дата открытия	1766
Имя первооткрывателя	Генри Кавендиш

Водород — самый распространенный из всех элементов, ^[1] , имеет химический символ H и атомный номер 1.Несмотря на это изобилие, природный элементарный водород чрезвычайно редок на Земле.

Химические свойства

При нормальном давлении водород плавится при температуре 14,01 Кельвина (К) и кипит при 20,28 К, что по сути означает, что он существует на Земле только в виде газа. Почти вакуум межзвездного пространства означает, что водород также является газом в этих условиях. Астрономы и химики предполагают, что водород существует в виде плазмы внутри звезд и, возможно, в металлической форме в ядрах планет-гигантов, таких как Юпитер.Наиболее распространенной формой водорода является молекулярный водород, состоящий из двух атомов, связанных одной ковалентной связью. Химический символ молекулярного водорода — H ₂ .

Из-за самого низкого атомного номера водород является самым легким элементом. В результате он использовался во многих ранних дирижаблях и воздушных шарах, но из-за связанных с этим опасностей в этих применениях он был заменен гелием.

Изотопы

Наиболее распространенной формой водорода является протий, хотя это название используется редко и обычно известно просто как водород.Атомы протия состоят из одного протона, на орбите которого движется один электрон. Известно, что существуют два других изотопа водорода: дейтерий с одним нейтроном и атомным весом 2 и тритий с двумя нейтронами и атомным весом 3. Тритий радиоактивен с периодом полураспада 12,32 года. Встречающийся в природе тритий крайне редко встречается на Земле; он производится в ядерных реакторах и поэтому стоит очень дорого. Он имеет ряд ценных применений, таких как светоизлучающие вставки для оптических инструментов и аварийного оборудования.

Соединения

Водород содержится в подавляющем большинстве органических соединений, а также во многих неорганических соединениях. ^[2] Это важный компонент воды и большинства кислот. ^{[Требуется ссылка]}

Встречаемость в природе

Водород составляет 75% всего вещества во Вселенной по массе. Более 90% всех атомов во Вселенной состоят из водорода. Это главный элемент, содержащийся в звездах и газовых гигантах (юпитерианских) планетах. Огромные облака молекулярного водорода находятся в межзвездном пространстве; астрономы считают, что эти облака связаны со звездообразованием, а водород является сырьем и топливом для образования звезд.Временной масштаб, необходимый для того, чтобы это произошло, оценивается примерно в 100 000 лет для звезды размером с Солнце. Это означает, что, как и другие космические процессы, некоторые из которых занимают миллионы или миллиарды лет, процесс звездообразования нельзя наблюдать напрямую. Однако звезд на разных фазах процесса много, и процесс хорошо установлен. Креационисты молодой Вселенной отвергают все это.

Топливо для автомобилей

Водород — одно из двух видов топлива, необходимых для топливных элементов (второй — кислород), которые потенциально могут стать основной формой альтернативной энергии в будущем.Топливные элементы — очень чистые источники энергии; их единственными побочными продуктами являются вода и тепло. Поскольку не образуются никакие загрязнители или парниковые газы, использование топливных элементов может обеспечить более чистый воздух в крупных городах ^{[Требуется цитата]}

К сожалению, в настоящее время водород не является жизнеспособным источником топлива. Сегодняшнему среднему автомобилю, например, потребуется невероятно большой топливный бак, чтобы вмещать достаточно водорода для практических целей. Водород также чрезвычайно огнеопасен, и необходимы соответствующие меры безопасности, чтобы снизить вероятность смертельного взрыва в случае аварии.Также существует проблема получения необходимого чистого водорода. Водород может быть получен из дистиллированной воды посредством электролиза, но для этого требуется такое же количество энергии, которое дает использование водорода в топливном элементе. Топливные элементы не решат возможного энергетического кризиса; это просто перенесет проблему на электростанции, обеспечивающие энергией для получения водорода посредством электролиза. ^{[Требуется ссылка]}

Если водород можно было бы использовать в автомобилях, это было бы важно для создания водородной экономики.

Поскольку свободного водорода на Земле не существует, водород на самом деле не является источником энергии, а, скорее, ее носителем: его ценность в качестве топлива заключается в том, что он обеспечивает чистый и эффективный способ использования энергии, производимой каким-либо другим источником. Согласно второму закону термодинамики энергия, используемая для производства свободного водорода, должна быть, по крайней мере, равна энергии, содержащейся в нем, а это означает, что в настоящее время он не является жизнеспособным топливом для большинства приложений. Возможные решения включают использование бактерий, производящих водород посредством фотосинтеза, что позволит эффективно сохранять солнечную энергию в водороде и использовать ее в качестве топлива. ^[3]

Примечания и ссылки

1. ↑ Водород составляет примерно 75% материи Вселенной.
2. ↑ Например, углеводороды и гидриды металлов соответственно
3. ↑ http://www.making-hydrogen.com/hydrogen-from-bacteria.html

Периодическая таблица элементов
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15	16	17	18
1 H 1.008
* Лантаноиды
** Актиниды

Как работает водородная экономика

В настоящее время Соединенные Штаты и большая часть мира привязаны к тому, что можно было бы назвать экономией ископаемого топлива .Наши автомобили, поезда и самолеты почти полностью заправляются нефтепродуктами, такими как бензин и дизельное топливо. Огромный процент наших электростанций использует в качестве топлива нефть, природный газ и уголь.

Если когда-либо прекратится подача ископаемого топлива в Соединенные Штаты, экономика остановится. Не было бы возможности транспортировать продукцию, которую производят фабрики. Люди не смогут ездить на работу.Вся экономика, и фактически все западное общество, в настоящее время зависит от ископаемого топлива.

Хотя ископаемое топливо сыграло важную роль в доведении общества до того состояния, в котором оно находится сегодня, ископаемое топливо создает четыре большие проблемы:

Загрязнение воздуха — Когда автомобили сжигают бензин, в идеале они сжигают его безупречно и ничего не создают. но углекислый газ и вода в их выхлопе. К сожалению, двигатель внутреннего сгорания не идеален.В процессе сжигания бензина он также производит:

• Окись углерода, ядовитый газ
• Оксиды азота, основной источник городского смога
• Несгоревшие углеводороды, основной источник городского озона

Каталитические нейтрализаторы устраняют большую часть этого загрязнения, но они не идеальны. Загрязнение воздуха от автомобилей и электростанций — настоящая проблема для больших городов.

Это уже достаточно плохо, потому что летом во многих городах опасный уровень озона в воздухе.

Загрязнение окружающей среды — Процесс транспортировки и хранения масла оказывает большое влияние на окружающую среду, когда что-то идет не так.

Супертанкеры, загружаемые нефтью в Саудовской Аравии

Разлив нефти, взрыв трубопровода или пожар в колодце могут создать огромный беспорядок. Разлив Exxon Valdez — самый известный пример проблемы, но незначительные разливы происходят постоянно.

Глобальное потепление — Когда вы сжигаете галлон бензина в машине, вы выделяете около 5 фунтов (2.3 кг) углерода в атмосферу. Если бы это был твердый углерод, это было бы очень заметно — это было бы все равно, что выбросить 5-фунтовый мешок сахара из окна вашей машины на каждый галлон сожженного газа. Но поскольку 5 фунтов углерода представляют собой невидимый газ, двуокись углерода, большинство из нас не замечает этого. Углекислый газ, выходящий из выхлопной трубы каждого автомобиля, представляет собой парниковый газ , который медленно повышает температуру планеты. Конечные последствия неизвестны, но велика вероятность того, что в конечном итоге произойдут драматические изменения климата, которые затронут всех на планете.Например, если ледяные шапки тают, уровень моря значительно поднимется, затопляя и разрушая все прибрежные города, существующие сегодня. Это большой побочный эффект.

Зависимость — Соединенные Штаты и большинство других стран не могут производить достаточно нефти для удовлетворения спроса, поэтому они импортируют ее из богатых нефтью стран. Это создает экономическую зависимость. Когда производители нефти Ближнего Востока решают поднять цену на нефть, у остального мира не остается иного выбора, кроме как платить более высокую цену.

Новый экологичный катализатор «расщепляет» молекулы воды для получения водорода и кислорода, для работы которого требуется очень низкое напряжение, и позволяет избежать использования драгоценных металлов, таких как иридий.- ScienceDaily

Электролиз, расщепляющий молекулу воды электричеством, — это самый чистый способ получить водород, чистое и возобновляемое топливо. Теперь исследователи из ICIQ и URV во главе с профессором Хосе Рамоном Галаном-Маскаросом разработали новый катализатор, который снижает стоимость производства электролитического водорода. Катализаторы уменьшают количество электроэнергии, необходимой для разрыва химических связей, ускоряют реакцию и минимизируют потери энергии.

‘Обычно водород получают с помощью дешевого процесса, называемого паровым риформингом.Но это не чистый водород, в этом процессе используется природный газ и образуется углекислый газ и другие загрязняющие вещества », — объясняет Галан-Маскарос. «Разбить молекулу воды чище, но это непросто. Нам необходимо разработать новые дешевые и эффективные катализаторы, которые позволят нам получать водород по конкурентоспособной цене », — говорит он. На сегодняшний день лучшие катализаторы основаны на оксидах иридия, но иридий — очень дорогой и дефицитный драгоценный металл.

Химики из ICIQ и URV обнаружили соединение, состоящее из кобальта и вольфрама, технически называемое полиоксометаллатом, которое может катализировать расщепление воды лучше, чем иридий.«Полиоксометаллаты — это нанометрические молекулярные оксиды, которые сочетают в себе лучшее из двух миров: высокую активность оксидов и универсальность молекул», — объясняет Марта Бласко-Ахикарт, научный сотрудник ICIQ и первый автор статьи Nature Chemistry . «Наши полиоксометаллаты намного дешевле, чем иридий, и позволяют нам работать в кислой среде, оптимальной среде для генерирования кислорода, что обычно является недостатком для катализаторов, которые обычно потребляются кислотой», — поясняет Бласко-Ахикарт.

Хоакин Сориано, соавтор статьи и в настоящее время доктор наук в Тринити-колледже в Дублине, объясняет, что «наши катализаторы особенно хорошо работают, когда мы работаем с низким напряжением». «Это может показаться проблемой, — объясняет он, — но это скорее преимущество, это экономит электроэнергию и позволит нам вскоре получать энергию, необходимую для разделения воды, из возобновляемых источников, таких как солнечные батареи».

Более того, исследователи представляют в своей статье дополнительное открытие. Использование катализаторов в частично гидрофобном водоотталкивающем материале повышает эффективность процесса.Это создает «водонепроницаемый» реактор, в котором электролиз протекает быстрее, а также увеличивает срок службы катализаторов. Новая методология не только улучшает характеристики новых полиоксометаллатов кобальта-вольфрама, но также позволяет использовать множество различных каталитических систем. В настоящее время исследователи исследуют новые способы использования этого нового открытия, разрабатывая новые гидрофобные каркасы для дальнейшего повышения эффективности расщепления воды, что является фундаментальным шагом на пути к эволюции искусственного фотосинтеза.

История Источник:

Материалы предоставлены Институтом химических исследований Каталонии (ICIQ) . Примечание. Содержимое можно редактировать по стилю и длине.

Разделение воды на водород и кислород

Мы часто хотим подражать природе для почти идеальных результатов. Но иногда это остается просто желанием. В своем стремлении к зеленой и чистой энергии человечество ищет тот волшебный метод, который может расщеплять воду на водород и кислород.Природа прекрасно справляется с этой задачей в процессе фотосинтеза. Человек все еще сталкивается с трудностями при дублировании этого процесса в лаборатории. Если мы сможем расщеплять воду на кислород и водород в присутствии солнечного света, мы сможем использовать потенциал водорода в качестве чистого и экологически чистого топлива. На сегодняшний день искусственные системы довольно неэффективны, требуют больших затрат времени и денег и часто требуют дополнительного использования химических реагентов.

Исследователи отдела органической химии Института Вейцмана под руководством проф.Дэвид Мильштейн разработал новый способ расщепления молекул воды, который может отделять кислород от воды и связывать атомы в другой молекуле. Этот метод оставляет водород свободным для соединения с другими соединениями. Их вдохновил фотосинтез — процесс, выполняемый растениями. Фотосинтез — это жизненная сила на Земле, потому что он является источником всего кислорода на Земле.

Новый подход, разработанный командой Вейцмана, включает три важных этапа, которые заканчиваются освобождением водорода и кислорода с помощью специального металлического комплекса.Основным элементом этого металлического комплекса является рутений. Металлическая и органическая части этого «умного» комплекса помогают расщеплять молекулы воды. Когда вода смешивается с этим комплексом, связи между атомами водорода и кислорода разрываются. Здесь один атом водорода связывается с органической частью комплекса, атомы водорода и кислорода (группа ОН) — с его металлическим центром.

Вторая стадия известна как стадия нагрева. Здесь водный раствор нагревается до 100 ° C. При этом из комплекса выделяется газообразный водород.А вот и наш чистый и экологически чистый источник топлива. К металлическому центру добавляется еще одна группа ОН.

Мильштейн объясняет о третьей волшебной сцене: «Но самая интересная часть — это третья световая сцена. Когда мы подвергли этот третий комплекс воздействию света при комнатной температуре, не только образовался газообразный кислород, но и металлический комплекс вернулся в исходное состояние, которое можно было использовать повторно для использования в дальнейших реакциях ».

Результаты считаются уникальными из-за образования связи между двумя атомами кислорода, вызванного искусственным металлическим комплексом.Это очень необычное мероприятие. И пока неясно, как это может происходить. Ученые выяснили, что на третьем этапе свет дает энергию двум группам ОН, чтобы они вместе образовали перекись водорода (h3O2). Эта перекись водорода быстро распадается на кислород и воду. Что Мильштейн думает об этой химической реакции? Он говорит: «Поскольку перекись водорода считается относительно нестабильной молекулой, ученые всегда игнорировали этот шаг, считая его маловероятным; но мы показали обратное.Еще одна интересная вещь, которую заметили Мильштейн и его команда, заключается в том, что связь между двумя атомами кислорода создается внутри одной молекулы. Это образование связи происходит не между атомами кислорода, расположенными на отдельных молекулах, а из одного металлического центра.

Самым большим достижением команды Мильштейна явилась разработка механизма образования водорода и кислорода из воды без использования химических агентов.