Отримання водороду

Получение водорода

В обмеженому масштабі застосовують спосіб взаємодії водяної пари з фосфором і термічного розкладання углеводородов:

СН4 (1000 °З) = З + 2 Н2 (виділяється як газа).

В окремих випадках водень одержують у результаті каталітичного розщеплення метанолу з водяником паром СН3ОН + Н2О (250 °З) = СО2 + 3 Н2,.

или внаслідок каталітичного термічного розкладання аммиака.

2 NH3 (950 °З) —> N2 + 3 H2.

Однако ці вихідні сполуки одержують у великих масштабах з водню; тим часом з них водню є особливо простою й можна використовувати в виробництвах, які споживають його в порівняно малих кількостях (менш 500 м3/сутки).

Важнейшие методи отримання водорода.

1. Розчинення цинку в розведеною соляної кислоте.

Zn + 2 HCl = ZnCl2 + H2.

Этот спосіб найчастіше застосовують у лабораториях.

Вместо соляної кислоти можна також ознайомитися використовувати розведену сірчану кислоту; та якщо концентрація останньої занадто висока, то вирізняється газ легко забруднюється SO2 і H2S. При використанні недостатньо чистого цинку утворюються ще й інші сполуки, забруднюючі водень, наприклад AsH3 і PH3. Їх присутність і обумовлює неприємного запаху одержуваного у такий спосіб водорода.

Для очищення водень пропускають через подкисленный розчин перманганату чи біхромату калію, та був через розчин їдкого розжарюй, а також через концентровану сірчану кислоту чи через шар силикагеля для звільнення з вологи. Крихітні крапельки рідини, захоплені воднем при його отриманні і ув’язнені в пухирцях газу, найкраще усувати з допомогою фільтра з щільно спресована звичайній чи скляній ваты.

Если доводиться користуватися чистим цинком, чи до кислоті треба додати дві краплі платинохлористоводородной кислоти чи сернокислой міді, інакше цинк не входить у реакцию.

2. Растворение алюмінію чи кремнію в їдкою щёлочи.

2 Al + 2 NaOH + 6 H2O = 2 Na[Al (OH)4] + 3 H2.

Si + 2 KOH + H2O = Na2SiO3 + 2 H2.

Эти реакції застосовували раніше щоб одержати водню в польових умовах (наповнення аеростатів). Для отримання 1 м³ водню (при 0 °З повагою та 760 мм рт. ст.) потрібно лише 0,81 кг алюмінію чи 0,63 кг кремнію проти 2,9 кг цинку чи 2,5 кг железа.

Вместо кремнію також застосовують феросиліцій (кремнієвий метод). Суміш феросиліцію і розчину їдкого натра, введённая в вживання незадовго до першої Першої світової у французькій армії під назвою гидрогенита, має здатність після підпалювання тліти з енергійним виділенням водню за такою реакции:

Si + Ca (OH)2 + 2 NaOH = Na2SiO3 + CaO + 2 H2.

3. Дія натрію на воду.

2 Na + 2 H2O = 2 NaOH + H2.

Ввиду те, що чистий натрій реагує у разі занадто енергійно, його частіше вводять у реакцію як амальгами натрію; цей спосіб застосовують переважно щоб одержати водню, коли він користуються на відновлення «in statu nascendi ». Аналогічно натрію із жовтою водою реагують й інші лужні і щелочноземельные металлы.

4. Дія гідриду кальцію на воду СaН2 + 2 H2O = Сa (OH)2 + 2 H2.

Этот метод є зручним способом отримання водню в польових умовах. Для отримання 1 м³ водню теоретично необхідно 0,94 кг СаН2 та, крім води, непотрібен ніяких реактивов.5. Пропускання водяної пари над раскалённым до червоного железом.

4 Н2О + 3 Fe = Fe3O4 + 4 H2.

При допомоги цієї реакції в 1783 р. Лавуазьє вперше аналітично довів склад води. Утворений нині реакції оксид заліза неважко відновити до металевого заліза, пропускаючи з нього генераторний газ отже пропускання водяної пари над у тому ж залізом можна провести довільне число раз. Цей метод довгий час мав велике промислове значення. У невеличких масштабах його застосовують й у справжнє время.

6. Пропускание водяної пари над коксом.

При температурі вище 1000 °З реакція йде головним чином по уравнению Н2О + З = ЗІ + Н2.

Вначале отримують водяний газ, т. е. суміш водню і монооксиду вуглецю з додатком невеликих кількостей вуглекислого газу та азоту. Від вуглекислого газу легко звільняються промиванням водою під тиском. Монооксид вуглецю і азот видаляють з допомогою процесу Франка-Каро-Линде, т. е. сжижением цих домішок, яка досягається охолодженням рідким повітрям до -200 °З. Сліди ЗІ видаляють, пропускаючи газ над нагрітої натронной известью СО + NaOH = HCOONa — формиат натрия.

Этот метод дає дуже чистий водень, який використовують, наприклад, для гідрогенізації жиров.

Чаще, проте, водяний газ суміші з парами води при температурі 400 °З пропускають над відповідними каталізаторами, наприклад над оксидом заліза чи кобальту (контактний спосіб отримання водяного газу). У цьому вся разі ЗІ реагує із жовтою водою по уравнению СО + Н2Опар = СО2 + Н2 («конверсія ЗІ «).

Образующийся у своїй СО2 поглинається водою (під тиском). Залишок монооксиду вуглецю (~1 про. %) вимивають аммиачным розчином однохлористой міді. Застосовуваний у тому способі водяний газ отримують пропусканием водяної пари над раскалённым коксом. Останнім часом дедалі більше використовують взаємодія водяної пари з пылевидным вугіллям (перетворення вугільної пилюки в гази). Отриманий у такий спосіб водяний газ містить зазвичай дуже багато водню. Виділений з водяного газу водень (у якому азот) застосовують головним чином заради синтезу аміаку і гидрирования угля.

7. Фракційне сжиженнее коксового газа.

Подобно отриманню з водяного газу, водень можна отримувати фракційним сжижением коксового газу, основний складовою якого є водород.

Сначала коксовий газ, з яких попередньо видаляють сірку, очищають від СО2 промиванням водою під тиском із наступної обробкою розчином їдкого натра. Потім поступово звільняють від інших домішок східчастої конденсацією, проведеної до того часу, доки залишається тільки водень; з інших домішок його очищають промиванням сильно охлаждённым рідким азотом. Цей метод застосовують переважно, щоб отримати водень для синтезу аммиака.

8. Взаємодія метану з водяником пором (розкладання метана).

Метан взаємодіє зі водяником пором у присутності відповідних каталізаторів при нагріванні (1100 °З) по уравнению СН4 + Н2Опар + 204 кДж (при постійному давлении).

Необходимое для реакції тепло слід підбивати чи ззовні, чи застосовуючи «внутрішнє згоряння », т. е. подмешивая повітря чи кисень в такий спосіб, щоб частину метану згоряла до діоксиду углерода СН4 + 2 О2 = СО2 + 2 Н2Опар + 802 кДж (при постійному давлении).

При цьому співвідношення компонентів вибирають з такою розрахунком, щоб реакція загалом була экзотермичной.

12 СН4 + 5 Н2Опар + 5 О2 = 29 Н2 + 9 ЗІ + 3 СО2 + 85,3 кДж.

Из монооксиду вуглецю у вигляді «конверсії ЗІ «також отримують водень. Видалення діоксиду вуглецю виробляють вимиванням водою під тиском. Одержуваний методом розкладання метану водень використовують переважно при синтезі аміаку і гидрировании угля.

9. Взаимодействие водяної пари з фосфором (фиолетовым).

2 Р + 8 Н2О = 2 Н3РО4 + 5 Н2.

Обычно процес проводять в такий спосіб: пари фосфору, отримувані за відновлення фосфату кальцію в електричної печі, пропускають разом із водяникам пором над каталізатором при 400−600 °З (з підвищенням температури рівновагу даної реакції зміщується вліво). Взаємодія що виникла спочатку Н3РО4 з фосфором з освітою Н3РО3 і РН3 запобігають швидким охолодженням продуктів реакції (гарт). Цей метод застосовують передусім, якщо водень йде для синтезу аміаку, і потім переробляють на важливе, не що містить домішок добриво — амофос (суміш гідроі дигідрофосфату аммония).

10. Электролитическое розкладання воды.

2 H2O = 2 H2 + O2.

Чистая вода мало проводить струму, тож ній додаються електроліти (зазвичай КІН). При електролізі водень виділяється на катоді. На аноді виділяється еквівалентну кількість кисню, який, отже, у тому методі є побічним продуктом.

Получающийся при електролізі водень дуже чистий, якщо не вважати домішки невеликих кількостей кисню, який легко видалити пропусканием газу над підходящими каталізаторами, наприклад над злегка нагрітим палладированным азбестом. Тому його використовують як гідрогенізації жирів, так інших процесів каталітичного гидрирования. Водень, отримуваний цим методом досить дорогий.

Список литературы

Для підготовки даної роботи було використані матеріали із російського сайту internet.