Способы получения водорода в промышленности, лаборатории и в домашних условиях

Водород – это самый легкий газ среди всех известных газообразных веществ. В таблице Менделеева стоит на первом месте и обозначается химическим символом H (лат. hydrogenium). Во Вселенной – наиболее распространенный химический элемент (90% массы Солнца – водород). Он находится в воде, минералах, горных породах, природном газе и нефти. В обычных условиях атомы водорода соединены попарно. Образование молекул простого вещества H2 сопровождается выделением энергии. Масса молекулы водорода равна двум углеродным единицам. Более легкого простого вещества в природе нет. Используется в основном в химической, пищевой и авиационной промышленности; как ракетное топливо в космонавтике (сжиженный водород); при гидрокрекинге и гидроочистке нефтепродуктов; для сварки тугоплавких металлов.

На сегодняшний день существует ряд способов, как можно получить водород. Более подробно мы рассмотрим их ниже, но для начала познакомимся ближе со свойствами водорода.

Физические и химические свойства водорода

Первым получение водорода описал британский физик и химик Генри Кавендиш еще в 18-м веке. Водород сам по себе это бесцветный газ, не обладающий запахом. В смеси с воздухом или кислородом становится взрывоопасным. Является нетоксичным. Температура t кипения- 252,6С, t плавления — 259,1С.

Жидкий водород обладает небольшой массой и хорошей текучестью. В соединении с кислородом получается вода, в процессе реакции происходит выделение тепла 143,3 МДж/кг (при 25С и 0,1 МПа); при температуре 550С и больше процесс приводит к взрыву. При контакте с фтором и хлором реакции также проходят со взрывом. В свободном состоянии встречается крайне редко, в основном в соединениях с другими химическими элементами, к примеру: вода Н2О, аммиак NH3, сероводород Н2S, метан CH4, и пр. Молекулярный водород иногда выделяется из недр земли, его обнаруживают в вулканических газах.

Добыча водорода также производится при высокотемпературном воздействии на дерево и уголь, а также при переработке биологических отходов (биомассы: навоза, сена, водорослей и прочих отходов сельского хозяйства), в этом случае получается т.н. биоводород.

Получение водорода в промышленности

Рассмотрим реакции, положенные в основу производства водорода в промышленности:

Промышленное производство водорода (мощности завода Siemens)

1. Извлечение водорода из коксового газа (образующегося при коксовании углей). Производится путем глубокого охлаждения, при котором происходит сжижение всех газов, кроме водорода (его температура сжижения значительно ниже). Аналогично получение водорода из газов переработки нефти.

Процесс состоит из нескольких этапов:

  • коксовый газ проходит очистку (от сероводорода, окислов азота, нафталина, и др.);
  • сжатие газа;
  • выполняется первое охлаждение до -45° С;
  • производится глубокое охлаждение.

Во время охлаждения из коксового газа конденсируются компоненты, которые отводятся в жидком состоянии. Для более качественной очистки газа от остатков СО, СН4 и кислорода газ пропускается через жидкий азот.

2. Электрохимический метод – электролиз воды. Под действием постоянного электрического тока вода (либо водный солевой раствор) распадается на кислород и водород, чистота получаемого водорода – 99,8%. Особенностью и недостатком этого метода является большой расход электроэнергии, требуемой для прохождения реакции. В промышленности используется специальный прибор для получения водорода, который называется электролизер.

3. Получение водорода из природного газа
Способ конверсии природного газа с водяным паром основан на том, что природный газ (точнее, его компонент метан) вместе с катализатором смешивается с водяным паром, разогретым до температуры 800-900°С. Также получение водорода из углеводородных газов может осуществляться путем окисления кислородом (с катализатором).

4. Крекинг углеводородов. Крекинг (расщепление) происходит в процессе нагрева газа до температур выше 1000 градусов по шкале Цельсия. В результате чего выделяется водород и углерод.

5. Способ газификации угля
Заключается способ в том, что происходит нагревание угля вместе с водяным паром до температур от 850 до 1300°С, причем процесс идет без доступа воздуха. Недостатком способа является необходимость угля для протекания процесса. Также в процессе переработки выделяется большое количество углекислого газа, пагубно влияющего на окружающую среду.

Получение водорода в лаборатории

В основном водород в лабораторных условиях получают путем электролиза водных растворов, к примеру KOH. Электроды изготавливаются из листового никеля (т.к. он устойчив к коррозии в щелочном растворе). Электролитический водород отличается особой частотой. Ниже рассмотрим реакции получения.

  1. При воздействии кислот на металлы. Как правило, используется цинк в гранулах и 10-20% раствор серной (либо соляной) кислоты. Сам процесс происходит в аппарате Киппа. Кислота заливает цинк и происходит реакция замещения, выделяется молекулярный водород. Аппарат Киппа позволяет прерывать, либо возобновлять реакцию по мере необходимости. Можно брать вместо цинка железо (к примеру, в виде стружки), либо другие металлы.
  2. Реакция кальция с водой.
  3. Взаимодействие натрия и воды
  4. Алюминий либо кремний (реакция растворения в едкой щёлочи)
  5. При гидролизе ионных гидридов металла
  6. Реакция водяного пара с фосфором (фиолетовым).

Получение водорода в домашних условиях

Важно! Проводя домашние эксперименты всегда нужно помнить о правилах техники безопасности. Необходимо следить за тем, чтобы реактивы не попадали на лицо, руки и одежду. Всегда одевайте защитные очки при проведении экспериментов и не забывайте обеспечивать достаточную вентиляцию в помещении. При проведении опытов пользуйтесь термостойкими толстостенными стеклянными либо фарфоровыми емкостями. Ниже опишем несколько простых способов.

Из цинка и соляной кислоты

Рассмотрим простейший способ извлечения водорода при взаимодействии цинка и соляной кислоты. Для опыта нам понадобится пробирка с газоотводной трубкой.

Поместим в пробирку несколько кусочков цинка и добавим соляную кислоту. В процессе реакции цинк вытесняет водород из кислоты, как и все активные металлы. Чтобы собрать выделяемый водород нужно взять еще одну пробирку и поместить в нее газоотводную трубку. Заметим, что нужно обязательно перевернуть пробирку вверх дном ввиду того, что водород гораздо легче воздуха и поднимается вверх. В пробирке начинает накапливаться водород. Важно понимать, что в пробирке также присутствует и кислород, а вместе эти два газа представляют собой взрывоопасную смесь. Поэтому следует позаботиться и о технике безопасности.

Методом электролиза

Рассмотрим метод как из обычной воды можно получить водород в домашних условиях. Выделение водорода происходит путем электролиза (разложением воды электрическим током). В стеклянную емкость помещаются на некотором расстоянии друг от друга электроды, заливается (к примеру, раствор воды и поваренной соли, для увеличения электропроводности) и подключается электрический ток 12 В. Под его воздействием на электродах выделяются газы. На положительном – кислород, на отрицательном – водород, причем его объем в два раза превышает объем кислорода. Электролитический водород отличается особой частотой. Чтобы распознать чистоту водорода достаточно поднести к колбе с газом зажженную спичку, если раздастся глухой хлопок – значит водород без примесей.

На сегодняшний день, если есть необходимость в домашней «добыче», существуют компактные приборы для получения водорода, так называемые водородные генераторы. Один недостаток – это стоимость. Но если цена кусается, в сети можно найти достаточно примеров и чертежей небольшого самодельного электролизера.

Ссылка на основную публикацию