Актуальность этого вопроса на сегодняшний день достаточно высока по причине того, что сфера использования водорода чрезвычайно обширна, а в чистом виде он практически нигде в природе не встречается. Именно поэтому было разработано несколько методик, позволяющих осуществлять добычу этого газа из других соединений посредством химических и физических реакций. Об этом и рассказывается в приведенной статье.

Способы получения водорода в промышленных условиях

Добыча путем конверсии метана . Вода в парообразном состоянии, предварительно нагретая до 1000 градусов по Цельсию, смешивается с метаном под давлением и в присутствии катализатора. Способ этот интересный и проверенный, также надо отметить, что он постоянно совершенствуется: ведется поиск новых катализаторов, более дешевых и эффективных.

Рассмотрим самый древний метод получения водорода - газификацию угля . При условии отсутствия доступа воздуха и температуре в 1300 градусов Цельсия, нагревают уголь и водяной пар. Таким образом, происходит вытеснение водорода из воды, и получается углекислый газ (водород будет наверху, углекислый газ, также получаемый в результате проводимой реакции, – внизу). Таким будет разделение газовой смеси, все очень просто.

Получение водорода путем электролиза воды считается самым простым вариантом. Для его осуществления необходимо залить в емкость раствор соды, поместить также туда два электрических элемента. Один будет заряжен положительно (анод), а второй – отрицательно (катод). При подаче тока водород отправится на катод, а кислород - на анод.

Electrolysis of Water

Получение водорода по методике частичного окисления . Для этого используется сплав алюминия и галлия. Его помещают в воду, что приводит к образованию водорода и оксида алюминия в процессе реакции. Галлий необходим для того, чтобы реакция произошла в полном объеме (этот элемент не позволит алюминию окислиться преждевременно).

В последнее время приобрела актуальность методика использования биотехнологий : при условии недостатка кислорода и серы, хламидомонады начинают интенсивно выделять водород. Очень интересный эффект, который сейчас активно изучается.

Chlamydomonas

Не стоит забывать и еще один старый, проверенный метод добычи водорода, который заключается в использовании разных щелочных элементов и воды. В принципе, эта методика осуществима в лабораторных условиях при наличии необходимых мер безопасности. Таким образом, в ходе реакции (она протекает при нагревании и с катализаторами) образуется оксид металла и водород. Остается только его собрать.

Получить водород путем взаимодействия воды и угарного газа можно только в промышленных условиях. Образуется углекислый газ и водород, принцип их разделения описан выше.

Carbon monoxide

Возможно ли получить водород в лабораторных или домашних условиях?

Сделать это можно, однако лучше не стоит. Причиной тому является взрывоопасность водорода. Кроме того, все реакции с его выделением являются экзотермическими, то есть сопровождаются интенсивным выделением тепла. В том случае, если вы решили синтезировать водород в домашних условиях и отступать от своих намерений не собираетесь, то делать это надо будет на улице. Если возникнет аварийная ситуация, так меньше будет пострадавших. В лучшем случае вы отделаетесь только ожогами от тепла, которое возникнет в ходе химической реакции.

Для того чтобы добыть водород в домашних условиях, используется несколько реагентов: медный купорос, кухонная соль, алюминий и вода. Сам процесс включает в себя несколько этапов.

1. Необходимо смешать раствор купороса с раствором хлорида натрия, в результате чего получится раствор зеленого цвета.
2. В приготовленный раствор помещаем алюминий.
3. Скопившиеся вокруг алюминия пузырьки – не что иное, как водород. Когда алюминиевая фольга покроется красным налетом, это будет свидетельствовать о том, что медь полностью вытеснена алюминием из раствора.

Опять-таки, если вы решили работать над получением водорода в домашних условиях, то необходимо позаботиться о том, чтобы в результате вашей деятельности не пострадали окружающие. показано, какие интересные и безопасные опыты с водородом можно провести дома.

Задача 785.
Почему в периодической системе элементов водород относят как к I, так и к VII группе?
Решение:
Атом водорода содержит один электрон, его электронная конфигурация имеет вид: 1s 2 . Поэтому атом водорода способен как отдавать, так и присоединять по одному электрону. Таким образом, образом водород проявляет двойственную химическую природу, как окислительную, так и восстановительную способность. В большинстве реакций водород выступает в качестве восстановителя, образуя соединения, в которых степень его окисленности равна +1. в реакциях с активными металлами водород выступает в качестве окислителя, степень окисленности его при этом равна -1. Итак, водород, отдавая электрон, проявляет сходство с металлами I-й группы главной подгруппы периодической системы химических элементов, а, присоединяя электрон, - с неметаллами VII-й группы главной подгруппы. Поэтому водород в периодической системе обычно помещают в главной подгруппе I-й группы и, в тоже время, в скобках, помещают в главной подгруппе VII-й группы.

Задача 786.
Как получают водород в промышленности и в лаборатории? Привести уравнения реакций.
Решение:
а) Получение водорода в промышленности:
1. Получение синтез-газа:

Ni 800 o C
СН 4 + Н 2 О → CO + 3H 2

2. Крекинг углеводородов:

С 2 Н 6 → 2С + 3Н 2

3. Электролиз водного раствора едкого натра или едкого калия. Используют 25% NaOH или 34% КОН. Электроды изготавливают из листового никеля. При этом на катоде выделяется водород, а на аноде – кислород:

Катодный процесс: 2Н 2 О + 2 = Н 2 + 2ОН - ;
Анодный процесс: 4ОН - - 4 = О 2 + 4Н + .

4. Вытеснение водорода из воды различными металлами. Метод основан на том, что активные металлы вытесняют водород из воды, например, натрий и кальций разлагают воду при обычных условиях, магний – при нагревании, цинк – при накаливании с водяным паром, железо – при нагревании около 700 0 С. Чаще всего используют в промышленности для получения водорода так называемый железо-паровой метод:

3Fe + 4H 2 O = Fe 2 O 4 + 4H 2 ;
Fe + H 2 O = FeO + H 2 .

5. Получение водорода из природного газа. В промышленности по этому методу природный газ смешивают с кислородом и водяным паром при нагревании данной смеси до 800-900 0 С в присутствии катализатора (пароводяная и кислородная конверсия):

2CH 4 + O 2 + 2H 2 O = 2CO 2 + 6H 2 .

6. Метод выделения водорода из коксового газа или из газов переработки нефти. Метод основан на глубоко охлаждении газовой смеси, при котором все газы кроме водорода сжижаются – водород остаётся в газовой фазе, которую под давлением собирают в баллоны.

7. Метод получения водорода при получении сажи из природного газа:

CH 4 → C + 2H 2

8. Метод получения водорода при пропускании паров воды над раскалённым углем при температуре 10000 С (водяной газ, содержащий до 86% угарного газа и водорода):

C + H 2 O = CO + H 2

б) Получение водорода в лабораторных условиях:

1. Метод растворения цинка в холодной соляной кислоте или в разбавленной серной кислоте:

Zn + 2HCl = ZnCl 2 + H 2 ;
Zn + H 2 SO 4 = ZnSO 4 + H 2 .

2. Растворение алюминия с сильными щелочами:

2Al + 2NaOH + 10H 2 O = 2Na + 3H 2

3. Электролиз раствора КОН (электроды из листового никеля):

Катодный процесс: 2Н 2 О + 2 = Н 2 + 2ОН - ;
Анодный процесс: 4ОН - - 4 = О 2 + 4Н + .

4. Действие порошком алюминия на кипящую воду в присутствии нескольких капель разбавленного перманганата калия:

t 0
2Al + 3H 2 O → Al 2 O 3 + 3H 2 .

5. В полевых условиях водород получают из смеси (порошок ферросилиция с сухим Са(ОН) 2 и NaOH). При поджигании данной смеси сначала она начинает тлеть, а затем наблюдается выделение водорода:

Si + Ca(OH) 2 + NaOH = Na 2 SiO 3 + CaO + 2H 2

Смесь называется гидрогенит.

Задача 787.
Можно ли для электролитического получения водорода использовать в качестве электролита водные растворы H 2 SO 4 , K 2 ,SO 4 KCl, CuSO 4 , NaOH? Ответ обосновать.
Решение:
Электродные потенциалы калия, натрия и меди соответственно равны -2,92 В, -2,714 В и +0,337 В, а водородного электрода в кислой в щелочной и в нейтральной средах соответственно равен 0,00 В, -0,83 В и -0,41 В. При этом на катоде происходит электрохимическое выделение водорода в зависимости от условий среды:
Катодный процесс:
В кислой среде: 2H + + 2 = Н 2 ;
В щелочной или нейтральной среде: 2Н 2 О + 2 2 = H 2 + 2ОН - .
Следовательно, при электролизе H 2 SO 4 будет разряжаться ионы водорода и выделяться газообразный водород.

При электролизе K 2 SO 4 и KCl происходит электрохимическое восстановление воды, результатом которого будет выделение водорода и гидроксид-ионов, потому что электродный потенциал калия (-2,92 В) значительно электроотрицательнее, чем потенциалы -0,41В и -0,83 В.

При электролизе раствора CuSO4 будет происходить разряд ионов меди и, при этом на катоде выделится металлическая медь, потому что электродный потенциал меди значительно положительнее, чем потенциал водородного электрода.

При электролизе NaOH происходит электрохимическое восстановление воды, результатом которого будет выделение водорода и гидроксид-ионов, потому что электродный потенциал натрия (-2,714 В) значительно электроотрицательнее, чем потенциалы -0,41В и -0,83В.

Таким образом, для электрохимического получения водорода можно использовать растворы H 2 SO 4 , K 2 SO 4 KCl и NaOH.

Задача 788.
Железо-паровой метод получения водорода основан на обратимой реакции 3Fe + 4H 2 O = Fe 3 O 4 + 4H 2 . В каких условиях следует осуществлять этот процесс, чтобы реакция протекала до практически полного окисления железа?
Решение:
Уравнение реакции имеет вид:

3Fe + 4H 2 O = Fe 3 O 4 + 4H 2

Из уравнения реакции следует, что из четырёх молекул парообразной воды образуется четыре молекулы газообразного водорода, т.е. реакция протекает без изменения числа молей газообразных веществ, поэтому равновесие системы не нарушается при изменении давления. В данном случае при удалении продукта реакции водорода из реакционной зоны равновесие системы согласно принципу Ле Шателье сместится вправо, в сторону увеличения образования водорода. Но лучше всего выводить из реакционной системы твёрдый продукт Fe 3 O 4 , что будет способствовать смещению равновесия вправо, если железную окалину направлять на регенерацию, допустим посредством накаливания окалины в струе паровоздушной смеси и, затем, возвратить образуемое металлическое железо в реакционную зону. Избыток металлического железа будет способствовать ускорению реакции и, следовательно, увеличению продукта реакции. Таким образом, отведение водорода и регенерация железа способствуют протеканию реакции до практически полного окисления металлического железа.

Электролизом воды называется физико-химический процесс, при котором под действием постоянного электрического тока вода разлагается на кислород и водород. Постоянное напряжение для ячейки получается, как правило, выпрямлением трехфазного переменного тока. В электролитической ячейке дистиллированная вода подвергается электролизу, при этом химическая реакция идет по следующей известной схеме: 2Н2O + энергия -> 2H2+O2.

В результате разделения на части молекул воды, водорода по объему получается вдвое больше чем кислорода. Перед использованием газы в установке обезвоживаются и охлаждаются. Выходные трубопроводы установки всегда защищены возвратными клапанами для предотвращения возгораний.

Непосредственно каркас конструкции изготавливается из стальных труб и толстых листов стали, что придает всей конструкции высокую жесткость и механическую прочность. Газовые резервуары обязательно тестируются под давлением.

Электронный блок устройства контролирует все стадии процесса производства, и позволяет оператору следить за параметрами на панели и на манометрах, чем обеспечивает безопасность. Эффективность электролиза такова, что из 500 мл воды получается около кубометра обоих газов с затратами около 4 квт/ч электрической энергии.

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.

Поэтому электролизные установки и получаемый на них водород, находят сегодня применение во многих отраслях: в химическом синтезе, в термической обработке металлов, в производстве растительных масел, в стекольной промышленности, в электронике, в системах охлаждения в энергетике и т. д.

Установка для электролиза устроена следующим образом. Снаружи расположена панель управления генератором водорода. Далее установлены выпрямитель, трансформатор, распределительное устройство, система деминерализованной воды и блок для ее пополнения.

В электролитической ячейке на стороне катодной пластины получается водород, а на стороне анодной - кислород. Здесь газы покидают ячейку. Они разделяются и подаются в сепаратор, затем охлаждаются деминерализованной водой, после чего отделяются под действием гравитации от жидкой фазы. Водород направляется в промыватель, где из газа удаляются капли щелока и происходит охлаждение в змеевике.

Наконец, водород проходит фильтрацию (фильтр на верху сепаратора), где капельки воды полностью устраняются, и поступает в сушильную камеру. Кислород обычно направляется в атмосферу. Деминерализованная вода подается в промыватель насосом.

Щелок используют здесь для повышения электропроводности воды. Если эксплуатация электролизера идет штатно, то щелок пополняют единожды в год в небольшом количестве. Твердое едкое кали кладется в резервуар для щелока, заполненный на две трети деминерализованной водой, после чего насос перемешивает его в раствор.

Система водяного охлаждения электролизера служит двум целям: охлаждает щелок до 80-90°C и охлаждает полученные газы до 40°C.

Система анализа газа принимает пробы водорода. Капли щелока в сепараторе отделяются, газ подается к анализатору, давление понижается, проверяется содержание в водороде кислорода. Прежде чем водород будет направлен в резервуар, во влагомере будет измерена точка росы. Сигнал будет подан оператору или на ПК, чтобы решить, подходит ли полученный водород для направления в накопительный резервуар, соответствует ли газ условиям приема.

Рабочее давление установки регулируется при помощи системы автоматического контроля. Датчик получает информацию о давлении внутри электролизера, затем данные направляются на ПК, где сравниваются с заданными параметрами. Далее результат преобразуется в сигнал порядка 10 мА, и рабочее давление удерживается на заданном уровне.

Рабочая температура установки регулируется пневматическим мембранным клапаном. Компьютер аналогичным образом сравнит температуру с заданной, и разница будет преобразована в соответствующий сигнал для .

Безопасность работы электролизера обеспечивается системой блокировки и сигнализации. В случае утечки водорода, обнаружение происходит автоматически детекторами. Программа при этом сразу отключает генерацию и запускает вентилятор для проветривания помещения. Переносной детектор утечки находится обязательно у оператора. Все эти меры позволяют достичь высокой степени безопасности при эксплуатации электролизеров.

Водород - широко распространенный элемент. Благодаря своей уникальности он может выступать в качестве окислителя и в качестве восстановителя. Существует несколько методов получения водорода .

Промышленный метод получения водорода.

1. Электролиз водных растворов солей (поваренная соль NaCl ).

2. Пропускание паров поды над раскаленным коксом (Т = 1000 °С):

H 2 O + C = H 2 + CO ,

Реакция обратима!

Смесь (Н 2 , СО и Н 2 О ) называется водяным газом.

А на 2-ой стадии водяной газ пропускают над оксидом железа (III) при температуре около 450°С:

СО + Н 2 О = СО 2 + Н 2 ,

Часто эту реакцию называют реакцией сдвига.

3. Получение из природного газа. Основа - конверсия метана (основной компонент природного газа, СН 4 ) с водяным паром. В итоге получается обратимая смесь, которая называется синтез-газом. Условия протекания процесса: никелевый катализатор и 1000°С:

СН 4 + Н 2 О = СО 2 + 3Н 2 ,

Эту реакцию часто используют для получения водорода для реакции Габера (синтез аммиака).

4. Крекинг нефтяных продуктов.

Лабораторный метод получения водорода.

1. Под воздействием разбавленных кислот на металлы, которые стоят в ряду напряжения левее водорода.

Zn + HCl = ZnCl 2 + H 2 ,

2. Электролиз растворов кислот, щелочей на катоде выделяется водород.

3. Действие щелочей на цинк или алюминий:

2Al + 2NaOH + 6H 2 O = 2Na + 3H 2

4. Гидролиз гидридов:

NaH + H 2 O = NaOH + H 2 ,

5. Реакция кальция с водой:

Ca + 2H 2 O = Ca(ОН) 2 + H 2 .

Производство водорода – одна из главных образующих цепочек водородной энергетики. Водород в чистом виде, практически не встречается в природе, поэтому он должен извлекаться из других химических веществ различными методами и способами.

Как получить водород: методы

• Паровая конверсия метана и природного газа: водяной пар при высокой температуре (700 – 1000 градусов Цельсия) смешивается с метаном под давлением, в присутствии катализирующего вещества.
• Газификация угля: один из старейших способов получения водорода. Без доступа воздуха, при температуре 800 – 1300 градусов Цельсия нагревают уголь вместе с водяным паром, при этом из воды уголь вытесняет кислород. На выходе получается углекислый газ и водород.
• Электролиз воды.: очень простой способ получения водорода. В емкость наливается раствор соды, в который помещается 2 электрических элемента, один соответствует минусу – катод, другой плюсу – анод. В данный раствор подается электричество, которое разлаживает воду на составляющие – водород выделяется на катоде, а кислород на аноде.
• Пиролиз: разложение воды на водород и кислород без доступа воздуха и при высокой температуре.
• Частичное окисление: сплав металлов алюминия и галлия формируют в специальные брикеты, которые помещают в емкость с водой, в результате химической реакции образуется водород и окись алюминия. Галлий используется в сплаве для предотвращения окисления алюминия.
• Биотехнологии: еще в 20 веке было обнаружено, что если водорослям хламидомонадам не будет хватать кислорода и серы в процессе жизнедеятельности, то они бурно начнут выделять водород.
• Глубинный газ планеты: в недрах земли водород может находится в чистом газообразном виде, но его выработка оттуда не целесообразна.

Как из воды получить водород

Наиболее простым способом получения водорода из воды является электролиз. Электролиз - химический процесс, при котором раствор электролита, под воздействием электрического тока, разделяется на составные части, то есть в нашем случае вода разделяется на водород и кислород. Для этого используется раствор соды в воде и два элемента – катод и анод, на которых и будут выделятся газы. На элементы подается напряжение, на аноде выделяется кислород, а на катоде водород.

Как получить водород в домашних условиях

Реактивы используются довольно простые – купорос (медный), поваренная соль, алюминий и вода. Алюминий можно взять из под пивных банок, но прежде, его нужно обжечь, чтобы избавится от пластиковой пленки, которая мешает реакции.

Потом отдельно готовится раствор купороса, и раствор соли, раствор купороса голубого цвета, смешивается с раствором соли, в итоге получается раствор зеленого цвета. Затем в этот зеленый раствор бросаем кусочек алюминиевой фольги, вокруг него появляются пузырьки – это водород. Также замечаем, что фольга покрылась красным налетом, это алюминий вытеснил медь из раствора. Для того, чтобы собрать водород для личных целей, используйте бутылку с пробкой, в которую заранее вставлена не широкая трубка, через которую и будет выходить газ.

А теперь, внимание! Меры предосторожности. Поскольку водород взрывоопасный газ, опыты с ним нужно проводить на улице, а во-вторых реакция получения водорода проходит с большим выделением тепла, раствор может разбрызгиваться и вас попросту обжечь.

Как получить перекись водорода

• В лаборатории перекись водорода получают с помощью реакции: ВаО 2 + Н 2 SО 4 = BaSO 4 + H 2 O 2 .
• В промышленных масштабах ее получают с помощью электролиза серной кислоты, в процессе которого образуется надсерная кислота, которую, в итоге, разлаживают на серную кислоту и перекись водорода.
• Как получают водород в лаборатории еще: часто водород в лаборатории получают взаимодействием цинка и соляной кислоты: Zn + 2HCl = H 2 + ZnCl 2 .

Надеюсь, с этой статьи вы вынесли ту информацию, которая вам была необходима, и еще раз предупреждаю – будьте осторожны с любыми опытами и экспериментами с водородом!