Отримання
водню.
У обмеженому
масштабі застосовують спосіб взаємодії водяної пари з фосфором і
термічного розкладу вуглеводнів:
СН4
(1000 ° С) = С + 2 Н2 (виділяється у вигляді газу).
У деяких
випадках водень отримують в результаті каталітичного розщеплення метанолу з
водяною парою
СН3ОН
+ Н2О (250 ° С) = СО2 + 3 Н2,
або в
результаті каталітичного термічного розкладання аміаку
2 NH3
(950 ° С) -> N2 + 3 H2.
Однак ці
вихідні з'єднання одержують у великих масштабах з водню; тим часом
отримання з них водню є особливо простим і може бути використане в
таких виробництвах, які споживають його в порівняно малих кількостях
(менше 500 м3/добу).
Найважливіші
методи отримання водню.
1. Розчинення
цинку в розведеної соляній кислоті
Zn + 2 HCl = ZnCl2 + H2
Цей спосіб
найчастіше застосовують у лабораторіях.
Замість соляної
кислоти можна також використовувати розбавлену сірчану кислоту, а проте якщо
концентрація останньої занадто висока, то виділяється газ легко забруднюється
SO2 і H2S. При використанні не цілком чистого цинку
утворюються ще й інші сполуки, що забруднюють водень, наприклад AsH3
і PH3. Їх присутність і зумовлює неприємний запах одержуваного
цим способом водню.
Для очищення
водень пропускають через підкислений розчин перманганату або біхромату калію,
а потім через розчин їдкого калі, а також через концентровану сірчану
кислоту або через шар силікагелю для звільнення від вологи.
рідини, захоплені воднем при його отриманні і ув'язнені в бульбашках
газу, найкраще усувати за допомогою фільтру з щільно спресованої звичайної
або скляної вати.
Якщо доводиться
користуватися чистим цинком, то до кислоти необхідно додати дві краплі
платінохлорістоводородной кислоти або сірчанокислої міді, інакше цинк не вступає
в реакцію.
2. Розчинення
алюмінію або кремнію в їдкого лугу
2 Al + 2 NaOH + 6 H2O = 2 Na [Al (OH) 4]
+ 3 H2
Si + 2 KOH + H2O = Na2SiO3
+ 2 H2
Ці реакції
застосовували раніше для отримання водню в польових умовах (для наповнення
аеростатів). Для одержання 1 м3 водню (при 0 ° С і 760 мм рт. Ст.)
потрібно тільки 0,81 кг алюмінію або 0,63 кг кремнію в порівнянні з 2,9 кг
цинку або 2,5 кг заліза.
Замість кремнію
також застосовують ферросилиций (кремнієвий метод). Суміш феросиліцію і розчину
їдкого натру, введена у вжиток незадовго до першої світової війни у
французької армії під назвою гідрогеніта, має властивість після
підпалювання тліти з енергійним виділенням водню по наступній реакції:
Si + Ca (OH) 2 + 2 NaOH = Na2SiO3
+ CaO + 2 H2.
3. Дія
натрію на воду
2 Na + 2 H2O = 2 NaOH + H2
З огляду на те, що
чистий натрій реагує в цьому випадку дуже енергійно, його частіше вводять в
реакцію у вигляді амальгами натрію; цей спосіб застосовують переважно для
одержання водню, коли їм користуються для відновлення "in statu
nascendi ". Аналогічно натрію з водою реагують і інші лужні і
лужноземельні метали.
4. Дія
гідридах кальцію на воду
СaН2 +
2 H2O = Сa (OH) 2 + 2 H2
Цей метод
є зручним способом одержання водню в польових умовах. Для отримання
1 м3 водню теоретично необхідно 0,94 кг СаН2 і,
крім води, не потрібно ніяких інших реактівов.5. Пропущення водяної пари
над розпеченим до червоного залізом
4 Н2О
+ 3 Fe = Fe3O4 + 4 H2
За допомогою цієї
реакції в 1783 р. Лавуазьє вперше аналітично довів склад води.
Що утворюється при цій реакції оксид заліза неважко відновити до
металевого заліза, пропускаючи над ним генераторний газ так, що пропускання
водяної пари над одним і тим же залізом можна провести довільне число разів.
Цей метод довгий час мав велике промислове значення. У невеликих
масштабах його застосовують і в даний час.
6. Пропущення
водяної пари над коксом.
При температурі
вище 1000 ° С реакція йде головним чином по рівнянню
Н2О
+ С = СО + Н2.
Спочатку
одержують водяний газ, тобто суміш водню і монооксиду вуглецю з домішкою
невеликих кількостей вуглекислого газу та азоту. Від вуглекислого газу легко
звільняються промиванням водою під тиском. Монооксид вуглецю і азот
видаляють за допомогою процесу Франка-Каро-Лінде, тобто скраплення цих домішок,
що досягається охолодженням рідким повітрям до -200 ° С. Сліди СО видаляють,
пропускаючи газ над нагрітої натронной вапном
СО + NaOH =
HCOONa - Форміат натрію.
Цей метод дає
дуже чистий водень, який використовують, наприклад, для гідрогенізації жирів.
Частіше, однак,
водяний газ в суміші з парами води при температурі 400 ° С пропускають над
відповідними каталізаторами, наприклад над оксидом заліза або кобальту
(контактний спосіб отримання водяного газу). У цьому випадку СО реагує з водою
по рівнянню
СО + Н2Опар
= СО2 + Н2 ( "конверсія СО ").
що утворюється
при цьому СО2 поглинається водою (під тиском). Залишок монооксиду вуглецю
(~ 1 об.%) Вимивають аміачним розчином однохлорістой міді. Діючий цьому
способі водяний газ отримують пропусканням водяної пари над розпеченим коксом.
Останнім часом все більше використовують взаємодію водяної пари з
пилоподібний вугіллям (перетворення вугільного пилу в гази). Отриманий таким способом
водяний газ зазвичай містить велику кількість водню. Виділяється з водяного
газу водень (що містить азот) застосовують головним чином для синтезу аміаку та
гідрування вугілля.
7. Фракційне
зріджені коксового газу.
Подібно
отриманню з водяного газу, водень можна отримувати фракційним скраплення
коксового газу, основною складовою частиною якого є водень.
Спочатку
коксовий газ, з якого заздалегідь видаляють сірку, очищають від СО2
промиванням водою під тиском з наступною обробкою розчином їдкого
натру. Потім поступово звільняють від інших домішок ступінчастою
конденсацією, що проводиться до тих пір, поки не залишається тільки водень; від інших
домішок його очищають промиванням сильно охолодженим рідким азотом. Цей метод
застосовують головним чином, щоб отримати водень для синтезу аміаку.
8.
Взаємодія метану з водяною парою (розкладання метану).
Метан
взаємодіє з водяною парою в присутності відповідних каталізаторів при
нагріванні (1100 ° С) по рівнянню
СН4
+ Н2Опар + 204 кДж (при постійному тиску).
Необхідна для
реакції тепло слід підводити або ззовні, або застосовуючи "внутрішнє
згоряння ", тобто підмішуючи повітря кисень таким чином, щоб частина
метану згоряла до діоксиду вуглецю
СН4
+ 2 О2 = СО2 + 2 Н2Опар + 802 кДж (при
постійному тиску).
При цьому
співвідношення компонентів вибирають з таким розрахунком, щоб реакція в цілому була
екзотермічной
12 СН4
+ 5 Н2Опар + 5 О2 = 29 Н2 + 9 СО + 3 СО2 +
85,3 кДж.
З монооксиду
вуглецю за допомогою "конверсії СО" також отримують водень. Видалення
діоксиду вуглецю виробляють вимиванням водою під тиском. Одержуваний методом
розкладу метану водень використовують головним чином при синтезі аміаку і
гідруванні вугілля.
9.
Взаємодія водяної пари з фосфором (фіолетовим).
2 Р + 8 Н2О
= 2 Н3РО4 + 5 Н2
Звичайно процес
проводять таким чином: пари фосфору, що виходять при відновленні фосфату
кальцію в електричній печі, пропускають разом з водяною парою над каталізатором
при 400-600 ° С (з підвищенням температури рівновага даної реакції зміщується
ліворуч). Взаємодія утворилася спочатку Н3РО4 з
фосфором з утворенням Н3РО3 і РН3
запобігають швидким охолодженням продуктів реакції (гарт). Цей метод
застосовують перш за все, якщо водень йде для синтезу аміаку, який потім
переробляють на важливе, що не містить домішок добриво - амофос (суміш
гідро-і дигідрофосфату амонію).
10.
Електролітичне розкладання води.
2 H2O
= 2 H2 + O2
Чиста вода
практично не проводить струму, тому до неї додаються електроліти (зазвичай
КОН). При електролізі водень виділяється на катоді. На аноді виділяється
еквівалентну кількість кисню, який, отже, у цьому методі
є побічним продуктом.
що виходить
при електролізі водень дуже чистий, якщо не вважати домішки невеликих кількостей
кисню, який легко видалити пропусканням газу над відповідними
каталізаторами, наприклад над злегка нагрітим палладірованним азбестом. Тому
його використовують як для гідрогенізації жирів, так і для інших процесів
каталітичного гідрування. Водень, який одержують цим методом досить дорогий.
Застосування водню.
В даний
час водень отримують у величезних кількостях. Дуже велику частину його
використовують при синтезі аміаку, гідрогенізації жирів і при гідруванні вугілля,
мастил і вуглеводнів. Крім того, водень застосовують для синтезу соляної
кислоти, метилового спирту, синильної кислоти, при зварюванні і куванні металів, а
також при виготовленні ламп розжарювання і дорогоцінного каміння. У продаж водень
надходить у балонах під тиском понад 150 атм. Вони пофарбовані в темно-зелений
колір і забезпечуються червоним написом "Водень".
Водень
використовується для перетворення рідких жирів у тверді (гідрогенізації),
виробництва рідкого палива гідрогенізації вугілля і мазуту. У металургії
водень використовують як відновник оксидів або хлоридів для отримання
металів і неметалів (германію, кремнію, галію, цирконію, гафнію, молібдену,
вольфраму та ін.)
Практичне
застосування водню різноманітне: їм зазвичай заповнюють кулі-зонди, в хімічній
(аміаку та ін), в харчовій - для вироблення з рослинних олій твердих жирів
і т. д. Висока температура (до 2600 ° С), що виходять при горінні водню в
кисні, використовується для плавлення тугоплавких металів, кварцу і т. п.
Рідкий водень є одним з найбільш ефективних реактивних палив.
Щорічне світове споживання водню перевищує 1 млн. т.
Знаходження
водню в природі.
Водень
є одним з найбільш поширених елементів - його частка становить
0,88% від маси всіх трьох оболонок земної кори (атмосфери, гідросфери та
літосфери), що при перерахунку на атомні відсотки дає цифру 15,5.
Основне
кількість цього елемента перебуває у зв'язаному стані. Так, вода містить
його близько 11 вагу. %, Глина - близько 1,5% і т. д. У вигляді сполук з вуглецем
водень входить до складу нафти, горючих природних газів і всіх організмів.
Вільний
водень складається з молекул Н2. Він часто міститься у вулканічних
газах. Частково він утворюється також при розкладанні деяких органічних
залишків. Невеликі його кількості виділяються зеленими рослинами. Атмосфера
містить близько 10-5 об'ємно. % Водню.
У природі
водень утворюється головним чином при розкладанні органічних речовин,
наприклад целюлози або білків, деякими видами бактерій. Великі його
кількості звільняються при коксуванні вугілля; тому світильний і коксовий
гази в середньому перебувають на 50 об'ємні. % З вільного водню. Останнім
час коксовий газ стали технічно переробляти на водень, сжіжая його і
виділяючи водень як важко конденсується газ.
Список
літератури
Для підготовки
даної роботи були використані матеріали з сайту http://schoolchemistry.by.ru/
