Реферат: Получение водорода

Вограниченном масштабе применяют способ взаимодействия водяного пара с фосфороми термического разложения углеводородов:

СН4(1000 °С) = С + 2 Н2 (выделяется в виде газа).

Внекоторых случаях водород получают в результате каталитического расщепленияметанола с водяным паром

СН3ОН+ Н2О (250 °С) = СО2 + 3 Н2,

илив результате каталитического термического разложения аммиака

2NH3 (950 °С) --> N2 + 3 H2.

Однакоэти исходные соединения получают в больших масштабах из водорода; между темполучение из них водорода является особенно простым и может быть использовано втаких производствах, которые потребляют его в сравнительно малых количествах(менее 500 м3/сутки).

Важнейшие методы получения водорода.

1.Растворение цинка в разбавленной соляной кислоте

Zn + 2 HCl = ZnCl2 + H2

Этотспособ чаще всего применяют в лабораториях.

Вместосоляной кислоты можно также использовать разбавленную серную кислоту; однакоесли концентрация последней слишком высока, то выделяющийся газ легкозагрязняется SO2 и H2S. При использовании не вполнечистого цинка образуются ещё и другие соединения, загрязняющие водород,например AsH3 и PH3. Их присутствие и обусловливаетнеприятный запах получаемого этим способом водорода.

Дляочистки водород пропускают через подкисленный раствор перманганата илибихромата калия, а затем через раствор едкого кали, а также черезконцентрированную серную кислоту или через слой силикагеля для освобождения отвлаги. Мельчайшие капельки жидкости, захваченные водородом при его получении изаключённые в пузырьках газа, лучше всего устранять при помощи фильтра изплотно спрессованной обычной или стеклянной ваты.

Еслиприходится пользоваться чистым цинком, то к кислоте необходимо добавить двекапли платинохлористоводородной кислоты или сернокислой меди, иначе цинк невступает в реакцию.

2.Растворение алюминия или кремния в едкой щёлочи

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

Si + 2 KOH + H2O = Na2SiO3 + 2 H2

Этиреакции применяли раньше для получения водорода в полевых условиях (длянаполнения аэростатов). Для получения 1 м3 водорода (при 0 °С и 760мм рт. ст.) требуется только 0,81 кг алюминия или 0,63 кг кремния по сравнениюс 2,9 кг цинка или 2,5 кг железа.

Вместокремния также применяют ферросилиций (кремниевый метод). Смесь ферросилиция ираствора едкого натра, введённая в употребление незадолго до первой мировойвойны во французской армии под названием гидрогенита, обладает свойством послеподжигания тлеть с энергичным выделением водорода по следующей реакции:

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

3.Действие натрия на воду

2 Na + 2 H2O = 2 NaOH + H2

Ввидутого, что чистый натрий реагирует в этом случае слишком энергично, его чащевводят в реакцию в виде амальгамы натрия; этот способ применяют преимущественнодля получения водорода, когда им пользуются для восстановления «in statunascendi». Аналогично натрию с водой реагируют и остальные щелочные ищелочноземельные металлы.

4.Действие гидрида кальция на воду

СaН2+ 2 H2O = Сa(OH)2 + 2 H2

Этотметод является удобным способом получения водорода в полевых условиях. Дляполучения 1 м3 водорода теоретически необходимо 0,94 кг СаН2и, кроме воды, не требуется никаких других реактивов.5. Пропускание водяногопара над раскалённым докрасна железом

4Н2О + 3 Fe = Fe3O4 + 4 H2

Припомощи этой реакции в 1783 г. Лавуазье впервые аналитически доказал составводы. Образующийся при этой реакции оксид железа нетрудно восстановить дометаллического железа, пропуская над ним генераторный газ так, что пропусканиеводяного пара над одним и тем же железом можно провести произвольное число раз.Этот метод долгое время имел большое промышленное значение. В небольшихмасштабах его применяют и в настоящее время.

6.Пропускание водяного пара над коксом.

Притемпературе выше 1000 °С реакция идёт главным образом по уравнению

Н2О+ С = СО + Н2.

Вначалеполучают водяной газ, т. е. смесь водорода и монооксида углерода с примесьюнебольших количеств углекислого газа и азота. От углекислого газа легкоосвобождаются промыванием водой под давлением. Монооксид углерода и азотудаляют при помощи процесса Франка-Каро-Линде, т. е. сжижением этих примесей,что достигается охлаждением жидким воздухом до -200 °С. Следы СО удаляют,пропуская газ над нагретой натронной известью

СО+ NaOH = HCOONa — формиат натрия.

Этотметод даёт очень чистый водород, который используют, например, длягидрогенизации жиров.

Чаще,однако, водяной газ в смеси с парами воды при температуре 400 °С пропускают надсоответствующими катализаторами, например над оксидом железа или кобальта(контактный способ получения водяного газа). В этом случае СО реагирует с водойпо уравнению

СО+ Н2Опар = СО2 + Н2 («конверсияСО»).

Образующийсяпри этом СО2 поглощается водой (под давлением). Остаток монооксида углерода(~1 об. %) вымывают аммиачным раствором однохлористой меди. Применяемый в этомспособе водяной газ получают пропусканием водяного пара над раскалённым коксом.В последнее время всё больше используют взаимодействие водяного пара спылевидным углём (превращение угольной пыли в газы). Полученный таким способомводяной газ содержит обычно большое количество водорода. Выделяемый из водяногогаза водород (содержащий азот) применяют главным образом для синтеза аммиака игидрирования угля.

7.Фракционное сжиженнее коксового газа.

Подобнополучению из водяного газа, водород можно получать фракционным сжижениемкоксового газа, основной составной частью которого является водород.

Сначалакоксовый газ, из которого предварительно удаляют серу, очищают от СО2промыванием водой под давлением с последующей обработкой раствором едкогонатра. Затем постепенно освобождают от остальных примесей ступенчатойконденсацией, проводимой до тех пор, пока не остаётся только водород; от другихпримесей его очищают промыванием сильно охлаждённым жидким азотом. Этот методприменяют главным образом, чтобы получить водород для синтеза аммиака.

8.Взаимодействие метана с водяным паром (разложение метана).

Метанвзаимодействует с водяным паром в присутствии соответствующих катализаторов принагревании (1100 °С) по уравнению

СН4+ Н2Опар + 204 кДж (при постоянном давлении).

Необходимоедля реакции тепло следует подводить или извне, или применяя «внутреннеесгорание», т. е. подмешивая воздух или кислород таким образом, чтобы частьметана сгорала до диоксида углерода

СН4+ 2 О2 = СО2 + 2 Н2Опар + 802 кДж (припостоянном давлении).

Приэтом соотношение компонентов выбирают с таким расчётом, чтобы реакция в целомбыла экзотермичной

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

Измонооксида углерода посредством «конверсии СО» также получаютводород. Удаление диоксида углерода производят вымыванием водой под давлением.Получаемый методом разложения метана водород используют главным образом присинтезе аммиака и гидрировании угля.

9.Взаимодействие водяного пара с фосфором (фиолетовым).

2Р + 8 Н2О = 2 Н3РО4 + 5 Н2

Обычнопроцесс проводят таким образом: пары фосфора, получающиеся при восстановлениифосфата кальция в электрической печи, пропускают вместе с водяным паром надкатализатором при 400-600 °С (с повышением температуры равновесие даннойреакции смещается влево). Взаимодействие образовавшейся вначале Н3РО4с фосфором с образованием Н3РО3 и РН3предотвращают быстрым охлаждением продуктов реакции (закалка). Этот методприменяют прежде всего, если водород идёт для синтеза аммиака, который затемперерабатывают на важное, не содержащее примесей удобрение — аммофос (смесьгидро- и дигидрофосфата аммония).

10.Электролитическое разложение воды.

2H2O = 2 H2 + O2

Чистаявода практически не проводит тока, поэтому к ней прибавляются электролиты(обычно КОН). При электролизе водород выделяется на катоде. На аноде выделяетсяэквивалентное количество кислорода, который, следовательно, в этом методеявляется побочным продуктом.

Получающийся при электролизе водород оченьчист, если не считать примеси небольших количеств кислорода, который легкоудалить пропусканием газа над подходящими катализаторами, например над слегканагретым палладированным асбестом. Поэтому его используют как для гидрогенизациижиров, так и для других процессов каталитического гидрирования. Водород,получаемый этим методом довольно дорог.

Применениеводорода.

Внастоящее время водород получают в огромных количествах. Очень большую частьего используют при синтезе аммиака, гидрогенизации жиров и при гидрированииугля, масел и углеводородов. Кроме того, водород применяют для синтеза солянойкислоты, метилового спирта, синильной кислоты, при сварке и ковке металлов, атакже при изготовлении ламп накаливания и драгоценных камней. В продажу водородпоступает в баллонах под давлением свыше 150 атм. Они окрашены в тёмно-зелёныйцвет и снабжаются красной надписью «Водород».

Водородиспользуется для превращения жидких жиров в твердые (гидрогенизация),производства жидкого топлива гидрогенизацией углей и мазута. В металлургииводород используют как восстановитель оксидов или хлоридов для полученияметаллов и неметаллов (германия, кремния, галлия, циркония, гафния, молибдена,вольфрама и др.).

Практическое применение водорода многообразно:им обычно заполняют шары-зонды, в химической промышленности он служит сырьёмдля получения многих весьма важных продуктов (аммиака и др.), в пищевой — длявыработки из растительных масел твёрдых жиров и т. д. Высокая температура (до2600 °С), получающаяся при горении водорода в кислороде, используется дляплавления тугоплавких металлов, кварца и т. п. Жидкий водород является одним изнаиболее эффективных реактивных топлив. Ежегодное мировое потребление водородапревышает 1 млн. т.

Нахождение водорода в природе.

Водородявляется одним из наиболее распространённых элементов — его доля составляет0,88% от массы всех трёх оболочек земной коры (атмосферы, гидросферы илитосферы), что при пересчёте на атомные проценты даёт цифру 15,5.

Основноеколичество этого элемента находится в связанном состоянии. Так, вода содержитего около 11 вес. %, глина — около 1,5% и т. д. В виде соединений с углеродомводород входит в состав нефти, горючих природных газов и всех организмов.

Свободныйводород состоит из молекул Н2. Он часто содержится в вулканическихгазах. Частично он образуется также при разложении некоторых органическихостатков. Небольшие его количества выделяются зелёными растениями. Атмосферасодержит около 10-5 объёмн. % водорода.

В природе водород образуется главнымобразом при разложении органических веществ, например целлюлозы или белков,некоторыми видами бактерий. Большие его количества освобождаются при коксованииугля; поэтому светильный и коксовый газы в среднем состоят на 50 объёмн. % изсвободного водорода. В последнее время коксовый газ стали техническиперерабатывать на водород, сжижая его и выделяя водород как трудноконденсирующийся газ.

Список литературы

Дляподготовки данной работы были использованы материалы с сайта schoolchemistry.by.ru/