Проста речовина

Добування.Сировинна база для добування водню практично невичерпна, тому обсяги його одержання зумовлюються лише попитом та енергетичними можливостями. Розроблено кілька різних способів його добування у промисловості, причому відповідно до потреб використовують найдоцільніші і найдешевші з них. Переважна більшість способів добування водню ґрунтується на принципі його відновлення з хімічних сполук.

Залізопаровий спосіб був розроблений у 1783 р. французьким хіміком А. Лавуазьє й історично є першим способом добування водню. Він полягає у відновленні водню з водяної пари залізом за високої температури:

4H₂O + 3Fe Fe₃O₄ + 4H₂

Відновлення води вуглецем. За температури понад 1000 °С водяна пара взаємодіє з розжареним коксом з утворенням водяного газу, який єсумішшю водню з оксидом вуглецю(ІІ):

Н₂О + С = СО + Н₂.

Водень відокремлюють від домішок (СО₂, N₂, СО) охолодженням одержаної газової суміші скрапленим повітрям за температури -200 °С. При цьому водень залишається у газоподібному стані, оскільки має значно нижчу температуру скраплення, а інші складові газової суміші переходять у рідкий стан.

За цим способом добувають дуже чистий водень, який використовують у харчовій промисловості для гідрогенізації жирів.

Найчастіше водяний газ разом з водяною парою за температури 400 °С пропускають над каталізатором (оксид заліза чи кобальту), внаслідок чого оксид вуглецю(П) взаємодіє з водою і перетворюється на вуглекислий газ (так звана конверсія СО):

СО + Н₂О(пара) = СО₂ + Н₂.

Вуглекислий газ легко відокремлюють від водню пропусканням газової суміші крізь воду під тиском, а залишки СО поглинають аміачним розчином хлориду міді(І).

Скраплення коксового газу. Коксовий газ утворюється під час високотемпературного процесу коксування кам'яного вугілля, яке разом із вуглецем містить значну кількість різноманітних вуглеводнів. За температури коксування відбувається розклад (піроліз) вуглеводнів і утворюється величезна кількість вільного водню. Коксовий газ містить (за об' ємом): 55 % водню, 25 % метану, 2 % етану, 4-6 % оксиду вуглецю(ІІ), 2 % вуглекислого газу і 10-12 % азоту. Слід зазначити, що чим вища температура прожарювання вугілля, тим більше утворюється водню і менше залишається вуглеводнів.

За цим способом одержують величезні об’єми водню і використовують його для синтезу аміаку.

Взаємодія метану з водяною парою. Для синтезу аміаку і гідрування вугілля водень добувають також за реакцією високо- температурної (~1100 °С) взаємодії метану з водяною парою за сталого тиску:

СН₄ + Н₂О(пара) = СО + 3Н₂, DН = 206,2 кДж.

Ця реакція ендотермічна і потребує затрат теплоти. Водень одержують, застосовуючи «внутрішнє згоряння», для чого до суміші газів додають кисень, щоб частина метану згоріла до СО₂:

СН₄ + 2О₂ = СО₂ + 2Н₂О(пара), D = -802,2 кДж.

Врешті-решт співвідношення між компонентами реакційної суміші добирають таким, щоб процес був слабко екзотермічним:

12СН₄ + 5Н₂О(пара) + 5О₂ = 29Н₂ + 9СО + 3СО₂, DН = -67,2 кДж.

Конверсією СО одержують додаткові кількості водню, а СО₂відокремлюють, пропускаючи суміш газів під тиском крізь воду.

Конверсія метану відбувається за температури 800 °С та за наявності нікелевого каталізатора. Конверсія карбон (ІІ) оксиду відбувається за температури 550 °С і наявності каталізатора, що містить активуючі домішки магнію чи хрому.

Електрохімічний розклад води. Вода має дуже низьку електропровідність, тому з метою зменшення енерговитрат у промисловості для проведення електролізу використовують лужні розчини. При цьому на електродах, які виготовляють із заліза або нікелю, відбуваються такі процеси:

Катод: 2Н₂О + 2е = Н₂ + 2ОН^-, Е° = -0,83 В;

Анод: 4 ОН^- = О₂ + 2Н₂О + 4е, Е° = 0,401 В.

Процес електрохімічного розкладу води дуже енергомісткий. Теоретично для добування 1 м³ водню за нормальних умов потрібно затратити близько 2,8 кВт×год електроенергії. Насправді ж її затрати майже вдвічі більші внаслідок перенапруги на електродах та омічного опору електроліту й діафрагми.

Водень, одержаний за цим способом, дуже чистий, тому його застосовують для гідрогенізації жирів, а також в інших процесах каталітичного гідрування. За цим способом у промисловості добувають близько 20 % усієї кількості водню.

Інші способи добування водню з води мають лабораторне значення, оскільки їх використовують за умов, коли потрібні невеликі його об' єми.

Взаємодія деяких металів з розчинами кислот. Ці реакції найпростіші для лабораторного добування водню, їх використовував ще Г. Кавендіш. Прикладом є взаємодія цинку з розчином хлоридної кислоти:

Zn + 2НС1 = ZnС1₂ + Н₂.

Водень за цим способомдобувають в апараті Кіппа у середню кулю якого завантажують гранульований цинк. Для очищення водень пропускають крізь підкислений розчин KMnO₄ або K₂Cr₂O₇, а для висушування – крізь концентровану H₂SO₄.

Взаємодія гідриду кальцію з водою належить до окисно-відновних реакцій диспропорціонування, оскільки відновником катіона Гідрогену виступає негативно заряджений гідрид-іон Н^‑:

-1 +1 О

СаН₂ + 2Н₂О = Са(ОН)₂ + 2Н₂.

Для добування 1 м³ водню за цією реакцією потрібно всього 0,94 кг гідриду кальцію СаН₂.

Ще менше, всього 0,357 кг гідриду літію під час взаємодії з водою утворюють 1 м³ водню. З цієї причини його застосовують у рятувальних жилетах пілотів морської авіації.

Взаємодією лужних і лужноземельних металів із водою можна подати такими реакціями:

2Nа + 2Н₂О ® 2NаОН + Н₂;

Са + 2Н₂О ® Са(ОН)₂ + Н₂.

Взаємодією алюмінію ібо кремнію з їдкими лугами описують такі рівняння:

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

Si + 2NaOH + H₂O ® Na₂SiO₃ + 2H₂.

Для добування 1 м³ водню за цими способами потрібно 0,81 кг алюмінію або 0,63 кг кремнію, тому останній спосіб економніший.

Читайте також:

<== попередня сторінка	\|	наступна сторінка ==>
Поширення в природі	\|	Фізичні властивості

Не знайшли потрібну інформацію? Скористайтесь пошуком google:

Генерація сторінки за: 0.006 сек.