Дополнительный материал для учителя Аннотация

Дополнительный материал для учителя
по теме «Получение водорода и изучение его свойств»
Аннотация
В предлагаемом дополнительном материале даны расширенные представления по
распространенности в природе, способам получения водорода и других газов,
использованию водорода как топлива, способам хранения водорода.
Распространённость в природе. Водород широко распространён в природе, его
содержание в земной коре (литосфера и гидросфера) составляет по массе 1%, а по числу
атомов 16%. В. входит в состав самого распространённого вещества на Земле — воды
(11,19% В. по массе), в состав соединений, слагающих угли, нефть, природные газы,
глины, а также организмы животных и растений (т. е. в состав белков, нуклеиновых
кислот, жиров, углеводов и др.). В свободном состоянии В. встречается крайне редко, в
небольших количествах он содержится в вулканических и других природных газах.
Ничтожные количества свободного В. (0,0001% по числу атомов) присутствуют в
атмосфере. В околоземном пространстве В. в виде потока протонов образует внутренний
("протонный") радиационный пояс Земли. В космосе В. является самым
распространённым элементом. В виде плазмы он составляет около половины массы
Солнца и большинства звёзд, основную часть газов межзвёздной среды и газовых
туманностей. В виде потока протонов В. входит в состав корпускулярного излучения
Солнца и космических лучей.
Изотопы, атом и молекула. Обыкновенный В. состоит из смеси 2 устойчивых изотопов:
лёгкого В., или протия (1H), и тяжёлого В., или дейтерия (2H, или D). В природных
соединениях В. на 1 атом 2H приходится в среднем 6800 атомов 1H. Искусственно получен
радиоактивный изотоп — сверхтяжёлый В., или тритий (3H, или Т), с мягким βизлучением и периодом полураспада T1/2= 12,262 года. В природе тритий образуется,
например, из атмосферного азота под действием нейтронов космических лучей; в
атмосфере его ничтожно мало (4·10-15% от общего числа атомов В.). Получен крайне
неустойчивый изотоп 4H. Массовые числа изотопов 1H, 2H, 3H и 4H, соответственно 1,2, 3
и 4, указывают на то, что ядро атома протия содержит только 1 протон, дейтерия — 1
протон и 1 нейтрон, трития — 1 протон и 2 нейтрона, 4H — 1 протон и 3 нейтрона.
Большое различие масс изотопов В. обусловливает более заметное различие их
физических и химических свойств, чем в случае изотопов других элементов.
Атом В. имеет наиболее простое строение среди атомов всех других элементов: он
состоит из ядра и одного электрона. Энергия связи электрона с ядром (потенциал
ионизации) составляет 13,595 эв. Нейтральный атом В. может присоединять и второй
электрон, образуя отрицательный ион Н-; при этом энергия связи второго электрона с
нейтральным атомом (сродство к электрону) составляет 0,78 эв. Квантовая механика
позволяет рассчитать все возможные энергетические уровни атома В., а следовательно,
дать полную интерпретацию его атомного спектра. Атом В. используется как модельный в
квантомеханических расчётах энергетических уровней других, более сложных атомов.
Молекула В. H2 состоит из двух атомов, соединённых ковалентной химической связью.
Энергия диссоциации (т. е. распада на атомы) составляет 4,776 эв (1 эв = 1,60210·1019дж). Межатомное расстояние при равновесном положении ядер равно 0,7414·Å. При
высоких температурах молекулярный В. диссоциирует на атомы (степень диссоциации
при 2000°С 0,0013, при 5000°С 0,95). Атомарный В. образуется также в различных
химических реакциях (например, действием Zn на соляную кислоту). Однако
существование В. в атомарном состоянии длится лишь короткое время, атомы
рекомбинируют в молекулы H2.
Физические и химические свойства. В. — легчайшее из всех известных веществ (в 14,4
раза легче воздуха), плотность 0,0899 г/л при 0°С и 1 атм. В. кипит (сжижается) и
плавится (затвердевает) соответственно при —252,6°С и —259,1°С (только гелий имеет
более низкие температуры плавления и кипения). Критическая температура В. очень низка
(—240°С), поэтому его сжижение сопряжено с большими трудностями; критическое
давление 12,8 кгс/см2 (12,8 атм), критическая плотность 0,0312 г/см3. Из всех газов В.
обладает наибольшей теплопроводностью, равной при 0°С и 1 атм 0,174 вт/(м·К), т. е.
4,16·0-4кал/(с·см·°С). Удельная теплоёмкость В. при 0°С и 1 атм Ср 14,208·103дж/(кг·К),
т. е. 3,394 кал/(г·°С). В. мало растворим в воде (0,0182 мл/г при 20°С и 1 атм), но хорошо
— во многих металлах (Ni, Pt, Pd и др.), особенно в палладии (850 объёмов на 1 объём Pd).
С растворимостью В. в металлах связана его способность диффундировать через них;
диффузия через углеродистый сплав (например, сталь) иногда сопровождается
разрушением сплава вследствие взаимодействия В. с углеродом (так называемая
декарбонизация). Жидкий В. очень лёгок (плотность при —253°С 0,0708 г/см3) и текуч.
В большинстве соединений В. проявляет валентность (точнее, степень окисления) +1,
подобно натрию и другим щелочным металлам; обычно он и рассматривается как аналог
этих металлов, возглавляющий I гр. системы Менделеева. В гидридах металлов ион В.
заряжен отрицательно (степень окисления —1), т. е. гидрид Na+H- построен подобно
хлориду Na+Cl-. Этот и некоторые другие факты (близость физических свойств В. и
галогенов, способность галогенов замещать В. в органических соединениях) дают
основание относить В. также и к VII группе периодической системы. При обычных
условиях молекулярный В. сравнительно мало активен, непосредственно соединяясь лишь
с наиболее активными из неметаллов (с фтором, а на свету и с хлором). Однако при
нагревании он вступает в реакции со многими элементами. Атомарный В. обладает
повышенной химической активностью по сравнению с молекулярным. С кислородом В.
образует воду: H2 + 1/2O2 = H2O с выделением 285,937·103 дж/моль, т. е. 68,3174
ккал/моль тепла (при 25°С и 1 атм). При обычных температурах реакция протекает крайне
медленно, выше 550°С — со взрывом. Пределы взрывоопасности водородо-кислородной
смеси составляют (по объёму) от 4 до 94% H2, а водородо-воздушной смеси — от 4 до
74% H2 (смесь 2 объёмов H2 и 1 объёма О2 называется гремучим газом). В. используется
для восстановления многих металлов, так как отнимает кислород у их оксидов:
CuO +Н2 = Cu + H2O,
Fe3O4 + 4H2 = 3Fe + 4H2O, и т.д.
С галогенами В. образует галогеноводороды, например:
H2 + Cl2 = 2HCl.
При этом с фтором В. взрывается (даже в темноте и при —252°С), с хлором и бромом
реагирует лишь при освещении или нагревании, а с иодом только при нагревании. С
азотом В. взаимодействует с образованием аммиака: 3H2 + N2 = 2NH3 лишь на
катализаторе и при повышенных температурах и давлениях. При нагревании В. энергично
реагирует с серой: H2 + S = H2S (сероводород), значительно труднее с селеном и теллуром.
С чистым углеродом В. может реагировать без катализатора только при высоких
температурах: 2H2 + С (аморфный) = CH4 (метан). В. непосредственно реагирует с
некоторыми металлами (щелочными, щёлочноземельными и др.), образуя гидриды:
H2 + 2Li = 2LiH. Важное практическое значение имеют реакции В. с оксидом углерода (II),
при которых образуются в зависимости от температуры, давления и катализатора
различные органические соединения, например HCHO, CH3OH и др. Ненасыщенные
углеводороды реагируют с В., переходя в насыщенные, например: CnH2n + H2 = CnH2n+2 .
Роль В. и его соединений в химии исключительно велика. В. обусловливает кислотные
свойства так называемых протонных кислот. В. склонен образовывать с некоторыми
элементами так называемую водородную связь, оказывающую определяющее влияние на
свойства многих органических и неорганических соединений.
Получение. Основные виды сырья для промышленного получения В. — газы
природные горючие, коксовый газ и газы нефтепереработки, а также продукты
газификации твёрдых и жидких топлив (главным образом угля). В. получают также из
воды электролизом (в местах с дешёвой электроэнергией). Важнейшими способами
производства В. из природного газа являются каталитическое взаимодействие
углеводородов, главным образом метана, с водяным паром (конверсия): CH4 + H2O = CO +
3H2, и неполное окисление углеводородов кислородом: CH4 + 1/2O2 = CO + 2H2.
Образующаяся окись углерода также подвергается конверсии: CO + H2O = CO2 + H2. В.,
добываемый из природного газа, самый дешёвый. Очень распространён способ
производства В. из водяного и паровоздушного газов, получаемых газификацией угля.
Процесс основан на конверсии окcида углерода (II). Водяной газ содержит до 50% H2 и
40% CO; в паровоздушном газе, кроме H2 и CO, имеется значительное количество N2,
который используется вместе с получаемым В. для синтеза NH3. Из коксового газа и газов
нефтепереработки В. выделяют путём удаления остальных компонентов газовой смеси,
сжижаемых более легко, чем В., при глубоком охлаждении. Электролиз воды ведут
постоянным током, пропуская его через раствор KOH или NaOH (кислоты не
используются во избежание коррозии стальной аппаратуры). В лабораториях В.
получают электролизом воды, а также по реакции между цинком и соляной кислотой.
Эксперимент по получению водорода из воды с помощью солнечной энергии
(Университет Нового Южного Уэльса, Австралия). В этой технологии солнечный свет
сначала преобразуется в электричество, которое уже разлагает воду на кислород и
водород в присутствии катализатора (диоксида титана)
Мир ищет новые возобновляемые источники энергии, способные заменить нефть и газ. В
качестве одного из вариантов специалисты рассматривают водород (Н2). Теоретически его
можно получать фотосинтетическим путём (рис 6). Для этого нужны вода, солнечный свет
и зелёные водоросли или цианобактерии. А ещё необходимо доказать, что
фотобиологический метод синтеза водорода достаточно эффективен, и разработать
технологию его промышленного получения. Важный шаг в этом направлении сделали
специалисты Упсальского университета (Швеция) и кафедры биофизики биологического
факультета МГУ им. М.В. Ломоносова. Результаты их исследования вселяют надежду, что
получение водорода с помощью зелёных водорослей может быть эффективным, несмотря
на скептическое отношение к этой теме многих учёных, которые ранее безуспешно
пытались добиться похожих выводов.
Водород – наиболее перспективное, экологически чистое топливо, поскольку
единственным продуктом горения данного газа служит вода. Водород, выделяемый
фотосинтетическими микроорганизмами, – хорошая альтернатива химическим
технологиям. Зелёные микроводоросли могут производить Н2, используя неисчерпаемые
ресурсы – воду и солнечную энергию. Но, к сожалению, до сих пор не решена проблема
его дешёвого производства в достаточных количествах, хранения и транспортировки.
Применение. В промышленном масштабе В. стали получать в конце 18 в. для наполнения
воздушных шаров. В настоящее время В. широко применяют в химической
промышленности, главным образом для производства аммиака. Крупным потребителем В.
является также производство метилового и других спиртов, синтетического бензина
(синтина) и других продуктов, получаемых синтезом из В. и окcида углерода (II). В.
применяют для гидрогенизации твёрдого и тяжёлого жидкого топлив, жиров и др., для
синтеза HCl, для гидроочистки нефтепродуктов, в сварке и резке металлов кислородоводородным пламенем (температура до 2800°С) и в атомно-водородной сварке (до
4000°С). Очень важное применение в атомной энергетике нашли изотопы В. — дейтерий
и тритий.
В 1979 году компания BMW выпустила первый автомобиль, вполне успешно ездивший на
водороде, при этом не взрывавшийся и выпускавший из выхлопной трубы водяной пар. В
эпоху усиливающейся борьбы с вредными выхлопами машина была воспринята как вызов
консервативному автомобильному рынку. Вслед за BMW в экологическую сторону
потянулись и другие производители. К концу века каждая уважающая себя автокомпания
имела в запаснике хотя бы один концепт-кар, работающий на водородном топливе.
Баварские автомобилестроители в рамках программы CleanEnergy («чистая энергия»)
приспособили под езду на Н2 несколько «семерок» и MINI Cooper.
Оборудованная 4-литровым двигателем водородная «семерка» развивает мощность в 184
лошадиные силы и проходит на одной заправке (170 литров жидкого водорода «под
завязку») 300 км.
Но большинство производителей пошли по пути создания электромобилей на топливных
элементах. Кроме экологической безопасности у них есть масса других преимуществ.
Например, гораздо более высокий (до нескольких раз) КПД двигателя или бесшумность.
А больше всех новым топливом заинтересовались японцы. И это понятно. Эта страна,
практически лишенная хоть каких-нибудь природных запасов нефти и газа, обладает
неограниченными объемами сырья для водорода (в виде океанской воды) и поистине
завидной сообразительностью населения. А поэтому здесь водородные аналоги есть
практически у любого вида техники — от работающего на топливных элементах
локомотива до человекоподобного робота SpeecysFC. К тому же японцы ведут разработки
топливных элементов для ноутбуков и мобильных телефонов. Вопрос? Так как же хранят
водород?
Водородное топливо хранят тремя способами: в сжатом виде, в сжиженном и в
металлогидридах. Самое простое — закачать водород в бак мощным с помощью
компрессора. В баках той же Mazda водородное топливо содержится под давлением 350
атмосфер. Но способ этот, будучи самым дешевым, и самый небезопасный. При таком
высоком давлении любая неточность в системе грозит протечкой газа. А где протечка, там
пожар, а то и взрыв.
Более надежный и практичный способ — держать водород в жидком виде. Но для этого
его нужно охладить до –253 градусов Цельсия. В BMW топливо хранится именно в таком
виде: поэтому почти половину топливной системы занимает мощнейшая теплоизоляция.
И все равно, стоит оставить машину на стоянке, скажем, на недельку, и она встретит
вернувшегося хозяина с пустыми баками. Никакая изоляция не может полностью
защитить систему от нагрева. В результате водород начинает испаряться, давление в баке
растет, и газ просто стравливается в атмосферу через предохранительный клапан. По
техническим условиям полная заправка испаряется всего за три дня…
Самый перспективный способ — хранение в металлогидридных композициях. Водород,
оказывается, очень хорошо растворяется металлами, как вода впитывается губкой.
Причем он поглощается в огромных объемах, значительно превосходящих объемы
«губки». Такие «напитанные» водородом металлы называются металлогидридами. При
охлаждении они вбирают водород, при нагревании — активно его отдают.
Представьте себе такой опыт. В приборе для электролиза воды катод изготовлен в виде
пластинки. Вы включаете ток, и... пластинка сама собой начинает изгибаться! Секрет
этого фокуса заключается в том, что пластинка изготовлена из палладия и с одной
стороны покрыта слоем лака. При электролизе на не лакированной стороне пластинки
выделяется водород и тотчас же растворяется в металле; а так как при этом объем
палладия увеличивается, то возникает усилие, изгибающее пластинку. Это явление,
называется окклюзией.
Методы собирания газов
При собирании газов необходимо учитывать четыре их свойства:
1. Молярную массу газа (легче или тяжелее получаемый газ воздуха). Определяется по
соотношению молярной массы газа и молярной массы воздуха (М (воздуха) = 29 г/моль).
2. Растворимость газа в воде
3. Наличие или отсутствие у него способности реагировать с кислородом воздуха.
4. Ядовит газ или нет.
Существуют несколько способов собирания газов: вытеснением воздуха; вытеснением
воды; собирание ядовитых газов с дальнейшим поглощением избытка другим веществом.