Всем еще со школы известно, что водород в таблице Менделеева занимает самое первое место и обозначается символом Н. Но, невзирая на эти знания, мало кто слышал о том, что получение водорода из воды можно без проблем выполнить в домашних условиях. Кроме того, стоит заметить тот факт, что на сегодняшний день этот химический элемент активно используется в качестве автомобильного топлива, поскольку он при сгорании не попадает в окружающую среду. Кстати, промышленным путем водород получают при помощи реакции водяного пара с разогретым углеродом (коксом), электролизом раствора хлористого натрия и т.д. Одним словом, существует огромное количество способов, благодаря которым вещество можно получить в лабораторных условиях. Но, а используя ниже описанные методы, можно провести эксперимент по получению водорода дома. Вот только в этом случае не стоит забывать об осторожности при работе с горючими веществами.

Изначально следует позаботиться о наличии под рукой всего необходимого для химического эксперимента. Во-первых, нужно убедиться в том, что пробирка для сбора водорода является полностью целой (даже самая маленькая трещинка может испортить весь процесс). Кроме того, перед проведением опыта с тлеющей лучиной, пробирку для предосторожности рекомендовано обмотать с помощью плотной ткани. После подготовительного процесса можно смело переходить к практике и, взяв в руки колбу, немного наполнить ее водой. Далее в воду помещается кусочек кальция, и емкость сразу же плотно закупоривается при помощи пробки. «Колено» трубки, что изогнуто и проходит через пробку, должно быть в емкости с водой («гидрозатворе»), а кончики трубки – слегка выглядывать из воды. Торчащий конец нужно очень быстро накрыть пробиркой, перевернутой верх дном. В итоге эта пробирка должна будет наполниться водородом (край пробирки держат в воде).

Как только в колбе полностью завершится реакция, пробирку надо сразу же закрыть очень плотной пробкой, которая держится верх дном, что поможет предотвратить улетучивание более легкого водорода. Кстати, лучше всего это проделать, продолжая ее край держать под водой. А вот для того чтобы проверить наличие водорода, необходимо вытащить пробку, а затем к краю пробирки поднести тлеющую лучинку. В итоге должен раздастся специфический хлопок. К месту будет напомнить о том, что кальций по сравнению со щелочными металлами, хоть и менее активный, но тоже опасен, поэтому работать с ним нужно все равно осторожно. Хранить его рекомендовано в емкости из стекла под пленкой из жидкого парафина, или керосина. Извлекать элемент следует непосредственно уже перед самим опытом при помощи длинного пинцета. Также по возможности лучше всего обзавестись резиновыми перчатками!

Также водород из воды в домашних условиях можно получить следующим весьма не сложным методом. Изначально в бутылку из пластика объемом в 1,5 литра набирается вода. После чего в этой воде растворяют едкий калий (примерно 15 грамм) или каустическую соль. Далее бутылку нужно поместить в кастрюлю, в которую предварительно набирают воду. Теперь необходимо взять 40 сантиметровую алюминиевую проволоку и порезать ее на кусочки, длина которых должна ровняться 5 сантиметрам. Порезанная проволока кидается в бутылку, а на ее горловину надевается заранее подготовленный резиновый шарик. Водород, что выделяется в ходе реакции между алюминием и щелочью, будет собираться в резиновом шарике. Поскольку данная реакция осуществляется с активным выделением тепла – нужно непременно соблюдать правила безопасности и действовать осторожно!

И наконец-то, водород из воды получают при помощи обычной поваренной соли. Для этого в стеклянную емкость с узким горлышком засыпают соль в размере пяти больших ложек и хорошо размешивают. После чего берется провод из меди и просовывается в шприц со стороны поршня. Этот участок необходимо хорошо герметизировать при помощи клея. Далее шприц опускают в емкость с соляным раствором и постепенно заполняют его. Медный провод надо подключить к отрицательному выводу аккумулятора 12 Вольт. В итоге реакции электролиза, возле проводка начнет выделяться водород, который вытесняется из шприца соляным раствором. Как только медный провод перестанет контактировать с соленой водой, реакция полностью завершиться. Вот так можно с помощью довольно простых методов самостоятельно получить водород из воды. Кстати, в ходе использования любого из методов необходимо помнить, что водород при смешивании с кислородом становится взрывоопасным!

В ограниченном масштабе применяют способ взаимодействия водяного пара с фосфором и термического разложения углеводородов:

СН 4 (1000 °С) = С + 2 Н 2 (выделяется в виде газа).

В некоторых случаях водород получают в результате каталитического расщепления метанола с водяным паром

СН 3 ОН + Н 2 О (250 °С) = СО 2 + 3 Н 2 ,

или в результате каталитического термического разложения аммиака

2 NH 3 (950 °С) --> N 2 + 3 H 2 .

Однако эти исходные соединения получают в больших масштабах из водорода; между тем получение из них водорода является особенно простым и может быть использовано в таких производствах, которые потребляют его в сравнительно малых количествах (менее 500 м 3 /сутки).

Важнейшие методы получения водорода.

1. Растворение цинка в разбавленной соляной кислоте

Zn + 2 HCl = ZnCl 2 + H 2

Этот способ чаще всего применяют в лабораториях.

Вместо соляной кислоты можно также использовать разбавленную серную кислоту; однако если концентрация последней слишком высока, то выделяющийся газ легко загрязняется SO 2 и H 2 S. При использовании не вполне чистого цинка образуются ещё и другие соединения, загрязняющие водород, например AsH 3 и PH 3 . Их присутствие и обусловливает неприятный запах получаемого этим способом водорода.

Для очистки водород пропускают через подкисленный раствор перманганата или бихромата калия, а затем через раствор едкого кали, а также через концентрированную серную кислоту или через слой силикагеля для освобождения от влаги. Мельчайшие капельки жидкости, захваченные водородом при его получении и заключённые в пузырьках газа, лучше всего устранять при помощи фильтра из плотно спрессованной обычной или стеклянной ваты.

Если приходится пользоваться чистым цинком, то к кислоте необходимо добавить две капли платинохлористоводородной кислоты или сернокислой меди, иначе цинк не вступает в реакцию.

2. Растворение алюминия или кремния в едкой щёлочи

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

Si + 2 KOH + H 2 O = Na 2 SiO 3 + 2 H 2

Эти реакции применяли раньше для получения водорода в полевых условиях (для наполнения аэростатов). Для получения 1 м 3 водорода (при 0 °С и 760 мм рт. ст.) требуется только 0,81 кг алюминия или 0,63 кг кремния по сравнению с 2,9 кг цинка или 2,5 кг железа.

Вместо кремния также применяют ферросилиций (кремниевый метод). Смесь ферросилиция и раствора едкого натра, введённая в употребление незадолго до первой мировой войны во французской армии под названием гидрогенита, обладает свойством после поджигания тлеть с энергичным выделением водорода по следующей реакции:

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

3. Действие натрия на воду

2 Na + 2 H 2 O = 2 NaOH + H 2

Ввиду того, что чистый натрий реагирует в этом случае слишком энергично, его чаще вводят в реакцию в виде амальгамы натрия; этот способ применяют преимущественно для получения водорода, когда им пользуются для восстановления "in statu nascendi". Аналогично натрию с водой реагируют и остальные щелочные и щелочноземельные металлы.

4. Действие гидрида кальция на воду

СaН 2 + 2 H 2 O = Сa(OH) 2 + 2 H 2

Этот метод является удобным способом получения водорода в полевых условиях. Для получения 1 м 3 водорода теоретически необходимо 0,94 кг СаН 2 и, кроме воды, не требуется никаких других реактивов.5. Пропускание водяного пара над раскалённым докрасна железом

4 Н 2 О + 3 Fe = Fe 3 O 4 + 4 H 2

При помощи этой реакции в 1783 г. Лавуазье впервые аналитически доказал состав воды. Образующийся при этой реакции оксид железа нетрудно восстановить до металлического железа, пропуская над ним генераторный газ так, что пропускание водяного пара над одним и тем же железом можно провести произвольное число раз. Этот метод долгое время имел большое промышленное значение. В небольших масштабах его применяют и в настоящее время.

6. Пропускание водяного пара над коксом.

При температуре выше 1000 °С реакция идёт главным образом по уравнению

Н 2 О + С = СО + Н 2 .

Вначале получают водяной газ, т. е. смесь водорода и монооксида углерода с примесью небольших количеств углекислого газа и азота. От углекислого газа легко освобождаются промыванием водой под давлением. Монооксид углерода и азот удаляют 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.

Этот метод даёт очень чистый водород, который используют, например, для гидрогенизации жиров.

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

СО + Н 2 Опар = СО 2 + Н 2 ("конверсия СО").

Образующийся при этом СО 2 поглощается водой (под давлением). Остаток монооксида углерода (~1 об. %) вымывают аммиачным раствором однохлористой меди. Применяемый в этом способе водяной газ получают пропусканием водяного пара над раскалённым коксом. В последнее время всё больше используют взаимодействие водяного пара с пылевидным углём (превращение угольной пыли в газы). Полученный таким способом водяной газ содержит обычно большое количество водорода. Выделяемый из водяного газа водород (содержащий азот) применяют главным образом для синтеза аммиака и гидрирования угля.

7. Фракционное сжиженнее коксового газа.

Подобно получению из водяного газа, водород можно получать фракционным сжижением коксового газа, основной составной частью которого является водород.

Сначала коксовый газ, из которого предварительно удаляют серу, очищают от СО 2 промыванием водой под давлением с последующей обработкой раствором едкого натра. Затем постепенно освобождают от остальных примесей ступенчатой конденсацией, проводимой до тех пор, пока не остаётся только водород; от других примесей его очищают промыванием сильно охлаждённым жидким азотом. Этот метод применяют главным образом, чтобы получить водород для синтеза аммиака.

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

Метан взаимодействует с водяным паром в присутствии соответствующих катализаторов при нагревании (1100 °С) по уравнению

СН 4 + Н 2 Опар + 204 кДж (при постоянном давлении).

Необходимое для реакции тепло следует подводить или извне, или применяя "внутреннее сгорание", т. е. подмешивая воздух или кислород таким образом, чтобы часть метана сгорала до диоксида углерода

СН 4 + 2 О 2 = СО 2 + 2 Н 2 Опар + 802 кДж (при постоянном давлении).

При этом соотношение компонентов выбирают с таким расчётом, чтобы реакция в целом была экзотермичной

12 СН 4 + 5 Н 2 Опар + 5 О 2 = 29 Н2 + 9 СО + 3 СО 2 + 85,3 кДж.

Из монооксида углерода посредством "конверсии СО" также получают водород. Удаление диоксида углерода производят вымыванием водой под давлением. Получаемый методом разложения метана водород используют главным образом при синтезе аммиака и гидрировании угля.

9. Взаимодействие водяного пара с фосфором (фиолетовым).

2 Р + 8 Н 2 О = 2 Н 3 РО 4 + 5 Н 2

Обычно процесс проводят таким образом: пары фосфора, получающиеся при восстановлении фосфата кальция в электрической печи, пропускают вместе с водяным паром над катализатором при 400-600 °С (с повышением температуры равновесие данной реакции смещается влево). Взаимодействие образовавшейся вначале Н 3 РО 4 с фосфором с образованием Н 3 РО 3 и РН 3 предотвращают быстрым охлаждением продуктов реакции (закалка). Этот метод применяют прежде всего, если водород идёт для синтеза аммиака, который затем перерабатывают на важное, не содержащее примесей удобрение - аммофос (смесь гидро- и дигидрофосфата аммония).

10. Электролитическое разложение воды.

2 H 2 O = 2 H 2 + O 2

Чистая вода практически не проводит тока, поэтому к ней прибавляются электролиты (обычно КОН). При электролизе водород выделяется на катоде. На аноде выделяется эквивалентное количество кислорода, который, следовательно, в этом методе является побочным продуктом.

Получающийся при электролизе водород очень чист, если не считать примеси небольших количеств кислорода, который легко удалить пропусканием газа над подходящими катализаторами, например над слегка нагретым палладированным асбестом. Поэтому его используют как для гидрогенизации жиров, так и для других процессов каталитического гидрирования. Водород, получаемый этим методом довольно дорог.

Применение водорода.

В настоящее время водород получают в огромных количествах. Очень большую часть его используют при синтезе аммиака, гидрогенизации жиров и при гидрировании угля, масел и углеводородов. Кроме того, водород применяют для синтеза соляной кислоты, метилового спирта, синильной кислоты, при сварке и ковке металлов, а также при изготовлении ламп накаливания и драгоценных камней. В продажу водород поступает в баллонах под давлением свыше 150 атм. Они окрашены в тёмно-зелёный цвет и снабжаются красной надписью "Водород".

Водород используется для превращения жидких жиров в твердые (гидрогенизация), производства жидкого топлива гидрогенизацией углей и мазута. В металлургии водород используют как восстановитель оксидов или хлоридов для получения металлов 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 сырьём для получения многих весьма важных продуктов (аммиака и др.), в пищевой - для выработки из растительных масел твёрдых жиров и т. д. Высокая температура (до 2600 °С), получающаяся при горении водорода в кислороде, используется для плавления тугоплавких металлов, кварца и т. п. Жидкий водород является одним из наиболее эффективных реактивных топлив. Ежегодное мировое потребление водорода превышает 1 млн. т.

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.

Получение водорода электролизом воды.

Электролиз воды один из наиболее известных и хорошо исследованных методов получения водорода. Он обеспечивает получение чистого продукта (99,6-99,9% H 2) в одну технологическую ступень. В производственных затратах на получение водорода стоимость электрической энергии составляет примерно 85%.

Электролиз воды один из наиболее известных и хорошо исследованных ме­тодов получения водорода . Он обеспечивает получение чистого про­дукта (99,6-99,9 % Н 2) в одну технологическую ступень. Экономика про­цесса в основном зависит от стоимости электроэнергии. В производственных затратах на получение водорода стоимость электрической энергии составляет примерно 85 % .

Этот метод получил применение в ряде стран, обладающих значитель­ными ресурсами дешевой гидроэнергии. Наиболее крупные электрохимические комплексы находятся в Канаде, Индии, Египте, Норвегии, но созданы и ра­ботают тысячи более мелких установок во многих странах мира. Важен этот метод и потому, что он является наиболее универсальным в отношении ис­пользования первичных источников энергии. В связи с развитием атомной энергетики возможен новый расцвет электролиза воды на базе дешевой электроэнергии атомных электростанций. Ресурсы современной электроэнер­гетики недостаточны для получения водорода в качестве продукта для даль­нейшего энергетического использования. Если электроэнергию получать за счет наиболее дешевой атомной энергии, то при КПД процесса получения электроэнергии, равном 40 % (в случае быстрых реакторов-размножителей) и КПД процесса получения водорода электролизом даже 80 %, полный КПД электролизного процесса составит 0,8-0,4 = 0,32, или 32 %. Далее, если предположить, что электроэнергия составляет 25 % полного производства энергии, а 40 % электроэнергии расходуется на электролиз, тогда вклад этого источника в общее энергообеспечение составит в лучшем случае 0,25Х X 0,4-0,32 = 0,032, или 3,2%. Следовательно, электролиз воды, как метод получения водорода для энергоснабжения может рассматриваться в строго ограниченных рамках. Однако как метод получения водорода для химиче­ской и металлургической индустрии его следует иметь на технологическом вооружении, поскольку при определенных экономических условиях он может быть использован в крупнопромышленном масштабе.

Электролиз с успехом может быть использован на гидростанциях или в тех случаях, когда тепловые и атомные электростанции имеют избыточные мощности, и получение водорода является средством для использования, хра­нения и накопления энергии. Для этой цели могут быть использованы мощ­ные электролизеры производительностью до 1 млн. м 3 водорода в сутки. На крупном заводе электролиза воды мощностью 450 т/сут и выше рас­ход электроэнергии на 1 м 3 водорода может быть доведен до 4-4,5 кВт-ч. При таком расходе электроэнергии в ряде энергетических ситуаций электро­лиз воды даже в современных условиях сможет стать конкурентоспособным методом получения водорода .

Электрохимический метод получения водорода из воды обладает следующими положительными качествами: 1) высокая чистота получаемого водорода – до 99,99% и выше; 2) простота технологического процесса, его непрерывность, возможность наиболее полной автоматизации, отсутствие движущихся частей в электролитической ячейке; 3) возможность получения ценнейших побочных продуктов – тяжелой воды и кислорода; 4) общедоступное и неисчерпаемое сырье – вода; 5) гибкость процесса и возможность получения водорода непосредственно под давлением; 6) физическое разделение водорода и кислорода в самом процессе электролиза.

Во всех процессах получения водорода разложением воды в качестве побочного продукта будут получаться значительные количества кислорода. Это даст новые стимулы его применения. Он найдет свое место не только как ускоритель технологических процессов, но и как незаменимый очиститель и оздоровитель водоемов, промышленных стоков. Эта сфера использования кислорода может быть распространена на атмосферу, почву, воду. Сжигание в кислороде растущих количеств бытовых отходов сможет решить проблему твердых отбросов больших городов.

Еще более ценным побочным продуктом электролиза воды является тяжелая вода – хороший замедлитель нейтронов в атомных реакторах. Кроме того, тяжелая вода используется в качестве сырья для получения дейтерия, который в свою очередь является сырьем для термоядерной энергетики.

Электролитическое разложение воды.

2 H 2 O = 2 H 2 + O 2

Чистая вода практически не проводит тока, поэтому к ней прибавляются электролиты (обычно КОН). При электролизе водород выделяется на катоде. На аноде выделяется эквивалентное количество кислорода, который, следовательно, в этом методе является побочным продуктом.

Получающийся при электролизе водород очень чист, если не считать примеси небольших количеств кислорода, который легко удалить пропусканием газа над подходящими катализаторами, например над слегка нагретым палладированным асбестом. Поэтому его используют как для гидрогенизации жиров, так и для других процессов каталитического гидрирования. Водород, получаемый этим методом довольно дорог.

Имя изобретателя: Ермаков Виктор Григорьевич
Имя патентообладателя: Ермаков Виктор Григорьевич
Адрес для переписки: 614037, Пермь, ул.Мозырская, д.5, кв.70 Ермакову Виктору Григорьевичу
Дата начала действия патента: 1998.04.27

Изобретение предназначено для энергетики и может быть использовано при получении дешевых и экономичных источников энергии. Получают в незамкнутом пространстве перегретый водяной пар с температурой 500-550 o C . Перегретый водяной пар пропускают через постоянное электрическое поле высокого напряжения (6000 В ) с получением водорода и кислорода. Способ прост в аппаратурном оформлении, экономичен, пожаро- и взрывобезопасен, высокопроизводителен.

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Водород при соединении с кислородом-окислении, занимает первое место по калорийности на 1 кг топлива среди всех горючих используемых для поучения электроэнергии и тепла. Но высокая калорийность водорода до сих пор не используется в получении электроэнергии и тепла и не может конкурировать с углеводородным топливом.

Препятствием для использования водорода в энергетике является дорогой способ его получения, который экономически не оправдывается. Для получения водорода в основном применяются электролизные установки, которые малопроизводительны и энергия, затраченная на получение водорода, равна энергии, полученной от сжигания этого водорода.

Известен способ получения водорода и кислорода из перегретого водяного пара с температурой 1800-2500 o C , описанный в заявке Великобритании N 1489054 (кл. C 01 B 1/03, 1977) . Этот способ сложен, энергоемок и трудноосуществим.

Наиболее близким к предложенному является способ получения водорода и кислорода из водяного пара на катализаторе при пропускании этого пара через электрическое поле, описанный в заявке Великобритании N 1585527 (кл. C 01 B 3/04, 1981) .

К недостаткам этого способа относятся:

невозможность получения водорода в больших количествах;

энергоемкость;

сложность устройства и использование дорогих материалов;

невозможность осуществления этого способа при использовании технической воды, т. к. при температуре насыщенного пара на стенках устройства и на катализаторе будут образовываться отложения и накипь, что приведет к ее быстрому выходу из строя;

для сбора полученных водорода и кислорода используются специальные сборные емкости, что делает способ пожаро- и взрывоопасным.

Задачей, на которую направлено изобретение, является устранение вышеуказанных недостатков, а также получение дешевого источника энергии и тепла.

Это достигается тем , что в способе получения водорода и кислорода из пара воды, включающем пропускание этого пара через электрическое поле, согласно изобретению используют перегретый пар с температурой 500-550 o C и пропускают его через электрическое поле постоянного тока высокого напряжения, вызывая тем самым диссоциацию пара и разделение его на атомы водорода и кислорода .

ПРЕДЛОЖЕННЫЙ СПОСОБ ОСНОВАН НА СЛЕДУЮЩЕМ

Электронная связь между атомами водорода и кислорода ослабевает пропорционально повышению температуры воды. Это подтверждается практикой при сжигании сухого каменного угля. Перед тем как сжигать сухой уголь, его поливают водой. Мокрый уголь дает больше тепла, лучше горит. Это происходит от того, что при высокой температуре горения угля вода распадается на водород и кислород. Водород сгорает и дает дополнительные калории углю, а кислород увеличивает объем кислорода воздуха в топке, что способствует лучшему и полному сгоранию угля.

Температура воспламенения водорода от 580 до 590 o C , разложение воды должно быть ниже порога зажигания водорода.

Электронная связь между атомами водорода и кислорода при температуре 550 o C еще достаточна для образования молекул воды, но орбиты электронов уже искажены, связь с атомами водорода и кислорода ослаблена. Для того, чтобы электроны сошли со своих орбит и атомная связь между ними распалась, нужно электронам добавить еще энергии, но уже не тепла, а энергию электрического поля высокого напряжения. Тогда потенциальная энергия электрического поля преобразуется в кинетическую энергию электрона. Скорость электронов в электрическом поле постоянного тока возрастает пропорционально квадратному корню напряжения, приложенного к электродам.

Разложение перегретого пара в электрическом поле может происходить при небольшой скорости пара, а такую скорость пара при температуре 550 o C можно получить только в незамкнутом пространстве.

Для получения водорода и кислорода в больших количествах нужно использовать закон сохранения материи. Из этого закона следует: в каком количестве была разложена вода на водород и кислород, в таком же количестве получим воду при окислении этих газов.

Возможность осуществления изобретения подтверждается примерами, осуществляемыми в трех вариантах установок .

Все три варианта установок изготавливаются из одинаковых, унифицированных изделий цилиндрической формы из стальных труб.

Первый вариант
Работа и устройство установки первого варианта (схема 1 ).

Во всех трех вариантах работа установок начинается с приготовления перегретого пара в незамкнутом пространстве с температурой пара 550 o C. Незамкнутое пространство обеспечивает скорость по контуру разложения пара до 2 м/с .

Приготовление перегретого пара происходит в стальной трубе из жаропрочной стали /стартер/, диаметр и длина которого зависит от мощности установки. Мощность установки определяет количество разлагаемой воды, литров/с.

Один литр воды содержит 124 л водорода и 622 л кислорода , в пересчете на калории составляет 329 ккал .

Перед пуском установки стартер разогревается от 800 до 1000 o C /разогрев производится любым способом/.

Один конец стартера заглушен фланцем, через который поступает дозированная вода для разложения на рассчитанную мощность. Вода в стартере нагревается до 550 o C , свободно выходит из другого конца стартера и поступает в камеру разложения, с которой стартер соединен фланцами.

В камере разложения перегретый пар разлагается на водород и кислород электрическим полем, создаваемым положительным и отрицательным электродами, на которые подается постоянный ток с напряжением 6000 В . Положительным электродом служит сам корпус камеры /труба/, а отрицательным электродом служит труба из тонкостенной стали, смонтированная по центру корпуса, по всей поверхности которой имеются отверстия диаметром по 20 мм .

Труба - электрод представляет собой сетку, которая не должна создавать сопротивление для входа в электрод водорода. Электрод крепится к корпусу трубы на проходных изоляторах и по этому же креплению подается высокое напряжение. Конец трубы отрицательного электрода оканчивается электроизоляционной и термостойкой трубой для выхода водорода через фланец камеры. Выход кислорода из корпуса камеры разложения через стальной патрубок. Положительный электрод /корпус камеры/ должен быть заземлен и заземлен положительный полюс у источника питания постоянного тока.

Выход водорода по отношению к кислороду 1:5 .

Второй вариант
Работа и устройство установки по второму варианту (схема 2 ).

Установка второго варианта предназначена для получения большого количества водорода и кислорода за счет параллельного разложения большого количества воды и, окисления газов в котлах для получения рабочего пара высокого давления для электростанций, работающих на водороде /в дальнейшем ВЭС /.

Работа установки, как и в первом варианте, начинается с приготовления перегретого пара в стартере. Но этот стартер отличается от стартера в 1-м варианте. Отличие заключается в том, что на конце стартера приварен отвод, в котором смонтирован переключатель пара, имеющий два положения - "пуск" и "работа".

Полученный в стартере пар поступает в теплообменник, который предназначен для корректировки температуры восстановленной воды после окисления в котле /К1 / до 550 o C . Теплообменник /То / - труба, как и все изделия с таким же диаметром. Между фланцами трубы вмонтированы трубки из жаропрочной стали, по которым проходит перегретый пар. Трубки обтекаются водой из замкнутой системы охлаждения.

Из теплообменника перегретый пар поступает в камеру разложения, точно такую же, как и в первом варианте установки.

Водород и кислород из камеры разложения поступают в горелку котла 1, в которой водород поджигается зажигалкой, - образуется факел. Факел, обтекая котел 1, создает в нем рабочий пар высокого давления. Хвост факела из котла 1 поступает в котел 2 и своим теплом в котле 2 подготавливает пар для котла 1. Начинается непрерывное окисление газов по всему контуру котлов по известной формуле:

2H 2 + O 2 = 2H 2 O + тепло

В результате окисления газов восстанавливается вода и выделяется тепло. Это тепло в установке собирают котлы 1 и котлы 2, превращая это тепло в рабочий пар высокого давления. А восстановленная вода с высокой температурой поступает в следующий теплообменник, из него в следующую камеру разложения. Такая последовательность перехода воды из одного состояния в другое продолжается столько раз, сколько требуется получить от этого собранного тепла энергии в виде рабочего пара для обеспечения проектной мощности ВЭС .

После того, как первая порция перегретого пара обойдет все изделия, даст контуру расчетную энергию и выйдет из последнего в контуре котла 2, перегретый пар по трубе направляется в переключатель пара, смонтированный на стартере. Переключатель пара из положения "пуск" переводится в положение "работа", после чего он попадает в стартер. Стартер отключается /вода, разогрев/. Из стартера перегретый пар поступает в первый теплообменник, а из него в камеру разложения. Начинается новый виток перегретого пара по контуру. С этого момента контур разложения и плазмы замкнут сам на себя.

Вода установкой расходуется только на образование рабочего пара высокого давления, которая берется из обратки контура отработанного пара после турбины.

Недостаток силовых установок для ВЭС - это их громоздкость. Например, для ВЭС на 250 МВт нужно разлагать одновременно 455 л воды в одну секунду, а для этого потребуется 227 камер разложения, 227 теплообменников, 227 котлов /К1 /, 227 котлов /К2 /. Но такая громоздкость стократ будет оправдана уже только тем, что топливом для ВЭС будет только вода, не говоря уже о экологической чистоте ВЭС , дешевой электрической энергии и тепле.

Третий вариант
3-й вариант силовой установки (схема 3 ).

Это точно такая же силовая установка, как и вторая.

Разница между ними в том, что эта установка работает постоянно от стартера, контур разложения пара и сжигания водорода в кислороде не замкнут сам на себя. Конечным изделием в установке будет теплообменник с камерой разложения. Такая компоновка изделий позволит получать кроме электрической энергии и тепла, еще водород и кислород или водород и озон. Силовая установка на 250 МВт при работе от стартера будет расходовать энергию на разогрев стартера, воду 7,2 м 3 /ч и воду на образование рабочего пара 1620 м 3 /ч/вода используется из обратного контура отработанного пара/. В силовой установке для ВЭС температура воды 550 o C . Давление пара 250 ат . Расход энергии на создание электрического поля на одну камеру разложения ориентировочно составит 3600 кВт/ч .

Силовая установка на 250 МВт при размещении изделий на четырех этажах займет площадь 114 х 20 м и высоту 10 м . Не учитывая площадь под турбину, генератор и трансформатор на 250 кВА - 380 х 6000 В .

ИЗОБРЕТЕНИЕ ИМЕЕТ СЛЕДУЮЩИЕ ПРЕИМУЩЕСТВА

Тепло, полученное при окислении газов, можно использовать непосредственно на месте, причем водород и кислород получаются при утилизации отработанного пара и технической воды.

Небольшой расход воды при получении электроэнергии и тепла.

Простота способа.

Значительная экономия энергии, т.к. она затрачивается только на разогрев стартера до установившегося теплового режима.

Высокая производительность процесса, т.к. диссоциация молекул воды длится десятые доли секунды.

Взрыво- и пожаробезопасность способа, т.к. при его осуществлении нет необходимости в емкостях для сбора водорода и кислорода.

В процессе работы установки вода многократно очищается, преобразуясь в дистиллированную. Это исключает осадки и накипь, что увеличивает срок службы установки.

Установка изготавливается из обычной стали; за исключением котлов, изготавливаемых из жаропрочных сталей с футеровкой и экранированием их стенок. То есть не требуются специальные дорогие материалы.

Изобретение может найти применение в промышленности путем замены углеводородного и ядерного топлива в силовых установках на дешевое, распространенное и экологически чистое - воду при сохранении мощности этих установок.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

Способ получения водорода и кислорода из пара воды , включающий пропускание этого пара через электрическое поле, отличающийся тем, что используют перегретый пар воды с температурой 500 - 550 o C , пропускаемый через электрическое поле постоянного тока высокого напряжения для диссоциации пара и разделения его на атомы водорода и кислорода.