Оглавление 64 65 66 67 68 — — — 270 

Получение водорода. Атом водорода состоит из ядра и одного электрона. С атомами металлоидов атомы водорода образуют ковалентные связи, более или менее поляризованные. В некоторых из этих соединений (Н2O, НСl и др.) состояние атома водорода приближается к ионизированному Н+.

Главным источником получения водорода служит вода. Для получения из нее водорода можно воспользоваться способностью многих металлов вытеснять из воды водород с одновременным образованием гидроокисей или окисей взятых металлов. Особенно легко уже при обыкновенной температуре взаимодействуют с водой щелочные металлы натрий и калий, а также кальций, барий и др.

Если кусочек натрия бросить в чашку с водой, то происходит энергичная реакция; натрий с шипением начинает двигаться по поверхности воды, вытесняя из нее водород. При этом образуется так много тепла, что натрий плавится и превращается в шарик, который быстро уменьшается в размерах и вскоре исчезает (рис. 56). Иногда разогревание столь сильно, что выделяющийся водород загорается.

Взаимодействие натрия с водой выражается уравнением

 2Na + 2Н2O = 2NaOH + Н2

Сущность этой реакции заключается в отдаче электрона атомом натрия одному иону водорода из молекулы воды. Атомы натрия превращаются при этом в положительно заряженные ионы, в виде которых и входят в состав NaOH, а ионы водорода превращаются в атомы, связывающиеся затем попарно с образованием молекул Н2. Аналогично протекает реакция с калием и кальцием.

Кроме указанных металлов, с водой могут взаимодействовать и другие металлы, но уже при более высоких температурах. Так, магний вытесняет водород из воды при температуре ее кипения, цинк и железо только при накаливании их в струе водяного пара. Во всех этих случаях водород, находящийся в состоянии, близком к ионизированному, получает электроны от атомов металла и превращается в нейтральные атомы.

Шарик натрия на поверхности воды

Рис. 56. Шарик натрия на поверхности воды

В промышленности для получения водорода из воды пользуются следующими методами.

Конверсионный метод является наиболее распространенным методом получения водорода, особенно идущего на синтез аммиака. При работе по этому методу сквозь слой раскаленного угля пропускают водяной пар. Образующаяся при этом

смесь окиси углерода с водородом носит название водяного

г а з а и может применяться как газообразное топливо . Если процесс ведется с целью получения водорода, то для удаления из полученной смеси окиси углерода водяной газ пропускают вместе с водяным паром над раскаленной окисью железа, служащей катализатором. Окись углерода взаимодействует с водяным паром, образуя водород и углекислый газ. Эта реакция, называемая конверсией окиси углерода, выражается уравнением

2) + СО + Н2О ⇄ СО2 + Н2 + (Н2) + 10 ккал

При низких температурах равновесие сдвинуто вправо, а с повышением температуры смещается в сторону образования исходных веществ.

Так как реакция протекает с достаточной скоростью только при температурах не ниже 450°, то для повышения степени конверсии окиси углерода водяной пар добавляют к водяному газу в количестве, значительно большем, чем это следует из уравнения реакции, благодаря чему равновесие, несмотря на высокую температуру, остается сильно сдвинутым вправо.

Образовавшийся в результате конверсии углекислый газ отделяют от водорода, промывая газовую смесь водой, под давлением 20 ат. Для окончательной очистки водород пропускают еще через ряд растворов, поглощающих все примеси.

При работе по конверсионному методу вместо водяного газа часто пользуются другими газами, содержащими окись углерода, в частности генераторным газом.

Железо-паровой метод является наиболее старым из методов получения водорода, утратившим в настоящее время свое былое значение. Метод основан на взаимодействии железа с водяным паром при пропускании последнего над накаленными железными стружками:

3Fe + 4Н2О ⇄Fe3О4 + 4Н2 + 35,3 ккал

Реакция обратима и в направлении слева направо идет с выделением тепла. Следовательно, в соответствии с принципом Ле-Шателье, чем ниже температура, тем сильнее равновесие должно быть сдвинуто в сторону образования водорода. Однако при низких температурах из-за малой скорости реакции равновесие устанавливается слишком медленно. Поэтому на практике реакцию ведут при температурах не ниже 700°. При 700° равновесная смесь содержит приблизительно равные объемы водорода и водяного пара, т. е. половина пропускаемого пара остается неиспользованной. Так как образующийся водород вместе с избытком водяного пара сейчас же удаляется из сферы реакции, то процесс идет непрерывно до тех пор, пока все железо не превратится в окалину. Образовавшуюся окалину восстанавливают затем водяным газом и снова пускают в реакцию.

Электрохимический метод. При наличии дешевой электрической — энергии экономически целесообразно получать водород из воды, разлагая ее электрическим током. Преимуществом этого метода является высокая степень чистоты получаемого водорода, что исключает необходимость в весьма сложных устройствах для его очистки от примесей. Кроме того, с электролизом воды в настоящее время связано и получение тяжелой воды, необходимой для ядерных реакторов.

Электрохимическим методом получают около 18% мировой продукции водорода.

Некоторое количество водорода получается также методом глубокого охлаждения коксового газа. При нагревании каменного угля без доступа воздуха до 900—1200° образуется так называемый коксовый газ — смесь, содержащая около 50—60% водорода; твердый остаток представляет собой кокс. Для выделения водорода из коксового газа последний подвергают глубокому охлаждению. При этом все газы, кроме водорода, переходят в жидкое состояние и таким путем отделяются от водорода.

За последние двадцать лет в качестве источника получения водорода стал широко применяться метан, содержащийся в природных газах и газах переработки нефти. В 1940 году в США из нового вида сырья было получено 5% водорода, идущего на синтез аммиака, в 1945 году — уже 45%, а в 1953 году—-66%.

Получение водорода из метана можно осуществить разными способами:

1) термическим разложением метана:

СН4 = С + 2Н2 + 18 ккал

2) взаимодействием метана с водяным паром:

СН4 + Н2О = СО + 3Н2 — 49 ккал

3) взаимодействием метана с двуокисью углерода или со смесью двуокиси углерода я водяного пара:

 СН4 + СО2 = 2СО + 2Н2 —60,1 ккал

3СН4 + СО2 + 2Н2О = 4СО + 8Н2 — 158,6 ккал

4) неполным окислением метана:

2СН4 + О2 = 2СО + 4Н2 + 16,1 ккал

При всех этих способах, кроме первого, получаются газовые смеси с сравнительно высоким содержанием окиси углерода. Для увеличения выхода водорода эти смеси вместе с водяным паром подвергают конверсии.

Если водород не используют непосредственно на месте получения, то его транспортируют в сжатом состоянии в стальных баллонах, где он находится под большим давлением.

В лабораториях водород обычно получают действием разбавленной серной или соляной кислоты на цинк:

 Zn + H24 = ZnО4 + Н2

Вместо цинка можно взять железо, но в этом случае реакция идет гораздо медленнее.

Водород, получающийся при действии кислот на цинк и другие металлы, всегда содержит пары воды, а также некоторые газообразные примеси. Если нужен сухой водород, то получающийся газ освобождают от водяных паров, пропуская через концентрированную серную кислоту, жадно поглощающую влагу. Для удаления других примесей пользуются растворами различных солей.

65 66 67

Вы читаете, статья на тему Получение водорода