Получение водорода из воды электролизом. Водород из воды

В качестве перспективного горючего водород начал рассматриваться уже в середине прошлого века, а до этого он успел поработать в дирижаблях и сварочных аппаратах, ныне же часто трудится в роли одного из самых эффективных аккумуляторов энергии. Внедрение водорода в качестве горючего долго тормозилось его взрывоопасностью, а самое главное, себестоимостью его добычи. Но скоро ситуация может резко измениться
Впервые водород в чистом виде выделил 240 лет назад английский химик Генри Кавендиш. Свойства полученного им газа были настолько удивительны, что ученый принял его за легендарный «флогистон», «теплород» — вещество, по канонам науки того времени определявшее температуру тел. Он прекрасно горел (а огонь считался почти чистым флогистоном), был необычайно легок, в 15 раз легче воздуха, хорошо впитывался металлами и так далее. Однако другой великий химик, француз Антуан-Лоран Лавуазье, уже в 1787 году доказал, что полученное Кавендишем вещество — вполне обычный, хотя и очень интересный химический элемент. Свое название водород получил оттого, что при горении давал не дым, сажу и копоть, а воду. Кстати, именно эта его особенность больше всего привлекает сегодняшних экологов и «зеленых».
Вплоть до конца XIX века получение водорода было делом достаточно хлопотным. Добывали его в мизерных количествах, растворяя обычные металлы в кислотах, а также щелочные и щелочноземельные в воде. Только после того, как электричество начали производить в промышленных масштабах, появилась возможность относительно легко добывать его тоннами с помощью электролиза. Выглядит электролитический процесс примерно так: в ванну с водой опускают два электрода, на одном — положительный потенциал, на другом — отрицательный. На плюсе в результате прохождения тока выделяется кислород, а на минусе — водород.
Наработав в достаточном количестве этот легкий газ, люди сначала приспособили его для воздушных полетов. В этом качестве первый элемент Таблицы Менделеева применяли вплоть до 1937 года, когда в воздухе сгорел крупнейший в мире, в два футбольных поля размером, заполненный водородом немецкий дирижабль «Гинденбург». Катастрофа унесла жизни 36 человек, и на таком использовании водорода был поставлен крест. С тех пор аэростаты заправляют исключительно гелием. Гелий — газ, увы, более плотный, но зато негорючий.

Погремушка
В 1944 году американские военные попытались использовать его в качестве ракетного топлива. Помешала делу высокая взрывоопасность газа: стоило совсем немного отклониться от нормальной работы двигателей или допустить малейшую протечку, и мирный водород мигом превращался в зловещий «гремучий газ». В результате ракеты не долетали до цели, взрываясь прямо на старте. По той же причине американцам не удалось в 50-е годы прошлого века построить водородный самолет, а в 70-е, во времена нефтяного кризиса, — водородный эсминец.

В этом смысле дела в СССР, основном тогдашнем конкуренте Штатов в области водородной энергетики, были более успешны. Советские ученые решили добывать из водорода энергию в виде электричества, напрямую окисляя его в водной среде, а не поджигая в смеси с кислородом. Для этого они использовали топливные элементы, в которых водород на специальной ионообменной мембране соединялся с кислородом, в результате чего получались вода и электричество. Технология оказалась настолько удобной, что сейчас без участия топливных элементов не проходит ни одна серьезная космическая экспедиция.

Движки-универсалы
Немного позже ученые все же придумали, как использовать водород в качестве именно горючего и при этом не взорваться. В газ стали добавлять специальные присадки-ингибиторы (химические «тормоза»). Например, пропилен. Всего один процент этого дешевого газа — и водород из грозного оружия превращается в безопасный газ. В результате уже 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 литтров жидкого водорода «под завязку») 300 км. Mazda «подсадила» на водород свой знаменитый спорт-кар RX-8. В таком экологически чистом варианте он называется Mazda RX-8 HRE (Hydrogen Rotary Engine). Все эти машины могут ездить и на водороде, и на бензине.

Если BMW и Mazda пока чередуют два вида топлива, некоторые научились их совмещать. По дорогам США уже ездит множество седельных тягачей, в дизельных сердцах которых пылает соляро-водородная смесь. В результате мощность двигателя вместе с чистотой выхлопа растут, а расход топлива снижается на 10%. Оборудованную системой HFI (Hydrogen Fuel Injection — водородный топливный впрыск) машину не надо даже заправлять этим газом, достаточно залить в небольшой бачок несколько литров воды. Система сама проведет электролиз, соберет водород и направит его в камеру сгорания. Эффект заключается в том, что в смеси с водородом солярка сгорает значительно эффективнее.
Но большинство производителей пошли по пути создания электромобилей на топливных элементах. Ибо кроме «экологичности» 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 вовсю ведут разработки топливных элементов для ноутбуков и мобильных телефонов. Компания NEC еще в 2001 году создала первый рабочий прототип мобильного топливного элемента PEFC. «Батарейка» выдает «на-гора» в 10 раз больше энергии, чем стандартный литиево-ионный аккумулятор. Правда, заряжается она метанолом: в специальной камере под действием катализаторов и температуры (85 градусов по Цельсию) из него извлекается водород, который и «допускается» к энергопроизводящей мембране. Такая система работы связана с тем, что хранить водород не так-то просто.

Энергетические консервы
Пока человек не научился получать дешевый водород напрямую, без использования электричества, к этому газу можно относиться лишь как к аккумулятору энергии — этакой копилке мегаджоулей. Ведь всего двадцать грамм водорода способны совершить столько же работы, сколько полностью заряженный автомобильный аккумулятор. Однако и в этом качестве у него существует множество конкурентов. Всю свою историю человек разрабатывал новые способы сбора и хранения энергии. С самым простым видом такого накопителя мы сталкиваемся всякий раз, когда заводим механические часы. Главное достоинство металлической пружины — простота конструкции, однако по плотности накопленного она стоит в самом конце рейтинга энергетических аккумуляторов. Самая лучшая пружина не может «сохранить» более 0,5 кДж на килограмм своего веса. Обычная резинка способна «собрать» в 8 раз больше. Еще более емкими являются детали, которые электрики часто так и называют «емкость». Правильное название — конденсатор. Тут уже можно с килограмма получить 12 кДж. Следом за конденсаторами в линейке накопителей идут газовые и гидрогазовые. Их конструкция довольно сложна, используют эти устройства довольно редко (исключение — гидравлические дверные доводчики). Зато электрические «пиробатарейки» с неводным электролитом (энергоемкость — до 70 кДж/кг) человек использует сплошь и рядом. При большой температуре емкость и энергоотдачу такого источника можно повысить на порядок. Промышленный «горячий электрический аккумулятор» «запасает» от 400 до 700 кДж на килограмм. Однако высокая, до 800 градусов, рабочая температура и выделение ядовитого хлора делают его малопригодным для гражданского использования. Зато огромный срок хранения в холодном состоянии и быстрый выход на рабочий режим очень нравятся военным, которые такие батареи активно используют в составе стоящих на боевом дежурстве ракет и прочей техники быстрого реагирования. Настоящим «королем накопителей» следует признать обычный маховик. Юлу, которую мы знаем с детства. Тут уже речь идет о цифрах в тысячи и десятки тысяч килоджоулей. Хороший промышленный накопитель из углепластика способен «запасать» таких килоджоулей до 15 000. И это не предел. На самом деле энергоемкость такого маховика определяется только прочностью конструкции. Незадолго до начала Великой Отечественной войны на одном из наших оборонных заводов разорвало установленный в подвале маховик. Осколок маховика весом примерно 300 кг, пробив все потолочные бетонные перекрытия, улетел в небо, а упав обратно, во второй раз, пробил крышу — такая огромная энергия была в нем накоплена.

Камеры хранения

Так выглядит 3d орбиталь в атоме водорода. Согласно квантовой механике у электрона нет четкой траектории движения, и орбиталь — это та область пространства, где его пребывание наиболее вероятно
Сейчас водородное топливо сберегают тремя способами: в сжатом виде, в сжиженном и в металлогидридах. Самое простое, конечно, — закачать водород в бак мощным компрессором. 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 слабинка 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. В прошлом году специалисты из американской Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории создали материал на основе борана аммиака, способный впитывать и отдавать уже при 80 градусах водород со скоростью, в сто раз превышающей те, что были доступны раньше. А Танер Иилдирим из американского Национального института стандартов и технологий вместе с Салимом Сайраки из турецкого университета Билкента разработали материал, способный впитывать газообразный водород в количестве до 9 000 литров на 10-килограммовый элемент! Это особый кристаллический нанокомплекс, состоящий из микроскопических, инкрустированных снаружи титаном, углеродных нанотрубок, каждая из которых в 5 000 раз тоньше человеческого волоса. Изготовить такой углеродно-титановый «накопитель» человек уже может, но стоит он слишком дорого. Пока. Однако заметим, что и персональный компьютер еще совсем не так давно стоил, как хороший автомобиль.
Казалось бы, человечество уже готово перепрыгнуть в водородную эпоху. Новое топливо устраивает и ученых, и экологов, и предпринимателей, и политиков, и простых людей. И перейти на него мешает всего одна проблема. Пока что совсем не понятно, где этот водород брать.

Как стать новым кувейтом
Получение водорода электролизом — малоперспективно. Ведь для того чтобы разложить воду на составляющие, нужно электричество, а его производят… правильно, сжигая в основном ту же нефть. Запасы природного газа, из которого можно выделять водород температурным разложением, тоже не бесконечны.
Экологи предлагают для производства водорода использовать только чистую энергию ветра и солнца, однако все эти прожекты не слишком реалистичны. Английские специалисты посчитали, что для того, чтобы перевести весь автотранспорт острова на такой «чистый» Н2, надо будет застроить несколькими рядами ветряков всю береговую полосу страны. С солнечной энергией тоже не совсем получается: фотоэлементы очень дороги, а при их производстве вредных отходов получается столько, что уж лучше нефть жечь. Строго говоря, самые популярные сейчас полупроводниковые солнечные батареи дороги прежде всего потому, что для выплавки, очистки и обработки кремния, из которого их делают, нужно больше энергии, чем они способны выработать в течение всего своего срока службы. Остается «мирный атом», но для того, чтобы произвести из воды необходимое английским автолюбителям количество водорода, на острове нужно построить более 100 новых АЭС — не самое привлекательное решение, если оценить размер необходимых инвестиций и проблему с утилизацией или захоронением отходов.
Ученые и изобретатели пытаются обойти проблему, выводя специальные породы бактерий, вырабатывающих водород, и покрывая крыши гаражей особыми солнечными элементами, в которых вода разлагается на водород и кислород без промежуточной электрической стадии. Химики из британского Университета Лидса предлагают даже извлекать водород из подсолнечного масла. Но очевидно, что все это — лишь временные решения.
Выходит, мы в тупике? Не совсем. Вообще, водород во Вселенной — самый распространенный элемент. Она состоит из него на 70%. А вот на Земле, как ни странно, этот элемент в свободном виде в дефиците: всего 3—4%. А может, его все-таки больше? Вот тут-то мы и подходим к самому интересному.
Еще в 70-х годах прошлого века известный геолог Владимир Ларин разработал теорию, поддержанную многими учеными и никем пока не опровергнутую, которая утверждает, что водорода у нас много больше. Не просто больше, его у нас — целый океан, до которого надо только добраться. И сделать это не так сложно. Достаточно пробурить несколько пяти-шестикилометровых скважин в нужных местах. За разработку этой концепции Ларин получил докторскую степень.
Суть теории заключается в том, что ядро нашей планеты состоит не из железа, как считалось ранее, а из металлогидридов. Из предельно насыщенных водородом магния и кремния и уж только потом — из железа. Собственно, никаких доказательств того, что ядро Земли железное, нет. Ученые еще в начале прошлого века выяснили, что оно состоит из некоего плотного металла, и посчитали, что этим металлом является железо. Зато доказательств металлогидридной теории — масса. Вулканы и земные разломы выбрасывают в атмосферу водород именно так, как требует металлогидридная теория и вопреки тому, что постулирует железная. На основе своей теории Ларин верно предсказал появление в базальтовых породах самородных металлов. Ею легко объясняются загадочные скачки плотности земной мантии на глубинах в 400, 670 и 1 050 км.
Но самое главное в этой теории вот что. На суше есть несколько точно установленных мест, в которых земная кора имеет толщину всего 5—10 км (обычно же — 100—150). Это так называемые области рифтогенеза. По теории Ларина, пробурив в этих местах несколько скважин, можно добраться до металлогидридного слоя. И тогда, закачивая в одну из скважин воду, из других можно будет получать чистый водород в практически неограниченных количествах. Причем нужный газ будет не только отдаваться металлогидридами, но и получаться благодаря соединению щелочноземельного магния с водой. Расчеты, сделанные учеными Сибирского отделения АН СССР в 1989 году, показали, что в случае правильности металлогидридной теории участок в 20 км2 даст за год водорода столько, что им можно будет заменить 400 млн. тонн нефти. А это, между прочим, больше, чем сейчас добывает вся Россия.
В том же 1989 году в Геологическом институте состоялось совещание под патронатом Академии наук, где заслушали доклад Ларина и постановили: «Рекомендовать сверхглубокое бурение (до 10—12 км) в области современного рифтогенеза… Предложить в качестве объекта Тункинскую впадину, где бурение может иметь исключительно большое значение для энергетики и экологии, так как позволит оценить и проверить научно обоснованную возможность обнаружения принципиально нового и экологически чистого энергоресурса, могущего составить конкуренцию традиционным энергетическим источникам…» Тункинская впадина — место недалеко от Байкала, где толщина земной коры составляет всего 4—5 км. На Земле подобных мест немного. Кроме этой впадины подходящие для бурения зоны есть в Исландии, Израиле (на зависть арабским нефтешейхам), на западе Канады и в США, в штате Невада.
Жаль, но тогда, в конце 80-х и начале 90-х, до «водородного» бурения дело не дошло. Стране стало не до экспериментальных скважин. Сегодня, когда нефть является «нашим всем», никто добывать водород особо не стремится, предлагая, как в том старом анекдоте, изобретателю бесплатного нефтезаменителя в награду за открытие на выбор либо расстрел, либо четвертование. Единственный из российских олигархов, вкладывающий серьезные деньги в развитие водородной энергетики, — абсолютно не нефтяной никелевый король Владимир Потанин. В апреле этого года он купил за 241 млн. долл. 35% акций убыточной американской компании Plug Power, занимающейся выпуском топливных элементов. Аналитики говорят, что это самые большие частные инвестиции из тех, что знает история водородной энергетики. А в 2003 году партнер олигарха Михаил Прохоров на совместном заседании президиума АН России и правления «Норильского никеля» заявил, что «если страна уже сегодня не предпримет попытки дерзкого прорыва в «водородную эру», то через пятнадцать лет она окажется в тяжелейшей депрессии, ибо ее нефть окажется ненужной миру».
Не исключено, что он был прав. Человеку свойственно быстро расставаться с менее удобными вещами в пользу более удобных. Вспомните, сколько лет ему понадобилось на то, чтобы сменить виниловые пластинки на компакт-диски. А сколько ушло на то, чтобы опутать мир сетью Интернет? А за какой срок нашу цивилизацию покорили мобильные телефоны? Что бы там ни говорили скептики, но если человечество получит дешевый водород в достаточных количествах, то переход на него произойдет не более чем за десятилетие. Это — всего лишь среднее время «жизни» обычного автомобиля.
Для нас главное — успеть пробурить к тому времени Тункинскую скважину.

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.

Электролизом воды называется физико-химический процесс, при котором под действием постоянного электрического тока вода разлагается на кислород и водород. Постоянное напряжение для ячейки получается, как правило, выпрямлением трехфазного переменного тока. В электролитической ячейке дистиллированная вода подвергается электролизу, при этом химическая реакция идет по следующей известной схеме: 2Н2O + энергия -> 2H2+O2.

В результате разделения на части молекул воды, водорода по объему получается вдвое больше чем кислорода. Перед использованием газы в установке обезвоживаются и охлаждаются. Выходные трубопроводы установки всегда защищены возвратными клапанами для предотвращения возгораний.

Непосредственно каркас конструкции изготавливается из стальных труб и толстых листов стали, что придает всей конструкции высокую жесткость и механическую прочность. Газовые резервуары обязательно тестируются под давлением.

Электронный блок устройства контролирует все стадии процесса производства, и позволяет оператору следить за параметрами на панели и на манометрах, чем обеспечивает безопасность. Эффективность электролиза такова, что из 500 мл воды получается около кубометра обоих газов с затратами около 4 квт/ч электрической энергии.

По сравнению с прочими методами получения водорода, электролиз воды отличается целым рядом преимуществ. Во-первых, в ход идет доступное сырье - деминерализованная вода и электроэнергия. Во-вторых, во время производства отсутствуют загрязняющие выбросы. В-третьих, процесс целиком автоматизирован. Наконец, на выходе получается достаточно чистый (99,99%) продукт.

Поэтому электролизные установки и получаемый на них водород, находят сегодня применение во многих отраслях: в химическом синтезе, в термической обработке металлов, в производстве растительных масел, в стекольной промышленности, в электронике, в системах охлаждения в энергетике и т. д.

Установка для электролиза устроена следующим образом. Снаружи расположена панель управления генератором водорода. Далее установлены выпрямитель, трансформатор, распределительное устройство, система деминерализованной воды и блок для ее пополнения.

В электролитической ячейке на стороне катодной пластины получается водород, а на стороне анодной - кислород. Здесь газы покидают ячейку. Они разделяются и подаются в сепаратор, затем охлаждаются деминерализованной водой, после чего отделяются под действием гравитации от жидкой фазы. Водород направляется в промыватель, где из газа удаляются капли щелока и происходит охлаждение в змеевике.

Наконец, водород проходит фильтрацию (фильтр на верху сепаратора), где капельки воды полностью устраняются, и поступает в сушильную камеру. Кислород обычно направляется в атмосферу. Деминерализованная вода подается в промыватель насосом.

Щелок используют здесь для повышения электропроводности воды. Если эксплуатация электролизера идет штатно, то щелок пополняют единожды в год в небольшом количестве. Твердое едкое кали кладется в резервуар для щелока, заполненный на две трети деминерализованной водой, после чего насос перемешивает его в раствор.

Система водяного охлаждения электролизера служит двум целям: охлаждает щелок до 80-90°C и охлаждает полученные газы до 40°C.

Система анализа газа принимает пробы водорода. Капли щелока в сепараторе отделяются, газ подается к анализатору, давление понижается, проверяется содержание в водороде кислорода. Прежде чем водород будет направлен в резервуар, во влагомере будет измерена точка росы. Сигнал будет подан оператору или на ПК, чтобы решить, подходит ли полученный водород для направления в накопительный резервуар, соответствует ли газ условиям приема.

Рабочее давление установки регулируется при помощи системы автоматического контроля. Датчик получает информацию о давлении внутри электролизера, затем данные направляются на ПК, где сравниваются с заданными параметрами. Далее результат преобразуется в сигнал порядка 10 мА, и рабочее давление удерживается на заданном уровне.

Рабочая температура установки регулируется пневматическим мембранным клапаном. Компьютер аналогичным образом сравнит температуру с заданной, и разница будет преобразована в соответствующий сигнал для .

Безопасность работы электролизера обеспечивается системой блокировки и сигнализации. В случае утечки водорода, обнаружение происходит автоматически детекторами. Программа при этом сразу отключает генерацию и запускает вентилятор для проветривания помещения. Переносной детектор утечки находится обязательно у оператора. Все эти меры позволяют достичь высокой степени безопасности при эксплуатации электролизеров.

Давно хотел сделать подобную штуку. Но дальше опытов с батарейкой и парой электродов не доходило. Хотелось сделать полноценный аппарат для производства водорода, в количествах для того чтобы надуть шарик. Прежде чем делать полноценный аппарат для электролиза воды в домашних условиях, решил все проверить на модели.

Общая схема электролизера выглядит так.

Эта модель не подходит для полноценной ежедневной эксплуатации. Но проверить идею удалось.

Итак для электродов я решил применить графит. Прекрасный источник графита для электродов это токосъемник троллейбуса. Их полно валяется на конечных остановках. Нужно помнить, что один из электродов будет разрушаться.

Пилим и дорабатываем напильником. Интенсивность электролиза зависит от силы тока и площади электродов.

К электродам прикрепляются провода. Провода должны быть тщательно изолированы.

Для корпуса модели электролизера вполне подойдут пластиковые бутылки. В крышке делаются дырки для трубок и проводов.

Все тщательно промазывается герметиком.

Для соединения двух ёмкостей подойдут отрезанные горлышки бутылок.

Их необходимо соединить вместе и оплавить шов.

Гайки делаются из бутылочных крышек.

В двух бутылках в нижней части делаются отверстия. Все соединяется и тщательно заливается герметиком.

В качестве источника напряжения будем использовать бытовую сеть 220в. Хочу предупредить, что это довольно опасная игрушка. Так что, если нет достаточных навыков или есть сомнения, то лучше не повторять. В бытовой сети у нас ток переменный, для электролиза его необходимо выпрямить. Для этого прекрасно подойдет диодный мост. Тот что на фотографии оказался не достаточно мощным и быстро перегорел. Наилучшим вариантом стал китайский диодный мост MB156 в алюминиевом корпусе.

Диодный мост сильно нагревается. Понадобится активное охлаждение. Кулер для компьютерного процессора подойдет как нельзя лучше. Для корпуса можно использовать подходящую по размеру распаячную коробку. Продается в электротоварах.

Под диодный мост необходимо подложить несколько слоев картона.

В крышке распаячной коробки делаются необходимые отверстия.

Так выглядит установка в сборе. Электролизер запитывается от сети, вентилятор от универсального источника питания. В качестве электролита применяется раствор пищевой соды. Тут нужно помнить, что чем выше концентрация раствора, тем выше скорость реакции. Но при этом выше и нагрев. Причем свой вклад в нагрев будет вносить реакция разложения натрия у катода. Эта реакция экзотермическая. В результате неё будет образовываться водород и гидроксид натрия.

Тот аппарат, что на фото выше, очень сильно нагревался. Его приходилось периодически отключать и ждать пока остынет. Проблему с нагревом удалось частично решить путем охлаждения электролита. Для этого я использовал помпу для настольного фонтана. Длинная трубка проходит из одной бутылки в другую через помпу и ведро с холодной водой.

Электролиз воды - это самый старый способ получения водорода. Пропуская постоянный ток через воду, на катоде накапливается - водород, а на аноде - кислород. Получение водорода электролизом очень энергозатратный производство, поэтому используется исключительно в тех областях, где данный газ достаточно ценен и необходим.

Получение водорода в домашних условиях достаточно легкий процесс и есть несколько способов сделать это:

1. Нам понадобится раствор щелочи не пугайтесь этих названий т.к. все это есть в свободном доступе.

Например, средство для очистки труб «крот» отлично подойдет по составу. Насыпаем в колбу немного щелочи и заливаем 100 мл воды;

Тщательно перемешиваем для полного растворения кристаллов;

Добавляем несколько небольших кусочков алюминия;

Ждем около 3-5 минут, пока реакция будет проходить максимально быстро;

Добавляем дополнительно несколько кусочков алюминия и 10-20 грамм щелочи;

Закрываем резервуар специальной колбой с трубкой, которая ведет в резервуар для сбора газа и ждем несколько минут пока воздух не выйдет под давлением водорода из сосуда.

2. Выделение водорода из алюминия, пищевой соли и сульфата меди.

В колбу насыпаем сульфат меди и чуть больше соли;

Разбавляем все водой и хорошо перемешиваем;

Ставим колбу в резервуар с водой, так как при реакции будет выделяться много тепла;

В остальном все нужно делать так же как в первом способе.

3. Получение водорода из воды путем пропускания тока в 12В через раствор соли в воде. Это самый простой способ и больше всего подходит для домашних условий. Единственный минус этого способа в том, что водорода выделяется сравнительно мало.

Итак. Теперь вы знаете, как получить водород из воды и не только. Вы можете проводить очень много экспериментов. Не забывайте придерживаться правил безопасности во избежание травм.

Получение водорода в домашних условиях

В данной статье описаны наиболее популярные способы получения дешевого водорода в домашних условиях.

Способ 1. Водород из алюминия и щелочи.

Используемый раствор щелочи - едкого кали, либо едкого натра. Выделяемый водород более чистый, чем при реакции кислот с активными металлами.

Насыпаем в колбу небольшое количество едкого кали либо натра и заливаем 50 -100 мл воды, перемешиваем раствор до полного растворения кристаллов. Далее добавляем несколько кусочков алюминия. Сразу же начнется реакция с выделением водорода и тепла, сначала слабая, но постоянно усиливающаяся.

Дождавшись пока реакция будет происходить более активно, аккуратно добавим еще 10г. щелочи и несколько кусочком алюминия. Так мы значительно усилим процесс.

Закупориваем колбу, пробиркой с трубкой ведущей сосуд для сбора газа. Ждем примерно 3 -5 мин. пока водород вытеснит воздух из сосуда.

Как образуется водород? Оксидная пленка, которая покрывающая поверхность алюминия, при контакте с щелочью разрушается. Так как алюминий является активным металлом, то он начинает реагировать с водой, растворяясь в ней, при этом выделяется водород.

2Al + 2NaOH + 6h3O → 2Na + 3h3

Способ 2. Водород из алюминия, сульфата меди и пищевой соли.

В колбу насыпаем немного сульфата меди, и соли. Добавляем воду и перемешиваем до полного растворения. Раствор должен, окрасится в зеленый цвет, если этого не произошло, добавьте еще небольшое количество соли.

Колбу необходимо поставить в чашку наполненной холодной водой, т.к. при реакции, будет выделятся большое количество тепла.

Добавляем в раствор несколько кусочков алюминия. Начнется реакция.

Как происходит выделение водорода? В процессе образуется хлорид меди, смывающий оксидную пленку с метала. Одновременно с восстановлением меди происходит образование газа.

Способ 3. Водород из цинка и соляной кислоты.

Помещаем в пробирку кусочки цинка и заливаем их соляной кислотой.

Являясь активным металлом цинк, взаимодействуя с кислотой, вытесняет из нее водород.

Zn + 2HCl → ZnCl2 + h3

Способ 4. Производство водорода электролизом.

Пропускаем через раствор воды и проваренной соли электрический ток. При реакции, будет выделятся водород и кислород.

Получение водорода электролизом воды.

Эта модель не подходит для полноценной ежедневной эксплуатации. Но проверить идею удалось. Итак для электродов я решил применить графит. Прекрасный источник графита для электродов это токосъемник троллейбуса. Их полно валяется на конечных остановках. Нужно помнить, что один из электродов будет разрушаться.

Пилим и дорабатываем напильником. Интенсивность электролиза зависит от силы тока и площади электродов. К электродам прикрепляются провода. Провода должны быть тщательно изолированы. Для корпуса модели электролизера вполне подойдут пластиковые бутылки. В крышке делаются дырки для трубок и проводов. Все тщательно промазывается герметиком.

Для соединения двух ёмкостей подойдут отрезанные горлышки бутылок. Их необходимо соединить вместе и оплавить шов. Гайки делаются из бутылочных крышек. В двух бутылках в нижней части делаются отверстия. Все соединяется и тщательно заливается герметиком.

Под диодный мост необходимо подложить несколько слоев картона. В крышке распаячной коробки делаются необходимые отверстия. Так выглядит установка в сборе. Электролизер запитывается от сети, вентилятор от универсального источника питания. В качестве электролита применяется раствор пищевой соды. Тут нужно помнить, что чем выше концентрация раствора, тем выше скорость реакции. Но при этом выше и нагрев. Причем свой вклад в нагрев будет вносить реакция разложения натрия у катода. Эта реакция экзотермическая. В результате неё будет образовываться водород и гидроксид натрия.

Место подсоединения трубки к шарику хорошо снабдить краником. Продаются в зоомагазинах в отделе для аквариумов.

Основные знания по классическому электролизу.

Принцип экономичности электролизёра для получения газа h3 и O2.

Наверняка все знают, если опустить два гвоздя в раствор питьевой соды и подать на один гвоздь плюс, а на другой минус, то на минусе будет выделяться Водород, а на плюсе Кислород.

Теперь наша задача найти такой подход, чтобы получить как можно больше этого газа и потратить при этом минимальное количество электроэнергии.

Урок 1. Напряжение

Разложение воды начинается при подаче на электроды чуть больше 1,8 вольта. Если подавать 1 вольт, то ток практически не идёт и не выделяется газ, а вот когда напряжение подходит к значению 1,8 вольта, то ток резко начинает расти. Это называется минимальный электродный потенциал при котором начинается электролиз. Поэтому- если мы подадим 12 вольт на эти 2 гвоздя - то такой электролизёр будет жрать много электроэнергии, а газу будет мало. Вся энергия уйдёт в нагрев электролита.

Для того. чтобы наш электролизёр был экономичным - надо подавать не более 2-х вольт на ячейку. Поэтому, если у нас 12 вольт - мы делим их на 6 ячеек и получаем на каждой по 2 вольта.

А теперь упрощаем - просто разделим ёмкость на 6 частей пластинами- в результате получится 6 ячеек, соединённых последовательно на каждой ячейке будет по 2 вольта каждая внутренняя пластина с одной стороны будет плюсом, а с другой минусом. Итак - урок номер 1 усвоили = подавать маленькое напряжение.

Теперь 2-ой урок экономичности: Расстояние между пластинами

Чем больше расстояние - тем больше сопротивление, тем больше потратим тока для получения литра газа. Чем меньше расстояние - тем меньше потратим Ватт в Час на Литр газа. Далее буду пользоваться именно этим термином - показатель экономичности электролизёра / Из графика видно, что чем ближе находятся пластины друг к другу - тем меньше напряжение требуется для прохождения одного и того же тока. А как известно выход газа прямо пропорционален количеству тока прошедшего через электролит.

Перемножая более маленькое напряжение на ток - мы получим меньше ватт на то же количество газа.

Теперь 3-й урок. Площадь пластин

Если мы возьмём 2 гвоздя и используя первые два правила расположим их близко и подадим на них 2 вольта - то газу получится совсем мало, так как они пропустят очень мало тока. Попробуем при тех же условиях взять две пластины. Теперь количество тока и газа будет увеличено прямо пропорционально площади этих пластин.

Теперь 4-й урок: Концентрация электролита

Используя первые 3 правила возьмём большие железные пластины на маленьком расстоянии друг от друга и подадим на них 2 вольта. И опустим их в водичку, добавив одну щепотку соды. Электролиз пойдёт, но очень вяло, вода будет нагреваться. Ионов в растворе много будет, сопротивление будет маленькое, нагрев уменьшится а количество газа увеличится

Источники: 505sovetov.ru, all-he.ru, zabatsay.ru, xn----dtbbgbt6ann0jm3a.xn--p1ai, domashnih-usloviyah.ru

Медный бунт

Медный бунт произошел в Москве 25 июля 1662 года. Причиной послужило следующее обстоятельство. Россия вела затяжную войну...