Электролиз воды получение водорода уравнение

Добыча водорода из воды: методы и получение в домашних условиях

Наука настолько быстро развивается, что ученые уже научились разными способами получать такой химический элемент как водород. В первую очередь, это делается для хорошей альтернативы в топливе для машин в будущем, чтобы автомобили больше не заправлять бензином. «H» станет отличной альтернативой для всего, если эта сфера поднимется на более высокий уровень. Его преимущество в экологичности!

На данный момент существует несколько способов по добыче этого элемента. Ниже будут рассмотрены все эти методы получения, а так же как добыть водород в домашних условиях.

Способы получения водорода

Методы получения веществ бывают промышленными и лабораторными. В промышленности их получают в больших объемах, а в лабораторных в небольших.

Электролизный метод

К промышленному методу относится электролиз воды. Электролиз, если объяснять просто — это разложение веществ под действием электрического тока. Сам процесс достаточно сложный.

Стоит знать, что такое электролиз, чтобы можно было разбираться дальше в этой теме. Это окислительно-восстановительный процесс, протекающий, который протекает на электродах (катиона и аниона), протекающий под действием электрического тока. Окислительно-восстановительный процесс предполагает, что после реакции несколько химических элементов из положительных станут отрицательными (анионами), и наоборот (катионами).

Разобравшись со значением названия, теперь нужно понять, как получают водород! Электролиз — 1 из самых простых способов.

Берется емкость. В нее заливается сода с водой. Внутрь кладутся 2 электрических элемента. 1 должен быть анодом (плюс), а второй (минус). Затем через содовый раствор пропускается электрический ток. Под действием тока водород отправляется к катоду, а вода (Н2О) к аноду.

Восстановление водяного пара металлами

Что происходит в этом случае? Металл взаимодействует с водой при нагревании. Чтобы жидкость превратилась в пар ее нужно нагреть минимум до 100 градусов. Металл+вода = реакция замещения. Образуется оксид и газообразный водород. Но вступать в такие реакции для образования впоследствии водорода могут далеко не все элементы металлов. Существует химическая таблица, в которой химические вещества расположены друг за другом в порядке уменьшения концентрации (слева направо). Все вещества, находящиеся после водорода (Н) не могут вступать в реакции замещения и, соответственно, не имеют возможности впоследствии образовывать газообразный водород.

Как получить нужный элемент?

Выделение водорода происходит следующим образом (с научной точки зрения):

Zn + H2O = ZnO + H2.

В начале был цинк и вода. Этот металл может участвовать в реакциях, т.к. он активнее водорода (находится левее). В результате Zn вытеснил Н из Н2О, встав на его место. Водород же остался «одиноким», простым веществом, выделившись в газообразном состоянии.

Точно такой же пример можно привести с магнием:

Mg + H2O = MgO + H2.

Из метана

Метан — органическое соединение (главный компонент природного газа). При окислении метана при наличии кислорода и воды при нагревании образуется углекислый газ(2СО2) и газ-водород (6Н2). Оба газа на выходе бесцветные, не имеющие вкуса и запаха.

Такую смесь необходимо разделить на отдельные компоненты (очистить водород от примесей углекислого газа). Для этого 2СО2 пропускают через известковую воду Са(ОН)2. Углекислый газ пропускают через бесцветную жидкость. В результате образуется нерастворимый остаток карбоната кальция. Н пройдет через воду без изменений. После пропускания известковая жидкость мутнеет. Это происходит из-за остаточных явления после 2СО2.

Восстановление водяного пара коксом

Кокс — это уголь (С). При взаимодействии кокса с водяным паром (с водой при нагревании) образуется оксид угарного газа и газообразный водород. Этот метод, в первую очередь, используется для получения Н. Этот способ используется для синтеза многих других веществ. Такую реакцию называют синтез-газ, т.е. получение 2-х газообразных элементов.

Мембранная сепарация

Тоже очень интересный метод выведения газообразного неметалла. Процесс довольно простой в описании.

СО (угарный газ), Н2О(воду) и СО2 (углекислый газ) пропускают через палладиевые решетки. Они состоят палладиево-серебряного сплава. Только 3 элемента могут пройти сквозь решетку. На выходе ученые получают 99% долгожданный водород.

Способ адсорбции

Для него в работу берутся твердые вещества (всем привычный активированный уголь). Его задача поглотить собой газовые смеси, чтобы на выходе получить Н2. Конечно, в работе также используют циклические адсорбенты (молекулярные сита), позволяющие в дальнейшем выделиться нужному веществу.

Свое название метод получил из-за адсорбентов — тех самых твердых веществ.

Взаимодействие металлов с разбавленными кислотами

Данный метод уже относится к лабораторному, т.е. на выходе уже не получится такого большого количества водорода.

Все та же реакция замещения. Металл может вступать в реакцию замещения, образуя соль кислоты и образуется газообразный Н. Отличия в том, что на место воды в химической формуле стоят кислоты (разбавленные):

Zn +HCl = ZnCl + H2

Mg + H2SO4 (серная кислота разбавленная) = MgSO4 + H2

Чаще всего в лаборатории используют цинк и магний, поэтому именно эта химическая формула наиболее популярна.

Электролиз воды

Последний способ, которым добывают водород — электролиз воды. Реакция происходит очень просто. Вода под действием электрического тока расщепляется на отдельные простые элементы воды и водорода. Отсюда и название (электролиз):

Это все способы получения водорода! Далее вы узнаете, как можно самостоятельно, своими руками создать настоящий прибор-генератор для получения Н2.

Добыча водорода в условиях домашнего хозяйства

Хоть получение водорода и кажется чем-то нереальным, его можно получить у себя дома на кухне. Но для этого вам понадобится электролизер. Без него никак! Ниже представлена инструкция, как его сделать!

P.S. В самом конце, когда вы уже запустите свое устройство — водород будет выделяться в воде в виде пузырьков, скапливающихся на ее поверхности!

Выбор электролизера

Электролизер — это емкость, в которую заливается содовый раствор и помещаются 2 электрода. Т.е. это основа, где в будущем будут получать водород. Для домашнего эксперимента нет смысла рассматривать сложные конструкции, требующие наличие разных инструментов, у большинства людей которых просто нет.

Также, на кухне мало у кого найдутся колбы для перемещения воды по ним, металлические крюки и прочие материалы. Поэтому ниже будет представлен способ, как можно собрать настоящий электролизер из простых инструментов, продающихся в стройматериалах. Перед началом работы ознакомьтесь с техникой безопасности!

Изготовление аппарата своими руками

Самый легкий и примитивный способ, как можно получить водород в домашних условиях — это с помощью электролиза. Чтобы создать генератор — ничего особенного не понадобится.

Следуйте пошаговой инструкции.

• Возьмите 2 болта диаметром 7 мм и 6 мм.

• В качестве электродов (катиона и аниона) используйте лезвия.

• Чтобы произошло разделение электродов — нарежьте пластиковую трубку с помощью канцелярского ножа на кусочки.

• Обматайте 1 часть лезвия скотчем.

• Внутри, где есть отверстие в само металлическое изделие проденьте болт, предварительно закрутив на нем изолятор.

• Крепко зажмите гайку болтика.

• С другой стороны лезвия точно также закрутите еще 1 болт.

• Возьмите пару болтиков и закрепите выходные контакты из медной проволоки к электродам.

• Контакты крепко закрепите, поставив их в вертикальное положение.

• С помощью изоляции для проводов изолируйте медную проволоку.

• Зажгите спичку и подержите контакты с изоляцией над огнем, чтобы их стенки соединились друг с другом.

• В крышке из-под банки проделайте 2 отверстия дрелью (наметьте карандашом, где нужны дырочки, поставив на крышку сверху концы от проволоки электрода).

• Вставьте в крышечку электроды с контактами.

• Проденьте проволоку с изоляцией как можно глубже в крышку, зафиксировав и в таком виде с помощью горячего клея.

• Закрутите крышку на банке. Основная часть генератора уже готова.

• Просверлите в банке еще 1 отверстие для выхода водорода.

• Отрежьте от медицинского шприца переднюю часть и закрепите ее на 3-ем отверстие.

• Закрепите пластиковый кончик на горячий клей.

• Налейте в банку воду и крепко закрутите крышку.

• Возьмите еще 1 новый шприц со смещенным центром.

• На его верхушке просверлите отверстие.

• Внутрь него проденьте тонкую трубочку.

• Закройте снизу шприц заглушкой, накрепко приклеенной.

• Саму деталь (водяной затвор) от генератора приклейте на скотч на банку.

• Возьмите пластиковую трубку и соедините выход водорода с водяным затвором.

• Далее понадобится вольтметр с «крокодилами», цепляющимися за контакты.

• При питании в 33 В начинает вырабатываться водород.

• Разряд можно поднять до 50 В, чтобы процесс получения водорода из воды протекал быстрее.

Теперь вы знаете, как сделать устройство для получения Н. Но стоит помнить о технике безопасности!

Водород. Получение водорода.

Водород – широко распространенный элемент. Благодаря своей уникальности он может выступать в качестве окислителя и в качестве восстановителя. Существует несколько методов получения водорода.

Промышленный метод получения водорода .

1. Электролиз водных растворов солей (поваренная соль NaCl).

2. Пропускание паров поды над раскаленным коксом (Т = 1000 °С):

А на 2-ой стадии водяной газ пропускают над оксидом железа (III) при температуре около 450°С:

Часто эту реакцию называют реакцией сдвига.

3. Получение из природного газа. Основа – конверсия метана (основной компонент природного газа, СН₄) с водяным паром. В итоге получается обратимая смесь, которая называется синтез-газом. Условия протекания процесса: никелевый катализатор и 1000°С:

Эту реакцию часто используют для получения водорода для реакции Габера (синтез аммиака).

4. Крекинг нефтяных продуктов.

Лабораторный метод получения водорода.

1. Под воздействием разбавленных кислот на металлы, которые стоят в ряду напряжения левее водорода.

2. Электролиз растворов кислот, щелочей на катоде выделяется водород.

Получение водорода

История открытия водорода История водорода начинается с XVI века, когда было замечено, что при действии кислот на железо и другие металлы выделяется некий неизвестный газ. Первоначально его назвали «горючим воздухом». Такое название газ получил из-за способности гореть. Во второй половине XVIII века английский ученый Генри Кавендиш получил водород при действии соляной кислоты HCl на цинк:

Zn + 2HCl = ZnCl2 + H2­

Что же такое кислота с точки зрения химии? Кислота – это сложное вещество, в состав которого всегда входят атомы водорода. В формулах кислот атомы водорода принято писать на первом месте. Атомы, следующие в формуле за водородом, называют кислотным остатком. Так, в соляной кислоте HCl кислотный остаток – Cl.

Например, в серной кислоте H2SO4, кислотный остаток – SO4. Кислота – сложное вещество, в состав которого входят атомы водорода и кислотный остаток Генри Кавендиш изучил свойства «горючего воздуха». Он установил, что этот газ намного легче воздуха, а при сгорании на воздухе образует прозрачные капли жидкости. Этой жидкостью оказалась вода.

Генри Кавендиша считают первооткрывателем водорода. Вывод о том, что «горючий воздух» представляет собой простое вещество, был сделан в 1784 году французским химиком Антуаном Лораном Лавуазье. Антуан Лоран Лавуазье дал этому веществу латинское название (Hydrogenium), которое происходило от греческих слов «хюдор» – вода и «геннао» – рождаю. В те годы под элементами подразумевали простые вещества, которые нельзя далее разложить на составные части. Поэтому у химического элемента водорода такое же название, как и у просто вещества H2. Русское слово водород – это точный перевод латинского названия Hydrogenium.

Получение водорода в лаборатории

Современный лабораторный способ получения водорода не отличается от того, которым его получал Генри Кавендиш. Это реакции металлов с кислотами. В лаборатории водород получают в аппарате Киппа (рисунок 152).

Аппарат Киппа изготовляется из стекла и состоит из нескольких частей:

1. реакционная колба с резервуаром;
2. воронка с длинной трубкой;
3. газоотводная трубка.

Реакционная колба имеет верхнюю шарообразную часть с отверстием, в которое вставляется газоотводная трубка, снабженная краном или зажимом, и нижний резервуар в виде полусферы. Нижний резервуар и реакционная колба разделены резиновой или пластиковой прокладкой с отверстием, через которое проходит в нижний резервуар длинная трубка воронки, доходящая почти до дна. На прокладку через боковое отверстие шпателем насыпают твёрдые вещества (мрамор, цинк). Отверстие закрывается пробкой с газоотводной трубкой. Затем при открытом кране или зажиме в верхнюю воронку заливается раствор кислоты. Когда уровень жидкости достигает вещества на прокладке, начинается химическая реакция с выделением газа. При закрытии крана давление выделяющегося газа выдавливает жидкость из реактора в верхнюю часть воронки. Реакция прекращается. Открытие крана приводит к возобновлению реакции. Поместим в реакционную колбу кусочки цинка. В качестве кислоты воспользуемся серной кислотой. При контакте цинка и серной кислоты протекает реакция:

Zn + H2SO4 = ZnSO4 + H2­

Водородом можно заполнить мыльный пузырь.

Для этого необходимо опустить газоотводную трубку в мыльный раствор. На конце трубки начнется формирование мыльного пузыря, заполненного водородом; со временем пузырь отрывается и улетает вверх, что доказывает легкость водорода. Соберем выделяющийся водород. С учетом того, что водород намного легче воздуха, для сбора водорода сосуд, в котором собирается газ, необходимо располагать вверх дном, или производить собирание методом вытеснения воды. Как обнаружить водород? Заполним пробирку водородом, держа ее вверх дном, по отношению к газоотводной трубке. Поднесем пробирку отверстием к пламени спиртовки – слышится характерный хлопок.

Хлопок – это признак того, что в пробирке содержится водород. При поднесении пробирки к пламени водород вступает в реакцию с кислородом, содержащимся в воздухе. При малых количествах реакция кислорода и водорода сопровождается хлопком. Более подробно об этой реакции будет рассказано в следующем параграфе.

Получение водорода в промышленности

Одним из промышленных способов получения водорода является реакция разложения воды под действием электрического тока:

2H2O эл.ток → 2H2­ + O2­.

Данный метод позволяет получить чистый водород и кислород. Процесс превращения химических веществ в другие вещества под действием электричества называется электролизом.

Электролиз – химическая реакция, протекающая под действием электрического тока Проведем электролиз воды. В стакан наполненный водой, опустим металлические электроды. Поверх электродов опустим в стакан пробирки, заполненные водой. Подсоединим электроды к источнику тока – батарейке. В пробирках наблюдается выделение газов – водорода и кислорода, которые вытесняют воду. Наблюдая за процессом электролиза, можно заметить, что в одной из пробирок газа собирается в два раза больше, чем в другой. Проанализировав уравнение реакции электролиза воды, можно сделать вывод, в какой пробирке выделяется водород, а в какой – кислород. Попробуйте это сделать самостоятельно.

Существуют и другие способы получения водорода. Железо-паровой метод долгое время широко применялся в промышленности. Через электрическую трубчатую печь проходит трубка из нержавеющей стали, заполненная железными стружками. Через трубку с железными стружками пропускают водяной пар. При температуре около 800°С пары воды взаимодействуют с железом, образуя оксид Fe3O4 (железную окалину) и газообразный водород:

3Fe + 4Н2О = 4Н2­ + Fe3O4.

Можно получить Н2, пропуская Н2О через слой раскаленного угля. При этом образуется смесь двух газов – СО и Н2 (водяной газ):

Н2О + С = CO­ + Н2­

В настоящее время водород получают взаимодействием углеводородов (в основном метана, СН4) с водяным паром или неполным окислением метана кислородом:

2СН4 + О2 = 2СО + 4Н2

Итог статьи:

• В лаборатории водород получают в аппарате Киппа
• Исходными веществами для получения водорода в лаборатории являются некоторые металлы и кислоты
• Собирать водород нужно методом вытеснения воды, или методом вытеснения воздуха, расположив пробирку вверх дном по отношению к газоотводной трубке
• Кислота – сложное вещество, в состав которого входят атомы водорода и кислотный остаток
• Обнаружить водород можно по характерному хлопку при поднесении пробирки с водородом к пламени
• Одним из промышленных способов получения водорода является электролиз воды
• Электролиз – химическая реакция, протекающая под действием электрического тока