Производство  ->  Энергетика  | Автор: | Добавлено: 2015-03-23

Получение водорода и исследование его физических свойств

Последнее время на Земле происходят заметные климатические изменения. Средняя мировая температура повысилась на 0,6 ºС.

«Усиленный парниковый эффект» вызвал погодные аномалии, которые в будущем грозят человечеству неисчислимыми бедствиями: повышением уровня моря и затоплением низинных земель, смещением климатических зон, нарушением экосистем. Перед угрозой экологической катастрофы ученые, политики и экономисты разных стран выработали международную рамочную Конвенцию ООН по изменению климата. Она была подписана 185-ю государствами. В 1997 году был подписан протокол, устанавливающий для стран-участниц юридически обязательные мероприятия по сокращению выбросов парниковых газов. Достичь снижения выбросов парниковых газов можно двумя основными способами: за счет экологически чистых источников энергии – солнца, ветра, приливов, геотермальных вод, биологических топливных элементов и за счет сокращения объёма потребляемого природного сырья – нефти, газа, угля.

Возможности нетрадиционной энергетики оцениваются Мировым энергетическим советом следующим образом: в начале 21 века до 6% общего энергопотребления приходится на долю нетрадиционных возобновляемых источников энергии (НВИЭ), а к 2030 году НВИЭ могут дать энергию, эквивалентную 50-70% современного уровня.

Колоссальные запасы энергии аккумулирует Мировой океан. Ее проявление встречается в самых разных формах. Каждая из этих форм обладает своим энергетическим потенциалом, а его совокупность выражается в энергии океана.

Водородная энергетика. Получение водорода как топлива с помощью энергии воды, солнца, ветра и биомассы.

В декабре 2003 года была принята «Программа по научно - исследовательским и опытно – конструкторским работам по водородной энергетике и топливным элементам. » В ней принимают участие 20 академических и отраслевых институтов. Основная цель развития водородных технологий - снижение зависимости от существующих энергоносителей – нефти и газа. Основное преимущество водорода – экологическая безопасность и высокая энергетическая отдача. При горении водорода образуется только вода, а теплота сгорания 143 кДж/г, т. е. выше, чем у углеводородов (29 кДж/г). Водород – самое распространенное вещество во Вселенной, но на Земле в свободном виде его практически нет. Водород не источник энергии, а её носитель. Сейчас водород получают из природного газа методом каталитической конверсии с водяным паром. Но этот способ ведет в тупик, потому что газа не много. Неиссякаемый источник водорода - вода. Технология будет выгодной, если использовать дешёвую энергию – воды, ветра, солнца.

Водород – источник энергии в будущем, решение энергетической проблемы, ведь его можно получать из самого распространенного вещества на Земле – воды. Получить водород в условиях лаборатории, используя доступные материалы, и исследовать его характеристики показалось мне занимательным и важным.

Важной является также реакция горения водорода. Реакция водорода с таким хорошим окислителем, как кислород, протекает с большим выделением энергии. Водород является чрезвычайно теплотворным химическим топливом. Кроме того, при сжигании водорода образуется только вода, в то время как другие топлива загрязняют атмосферу оксидами углерода, азота и несгоревшими остатками топлива.

Чистая дистиллированная вода – практически диэлектрик. Если последовательно с лампой накаливания соединить ванну с дистиллированной водой, в которую опущены металлические пластины, и включить в электрическую сеть, то лампа гореть не будет. Если же в ванну ввести несколько капель кислоты, то лампа ярко загорается. Значит, раствор кислоты в воде – хороший проводник тока.

Молекулы воды являются природными диполями, а молекула кислоты состоит из двух разноименно заряженных ионов, которые удерживаются силами кулоновского взаимодействия. Вода ослабляет притяжение ионов в 80 раз, именно это значение диэлектрической постоянной воды. Хаотически движущиеся молекулы воды ударяют со всех сторон молекулу кислоты, в результате чего она распадается на ионы. Диполи воды окружают молекулу кислоты и растаскивают ее на ионы.

Образованные ионы могут снова создать молекулу кислоты, поэтому данный процесс записывают так:

HCl↔H+ + Cl-

Распад молекул на ионы под действием растворителя называют электролитической диссоциацией.

Число, показывающее, какую часть всех молекул растворенного вещества составляют молекулы, распавшиеся на ионы, называется степенью диссоциации.

Носителями зарядов в растворах являются только ионы. При диссоциации ионы водорода и всех металлов оказываются заряженными положительно.

Диссоциацию молекул на ионы может вызвать не только растворитель. Например, при сильном нагревании вещества его молекулы, состоящие из ионов, могут диссоциировать на отдельные ионы. Поэтому расплавы солей тоже являются проводниками электрического тока.

Таким образом, согласно теории электролитической диссоциации, в растворах солей, кислот и щелочей всегда имеются свободные ионы, так как они появляются в момент растворения вещества в воде или в другом растворе.

Электролиз

Выясним подробнее, как проходит ток через раствор, в котором имеются подвижные ионы.

Жидкий проводник, в котором подвижными носителями зарядов являются только ионы, называют электролитом.

Пусть в ванну налит раствор соли NaCl в воде. Диссоциация молекул иодида натрия происходит в соответствии с уравнением:

Na Cl ↔ Na+ + Cl-

Кроме ионов Cl- в растворе присутствуют и другие отрицательные ионы, так как молекулы самой воды в небольшом количестве тоже диссоциируют:

Н2О↔Н+ + ОН-.

Ионы гидроксила легко отдают свой лишний электрон, при разряде их образуются нейтральные молекулы газообразного водорода, который выделяется на аноде.

Опустим в ванну пластины, называемые электродами. Электрод, подключенный к положительному полюсу батареи, называют анодом, а подключенный к отрицательному полюсу, катодом. Если замкнуть цепь ключом, то в электролите между электродами возникнет электрическое поле.

Из описанного выше видно, что прохождение электрического тока через электролиты сопровождается превращением вещества, то есть ток в электролитах производит химическое действие.

Прохождение электрического тока через электролиты, сопровождающееся химическими превращениями вещества и выделением его на электродах, называется электролизом.

Сосуд с электродами, в котором находится электролит, называют электролитической ванной. Положительные ионы, идущие к катоду, называют катионами, а отрицательные ионы – анионами. Ион водорода является катионом.

При прохождении тока через электролит выделение вещества происходит на обоих электродах. По химическому составу это разные части молекулы растворенного вещества. По количеству (М/n) они равны, а знаки зарядов у них противоположны.

В нашем примере вещества выделяются на обоих электродах. На катоде выделяется водород, на аноде – хлор. Выделение вещества на обоих электродах происходит при неактивном аноде, который не растворяется в электролите. В нашем примере пластины реагируют с электролитом, в результате чего анод разрушается вследствие образования кислоты, в растворе выделяется соль железа. В технике применяют угольные или графитовые электроды.

При соприкосновении с катодом положительные ионы получают недостающие им электроны и выделяются в виде нейтральных атомов, а взамен электронов, ушедших на нейтрализацию ионов, новое количество электронов переходит от батареи к катоду. Точно так же отрицательные ионы при соприкосновении с анодом отдают ему свои избыточные электроны, превращаясь в нейтральные атомы; электроны же уходят по металлическим проводам в батарею. Таким образом, ток в электролите обусловлен движущимися ионами; на электродах происходит нейтрализация ионов и выделение их в виде нейтральных атомов (или молекул).

Электропроводность электролитов является ионной, что обусловлено движением в них положительных и отрицательных ионов, которые образуются из нейтральной молекулы путем распада ее на две части, заряженные равными и противоположными зарядами. Молекулы растворенного вещества, которые до растворения были электрически нейтральными, при растворении распадаются на положительные и отрицательные ионы, способные перемещаться независимо друг от друга.

В каждом направлении за единицу времени протекает одинаковый положительный и отрицательный заряд, то есть нет направленного тока – преимущественного переноса заряда в определенном направлении.

Ток в электролите подчиняется закону Ома, то есть изменяется прямо пропорционально напряжению. При нагревании электролитов уменьшается их вязкость и в них возрастает подвижность ионов. Кроме того, при нагревании электролита возрастает степень диссоциации молекул растворенного вещества, то есть увеличивается количество носителей тока в электролите. Это означает, что сопротивление электролитов при нагревании уменьшается.

Количество вещества, выделяющееся на электроде при электролизе. Первый закон Фарадея.

Явление электролиза было изучено М. Фарадеем. Измеряя протекший через раствор заряд и массу катода до и после электролиза, Фарадей установил, что масса вещества, выделившегося на электроде, прямо пропорционально количеству электричества, протекшего через раствор m = k q , где m – масса вещества, кг q - заряд, прошедший через раствор, Кл

Эта формула является численным выражением первого закона Фарадея.

Физический смысл закона. Каждый осаждающийся на электроде ион переносит с собой некоторый электрический заряд. Это значит, что полный заряд, перенесенный всеми ионами, должен быть строго пропорционален полному количеству ионов, осевших на электродах, то есть массе выделенного вещества.

Название «ион» было введено Фарадеем («ион» по-гречески означает «идущий»)

Опыты Фарадея показали, что масса выделенного при электролизе вещества зависит не только от величины заряда, но и от рода вещества.

Коэффициент пропорциональности k, выражающий зависимость массы выделенного при электролизе вещества от его рода, называют электрохимическим эквивалентом вещества. Электрохимический эквивалент измеряется массой вещества, выделяющегося на электроде при прохождении через электролит единицы заряда: k = m / q.

В системе СИ единицей электрохимического эквивалента k является 1 кг/Кл. Полагая заряд q = 1 Кл, мы получим, что k равно массе вещества, выделяемой зарядом в 1 Кл, или иначе – массе, выделяемой током в 1 А за 1 сек.

Поскольку q = I t,то первый закон Фарадея можно записать следующим образом: m= k I t.

На опыте можно определить электрохимические эквиваленты с большой точностью. В свое время это позволило использовать для определения кулона по электрохимическому эквиваленту серебра, который был измерен особенно тщательно и оказался равным 1,118*10-6 кг∕ Кл = 1,118 мг∕ Кл.

Электрохимические эквиваленты различных веществ очень существенно отличны один от другого. От каких свойств вещества зависит величина его электрохимического эквивалента? Оказывается, его величина зависит от атомного веса и валентности.

Выясним, как теория объясняет опыты Фарадея. Ион. Разряжающийся при электролизе на катоде, присоединяет к себе определенное число электронов, например, ион серебра – один электрон, а ион меди – два электрона. Следовательно, заряд, перенесенный через электролит при прохождении электрического тока, должен быть прямо пропорционален числу разрядившихся ионов. Поскольку массы ионов определенного вида точно одинаковы, то общая масса всех ионов пропорциональна их числу. А это означает, что масса выделенного при электролизе вещества должна быть прямо пропорциональна заряду, прошедшему через раствор, что соответствует закону Фарадея.

Поскольку ионы разного вида имеют неодинаковую массу (например, масса иона серебра в 107,9 раза больше, чем масса иона водорода), масса выделенного при электролизе вещества должна зависеть от его рода.

Второй закон Фарадея. Определение заряда иона.

Масса одного моля ионов М в граммах равна относительной молекулярной масса одного иона: М = mотн (г∕ моль) = mотн*10-3 (кг∕ моль).

Частное от деления молярной массы ионов на их валентность (М∕ n) называют химическим эквивалентом. Это отношение показывает, сколько граммов данного вещества необходимо для замещения одного грамм-атома водорода в химических соединениях. Грамм-атомом называют количество вещества, число граммов которого равняется его атомному весу. В одном грамм-атоме любого вещества содержится 6,02*1023 атомов (число Авогадро). У одновалентных веществ химический эквивалент равен грамм-атому. Например, относительная масса меди 63,54, а валентность ионов меди равна 2. Тогда молярная масса меди равна 63. 54 г∕ моль, а ее химический эквивалент равен (63,54∕ 2) г∕ моль = 31,77 г∕ моль = 31,77*10-3 кг∕ моль.

В результате своих опытов Фарадей нашел, что для выделения на электроде химического эквивалента ионов любого вида нужно пропустить через электролит одинаковое количество электричества F. Это количество электричества принято называть числом Фарадея или постоянной Фарадея: F = 96400 Кл∕ моль. Следовательно, общий заряд всех ионов, составляющих один химический эквивалент, равен F.

Если при электролизе выделилось на электроде m килограммов вещества, а химический эквивалент составляет М∕ n кг∕ моль, то отношение m к (М∕ n) выражает число выделенных химических эквивалентов. Если при этом через раствор прошло q кулонов электричества, а для выделения одного химического эквивалента необходимо F кулонов, то отношение q к F тоже есть количество химических эквивалентов, выделенных при электролизе. Таким образом, m : ( M/ n) = q : F, откуда m = (M/ n F) q. (*)

Так как m = k q, то k = C*(M/ n), где C = 1/F, то есть электрохимический эквивалент прямо пропорционален своему химическому эквиваленту. Это формулировка второго закона Фарадея.

Формула (*) представляет собой объединенный закон Фарадея.

Физический смысл данного закона. Положим m=A/n, то есть возьмем массу одного химического эквивалента данного вещества. Тогда получим F=q. Это значит, что F численно равен заряду, который необходимо пропустить через любой электролит, чтобы выделить на электродах вещество в количестве, равном одному химическому эквиваленту.

С помощью законов Фарадея можно определить заряд электрона.

При прохождении через электролит заряда, равного 96400 Кл, выделяется A/n граммов любого вещества, то есть 1/n грамм-атома этого вещества. Иначе говоря, для выделения одного грамм-атома вещества (то есть А граммов его) через электролит должен протечь заряд q = n* F кулонов. Таким образом, при выделении 1 грамм-атома одновалентного вещества (1 г водорода, 23 г натрия, 108 г серебра и так далее) через электролит проходит F= 96400 Кл; при выделении 1 грамм-атома двухвалентного вещества (16 г кислорода, 65,4 г цинка, 63,6 г меди и так далее) через электролит проходит 2F= 2* 96400=192800 Кл и так далее.

Но мы знаем, что в одном грамм-атоме любого вещества содержится одно и то же число атомов ( число Авогадро). Таким образом, каждый ион одновалентного вещества, выделяющийся на электроде, несет на себе заряд 1,6*10-19 Кл.

Если валентность ионов равна единице, то n = 1, химический эквивалент М/n равен молярной массе ионов М, а заряд каждого иона численно равен е. Число ионов в одном моле равно числу Авогадро NА. Поэтому, если общий заряд всех ионов моля равен F, то е = F/NА.

Подставляя в эту формулу числовые значения F и NА, находим заряд одновалентного иона или заряд электрона: е= 9,65*104 Кл\моль ∕ 6,02*1023 ионов\моль = 1,6*10-19 Кл\ион.

При выделении каждого атома двухвалентного вещества через электолит проходит вдвое больший заряд 2F/N=3,2*10-19 Кл и так далее. Вообще при выделении каждого атома n валентного вещества через электролит переносится заряд n F/N = n e Кл.

Заряды, переносимые при электролизе с каждым ионом, представляют собой целые кратные некоторого минимального количества электричества, равного 1,6*10-19 Кл. Любой одновалентный ион (ион калия, серебра и друг. ) переносит один такой заряд. Любой двухвалентный ион (ион цинка, ртути и так далее) переносит два таких заряда и так далее. Никогда не встречается при электролизе случаев, когда бы с ионом переносился заряд, содержащий дробную часть от 1,6*10-19 Кл. Немецкий физик и физиолог Гельмгольц, обративший внимание на это следствие из законов Фарадея, сделал отсюда заключение, что указанное количество электричества представляет наименьшее количество электричества, существующее в природе. Этот минимальный заряд получил название элементарного заряда, или атома электричества.

Одновалентные анионы ( ионы хлора, йода и т. д. ) несут на себе один отрицательный элементарный заряд, одновалентные катионы (ионы водорода, калия, натрия, серебра и т. д. ) – один положительный элементарный заряд, двухвалентные анионы – два отрицательных элементарных заряда, а двухвалентные катионы - два положительных элементарных заряда и так далее. Таким образом, в явлениях электролиза исследователи впервые столкнулись с проявлениями атомной природы электричества и сумели определить величину элементарного электрического заряда. Позже были обнаружены и другие явления, в которых проявляется атомная природа электричества, и были найдены другие способы измерения элементарного отрицательного заряда – заряда электрона.

Значение заряда электрона, полученное еще в 1876 году, с достаточной степенью точности совпадает с результатами опытов Милликена, что подтверждает электронную теорию строения вещества и теорию электролитической диссоциации.

Экспериментальная часть

Первичным результатом электролиза является выделение на электродах составных частей молекулы растворенного вещества. Однако фактически мы часто обнаруживаем на одном или обоих электродах не те атомы или атомные группы, которые перемещались в растворе и первоначально выделялись на электродах, а другие, освобождающиеся при вторичных химических реакциях, в которые вступают освободившиеся первичные атомы и группы.

Вода взаимодействует с хлоридом натрия под действием электрического тока, получаем водород, хлор и гидроксид натрия.

Независимо от того, выделяются ли на электродах первичные продукты электролиза или продукты вторичных реакций, законы Фарадея всегда сохраняют силу. Это происходит потому, что каждый атом какого-то вещества, выделяющийся на электродах, вступая в дальнейшие химические реакции, может заменить собой либо один атом или группу атомов той же валентности, либо несколько атомов, общая сумма валентностей которых равна его валентности.

В работе исследовались законы электролиза, в частности, характеристики водорода, выделяющегося на катоде.

Состояние водорода, выделяющегося в процессе электролиза, подчиняется уравнению Клапейрона-Менделеева:

P V = (m/M)R T, где P - давление водорода,

V - объем водорода m - масса водорода, получающегося в результате электролиза

M - молярная масса водорода, определенная по Периодической системе элементов Д. И. Менделеева

R - универсальная газовая постоянная, равная 8,31 Дж∕ моль К,

T - температура.

Как следует из законов Фарадея, масса выделившегося водорода m = k q = k I t.

Так как водород – газообразное вещество, его массу на эксперименте измерить не удается, для этого и необходимо воспользоваться уравнением состояния идеального газа.

Давление столба жидкости на уровне соприкосновения жидкости и газа P = Patm + ρgh

Объем водорода, определяемый в ходе эксперимента, равен: V = k I t R T/(M P).

Электрохимический эквивалент берется из таблицы: k = 0,0104*10-6 кг\Кл,

Температура определялась с помощью жидкостного термометра, молярная масса водорода равна 2*10-3 кг\моль, атмосферное давление определялось по показаниям барометра. Погрешность измерений высоты столба жидкости на последней стадии опыта составит 1\50= 0,02, то есть 2%. При проведении эксперимента температура составляла 180С=2910К, а давление Р=99218 Па. Ускорение свободного падения принято за 9,8 м\с2.

Порядок проведения эксперимента

Приборы и материалы: электролитическая ванна, шприц с отрезанной узкой частью, графические электроды, амперметр, источник тока, соединительные провода, часы, поваренная соль, вода.

▪ Замыкаем электрическую цепь и наблюдаем на одном из электродов образование пузырьков.

▪ Пузырьки поднимаются вверх и вытесняют раствор из шприца.

▪ Достаем шприц из раствора. Газ не выходит, т. к. он легче воздуха.

▪ Подносим спичку к открытому концу шприца, раздается глухой хлопок.

▪ Результаты опыта заносим в таблицу.

Обсуждение полученных результатов

В результатах прослеживается прямая пропорциональная зависимость между временем прохождения тока и объемом образующегося водорода. С увеличением силы тока в 1,714 раза объем водорода увеличился в 1,625 раза. Увеличение происходит за счет роста числа носителей в растворе. Разница величин входит в пределы погрешности.

Эксперимент был повторен с большим объемом шприца (20 мл). Течение опыта не изменилось, исключая время его проведения. Значит, водород можно получать любого объема. В ходе эксперимента замечено некоторое уменьшение объема водорода, скорости электролиза при уменьшении эффективной площади катода. Наши измерения, проведенные в столь необычных условиях, подтверждают, что в домашних условиях, используя низкое напряжение и доступные вещества: воду и поваренную соль – можно получить альтернативный источник энергии – водород.

Выводы из опытов

■ Изготовлена установка для производства водорода в условиях домашней лаборатории.

■ Полученный водород оказался чистым.

■ Полученного водорода оказалось достаточно для исследования.

■ Давление водорода оказалось приблизительно равным атмосферному.

■ В случаях, когда давление водорода сравнивалось с давлением атмосферы, реакция останавливалась. При превышении давления атмосферы реакция продолжалась.

Направления совершенствования опыта

■ Выяснить, является ли полученный газ идеальным, или к нему применимы законы реальных газов.

■ Получить водород большего объема.

■ Проверить сосуд, собирающий водород, на герметичность и выяснить объективно процентное содержание воздуха в данном шприце.

Применение

Водород в данное время используется в качестве горючего в современной ракетной технике в водородно-кислородных двигателях, проведены стендовые исследования системы лазерного зажигания запального устройства ракетного двигателя

Ученые пытаются применить водород в автомобильном транспорте, ранее он применятся в воздушном транспорте для наполнения дирижаблей. В США началась программа по развитию "водородного автомобилестроения". Однако, по предварительным прогнозам, лишь в 2013 году треть новых машин, сходящих с конвейера, будет работать на водороде.

В Санкт-Петербурге 23 сентября 2003г. сделаны заявления о сотрудничестве России и США в работах по развитию водородной экономики.

Водород в настоящее время получают в огромных количествах, но довольно дорогостоящими способами.

Синяк Ю. В. в статье «Перспективы применения водорода в системах децентрализованного электро и тепло снабжения» рассмотрел возможности использования водорода, получаемого на базе природного газа, в топливных элементах в системах децентрализованного электро и теплоснабжения, определил условия конкурентоспособности новой технологии по сравнению с централизованными системами и децентрализованными на базе мини-ТЭЦ с газотурбинными или газопоршневыми двигателями.

Комментарии


Войти или Зарегистрироваться (чтобы оставлять отзывы)