Реакция получения воды: Химические свойства воды

Содержание

создана новая технология получения водорода из воды

20 июля 2021
14:06

Ольга Мурая

Водородный транспорт, наравне с электрическим, постепенно входит в нашу повседневную жизнь.

Global Look Press

Внешний вид устройства.

Фото Cockrell School of Engineering/The University of Texas at Austin.

Сегодня развитие водородного транспорта ограничено дороговизной производства чистого водорода. Инженеры из Техасского университета в Остине создали дешёвый способ получения водорода, который можно легко масштабировать для массового производства.

Инженеры из Техасского университета в Остине предложили доступный способ отделения молекулы кислорода от молекулы воды с помощью солнечного света.

Эта технология приближает наступление эры водородного топлива, которая в перспективе приведёт к полному отказу от углеводородов (нефти и газа) в качестве основных источников энергии.

Начнём с того, что водород (H) – самый распространённый химический элемент во Вселенной.

При обычных температуре и давлении воздуха на Земле водород можно встретить в виде бесцветного двухатомного газа (H₂). Однако большая часть водорода на Земле содержится в органических соединениях (в связке с углеродом) и воде (H₂O).

В присутствии воздуха H₂ становится в высшей степени взрывоопасен — при реакции водорода с кислородом высвобождается большое количество энергии.

Поэтому исследователи уже давно рассматривают водород как один из перспективных источников энергии, а создание и использование водородного топлива считается будущим энергетической промышленности.

У водородного топлива есть множество плюсов — оно позволит сократить выбросы углекислого газа в атмосферу, к тому же КПД водородного двигателя заметно выше, чем у двигателя внутреннего сгорания.

При этом минусов у водородного транспорта на сегодняшний день насчитывается тоже немало. Очевидно, что горючесть водорода представляет высокую опасность: как самовоспламенения сжатого газа внутри двигателя, так и возможной утечки газа в салон автомобиля, где малейшая искра может вызвать взрыв.

Кроме этого, сегодня производство водородного топлива зависит от ископаемых углеводородов, и к тому же стоит непомерно дорого.

Поэтому инженеры всего мира стремятся разработать новые экологические чистые методы производства водородного топлива, самым популярным из которых является выделение водорода из воды с помощью солнечного света.

Эта задача сопряжена с несколькими техническими трудностями.

«Вам потребуются материалы, которые хорошо поглощают солнечный свет, но при этом не разлагаются, когда происходит реакция расщепления воды. Оказывается, материалы, которые хорошо поглощают солнечный свет, обычно нестабильны в условиях, которые требуются для реакции расщепления воды, в то время как стабильные материалы плохо поглощают свет», – объясняет соавтор работы профессор Эдвард Юй (Edward Yu) из Техасского университета в Остине.

Всё выглядит так, будто эти противоречивые требования заставляют учёных искать некий компромисс, однако разрешить этот «конфликт» можно и другим способом. Использование комбинации разных материалов – одного, который хорошо поглощает солнечный свет (к примеру, кремния), и другого, который обеспечивает стабильность разработки (такого как диоксид кремния) – поможет в создании эффективной технологии расщепления воды.

Именно этим способом и воспользовались авторы новой разработки.

Главный прорыв, который удалось совершить исследователям, заключается в создании электропроводящих путей сквозь толстый слой диоксида кремния. Для этого инженеры покрывают диоксид кремния тонким слоем алюминия и нагревают получившуюся структуру. Так получаются наноразмерные «шипы» алюминия по всей поверхности диоксида кремния. После этой процедуры их легко можно заменить никелем или другими материалами, ускоряющими расщепление воды.

Этот метод не требует больших финансовых вложений, более того, его легко можно масштабировать для больших объёмов производства. Это ли не мечта любого сторонника водородной энергетики?

Освещённое солнечным светом устройство эффективно окисляет воду, образуя, с одной стороны, молекулы кислорода, а на отдельном электроде — молекулы водорода. Оно также доказало свою стабильность при длительной эксплуатации.

Внешний вид устройства.

Фото Cockrell School of Engineering/The University of Texas at Austin.

Методы, которые использовались для создания этого устройства, уже широко применяются в производстве полупроводниковой электроники. Опять же, это значит, что их легко будет внедрить в массовое производство устройств, генерирующих водород.

Команда инженеров, создавших этот прибор, уже подала заявку на патент нового устройства. Далее исследователи планируют работать над увеличением скорости реакции расщепления воды. В то же время перед ними продолжает стоять основная задача — эффективное получение водорода с помощью этого устройства.

«Сначала мы смогли обратиться к кислородной стороне этой реакции, это было самой сложной задачей. Но чтобы полностью расщепить молекулу воды, необходимо выполнить реакции выделения как кислорода, так и водорода. Поэтому нашим очередным шагом станет применение существующих идей для создания устройств, обеспечивающих водородную часть реакции», – добавил профессор Юй.

Работа американских учёных была опубликована в июне 2021 года в издании Nature Communications.

Напомним, ранее мы писали о техническом прорыве, который поможет в создании полностью прозрачных солнечных элементов. Сообщали мы и о новом катализаторе, который сделает производство водородного топлива более доступным.

Больше новостей из мира науки вы найдёте в разделе «Наука» на медиаплатформе «Смотрим».

технологии
наука
энергетика
водород
водородное топливо
альтернативная энергетика
общество
новости

Как получают водород в промышленности: способы выделения

Водород считается одним из наиболее ценных видов сырья для синтеза аммиака и производства полимеров и нефтехимии. Он используется для получения твердых жиров из масел растительного происхождения. Из-за высокой химической активности вещество в чистом виде практически не встречается в природе. Основные источники для получения водорода в промышленности — метан, содержащийся в природном газе, и вода. Специалисты отмечают также перспективность разделения попутных газов коксового производства, которые на большинстве предприятий сжигаются.

Способы выделения водорода из соединений

Самые распространенные способы получения водорода в промышленности:

паровая конверсия метана и его гомологов;

газификация кокса;

электролитическое разложение воды.

Особенности работы оборудования для получения водорода

Метановый конвертор

Оборудование для получения водорода в промышленности методом паровой конверсии имеет сложную конструкцию и компоновку. В его состав входят парогенератор, компрессорная станция, подогревающая установка, конверторы метана и угарного газа. Система подключена к подающей магистрали и потребителям. Извлечение водорода происходит при температуре до 1000° C под избыточным давлением и в присутствии катализатора. Перед этим сырье подогревается, очищается от серосодержащих примесей и перемешивается с водяным паром.

Восстановление водорода происходит в два этапа.

После первой ступени конверсии продукт содержит до 10% метана, для разложения которого в смесь вводят атмосферный воздух.

В конце процесса водород очищают от кислорода и оксидов углерода, а избыточное тепло направляют в котел-утилизатор для производства водяного пара.

Процесс полностью замкнут и энергетически независим, но требует применения сложных схем контроля. Несмотря на недостатки, большую часть водорода в промышленности получают как раз этим способом.

Установка газификации кокса

Технология заключается в пропускании перегретого водяного пара через слой кокса, каменного или бурого углей при температуре свыше 1000° C без доступа кислорода.Полученная смесь водорода и окиси углерода обрабатывается водяным паром. Один из наиболее перспективных способов применения продуктов газификации угля — сжигание на тепловых электростанциях, поскольку современные установки отчаются высокой производительностью, сравнительно низкой себестоимостью конечного продукта и способны работать в непрерывном режиме.

Электролизеры

При помощи электролитических установок водород получают как в промышленности, так и для коммерческого использования. На рынке присутствует оборудование разной производительности, а сырьем служит обычная вода. Установка представляет собой сосуд с раствором щелочи или средней соли, в который погружены два электрода. При пропускании постоянного тока на катоде выделяется водород. Вторичный продукт реакции — кислород — также используется для решения технологических задач. Доочистка позволяет получить на выходе технически и химически чистый водород. Электролизер с вспомогательным оборудованием для водоподготовки и осушения размещается на небольшой площади. Многие производители предлагают мобильные моноблочные и контейнерные установки.

Среди всех способов получения водорода в промышленности электролитический считается наиболее экологичным. Единственный его условный недостаток — зависимость от качества сети питания.

У вас остались вопросы?

Оставьте заявку на бесплатную консультацию у наших менеджеров!

Нажимая кнопку, Вы даете согласие на обработку персональных данных.

Получение воды из водорода и кислорода

Эта запись была опубликована 16 июня 2020 г. автором Anne Helmenstine (обновлено 10 мая 2021 г. )

Химическая реакция между кислородом и водородом образует воду. (Энн Хелменстин)

Сделать воду из водорода и кислорода так же просто, как смешать газообразный водород и газообразный кислород и добавить искру или тепло. Сбалансированное уравнение химической реакции:

2 H ₂ + O ₂ → 2 H ₂ O

Это реакция синтеза, в результате которой вода образуется из ее элементов. Это тоже реакция горения. Сжигание водорода для получения воды дает яркое красное пламя и громкий звук.

Как водород и кислород делают воду

Простое смешивание водорода и кислорода не дает воды. Водород и кислород существуют в виде двухатомных газов. Реакция между ними требует энергии, чтобы разорвать связи между атомами, чтобы они могли образовать новый продукт. Когда связи разрываются, каждый атом водорода имеет положительный заряд +1, а каждый атом кислорода имеет отрицательный заряд -2. Два атома водорода, связанные с одним атомом кислорода, дают воду, электрически нейтральную. Электрическая искра работает, чтобы инициировать реакцию, как и тепло. Но как только реакция начинается, она сильно экзотермична и идет к завершению.

Простая демонстрация получения воды

Легко продемонстрировать получение воды из водорода и кислорода. Главное, чтобы масштаб реакции был небольшим. В противном случае выделяется слишком много тепла.

Один из методов заключается в пропускании водорода через мыльную воду с образованием водородных мыльных пузырей. Эти пузырьки плавают, потому что они легче воздуха. Используйте зажигалку с длинной ручкой или горящую шину, прикрепленную к метровой палке, чтобы поджечь пузыри. Получите водород либо из баллона со сжатым газом, либо с помощью химической реакции.

Другой метод заключается в наполнении небольшого воздушного шара водородом и прикосновении к воздушному шару горящей лучиной, прикрепленной к измерительной палке. Водород в воздушном шаре реагирует с кислородом воздуха. Вы можете наполнить воздушный шар как водородом, так и кислородом и поджечь его, но только за защитным экраном и с использованием средств защиты органов слуха.

См. разницу между использованием чистого водорода и водорода с кислородом. Обратите внимание на красный цвет реакции (в 1:50).

Питьевая вода и топливные элементы

Согласно Докладу ООН о развитии водных ресурсов за 2006 год, примерно каждый пятый человек не имеет доступа к чистой питьевой воде. Если воду так легко сделать, почему бы нам не использовать ее в качестве источника пресной воды? Есть две причины. Во-первых, опасно сочетать большое количество водорода и кислорода. Авария Гинденбурга является примером результата. Другая причина заключается в том, что это нецелесообразно с экономической или экологической точки зрения. Для производства водорода для производства воды требуется больше энергии, чем для получения воды из других источников.

Однако реакция между водородом и кислородом находит практическое применение в топливных элементах. В топливном элементе водород (или другое топливо) вступает в реакцию с кислородом (или другим окислителем), производя электричество и тепло. Топливные элементы используют катализаторы для снижения энергии активации реакции, поэтому ее легче инициировать. Никель является распространенным катализатором, а вода является наиболее распространенным «отходным» продуктом. Водородные топливные элементы используются для резервного производства электроэнергии, питания космических кораблей и удаленных объектов, а также в водородных автомобилях.

Почему водород и кислород образуют воду, а не перекись водорода

Вода — не единственное обычное химическое вещество, получаемое из водорода и кислорода. Вы можете задаться вопросом, почему водород и кислород образуют воду (H ₂ O), а не перекись водорода (H ₂ O ₂). Самое простое объяснение состоит в том, что для двух атомов водорода гораздо выгоднее прореагировать с одним атомом кислорода, чем добавить в смесь еще один кислород. Несмотря на то, что газообразный кислород представляет собой O ₂ , связь между атомами должна разорваться, чтобы кислород образовал связи с водородом и образовал воду. Помните, что хотя обычная степень окисления кислорода равна -2, на самом деле он показывает другие состояния. Иногда водород и кислород образуют перекись водорода, но молекула по своей природе нестабильна и в конечном итоге распадается на воду и кислород.

Лавуазье создает воду

Ученые знали, что кислород и водород создают воду задолго до того, как они поняли молекулярную основу химических реакций. Французский химик Антуан Лавуазье даже назвал эту реакцию водородом. Название водорода происходит от греческих слов, означающих «водообразующий». Лавуазье открыл роль кислорода в горении, в конечном итоге используя реакцию между водородом и кислородом, чтобы продемонстрировать сохранение массы для реакций горения и опровергнуть теорию флогистона.

Ссылки

Гроув, Уильям Роберт (1839 г. ). «О вольтовых рядах и соединении газов платиной». Философский журнал и научный журнал . XIV (86–87): 127–130. doi:10.1080/14786443908649684
Хаух, Энн; Эббесен, Суне Далгаард; и другие. (2008). «Высокоэффективный высокотемпературный электролиз». Журнал химии материалов . 18 (20): 2331. doi:10.1039/b718822f
Хурми, Р. С. (2014). Материаловедение . С. Чанд и компания.
Шмидт-Рор, К. (2015). «Почему сгорание всегда экзотермическое, дающее около 418 кДж на моль O ₂». J. Chem. Образование . 92: 2094–2099. doi:10.1021/acs.jchemed.5b00333

Типы химических реакций | Поговорим о науке

AB
11
Наука 24 (2003 г., обновлено в 2014 г.)
Блок A: Применение материи и химических изменений

до н.э.
10
Естествознание 10 класс (март 2018 г.)
Большая идея: требуется изменение энергии, поскольку атомы перестраиваются в химических процессах.

до н.э.
11
Химия 11 (июнь 2018 г.)
Большая идея: материя и энергия сохраняются в химических реакциях.

МБ
10
Старший 2 науки (2001)
Кластер 2: Химия в действии

NB
11
Химия 111/112 (2009)
Блок 2: Стехиометрия

NL
10
Наука 1206 (2018)
Блок 2: Химические реакции

NL
12
Наука 3200 (2005)
Модуль 1: Химические реакции

NS
10
Наука 10 (2012, 2019)
Физические науки: химические реакции

NU
11
Science 24 (Альберта, 2003 г., обновлено в 2014 г.).
Раздел A: Применение материи и химических изменений

НУ
10
Наука, 10 класс (Британская Колумбия, июнь 2016 г.)
Большая идея: требуется изменение энергии, поскольку атомы перестраиваются в химических процессах.

ВКЛ.
10
Прикладные науки 10 класса (SNC2P)
Strand C: Химические реакции и их практическое применение

ON
10
Естествознание, 10 класс, академический (SNC2D)
Цепь C: Химические реакции

ON
11
Химия, 11 класс, университет (СЧ4У)
Цепь C: Химические реакции

ON
12
Химия, 12 класс, Колледж (СЧ5С)
Нить B: Материя и качественный анализ

ВКЛ.
12
Наука, 12 класс, рабочее место (SNC4E)
Цепь C: Химические вещества в потребительских товарах

PE
10
Наука 421А (2019)
Знание содержания: CK 2. 1

PE
10
Наука 431A (без даты)
Блок 2: Химические реакции

YT
11
Химия 11 (Британская Колумбия, июнь 2018 г.)
Большая идея: материя и энергия сохраняются в химических реакциях.

СК
11
Физические науки 20 (2016)
Основы химии

СК
12
Химия 30 (2016)
Химические равновесия

NT
11
Science 24 (Альберта, 2003 г., обновлено в 2014 г.).
Раздел A: Применение материи и химических изменений

АБ
11
Наука о знаниях и трудоустройстве 20–4 (2006 г.)
Модуль A: Применение вещества и химических изменений

AB
10
Наука о знаниях и трудоустройстве 10-4 (2006)
Модуль A: Исследование свойств материи

AB
9
Наука о знаниях и трудоустройстве 8, 9 (пересмотрено в 2009 г.)
Модуль B: Материя и химические изменения

AB
10
Наука 14 (2003 г., обновлено в 2014 г.)
Модуль A: Исследование свойств материи

AB
9
Наука 7-8-9 (2003 г., обновлено в 2014 г.)
Раздел B: Материя и химические изменения

до н.э.
7
Естествознание, 7 класс (июнь 2016 г. )
Большая идея: Элементы состоят из атомов одного типа, а соединения состоят из атомов разных элементов, химически объединенных.

до н.э.
9
Естествознание 9 класс (июнь 2016 г.)
Большая идея: электронное расположение атомов влияет на их химическую природу.

МБ
9
Старший 1 Наука (2000)
Кластер 2: Атомы и элементы

NL
9
9 класс Наука
Блок 2: Атомы, элементы и соединения (пересмотрено в 2011 г.)

NS
9
Наука 9 (2021)
Атомы и элементы

НУ
9
Наука о знаниях и трудоустройстве 9 (Альберта, редакция 2009 г.)
Блок B: Материя и химические изменения

NU
9
Наука 9 (Альберта, 2003 г., обновлено в 2014 г.)
Блок B: Материя и химические изменения

NU
11
Наука о знаниях и трудоустройстве 20–4 (Альберта, 2006 г.)
Модуль A: Применение вещества и химических изменений

NU
10
Наука о знаниях и трудоустройстве 10-4 (2006)
Модуль A: Исследование свойств материи

NU
10
Наука 14 (2003 г., обновлено в 2014 г.)
Модуль A: Исследование свойств материи

ПЭ
9
Естествознание, 9 класс (пересмотрено в 2018 г. )
Знание содержания: CK 2.1

YT
7
Science Grade 7 (Британская Колумбия, июнь 2016 г.)
Большая идея: электромагнитная сила производит как электричество, так и магнетизм.

ЮТ
9
Science Grade 9 (Британская Колумбия, июнь 2016 г.)
Большая идея: электронное расположение атомов влияет на их химическую природу.

СК
9
Наука 9 (2009)
Физические науки – атомы и элементы (AE)

NT
9
Наука о знаниях и трудоустройстве 9 (Альберта, редакция 2009 г.).)
Модуль B: Материя и химические изменения

NT
9
Наука 9 (Альберта, 2003 г., обновлено в 2014 г.)
Модуль B: Материя и химические изменения

NT
11
Наука о знаниях и трудоустройстве 20–4 (Альберта, 2006 г.)
Блок A: Применение материи и химических изменений

NT
10
Наука о знаниях и трудоустройстве 10-4 (Альберта, 2006 г.)
Модуль A: Исследование свойств материи

NT
10
Наука 14 (Альберта, 2003 г., обновлено в 2014 г.)
Модуль A: Исследование свойств материи

ON
9
Наука 9 класс(SNC1W) (2022)
Strand C: Природа материи

до н. э.
8
Наука 8 класс (июнь 2016 г.)
Большая идея: поведение материи можно объяснить кинетической молекулярной теорией и атомной теорией.

КК
Раздел III
Наука и технология
Материальный мир

КК
Раздел III
Прикладная наука и технологии
Материальный мир

YT
8
Science Grade 8 (Британская Колумбия, июнь 2016 г.)
Большая идея: поведение материи можно объяснить кинетической молекулярной теорией и атомной теорией.

г. до н.э.
11
Химия 11 (июнь 2018 г.)
Большая идея: Атомы и молекулы являются строительными блоками материи.

КК
Раздел I
Наука и технология
Материальный мир: Организация

QC
Раздел II
Наука и технология
Материальный мир: Организация

YT
11
Химия 11 (Британская Колумбия, июнь 2018 г.)
Большая идея: Атомы и молекулы являются строительными блоками материи.

до н.э.
5
Наука 5 класс (июнь 2016 г.)
Большая идея: решения однородны.

до н.э.
6
Естествознание 6 класс (июнь 2016 г.)
Большая идея: повседневные материалы часто представляют собой смеси.