2.3: Синтез молекулярного водню
- Page ID
- 18063
Хоча водень є найпоширенішим елементом у Всесвіті, його реакційна здатність означає, що він існує як сполуки з іншими елементами. Таким чином, молекулярний водень, Н 2, повинен бути отриманий з інших сполук. Далі окреслено вибір синтетичних методів.
Паровий риформінг вуглецю та вуглеводнів
Доступно багато реакцій для отримання водню в результаті реакції пари з джерелом вуглецю. При виборі реакції орієнтуються на доступність сировини і бажану чистоту водню. Найпростіша реакція передбачає проходження пари над коксом при високих температурах (1000 ◦ С).
\[\ce{C(s) + H2O(g) \rightarrow H2(g) + CO(g)} \nonumber \]
Кокс - сірий, твердий і пористий вуглецевий матеріал, отриманий в результаті руйнівної дистиляції низькозольного бітумного вугілля з низьким вмістом сірки. В якості альтернативи коксу може використовуватися метан при трохи вищій температурі (1100 ◦ С).
\[\ce{ CH4(g) + H2O(g) \rightarrow 3 H2(g) + CO(g)} \nonumber \]
У кожному випадку окис вуглецю, що утворюється в реакції, може далі вступати в реакцію з парою в присутності відповідного каталізатора (зазвичай оксиду заліза або кобальту) для подальшого утворення водню.
\[\ce{CO(g) + H2O(g) \leftrightharpoons H2(g) + CO2(g)}\nonumber \]
Ця реакція відома як реакція зсуву газу води, і була виявлена італійським фізиком Феліче Фонтана (рис\(\PageIndex{2}\). 6) в 1780 році.
Домінуючим промисловим процесом для отримання водню використовується природний газ або сировина нафтопереробного заводу в присутності нікелевого каталізатора при 900 ◦ С.
\[C_2H_{8(g)} + 3 H_2O_{(g)} \rightarrow 7 H_{2(g)} + 3 CO_{(g)} \nonumber \]
Електроліз води
Електроліз підкисленої води в платиновими електродами - простий (хоча і енергоємний) шлях до водню.
\[ 2 H_2O_{(l)} \rightarrow 2 H_{2(g)} + O_{2(g)}\nonumber \]
У більшому масштабі гідроліз теплих водних розчинів гідроксиду барію може виходити водень чистоти більше 99,95%. Водень також утворюється як побічний продукт при виробництві хлору з електролізу розсольних розчинів (NaCl) в присутності ртутного електрода.
\[2NaCl_{(aq)} + 2 Hg_{(l)} \rightarrow Cl_{2(g)} + 2 NaHg_{(l)}\nonumber \]
Амальгама ртуті натрію реагує з водою з отриманням водню.
\[ NaHg_{(l)} + 2 H_2O_{(l)} \rightarrow H_{2(g)} + 2NaOH_{(aq)} + 2Hg_{(l)}\nonumber \]
Таким чином, загальну реакцію можна записати так:
\[ NaCl_{(aq)} + H_2O_{(l)}\rightarrow H_{2(g)} + 2 NaOH_{(aq)} + Cl_2\nonumber \]
Однак цей метод поетапно припиняється з екологічних міркувань.
Реакція металу з кислотою
Водень утворюється в результаті реакції високоелектропозитивних металів з водою і менш активних металів з кислотами, наприклад,
\[ Fe_{(s)} + 2H_3O^+_{(aq)} \rightarrow H_{2(g)} + 2 H_2O_{(aq)} + Fe^{2+}_{(aq)}\nonumber \]
Цей метод спочатку використовувався Генрі Кавендішем (рис\(\PageIndex{2}\). 7) під час його досліджень, що призвело до розуміння водню як елемента (рис\(\PageIndex{2}\). 8).
Цей же метод застосував французький винахідник Жак Шарль (рис.\(\PageIndex{2}\) 9.9) для першої ночі водневої кулі 27 серпня 1783 року. На жаль, перелякані селяни знищили його повітряну кулю, коли він висадився за межами Парижа.
Гідроліз гідридів металів
Реактивні гідриди металів, такі як гідрид кальцію (CaH 2), піддаються швидкому гідролізу для звільнення водню.
\[CaH_{2(s)} + 2H_2O_{(l)} \rightarrow 2 H_{2(g)} + 2 OH^-_{(aq)} + Ca^{2+}_{(aq)}\nonumber \]
Ця реакція іноді використовується для надування рятувальних плотів та повітряних куль, де бажаний простий, компактний засіб генерації Н 2.