2.3: Синтез молекулярного водню

Last updated

Oct 25, 2022
Save as PDF
- 2.2: Фізичні властивості водню
- 2.4: Атомний водень

Andrew R. Barron
Rice University via CNX

$\newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} }$

$\newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}}$

$\newcommand{\id}{\mathrm{id}}$

$\newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$

$\newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}$

$\newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}$

$\newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}$

$\newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}$

$\newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}$

$\newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}$

$\newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}$

$\newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$

$\newcommand{\id}{\mathrm{id}}$

$\newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$

$\newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}$

$\newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}$

$\newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}$

$\newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}$

$\newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}$

$\newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}$

$\newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}$

$\newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$

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.

Малюнок <проліт перевести = — Ілюстрація $\PageIndex{6}$ : Італійський фізик Феліче Фонтана (1730 - 1805).

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.