Как из водорода и кислорода получить воду: Как создать воду из водорода и кислорода | Интересные истории

Как из водорода и кислорода получить воду: Как создать воду из водорода и кислорода | Интересные истории

Содержание

Как создать воду из водорода и кислорода | Интересные истории

https://unsplash.com/photos/_y4LGVTeBwQ

https://unsplash.com/photos/_y4LGVTeBwQ

Вода — это общее название монооксида диоксида водорода или h3O.

Молекула образуется в результате многочисленных химических реакций, включая реакцию синтеза ее элементов, водорода и кислорода.

Сбалансированное химическое уравнение для реакции таково:

2 h3 + O2 + O2 → 2 h3O

Как сделать воду

Теоретически, легко сделать воду из водорода и кислорода.

Нужно смешать два вещества вместе, добавить достаточное количество тепла, чтобы обеспечить энергию активации для начала реакции.

Простое же смешивание двух газов при комнатной температуре, однако, ничего не даст, так как молекулы водорода и кислорода в воздухе не образуют спонтанно реакцию.

Для разрыва ковалентных связей, удерживающих молекулы h3 и O2 вместе, необходима энергия.

Затем катионы водорода и анионы кислорода свободно вступают в реакцию друг с другом, делают они это из-за различий в их электроотрицательности.

Когда химические связи восстанавливаются, образуя воду, высвобождается дополнительная энергия, которая распространяет реакцию. Чистая реакция является высоко экзотермической, т.е. реакцией, сопровождающейся выделением тепла.

Две демонстрации

Одной из распространенных химических демонстраций является наполнение небольшого воздушного шарика водородом и кислородом и прикосновение к воздушному шару — с расстояния и за щитом безопасности — горящей шиной.

Более безопасным вариантом является наполнение воздушного шара газом водорода и зажигание воздушного шара в воздухе.

Ограниченный кислород в воздухе реагирует на образование воды, но в более контролируемой реакции.

Еще одна простая демонстрация заключается в пузырьке водорода добавленного в мыльную воду.

Пузырьки плавают, потому что они легче воздуха.

Зажигалка с длинной рукояткой или горящая шина может быть использована для зажигания и образования воды.

Можно использовать водород из баллона со сжатым газом или в результате нескольких химических реакций (например, реакции кислоты с металлом).

Понимание реакции

https://unsplash.com/photos/1WKZQb6bB-4

https://unsplash.com/photos/1WKZQb6bB-4

Французский химик назвал водород греческим словом водообразующий, основываясь на его реакции с кислородом.

Он был очарован реакцией горения. Для наблюдения за реакцией он разработал аппарат для формирования воды из водорода и кислорода.

По сути, в его установке использовались две емкости — одна для водорода, а другая для кислорода, — которые подавались в отдельный контейнер.

Искровой механизм инициировал реакцию, образуя воду.

Можно сконструировать устройство таким же образом, если тщательно контролировать расход кислорода и водорода, чтобы не пытаться одновременно образовывать слишком много воды. Также следует использовать термостойкий и ударопрочный контейнер.

Роль кислорода

В то время как ученые более раннего периода были знакомы с процессом образования воды из водорода и кислорода, французский ученый открыл для себя роль кислорода в горении.

Его исследования в конечном итоге опровергли теорию флогистонов, которая предполагала, что во время горения из вещества выделяется огнеподобный элемент под названием флогистон.

Он показал, что газ должен иметь массу для горения и что масса должна быть сохранена после реакции.

Реакция водорода и кислорода для получения воды была отличной реакцией окисления для изучения, потому что почти вся масса воды поступает из кислорода.

Почему мы не можем просто сделать воду?

https://unsplash.com/photos/eMX1aIAp9Nw

https://unsplash.com/photos/eMX1aIAp9Nw

Согласно оценкам, приведенным в докладе Организации Объединенных Наций за 2006 год, 20% населения планеты не имеют доступа к чистой питьевой воде.

Если так трудно очистить воду или опреснить морскую воду, вам может быть интересно, почему мы просто не делаем воду из ее элементов.

Реакция водорода и кислорода в основном заключается в сжигании водорода газом, за исключением того, что вместо того, чтобы использовать ограниченное количество кислорода в воздухе, вы разжигаете огонь.

Во время горения кислород добавляется в молекулу, которая в результате этой реакции образует воду.

Горение также высвобождает много энергии. Тепло и свет выделяются настолько быстро, что ударная волна расширяется наружу.

Чем больше воды делать за один раз, тем сильнее взрыв. Это работает для запуска ракет.

Таким образом, мы можем делать воду из водорода и кислорода, а химики и педагоги часто делают это в небольших количествах.

Нецелесообразно использовать этот метод в больших масштабах из-за опасности и гораздо более дорогостоящей очистки водорода и кислорода для протекания реакции, чем для получения воды другими способами, очистки загрязненной воды или конденсации водяного пара из воздуха.

Ученые научились получать водород из воды — Российская газета

Ученые Стэнфордского университета создали «расщепитель» воды, способный 24 часа в сутки и семь дней в неделю производить из воды водород и кислород. По словам ученых, это своего рода мировой рекорд. Но самое главное, что цена этого водорода намного ниже, чем у всех существующих сегодня электролизеров. Дело в том, что в них применяются дорогие катализаторы — как правило платина и иридий, на которых и протекает реакция электролиза. Кроме этого, электроды находятся в электролитах, разделенных дорогостоящей мембраной, обеспечивающей ионную электрическую проводимость. Словом высокая цена оставалась главным препятствием для водородной революции на транспорте, которую вот уже лет 20 обещают энтузиасты водорода.

Созданный американскими учеными намного дешевле, он сделан из оксида железа-никеля. Электролизер расщепляет воду при потенциале всего в 1,5 вольта, а его эффективность при комнатной температуре имеет беспрецедентное значение — 82 процента.

Ключом к созданию высокоэффективного и простого катализатора стали ионы лития, которые позволили «расколоть» слой оксида железа-никеля на очень мелкие частички. В итоге намного увеличилась площадь поверхности, на которой проходит реакция расщепления воды, и к тому же она стала более активной. «Кроме этого, частички оксида хорошо связаны друг с другом, что обеспечивает высокую электрическую проводимость электрода в целом», — говорит автор разработки профессор И Куи.

Водород уже давно считается одним из самых перспективных видов альтернативного топлива. Но методы получения водорода из воды путем электролиза до последнего времени были экономически не выгодны и, поэтому, не получили широкого распространения. Созданная в Стэнфорде технология может стать бесконечным источником экологически чистого водородного топлива для различных видов транспорта и для промышленных нужд. Профессор Куи уверен, что такие же принципы могут стать основой создания катализаторов, предназначенных для других реакций, нежели электрохимическое расщепление воды на водород и кислород.

Получение водорода электролизом воды / Публикации / Элек.ру

Получение чистого водорода путем электролиза воды — самая очевидная и эффективная технология, и один из наиболее перспективных способов получения альтернативного топлива. Водород добывают из любого водного раствора, а при сгорании он превращается обратно в воду.

По сравнению с прочими методами получения водорода, электролиз воды отличается целым рядом преимуществ. Во-первых, в ход идет доступное сырье — деминерализованная вода и электроэнергия. Во-вторых, во время производства отсутствуют загрязняющие выбросы. В-третьих, процесс целиком автоматизирован. Наконец, на выходе получается достаточно чистый (99,99%) продукт. Из всех методов электролиза наиболее перспективным считают высокотемпературный электролиз (себестоимость водорода от 2,35 до 4,8 $/кг). Его следует иметь на технологическом вооружении, поскольку при определенных экономических условиях он может быть использован в крупнопромышленном масштабе.

Электролизом воды называется физико-химический процесс, при котором под действием постоянного электрического тока дистиллированная вода разлагается на кислород и водород. В результате разделения на части молекул воды, водорода по объему получается вдвое больше, чем кислорода. Эффективность электролиза такова, что из 500 мл воды получается около кубометра обоих газов с затратами около 4 квт/ч электрической энергии.

Технологический ток для протекания процесса электролиза воды для получения водорода и кислорода получается, как правило, при помощи промышленного выпрямителя с необходимыми рабочими параметрами, Обычно это напряжение до 90В и силой тока до 1500 А. Подходящим агрегатом является Пульсар СМАРТ.

На электронном дисплее выпрямителя Пульсар СМАРТ или в специальном ПО для компьютера можно контролировать все стадии процесса производства, что позволяет оператору следить за параметрами, и круглосуточно журналировать протекание технологического процесса. Полностью автоматическая работа, включающая непрерывный мониторинг всех параметров для безаварийного функционирования без надзора оператора. Все параметры, касающиеся напряжения и силы тока постоянно измеряются и контролируются микропроцессором выпрямителя. Более того, все контролируемые параметры фиксируются устройством, которое в случае сбоя или отклонения может автоматически остановить процесс и сигнализирует об этом при помощи световой колонны.

Выпрямители тока серии Пульсар СМАРТ разработаны в соответствии с самыми высокими требованиями промышленной эффективности и международными стандартами. При этом технологическое программное обеспечение допускает гибкую адаптацию к требованиям Заказчика, и постоянно совершенствуется.

создана новая технология получения водорода из воды

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.



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».

Получение водорода и кислорода — урок. Химия, 8–9 класс.

Получение кислорода

В лаборатории кислород получают разложением перманганата калия при нагревании или разложением пероксида водорода в присутствии катализатора:

 

2KMnO4=tK2MnO4+MnO2+O2↑.

 

2h3O2=MnO22h3O+O2↑.

 

Собирают кислород вытеснением воды или вытеснением воздуха.

 

Рис. \(1\). Прибор для получения кислорода из перманганата калия

и собирания вытеснением воды

 

Рис. \(2\). Прибор для получения кислорода

из пероксида водорода и собирания

вытеснением воздуха

  

Обнаружить выделившийся кислород можно с помощью тлеющей лучинки. В сосуде с кислородом лучинка разгорается ярким пламенем.

Получение водорода

В лаборатории водород получают действием соляной или разбавленной серной кислоты на металлы (цинк, железо, алюминий).

 

Zn+2HCl=ZnCl2+h3↑,

 

Zn+h3SO4=ZnSO4+h3↑.

 

Собирают водород вытеснением воды или воздуха. Сосуд для водорода при вытеснении воздуха располагают дном вверх.

 

Рис. \(3\). Прибор для получения водорода

 и собирания вытеснением воздуха

 

Рис. \(4\). Прибор для получения водорода

 и собирания вытеснением воды

 

Доказать наличие водорода в пробирке можно, если поднести её к пламени спиртовки. Водород взрывается, и раздаётся характерный хлопок.

 

Рис. \(5\). Доказательство наличия водорода

Источники:

Рис. 1. Прибор для получения кислорода из перманганата калия и собирания вытеснением воды © ЯКласс

Рис. 2. Прибор для получения кислорода из пероксида водорода и собирания вытеснением воздуха © ЯКласс

Рис. 3. Прибор для получения водорода и собирания вытеснением воздуха © ЯКласс

Рис. 4. Прибор для получения водорода и собирания вытеснением воды © ЯКласс

Рис. 5. Доказательство наличия водорода © ЯКласс

В России открыли катализатор для получения кислородного топлива из воды

https://ria.ru/20210629/nauka-1738997652.html

В России открыли катализатор для получения кислородного топлива из воды

В России открыли катализатор для получения кислородного топлива из воды — РИА Новости, 29.06.2021

В России открыли катализатор для получения кислородного топлива из воды

Специалисты Южно-Уральского государственного университета (ЮУрГУ, Челябинск) открыли вещество из числа так называемых титаносодержащих гексаферритов,… РИА Новости, 29.06.2021

2021-06-29T09:08

2021-06-29T09:08

2021-06-29T09:37

наука

белоруссия

челябинск

южно-уральский государственный университет

российская академия наук

навигатор абитуриента

университетская наука

технологии

/html/head/meta[@name=’og:title’]/@content

/html/head/meta[@name=’og:description’]/@content

https://cdnn21.img.ria.ru/images/150530/65/1505306598_0:160:3076:1890_1920x0_80_0_0_48d3a7a016ff33b1946dbb5fe31d37e7.jpg

МОСКВА, 29 июн — РИА Новости. Специалисты Южно-Уральского государственного университета (ЮУрГУ, Челябинск) открыли вещество из числа так называемых титаносодержащих гексаферритов, проявляющее высокую эффективность в качестве катализатора электрохимических реакций получения из воды кислорода, используемого затем в качестве топлива, сообщили РИА Новости в пресс-службе университета.Любое транспортное средство во время движения оставляет углеродный след, поэтому ученые в мире все активнее рассматривают воду в качестве источника экологически чистого топлива. Водород и кислород, получаемые в результате разложения воды, можно использовать в разных сферах.Чтобы разложение воды на химические элементы прошло успешно, используют электрический ток. Именно под его действием в кислой среде выделяется водород, а в щелочной — кислород. Эффективность этих процессов зависит от катализаторов. Ученые ЮУрГУ впервые проверили, как гексаферриты бария проявляют себя в роли вещества, ускоряющего реакцию электролиза. Эти соединения оксида железа выбрали, потому что научное сообщество старается отойти от использования в катализаторах дорогих платиновых металлов, пояснили в университете.»Ставки делались в первую очередь на гексаферриты, допированные никелем. Однако они оказались выигрышными только с термодинамической точки зрения. Неожиданностью стала высокая кинетическая активность титансодержащего гексаферрита, связанная с высокой подвижностью носителей заряда внутри материала. Приложив чуть больше энергии к таким материалам, мы значительно выигрываем в количестве полученного кислорода», – рассказал доктор химических наук, старший научный сотрудник лаборатории кристаллохимического дизайна функциональных материалов НИИ «Перспективные материалы и ресурсосберегающие технологии» ЮУрГУ Павел Абрамов.Ученые ЮУрГУ в рамках комплексного исследования синтезировали ряд ферритов, которые затем исследовались специалистами Института неорганической химии Сибирского отделения РАН и Научно-практического центра Национальной академии наук Белоруссии. В итоге ученые сделали вывод, что титаносодержащие гексаферриты могут использоваться в составе топливных элементов для получения из воды кислорода. Результаты исследования опубликованы в международном научном журнале Materials Chemistry and Physics.

https://ria.ru/20210302/raketa-1599529588.html

https://ria.ru/20210627/toplivo-1738773084.html

белоруссия

челябинск

РИА Новости

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

2021

РИА Новости

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

Новости

ru-RU

https://ria.ru/docs/about/copyright.html

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/

РИА Новости

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

https://cdnn21.img.ria.ru/images/150530/65/1505306598_173:0:2904:2048_1920x0_80_0_0_85154c9be62122bba0ac059b162a539b.jpg

РИА Новости

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

РИА Новости

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

белоруссия, челябинск, южно-уральский государственный университет, российская академия наук, навигатор абитуриента, университетская наука, технологии

09:08 29.06.2021 (обновлено: 09:37 29.06.2021)

В России открыли катализатор для получения кислородного топлива из воды

Водородное топливо — Что такое Водородное топливо?

Lh3 является самым экологически чистым видом моторного топлива, поэтому его перспективы очевидны

Водородное топливо


В Австралии на бурых углях в штате Виктория отрабатывается технология технология газификации угля с последующим выделением водорода, вернее удаления серы, ртути и двуокиси углерода (СО2).


В Норвегии — Nel Hydrogen отрабатывает технологию использования ВИЭ для высокотемпературного электролиза для разделения воды на водород и кислород, который будет выбрасываться в атмосферу.


Kawasaki Heavy Industries разрабатывает морской танкер — водородовоз для транспортировки жидкого водорода ( LH2).


Водород


Водород (H) является самым распространенным элементом на Земле, но в обычных условиях он не встречается ни в виде водорода H, ни в виде газообразного водорода (H2). 


Благодаря своим характеристикам он легко вступает в реакцию с другими органическими соединениями с образованием, например, воды (H2O). 


Во время этой реакции образования воды из водорода и воздуха выделяется энергия, которую можно использовать в качестве электричества. 


Чтобы сделать эту реакцию полезной для промышленного производства электроэнергии, необходимо произвести водород, например из воды путем разделения атомов на кислород и водород посредством электролиза. 


Есть другие технологии:

  • использование газов, оставшихся от химических процессов, например метана, угля, нефти и биомассы. 

Для производства водорода существуют разные способы, которые сильно различаются как с точки зрения экологичности, так и с точки зрения стоимости.
Экологичность — важный критерий производства водорода.
Чем больше оксидов углерода выделяется при производстве водорода, тем менее экологичным он будет считаться.
Для простоты каждый «сорт» произведенного по разным технологиям принято обозначать цветом, хотя правильнее — по углеродному следу.


Реакция взаимодействия водорода с кислородом происходит с выделением тепла. 


Если взять 1 моль H2 (2 г) и 0,5 моль O2 (16 г) при стандартных условиях и возбудить реакцию, то согласно уравнению


Н2 + 0,5 О2= Н2О


после завершения реакции образуется 1 моль H2O (18 г) с выделением энергии 285,8 кДж/моль.


Для сравнения: теплота сгорания ацетилена — 1300 кДж/моль, пропана — 2200 кДж/моль.


1 м³ водорода весит 89,8 г (44,9 моль), поэтому для получения 1 м³ водорода будет затрачено 12832,4 кДж энергии.


1 кВт*ч = 3600 кДж, поэтому получим 3,56 кВт*ч электроэнергии. 


Целесообразность перехода на водородное топливо можно оценить, сравнив имеющийся тариф на 1 кВт*ч электричества и, к примеру, стоимость 1 м³ газа или стоимость другого энергоносителя.


При сжигании водорода получается чистая вода. 

То есть водородное топливо производится без вреда для окружающей среды, в отличие от газа или бензина.

Получение водорода


Для получения водорода используют химические методы, в тч реакции разложения воды электрическим током.

Основной промышленный способ получения водорода — реакция с водой метана, который входит в состав природного газа.

Она проводится при высокой температуре:


СН4 + 2Н20 = CO2 + 4Н2 — 165 кДж


  • 1.Электролиз водных растворов солей:

2NaCl + 2H2O → h3↑ + 2NaOH + Cl2


  • 2.Пропускание паров воды над раскаленным коксом при температуре около 1000°C:

h3O + C ⇄ h3 + CO


  • 3.Из природного газа.

Конверсия с водяным паром: CH4 + H2O ⇄ CO + 3H2 (1000 °C) Каталитическое окисление кислородом: 2CH4 + O2 ⇄ 2CO + 4H2


  • 4. Крекинг и реформинг углеводородов в процессе переработки нефти.

  • 5. Действие разбавленных кислот на металлы. Для проведения такой реакции чаще всего используют цинк и соляную кислоту:

Zn + 2HCl → ZnCl2 + H2


  • 6.Взаимодействие кальция с водой:

Ca + 2H2O → Ca(OH)2 + H2


  • 7.Гидролиз гидридов:

NaH + H2O → NaOH + H2


  • 8.Действие щелочей на цинк или алюминий:

2Al + 2NaOH + 6H2O → 2Na[Al(OH)4] + 3H2↑ Zn + 2KOH + 2H2O → K2[Zn(OH)4] + h3↑


  • 9 .С помощью электролиза. При электролизе водных растворов щелочей или кислот на катоде происходит выделение водорода, например:

2H3O+ + 2e → H2↑ + 2H2O

  • Биореактор для производства водорода

Физические свойства

Газообразный водород может существовать в 2х формах (модификациях) — в виде орто — и пара-водорода.
В молекуле ортоводорода (т. пл. −259,10 °C, т. кип. −252,56 °C) ядерные спины направлены одинаково (параллельны), а у параводорода (т. пл. −259,32 °C, т. кип. −252,89 °C) — противоположно друг другу (антипараллельны).
Разделить аллотропные формы водорода можно адсорбцией на активном угле при температуре жидкого азота.
При очень низких температурах равновесие между ортоводородом и параводородом почти нацело сдвинуто в сторону параводорода.
При 80 К соотношение форм приблизительно 1:1. Десорбированный параводород при нагревании превращается в ортоводород вплоть до образования равновесной при комнатной температуре смеси (орто-пара: 75:25).
Без катализатора превращение происходит медленно, что дает возможность изучить свойства отдельных аллотропных форм.
Молекула водорода двухатомна — Н. При обычных условиях — это газ без цвета, запаха и вкуса.
Водород — самый легкий газ, его плотность во много раз меньше плотности воздуха. Очевидно, что чем меньше масса молекул, тем выше их скорость при одной и той же температуре.
Как самые легкие, молекулы водорода движутся быстрее молекул любого другого газа и тем самым быстрее могут передавать теплоту от одного тела к другому.
Отсюда следует, что водород обладает самой высокой теплопроводностью среди газообразных веществ. Его теплопроводность примерно в 7 раз выше теплопроводности воздуха.

Химические свойства


Молекулы водорода Н довольно прочны, и для того, чтобы водород мог вступить в реакцию, должна быть затрачена большая энергия:


Н2=2Н — 432 кДж


Поэтому при обычных температурах водород реагирует только с очень активными металлами, например с кальцием, образуя гидрид кальция:


Ca + Н2 = СаН2 и с единственным неметаллом — фтором, образуя фтороводород:


F2+H2=2HF


С большинством же металлов и неметаллов водород реагирует при повышенной температуре или при другом воздействии, например при освещении.


Он может «отнимать» кислород от некоторых оксидов, например:


CuO + Н2 = Cu + Н20


Записанное уравнение отражает реакцию восстановления — процесс, в результате которого от соединения отнимается кислород; вещества, отнимающие кислород, называются восстановителями (при этом они сами окисляются).


Реакция восстановления противоположна реакции окисления.


Обе эти реакции всегда протекают одновременно как 1 процесс: при окислении (восстановлении) одного вещества обязательно одновременно происходит восстановление (окисление) другого.

N2 + 3H2 → 2 NH3


С галогенами образует галогеноводороды:

F2 + H2 → 2 HF, реакция протекает со взрывом в темноте и при любой температуре, Cl2 + H2 → 2 HCl, реакция протекает со взрывом, только на свету.


С сажей взаимодействует при сильном нагревании:

C + 2H2 → CH4


Оксиды восстанавливаются до металлов:

CuO + H2 → Cu + H2O Fe2O3 + 3H2 → 2 Fe + 3H2O WO3 + 3H2 → W + 3H2O

Геохимия водорода


Водород — самый распространенный элемент, и все элементы образуются из него в результате термоядерных и ядерных реакций.

На Земле содержание водорода понижено по сравнению с Солнцем.

Свободный водород H2 относительно редко встречается в земных газах, но в виде воды он принимает исключительно важное участие в геохимических процессах.

В состав минералов водород может входить в виде иона аммония, гидроксил-иона и кристаллической воды.

В атмосфере водород непрерывно образуется в результате разложения воды солнечным излучением.

Он мигрирует в верхние слои атмосферы и улетучивается в космос.

Применение кроме энергетики:

  •  для атомно-водородной сварки,
  •  в пищевой промышленности, как пищевая добавка E949- упаковочный газ, для производства маргарина из жидких растительных масел,
  •  химической промышленности — при производстве аммиака, мыла и пластмасс,
  •  в качестве ракетного топлива,

Энергетика

Водороду уделяется такое пристальное внимание не зря.
Подобно батареям, водород в основном используется как форма хранения энергии.
Они оба зависят от первичной энергии, такой как солнечная и ветровая, для зарядки или генерации, и при необходимости могут быть преобразованы в электричество.
Тем не менее, водород превосходит батареи по многим параметрам:

  • более чистый производственный процесс, 
  • нулевое загрязнение после утилизации; более высокая плотность энергии. 

Водород можно производить с помощью воды и электричества, а батареи часто зависят от токсичных материалов, таких как цинк, никель и марганец, которые оказывают неблагоприятное воздействие на окружающую среду при их добыче в открытых карьерах или на морском дне и после их утилизации.
При преобразовании водорода в электричество производится только вода и тепло.
Водород также имеет гораздо более высокую плотность энергии (33 кВт*ч / кг), чем батареи (около 1 кВт*ч / кг), и чем бензин и дизельное топливо (около 12 кВт*ч / кг), что делает его особенно выгодным для транспорта и в качестве мобильного энергоносителя

Пожароопасность и взрывоопасность


Водород при смеси с воздухом образует взрывоопасную смесь — гремучий газ. 

Наибольшую взрывоопасность — при объемном отношении водорода и кислорода 2:1, или водорода и воздуха приближенно 2:5, так как в воздухе кислорода содержится примерно 21%.

Водород пожароопасен.

Как сделать воду из водорода и кислорода

Вода — это общее название монооксида дигидрогена или H 2 O. Молекула образуется в результате многочисленных химических реакций, в том числе реакции синтеза ее элементов, водорода и кислорода. Сбалансированное химическое уравнение реакции:

2 H 2 + O 2 → 2 H 2 O

Как сделать воду

Теоретически легко сделать воду из газообразного водорода и газообразного кислорода.Смешайте два газа вместе, добавьте искру или достаточно тепла, чтобы получить энергию активации, чтобы начать реакцию, и предварительно растворите воду. Однако простое смешивание двух газов при комнатной температуре ничего не даст, например, молекулы водорода и кислорода в воздухе не образуют воду самопроизвольно.

Для разрыва ковалентных связей, удерживающих молекулы H 2 и O 2 вместе, необходимо подавать энергию. Катионы водорода и анионы кислорода затем могут свободно реагировать друг с другом, что они и делают из-за разницы в электроотрицательности.Когда химические связи реформируются, образуя воду, высвобождается дополнительная энергия, которая способствует развитию реакции. Итоговая реакция является сильно экзотермической, что означает реакцию, которая сопровождается выделением тепла.

Две демонстрации

Одна из распространенных демонстраций химии — наполнить небольшой воздушный шар водородом и кислородом и коснуться воздушного шара — на расстоянии и за защитным экраном — горящей шиной. Более безопасный вариант — заполнить баллон газообразным водородом и зажечь баллон в воздухе.Ограниченный кислород в воздухе реагирует с образованием воды, но в более контролируемой реакции.

Еще одна простая демонстрация — это пузырьки водорода в мыльной воде с образованием пузырьков газообразного водорода. Пузырьки плавают, потому что они легче воздуха. Зажигалка с длинной ручкой или горящая шина на конце метра можно использовать, чтобы зажечь их, чтобы образовалась вода. Вы можете использовать водород из баллона со сжатым газом или из любой из нескольких химических реакций (например, реакции кислоты с металлом).

Как бы вы ни реагировали, лучше надеть средства защиты органов слуха и держаться на безопасном расстоянии от места реакции.Начните с малого, чтобы знать, чего ожидать.

Понимание реакции

Французский химик Антуан Лоран Лавуазье назвал водород, по-гречески «образующий воду», на основании его реакции с кислородом, другим элементом, названным Лавуазье, что означает «продуцент кислоты». Лавуазье был очарован реакциями горения. Он изобрел устройство для образования воды из водорода и кислорода, чтобы наблюдать за реакцией. По сути, в его установке использовались два колпака — один для водорода и один для кислорода, которые подавались в отдельный контейнер.Механизм искрения инициировал реакцию, образуя воду.

Вы можете сконструировать устройство таким же образом, если тщательно контролируете скорость потока кислорода и водорода, чтобы не пытаться образовать слишком много воды за один раз. Также следует использовать термостойкий и ударопрочный контейнер.

Роль кислорода

В то время как другие ученые того времени были знакомы с процессом образования воды из водорода и кислорода, Лавуазье открыл роль кислорода в горении.Его исследования в конечном итоге опровергли теорию флогистона, которая предполагала, что подобный огню элемент, называемый флогистоном, высвобождается из вещества во время горения.

Лавуазье показал, что газ должен иметь массу, чтобы произошло горение, и что масса сохраняется после реакции. Превращение водорода и кислорода в воду было отличной реакцией окисления для изучения, потому что почти вся масса воды происходит из кислорода.

Почему мы не можем просто делать воду?

Согласно отчету ООН за 2006 год, 20 процентов людей на планете не имеют доступа к чистой питьевой воде.Если так сложно очистить воду или опреснить морскую воду, вы можете задаться вопросом, почему мы просто не производим воду из ее элементов. Причина? Одним словом — БУМ!

Взаимодействие с водородом и кислородом — это, по сути, сжигание газообразного водорода, за исключением того, что вместо использования ограниченного количества кислорода в воздухе вы разжигаете огонь. Во время горения к молекуле добавляется кислород, который в этой реакции образует воду. Сжигание также высвобождает много энергии. Тепло и свет производятся так быстро, что ударная волна распространяется наружу.

По сути, у вас взрыв. Чем больше воды вы сделаете за один раз, тем сильнее будет взрыв. Он работает для запуска ракет, но вы видели видео, где все пошло не так. Взрыв Гинденбурга — еще один пример того, что происходит, когда вместе собирается много водорода и кислорода.

Итак, мы можем производить воду из водорода и кислорода, что часто делают химики и преподаватели, — в небольших количествах. Нецелесообразно использовать этот метод в больших масштабах из-за рисков и из-за того, что очистка водорода и кислорода для протекания реакции намного дороже, чем производство воды другими методами, очистка загрязненной воды или конденсация водяного пара. с воздуха.

Ученые открыли новый способ получения воды

На знакомой школьной демонстрации химии инструктор сначала использует электричество для разделения жидкой воды на составляющие газы, водород и кислород. Затем, комбинируя два газа и зажигая их искрой, инструктор с громким хлопком превращает газы обратно в воду.

Ученые из Университета Иллинойса открыли новый способ получения воды, причем без хлопка.Они могут не только производить воду из маловероятных исходных материалов, таких как спирты, их работа также может привести к созданию лучших катализаторов и менее дорогих топливных элементов.

«Мы обнаружили, что нетрадиционные гидриды металлов можно использовать для химического процесса, называемого восстановлением кислорода, который является неотъемлемой частью процесса производства воды», — сказал Захария Хайден, докторант и ведущий автор статьи, принятой для публикации в Журнал Американского химического общества .

Молекула воды (официально известная как монооксид дигидрогена) состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода.Но нельзя просто взять два атома водорода и наклеить их на атом кислорода. Реальная реакция образования воды немного сложнее: 2h3 + O2 = 2h3O + Energy.

На английском языке уравнение гласит: Чтобы получить две молекулы воды (h3O), две молекулы двухатомного водорода (h3) должны быть объединены с одной молекулой двухатомного кислорода (O2). Энергия будет высвобождена в процессе.

«Эта реакция (2h3 + O2 = 2h3O + Energy) известна в течение двух столетий, но до сих пор никто не заставил ее работать в гомогенном растворе», — сказал Томас Раухфус из университета.профессора химии и автора-корреспондента статьи.

Хорошо известная реакция также описывает то, что происходит внутри водородного топливного элемента.

В типичном топливном элементе двухатомный газообразный водород входит с одной стороны элемента, а двухатомный кислород — с другой стороны. Молекулы водорода теряют свои электроны и становятся положительно заряженными в результате процесса, называемого окислением, в то время как молекулы кислорода получают четыре электрона и становятся отрицательно заряженными в результате процесса, называемого восстановлением.Отрицательно заряженные ионы кислорода объединяются с положительно заряженными ионами водорода, образуя воду и выделяя электрическую энергию.

«Трудная сторона» топливного элемента — это реакция восстановления кислорода, а не реакция окисления водорода, — сказал Раухфусс. «Однако мы обнаружили, что новые катализаторы восстановления кислорода могут также привести к новым химическим средствам окисления водорода».

Раухфус и Хайден недавно исследовали относительно новое поколение катализаторов гидрирования с переносом для использования в качестве нетрадиционных гидридов металлов для восстановления кислорода.

В своей статье JACS исследователи сосредотачиваются исключительно на окислительной способности катализаторов гидрогенизации переноса на основе иридия в гомогенном неводном растворе. Они обнаружили, что комплекс иридия влияет как на окисление спиртов, так и на восстановление кислорода.

«Большинство соединений реагируют либо с водородом, либо с кислородом, но этот катализатор реагирует с обоими», — сказал Хайден. «Он реагирует с водородом с образованием гидрида, а затем реагирует с кислородом с образованием воды; и делает это в гомогенном неводном растворителе.”

Новые катализаторы могут привести в конечном итоге к разработке более эффективных водородных топливных элементов, что существенно снизит их стоимость, сказал Хайден.

Источник: Иллинойсский университет в Урбана-Шампейн.


Повышение активности каталитических поверхностей для обезуглероживания топлива и химикатов


Ссылка :
Ученые открывают новый способ получения воды (31 октября 2007 г.)
получено 8 октября 2021 г.
с https: // физ.org / news / 2007-10-science.html

Этот документ защищен авторским правом. За исключением честных сделок с целью частного изучения или исследования, никакие
часть может быть воспроизведена без письменного разрешения. Контент предоставляется только в информационных целях.

Производство воды из водорода и кислорода

В результате химической реакции между кислородом и водородом образуется вода.(Anne Helmenstine)

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

2 H 2 + O 2 → 2 H 2 O

Это реакция синтеза, в ходе которой из элементов образуется вода. Это еще и реакция горения. При сжигании водорода для получения воды возникает яркое красное пламя и громкий звук.

Как водород и кислород создают воду

Простое смешивание водорода и кислорода не приведет к образованию воды.И водород, и кислород существуют в виде двухатомных газов. Реакция между ними требует энергии, чтобы разорвать связи между атомами, чтобы они могли образовать новый продукт. Как только 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, которая электрически нейтральна. Электрическая искра инициирует реакцию, как и тепло. Но как только реакция начинается, она становится очень экзотермической и проходит до завершения.

Простые демонстрации получения воды

Продемонстрировать получение воды из водорода и кислорода несложно. Главное — сохранить небольшой масштаб реакции. В противном случае выделяется слишком много тепла.

Один из методов — продувать водород через мыльную воду с образованием водородных мыльных пузырей. Эти пузыри плавают, потому что они легче воздуха. Используйте зажигалку с длинной ручкой или горящую шину, прикрепленную к измерителю, чтобы зажечь пузыри. Получите водород либо из баллона со сжатым газом, либо с помощью химической реакции.

Другой метод — наполнение небольшого баллона водородом и прикосновение к баллону горящей шиной, прикрепленной к измерителю. Водород в баллоне реагирует с кислородом воздуха. Вы можете наполнить баллон водородом и кислородом и зажечь его, но только за защитным экраном и с использованием средств защиты органов слуха.

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

Питьевая вода и топливные элементы

Согласно отчету ООН о развитии водных ресурсов за 2006 год, примерно каждый пятый человек не имеет доступа к чистой питьевой воде.Если воду так легко приготовить, почему бы нам не использовать ее в качестве источника пресной воды? Есть две причины. Во-первых, опасно сочетать большое количество водорода и кислорода. Авария в Гинденбурге — пример результата. Другая причина в том, что это нецелесообразно с экономической или экологической точки зрения. Для производства водорода 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) реагирует с кислородом (или другим окислителем), производя электричество и тепло. В топливных элементах используются катализаторы, чтобы снизить энергию активации реакции, поэтому ее легче инициировать. Никель является обычным катализатором, а вода — наиболее распространенным «отходом». Водородные топливные элементы используются для резервного питания, питания космических аппаратов и удаленных объектов, а также в водородных автомобилях.

Почему водород и кислород создают воду вместо перекиси водорода

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

Лавуазье делает воду

Ученые знали, что кислород и водород производят воду задолго до того, как они поняли молекулярную основу химических реакций. Французский химик Антуан Лавуазье даже назвал этот элемент водородом. Название водорода происходит от греческих слов, которые означают «водообразование». 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.

Список литературы

  • Grove, William Robert (1839). «О гальванических рядах и сочетании 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 процессы горения всегда экзотермичны, давая около 418 кДж на моль O 2 ». J. Chem. Educ . 92: 2094–2099. doi: 10.1021 / acs.jchemed.5b00333

Похожие сообщения

Ученые открывают новый способ создания воды — ScienceDaily

На знакомой школьной демонстрации химии инструктор сначала использует электричество для разделения жидкой воды на составляющие его газы, водород и кислород.Затем, комбинируя два газа и зажигая их искрой, инструктор с громким хлопком превращает газы обратно в воду.

Ученые из Университета Иллинойса открыли новый способ получения воды, причем без хлопка. Они могут не только производить воду из маловероятных исходных материалов, таких как спирты, их работа также может привести к созданию лучших катализаторов и менее дорогих топливных элементов.

«Мы обнаружили, что нетрадиционные гидриды металлов можно использовать для химического процесса, называемого восстановлением кислорода, который является важной частью процесса производства воды», — сказал Захария Хайден, докторант и ведущий автор статьи, принятой для публикации в Журнал Американского химического общества и размещен на его веб-сайте.

Молекула воды (официально известная как монооксид дигидрогена) состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода. Но вы не можете просто взять два атома водорода и наклеить их на атом кислорода. Реальная реакция образования воды немного сложнее: 2H 2 + O 2 = 2H 2 O + Energy.

На английском языке уравнение гласит: Чтобы получить две молекулы воды (H 2 O), две молекулы двухатомного водорода (H 2 ) должны быть объединены с одной молекулой двухатомного кислорода (O 2 ).Энергия будет высвобождена в процессе.

«Эта реакция (2H 2 + O 2 = 2H 2 O + энергия) известна в течение двух столетий, но до сих пор никто не заставил ее работать в гомогенном растворе», — сказал Томас Раухфусс, Ю. И., профессор химии и автор статьи.

Хорошо известная реакция также описывает то, что происходит внутри водородного топливного элемента.

В типичном топливном элементе двухатомный газообразный водород входит с одной стороны элемента, а двухатомный кислород — с другой стороны.Молекулы водорода теряют свои электроны и становятся положительно заряженными в результате процесса, называемого окислением, в то время как молекулы кислорода получают четыре электрона и становятся отрицательно заряженными в результате процесса, называемого восстановлением. Отрицательно заряженные ионы кислорода объединяются с положительно заряженными ионами водорода, образуя воду и выделяя электрическую энергию.

«Трудная сторона» топливного элемента — это реакция восстановления кислорода, а не реакция окисления водорода, — сказал Раухфусс. «Однако мы обнаружили, что новые катализаторы восстановления кислорода могут также привести к новым химическим средствам окисления водорода.«

Раухфус и Хайден недавно исследовали относительно новое поколение катализаторов гидрирования с переносом для использования в качестве нетрадиционных гидридов металлов для восстановления кислорода.

В своей статье JACS исследователи сосредотачиваются исключительно на окислительной способности катализаторов гидрогенизации переноса на основе иридия в гомогенном неводном растворе. Они обнаружили, что комплекс иридия влияет как на окисление спиртов, так и на восстановление кислорода.

«Большинство соединений реагируют либо с водородом, либо с кислородом, но этот катализатор реагирует с обоими», — сказал Хайден.«Он реагирует с водородом с образованием гидрида, а затем реагирует с кислородом с образованием воды; и это происходит в гомогенном неводном растворителе».

Новые катализаторы могут привести в конечном итоге к разработке более эффективных водородных топливных элементов, что существенно снизит их стоимость, сказал Хайден.

Работа финансировалась Министерством энергетики США.

Почему при объединении водорода и кислорода обычно образуется вода, а не перекись водорода?

Химики Джоэл Розенталь и Дэниел Г.Носера из Массачусетского технологического института дает такой ответ.

Когда молекулярный водород (H 2 ) и кислород (O 2 ) объединяются и дают возможность взаимодействовать вместе, высвобождается энергия, и молекулы водорода и кислорода могут объединяться с образованием воды или перекиси водорода. Эти два процесса представлены двумя химическими уравнениями, показанными справа. Химики используют окислительно-восстановительные полуреакции для описания термодинамических процессов, подобных тем, которые воплощаются в таких уравнениях.Для обеих показанных реакций молекулы водорода окисляются, а атомы кислорода восстанавливаются. Соответственно, каждая из приведенных ниже реакций описывается комбинацией двух полуреакций — одна соответствует химическому окислению, а другая — восстановлению.

Редокс-полуреакция окисления водорода относительно проста и показана в левой части схемы ниже. В этом окислении молекула газообразного водорода ионизируется до двух электронов и двух протонов.Записать полуреакцию восстановления кислорода сложнее, поскольку кислород можно восстановить одним, двумя или четырьмя электронами, как показано на квадратной схеме окислительно-восстановительного потенциала справа внизу. В большинстве химических реакций молекулярный кислород восстанавливается по красным и синим путям, выделенным на этой окислительно-восстановительной схеме. Полное восстановление O 2 четырьмя электронами (4e + 4H + , синий горизонтальный путь) генерирует два эквивалента воды, тогда как соответствующее двухэлектронное восстановление (2e + 2H + , красный диагональный путь) дает перекись водорода.Как двух- (G¿ = -0,695 В), так и четырехэлектронного (G¿ = -1,229 В) восстановления O 2 энергетически падают, но в первой реакции тратится более половины вольта энергии. . Соответственно, биологические процессы, связанные с восстановлением O 2 , такие как клеточное дыхание, являются высокоселективными для полного пути 4e + 4H + , чтобы максимизировать энергию, доступную для синтеза АТФ. Селективное восстановление кислорода до воды в таких биологических системах имеет решающее значение не только для максимизации энергии, производимой для клеточного метаболизма, но также потому, что перекись водорода является мощным окислителем и цитотоксином, который вредит живым клеткам.

Учитывая энергетику, представленную выше, существует сильная термохимическая предвзятость для производства воды по перекиси водорода, когда H 2 и O 2 взаимодействуют вместе. Например, когда газообразный водород сжигается в присутствии кислорода, выделяется большое количество энергии, и в качестве основного продукта образуется вода. Однако в случаях, когда реакция более контролируема, например, потребление водорода и кислорода в топливном элементе, механизм и кинетика процесса восстановления O 2 могут значительно усложнить проблемы.Например, доставка протонов и электронов, полученных в результате ионизации водорода (см. Полуреакцию окислительно-восстановительного потенциала выше), к молекуле кислорода должна точно контролироваться с помощью процесса, известного как перенос электронов с протонной связью, чтобы гарантировать, что полное четырехэлектронное восстановление O 2 доминирует. Металлическая платина может служить катализатором, обладающим исключительной селективностью для четырехэлектронного восстановления кислорода до воды, и, соответственно, лежит в основе конструкции и функционирования топливных элементов.Учитывая, что платина редка и чрезвычайно дорога, текущие исследования направлены на разработку структурных и функциональных моделей активации кислорода и его восстановления до воды посредством протонно-связанного переноса электронов. Подобные стратегии также используются для запуска энергетически активной обратной реакции, в которой водород производится из воды с использованием солнечной энергии. Успех обеих этих областей работы может в конечном итоге оказаться решающим для развития и устойчивости глобальной водородной экономики.

Могут ли водород и кислород вместе образовывать воду?


Водородный топливный элемент можно использовать для объединения водорода и кислорода для получения воды без взрыва.

Джон Брхел
| Автор

ВОПРОС : Почему мы не можем объединить водород и кислород для получения воды?

ОТВЕТ : Мы можем объединить водород и кислород для получения воды. И мы даже можем получить энергию из процесса, которую мы могли бы использовать для освещения дома или вождения автомобиля.Но, конечно, есть некоторые детали, которые усложняют задачу.

Прежде всего, если мы просто смешаем емкость с газообразным кислородом с емкостью с газообразным водородом при комнатной температуре и давлении, то ничего (или немногое) не произойдет. Молекулы кислорода и водорода были бы «счастливее» соединиться вместе, чтобы образовать воду, но им нужно немного пнуть, прежде чем эта реакция произойдет. Используя несовершенную аналогию, вы можете представить себе молекулу водорода как два магнита, соединенных вместе, а молекулу кислорода как два магнита разной формы, соединенных вместе.Более плотно упакованный магнит можно сформировать, соединив водородный и кислородный магниты в водяной магнит, но пока они не столкнутся друг с другом достаточно быстро, этого не произойдет. Химики говорят, что для возникновения реакции необходима энергия активации.

Эту энергию активации можно подать искрой. Но тогда, как вы могли догадаться, бабах! Если магниты перестраиваются в более плотно упакованную молекулу воды, теперь остается энергия, которая делает воду (на самом деле пар) горячей.Основываясь на моих расчетах, если мы объединим типичный баллон с водородом под давлением 2500 фунтов на квадратный дюйм с аналогичным баллоном с кислородом, полученный водяной пар нагреется на несколько тысяч градусов по Фаренгейту. Вот почему НАСА использует жидкий водород и кислород в большом оранжевом внешнем топливном баке, который помогает космическому шаттлу выйти на орбиту.

Итак, мы можем смешать газообразный кислород и водород, чтобы получить горячий водяной пар, но, вероятно, это не было целью этого вопроса. Можем ли мы смешать их, чтобы получилась вода без взрыва? Да, если мы будем использовать так называемый водородный топливный элемент.Водородный топливный элемент похож на батарею, которой требуется постоянный ввод водорода и газообразного кислорода для выработки электроэнергии, а единственным выходом является вода. Например, Toyota Mirai — один из первых автомобилей с водородным топливным элементом, который вы можете купить. Топливный элемент не идет наперекосяк (надеюсь!), Потому что он предназначен для извлечения электроэнергии из реакции, которую можно использовать для управления цепью, и выделяет только пятую часть тепла. Топливный элемент содержит для этого и другие компоненты, о которых у меня нет места для обсуждения.

Итак, вполне возможно, что мы могли бы использовать топливный элемент для выработки электроэнергии и подачи воды. Тем не менее, есть проблемы. Мы производим водород наиболее эффективно и дешево, нагревая природный газ до высокой температуры с водой в реакции, в которой также образуется окись углерода. Итак, мы будем использовать воду для производства газообразного водорода, а затем для производства воды. Другие компоненты топливных элементов могут сделать воду небезопасной для питья. Многие химики, физики и инженеры активно работают над этими проблемами, чтобы создать более эффективные и практичные топливные элементы, которые однажды могут обеспечить нас дешевой и питьевой водой.

Спроси ученого проходит по воскресеньям. На вопросы отвечают преподаватели Бингемтонского университета. Учителей в районе Большого Бингемтона, желающих участвовать в программе, просят написать по адресу Ask a Scientist, через Университет Бингемтона, Управление коммуникаций и маркетинга, PO Box 6000, Binghamton, NY 13902-6000, или по электронной почте ученому. @ binghamton.edu. Для получения дополнительной информации посетите http://www.binghamton.edu/mpr/ask-a-scientist/.

ВСТРЕЧАЕТСЯ СТУДЕНТОМ, ЗАДАЮЩИМ ВОПРОС

Имя: Пэт Карлтон

Класс: 6

Школа: St.Школа Иоанна Богослова, католические школы округа Брум

Учитель: Ану Рай

Хобби: тренер профессиональной спортивной команды

ВСТРЕЧАЙСЯ С УЧЕНЫМ

Имя: Стивен Леви

Должность: доцент физики, Бингемтонский университет

Отдел: Физика

Об ученом:

Область исследований: Биофизика

Хобби: Получение лабрадоров

Почему мы не можем производить воду?

Вода вокруг нас все время, мы ее просто не видим.Воздух в нашей атмосфере содержит разное количество водяного пара в зависимости от погоды. Когда жарко и влажно, испаренная вода может составлять до 6 процентов воздуха, которым мы дышим. В холодные и засушливые дни он может составлять всего 0,07 процента состава воздуха [источник: Министерство энергетики США].

Этот воздух является частью круговорота воды , земного процесса. Грубо говоря, вода испаряется из рек, озер и океана. Он уносится в атмосферу, где может собираться в облака (которые на самом деле представляют собой скопления водяного пара).После того, как облака достигнут точки насыщения, образуются капли воды, которые мы знаем как дождь. Этот дождь стекает с земли и собирается в водоемы, где весь процесс начинается снова.

Проблема в том, что круговорот воды проходит через засушливые периоды. Из-за этого некоторые изобретатели начали задаваться вопросом, а зачем ждать? Почему бы не вытянуть водяной пар прямо из воздуха?

Один австралийский изобретатель сделал именно это. Макс Виссон — создатель ветряной мельницы Whisson , машины, которая использует энергию ветра для сбора воды из атмосферы.Whisson указывает Австралийской радиовещательной корпорации, что водяной пар составляет около «10 000 миллиардов литров [около 2 600 миллиардов галлонов] в нижнем километре [около 0,62 мили] воздуха во всем мире» [источник: ABC]. Более того, эта вода заменяется каждые несколько часов в рамках круговорота воды.

Ветряная мельница Уиссона использует хладагент для охлаждения лопастей своей мельницы, которую он назвал Max Water. Эти лопасти расположены не по диагонали, а вертикально, так что их поворачивает даже легкий ветерок.Холодные лезвия охлаждают воздух, заставляя водяной пар конденсироваться, — снова становиться жидкой водой. Затем этот конденсат собирается и хранится. Ветряная мельница Whisson может собирать до 2600 галлонов воды из воздуха в день.

Уиссон говорит, что его самая большая проблема заключается не в разработке его изобретения, а в поиске венчурного капитала для его поддержки — он говорит, что люди думают, что это слишком хорошо, чтобы быть правдой. Эта проблема может показаться знакомой паре американских изобретателей, у которых есть собственное изобретение по производству воды.

Джонатан Райт и Дэвид Ричардс создали машину, похожую на машину Whisson, за исключением того, что она больше похожа на складной автофургон, чем на ветряную мельницу. Это изобретение, которое его создатели называют AquaMagic , вытягивает воздух непосредственно из окружающей его области. Внутри машины воздух охлаждается через охлаждающий змеевик. Воздух конденсируется, а вода собирается, очищается и выпускается через кран.

Аппарат AquaMagic, который в настоящее время стоит около 28 000 долларов за единицу, может производить до 120 галлонов очищенной воды за 24 часа, и, поскольку он небольшой, его можно перевозить как в места бедствий, так и в страны Африки к югу от Сахары.Но у него также есть один недостаток: для производства такого количества воды AquaMagic требуется около 12 галлонов дизельного топлива. Именно здесь ветряная мельница Whisson (которая стоит около 43000 долларов за единицу) имеет явное преимущество перед AquaMagic: она полностью экологична. Он работает исключительно на энергии ветра, не требуя ископаемого топлива. Даже конденсатор использует энергию, вырабатываемую турбинами ветряной мельницы.

Говоря об окружающей среде, зачем собирать воду из воздуха? Почему бы просто не вызвать еще больше дождя? Это может показаться надуманным, но на самом деле это делается — иногда с катастрофическими последствиями.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.