Получение водорода в промышленности и в лаборатории

Задача 785. 

Почему в периодической системе элементов водород относят как к I, так и к VII группе?

Решение:

Атом водорода содержит один электрон, его электронная конфигурация имеет вид: 1s². Поэтому атом водорода способен как отдавать, так и присоединять по одному электрону. Таким образом, образом водород проявляет двойственную химическую природу, как окислительную, так и восстановительную способность. В большинстве реакций водород выступает в качестве восстановителя, образуя соединения, в которых степень его окисленности равна +1. в реакциях с активными металлами водород выступает в качестве окислителя, степень окисленности его при этом равна -1. Итак, водород, отдавая электрон, проявляет сходство с металлами I-й группы главной подгруппы периодической системы химических элементов, а, присоединяя электрон, — с неметаллами VII-й группы главной подгруппы. Поэтому водород в периодической системе обычно помещают в главной подгруппе I-й группы и, в тоже время, в скобках, помещают в главной подгруппе VII-й группы.

Задача 786. 
Как получают водород в промышленности и в лаборатории? Привести уравнения реакций.
Решение:
а) Получение водорода в промышленности:
1. Получение синтез-газа:
 

_{Ni 800 ^oC}
СН₄ + Н₂О      →          CO + 3H₂

2. Крекинг углеводородов:

С₂Н₆  →  2С + 3Н₂ 

3. Электролиз водного раствора едкого натра или едкого калия. Используют 25% NaOH или 34% КОН. Электроды изготавливают из листового никеля. При этом на катоде выделяется водород, а на аноде – кислород:

Катодный процесс: 2Н₂О + 2 = Н₂ + 2ОН^—;
Анодный процесс: 4ОН^— — 4 = О₂ + 4Н⁺.

4. Вытеснение водорода из воды различными металлами. Метод основан на том, что активные металлы вытесняют водород из воды, например, натрий и кальций разлагают воду при обычных условиях, магний – при нагревании, цинк – при накаливании с водяным паром, железо – при нагревании около 700 ^оC. Чаще всего используют в промышленности для получения водорода так называемый железо-паровой метод:

3Fe + 4H₂O = Fe₂O₄ + 4H₂↑;
Fe + H₂O = FeO + H₂↑.

5. Получение водорода из природного газа. В промышленности по этому методу природный газ смешивают с кислородом и водяным паром при нагревании данной смеси до 800-900⁰ С в присутствии катализатора (пароводяная и кислородная конверсия):

2CH₄ + O₂ + 2H₂O = 2CO₂ + 6H₂.

6. Метод выделения водорода из коксового газа или из газов переработки нефти. Метод основан на глубоко охлаждении газовой смеси, при котором все газы кроме водорода сжижаются – водород остаётся в газовой фазе, которую под давлением собирают в баллоны.

7. Метод получения водорода при получении сажи из природного газа:

CH₄ → C + 2H₂↑

8. Метод получения водорода при пропускании паров воды над раскалённым углем при температуре 10000 ^оC (водяной газ, содержащий до 86% угарного газа и водорода):

C + H₂O = CO + H₂

б) Получение водорода в лабораторных условиях:

1. Метод растворения цинка в холодной соляной кислоте или в разбавленной серной кислоте:

 Zn + 2HCl = ZnCl₂ + H₂↑;
 Zn + H₂SO₄ = ZnSO₄ + H₂↑.

2. Растворение алюминия с сильными щелочами:

2Al + 2NaOH + 10H₂O = 2Na[Al(OH)₄(H₂O)₂] + 3H₂↑ 

3. Электролиз раствора КОН (электроды из листового никеля):

Катодный процесс: 2Н₂О + 2 = Н₂ + 2ОН^—;

Анодный процесс: 4ОН^— — 4 = О₂ + 4Н⁺.

4. Действие порошком алюминия на кипящую воду в присутствии нескольких капель разбавленного перманганата калия:

      _t⁰ 
        2Al + 3H₂O   →    Al₂O₃ + 3H₂↑.

5. В полевых условиях водород получают из смеси (порошок ферросилиция с сухим Са(ОН)₂ и NaOH). При поджигании данной смеси сначала она начинает тлеть, а затем наблюдается выделение водорода:

Si + Ca(OH)₂ + NaOH = Na₂SiO₃ + CaO + 2H₂↑ 

Смесь называется гидрогенит.

Задача 787. 
Можно ли для электролитического получения водорода использовать в качестве электролита водные растворы H₂SO₄, K₂,SO₄ KCl, CuSO₄, NaOH? Ответ обосновать.
Решение:
Электродные потенциалы калия, натрия и меди соответственно равны -2,92 В, -2,714 В и +0,337 В, а водородного электрода в кислой в щелочной  и в нейтральной средах соответственно равен 0,00 В, -0,83 В и -0,41 В. При этом на катоде происходит электрохимическое выделение водорода в зависимости от условий среды:

Катодный процесс: 
В кислой среде: 2H⁺ + 2 = Н₂↑; 
В щелочной или нейтральной среде:  2Н₂О + 2₂ = H₂  + 2ОН^—.

Следовательно, при электролизе H₂SO₄ будет разряжаться ионы водорода и  выделяться газообразный водород. 

При электролизе K₂SO₄ и KCl происходит электрохимическое восстановление воды, результатом которого  будет выделение водорода и гидроксид-ионов, потому что электродный потенциал калия (-2,92 В) значительно электроотрицательнее, чем потенциалы -0,41В и -0,83 В. 

При электролизе раствора CuSO₄ будет происходить разряд ионов меди и, при этом на катоде выделится металлическая медь, потому что электродный потенциал меди значительно положительнее, чем потенциал водородного электрода. 

При электролизе NaOH происходит электрохимическое восстановление воды, результатом которого  будет выделение водорода и гидроксид-ионов, потому что электродный потенциал натрия (-2,714 В) значительно электроотрицательнее, чем потенциалы -0,41 В и -0,83 В.

Таким образом, для электрохимического получения водорода можно использовать растворы  H₂SO₄, K₂SO₄ KCl и NaOH.

Задача 788. 
Железо-паровой метод получения водорода основан на обратимой реакции:
Fe + 4H₂O = Fe₃O₄ + 4H₂↑. В каких условиях следует осуществлять этот процесс, чтобы реакция протекала до практически полного окисления железа?
Решение:
Уравнение реакции имеет вид:

 3Fe + 4H₂O = Fe₃O₄ + 4H₂↑

Из уравнения реакции следует, что из четырёх молекул парообразной воды образуется четыре молекулы газообразного водорода, т.е. реакция протекает без изменения числа молей газообразных веществ, поэтому равновесие системы не нарушается при изменении давления. В данном случае при удалении продукта реакции водорода из реакционной зоны равновесие системы согласно принципу Ле Шателье сместится вправо, в сторону увеличения образования водорода. Но лучше всего выводить из реакционной системы твёрдый продукт Fe₃O₄, что будет способствовать смещению равновесия вправо, если железную окалину направлять на регенерацию, допустим посредством накаливания окалины в струе паровоздушной смеси и, затем, возвратить образуемое металлическое железо в реакционную зону. Избыток металлического железа будет способствовать ускорению реакции и, следовательно, увеличению продукта реакции. Таким образом, отведение водорода и регенерация железа способствуют протеканию реакции до практически полного окисления металлического железа.