- Что такое водород сегодня — применение водорода
- Будущее водорода в мировой энергетике
- Водород и кислоты
- Вычисление объема газов по уравнениям химических реакций
- История открытия
- Кислород и водород
- Кислород и его получение
- Первое практическое применение водорода
- Получение в лаборатории
- Получение водорода в лаборатории
- Способы получения водорода
- Тема урока "кислород и водород. получение, свойства, применение"
- Химические свойства
Что такое водород сегодня — применение водорода
С развитием технологий и возможностью получать газ в больших масштабах началось широкое применение водорода в самых разных областях:
- химическая промышленность – синтез аммиака, метанола, углеводородов;
- пищевая промышленность – получение пищевых белков;
- операции нефтепереработки;
- энергетика – экологически чистое топливо;
- машиностроение – сварка металлов.
Есть и более бытовое применение, знакомое каждому – перекись водорода. Этот состав также используют при отбеливании.
Водород активно применяется в качестве защитного газа при сварке. Процесс сварки неотъемлемо связан с целым списком технических газов, в чем вы можете убедиться лично в статьях соответствующего раздела.
Как известно, кислород оказывает неблагоприятный эффект на сварной шов, понижая его прочность. Решением этой проблемы стали защитные газы, которые не допускают попадания воздуха в зону горения дуги. В число активных защитных газов как раз и входит водород.
Однако при водородной сварке предъявляются высокие требования к напряжению источника тока. Также применение водорода в качестве защитного газа может стать причиной появления пор в металле и холодных трещин. В плазменной сварке уже необходимо применение аргоно-водородной смеси с концентрацией последнего до 20%.
Баллоны с водородом изготавливают из углеродистой стали по ГОСТу 949 и окрашивают в зеленый цвет с красными надписями. Подробнее про металлические баллоны вы можете узнать здесь.
При работе с водородом необходимо особое внимание уделять герметичности оборудования. Как говорилось ранее, газ при контакте с воздухом образует взрывоопасную смесь. Пределы взрываемости колеблются от 4 до 75%. При высокой концентрации газ также способен вызвать удушье, поэтому перед началом работы необходимо ознакомиться с соответствующими правилами.
Будущее водорода в мировой энергетике
Проблемы экологии вынуждают исследователей искать альтернативные источники энергии. Один из самых животрепещущих вопросов последних лет – водород в качестве автомобильного топлива. Главный плюс – отсутствие выброса вредных газов в атмосферу. В цилиндр двигателя поступает водород и кислород, которые в ходе реакции создают небольшой взрыв и двигают поршни.
Крупные автопроизводители постепенно осваивают технологию на прототипах или тестовых машинах. Например, уже были выпущены и протестированы такие модели, как BMWHydrogen 7, Mazda RX-8 Hydrogen RE, а также автобусы Ford E-450 для аэропортов.
Самым популярным и известным автомобилем на водороде можно назвать ToyotaMirai, которая активно продается на территории США, Канады и Японии. Во многом популярность этой модели обоснована дотациями со стороны государства.
Видео о водородной энергетике
Схожие предложения есть и от других компаний — HondaClarity, HyundaiNexo, Mercedes—BenzGLC F-Cell, BMW X5i HydrogenNext.
Несмотря на все достоинства водородной технологии, есть несколько важных «но». Во-первых, имеется масса вопросов относительно безопасности водорода в автомобильном транспорте. В отличие от бензина, водород легко может взорваться при контакте с воздухом, поэтому даже незначительные ДТП на дороге представляют опасность.
Во-вторых, в мире образовалась проблема «яйца и курицы». Машины на водороде не появляются из-за отсутствия инфраструктуры, а ее не хотят возводить из-за небольшого количества машин. Разорвать этот замкнутый круг становится сложнее, учитывая конкуренцию со стороны электромобилей.
Несмотря на эти ограничения, многие уверены, что водород станет неотъемлемой частью энергетики будущего, так же, как он используется сейчас в пищевой и химической промышленности.
Водород и кислоты
https://www.youtube.com/watch?v=XbbXJrVr8wI
Среди соединений водорода, встречающихся в природе, особое место занимают кислоты (кислые воды).
Вспомните услаждающий вкус газированной воды и других прохладительных напитков или сок урюка и кислый вкус ревеня в жаркий летний день. Наверное, каждый знает кисловатый вкус лимона. В природе встречается очень много кислот.
В плодах цитрусовых (лимон, апельсин, мандарин) содержится лимонная кислота, в свежих фруктах (яблоки, айва, фанат) — яблочная кислота, в листьях щавеля и подорожника — щавелевая кислота, в брюшке у муравьев (а также в яде пчел) — муравьиная кислота, в газированной воде содержится угольная кислота.
Многие для приготовления пищи, а особенно печеного, используют уксусную кислоту, которая также применяется для приготовления консервов из овощей. Известно, что уксусную кислоту можно получить брожением винограда или яблок. Если вы будете наблюдать за прокисанием молока, то узнаете, что причиной этого является молочная кислота.
Такие вещества, как лакмус, метилоранж, универсальный индикатор, по-разному окрашиваются в растворах кислот: лакмус краснеет, метилоранж становится розовым, универсальный индикатор приобретает красную окраску (рис. 26).
При взаимодействии металлов (магний, цинк, железо, медь) с растворами кислот (неорганических кислот, полученных синтетическим путем) реакция протекает по-разному, в частности, магний вытесняет водород из кислоты быстрее, цинк и железо — медленнее, а медь вообще не вытесняет.
Значит, кислоты — это вещества, которые обладают следующими общими свойствами:
- растворы кислот обладают кислым вкусом (в этом можно убедиться на примере природных кислот; пробовать на вкус синтетические кислоты опасно для жизни);
- растворы кислот изменяют окраску индикаторов;
- водные растворы почти всех кислот, взаимодействуя с целым рядом химически активных металлов, теряют водород.
Помимо натуральных есть еще синтетические кислоты, производимые химической промышленностью, которые также являются водородными соединениями. Всем известно, что при желудочно-кишечных расстройствах по указанию врача необходимо принимать слабый раствор соляной кислоты, или то, что серная кислота применяется в аккумуляторных батареях автомобилей.
Кислоты — это сложные вещества, которые обладают некоторыми общими свойствами.
Вещества, меняющие свою окраску в зависимости от специфических свойств соединений, называются индикаторами.
Рис. 26. Влияние растворов кислот на индикаторы
Вычисление объема газов по уравнениям химических реакций
Пример №1
Какой объем занимают 6,8 г
Решение:
Решая пропорцию, находим:
Ответ: 4,48 л.
Пример №2
Какой объем водорода при нормальных условиях выделится при растворении 3,25 г цинка в избытке соляной кислоты?
Решение:
Напишем уравнение реакции и уравняем его:
Составим на основе уравнения реакции пропорцию и решим задачу:
Ответ: 1,12 л.
Пример №3
Какой объем водорода необходим для восстановления 28,8 г FeO? Решение:
Составим уравнение реакции:
Из уравнения реакции видно, что на восстановление 1 моля (72 г) FeO нужен 1 моль (22,4 л) водорода.
Для восстановления 72 г FeO необходимо 22,4 л
Ответ: 8,96 л.
Пример №4
Для получения кислорода в лабораторных условиях используют термическое разложение бертолетовой соли. Какой объем кислорода и какое количество КС1 образуется из 4,9 г этой соли при нормальных условиях?
Решение:
Напишем уравнение реакции разложения бертолетовой соли
Вычисление объемных соотношений газов по химическим уравнениям
Пример №5
В каком объемном соотношении необходимо взять водород и кислород, чтобы они прореагировали без остатка? Какой объем кислорода вступает в реакцию с 10 л водорода?
Решение:
1) Напишем уравнение реакции взаимодействия кислорода с водородом:
2Н2 02 = 2Н20.
Из уравнения известно, что 2 моля водорода без остатка реагируют с 1 молем кислорода.
2 моля водорода занимают объем 44,8 л, а 1 моль кислорода — 22,4 л. Объемные соотношения составят:
Следовательно, водород вступает без остатка в реакцию с кислородом при объемных соотношениях, составляющих небольшие целые числа — 2:1, т.е. 2 л водорода без остатка реаг ируют с 1 л кислорода.
2) Найдем объем кислорода, вступающего в реакцию с 10 л водорода. С 2 л водорода взаимодействует 1 л кислорода,
с 10 л — х л. х = 5 л.
Ответ: 2:1; 5л
Вычисление абсолютной и относительной плотности газов
Пример №6
Рассчитайте абсолютную плотность фтористого водорода и его относительную плотность по водороду.
Решение:
1) Найдем плотность HF.
Молярная масса 1 моля HF — 20 г, а молярный объем — 22,4 л,
Пример №7
Относительная плотность паров серы по азоту при комнатной температуре равна 9,14. Определите формулу паров серы.
Решение:
Определим молярную массу паров серы.
Если относительная молекулярная масса паров серы равна 256, то, поделив ее на относительную атомную массу серы — 32, мы получим число атомов в молекуле паров серы, т.е. 256 : 32 = 8.
Значит, формула паров серы —
История открытия
Первым среди ученых водород заметил еще великий алхимик и лекарь средневековья Теофраст Парацельс. В своих алхимических опытах, в надежде отыскать «философский камень» смешивая металлы с кислотами Парацельс получил некий неизвестный до того горючий газ. Правда отделить этот газ от воздуха так и не удалось.
Только спустя полтора века после Парацельса французскому химику Лемери таки удалось отделить водород от воздуха и доказать его горючесть. Правда Лемери так и не понял, что полученный им газ является чистым водородом. Параллельно подобными химическими опытами занимался и русский ученый Ломоносов, но настоящий прорыв в исследовании водорода был сделан английским химиком Генри Кавендишом, которого по праву считают первооткрывателем водорода.
В 1766 году Кавендишу удалось получить чистый водород, который он называл «горючим воздухом». Еще через 20 лет талантливый французский химик Антуан Лавуазье смог синтезировать воду и выделить из нее этот самый «горючий воздух» – водород. И к слову именно Лавуазье предложил водороду его название – «Hydrogenium», он же «водород».
Антуан Лавуазье со своей женой, помогавшей ему проводить химические опыты, в том числе и по синтезу водорода.
Кислород и водород
Кислород — один из самых распространенных на Земле
элементов. Он составляет около половины веса земной коры, внешней
оболочки
планеты. В соединении с водородом он образует воду, покрывающую более
двух
третей земной поверхности.
Мы не можем ни увидеть кислород, ни ощутить его вкус или
запах. Тем не менее, он составляет пятую часть воздуха и является жизненно
необходимым. Чтобы жить, нам, так же как животным и растениям, надо дышать.
Кислород — непременный участник химических реакций, идущих
внутри любой микроскопической клетки живого организма, в результате которых
расщепляются питательные вещества и высвобождается энергия, необходимая для
жизни. Именно поэтому кислород так необходим каждому живому существу (за
исключением немногих видов микробов).
При горении вещества соединяются с кислородом, выделяя при
этом энергию в виде тепла и света.
Самым распространенным элементом во Вселенной является
водород. На него приходится основная масса большинства звезд. На Земле основная
часть водорода (химический символ Н) связана с кислородом (О), образуя воду (Н20).
Водород — простейший и самый легкий химический элемент, так как каждый его атом
состоит лишь из одного протона и одного электрона.
В начале XX века водородом наполняли дирижабли, большие
воздушные суда. Однако водород очень легко воспламеняется. После нескольких
катастроф, вызванных пожарами, водород в дирижаблях перестали использовать.
Сегодня в воздухоплавании используют другой легкий газ — негорючий гелий.
Водород соединяется с углеродом и образует вещества, которые
называются углеводородами. К ним относятся продукты, получаемые из природного
газа и сырой нефти, например, газообразные пропан и бутан, или жидкий бензин.
Водород также соединяется с углеродом и кислородом с образованием углеводов.
Крахмал в картофеле и рисе, сахар в свекле являются углеводами.
Солнце и другие звезды в основном состоят из водорода. В
центре звезды чудовищные температуры и давления заставляют атомы водорода
сливаться друг с другом и превращаться в другой газ – гелий. При этом
выделяется огромное количество энергии в виде тепла и света.
Кислород и его получение
СВОЙСТВА КИСЛОРОДА И СПОСОБЫ ЕГО ПОЛУЧЕНИЯ
ПОЛУЧЕНИЕ КИСЛОРОДА ИЗ ВОЗДУХА
СВОЙСТВА КИСЛОРОДА И СПОСОБЫ ЕГО ПОЛУЧЕНИЯ
Кислород О2 является наиболее распространенным элементом на земле. Он находится в большом количестве в виде химических соединений с различными веществами в земной коре (до 50% вес.), в соединении с водородом в воде (около 86% вес.) и в свободном состоянии в атмосферном воздухе в смеси главным образом с азотом в количестве 20,93% об. (23,15% вес.).
Кислород имеет большое значение в народном хозяйстве. Он широко применяется в металлургии; химической промышленности; для газопламенной обработки металлов, огневого бурения твердых горных пород, подземной газификации углей; в медицине и различных дыхательных аппаратах, например для высотных полетов, и в других областях.
В нормальных условиях кислород представляет собой газ без цвета, запаха и вкуса, не горючий, но активно поддерживающий горение. При весьма низких температурах кислород превращается в жидкость и даже твердое вещество.
Важнейшие физические константы кислорода следующие:
Кислород обладает большой химической активностью и образует соединения со всеми химическими элементами, кроме редких газов. Реакции кислорода с органическими веществами имеют резко выраженный экзотермический характер. Так, при взаимодействии сжатого кислорода с жировыми или находящимися в мелкодисперсном состоянии твердыми горючими веществами происходит мгновенное их окисление и выделяющееся тепло способствует самовозгоранию этих веществ, что может быть причиной пожара или взрыва. Это свойство особенно необходимо учитывать при обращении с кислородной аппаратурой.
Одним из важных свойств кислорода является способность его образовывать в широких пределах взрывчатые смеси с горючими газами и парами жидких горючих, что также может привести к взрывам при наличии открытого огня или даже искры. Взрывчатыми являются и смеси воздуха с газо- или парообразными горючими.
Кислород может быть получен: 1) химическими способами; 2) электролизом воды; 3) физическим способом из воздуха.
Химические способы, заключающиеся в получении кислорода из различных веществ, малопроизводительны и в настоящее время имеют лишь лабораторное значение.
Электролиз воды, т. е. разложение ее на составляющие — водород и кислород, осуществляется в аппаратах, называемых электролизерами. Через воду, в которую для повышения электропроводности добавляется едкий натр NaOH, пропускается постоянный ток; кислород собирается на аноде, а водород — на катоде. Недостатком способа является большой расход электроэнергии: на 1 м3 02 (кроме того, получается 2 м3 Н2) расходуется 12-15 квт.ч. Этот способ рационален при наличии дешевой электроэнергии, а также при получении электролитического водорода, когда кислород является отходом производства.
Физический способ заключается в разделении воздуха на составляющие методом глубокого охлаждения. Этот способ позволяет получать кислород практически в неограниченном количестве и имеет основное промышленное значение. Расход электроэнергии на 1 м3 О2 составляет 0,4-1,6 квт.ч, в зависимости от типа установки.
ПОЛУЧЕНИЕ КИСЛОРОДА ИЗ ВОЗДУХА
Атмосферный воздух в основном представляет собой механическую смесь трех газов при следующем объемном их содержании: азота — 78,09%, кислорода — 20,93%, аргона — 0,93%. Кроме того, в нем содержится около 0,03% углекислого газа и малые количества редких газов, водорода, закиси азота и др.
Главная задача при получении кислорода из воздуха заключается в разделении воздуха на кислород и азот. Попутно производится отделение аргона,-применение которого в специальных способах сварки непрерывно возрастает, а также и редких газов, играющих важную роль в ряде производств. Азот имеет некоторое применение в сварке как защитный газ, в медицине и других областях.
Сущность способа заключается в глубоком охлаждении воздуха с обращением его в жидкое состояние, что при нормальном атмосферном давлении может быть достигнуто в интервале температур от —191,8° С (начало сжижения) до -193,7° С (окончание сжижения).
Разделение жидкости на кислород и азот осуществляется путем использования разности температур их кипения, а именно: Ткип. о2 = -182,97° С; Ткип.N2 = -195,8° С (при 760 мм рт. ст.).
При постепенном испарении жидкости в газообразную фазу в первую очередь будет переходить азот, имеющий более низкую температуру кипения и по мере его выделения жидкость будет обогащаться кислородом. Многократное повторение этого процесса позволяет получить кислород и азот требуемой чистоты. Такой способ разделения жидкостей на составные части называется ректификацией.
Для производства кислорода из воздуха имеются специализированные предприятия, оснащенные высокопроизводительными установками. Кроме того, на крупных металлообрабатывающих предприятиях имеются свои кислородные станции.
Низкие температуры, необходимые для сжижения воздуха, получают с помощью так называемых холодильных циклов. Ниже кратко рассматриваются основные холодильные циклы, используемые в современных установках.
Холодильный цикл с дросселированием воздуха основан на эффекте Джоуля—Томсона, т. е. резком снижении температуры газа при свободном его расширении. Схема цикла приведена на рис. 2.
Воздух сжимается в многоступенчатом компрессоре 1 до 200 кгс/см2 и затем проходит через холодильник 2 с проточной водой. Глубокое охлаждение воздуха происходит в теплообменнике 3 обратным потоком холодного газа из сборника жидкости (ожижителя) 4. В результате расширения воздуха в дроссельном вентиле 5 он дополнительно охлаждается и частично сжижается.
Давление в сборнике 4 регулируется в пределах 1—2 кгс/см2. Жидкость периодически сливается из сборника в специальные емкости через вентиль 6. Несжиженная часть воздуха отводится через теплообменник, производя охлаждение новых порций поступающего воздуха.
Охлаждение воздуха до температуры сжижения происходит постепенно; при включении установки имеется пусковой период, в течение которого сжижения воздуха не наблюдается, а происходит лишь охлаждение установки. Этот период занимает несколько часов.
Достоинством цикла является его простота, а недостатком — относительно высокий расход электроэнергии — до 4,1 квт.ч на 1 кг сжиженного воздуха при давлении в компрессоре 200 кгс/см2; при меньшем давлении удельный расход электроэнергии резко возрастает. Данный цикл применяется в установках малой и средней производительности для получения газообразного кислорода.
Несколько более сложным является цикл с дросселированием и предварительным аммиачным охлаждением воздуха.
Холодильный цикл среднего давления с расширением в детандере основан на понижении температуры газа при расширении с отдачей внешней работы. Кроме того, используется и эффект Джоуля— Томсона. Схема цикла приведена на рис. 3.
Воздух сжимается в компрессоре 1 до 20-40 кгс/см2, проходит через холодильник 2 и затем через теплообменники 3 и 4. После теплообменника 3 большая часть воздуха (70-80%) направляется в поршневую расширительную машину-детандер 6, а меньшая часть воздуха (20-30%) идет на свободное расширение в дроссельный вентиль 5 и далее сборник 7, имеющий кран 8 для слива жидкости. В детандере 6
воздух, уже охлажденный в первом теплообменнике, производит работу — толкает поршень машины, давление его падает до 1 кгс/см2, за счет чего резко снижается температура. Из детандера холодный воздух, имеющий температуру около —100° С, выводится наружу через теплообменники 4 и 3, охлаждая поступающий воздух. Таким образом, детандер обеспечивает весьма эффективное охлаждение установки при сравнительно небольшом давлении в компрессоре. Работа детандера используется полезно и это частично компенсирует затрату энергии на сжатие воздуха в компрессоре.
Достоинствами цикла являются: сравнительно небольшое давление сжатия, что упрощает конструкцию компрессора и повышенная холодопроизводительность (благодаря детандеру), что обеспечивает устойчивую работу установки при отборе кислорода в жидком виде.
Холодильный цикл низкого давления с расширением в турбодетандере, разработанный акад. П. Л. Капицей, основан на применении воздуха низкого давления с получением холода только за счет расширения этого воздуха в воздушной турбине (турбодетандере) с производством внешней работы. Схема цикла приведена на рис. 4.
Воздух сжимается турбокомпрессором 1 до 6-7 кгс/см2, охлаждается водой в холодильнике 2 и поступает в регенераторы 3 (теплообменники), где охлаждается обратным потоком холодного воздуха. До 95% воздуха после регенераторов направляется в турбодетандер 4, расширяется до абсолютного давления 1 кгс/см2 с выполнением внешней работы и при этом резко охлаждается, после чего он подается в трубное пространство конденсатора 5 и конденсирует остальную часть сжатого воздуха (5%), поступающую в межтрубное пространство. Из конденсатора 5 основной поток воздуха направляется в регенераторы и охлаждает поступающий воздух, а жидкий воздух пропускается через дроссельный вентиль 6 в сборник 7, из которого сливается через вентиль 8. На схеме показан один регенератор, а в действительности их ставят несколько и включают поочередно.
Достоинствами цикла низкого давления с турбодетандером являются: более высокий к. п. д. турбомашин по сравнению с машинами поршневого типа, упрощение технологической схемы, повышение надежности и взрывобезопасности установки. Цикл применяется в установках большой производительности.
Разделение жидкого воздуха на составляющие осуществляется посредством процесса ректификации, сущность которого состоит в том, что образующуюся при испарении жидкого воздуха парообразную смесь азота и кислорода пропускают через жидкость с меньшим содержанием кислорода. Поскольку кислорода в жидкости меньше, а азота больше, то она имеет более низкую температуру, чем проходящий через нее пар, а это вызывает конденсацию кислорода из пара и обогащение им жидкости с одновременным испарением из жидкости азота, т. е. обогащение им паров над жидкостью.
Представление о сущности процесса ректификации может дать приведенная на рис. 5 упрощенная схема процесса многократного испарения и конденсации жидкого воздуха.
Принимаем, что воздух состоит только из азота и кислорода. Представим, что имеется несколько соединенных друг с другом сосудов (I—V), в верхнем находится жидкий воздух с содержанием 21% кислорода. Благодаря ступенчатому расположению сосудов жидкость будет стекать вниз и при этом постепенно обогащаться кислородом, а температура ее будет повышаться.
Допустим, что в сосуде II находится жидкость, содержащая 30% 02, в сосуде III — 40%, в сосуде IV — 50% и в сосуде V — 60% кислорода.
Для определения содержания кислорода в паровой фазе воспользуемся специальным графиком — рис. 6, кривые которого указывают содержание кислорода в жидкости и паре при различных давлениях.
Начнем испарять жидкость в сосуде V при абсолютном давлении 1 кгс/см2. Как видно из рис. 6, над жидкостью в этом сосуде, состоящей из 60% 02 и 40% N2, может находиться равновесный по составу пар, содержащий 26,5% 02 и 73,5% N2, имеющий такую же температуру, что и жидкость. Подаем этот пар в сосуд IV, где жидкость содержит только 50% 02 и 50% N2 и поэтому будет более холодной. Из рис. 6 видно, что над этой жидкостью пар может содержать лишь 19% 02 и 81% N2, и только в этом случае его температура будет равна температуре жидкости в данном сосуде.
Следовательно, подводимый в сосуд IV из сосуда V пар, содержащий 26,5% О2, имеет более высокую температуру, чем жидкость в сосуде IV; поэтому кислород пара конденсируется в жидкости сосуда IV, а часть азота из нее будет испаряться. В результате жидкость в сосуде IV обогатится кислородом, а пар над нею — азотом.
Аналогично будет происходить процесс и в других сосудах и, таким образом, при сливе из верхних сосудов в нижние жидкость обогащается кислородом, конденсируя его из поднимающихся паров и отдавая им свой азот.
Продолжая процесс вверх, можно получить пар, состоящий почти из чистого азота, а в нижней части — чистый жидкий кислород. В действительности процесс ректификации, протекающий в ректификационных колоннах кислородных установок, значительно сложнее описанного, но принципиальное его содержание такое же.
Независимо от технологической схемы установки и вида холодильного цикла процесс производства кислорода из воздуха включает следующие стадии:
1) очистка воздуха от пыли, паров воды и углекислоты. Связывание СО2 достигается пропусканием воздуха через водный раствор NaOH;
2) сжатие воздуха в компрессоре с последующим охлаждением в холодильниках;
3) охлаждение сжатого воздуха в теплообменниках;
4) расширение сжатого воздуха в дроссельном вентиле или детандере для его охлаждения и сжижения;
5) сжижение и ректификация воздуха с получением кислорода и азота;
6) слив жидкого кислорода в стационарные цистерны и отвод газообразного в газгольдеры;
7) контроль качества получаемого кислорода;
8) наполнение жидким кислородом транспортных резервуаров и наполнение баллонов газообразным кислородом.
Качество газообразного и жидкого кислорода регламентируется соответствующими ГОСТами.
По ГОСТу 5583-58 выпускается газообразный технический кислород трех сортов: высший — с содержанием не менее 99,5% О2, 1-й — не менее 99,2% О2 и 2-й — не менее 98,5% О2, остальное — аргон и азот (0,5—1,5%). Содержание влаги не должно превышать 0,07 г/ж3. Кислород, получаемый электролизом воды, не должен содержать водорода более 0,7% по объему.
По ГОСТу 6331-52 выпускается жидкий кислород двух сортов: сорт А с содержанием не менее 99,2% О2 и сорт Б с содержанием не менее 98,5% О2. Содержание ацетилена в жидком кислороде не должно превышать 0,3 см3/л.
Применяемый для интенсификации различных процессов на предприятиях металлургической, химической и других отраслей промышленности технологический кислород содержит 90—98% О2.
Контроль качества газообразного, а также и жидкого кислорода производится непосредственно в процессе производства с помощью специальных приборов.
Автор: Администрация
Первое практическое применение водорода
Уникальные свойства этого газа быстро нашли применение в нескольких сферах, в частности, в военной. В 18 веке воздушная техника сводилась к шарам и дирижаблям. Наполняли емкости горячим воздухом, благодаря которому вся конструкция могла взлетать. Проблемой было то, что воздух требовалось поддерживать горячим, иначе он терял свою подъемную способность.
Газ водород в этом плане был намного выгоднее – он всегда оставался легче воздуха, но наоборот требовал повышенной защиты от огня. Почему не использовали гелий? На тот момент производство этого газа было непомерно дорогим, поэтому о наполнении таких больших объемов как в дирижаблях речи не шло. Сегодня же гелий куда более доступный и активно используется в самых разных сферах.
История дирижаблей на водороде ассоциируется с именем Фердинанда фон Цеппелина, который создал модели LZ-1, LZ-2 и LZ-3. Последнюю заметили военные, после чего эти воздушные суда начали активно использоваться в военных действиях в ходе Первой мировой войны, а также в пассажирских перевозках. Дирижабли без особых проблем могли совершать длительные полеты, в том числе через Атлантический океан.
Водород не только подарил новую жизнь воздушным судам, но и стал причинной их гибели. Газ легко воспламенялся, из-за чего каждый дирижабль фактически становился потенциальной бомбой. Конец эры этих монстров датируется 1937 годом, когда в США загорелся и рухнул дирижабль «Гинденбург».
Получение в лаборатории
1) В результате разложения воды под действием электрического тока.
2) В результате вступления в реакцию некоторых металлов (Li, Na, К, Mg, Са, Ва, Al, Zn, Fe) с кислотами (кроме разбавленной и концентрированной и концентрированной . В этих реакциях в качестве кислоты используются разбавленные соляная и серная кислоты. Для получения водорода пользуются аппаратом Киппа (рис.1) или же устройством, представленным на рис. 2.
Сложные вещества, состоящие из одного или нескольких атомов водорода и кислотного остатка, называются кислотами. Атомы или группа атомов, соединённых с водородом в молекуле кислоты, называются кислотными остатками.
Составим уравнение реакции с металлом цинком (таблица 1).
1 моль любого металла выделяет мольное количество
Полученные в результате реакции сложные вещества (хлорид цинка и сульфат цинка) называются солями. Соли — это сложные вещества, состоящие из атома металла и кислотного остатка.
Формулы солей составляются по валентности металла и кислотного остатка. Произношение названий солей основано на названиях металла и кислотного остатка. Например, (таблица 2).
При собирании водорода путём вытеснения воздуха конец газоотводной трубки вставляется в опрокинутый отверстием вниз сосуд (рис. 2).
Для проверки наличия водорода к концу газоотводной трубы подносят небольшую пробирку (на 10-20 секунд), затем, держа ее отверстием вниз, приближают к огню. Раздавшийся при этом взрывоподобный звук или гудение свидетельствуют о наличии водорода
3) В результате реакции активных металлов (Li, Na, К, Са, Ва и др.) с водой. Поскольку эти реакции протекают бурно, а порой и со взрывами, следует брать небольшой кусочек металла, а пробирку, в которой проводится опыт, закрыть воронкой. Во время реакции из молекулы воды вытесняется лишь 1 атом водорода и в результате получается одновалентная гидроксилъная группа(ОН). В свою очередь, гидроксильная группа, соединяясь с атомом металла, образует новое вещество.
Число гидроксильной группы в основаниях зависит от валентности металла.
Полученные в результате этих реакций сложные вещества называются основаниями или гидроксидами. Сложные вещества, состоящие из атома металла и гидроксильной группы, называются основаниями. Названия оснований читаются так: вначале произносится слово «гидроксид», а затем название металла. Если металл имеет переменную валентность, то его валентность отмечается (таблица 3).
Получение водорода в лаборатории
В лаборатории водород получают в результате взаимодействия цинка или железа с соляной кислотой (рис. 27):
Для этого используют специальную установку или аппарат Киппа (рис. 28).
Аппарат Киппа в любое время готов к работе, которую можно прекратить также в любой момент.
Аппарат состоит из сосуда А и воронки Б и представляет собой соединенные между собой шарообразные и полушарообразные полые резервуары. При установлении воронки Б между ее концом и узкой частью соединения шара и полушара возникает щель. Через тубус В засыпаются кусочки металла такого размера, чтобы они не проходили через шель.
В воронку наливается раствор кислоты, который заполняет полушар и достигает, проходя через щель, кусочки металла. Затем подача кислоты прекращается. Между металлом и кислотой протекает реакция, начинает выделяться газ, который выводится наружу посредством газоотводной трубки Г с пробкой, установленной на тубусе.
По окончании опыта кран Г закрывается. В результате перекрывается путь для выхода газа. Газ, собираясь, оказывает давление на кислоту, кислота начинает подниматься по воронке, не соприкасаясь с кусочками металла, и в результате реакция прекращается.
В случае отсутствия аппарата Киппа из имеющейся в лаборатории посуды можно легко изготовить специальную установку. Принцип ее работы такой же, как и у аппарата Киппа.
Рис. 28. Составные части аппарата Киппа (а); заменяющая его специальная установка (б); работа аппарата Киппа (в)
Способы получения водорода
В космосе над всеми элементами преобладает водород, однако на Земле встретить его в свободном виде практически невозможно. В связи с этим существует несколько разнообразных технологий получения этого газа, каждая из которых имеет свои особенности.
В лабораторных условиях нередко пользуются древним способом – получая газ из кислот. Пример, взаимодействие серной кислоты и цинка, в ходе которого выделяется H2. В качестве металлов могут подойти и другие, например, алюминий. Однако полученный газ требуется еще дополнительно очистить.
В промышленных масштабах часто используется метод паровой конверсии с метаном или природным газом. В ходе сложных контролируемых химических реакций удается получить относительно чистый газ водород. После с помощью угольных фильтров достигается концентрация в 99,9%. Такой подход требует наличия крупных установок, но считается одним из самых эффективных.
В местах с дешевым электричеством может использоваться электролиз – разложение воды на водород и кислород. В воду добавляется небольшое количество солей, чтобы жидкость смогла проводить электричество. Технология позволяет получить не только водород, но и кислород, который также имеет большое значение в промышленном производстве. Единственный недостаток – большие затраты электроэнергии.
Среди других методов стоит отметить газификацию угля. Методика из-за доступности сырья успешно конкурирует с другими способами, но вызывает вопросы с точки зрения экологичности. Газификация сопровождается ощутимыми выбросами углекислого газа, из-за чего производства могут попадать под санкции.
Нередко можно встретить разработки по получению водорода в ходе разложения органических или неорганических веществ. Например, компания Ways2H предлагает специальную технологию утилизации бытовых отходов, в ходе которой без сгорания можно получить водород.
Тема урока "кислород и водород. получение, свойства, применение"
(Презентация. Слайд 1)
Цель урока:закрепить знания учащихся о кислороде и водороде
как химических элементах и простых веществах, способах их получения и
практическом использовании.
Задачи урока:
- Обучающие:
закрепить на уровне атомно-молекулярной теории представления о кислороде
и водороде, как химических элементах, простых веществ; понятии аллотропия,
катализатор;
продолжить формировать практические умения по обращению с химическим
оборудованием и реактивами. - Развивающие: развивать познавательные умения (умение наблюдать,
сравнивать, делать выводы). - Воспитывающие:
воспитывать аккуратность при выполнении эксперимента;
воспитывать коммуникативные умения.
Оборудование и реактивы:раствор перекиси водорода 3%, оксид
марганца (IV), приборы для получения кислорода и водорода, спички, спиртовка,
лучинка, гранулы цинка, соляная кислота. Таблицы “Кислород в природе”,
“Электрохимический ряд металлов”, CD диск “Виртуальная лаборатория”.
Девиз: “Незнающие пусть научатся, а знающие вспомнят еще раз”
Ход урока
Учитель: Сегодня предметом нашего внимания будут кислород и водород,
которые имеют большое значение для жизни на нашей планете. Мы повторим их
способы получения, свойства и области применения. Начнем урок с устного
химического диктанта. Я буду задавать вопросы, а вы должны определить о каком
химическом элементе или образованном им веществе идет речь.
Узнай “Кто я?”
.
(Слайд 2; 3)
Самый распространенный химический элемент на Земле?
Самый распространенный химический элемент во Вселенной?
Массовая доля этого элемента в организме человека составляет 61%?
В твердом состоянии притягивается магнитом?
Самый легкий газ на нашей планете?
Образуется в результате реакций замещения между металлом и кислотой?
Этот элемент образует два простых вещества, одно из которых имеет запах
свежести?
Является хорошим восстановителем?
В составе воздуха на него приходится 21%?
Необходим для дыхания?
Его открыл Лавуазье?
Его открыл Кавендиш?
Учитель: А теперь вспомним, как получаются эти газы (на столе стоят
приборы для собирания газов).
Каким прибором необходимо воспользоваться для получения и собирания водорода?
Почему?
Что нужно взять для получения водорода?
А любой ли металл для этого подходит?
Игра “Третий лишний”.
Какой металл не будет вытеснять водород из кислот? (Слайды 4; 5)
А) Mg, AI, Cu. | Б) Ag, Fe, Na. |
Давайте проведем опыт по получению водорода. Как доказать его наличие? Почему
необходимо проверять водород на чистоту? (ученик получает водород и доказывает
его наличие).
Учитель:
Каким прибором необходимо воспользоваться для получения и собирания
кислорода? Почему?
Какими способами можно собирать кислород? Почему?
Из какого вещества мы на практической работе получали кислород?
Как мы доказываем, что получили кислород?
Из какого еще вещества можно получить кислород? (Из перекиси водорода).
Какое вещество необходимо добавить к перекиси водорода? Чем оно является? Что
называется катализатором?
Один ученик проделывает опыт по получению кислорода из перекиси водорода.
Учащиеся записывают уравнение реакции его получения.
Учитель: Так как получение кислорода в больших количествах
дорогостоящий процесс, мы воспользуемся “Виртуальной лабораторией”, чтобы
продемонстрировать свойства кислорода. (Ученики работают с CD диском.
Проделывают реакции горения угля, серы и железа в кислороде и записывают
уравнения реакций).
Учитель: С какими веществами взаимодействует кислород? (С
неметаллами, металлами, сложными веществами).
Что при этом образуется? Что называется оксидами?
Игра в “крестики-нолики” (Слайд 6)
CaO | HCI | PH3 |
S | BaO | Cu |
H2O | H2S | AI2O3 |
(Выигрышный путь – формулы оксидов.)
На доске написаны уравнения химических реакций. Найдите допущенные там
ошибки:(Слайды 7; 8)
KMnO4 = K2MnO4 MnO2 O2
P 5 O2 = 2 P205
К H2 = КН
3 H2 WO3 = W H2 O
Чем является водород в химических реакциях с оксидами металлов?
К нам поступила телеграмма: “Пропали вещества, вместо них появились
многоточия” Текст этой телеграммы перед Вами. Напишите пропавшие вещества и
расставьте коэффициенты.
ТЕЛЕГРАММА
(Слайд 9; 11)
Осуществите цепочку превращений. (Слайд 10; 12)
H2 O→ O2 →CuO →Cu | KMnO4 → O2 → H2 O→ H2 |
А как получали водород в прошлом? Один из самых старых способов –
взаимодействие водяного пара с раскаленным железом – способ Лавуазье.
3 Fe 4 H2 O = Fe3O4 4 H2
Таким способом его получали в России в царской армии для наполнения воздушных
шаров, пропуская пар через раскаленные дула пушек. Таким же способом его
получали в блокадном Ленинграде для наполнения аэростатов воздушного
заграждения.
Вычислите объем выделившегося водорода, если в реакцию вступило 2 моль воды?
Где сейчас используются водород и кислород?
Водород: (Слайды 13–18)
Протекающие в звездах (и на Солнце) превращения атомов водорода в атомы гелия
сопровождаются выделением огромного количества тепла и света. Без них жизнь на
Земле была бы невозможна.
Значительная часть расходуется на производство аммиака, являющегося сырьем
для получения пластмасс, синтетических волокон, лекарственных препаратов.
Небольшое количество водорода используется в пищевой промышленности для
преобразования жидких растительных масел в маргарин.
Жидкий водород применяется как ракетное топливо. Исследуется возможность
использования водорода в двигателях внутреннего сгорания. Создано множество
вариантов водородных двигателей для автомобилей. Но пока водород в 4 раза дороже
бензина. Возможно, что в будущем топливом номер один будет “металлический”
водород.
Кислород: (Слайды 19–25)
Необходим для дыхания. Достаточно 7–8 минут прекращения поступления кислорода
в кровь, чтобы в коре головного мозга произошли необратимые изменения и
восстановление жизни стало практически невозможным.
Используют в химической промышленности для получения оксидов, кислот,
пластмасс.
Используется при выплавке чугуна и стали.
Жидкий кислород используется в ракетных двигателях.
На высоте 15–25 км образует озоновый слой, состоящий из атомов кислорода,
который защищает Землю от жестких ультрафиолетовых лучей.
Используется при сварке и резке металлов.
Применяется для ускорения процессов окисления (горения).
В санаториях больным предлагают кислородный коктейль, который готовят путем
пропускания сильной струи кислорода через фруктовые соки. Применение
кислородного коктейля снимает усталость, повышает производительность труда,
улучшает общее самочувствие и способствует нормализации сна.
Учитель: Знакомство с соединениями, в которые входят кислород и
водород, мы продолжим на последующих уроках.
На этом наш урок закончен.
Химические свойства
При нормальных условиях чистый кислород — очень активное вещество, сильный окислитель. В составе воздуха окислительные свойства кислорода не столь явно выражены.
1. Кислород проявляет свойства окислителя(с большинством химических элементов) и свойства восстановителя(только с более электроотрицательным фтором). В качестве окислителя кислород реагирует и с металлами, и с неметаллами. Большинство реакций сгорания простых веществ в кислороде протекает очень бурно, иногда со взрывом.
1.1. Кислород реагирует с фтором с образованием фторидов кислорода:
O2 2F2 → 2OF2
С хлором и бромом кислород практически не реагирует, взаимодействует только в специфических очень жестких условиях.
1.2. Кислород реагирует с серой и кремниемс образованием оксидов:
S O2 → SO2
Si O2 → SiO2
1.3.Фосфоргорит в кислороде с образованием оксидов:
При недостатке кислорода возможно образование оксида фосфора (III):
4P 3O2 → 2P2O3
Но чаще фосфор сгорает до оксида фосфора (V):
4P 5O2 → 2P2O5
1.4.С азотомкислород реагирует при действии электрического разряда, либо при очень высокой температуре (2000оС), образуя оксид азота (II):
N2 O2→ 2NO
1.5. В реакциях с щелочноземельными металлами, литием и алюминием кислород также проявляет свойства окислителя. При этом образуются оксиды:
2Ca O2 → 2CaO
Однако при горении натрияв кислороде преимущественно образуется пероксид натрия:
2Na O2→ Na2O2
А вот калий, рубидий и цезий при сгорании образуют смесь продуктов, преимущественно надпероксид:
K O2→ KO2
Переходные металлы окисляются кислород обычно до устойчивых степеней окисления.
Цинк окисляется до оксида цинка (II):
2Zn O2→ 2ZnO
Железо, в зависимости от количества кислорода, образуется либо оксид железа (II), либо оксид железа (III), либо железную окалину:
2Fe O2→ 2FeO
4Fe 3O2→ 2Fe2O3
3Fe 2O2→ Fe3O4
1.6. При нагревании с избытком кислорода графит горит, образуя оксид углерода (IV):
C O2 → CO2
при недостатке кислорода образуется угарный газ СО:
2C O2 → 2CO
Алмаз горит при высоких температурах:
Горение алмаза в жидком кислороде:
Графит также горит:
Графит также горит, например, в жидком кислороде:
Графитовые стержни под напряжением:
2. Кислород взаимодействует со сложными веществами:
2.1. Кислород окисляет бинарные соединения металлов и неметаллов: сульфиды, фосфиды, карбиды, гидриды. При этом образуются оксиды:
4FeS 7O2→ 2Fe2O3 4SO2
Al4C3 6O2→ 2Al2O3 3CO2
Ca3P2 4O2→ 3CaO P2O5
2.2. Кислород окисляет бинарные соединения неметаллов:
- летучие водородные соединения (сероводород, аммиак, метан, силан гидриды. При этом также образуются оксиды:
2H2S 3O2→ 2H2O 2SO2
Аммиакгорит с образованием простого вещества, азота:
4NH3 3O2→ 2N2 6H2O
Аммиакокисляется на катализаторе (например, губчатое железо) до оксида азота (II):
4NH3 5O2→ 4NO 6H2O
- прочие бинарные соединения неметаллов — как правило, соединения серы, углерода, фосфора (сероуглерод, сульфид фосфора и др.):
CS2 3O2→ CO2 2SO2
- некоторые оксиды элементов в промежуточных степенях окисления (оксид углерода (II), оксид железа (II) и др.):
2CO O2→ 2CO2
2.3. Кислород окисляет гидроксиды и соли металлов в промежуточных степенях окисления в водных растворах.
Например, кислород окисляет гидроксид железа (II):
4Fe(OH)2 O2 2H2O → 4Fe(OH)3
Кислород окисляет азотистую кислоту:
2HNO2 O2 → 2HNO3
2.4. Кислород окисляет большинство органических веществ. При этом возможно жесткое окисление (горение) до углекислого газа, угарного газа или углерода:
CH4 2O2→ CO2 2H2O
2CH4 3O2→ 2CO 4H2O
CH4 O2→ C 2H2O
Также возможно каталитическое окисление многих органических веществ (алкенов, спиртов, альдегидов и др.)
2CH2=CH2 O2 → 2CH3-CH=O