Как воду разделить на водород и кислород: Расщепление воды с эффективностью 100%: полдела сделано / Хабр

Содержание

Расщепление воды с эффективностью 100%: полдела сделано / Хабр

Если найти дешёвый и простой способ электролиза/фотолиза воды, то мы получим невероятно богатый и чистый источник энергии — водородное топливо. Сгорая в кислороде, водород не образует никаких побочных выделений, кроме воды. Теоретически, электролиз — очень простой процесс: достаточно пропустить электрический ток через воду, и она разделяется на водород и кислород. Но сейчас все разработанные техпроцессы требуют такого большого количества энергии, что электролиз становится невыгодным.

Теперь учёные решили часть головоломки. Исследователи из Технион-Израильского технологического института разработали метод проведения второго из двух шагов окислительно-восстановительной реакции — восстановления — в видимом (солнечном) свете с энергетической эффективностью 100%, значительно превзойдя предыдущий рекорд 58,5%.

Осталось усовершенствовать полуреакцию окисления.

Столь высокой эффективности удалось добиться благодаря тому, что в процессе используется только энергия света. Катализаторами (фотокатализаторами) выступают наностержни длиной 50 нм. Они абсорбируют фотоны от источника освещения — и выдают электроны.

В полуреакции окисления производятся четыре отдельных атома водорода и молекула О2 (которая не нужна). В полуреакции восстановления четыре атома водорода спариваются в две молекулы H2, производя полезную форму водорода — газ H2,

Эффективность 100% означает, что все фотоны, поступившие в систему, участвуют в генерации электронов.

На такой эффективности каждый наностержень генерирует около 100 молекул H2 в секунду.

Сейчас учёные работают над оптимизацией техпроцесса, который пока что требует щелочной среды с невероятно высоким pH. Такой уровень никак не приемлем для реальных условий эксплуатации.

К тому же, наностержни подвержены коррозии, что тоже не слишком хорошо.

Тем не менее, сегодня человечество стало на шажок ближе к получению неиссякаемого источника чистой энергии в виде водородного топлива.

Научная работа опубликована в журнале Nano Letters (зеркало).

Расщепление воды – Наука – Коммерсантъ

Опыт Карлайла и Николсона был простым, как все гениальное. Чуть раньше в том же 1800 году итальянец Вольта сделал первую в истории человечества химическую батарейку — вольтов столб из сложенных поочередно в столбик кружочков меди и цинка с прокладками между ними из сукна, смоченного в соленой воде. Карлайл и Николсон проводки от вольтова столба опустили в воду. На них образовались пузырьки газа, на одном проводке — водорода, а другом — кислорода.

Оценить всю глубину своего открытия Карлайл и Николсон не смогли и, соответственно, не сумели извлечь из него все крывшиеся в нем научные дивиденды. Не потому что были химиками-самоучками (Карлайл был хирургом, а Николсон и вовсе самоучкой в буквальном смысле этого слова), а потому что вряд ли кто-нибудь другой, будь он семи пядей во лбу, смог бы это сделать, уж слишком широкое поле для научных и практических приложений открыл их опыт.

Поначалу все были загипнотизированы самим фактом того, что электричество способно менять природу материи, на детали опыта всеобщий восторг не распространялся. Эти детали исследовали уже другие ученые, и в отличие от Карлайла и Николсона они остались в истории науки авторами фундаментальных открытий.

Первым был химик Хэмфри Дэви, который, неоднократно повторяя опыт и каждый раз получая из воды только водород и кислород, стал первооткрывателем химического состава воды. Он же, пропуская ток через растворы разных солей, получил на электродах химические элементы калий, натрий, магний, стронций, барий, кальций, бор и хлор. Открыл их!

Повторяя опыт Карлайла и Николсона, Гей-Люссак открыл закон объемных отношений газов, а Авогадро — свой «закон Авогадро». В конце концов, Берцелиус окончательно определил формулу воды Н2О. А Майкл Фарадей сформулировал законы электролиза — того явления, которое открыли Карлайл и Николсон в своем опыте и без которого немыслима современная промышленность.

О них же самих сегодня никто не помнит, хотя последние лет тридцать их опыт во всевозможных вариантах со всевозможными катализаторами с упорством маньяков воспроизводят тысячи химиков по всему миру, пытаясь экономически рентабельно разложить воду на водород и кислород, чтобы создать водородный двигатель для автомобиля. А когда эта задача будет решена, о Карлайле и Николсоне опять «первооткрыватели» топлива из воды вряд ли вспомнят.

Сергей Петухов

Как отделить кислород от водорода

Для этого нужен более сложный прибор — электролизер, который состоит из широкой загнутой трубки, наполненной раствором щелочи, в которую погружены два электрода из никеля.

Монополярная ванна

Кислород будет выделяться в правом колене электролизера, куда подключен положительный полюс источника тока, а водород — в левом.

Это обычный тип электролизера, которым пользуются в лабораториях для получения небольших количеств чистого кислорода.

В больших количествах кислород получают в электролитических ваннах разнообразных типов.

Войдем в один из электрохимических заводов по производству кислорода и водорода. В огромных светлых залах-цехах строгими рядами стоят аппараты, к которым по медным шинам подводится постоянный ток. Это электролитические ванны. В них из воды можно получить кислород и водород.

Электролитическая ванна — сосуд, в котором параллельно друг другу расположены электроды. Сосуд наполняют раствором — электролитом. Число электродов в каждой ванне зависит от размера сосуда и от расстояния между электродами. По схеме включения электродов в электрическую цепь ванны делятся на однополярные (монополярные) и двухполярные (биполярные).

В монополярной ванне половина всех электродов подключается к положительному полюсу источника тока, а вторая половина — к отрицательному полюсу.

В такой ванне каждый электрод служит или анодом, или катодом, и на обеих сторонах его идет один и тот же процесс.

Биполярная ванна: 1 — катод; 2 — анод; 3 — биполярные электроды.

В биполярной ванне источник тока подключается только к крайним электродам, один из которых служит анодом, а другой — катодом. С анода ток поступает в электролит, через который он переносится ионами к близлежащему электроду и заряжает его отрицательно.

Проходя через электрод, ток снова входит в электролит, заряжая обратную сторону этого электрода положительно. Таким образом, проходя от одного электрода к другому, ток доходит до катода.

В биполярной ванне только анод и катод работают как монополярные электроды. Все же остальные электроды, расположенные между ними, являются с одной стороны катодами (—), а с другой стороны — анодами (+).

При прохождении электрического тока через ванну между электродами выделяются кислород и водород. Эти газы нужно отделить друг от друга и направить каждый по своему трубопроводу.

Существуют два способа отделения кислорода от водорода в электролитической ванне.

Отделение кислорода от водорода в электролитической ванне металлическими колоколами

Первый из них заключается в том, что электроды отгораживаются друг от друга металлическими колоколами. Образующиеся на электродах газы поднимаются в виде пузырьков кверху и попадают каждый в свой колокол, откуда через верхний отвод направляются в трубопроводы.

Этим способом кислород легко отделить от водорода. Однако такое разделение приводит к излишним, непроизводительным затратам электроэнергии, так как электроды приходится ставить на большом расстоянии друг от друга.

Другой способ разделения кислорода и водорода при электролизе заключается в том, что между электродами ставится перегородка — диафрагма, которая является непроницаемой для пузырьков газа, но хорошо пропускает электрический ток. Диафрагма может быть сделана из плотно сотканной асбестовой ткани толщиной 1,5—2 миллиметра. Эту ткань натягивают между двумя стенками сосуда, создавая тем самым изолированные друг от друга катодные и анодные пространства.

Водород из всех катодных и кислород из всех анодных пространств поступают в сборные трубы. Оттуда по трубопроводам каждый газ направляется в отдельное помещение. В этих помещениях под давлением 150 атмосфер полученными газами наполняют стальные баллоны. Баллоны направляют во все уголки нашей страны. Кислород и водород находят широкое применение в различных областях народного хозяйства.

Источник: В. Медведовский. Кислород. Государственное Издательство Детской литературы Министерства Просвещения РСФСР. Ленинград. Москва. 1953

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Что такое Водородное топливо — Техническая Библиотека Neftegaz.RU

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 (СО

2).

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 (H

2O). 

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.

Удар для любителей нефти: два шага к новой энергетике

Копировать ссылку Фото Getty Images Недавние технологические разработки приблизили использование искусственного фотосинтеза для получения чистой энергии Сразу две исследовательские группы объявили о серьезных успехах на пути к искусственному фотосинтезу — процессу, при котором вода расщепляется солнечным светом с образованием водорода и кислорода. Водород и кислород при этом образуют эффективное и экологически чистое топливо: при их реакции образуется опять же вода. Немецкие исследователи разработали эффективный катализатор, обеспечивающий разложение воды. Тем временем ученые из британского Кембриджа предложили систему полуискусственного фотосинтеза с использованием отдельных элементов живых организмов. Почти вся энергия, используемая человечеством, поступает к нам от Солнца (исключение — энергия распада урана, которая идет от другого источника — давно потухших звезд). Именно энергия Солнца заключена во всех видах ископаемого топлива: ее запасли для нас живые организмы прежних эпох. Живая природа выработала исключительно эффективный способ использовать энергию Солнца — фотосинтез. Прилетевший от Солнца фотон растения и цианобактерии используют, чтобы разбить молекулу воды на кислород и водород. Кислород они тут же выбрасывают, а водород в конечном счете используют для того, чтобы обвешать им молекулу углекислого газа, превратив ее в органику. Эту самую органику, то есть энергию химических связей между углеродом и водородом, человечество и использует, сжигая ископаемое топливо или непосредственно части растений (например, древесину).

Реклама на Forbes

Синтез органики из углекислого газа, воды и солнечного света — процесс, который удается растениям так хорошо, что людям нет никакого смысла его копировать: достаточно просто посадить побольше лесов. Однако инженеров очень привлекает другая возможность: если не доводить природный процесс до конца, а остановить его на стадии расщепления воды, можно запасать солнечную энергию в виде водорода и кислорода. Водород и кислород по отдельности выделяют многие микроорганизмы, но вот объединить эти процессы для обеспечения собственной энергетики живая природа не додумалась (она нашла для этого более изысканные и безопасные химические реакции). Между тем такой технологический процесс мог бы многократно покрыть все сегодняшние энергетические потребности человечества. Йохен Фельдман и Яцек Столарчик из Мюнхена, а также Франк Вюртнер из Вюрцбурга решили важнейшую проблему: как эффективно разделить воду на водород и кислород и не дать им соединиться обратно. Их подход основан на довольно традиционной технологии использования полупроводников. После поглощения фотона в полупроводнике создается пара из электрона и положительно заряженной «дырки». Электрон используется для того, чтобы «восстановить» из воды водород. В прежних инженерных решениях «дырки» старались как можно быстрее удалить из полупроводника с помощью химических реагентов, и таким образом вторая, более медленная часть реакции — «окисление» кислорода «дыркой» — оставалась неосуществленной.
Зачем нам использовать наработки древних растений, если мы сами научимся делать то же, что и они, — только лучше?
Эту проблему и решили исследователи. В их системе две половинки реакции протекают на одной наночастице, хоть и разнесены в пространстве. Наночастицы представляют собой стержни из полупроводника, сульфата кадмия. На концы стержней нанесены частицы платины, которая служит акцептором для возбужденных электронов. Там и происходит реакция восстановления водорода. Тем временем на боковые поверхности стержней нанесен разработанный исследователями катализатор на основе рутения: он обеспечивает исключительно быструю доставку «дырок» к ионам кислорода. Скорость особенно важна, поскольку «дырки» химически активны и быстро разрушают катализатор. В итоге две части реакции катализируются одним типом наночастиц, и происходит полное расщепление воды на кислород и водород в одну стадию. Ученые из Кембриджа придерживались другого подхода: они объединили в одном дизайне инженерные технологии человека и компоненты природных живых систем. Получившийся в результате процесс преподнес исследователям сюрприз: он позволил использовать энергию солнечного света даже более эффективно, чем это делает природный фотосинтез в растениях. Преимущества полуискусственного фотосинтеза в том, что для него не нужны дорогие и токсичные катализаторы, ограничивающие возможности полностью искусственных систем, вроде описанной выше. С другой стороны, полуискусственные процессы, возможно, вскоре удастся масштабировать до промышленного уровня. Авторы использовали молекулярное оборудование природной фотосистемы II, добавив к нему фермент гидрогеназу из водорослей, восстанавливающий протоны до водорода. В природном фотосинтезе ничего подобного не происходит, так как выделяющиеся при расщеплении воды протоны сразу же вовлекаются в другие биохимические процессы. Однако исследователям удалось совместить две биологические реакции, в обычных условиях разобщенные: работу фермента гидрогеназы и расщепление воды фотосистемой II. Оба «живых» компонента фиксировали на фотоаноде, покрытом особым красителем. В результате природный процесс был оптимизирован: вместо кислорода и восстановленной из СО2 органики модифицированный фотосинтез стал давать просто кислород и водород — два вещества, на которых, возможно, будет базироваться «зеленая» энергетика будущего. Появление на протяжении одной недели сразу двух научных работ, с разных сторон атакующих проблему искусственного фотосинтеза, свидетельствует, что этой технологии, возможно, нам не так уж долго ждать. О том, как это достижение изменит все без исключения промышленные технологии, пока можно только догадываться, но оно несомненно будет означать конец эры ископаемого топлива. Зачем нам использовать наработки древних растений, если мы сами научимся делать то же, что и они, — только лучше? Копировать ссылку

Автомобиль на «воде»? Электромобиль. Водород. Аккумуляторы БЕЗ перезарядки? Расход 2 литра дизеля на 100 км пробега на автомобиле класса LCV (за счет электролизера: газовая смесь для химиков 2h3 + O2 = 2h3O +Q) смесь в дизельный двигатель — снижает расход

 

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

 

Использование водорода в качестве топлива

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 танкер — водородовоз для транспортировки жидкого водорода ( LH2).

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.

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

2H3O+ + 2e → H2↑ + 2H2O

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.

 

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.

 

 

 

 

 

 

Смеси водорода с кислородом или воздухом взрывоопасны и называются гремучим газом (название происходит от knallgas, нем. knall — громкий хлопок, резкий звук выстрела или взрыва). При зажигании искрой или другим источником смесь водорода с воздухом небольшого объёма сгорает чрезвычайно быстро, с громким хлопком, что субъективно воспринимается как взрыв.

 

В физике горения такой процесс считается медленным горением, или дефлаграцией, однако гремучий газ способен и к детонации, при этом действие взрыва оказывается существенно более сильным.

 

Наиболее взрывоопасны смеси с составом, близким к стехиометрическому, в стехиометрической смеси на один моль кислорода приходится два моля водорода, то есть, с учётом того, что в воздухе соотношение кислорода и азота и других не участвующих в горении газов по объёму составляет примерно 21 % : 79 % = 1:3,72, то объёмное соотношение водорода с воздухом в гремучем газе в стехиометрическом соотношении составляет ≈0,42[2]. Однако гремучий газ способен гореть в широком диапазоне концентраций водорода в воздухе, от 4—9 объёмных процентов в бедных смесях и до 75 % в богатых смесях. Приблизительно в этих же пределах он способен и детонировать[3]. Гремучий газ самовоспламеняется при атмосферном давлении и температуре 510 °C. При комнатной температуре в отсутствие источников зажигания (искра, открытое пламя) гремучий газ может храниться неограниченно долго, однако он способен взорваться от самого слабого источника, так как для инициирования взрыва достаточно искры с энергией 17 микроджоулей[4]. С учётом того, что водород обладает способностью проникать через стенки сосудов, в которых он хранится, например, диффундировать сквозь металлические стенки газового баллона, и не обладает никаким запахом, при работе с ним следует быть чрезвычайно осторожным

 

 

Автомобиль на воде

[править | править код]

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 28 августа 2019; проверки требуют 3 правки.

Перейти к навигацииПерейти к поиску

Автомобиль на воде — гипотетический автомобиль, получающий энергию для движения из одной только воды. Водяные автомобили стали предметом множества международных патентов, статей в газетах и научно-популярных журналах, местных теленовостей и интернет-публикаций. Заявления о подобных устройствах признаны некорректными, а некоторые оказались попытками мошенничества[1][2][3][4]. Утверждается, что эти машины могут вырабатывать топливо из возимого запаса воды без всяких других источников энергии или являются гибридами, способными использовать энергию как воды, так и обычного топлива. В этой статье внимание уделяется машинам, относительно которых утверждается, что они могут извлекать потенциальную химическую энергию непосредственно из воды. Вода является полностью окисленным водородом. Водород − высокоэнергетическое горючее, однако эта энергия выделяется в процессе образования воды, и сама по себе вода топливом быть не может. Вода может быть разделена на водород и кислород, например, в процессе электролиза, но на разрыв межатомных связей нужно затратить столько же энергии, сколько высвободилось при их образовании. В реальности же в процессе электролиза, а затем сжигания водорода невозможно избежать тепловых потерь, сопровождающих любые преобразования энергии. Таким образом, получение из воды химической энергии в избытке или хотя бы в количестве, достаточном для автономного поддержания процесса, противоречит первому и/или второму началам термодинамики[5][6][7].

 

Какие автомобили НЕ являются «водяными»

К «водяным автомобилям» не относятся следующие технические решения:

  • Паровой автомобиль.
  • Впрыск воды как метод охлаждения цилиндров двигателей путём добавления воды в топливно-воздушную смесь, служащий для увеличения степени сжатия и предотвращения детонации.
  • Водородный автомобиль, хотя он часто содержит некоторые сходные элементы. Чтобы заправить водородный автомобиль, воду подвергают электролизу. Получившийся водород затем сгорает в двигателе или окисляется до воды в топливном элементе. В итоге машина получает энергию от сгорания водорода, который получают за счет энергии из электросети. Водород служит энергоносителем (англ.).
  • Добавление воды к традиционному углеводородному топливу с целью его экономии и/или уменьшения выбросов. Хотя это и является самым распространенным способом использования воды в автомобилях.

Получение энергии из воды

В соответствии с фундаментальными физическими законами, нет способа извлекать химическую энергию из воды. У воды отрицательная энтальпия образования, следовательно, для разделения её на элементы требуется затратить энергию. Не существует соединений кислорода и водорода с большей негативной энтальпией образования, за счёт которой мог бы быть получен избыток энергии[6]. Большинство из предлагаемых конструкций «водяных автомобилей» основаны на той или иной форме электролитического разделения воды на водород и кислород и последующей их рекомбинации с выделением энергии. Однако, поскольку необходимая для электролиза энергия, в конечном счёте, всегда оказывается большей, чем может дать образовавшийся водород, такая схема не может быть использована для получения избыточной энергии. Подобное устройство противоречит первому началу термодинамики, следовательно, относится к вечным двигателям первого рода.

 

В лабораторных условиях гремучий газ можно получить электролизом воды в реакции:

 {2h3O -> 2h3 + O2}}}

.

 

В XIX веке для освещения в театрах использовался так называемый друммондов свет, где свечение получалось с помощью пламени кислород-водородной смеси, направленного непосредственно на цилиндр из негашёной извести, которая может нагреваться до высоких температур (белого каления) без расплавления. В пламени кислород-водородной смеси достигается высокая температура, и также в XIX веке это нашло применение в паяльных лампах для плавления тугоплавких материалов, резки и сварки металлов. Однако все эти попытки применения гремучего газа были ограничены тем, что он очень опасен в обращении, и были найдены более безопасные варианты решения этих задач. В настоящее время водород считается перспективным топливом для водородной энергетики. При горении водорода образуется чистая вода, поэтому этот процесс считается экологически чистым. Основные проблемы связаны с тем, что затраты на производство, хранение и транспортировку водорода к месту его непосредственного применения слишком высоки, и при учёте всей совокупности факторов водород пока не может конкурировать с традиционными углеводородными топливами.

 

Кинетическая схема горения водорода

Горение водорода формально выражается суммарной реакцией:


{\displaystyle {\ce {2h3 + O2 -> 2h3O}}}

.
Однако эта суммарная реакция не описывает разветвлённые цепные реакции, протекающие в смесях водорода с кислородом или воздухом. В реакциях участвуют восемь компонентов: H2, O2, H, O, OH, HO2, H2O, H2O2. Подробная кинетическая схема химических реакций между этими молекулами и атомами включает более 20 элементарных реакций с участием свободных радикалов в реагирующей смеси. При наличии в системе соединений азота или углерода число компонентов и элементарных реакций существенно увеличивается. В силу того, что механизм горения водорода является одним из наиболее простых по сравнению с механизмами горения прочих газообразных топлив, таких, например, как синтез-газ или углеводородные топлива, а кинетические схемы горения углеводородных топлив включают в себя все компоненты и элементарные реакции из механизма горения водорода, он изучается чрезвычайно интенсивно многими группами исследователей[5][6][7]. Однако, несмотря на более чем столетнюю историю исследований, этот механизм до сих пор изучен не полностью.

Критические явления при воспламенении

Полуостров самовоспламенения смеси H2 + O2. Цифрами 1, 2 и 3 помечены соответственно первый, второй и третий пределы воспламенения[8].

Кривая зависимости между критическими давлением и температурой, при которых происходит самовоспламенение смеси, имеет характерную Z-образную форму, как показано на рисунке. Нижняя, средняя и верхняя ветви этой кривой называются соответственно первым, вторым и третьим пределами воспламенения. Если рассматриваются только первые два предела, то кривая имеет форму полуострова, и традиционно этот рисунок называется полуостровом воспламенения.

 

  1. ↑ Sánchez, Williams — review, 2014.
  2. ↑ Уравнение горения стехиометрической водородно-воздушной смеси: 0,21·2Н2 + 0,21О2 + 0,79(N2 + …) → 0,42H2O + 0,79(N2+…).
  3. ↑ Гельфанд и др., Водород: параметры горения и взрыва, 2008, с. 85,196.
  4. ↑ Корольченко, Пожаровзрывоопасность веществ, 2004, с. 311.
  5. ↑ Konnov A. A. Remaining uncertainties in the kinetic mechanism of hydrogen combustion // Combustion and Flame. — Elsevier, 2008. — Vol. 152, № 4. — P. 507–528. — doi:10.1016/j.combustflame.2007.10.024.
  6. ↑ Shimizu K., Hibi A., Koshi M., Morii Y., Tsuboi N. Updated Kinetic Mechanism for High-Pressure Hydrogen Combustion // Journal of Propulsion and Power. — American Institute of Aeronautics and Astronautics, 2011. — Vol. 27, № 2. — P. 383–395. — doi:10.2514/1.48553.
  7. ↑ Burke M. P., Chaos M., Ju Y., Dryer F. L., Klippenstein S. J. Comprehensive H2/O2 kinetic model for high-pressure combustion // International Journal of Chemical Kinetics. — Wiley Periodicals, 2012. — Vol. 44, № 7. — P. 444–474. — doi:10.1002/kin.20603.
  8. ↑ Льюис, Эльбе, Горение, пламя и взрывы в газах, 1968, с. 35.
  9. ↑ Ball, Philip. Nuclear waste gets star attention (англ.) // Nature : journal. — 2006. — ISSN 1744-7933. — doi:10.1038/news060731-13.
  10. ↑ Ruggero Maria Santilli. A new gaseous and combustible form of water (англ.) // International Journal of Hydrogen Energy : journal. — 2006. — Vol. 31, no. 9. — P. 1113—1128. — doi:10.1016/j.ijhydene.2005.11.006.
  11. ↑ J. M. Calo. Comments on «A new gaseous and combustible form of water» by R.M. Santilli (Int. J. Hydrogen Energy 2006: 31(9), 1113–1128) (англ.) // International Journal of Hydrogen Energy : journal. — 2006. — 3 November (vol. 32, no. 9). — P. 1309—1312. — doi:10.1016/j.ijhydene.2006.11.004. Архивировано 1 августа 2013 года.
  12. ↑ Martin O. Cloonan. A chemist’s view of J.M. Calo’s comments on: «A new gaseous and combustible form of water» by R.M. Santilli (Int. J. Hydrogen Energy 2006:31(9), 1113–1128) (англ.) // International Journal of Hydrogen Energy : journal. — 2008. — Vol. 33, no. 2. — P. 922—926. — doi:10.1016/j.ijhydene.2007.11.009. Архивировано 20 марта 2012 года.
  13. ↑ J.V. Kadeisvili. Rebuttal of J.M. Calo’s comments on R.M. Santilli’s HHO paper (англ.) // International Journal of Hydrogen Energy : journal. — 2008. — Vol. 33, no. 2. — P. 918—921. — doi:10.1016/j.ijhydene.2007.10.030. Архивировано 20 марта 2012 года.

Литература

  • Льюис Б., Эльбе Г. Горение, пламя и взрывы в газах. 2-е изд. Пер. с англ. под ред. К. И. Щёлкина и А. А. Борисова. — М.: Мир, 1968. — 592 с.
  • Гельфанд Б. Е., Попов О. Е., Чайванов Б. Б. Водород: параметры горения и взрыва. — М.: Физматлит, 2008. — 288 с. — 700 экз. — ISBN 9785922108980.
  • Корольченко А. Я., Корольченко Д. А. Пожаровзрывоопасность веществ и материалов и средства их тушения. Справочник: в 2-х частях. Часть 1. — М.: Ассоциация «Пожнаука», 2004. — 713 с. — ISBN 5-901283-02-3.

Обзоры

Ссылки

 

 Добрый день, друзья! …предвкушая камни…))) Намедни случайно наткнулся в и-нете на видео о гремучем газе (HHO) — газе Брауна — и о использовании его в качестве добавки к топливу в ДВС (и не только), причем, как бензиновых, так и дизельных… Порыскав на форумах, youtube, и тут, на drive2 обнаружил массу противоречивой информации о применении… одни пишут, что расход упал с 18 до 11 литров, другие, что ничего не поменялось и т.д. итак… речь не идет о полном переходе на водород, а о частичном подмешивании гремучего газа в топливовоздушную смесь. даёт увеличение КПД и экономит топливо (за счет более полного сгорания топлива) и чище выхлоп, а соответственно экологичнее. вот еще: Вообще, видео по этой теме достаточно много, даже нашел в плохом качестве короткое видео установки системы на Дедван… 14 сентября 2016 в 12:02 2 Ранее Гусеницы… Далее Кантователь кузова. Размышление. Реклама Комментарии 2 Участвовать в обсуждениях могут только зарегистрированные пользователи. или войти: Denis-fly На ужор не только движок влияет, хотя не помешает привести его в первозданное состояние по кольцам, вкладышам, поршням, цилиндрам и проч. Те же ступичные подшипники плохие с плохой смазкой могут тормозить машину, подклинивающие колодки, всякий дополнительный обвес (бампера, решетки, багажники) и т.д. Да и качество самого топлива тоже хреновое. Вот интересно, если взять полностью исправный (состояние хотя бы 90% от нового) авто, залить в него торированное по октановому или цетановому числу топливо и вывести на идеальную дорогу без ветра. Сколько интересно покажет по расходу? :))) ArsAlik А чего в тебя кидать камни, каждый наверное хочет что бы его машина лучше ехала и меньше жрала горючки. Вот и я хочу этого, и думал и читал разные умные статьи по этим вопросам, вопрос очень сложный, в плане финансовых вложений и полученных результатов и делится на целый ряд этапов и стадий. И вот лично мое мнение по поводу всяких ННО, впрыска воды, нитро и прочих ухищрений. Двигатель, впускная и выпускная системы должны быть идеально к этому подготовлены, не вижу смысла впрыскивать дополнительный кислород для повышения мощности, если сразу после впрыска ты все теряешь на системе выхлопа… и получается твой двигатель 3.5 литра номиналом 150 сил, на сей момент выдающий максимум 120 мой 2.5 литра номиналом 113 и выдающий в лучшем случае 100 бессмысленно наворачивать всякими допами, пока не вернул обратно свои потерянные лошадки в моем случае установлен шноркель который создает дополнительное сопротивление всасываемому воздуху и старый катализатор который создает дополнительное сопротивление на выпуске. От шноркеля отказываться не хочу, соответственно надо по максимуму убрать все ступеньки в виде множества гофр и продумать наиболее плавный поток воздуха, а от старого катализатора готов избавиться что получу в результате, в результате снижение максимальной температуры в камере сгорания… а дальше можно начинать думать об повышении мощности и всем остальном… Если тебе интересно то могу дать несколько ссылок на русском, где человек без лишних красивых картинок объясняет процессы ДВС, пути улучшайзинга и прочее…

Ошпаренный перовскит произвел чистое «зеленое» топливо. Химики усовершенствовали процесс синтеза водорода, избавившись от стадии дополнительной очистки — Наука

Новая статья химиков из Великобритании и Франции в Nature Chemistry примечательна сразу двумя моментами. Во-первых, исследователи представили новый метод получения водорода из смеси воды и угарного газа. Это, возможно, поможет в переходе на экологичное топливо или, по меньшей мере, усовершенствует крайне распространенный в индустрии технологический процесс. Во-вторых, ученые продемонстрировали прототип химического реактора, в котором удалось обойти фундаментальное ограничение — их статья озаглавлена «Обход накладываемых химическим равновесием ограничений за счет построения термодинамически обратимого реактора». В этих словах, по сути, звучит вызов второму закону термодинамики.

Промышленное производство водорода использует в качестве сырья природный газ (метан, CH4) в смеси с водяным паром и протекает в две стадии:

  1. метан и водяной пар дают водород и угарный газ (CH4 + H2O → H2 + CO) ;
  2. все тот же пар, который остался от прошлой реакции, и угарный газ также реагируют и дают водород и углекислый газ (H2O + CO → H2 + CO2). Именно эту реакцию изучали авторы новой статьи; в принципе, для нее можно использовать и комбинацию пара с угарным газом из любых иных источников.

Именно так получают водород на большинстве промышленных предприятий в мире. Реакция не требует экстремальных условий и, в отличие от электролиза воды, не требует использования химически стойких электродов (впрочем, недавно в этом направлении продвинулся иной коллектив). Но углекислый газ и водород могут вступать в другую реакцию, уже друг с другом: H2 + CO2 → H2O + CO.

Меняя температуру в реакторе, можно добиться того, чтобы одна из реакций доминировала, однако получить строго одно из двух состояний невозможно. Нагрев ведет к тому, что равновесие смещается в сторону синтеза пара и угарного газа, но внутри реактора всегда будет смесь всех четырех веществ.

Поэтому грязный продукт (водород с примесью иных газов) на выходе считается неизбежным злом, с которым можно только мириться.

Невозможность добиться идеального протекания реакции в заданном направлении (т.е. получая только водород и не теряя его при обратном образовании воды с углекислым газом) была не просто следствием технологического несовершенства или, скажем, загрязнения сырья. Проблема фундаментальна — большинство процессов во Вселенной протекают только в одном направлении. Если перемешать несколько сортов молекул вместе, разделить полученную смесь на составляющие можно только с приложением немалый усилий, а вероятность самопроизвольной сортировки молекул «по кучкам» пренебрежимо мала.

В случае с синтезом водорода из угарного газа и пара первые же полученные в результате реакции молекулы водорода оказываются не где-нибудь в специально отведенном месте, а в том же реакторе, который заполнен еще не прореагировавшими молекулами пара и угарного газа. А где есть не два типа молекул, а все четыре, там, кроме прямой реакции, становится возможна и обратная. Так что ученые имели дело с двумя, казалось бы, взаимоисключающими задачами — сделать реакцию получения водорода необратимой и одновременно добиться того, чтобы фундаментальное правило «то, что смешали, само не разделится» перестало работать.

Им удалось найти решение — катализатор на основе перовскита.

Перовскиты — это класс веществ, который в 2013 году был назван журналом Science одним из главных прорывов в науке о материалах. Кристаллическая решетка перовскита выстроена из атомов титана, кальция и кислорода, а еще в ней есть примеси редкоземельных элементов. Некоторые из перовскитов оказались замечательным материалом для солнечных батарей, лазеров и даже катализаторов, способных разлагать воду на кислород и водород.

Авторы новой публикации обратились как раз к химической активности перовскитной структуры с добавлением атомов лантана. Этот катализатор отнимал кислород у воды и превращал ее в водород. Реакция стала выглядеть так: H2O  + перовскитный катализатор → H2 + перовскитный катализатор с атомом кислорода, то есть в окисленном виде.

Сам по себе этот процесс не представлял бы особенного интереса для промышленности, так как получать дешевый водород окислением дорогого материала откровенно бессмысленно. Но, пропустив через реактор водяной пар, ученые затем прокачивали угарный газ. Это позволяло восстановить катализатор, передав удерживаемый им кислород угарному газу: CO + окислившийся катализатор → CO2 + восстановленный катализатор.

В принципе такой подход уже использовался и раньше, но его результаты были далеки от идеала. Прошлые металлические катализаторы не могли одинаково хорошо работать и на прием, и на отдачу атомов кислорода. Для получения реальной выгоды катализатор должен был работать в разных условиях (на входе в реактор больше одного газа, у выхода — другого) и выдерживать многие циклы окисления/восстановления без потери своих качеств. Теоретически можно было бы использовать сложную комбинацию нескольких катализаторов внутри одной установки, но от этого подхода авторы решили отказаться из-за его непрактичности.

В своей разработке они использовали перовскитный катализатор, который умеет принимать атомы кислорода и отдавать их в широком диапазоне условий, причем его эффективность плавно меняется при окислении. Кроме того, — и это отдельная изюминка проекта — катализатор был изначально частично окислен для того, чтобы работать при разных условиях. Заполненный им реактор содержал как окисленный, так и восстановленный перовскит, причем содержание кислорода в материале (окисленный содержит больше, чем восстановленный) менялось при перемещении от одного входящего патрубка к другому.

Там, где в реактор поступал пар, катализатор был изначально окислен; там, откуда выходил водород и куда потом закачивали угарный газ, катализатор изначально пребывал в восстановленном виде, и в ходе работы его никогда не доводили до полного окисления.

Благодаря комбинации способного принимать кислород в разных условиях катализатора и использовании его в разных состояниях ученые смогли добиться максимально полного выхода водорода. Когда химики увеличили длительность одного цикла и переокислили весь катализатор, эффективность работы устройства резко снизилась. Но для современного производства выдерживать корректные интервалы вряд ли будет большой проблемой — промышленная электроника способна реагировать за считанные десятки миллисекунд, что уж говорить о необходимой для нового реактора минуте.

Свою разработку ученые назвали memory reactor, т.е. «реактором с эффектом памяти». В нем водород в принципе не встречается с атомами углерода, и это позволяет не только получать более чистый продукт, но и еще кое-что.

Авторы указывают, что с ростом температуры реакция в реакторе идет быстрее. И в случае с традиционным методом получения водорода это могло бы привести к росту производительности, если бы не проблема смешивания CO2 и H2: при нагреве водород активнее реагирует с углекислым газом и потому равновесие смещается в сторону угарного газа. А вот новую разработку химиков можно смело нагревать, подавая на вход газы повышенной температуры — скорость реакции растет, а баланс при отсутствии углекислого газа в реакторе никуда не смещается.

Найденное решение интересно само по себе, но в данном случае это еще и та область химии, которая может претендовать на включение в условный перечень «ста самых важных для человечества промышленных реакций».

Водород часто называют идеальным топливом, так как он сгорает с образованием чистого водяного пара. Он обладает меньшей плотностью энергии в пересчете на объем (то есть работающим на нем машинам нужны большие баки), но зато не дает парниковых выбросов.

Водород можно использовать в выдающих электричество топливных элементах. Эти устройства не сжигают топливо при высокой температуре, а окисляют его с одновременным преобразованием химической энергии в электричество. Топливные элементы стояли на многих космических кораблях, и существуют прототипы наземного транспорта, использующие их для получения электричества. 

Кроме всего этого, водород в любом случае нужен нам в промышленных количествах здесь и сейчас. Современные заводы выдают около 50 миллионов тонн водорода ежегодно. Этот газ нужен для производства аммиака (NH3) и азотных удобрений, так что без него человечество буквально останется без еды; он также нужен для гидрогенизации (соединения органических молекул с водородом) растительных жиров при производства маргарина, он применяется для сварки и даже при добыче ряда металлов — водород восстанавливает их из оксидов, отбирая у них кислород. Так что у реактора с эффектом памяти, возможно, есть промышленное будущее.

Другое дело, что и сам он генерирует углекислый газ при работе, что не снимает поэтому вопрос об экологической выгоде: источником выбросов углекислоты становятся не миллионы автомобилей, а заводы. С другой стороны, если выбросы будут сконцентрированы в одном месте, то их намного проще нейтрализовать: проекты по захоронению углекислого газа уже существуют.

 Алексей Тимошенко

Разделение воды — Scientific American

Ключевые концепции
Вода
Химия
Электричество
Молекулы

Введение
Вы пользуетесь им каждый день и не можете без них выжить — нет, это не Интернет, а вода! Это одно из самых важных соединений в мире, и повсеместно оно становится все более важной проблемой. Вы, наверное, слышали, что во многих местах засуха или загрязнение воды ограничивают запасы чистой питьевой воды, и эти запасы продолжают сокращаться.Задумываясь об этом, вы когда-нибудь задумывались, почему мы не делаем воду только сами? Из чего на самом деле состоит вода? В этой научной деятельности вы будете использовать энергию в виде электричества для разделения воды на отдельные компоненты; так что соберите все материалы и будьте готовы узнать, что они из себя представляют, и сами разделите их!

Фон
Чтобы выяснить, из чего состоит вода, посмотрите ее химическую формулу — h3O. По сути, это говорит нам о том, что молекула воды состоит из двух элементов: водорода и кислорода или, точнее, двух атомов водорода (h3) и одного атома кислорода (O).Водород и кислород являются газами при комнатной температуре. Значит ли это, что мы можем просто объединить оба газа, и тогда мы получим воду? Это не так просто. В уравнении отсутствует энергетическая составляющая химической реакции. Изготовление воды из ее элементов дает большое количество энергии. Химические реакции, производящие энергию, также называются экзотермическими реакциями. В случае водорода и кислорода выделяемая энергия настолько велика, что ее практически невозможно контролировать, и в большинстве случаев это приводит к взрыву.К счастью, эта реакция не происходит спонтанно, а происходит только тогда, когда вы зажигаете газовую смесь зажигалкой.

Если делать воду из ее элементов так опасно, как насчет обратной реакции? Разделить воду на два компонента намного проще, и это называется электролизом воды. Получение водорода или кислорода таким способом кажется простым. Но, как вы, наверное, подозревали, эта обратная реакция требует подвода энергии, поэтому ее еще называют эндотермической реакцией. При электролизе воды источником энергии, используемой для протекания реакции, является электричество.Самый простой способ вырабатывать электричество — использовать аккумулятор. Однако, поскольку чистая вода плохо проводит электричество, электролиз требует добавления электролита , , такого как соль или кислота. Электролит растворяется в воде и разделяется на ионы (электрически заряженные частицы), которые перемещаются через растворы и могут таким образом проводить электричество. Чтобы добавить в раствор электричества, вам также понадобятся два электрических проводника, контактирующих с водой. Они называются электродами и состоят в основном из металлов или других проводящих материалов.Когда на электроды подается электрический ток, ионы (электрически заряженные атомы) в электролите, включая положительно заряженные протоны (H + ) и отрицательно заряженные гидроксильные ионы (OH ), которые возникают в результате самоионизации электролита. вода — начните движение к электроду с противоположным зарядом, где вырабатывается водород или кислород. Вы можете убедиться в этом сами в этом упражнении и даже уловить оба газа!

Материалы

  • Водонепроницаемая рабочая зона
  • Помощник для взрослых
  • Графитовый механический карандаш (достаточно толстый, чтобы он не ломался) — или деревянный карандаш и нож, чтобы ваш взрослый помощник мог извлечь графит.
  • Клей
  • Пластилин или другая глина
  • Два или три одноразовых пластиковых стакана (лучше всего подходят прозрачные пластиковые стаканчики на 18 унций.)
  • Ножницы
  • Перманентный маркер
  • Две металлические кнопки
  • Вода дистиллированная
  • Пищевая сода
  • Аккумулятор на девять вольт
  • Две прозрачные соломинки (большой размер)
  • Чайная ложка
  • Капельница медицинская
  • Таймер
  • Бумажные полотенца
  • Тест-полоски pH (опционально)
  • Поваренная соль (хлорид натрия — NaCl) (необязательно)

Подготовка

  • Ваше рабочее место должно быть водонепроницаемым; во время занятия может произойти проливание воды.
  • Соберите прочный механический карандаш графитовый. Убедитесь, что у вас есть две части длиной примерно 2,5 сантиметра (один дюйм). Если вы решите использовать деревянный карандаш, попросите взрослого взять нож и извлечь из карандаша графитовый грифель. (Для этого у вас также должны получиться две части примерно 2,5 сантиметра в длину). Это будут ваши графитовые электроды.
  • Ножницами аккуратно разрежьте (или сделайте порез взрослым) открытый конец одного пластикового стаканчика так, чтобы он был на высоте девятивольтовой батареи.В нижней части чашки вырежьте отверстие, чтобы через него проходил кончик батареи (с двумя полюсами).
  • Возьмите вторую чашку и держите ее нижней частью над девятивольтовой батареей. С помощью перманентного маркера на внутренней стороне чашки нарисуйте две точки на дне, где чашка касается двух полюсов батареи.
  • Снимите чашку с аккумулятора и с помощью кнопки проделайте по одному отверстию в каждой отметке на дне пластикового стакана.
  • Осторожно вставьте два графитовых штифта (стержень карандаша) в два отверстия, по одному в каждое. Возможно, вам придется сделать отверстия немного больше, чтобы они соответствовали друг другу.
  • С помощью клея сделайте уплотнение вокруг графитовых штифтов на внешней стороне чашки и дайте ему высохнуть. Это должно предотвратить просачивание воды. Убедитесь, что графитовые штыри не покрыты клеем, иначе они больше не будут контактировать с аккумулятором.
  • Поместите разрезанную чашку открытой стороной вниз над аккумулятором.Дно чашки и батарея должны соответствовать друг другу, образуя одну ровную поверхность, на которую вы можете поставить вторую чашку.
  • Поместите чашку с графитовыми штифтами перевернутой вырезанной чашкой на аккумулятор. Он должен плотно прилегать, и каждый из графитовых штырей должен касаться одного из полюсов батареи.
  • Закройте один конец обеих гигантских соломинок для питья пластилином или глиной.

Процедура

  • Возьмите чашку с графитовыми штифтами и налейте примерно 300 миллилитров дистиллированной воды в чашку, подальше от батареи.Убедитесь, что он не протекает. Если это так, вам может потребоваться добавить немного больше клея, чтобы сделать плотное прилегание. Примечание. Старайтесь не прикасаться к воде или электродам, когда чашка помещается на батарею, поскольку вы можете почувствовать покалывание пальцев от электричества.
  • Как и раньше, поместите его на перевернутую вырезанную чашку сверху батареи так, чтобы каждый из графитовых штырей касался одного из полюсов батареи. Возможно, вам придется немного надавить на нее, чтобы установить хорошее соединение.Обратите внимание на два графитовых электрода. Что ты видишь? Что-нибудь происходит с электродами?
  • Выньте стакан с дистиллированной водой из аккумулятора. Залейте одну чайную ложку пищевой соды и размешайте ее с дистиллированной водой, пока все не растворится. Как вы думаете, что изменится пищевая сода? Какая у него функция?
  • Теперь снова установите чашку на батарею и соедините графитовые электроды с полюсами батареи. Что вы наблюдаете сейчас? Что-нибудь происходит с графитовыми штифтами? Как вы думаете, каковы продукты реакции? Сравните реакции, которые происходят на каждом из графитовых электродов. Вы видите разницу между двумя сторонами? Есть ли один графитовый электрод, при котором реакция более выражена? К какому полюсу батареи подсоединен этот графитовый штифт, положительному или отрицательному?
  • Засунуть нос в чашку и понюхать продукты реакции. Есть запах? Если да, то как пахнет?
  • Снова снимите чашку с аккумулятора.С помощью пипетки заполните обе забитые гигантские соломинки раствором пищевой соды изнутри чашки с графитовыми штифтами. Как только они наполнятся, закройте каждый из них одним пальцем и переверните их вверх дном. Погрузите их в чашку с раствором пищевой соды и осторожно поместите на графитовые булавки (по одной соломке на каждую), чтобы соломинки оставались полностью заполненными раствором пищевой соды. Если соломинки не стоят вертикально, их можно прислонить к стенке чашки. Как вы думаете, что будет с соломинкой?
  • После того, как соломинки будут помещены на графитовые штифты, снова установите чашку на батарею. Оставьте на 10 минут и немного надавите на чашку, чтобы убедиться, что электроды остаются подключенными и электродные реакции протекают непрерывно в течение всего этого времени. Обратите внимание на соломинки, которые вы кладете поверх графитовых штифтов. Что происходит с водой, которую вы туда налили? Вы замечаете разницу между двумя уровнями воды в обеих соломинках? Какой из них выше, какой ниже; к каким полюсам батареи подключен каждый из них?
  • По истечении 10 минут отметьте уровень воды в каждой соломке несмываемым маркером. Насколько больше воды было вытеснено продуктами реакции на отрицательном полюсе по сравнению с положительным полюсом? Это то же самое, двойное или тройное?
  • Extra: Если у вас есть какие-либо pH-полоски, которые могут измерять кислотность или основность растворов, используйте их для измерения pH в каждой большой соломинке, когда уровень воды снизится примерно на 50 процентов. Осторожно снимите соломинку с электродов и сразу же закройте каждую из них пальцем, как только вы снимите ее с электродов.Убедившись, что вы не теряете воду, которая находится внутри, окуните внутрь тест-полоску pH. Какого цвета показывает тест-полоска и какой показатель pH соответствует? Есть ли разница между растворами в двух соломинках? Чем они отличаются и почему, как вы думаете, это так?
  • Экстра: Повторите эксперимент, но вместо добавления пищевой соды в дистиллированную воду добавьте чайную ложку поваренной соли (хлорид натрия или NaCl) и дайте электролизу поработать пять минут. Меняются ли электродные реакции? А как насчет запаха продуктов реакции; вы можете различить определенный запах на этот раз? Как вы думаете, почему это так?
  • Дополнительно: Замените графитовые электроды металлическими кнопками. Для этого вам может понадобиться свежая чашка. Вставьте кнопки в нижнюю часть чашки так, чтобы они не касались друг друга, но так, чтобы каждая из них касалась одного из полюсов батареи после того, как вы поместите чашку на верхнюю часть батареи. При использовании канцелярских кнопок клейкая прокладка не требуется.Повторите первоначальную процедуру, но на этот раз добавьте в дистиллированную воду одну чайную ложку поваренной соли. Наблюдайте за реакцией электродов. Что происходит на этот раз? Посмотрите внимательно на штырь, который подсоединен к положительному полюсу аккумуляторной батареи. Видны ли другие продукты реакции, кроме газа? Как вы думаете, что случилось? Как металлические канцелярские кнопки выглядят после того, как вы снова их вытащите?

Наблюдения и результаты
Удалось ли вам разделить воду на водород и кислород? Вы видели много пузырей на обоих графитовых штифтах? Изначально, когда вы ставили чашку с дистиллированной водой на батарею, вы, вероятно, не заметили, чтобы на графитовых электродах происходило много чего.Это связано с тем, что дистиллированная вода не очень хорошо проводит электричество, поэтому электродные реакции отсутствуют или возможны только незначительные. Однако если вы добавите электролиты, такие как пищевая сода, добавленные ионы могут проводить электричество, и вы должны были видеть пузырьки газа, появляющиеся на обоих графитовых штырях. С одной стороны, на положительном полюсе образуется кислород, тогда как на отрицательном полюсе образуется водород.

Присмотревшись, вы могли заметить, что на графитовом электроде, подключенном к отрицательному полюсу батареи, образовалось больше газа, чем на другой стороне.Сбор двух газов с помощью гигантских соломок, вероятно, продемонстрировал это даже лучше. Через 10 минут уровень воды на отрицательном полюсе должен был быть примерно вдвое ниже, чем на положительной стороне, а это означает, что вы собрали примерно вдвое больше газообразного водорода по сравнению с кислородом. Разница связана с тем, что одна молекула воды имеет два атома водорода на один атом кислорода, как объяснялось выше. Это означает, что для образования одной молекулы кислорода (O2) нужны две молекулы воды (2 ч3О). Однако в то же время две молекулы воды (2 h3O) могут образовать две молекулы водорода (2 h3).В то время как водород и кислород образуются на электродах, оставшимися продуктами реакции из воды являются протоны (H + со стороны кислорода) и ионы гидроксила (OH со стороны водорода). Вы можете визуализировать это, поместив полоску pH в растворы в больших соломинках над каждым электродом. Раствор в соломке, помещенной на электрод отрицательного полюса батареи, должен показывать щелочной pH (7 или выше), тогда как другой раствор должен быть кислым (pH менее 7).

Могут происходить и другие электродные реакции, если в растворе есть ионы, которые конкурируют с производством водорода или кислорода. Вы могли заметить, что после того, как вы добавили соль (хлорид натрия) в свой электролит, он начал пахнуть, как в бассейне. Вместо кислорода на положительном полюсе батареи вырабатывается хлор, который также используется для дезинфекции воды в бассейне. Если вы использовали металлические канцелярские кнопки в качестве электродов вместо графитовых штифтов, металл (обычно сталь или латунь) будет растворяться или разъедать на положительном полюсе батареи и вместо (или в дополнение к) выделения газа вы должны увидеть, что металлическая канцелярская кнопка становится красновато-коричневым.Это демонстрирует, что электролиз — это не только метод расщепления воды на ее компоненты, но также может запускать другие реакции, которые в противном случае не происходили бы самопроизвольно.

Уборка
Удалите все разливы полотенцем. Слейте воду с электролитом (пищевой содой или солью) в канализацию. Снимите электроды (графитовые булавки или металлические канцелярские кнопки) с чашек и выбросьте их в мусорное ведро. Выбросьте пластиковые стаканчики и запечатанные соломинки в мусор.Вы можете повторно использовать девятивольтовый аккумулятор.

Больше для изучения
Почему мы не можем производить воду ?, из How Stuff Works
The Chemistry of Water, от Джил Грейнджер
Электролиз воды — водорода и кислорода из воды, из альтернативного обучения
Топливные элементы — топливо будущего !, from Science Buddies
Science Activity for All Ages! from Science Buddies

Эта деятельность предоставлена ​​вам в сотрудничестве с Science Buddies

Ученые выяснили, как разделить воду на водород и кислород в космосе

Одной из самых больших проблем при отправке людей на далекие планеты, такие как Марс, является возможность доставить достаточно топлива, воды и кислорода на космический корабль и в места обитания, необходимые для поддержки людей.Ученые доказали, что в космосе можно разделить воду на водород и кислород. Водород можно использовать в качестве топлива для космических кораблей, а кислород — для поддержания жизни.

Ученые смогли разделить воду на составные части с помощью полупроводникового материала и солнечного света или звездного света в условиях невесомости. Этот прорыв делает возможным длительное космическое путешествие. Процесс расщепления воды на водород и кислород известен как электролиз.

Этот процесс работает, пропуская ток через воду, в которой есть растворимый электролит.Этот электрический ток разделяет воду на компоненты по отдельности на двух электродах. Ученые говорят, что водород и кислород, полученные с помощью этого метода, можно использовать в качестве топлива на космических кораблях.

Запуск ракеты с водой намного безопаснее, чем запуск ракеты с таким же количеством ракетного топлива и кислорода на борту. Риск взрыва намного ниже при использовании большого количества воды и меньшего количества ракетного топлива. С космическим кораблем, заполненным водой на орбите, технология могла бы разделить воду на водород и кислород, которые можно было бы использовать для поддержания жизни и питания космического корабля с помощью топливных элементов.

Другой вариант — использовать так называемые «фотокатализаторы», способные поглощать фотоны полупроводниковым материалом, помещенным в воду. Энергия с фотографии поглощается электроном в материале, который подпрыгивает и оставляет дыру. Этот свободный электрон может реагировать с протонами в воде с образованием водорода. Водород и кислород также можно собрать вместе, чтобы получить воду.

ИСТОЧНИК: Science Alert

Разделение воды на водород и кислород

Мы часто хотим подражать природе для почти идеальных результатов.Но иногда это остается просто желанием. В своем стремлении к зеленой и чистой энергии человечество ищет тот волшебный метод, который может расщеплять воду на водород и кислород. Природа прекрасно справляется с этой задачей в процессе фотосинтеза. Человек по-прежнему сталкивается с трудностями при дублировании этого процесса в лаборатории. Если мы сможем расщепить воду на кислород и водород в присутствии солнечного света, мы сможем использовать потенциал водорода как чистого и экологически чистого топлива. На сегодняшний день искусственные системы довольно неэффективны, требуют больших затрат времени и денег и часто требуют дополнительного использования химических реагентов.


Исследователи из отдела органической химии института Вейцмана под руководством профессора Дэвида Мильштейна разработали новый способ расщепления молекул воды, который может отделять кислород от воды и связывать атомы в другой молекуле. Этот метод оставляет водород свободным для соединения с другими соединениями. Их вдохновил фотосинтез — процесс, выполняемый растениями. Фотосинтез — это жизненная сила на Земле, потому что он является источником всего кислорода на Земле.

Новый подход, разработанный командой Вейцмана, включает три важных этапа, которые заканчиваются высвобождением водорода и кислорода с помощью специального металлического комплекса. Основным элементом этого металлического комплекса является рутений. Металлическая часть и органическая часть этого «умного» комплекса помогают расщеплять молекулы воды. Когда вода смешивается с этим комплексом, связи между атомами водорода и кислорода разрываются. Здесь один атом водорода связывается с органической частью комплекса, атомы водорода и кислорода (группа ОН) — с его металлическим центром.

Вторая стадия известна как стадия нагрева. Здесь водный раствор нагревается до 100 градусов по Цельсию. При этом из комплекса выделяется газообразный водород. А вот и наш чистый и экологически чистый источник топлива. К металлическому центру добавляется еще одна группа ОН.

Мильштейн объясняет о волшебной третьей стадии: «Но самая интересная часть — это третья световая стадия. Когда мы подвергли этот третий комплекс воздействию света при комнатной температуре, не только образовался газообразный кислород, но и металлический комплекс вернулся в исходное состояние, которое можно было использовать повторно для использования в дальнейших реакциях.”

Результаты считаются уникальными из-за образования связи между двумя атомами кислорода, вызванного искусственным металлическим комплексом. Это очень необычное мероприятие. И пока неясно, как это может происходить. Ученые выяснили, что на третьем этапе свет дает энергию двум группам ОН, чтобы вместе образовать перекись водорода (h3O2). Эта перекись водорода быстро распадается на кислород и воду. Что Мильштейн думает об этой химической реакции? Он говорит: «Поскольку перекись водорода считается относительно нестабильной молекулой, ученые всегда игнорировали этот шаг, считая его маловероятным; но мы показали обратное.Еще одна интересная вещь, которую заметили Мильштейн и его команда, заключается в том, что связь между двумя атомами кислорода создается внутри одной молекулы. Это образование связи происходит не между атомами кислорода, расположенными на отдельных молекулах, а из одного металлического центра.

Самым большим достижением команды Мильштейна явилась разработка механизма образования водорода и кислорода из воды без использования химических агентов. Это было достигнуто с помощью отдельных шагов и использования света.В своем следующем проекте они намерены объединить эти этапы, чтобы создать эффективную каталитическую систему. Эти шаги могут оставить след в области альтернативной энергетики.

Химия для детей — Как разделить воду на водород и кислород с помощью электролиза

Нам всем говорили, что вода состоит из водорода и кислорода. Но как мы действительно можем знать, что это ? Может ли эта влажная субстанция, которая утоляет жажду и охлаждает наши тела в жаркие летние дни, действительно состоит из двух газов , ?

Мы попытались разделить воду на кислород и водород с помощью электролиза.Нам это удалось после серии экспериментов, оставивших нам еще больше вопросов, чем было до того, как мы начали. Что не обязательно плохо — любопытство — отличное состояние для обучения! (См. таинственный случай отсутствия кислорода, ниже.)

Вы можете извлечь выгоду из наших ошибок и быстро провести электролиз. Вот как с помощью электролиза разделить воду на водород и кислород. Потом я расскажу вам о том, что мы сделали в первую очередь, в результате чего был получен совсем другой газ.

Как разделить воду на водород и кислород

Что вам понадобится

  • стеклянная или пластиковая ванна
  • 2 резинки
  • 2 пробирки (по возможности с крышками)
  • бикарбонат соды (1 столовая ложка)
  • грифель графитовый
  • вода
  • аккумулятор (мы использовали 6В, немного как этот)
  • 2 пары зажимов типа «крокодил»
  • водонепроницаемая лента
Электролизный аппарат

Чем вы занимаетесь

См. Это видео для получения подробных инструкций по установке — расположение резинки идеально удерживает пробирки на месте.

Если вы не можете посмотреть видео, то вот суть: Подключите один конец каждого зажима типа «крокодил» к куску графита, а другой — к батарее. Прикрепите концы графита к дну ванны так, чтобы графит выступал вверх, и поместите перевернутую пробирку на каждый кусок графита (удерживаемый на месте эластичными лентами). Растворите бикарбонат соды в воде и наполните ванну. Наконец, снимите каждую пробирку, наполните ее водой и осторожно замените на графит.Любые газы, собранные во время электролиза, заменят воду в трубках, поэтому убедитесь в отсутствии пузырьков воздуха.

Что происходит

У каждого электрода быстро начинают образовываться пузырьки газа. На отрицательном электроде (катоде) собирается больше газа, чем на положительном (аноде).

Как проверить свои газы

Когда вы соберете много газа на каждом электроде, осторожно закройте пробирки крышками (пока они еще находятся под водой).

Для проверки на водород

Мы предположили, что газ на нашем (отрицательном) катоде был (положительно заряженным) водородом.Водород взрывоопасен. В таких количествах он не разрушит ваш дом, но издаст прохладный треск в присутствии зажженной щепки. Вы можете услышать это на видео ниже.


Для проверки на кислород

Тестируем на кислород с помощью светящейся шины. Если кислорода достаточно, шина снова воспламеняется. Газ, который мы собрали на аноде, ненадолго засветился, что подтвердило, что это кислород, но после возбуждения от вырывающегося водорода мы были немного разочарованы.Позже мы получили гораздо больше кислорода, используя другой метод — см. Ниже видео о нашей повторной засветке шины.

Как работает электролиз?

Вода представляет собой ковалентную молекулу (h30), удерживаемую общими электронами ковалентными связями.

Во время электролиза молекулы восстанавливаются на катоде до газообразного водорода и окисляются на аноде до газообразного кислорода.

Чистая вода не проводит электричество, поэтому нам нужно добавить электролит, например, бикарбонат соды.(Вы не поверите, сколько веб-сайтов советует вам использовать соль. Мы попробовали это и собрали совершенно другой газ. Подробнее об этом позже.)

Производится вдвое больше водорода, чем кислорода, что отражает молекулярный состав воды.

Кредит — J Squish

Вот довольно простое объяснение электролиза воды.

Если вы ищете более подробное объяснение, см. Википедию.

{Большое спасибо, Сара, за указание на мое предыдущее недоразумение и за то, что этот пост стал более точным!}

Загадочный случай с пропавшим кислородом

(Или, что происходит, когда вы используете соль в качестве электролита.)

Прежде чем мы успешно разделили воду на водород и кислород с помощью описанного выше метода, мы попытались добавить соль, чтобы помочь нашей воде проводить электричество. И не только щепотку соли. Я решил, что если немного соли поможет, то больше соли будет еще лучше. (В конце концов, это работает с кристаллами.)

Мы проводим электролиз, используя тот же прибор, что и выше, но на этот раз с насыщенным солевым раствором. И вот мы сидели, нетерпеливо ища пузыри водорода и кислорода.

Что случилось? Ну хватит на наш катод. Газ быстро начал наполнять пробирку. Мы проверили его и обнаружили, что это водород. А на положительном электроде? Ни одного пузыря газа! Что случилось с кислородом из наших молекул воды?

Я провел небольшое исследование в одночасье.

Похоже, что во время электролиза раствора (соли) хлорида натрия хлорид натрия разрушается на положительном электроде с образованием газообразного хлора и раствора гидроксида натрия.(Щелкните ссылку, чтобы получить более подробное объяснение.) Хлор легко растворяется в воде, поэтому не собирается в виде газа, пока раствор не станет насыщенным и больше не сможет поглощать хлор.

Итак, если наш положительный электрод был занят притягиванием хлора, а водород собирался на катоде… что случилось с кислородом? Или к натрию из нашего хлорида натрия (NaCl), если на то пошло? По словам химиков, натрий и кислород вместе образуют раствор гидроксида натрия. Требовалось дополнительное расследование.

Мы оставили наше устройство настроенным — отключенным от батареи — на ночь. Мы решили исследовать его на предмет зацепок.

Дальнейшие исследования

Какие изменения произошли в результате электролиза?
Наш солевой раствор приобрел коричневатый цвет. Был ли это растворенный хлор? Разбитый графит? Корродированный зажим «крокодил» (который был прикреплен к аноду)?

Изменения в результате электролиза

Раствор фильтрующий .
Некоторые из наших положительных электродов (анодов) вышли из строя, в растворе остались черные пятна. Мы используем графит в электролизе, потому что это инертный (нереактивный) металл, но, возможно, большое количество хлора, которое мы производим, заставило его вступить в реакцию? Мы отфильтровали коричневый раствор, чтобы увидеть, остались ли нерастворимые частицы. Они этого не сделали. Но мы заметили некоторые белые пятна на фильтровальной бумаге — хлор, образовавшийся на нашем положительном электроде, должен был обесцветить бумагу!

Отбеленная фильтровальная бумага После электролиза наш раствор был слабокислым

Проверка pH раствора
Мы предположили, что раствор будет слабощелочным из-за гидроксида натрия.Но когда мы его проверили, мы обнаружили обратное. Он был слегка кислым — как хлор. Мы предположили, что это означает, что раствор должен содержать больше хлора, чем гидроксида.

Больше удовольствия с кислородом

Я здесь немного не по теме, но я обещал рассказать, как мы создали достаточно кислорода, чтобы успешно его проверить. Мы пришли к идее, когда поехали на шоу The Magic of Oxygen в Королевском институте. Я хотел бы поделиться с вами одной из демонстраций, которые мы там видели.

Ведущие спросили меня, могут ли они одолжить у меня купюру в 10 фунтов стерлингов, а затем подожгли ее! Вот видео моих пылающих денег.



Вскоре после этого ученые вернули мою купюру в 10 фунтов стерлингов — полностью неповрежденной. Уловка заключалась в том, что ученые сначала замочили деньги в спирте. При сжигании спирта в кислороде выделяется тепло, свет, углекислый газ и вода. Температура, при которой горит спирт, слишком низкая для испарения воды, поэтому вода защищает банкноту от возгорания.

Целая банкнота 10 фунтов стерлингов

Магия кислорода Ученые также продемонстрировали, как приготовить «зубную пасту слона», расщепляя перекись водорода.Мы вспомнили, как когда-то делали собственную зубную пасту для слона. Вернувшись домой, мы решили снова сделать зубную пасту для слона и использовать светящуюся шину для проверки содержания кислорода.

Приготовление зубной пасты «слон»

Когда вы помещаете светящуюся шину в кислород, шина снова загорается.


Почему это мой любимый способ заниматься наукой на дому

Как вы понимаете, это была не та демонстрация естественных наук в домашних условиях, когда мама точно знает, что произойдет и почему.Я изучал химию до шестнадцати лет — почти тридцать лет назад! Я не знал ответов на многие вопросы, возникшие в результате этих экспериментов.

Но незнание того, что произойдет, сделало меня любопытным и вдохновило на то, чтобы узнать больше, и дети определенно были захвачены моим волнением. И я рад, что мы сделали «ошибку», применив сначала соль в качестве электролита, потому что, если бы мы не сделали этого, мы бы упустили какую-то очень интересную науку!

Вы в последнее время занимались какой-нибудь забавной наукой?

Вы когда-нибудь расследовали случай отсутствия кислорода?

***

Я с благодарностью связываюсь здесь:

Еженедельное подведение итогов — Странные несоциализированные ученики на дому
Коллаж Пятница — Домашние ученики
The Home Ed Link Up # 16 — Приключения в домашнем обучении
Воскресенье науки — Приключения в Mommydom
Finishing Strong — Начало в восемь

The Hip Homeschool Hop — Модные мамы на дому

Первая солнечная энергетическая система для разделения воды на водород и кислород на отдельных участках

Newswise — Исследователи из Техниона — Израильского технологического института разработали прототип системы для эффективного и безопасного производства водорода с использованием только солнечной энергии.Исследование, опубликованное в журнале Joule группой Cell , проводилось докторантом Авигейл Ландман из Энергетической программы Гранд Технион вместе со магистрантом Раваном Халаби с факультета материаловедения и инженерии. Исследование проводилось под совместным руководством профессора Гидеона Грейдера факультета химического машиностроения и профессора Авнера Ротшильда с факультета материаловедения и инженерии в сотрудничестве с профессором Аделио Мендес и доктором А.Паула Диаш из Университета Порту в Португалии.

Инновационная система содержит тандемное солнечное устройство, которое позволяет более эффективно использовать световой спектр. Часть солнечного излучения поглощается верхним слоем, состоящим из полупрозрачного оксида железа. Излучение, которое не поглощается в этом слое, проходит через него и впоследствии поглощается фотоэлектрическим элементом. Вместе два слоя системы обеспечивают энергию, необходимую для разложения воды.

От теории к применению:

Инновационная система является продолжением теоретического прорыва исследовательской группы Техниона, представленного в июньской статье в журнале Nature Materials . В этой статье исследователи представили парадигматический сдвиг в производстве водорода: вместо одной производственной ячейки, где вода расщепляется на водород и кислород, исследователи разработали систему, в которой водород и кислород образуются в двух совершенно разных ячейках.Это развитие важно отчасти потому, что смешивание кислорода и водорода создает взрывоопасное и опасное взаимодействие. Исследователи представили доказательство возможности лабораторной системы, работающей от обычного источника питания.

Теперь, в текущем исследовании в Джоуль , исследователи представляют реализацию теории в прикладных разработках — прототип фотоэлектрохимической системы, которая производит водород и кислород в двух отдельных ячейках, используя только солнечный свет. В рамках эксперимента было проведено около 80 рабочих часов (10 дней по 8 часов), что продемонстрировало эффективность системы при естественном солнечном свете.Эксперимент проводился на факультете химического машиностроения Техниона.

Справочная информация:

Водород — очень востребованный материал во многих сферах нашей жизни. Большая часть производимого сегодня водорода используется для производства аммиака для производства удобрений, необходимых для современного сельского хозяйства. Кроме того, водород является одним из ведущих альтернативных источников топлива, особенно в автомобильной силовой установке. В контексте транспорта водород имеет несколько преимуществ перед минеральным топливом:

  • он может быть получен из воды с использованием зеленой энергии, такой как солнечная энергия, что снижает зависимость от минерального топлива и зависимость от стран, богатых запасами нефти;
  • Производство водорода из воды позволяет хранить экологически чистую энергию, которая доступна не все часы дня;
  • В отличие от дизельных и бензиновых двигателей, которые загрязняют воздух в больших количествах, единственным побочным продуктом водородных двигателей является вода.

Сегодня большая часть водорода в мире производится из природного газа. Но вместе с этим происходит выброс углекислого газа (CO2), вред которого для окружающей среды хорошо известен. Альтернативный метод производства — электролиз — разложение воды (h30) на водород (h3) и кислород (O2). Хотя процесс электролиза был открыт более двухсот лет назад, разработано не так много технологий электролиза. В последние годы, с жизненно важным переходом на альтернативные источники энергии, стало ясно, что процесс электролиза необходимо усовершенствовать, чтобы он соответствовал этим источникам энергии.

На этом фоне развился фотоэлектрохимический процесс, который разрушает воду непосредственно с помощью солнечного излучения. Хотя и здесь есть разные технологические вызовы. Например, производство водорода с использованием обычного метода электролиза — разложения воды на водород и кислород в одной и той же производственной ячейке — сопряжено с риском, поскольку столкновение водорода и кислорода приводит к взрыву. Более того, в крупномасштабных солнечных полях очень сложно производить водород в такой конфигурации.Отсюда важность нынешнего прорыва, представленного в Джоулях .

Исследователи надеются, что ученые и промышленность продолжат работу и превратят систему в коммерческий продукт.

Исследование проводилось при поддержке Энергетической программы Нэнси и Стивена Гранд Технион (GTEP), финансировался американским донором Эдом Сателлом, Фондом Аделиса, Министерством энергетики и Европейской комиссией (два гранта ERC), а также Национальным научным фондом PAT Excellence. Центр.

Уже более века Технион — Израильский технологический институт является пионером в области научного и технологического образования и оказывает влияние на изменение мира.Гордый глобальный университет, Технион уже давно использует сотрудничество, пересекающее границы, для продвижения революционных исследований и технологий. Теперь, когда Технион присутствует в трех странах, он подготовит следующее поколение глобальных новаторов. Люди, идеи и изобретения Техниона вносят неизмеримый вклад в мир, внедряя инновации в областях от исследований рака и устойчивой энергетики до квантовых вычислений и информатики, чтобы творить добро по всему миру.

Американское общество Техниона поддерживает дальновидное образование и оказывает влияние на мир через Технион — Израильский технологический институт.Базируясь в Нью-Йорке, мы представляем тысячи американских доноров, выпускников и заинтересованных лиц, которые инвестируют в развитие Техниона и инновации, чтобы продвигать важные исследования и технологии, которые служат государству Израиль и всему миру. За более чем 75 лет наша общенациональная сеть сторонников финансировала новые стипендии Техниона, исследования, лаборатории и объекты, которые помогли внести изменения в мир и распространить образование Техниона на кампусы в трех странах.

Разделение воды | Сделай сам для начинающих

  • Предупреждение

    Этот эксперимент включает электричество и воду.ИСПОЛЬЗУЙТЕ ОСТОРОЖНО И НАБЛЮДАЙТЕ ЗА ДЕТЯМИ. Не позволяйте детям касаться воды при подключенном аккумуляторе.

  • Наконечник

    Когда вы подключаете провода, электричество течет петлей от батареи, вниз по одному из карандашей, через воду, затем вверх по другому карандашу и обратно к батарее. Электричество фактически разбивает молекулы воды на части — водород и кислород! Пузырьки, которые вы видите на кончиках карандашей, представляют собой газообразный водород и кислород, образующиеся в результате этой реакции.Фактически, газообразный водород создается на одном из карандашей, а газообразный кислород — на другом. Этот процесс называется электролизом воды. Если вы посмотрите очень внимательно, вы сможете увидеть, что на одном карандаше образуется больше пузырей, чем на другом. Это из-за цифры «2» в названии «h3O». Когда молекула воды расщепляется, вы получаете 2 атома водорода на каждый кислород, поэтому вы видите больше пузырьков водорода, чем пузырьков кислорода.

  • С помощью плоскогубцев снимите металлический ластик с карандашей.Затем заточите оба конца карандашей.

  • С помощью канцелярской кнопки проделайте два отверстия в середине пластиковой крышки, прямо напротив друг друга. Расширяйте отверстия плоскогубцами, пока в них не войдет карандаш.

  • Наполните чашу водой примерно наполовину. Добавьте немного пищевой соды и взболтайте. Если после перемешивания вы все еще не видите немного пищевой соды на дне чашки, добавьте еще пищевой соды. Затем закройте чашку крышкой.

  • Совет

    Если вы хотите добавить к этому эксперименту, вы можете попробовать сначала с простой водой, а затем с питьевой содой.Если вы это сделаете, вы увидите только несколько пузырьков, образующихся в простой воде (или, возможно, совсем их не будет), а добавление пищевой соды в воду приведет к образованию большего количества пузырьков. Это потому, что обычная вода не пропускает электричество очень хорошо. Добавление пищевой соды облегчает прохождение электричества. (Другими словами, вода с пищевой содой является лучшим проводником электричества, чем обычная вода.) Больше электричества означает, что больше молекул воды расщепляется, создавая больше пузырей!

  • Вставьте по одному карандашу в каждое из отверстий так, чтобы кончики карандашей были погружены в воду.

  • Вставьте аккумулятор 9 В в защелку аккумулятора. Затем подсоедините незакрепленные провода к выводам, выходящим из защелки аккумулятора.

  • Наконечник

    Соответствие цветов облегчит задачу! Совместите красный провод с выводами красного провода, а черный провод — с выводами черного провода.

  • Подсоедините один конец зажимов типа «крокодил» к проводам. Не забывайте сочетать цвета!

  • Подсоедините другой конец каждого зажима типа «крокодил» к оголенному кончику карандашей.

  • Что случилось? Можете ли вы сказать, какой карандаш притягивает атомы водорода, а какой — атомы кислорода? (Подсказка: вы видите больше пузырьков на одном карандаше, чем на другом?)

  • Как разделить воду на водород и кислород

    15 декабря этого года ученые из Хьюстонского университета разработали «новую технику», когда они обнаружили, что с помощью катализатора можно «расщепить воду», то есть отделить водород и кислород от воды. с помощью солнечных лучей и наночастиц оксида кобальта.

    Источники показали, что это может быть началом создания экологически чистого возобновляемого источника энергии.

    Разделить воду на энергию

    NIH.gov сообщает об итогах научной статьи, озаглавленной «Эффективное расщепление солнечной воды с использованием нанокристаллического фотокатализатора CoO». Они сообщают об эффективности этого нового метода, который во много раз превосходит предыдущие методы.

    Здесь мы показываем, что наночастицы оксида кобальта (II) (CoO) могут выполнять общее расщепление воды с эффективностью преобразования солнечной энергии в водород около 5%.

    Джиминг Бао, ведущий автор статьи и доцент кафедры электротехники и вычислительной техники в UH, сказал, что исследование открыло новый фотокатализатор и продемонстрировало потенциал нанотехнологии в разработке свойств материала, хотя еще предстоит проделать большую работу. … Подробнее.

    Запатентованный процесс

    OxygenSuperCharger.

    Сначала описанный выше процесс может показаться процессом, используемым для создания OxygenSuperCharger, но это не так.OxygenSuperCharger создается с помощью запатентованного процесса с использованием электролитической ванны из морской соли и чистой воды. Наш процесс был разработан не только для отделения молекул кислорода от h3O, но и для связывания этих отделенных молекул кислорода с транс-минералами морской соли. Вы можете узнать больше о нашем уникальном процессе, посмотрев наше озвученное видео: https://oxygensupercharger.com/oxygen-information/activated-stabilized-oxygen/

    Статьи по теме
    .

    Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован.