РАСПРОСТРАНЕННОСТЬ В ПРИРОДЕ, ПОЛУЧЕНИЕ И ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ВОДОРОДА

Распространенность в природе

Мы уже упоминали, насколько распространенным элементом является водород. Во Вселенной это самый распространенный элемент. Его обнаруживают в составе Солнца и звезд, он играет важную роль в протон-протонных реакциях, обеспечивающих энергией Солнце и звезды (см. разд. 1.3). По имеющимся оценкам, свободный водород составляет наибольшую часть планеты Юпитер. Внутри этой планеты давление настолько велико, что, как полагают, жидкий молекулярный водород превратился там в жидкий металлический водород (см. разд. 2.1).

На Земле свободный водород составляет меньше миллионной части атмосферы. Его обнаруживают в окклюдированном состоянии в залежах различных солей, угле, горных породах и метеоритах. Водород входит также в состав газов, выделяемых вулканами. Однако водород постоянно улетучивается из земной атмосферы в космическое пространство.

Получение

Мировой уровень промышленного получения водорода достигает нескольких миллионов тонн в год. Только в Великобритании ежегодно получают около 500 тыс. т водорода. Водород получают несколькими методами, описанными ниже.

Процесс Боша (синтез водяного газа). В этом процессе водяной пар пропускают над раскаленным добела коксом. В результате образуется водяной газ - смесь оксида углерода с водородом:

Затем к водяному газу добавляют новую порцию пара, и эту смесь пропускают над поверхностью катализатора из оксида при температуре 450°С, в результате чего происходит реакция сдвига:

Для удаления диоксида углерода полученную смесь промывают водой под давлением или пропускают через теплый раствор карбоната калия.

Получение водорода из природного газа или лигроина (нафты). Современные методы получения больших количеств водорода основаны на конверсии (риформинге) с водяным паром природного газа или лигроина (нафты). Лигроин представляет собой смесь легких углеводородов, которая получается из каменноугольного дегтя либо нефти. На первой стадии этого процесса смесь природного газа или лигроина с водяным паром пропускают над поверхностью никелевого катализатора при температуре порядка 900°С.

Полученная смесь называется синтез - газ, поскольку она используется как источник водорода при синтезе аммиака в процессе Габера (см. разд. 7.2). На второй стадии синтез-газ превращают в диоксид углерода и воду с помощью реакции сдвига, а затем удаляют из полученной смеси диоксид углерода, как это описано выше.

Водород получают также из природного газа путем каталитического окисления метана кислородом:

Крекинг и риформинг углеводородов. Водород получают в качестве побочного продукта при переработке нефти в процессах крекинга и риформинга углеводородов (см. гл. 18).

Электролиз рассола. Водород является важным побочным продуктом электролиза рассола (водного раствора хлорида натрия) в производстве хлора и гидроксида натрия (см. гл. 13).

Применение водорода

Получение аммиака. Приблизительно 50% получаемого водорода используется для синтеза аммиака в процессе Габера (см. разд. 7.2). Приблизительно треть получаемого таким образом аммиака превращают затем в азотную кислоту, которая в свою очередь используется в производстве взрывчатых веществ, красителей и азотных удобрений.

Получение неорганических продуктов. Водород используется в производстве хлоро-водорода и соляной кислоты (см. гл. 16).

Получение органических продуктов. Водород используется в процессе синтеза метанола. Метанол получают при взаимодействии водорода и оксида углерода при температуре 400°С и давлении 300 атм в присутствии катализатора из оксида цинка и

Рис. 12.2. Маргарин - один из продуктов, получаемых с помощью водорода. Торговая этикетка («Маргарин из подсолнечного масла. С низким содержанием холестерина и высоким содержанием полинснасытенных жиров. Хранить в холодильнике. 500 г. Состав: подсолнечное масло, гидрированные растительные масла, порошок молочной сыворотки, соль, эмульгаторы лимонная и молочная кислоты, ароматизаторы, пищевой краситель , витамины

Метанол используется как растворитель, а также в производстве других органических продуктов.

Переработка нефти. Приблизительно 12% всего производимого водорода используется на предприятиях по переработке нефги для гидрирования соединений серы, содержащихся в нефти. Это позволяет удалить вредные примеси серы из нефти.

Производство маргарина. Водород используется для гидрирования растительных масел в присутствии никелевого катализатора с целью получения твердых пищевых жиров маргарина (рис. 12.2). В этом процессе происходит превращение двойных yглерод-углеродных связей в растительных маслах в простые углерод-углеродные связи. Жиры, содержащие простые углерод-углеродные связи, называются насыщенными, а жиры с двойными связями называются ненасыщенными.

Маргарины, обогащенные полиненасыщенными жирами. Жиры с высокой концентрацией жирных кислот (см. разд. 20.3), имеющих несколько двойных связей, называются полиненасыщенными жирами. Мягкие сорта маргарина, обогащенные полиненасыщенными жирами, получают в результате смешивания непереработан-ных растительных масел, бетагых полиненасыщенными жирными кислотами (как, например, подсолнечное, кукурузное или соевое масло), с частично отвержденными жирами. Полинснасыгцснныс жиры считаются менее вредными в отношении развития сердечно-сосудистых заболеваний, чем насыщенные жиры, и могут даже оказывать благотворное действие на организм.

Извлечение металлов. Водород используется в процессе получения таких металлов, как молибден и вольфрам, путем восстановления из оксидов (см. выше).

Другие применения водорода. Водород используется в кислородно-водородных горелках и водородно-дуговой сварке (см. выше). Газообразный водород применяют в качестве хладагента в больших генераторах переменного тока. Жидкий водород применяют в криогенной технике для получения очень низких температур.

Большие количества жидкого водорода используются в космической промышленности в качестве ракетного топлива и для получения электрической энергии в топливных элементах (см. гл. 5 и 10).

Водородная энергетика

По мере истощения запасов угля, нефти и природного газа усиливаются поиски других экономически выгодных источников энергии. Мы уже подробно обсуждали эту проблему в гл. 5, где было указано, что водород считается одним из перспективных источников энергии в будущем. Использование водорода в качестве основного источника энергии, т. е. водородная энергетика, имеет свои преимущества и недостатки.

Преимущества водородной энергетики, а) Водород - наиболее распространенный элемент во Вселенной. На Земле он тоже весьма распространен в виде воды. Поэтому запасы этого элемента практически неисчерпаемы. Кроме того, единственным продуктом сгорания водорода является вода. Поэтому использование водорода в качестве топлива приводило бы только к образованию воды, которая немедленно возвращалась бы в атмосферу и, таким образом, участвовала в круговороте воды в природе (см. ниже).

б) Теплотворная способность (в расчете на единицу массы) водорода в несколько раз выше, чем у других сопоставимых видов топлива. Стандартная молярная энтальпия сгорания водорода составляет

Из данных табл. 5.2 видно, что молярная энтальпия сгорания водорода меньше, чем у таких видов топлива, как метан, пропан и этанол. Однако сопоставление энтальпий сгорания в расчете на 1 г топлива показывает, что водород имеет гораздо большую теплотворную способность (см. табл. 12.7).

в) Использование водорода в качестве топлива не вызывает загрязнения окружающей среды. Как было сказано выше, единственным продуктом полного сгорания

Таблица 12.7. Удельные энтальпии сгорания водорода, углерода и их соединений

водорода является вода. Но и попадание в атмосферу частично несгоревшего водорода не причиняло бы вреда, потому что этот газ нетоксичен и легко улетучивается.

Недостатки водородной энергетики, а) Водород не так легко хранить и использовать, как нефть. Его необходимо хранить в газовых баллонах или под давлением в жидком виде. Поэтому хотя водород можно было бы использовать в промышленности или в бытовых целях, как в настоящее время природный газ, его трудно использовать непосредственно как горючее для автомобилей и реактивных самолетов. Одним из возможных решений этой проблемы является хранение водорода в виде гидридов металлов типа соединений внедрения (см. выше). Некоторые металлы, например палладий, способны поглощать большие количества водорода, который затем при необходимости можно высвобождать из них путем нагревания.

б) Получение водорода пока еще экономически невыгодно. Водород несложно получать путем электролиза воды (см. гл. 5 и 10), но этот процесс дорогой и довольно неэффективный. В настоящее время ведутся широкие исследования возможностей использования термохимических и фотохимических методов получения водорода из воды и других веществ, однако в ближайшее десятилетие они навряд ли помогут внести существенный вклад в решение мировых энергетических проблем.

Итак, повторим еще раз!

1. Атом водорода состоит из одного протона и одного электрона.

2. Водород образует двухатомные молекулы.

3. Водород широко распространен в природе и обладает совершенно особыми химическими и физическими свойствами.

4. В лабораторных условиях водород можно получать действием разбавленных кислот на металлы либо электролизом воды.

5. Водород имеет три изотопа: протий, дейтерий и тритий.

6. Атомарный водород обладает свойствами сильного восстановителя.

7. В воде протоны образуют ионы гидроксония.

8. Водород может проявлять как восстановительные, так и окислительные свойства.

9. Водород образует гидриды четырех типов: ионные, комплексные, ковалентные и гидриды типа соединений внедрения.

10. Водород-наиболее распространенный элемент во Вселенной.

11. Промышленное получение водорода основано на конверсии (риформинге) с водяным паром природного газа либо лигроина (нафты).

12. Водород используется в больших количествах для промышленного получения аммиака.

13. Водородная энергетика предусматривает использование водорода в качестве основного источника энергии.