Как найти водород по воде

Водород и его свойства

Что такое водород

Водород — самый легкий химический элемент, занимающий в периодической таблице Менделеева начальное место.

Его атомный номер — единица. На одноатомную форму водорода приходится около 75% барионной массы, она считается самым распространенным веществом во всей Вселенной. Водородная плазма — основное вещество звезд, за исключением компактных.

У водорода три изотопа:

К общим характеристикам относятся следующие свойства: не имеет цвета запаха, вкуса. Двухатомная форма ( Н 2 ) нетоксична, однако в соединении с воздухом (или О 2 ) пожароопасна и склонна к взрывам. Взрывоопасность также проявляется в присутствии прочих газов-окислителей, например, фтора, хлора.

На Земле водород присутствует в составе молекулярных соединений, например, вода. Его роль в кислотно-основных реакциях трудно переоценить.

Нахождение в природе, изучение его свойств

Звездная температура позволяет существовать водороду в виде плазмы. Это примерно 6000оС. Однако пространство между звездами заполнено отдельными молекулами, атомами и ионами, которые зачастую образовывают молекулярные скопления различных размеров и форм — облака. Плотность вещества при этом не является постоянной величиной, как и его температура.

В коре Земли водород считается десятым по распространенности элементом. Его массовая доля равна 1%. В то же время по числу атомов он достигает 17%. Это второе место после кислорода, доля которого равна 52%. Отсюда и значительная роль водорода в природе, особенно в химических превращениях.

Водород, в отличие от кислорода, не может существовать в свободном состоянии, только в связанном. Исключение составляет атмосфера, в сухом остатке которой 0,00005% простого вещества — водорода.

Все органические вещества включают в свой состав водород. Велика его доля в живых клетках (по количеству атомов его удельный вес достигает 63%).

В составе воды водород имеет большое значение в протекании геохимических процессов. Так, вулканические газы вызывают истечение определенных количестве водорода вдоль разломов (причина — рифтогенез). По этой же причине часто обнаруживают водород в районе угольных месторождений.

Натуральные минералы могут содержать Н2 в виде ионов аммония, гидроксил-ионов и воды.

Причина появления молекул Н2 в атмосфере — разложение формальдегида — участника окисления метана и прочих органических соединений. Кроме того, причина его образования — неполное сгорание топлива и биомассы, фиксация азота некоторыми микроорганизмами, содержащимися в воздухе.

Молекулы водорода легкие, поэтому имеют высокую тепловую скорость. При попадании в верхние слои атмосферы такие молекулы часто улетают в космос, при этом их потери могут достигать 3 кг каждую секунду.

Химические и физические свойства

Начиная говорить о химических свойствах водорода, нужно отметить чрезвычайную прочность его двухатомной молекулы. Для того, чтобы она распалась и атомы могли провзаимодействовать с другими участниками химической реакции, необходима энергия:

1 2 H 2 → 2 H — 432 к Д Ж

Обычные температурные условия обеспечивают протекание реакций только с металлами высокой активности, к примеру, с кальцием:

1 2 C a + H 2 → C a H 2

Исключение составляет реакция с фтором, продуктом которой является фтороводород:

1 2 F 2 + H 2 → 2 H F

Если имеется возможность повышения температуры (либо при другом воздействии, к примеру, освещении), водород может вступать в реакцию с большинством металлов и неметаллов:

1 2 O 2 + 2 H 2 → 2 H 2 O

В реакциях с галогенами образуются галогеноводороды:

1 2 H 2 + F 2 → 2 H F (в темноте происходит взрыв)

1 2 H 2 + C l 2 → 2 H C l (на свету происходит взрыв)

В реакции с оксидами водород проявляет восстановительные свойства:

1 2 C u O + H 2 → H 2 O + C u

Высокая температура делает возможной реакцию с сажей:

1 2 C + 2 H 2 → C H 4

Когда активные металлы соединяются с водородом, образуются гидриды, например гидрид натрия (NaH), гидрид кальция (CaH2), гидрид магния (MgH2). Эти солеобразные твердые, легко гидролизирующиеся вещества:

1 2 C a H 2 + 2 H 2 → C a ( O H ) 2 + 2 H 2

Оксиды металлов, реагируя с водородом, восстанавливаются с выделением воды:

1 2 F e 2 O 3 + 3 H 2 → 2 F e + 3 H 2 O

Благодаря свойствам водорода, он нашел применение для восстановления органических веществ. Протекают реакции с участием катализатора, а также при высоких параметрах давления и температуры. К примеру, насыщенные алканы образуются в результате гидрирования ненасыщенных алкенов и алкинов.

Физические свойства водорода:

1. В 14,5 раз легче воздуха. Поэтому молекулы движутся быстрее других молекул газов, передавая тепло.
2. Имеет высокую теплопроводность (в 7 раз выше, чем у воздуха).
3. Двухатомная молекула.
4. Плотность — 0,08987 г/л, температура кипения-252,76оС, удельная теплота сгорания — 120,9*106Дж/кг, растворимость в воде — 18,8 мл/л

Хорошо растворяется в металлах, поэтому способен диффундировать в них. В серебре не растворим.

Получение водорода, как добыть вытеснением из воды

Потребление в мире водорода составляет порядка 75 млн т. Основная масса приходится на нефтепереработку и производство аммиака. Получение водорода для таких промышленных нужд происходит в основном из природного газа (его расход составляет 205 млрд м3). Оставшуюся часть берут из угля. Примерно 100 тыс т вырабатывают с помощью реакции электролиза.

Получение водорода сопровождается поступлением в атмосферу 830 млн т углекислого газа. Стоимость получения водорода из газа составляет от полутора до трех долларов за каждый кг.

Получение водорода методом электролиза в химии выглядит так:

1 2 2 N a C l + 2 H 2 O → 2 N a O H + C l 2 + H 2

Метод конверсии метана при температуре 1000оС с водяными парами:

1 2 C H 4 + H 2 O ↔ C O + 3 H 2

Следующий способ получения — пропускание водяных паров над горящим коксом (температура не менее 1000оС):

1 2 H 2 O + С ↔ С O + H 2

Свободный водород выделяется в результате реакции катализа окислением кислородом:

1 2 2 C H 4 + O 2 ↔ 2 C O + 4 H 2

В промышленности H2 часто получают путем электролиза водных растворов активных металлов:

1 2 2 H 2 O → 4 e — 2 H 2 ↑ + O 2 ↑

а также путем крекинга и риформинга углеводородов при переработке нефти.

Существуют способы получения Н2 лабораторными способами:

1. Металл + разбавленная кислота: 1 2 Z n + H 2 S O 4 → Z n S O 4 + H 2 ↑
2. Реакция кальция с водой: 1 2 C a + 2 H 2 O → C a ( O H ) 2 + H 2 ↑
3. Гидролиз гидридов металлов: 1 2 N a H + H 2 O → N a O H + H 2 ↑
4. Взаимодействие щелочи с цинком (алюминием): 1 2 2 A l + 2 N a O H + 6 H 2 O → 2 N a ( A l ( O H ) 4 ) + 3 H 2
5. В результате электролиза водных растворов щелочей либо кислот: 1 2 2 H 3 O + + 2 e — → 2 H 2 O + H 2 ↑

В промышленности используется очистка водорода из сырья, которое содержит углерод (в частности — водородсодержащий газ ВСГ). Методы следующие:

1. ВСГ придают температуру конденсации метана и этана -158оС и давление 4МПа. При концентрации в сырье 40% процент очищенного водорода доходит до 93-94%. Такой метод называется низкотемпературной конденсацией.
2. Адсорбционное выделение на цеолитах.
3. Абсорбционное выделение жидкими растворителями.
4. Мембранное концентрирование.
5. Селективное поглощение металлами.

Получение и собирание водорода в домашних условиях, техника безопасности

Реальным способом получения водорода в домашних условиях является реакция щелочи с алюминием. Газ получается гораздо чище, чем в реакции с кислотой. Схема следующая. В качестве алюминия используют фольгу, щелочного раствора — средство «Крот».

Берем стеклянную емкость, засыпаем в нее немного средства против засора «Крот» и наливаем 100 г воды обычной температуры. Перемешиваем до полного растворения и помещаем сюда же фольгу, скатанную в небольшие шарики. Выделение тепла свидетельствует о начале реакции, после чего ее скорость активируется. Через 20-60 секунд можно добавить новую порцию фольги.

Чтобы образовавшийся водород собрать, можно закрыть банку крышкой, сделав в ней отверстие, в которое вставить трубку. Второй конец трубки закрепить в воздушном шарике.

Поскольку водород является взрывоопасным веществом, делать это нужно крайне осторожно, начиная от момента возможного вытеснения крышки до конца процесса. Попадание водорода в воду приведет к образованию вещества, способного вызвать обморожение.

Особенности применения водорода

Водород используется во многих производственных сферах, что отражено в таблице:

Применение	Доля
Производство аммиака	54 %
Нефтепереработка и химическая промышленность	35 %
Производство электроники	6 %
Металлургия и стекольная промышленность	3 %
Пищевая промышленность	2 %

В химической промышленности активный водород идет на производство аммиака (50%), метанола (8%). В нефтеперерабатывающей — для гидрокрекинга и гидроочистки. На эти цели расходуется около 37% всего водорода, что производится.

Пищевая и косметическая промышленность «пользуется» водородом для производства пищевых добавок, а также саломаса, маргарина, мыла, косметических продуктов.

Для химических лабораторий водород — газ-носитель для газовой хроматографии, а для метеорологии — наполнитель оболочек метеозондов.

Водород — ценное ракетное топливо, однако, ввиду незначительного диапазона температур, используется смесь жидкой и твердой фаз.

В электроэнергетике водород применяют для охлаждения электрогенераторов. Его высокая теплопроводность позволяет использовать газ для заполнения сфер гирокомпасов и колб LED-лампочек.

Источник

Как проверить содержание водорода

С учетом возрастающей популярности водородной воды на рынке появляются различные приборы и изделия для получения молекулярного водорода. Однако, не все продукты могут производить достаточное количество Н2 и соответственно не будут иметь полезного влияния на организм человека. Концентрация Н2 имеющая терапевтический эффект составляет более 0,6 мг/л, при меньшей концентрации эффекты водорода будут малозаметны.

Основная проблема водородных продуктов – это сложность достоверного определения концентраций растворенного Н2 в воде. На рынке нет доступных анализаторов газообразного Н2, которые сможет купить себе пользователь генераторов водородной воды.

Соответственно мы будем часто встречаться с недобросовестными продавцами и не качественными водородными изделиями пока не придумают дешевых способов измерения Н2.

В этой статье мы расскажем о различных методах определения Н2 в воде, от самых точных и достоверных методов до способов с погрешностями показаний.

Газовая хроматография

Материал из Википедии

Газовая хроматография (ГХ) – это физико-химический метод разделения веществ, основанный на распределении компонентов анализируемой смеси между двумя несмешивающимися и движущимися относительно друг друга фазами, где в качестве подвижной фазы выступает газ (газ-носитель), а в качестве неподвижной фазы — твердый сорбент или жидкость, нанесенная на инертный твердый носитель или внутренние стенки колонки.

ГХ является основным методом разделения и анализа газообразных смесей для специалистов в химической отрасли. ГХ считается главным и самым точным способом измерения молекулярного водорода в жидкости. Этот методика определяет концентрацию водорода путем перемещения Н2 из водной фазы в газовую с использованием плотно закрытого сосуда.

Данное оборудование используется только в лабораторных или промышленных условиях, требует особых навыков и имеет высокую стоимость.

Микросенсорные датчики водорода

Высокочувствительный микродатчик водорода имеет исключительную чувствительность, которая позволяет измерять даже в естественных системах.

Микро- и минисенсоры водорода представляют собой датчики типа Кларка, измеряющие парциальное давление водорода. Принцип работы микродатчика водорода основан на диффузии водорода через силиконовую мембрану к платиновому аноду, окисляющему водород. Восстанавливающий анод поляризован относительно внутреннего катода Ag / AgCl. Результирующий сигнал датчика находится в диапазоне пА и измеряется высококачественным пикоамперметром.

Поскольку концентрации водорода в природных системах, как правило, очень низкие, очень важен низкий предел обнаружения датчика. Обычно предел обнаружения датчиков близок к 0,02% водорода (0,1 мкМ в воде), но датчики, можно сделать еще более чувствительными, если они оснащены большим наконечником мембраны.

Конструкция микродатчика позволяет использовать водородный микродатчик в самых разных областях исследований, где требуются высококачественные, неразрушающие, быстрые и точные измерения. Микросенсор водорода предназначен для исследовательских целей в следующих областях:

• Науки об окружающей среде
• Биомедицинские науки
• Биотехнологии
• Исследования фотохимического расщепления воды
• Влияние питьевой воды, обогащенной H 2

Метод полярографической ячейки.

Полярография – это метод количественного и качественного химического анализа, основанный на получении кривых зависимости величины тока от напряжения в цепи, состоящей из исследуемого раствора и погруженных в него электродов, один из которых сильно поляризующийся, а другой практически неполяризующийся.

Российский производитель в сфере приборов контроля параметров водных сред ООО «ВЗОР» создала высокоточный анализатор водорода МАРК-501 и 509. Анализатор измеряет содержание растворенного водорода в воде при помощи амперометрического датчика, который работает по принципу полярографической ячейки закрытого типа.

Анализируемая среда отделена от специального раствора электролита при помощи мембраны, которая пропускает через себя только водород и непроницаема для воды и паров жидкости. В электролит погружены электроды анод и катод на которые подается постоянный ток. Водород, проникая через мембрану, вступает в электрохимическую реакцию с поверхностью анода в результате вырабатывается сигнал, который пропорционален концентрации растворенного водорода.

Далее данные поступают в микроконтроллер, где происходит обработка информации и результаты выводятся на ЖК экран.

Метод Титрования при помощи метиленового синего

Информация из википедия

Титрование – это постепенное прибавление титрованного раствора реагента (титранта) к анализируемому раствору для определения точки эквивалентности. Титриметрический метод анализа основан на измерении объема реагента точно известной концентрации, затраченного на реакцию взаимодействия с определяемым веществом.

Японские ученые нашли удобный и недорогой метод определения концентрации водорода при помощи реагента метиленовый синий с добавлением коллоидной платины. Метод основан на окислительной реакции водорода с помощью метиленового синего в присутствии катализатора коллоидной платины.

Формула: MB (blue) + 2H+ + 2e- = leucoMB (colorless)

Метод определения концентрации водорода при помощи раствора метиленового синего очень прост. Необходимо капнуть синий раствор в воду и размешать, при наличии растворенного водорода метиленовый синий будет обесцвечиваться. Если же вода не содержит водород, то вода окраситься в синий цвет.

Одна капля этого реагента реагирует с 0,1 мг/л (ppm) молекулярного водорода, таким образом, посчитав количество капель, обесцветивших метиленовый синий, можно узнать приблизительное количество молекулярного водорода в воде.

Например, если 9 капель в жидкости обесцветились, а 10-я окрасила воду в синий цвет, то концентрация Н2 в данной жидкости составляет 0,9 мг/л (ppm).

Метод определения водорода раствором «метиленовый синий» не самый точный, но он является официальным методом и признан наукой.

Окислительно-восстановительный потенциал

Окислительно-восстановительный потенциал можно измерить при помощи вольтметра или ОВП метра. Вода, которая подверглась электролизу (ионизированная вода) и другие формы водородной воды имеют отрицательный потенциал ОВП.

Однако отрицательный потенциал показывает не концентрацию водорода, а окислительно-восстановительные пары — пара концентрации молекулярного водорода (H2) и концентрация кислоты (ионы водорода H+), что соответствует стандартной окислительно-восстановительной полуреакции:

Можно сделать отрицательный ОВП, уменьшив концентрацию H+ (повысив pH) и/или увеличив концентрацию растворенного молекулярного водорода Н2. И наоборот, вы можете сделать ОВП положительным, увеличив концентрацию H+ (понизив pH) и/или уменьшив концентрацию растворенного молекулярного водорода Н2.

Например, добавив в воду аскорбиновой кислоты (витамин С) мы получим отрицательный ОВП на основе отношения восстановленной аскорбиновой (НА) кислоты к окисленной аскорбиновой кислоте (DHA) в соответствии с уравнением Нернста.

DHA + 2e- => HA = -570 мВ

Напряжение можно сделать более отрицательным, увеличив концентрацию HA и/или уменьшив концентрацию DHA. И наоборот, можно сделать положительным ОВП, увеличив концентрацию DHA и/или уменьшив концентрацию HA.

Этот факт следует принимать во внимание при рассмотрении концентрации молекулярного водорода. Поскольку pH играет большую роль в ОВП, то может быть ситуация, где один стакан ионизированной воды с ОВП -800 мВ, а другой с ОВП -400 мВ, из-за разницы pH второй стакан будет иметь больше молекулярного водорода чем в первом, где ОВП – 800мВ. Отрицательный ОВП является скорее индикатором присутствия H2, чем мерой концентрации.

Таким образом, технологии, основанные на измерении ОВП, не должны использоваться в качестве точного метода измерения концентрации молекулярного водорода.

Источник