Вода в нашей жизни
Продолжение. Начало см. в № 3, 4, 5/2009
§ 3. ОБРАЗОВАНИЕ КРИСТАЛЛОГИДРАТОВ. КАТАЛИТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ВОДЫ
Форма занятия. Рассказ, индивидуальная, групповая работа, демонстрационный эксперимент, домашний эксперимент.
Оборудование и реактивы. Пробирки, спиртовка; образцы кристаллогидратов (сульфата меди(II), алюмокалиевых квасцов, хлорида кобальта(II)), порошки алюминия, магния, цинка, кристаллический йод.
- Кристаллогидраты.
- Вода – катализатор.
- Химический эксперимент и анализ его результатов.
Учитель. Многие вещества выделяются из водных растворов в виде кристаллов, содержащих так называемую кристаллизационную воду, причем на каждую формульную единицу растворенного вещества приходится определенное число молекул воды. Предположение о существовании водных гидратов высказал Д.И.Менделеев в 1887 г. в разработанной им гидратной (химической) теории растворов.
Гидраты – это, как правило, нестойкие соединения, во многих случаях разлагающиеся уже при выпаривании растворов. Однако некоторые из них настолько прочны, что при выделении растворенного вещества из раствора вода входит в состав кристаллов (схема 1).
Что представляет собой и как образуется кристаллическое вещество синего цвета?
При растворении в воде сульфата меди(II) происходит его диссоциация на ионы. Образующиеся ионы взаимодействуют с молекулами воды. При выпаривании раствора образуется кристаллогидрат сульфата меди(II) – СuSO4•5Н2О (схема 2).
Демонстрационный эксперимент
«Образование кристаллогидратов»
После объяснения теоретического материала учителем его ассистент – ученик у демонстрационного стола подтверждает сказанное несложным экспериментом по растворению безводного сульфата меди(II) и выпариванием раствора. Прокаленный сульфат меди(II) лаборанту следует заранее приготовить и поместить в герметичную склянку.
Очень эффектно выглядят кристаллы медного купороса, выращенные на шелковой нитке. К ней привязывается маленький кристаллик – затравка, далее нить помещается на 2–3 недели в пересыщенный раствор медного купороса. Если взять шерстяную нитку, то появится целое ожерелье кристаллов, но их форма будет далека от идеальной, т.к. каждый волосок нити послужит центром кристаллизации.
Опыт по выращиванию кристаллов медного купороса и алюмокалиевых квасцов поручается школьникам за две недели до занятия. Они оформляют коллекцию полученных кристаллов и демонстрируют ее в классе.
Учитель. Эти красивые вещества, в кристаллы которых входят молекулы воды, называются кристаллогидратами, а содержащаяся в них вода – кристаллизационной. Она может испаряться при нагревании или при длительном солнечном освещении. По этой причине выращенные кристаллогидраты следует покрыть бесцветным лаком, например маникюрным или мебельным. Хороший эффект достигается при распылении лака для волос из баллончика.
Состав кристаллогидратов принято изображать формулами, показывающими, какое количество кристаллизационной воды содержит кристаллогидрат на одну формульную единицу соли. Например:
MgSO4 • 7H2O – горькая (английская) соль.
Прочность связи между веществом и кристаллизационной водой в кристаллогидратах различна. Так, прозрачные кристаллы соды (Na2CO3 • 10H2O) легко выветриваются, теряя кристаллизационную воду при обычной температуре. Они становятся тусклыми и постепенно рассыпаются в порошок. Для обезвоживания других кристаллогидратов требуется довольно сильное нагревание.
Ученикам несложно подсчитать, сколько денег будет затрачено на покупку воды, которая входит в состав одной упаковки кристаллической соды. (Массовая доля воды в кристаллической соде более 60 %.)
Демонстрационный эксперимент
«Обнаружение кристаллизационной воды»
Некоторые прокаленные соли, присоединяя воду, изменяют цвет, а при выпаривании избытка воды образуют окрашенные кристаллогидраты. Такие соли используются в химии как своеобразные индикаторы на присутствие паров воды в газовых смесях, например в воздухе.
Внесите в сухую термостойкую пробирку на кончике лопаточки кристаллогидрат хлорида кобальта(II), закрепите ее в лапке штатива и нагревайте в пламени спиртовки, наблюдая за изменением цвета кристаллов. Затем охладите пробирку – оставьте ее в открытом виде на столе, через некоторое время цвет кристаллов станет прежним.
Ученики записывают в тетради соответствующие уравнения реакций, учитывая, что конечный продукт является тетрагидратом.
Учитель. В настоящее время накоплено очень много экспериментальных фактов, доказывающих, что вода достаточно активно влияет на физические свойства многих веществ. Выступая в роли катализатора, она увеличивает скорость ряда химических реакций. Природные химические превращения, как правило, осуществляются в присутствии некоторого количества воды, которая есть в атмосфере.
Исследования показали, что даже тщательно высушенные вещества содержат ничтожно малое количество влаги, которое может существенно отразиться на их свойствах. Получение абсолютно сухих веществ является непростой задачей. Специальными опытами было установлено, что после высушивания брома в течение 9 лет температура его кипения оказалась на 59 °С выше той, которая указана в справочниках, а температура кипения ртути, высушенной в тех же условиях, повысилась почти на 100 °С. Установлено также, что после длительного высушивания реагентов: гремучий газ не взрывается при высокой температуре, оксид углерода(II) не горит в кислороде, безводная серная кислота не взаимодействует со щелочными металлами, а последние, в свою очередь, не реагируют с хлором.
В хорошо высушенном кислороде натрий и калий не горят, а уголь, сера и фосфор начинают воспламеняться при более высокой температуре по сравнению с их горением в неосушенном воздухе. Данные факты указывают на то, что влага, содержащаяся в воздухе, играет роль катализатора.
Демонстрационный эксперимент
«Взаимодействие алюминия с йодом, катализируемое водой»
Смешать 0,2 г алюминиевой пудры с 2 г йода, измельченного в ступке до порошкообразного состояния. На дно стеклянной банки емкостью 0,5 л высыпается смесь в виде небольшой горки, в ее вершине нужно сделать углубление, используя обычную пробирку. Банку следует закрыть полиэтиленовой крышкой с отверстием, в которое вставляется пипетка с водой.
Для проведения опыта выдавите несколько капель воды из пипетки и наблюдайте энергичную реакцию йода с алюминием. Поскольку она идет с выделением тепла, часть йода в виде красивых красно-фиолетовых паров испаряется, что хорошо видно на фоне белого экрана.
П р и м е ч а н и е. Вместо алюминия можно использовать порошок магния (0,3 г магния и 2,5 г йода) или цинка (0,6 г цинковой пыли и 2,5 г йода). Следует также учесть, что если порошковый алюминий и цинк хранились достаточно долго, на их крупинках образовалась гидроксидная пленка и опыт может не получиться. В этом случае рекомендуется заново растереть данные порошки в ступке.
Источник
Расщепление воды с эффективностью 100%: полдела сделано
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).
Источник
Новые технологии разложения воды в США и России
Технологии получения водорода посредством электрохимического разложения воды на её составляющие не стоят на месте. Недавно учёные из Университета Хьюстона обнаружили катализатор, который значительно ускоряет процесс разложения воды на водород и кислород. Катализатор состоит из легкодоступных, недорогих материалов и работает гораздо эффективнее, чем аналогичные материалы. Ознакомившись с данной новостью, наш коллега из РГУ нефти и газа (НИУ) им. И. М. Губкина, в свою очередь, рассказал нам об отечественной разработке в этой сфере, также заслуживающей пристального внимания.
Американские исследователи из Университета Хьюстона обнаружили катализатор, который активно ускоряет реакцию разложения воды на водород и кислород и, в отличие от аналогов, состоит из легкодоступных и недорогих материалов. Для его производства не используются драгоценные металлы, и работает он намного эффективнее, чем известные катализаторы. Такой материал позволил бы решить одну из основных проблем использования воды для производства водорода как одного из наиболее перспективных источников «чистой» энергии.
«Водород — это самый “чистый” энергоноситель, которым мы располагаем на Земле, — говорит Пол Чу (Paul Chu), профессор, заведующий кафедры физики Университета Хьюстона, директор-основатель и руководитель исследовательских работ Техасского центра исследований сверхпроводимости Университета Хьюстона (Texas Center for Superconductivity at UH, TcSUH). — Вода могла бы быть бесконечным источником водорода, если бы мы научились эффективно разрывать прочную химическую связь водорода с кислородом в воде с помощью электрического тока и соответствующего катализатора».
Новый катализатор был получен исследовательской группой Пола Чу при Университете Хьюстона, в которую также входят профессор физики Жифенг Рен (Zhifeng Ren) и доцент Шуо Чен (Shuo Chen), ведущие исследователи TcSUH, научные сотрудники Хайчин Чжоу (Haiqing Zhou) и Фанг Юй (Fang Yu), а также аспиранты Джинджинг Сан (Jingying Sun) и Ран Хей (Ran He).
Катализатор, состоящий из метафосфата железа, в кристаллическом виде выращенного на электропроводящей никелевой подложке, имеющей губчатую структуру, намного более эффективен и дёшев, чем любые аналоги.
«Наш материал позволяет отлично сэкономить, и он намного более эффективен, превосходя имеющиеся катализаторы», — говорит Жифенг Рен, профессор физики Онкологического центра имени М. Д. Андерсона при Университете Хьюстона и ведущий автор статьи о результатах работы исследовательской группы Пола Чу. Катализатор также долговечен, на испытаниях он успешно проработал более 20 часов и выдержал 10 тыс. рабочих циклов. «Некоторые катализаторы обладают выдающимися характеристиками, но они стабильны только один-два часа, — рассказывает Жифенг Рен. — Такие материалы практически бесполезны».
Реакция разложения воды на водород и кислород теоретически очень проста, но на практике она представляет из себя сложный процесс, требующий двух отдельных химических взаимодействий — реакции выделения водорода и реакции выделения кислорода, каждая из которых протекает на отдельном электроде. И, хотя эффективные водородные катализаторы доступны, отсутствие недорогого и действенного кислородного катализатора создаёт учёным значительные трудности в области водородной энергетики.
Водород имеет ряд значительных преимуществ. «Водород, полученный посредством разложения воды электрохимическим процессом “водного электролиза”, считается наиболее экологически безопасным энергоносителем, способным заменить ископаемое топливо и удовлетворить растущий спрос всего человечества на электроэнергию, поскольку вода является одновременно и единственным сырьём, и “продуктом сгорания” — ведь экологичная “водородная энергия” получается путём преобразования этого химического элемента обратно в воду», — поясняют исследователи. При этом, в отличие от солнечной энергии, ветра и других видов «зелёной» энергии, водород относительно легко хранить.
В настоящее время водород получают тремя основными промышленными способами: паровой обработкой угля в специальных газогенераторах, газопаровой конверсией природного газа и электролизом воды, особенно если нужен сверхчистый водород.
При первом способе над раскалённым добела коксом (углём, нагреваемым без доступа кислорода) пропускают водяной пар, при этом из-за высокой температуры атомы водорода в воде замещаются на атомы углерода — образуется смесь угарного газа (CO) и водорода (H2), которую затем разделяют или используют как есть. Во втором случае, также при высокой температуре (около 1000 °C), осуществляется превращение метана с водяным паром, углекислым газом (CO2) или смесью водяного пара и углекислого газа в присутствии катализатора на основе никеля с добавками оксидов магния, алюминия и других металлов, причём образующуюся смесь водорода и угарного газа нужно затем дополнительно обрабатывать водяным паром. Водород также получают как побочный продукт производства хлора и гидроксидов щелочных металлов, которое осуществляется электролизом растворов их хлоридов.
Все эти методы сложны, крайне энергозатратны и связаны с выработкой вредного угарного газа, а также сажи, то есть имеют существенный «углеродный след», несмотря на то, что исходное сырьё в данных процессах сгорает относительно «чисто».
Исследовательница Шуо Чен отмечает, что известные на сегодняшний день катализаторы, ускоряющие реакцию выделения кислорода при электролизе воды, используют благородные металлы — иридий, платину или рутений. Но эти материалы дороги и недоступны.
«В своём исследовании мы обнаружили дешёвый, высокоэффективный и стабильный катализатор, основанный на широко распространённых химических элементах, который поразительным образом превосходит все благородные металлы, — подытоживает Шуо Чен. — Наше открытие может привести к гораздо более экономичному промышленному производству водорода простым электрохимическим разложением (электролизом) воды».
Отметим, что разложение воды на составные элементы может осуществляться и с помощью фотокатализа, который использует силу солнца. Однако прямое воздействие солнца на воду слишком неэффективно, так как вода поглощает лишь небольшую часть спектра солнечного излучения. Шуо Чен поясняет, что в идеале солнечные батареи будут использоваться для выработки электроэнергии, которая вместе с соответствующим катализатором позволит легко и эффективно разлагать воду для получения такого нужного человечеству химического элемента, как водород.
Отечественная технология получения водорода
Рассказывает И. В. Мещерин, к.т.н., доцент кафедры газохимии РГУ нефти и газа им. И. М. Губкина, председатель Комитета по технологическому проектированию в НОПРИЗ, президент Национальной палаты инженеров:
— Известно, что производство водорода в основном осуществляется крупнотоннажными системами с единичной объёмной производительностью в диапазоне 10–100 тыс. Нм³/ч [1]. От 1 до 5 % получаемого водорода находит применение в малотоннажных, наукоёмких отраслях промышленности: электронной, электротехнической, стекольной, фармацевтической, пищевой; выплавке металлов и сплавов высокой чистоты; синтезе химически высокоактивных веществ и других отраслях. Водород является ценным химическим реагентом, и его получение и концентрирование из топливных, остаточных, сбросных газов позволяет значительно повысить экономическую эффективность производства. Водород почти не встречается в природе в чистом виде, но потребление данного газа во всём мире неуклонно растёт. Для производства водорода необходимо специальное оборудование, отличительной чертой которого является компактность и надёжность.
Децентрализованное (то есть малотоннажное) производство водорода требует создания высокоэффективных технологий с уровнем единичной объёмной производительности в диапазоне от 10 до 1000 Нм³/ч [2].
Данный аспект в сегодняшней ситуации может иметь существенное влияние на экономическую эффективность производств, в которых используется водород. В условиях экономического кризиса поиск технологий получения водорода с меньшими затратами является актуальной задачей. В настоящий момент внутрироссийские регулируемые цены на природный газ продолжают оставаться одними из самых низких в мире, даже с учётом более чем двукратного падения цен на природный газ на европейском рынке. Одним из альтернативных решений могут быть технологии получения водорода из природного газа.
Изучение конкретной проблематики производилось сотрудниками кафедры газохимии РГУ нефти и газа (НИУ) имени И. М. Губкина в условиях завода по производству кварцевого стекла — ООО «Технокварц» в городе Гусь-Хрустальный.
Компания ООО «Технокварц» производит водород для производственных нужд с помощью блока электролизёров БЭУ-250, состоящий из шести электролизёров СЭУ-40. Этой производительности достаточно для обеспечения существующего объёма потребления водорода в технологии наплава кварцевого стекла. Целью работы являлся поиск экономически более эффективного метода получения водорода на базе ресурсов завода.
Промышленное производство кварцевого стекла связано с развитием экстремальных процессов со специфическими условиями, главным образом в космической и электронной технике, производстве чистых, особо чистых веществ, редких металлов, высокотемпературных неорганических соединений и т.п.
В результате анализа существующих методов получения водорода был выбран, как наиболее целесообразный, метод паровой конверсии природного газа. При помощи д.т.н., профессора М. Х. Сосны был произведён технологический расчёт блока конверсии для установки получения водорода. Входными данными послужили составы входящих потоков, их объёмы, температуры, давления, доля водяного пара, а также длина реактора, его диаметр и толщина стенки (расчёт реактора в 2016 году выполняла Мария Давыдова, технолог газохимии и магистрантка РГУ нефти и газа им. И. М. Губкина). В результате обработки полученных данных получен материальный баланс процесса (табл. 1), конверсия метана составила 92,6 %. Был также проработан вопрос изготовления реактора из кварцевого стекла.
Ниже приводится эскиз гипотетического мини-, микрореактора проточного типа из кварцевого стекла в горизонтальном исполнении для проведения химических процессов. Основой реактора служит модуль, представленный на рис. 1. Зоны 1 и 2 служат для подачи исходных компонентов, реакционная зона 3 предназначена для размещения катализаторов, нагрева рабочей смеси до температуры реакции, воздействия ВЧ-, ВУФи СВЧизлучения или иного технологического воздействия. Конфигурация зоны 3 может формироваться по требованиям ведения химических реакций. Зона 4 организована как циклон для разделения и закалки продуктов реакции, в том числе и как газовая центрифуга. Единичные модули в расчётном количестве собираются в батарею, как показано на рис. 2. По усмотрению разработчиков промышленные модули могут быть спроектированы и в вертикальном исполнении цилиндрической или иной формы.
Экономическая эффективность достигается за счёт того, что используется относительно недорогой природный газ, по сравнению с дорогой электроэнергией, себестоимость оборудования из кварцевого стекла на 25–40 % меньше, чем из металла.
Возможность развития конкретной технологии и отладки её внутри предприятия открывает новый метод получения водорода для малотоннажных производств. Кроме того, появление нового перспективного ассортимента товарной продукции существенно усовершенствует технологии обработки кварцевого стекла, дополнительно будет способствовать улучшению экономических показателей кварцевого производства.
Поскольку паровая конверсия природного газа в комплексе с аппаратурным оформлением процесса является составной частью синтеза материалов по реакциям Фишера-Тропша, перед ООО «ТехноКварц» возникает перспектива нового направления — изготовление высокоэффективных минии микроканальных кварцевых реакторов для других сегментов отрасли газохимии.
Источник
