Как можно собрать водород в сосуд: Получение водорода и кислорода — урок. Химия, 8 класс.

Содержание

Как получают водород в промышленности: способы выделения

Водород считается одним из наиболее ценных видов сырья для синтеза аммиака и производства полимеров и нефтехимии. Он используется для получения твердых жиров из масел растительного происхождения. Из-за высокой химической активности вещество в чистом виде практически не встречается в природе. Основные источники для получения водорода в промышленности — метан, содержащийся в природном газе, и вода. Специалисты отмечают также перспективность разделения попутных газов коксового производства, которые на большинстве предприятий сжигаются.

Способы выделения водорода из соединений

Самые распространенные способы получения водорода в промышленности:

паровая конверсия метана и его гомологов;
газификация кокса;
электролитическое разложение воды.

Особенности работы оборудования для получения водорода

Метановый конвертор

Оборудование для получения водорода в промышленности методом паровой конверсии имеет сложную конструкцию и компоновку. В его состав входят парогенератор, компрессорная станция, подогревающая установка, конверторы метана и угарного газа. Система подключена к подающей магистрали и потребителям. Извлечение водорода происходит при температуре до 1000° C под избыточным давлением и в присутствии катализатора. Перед этим сырье подогревается, очищается от серосодержащих примесей и перемешивается с водяным паром.

Восстановление водорода происходит в два этапа.

После первой ступени конверсии продукт содержит до 10% метана, для разложения которого в смесь вводят атмосферный воздух.

В конце процесса водород очищают от кислорода и оксидов углерода, а избыточное тепло направляют в котел-утилизатор для производства водяного пара.

Процесс полностью замкнут и энергетически независим, но требует применения сложных схем контроля. Несмотря на недостатки, большую часть водорода в промышленности получают как раз этим способом.

Установка газификации кокса

Технология заключается в пропускании перегретого водяного пара через слой кокса, каменного или бурого углей при температуре свыше 1000° C без доступа кислорода. Полученная смесь водорода и окиси углерода обрабатывается водяным паром. Один из наиболее перспективных способов применения продуктов газификации угля — сжигание на тепловых электростанциях, поскольку современные установки отчаются высокой производительностью, сравнительно низкой себестоимостью конечного продукта и способны работать в непрерывном режиме.

Электролизеры

При помощи электролитических установок водород получают как в промышленности, так и для коммерческого использования. На рынке присутствует оборудование разной производительности, а сырьем служит обычная вода. Установка представляет собой сосуд с раствором щелочи или средней соли, в который погружены два электрода. При пропускании постоянного тока на катоде выделяется водород. Вторичный продукт реакции — кислород — также используется для решения технологических задач. Доочистка позволяет получить на выходе технически и химически чистый водород. Электролизер с вспомогательным оборудованием для водоподготовки и осушения размещается на небольшой площади. Многие производители предлагают мобильные моноблочные и контейнерные установки.

Среди всех способов получения водорода в промышленности электролитический считается наиболее экологичным. Единственный его условный недостаток — зависимость от качества сети питания.

У вас остались вопросы?

Оставьте заявку на бесплатную консультацию у наших менеджеров!

Нажимая кнопку, Вы даете согласие на обработку персональных данных.

ГДЗ к учебнику ХИМИЯ 8 КЛАСС Еремина В.В. Кузьменко Н.Е. Дроздова А.А. Лунина В.В. §21 Водород РЕШЕБНИК ОТВЕТЫ » Крутые решение для вас от GDZ.cool

ГДЗ к учебнику ХИМИЯ 8 КЛАСС Еремина В.В. Кузьменко Н.Е. Дроздова А.А. Лунина В.В. §21 Водород РЕШЕБНИК ОТВЕТЫ

Другие задания смотри здесь…

Красным цветом приводится решение, а фиолетовым ― объяснение.

Задание 1

Сравните распространённость водорода и кислорода:
а) в земной коре;
Кислород самый распространённый химический элемент в земной коре. На долю атомов кислорода приходится около половины (47%) массы земной коры, а на долю атомов водорода всего 1%.
б) во Вселенной.
Водород самый распространённый химический элемент во Вселенной. На долю атомов водорода приходится около 74% массы Вселенной, а на долю атомов кислорода менее 1%.

Задание 2
В состав каких веществ входят и водород, и кислород? В состав воды, спиртов, углеводов, органических кислот.

Задание 3
Водород ― самый распространённый элемент не только во Вселенной, но и в живых организмах. В виде каких соединений он входит в их состав? В виде воды, кислот, углеводов, белков, жиров.

Задание 4
Как вы объясните тот факт, что в воздухе водород практически отсутствует, в то время как верхние слои земной атмосферы содержат заметное количество этого газа? Водород ― самый легкий газ (имеет самую низкую плотность), поэтому в воздухе он практически отсутствует, и сосредоточен в верхних слоях земной атмосферы.

Задание 5
Почему число атомов водорода во Вселенной непрерывно уменьшается? Водород – «топливо» для звёзд, в результате термоядерных реакций водород превращается в более тяжёлые элементы (в основном в гелий), поэтому число атомов водорода во Вселенной непрерывно уменьшается.

Задание 6
Рассчитайте массовую долю водорода в воде.
M_r(H₂O)=2•A_r(H)+A_r(O)=2•1+16=18
ω(H)=2•A_r(H):M_r(H₂O)=2•1:18=11,1%

Задание 7
Найдите массу воды, содержащей 1 кг атомов водорода.
Дано: m(H)=1 кг
Найти: H₂O-?
Решение
1-й способ
M_r(H₂O)=2•A_r(H)+A_r(O)=2•1+16=18

ω(H)=2•A_r(H):M_r(H₂O)=2•1:18=11,1%
m(H₂O)=(m(H):ω(H))•100%=(1 кг : 11,1%) • 100%=9 кг
2-й способ
M_r(H₂O)=2•A_r(H)+A_r(O)=2•1+16=18
Массу воды рассчитываем с помощью пропорции:
в 18 г H₂O содержится 2 г атомов H, а
в x г H₂O― 1000 г атомов H
18 г : x г = 2 г : 1000 г, отсюда
х=18 г • 1000 г : 2 г = 9000 г=9 кг
Ответ: m(H₂O)=9 кг

Задание 8
Сравните физические свойства водорода и кислорода.

Свойства вещества	водород	кислород
Агрегатное состояние Цвет Запах Плотность относительно воздуха Растворимость в воде Температура плавления Температура кипения	Газ Бесцветный Без запаха Легче Не растворим -259°C -253°C	Газ Бесцветный Без запаха Тяжелее Не растворим -218°C Т -183°C

Задание 9
Как можно собрать водород в сосуд? Предложите два способа. Вытеснением воздуха и над водой.
На каких физических свойствах водорода они основаны? Способ вытеснением воздуха основан на плотности, в частности водород легче воздуха, а способ над водой ― на плохой растворимости водорода в воде.

Задание 10
Почему резиновый шарик, наполненный водородом, через некоторое время сдувается, даже если он был прочно завязан? Благодаря маленькому радиусу молекулы водорода могут проходить через резину.

Другие задания смотри здесь…

Хранение водорода | Департамент энергетики

Управление технологий водорода и топливных элементов

Управление по технологиям водорода и топливных элементов (HFTO) разрабатывает бортовые автомобильные системы хранения водорода, которые обеспечивают запас хода более 300 миль при соблюдении требований по стоимости, безопасности и производительности.

Зачем изучать хранение водорода

Хранение водорода является ключевой технологией, позволяющей продвигать технологии использования водорода и топливных элементов в приложениях, включая стационарные источники энергии, портативные источники питания и транспорт. Водород имеет самую высокую энергию на массу любого топлива; однако его низкая плотность при температуре окружающей среды приводит к низкой энергии на единицу объема, поэтому требуется разработка передовых методов хранения, которые могут обеспечить более высокую плотность энергии.

Как работает хранилище водорода

Водород может храниться физически в виде газа или жидкости. Для хранения водорода в виде газа обычно требуются резервуары высокого давления (давление в резервуаре 350–700 бар [5 000–10 000 фунтов на кв. Дюйм]). Хранение водорода в виде жидкости требует криогенных температур, потому что температура кипения водорода при давлении в одну атмосферу составляет -252,8°C. Водород также может храниться на поверхности твердых тел (путем адсорбции) или внутри твердых тел (путем абсорбции).

Цели исследований и разработок

HFTO проводит исследования и разработки для усовершенствования технологий систем хранения водорода и разработки новых материалов для хранения водорода. Цель состоит в том, чтобы обеспечить адекватное хранение водорода для выполнения целей Министерства энергетики США (DOE) по хранению водорода для бортовых автомобилей малой грузоподъемности, погрузочно-разгрузочного оборудования и портативных источников энергии.

К 2020 году HFTO стремится разработать и проверить бортовые автомобильные системы хранения водорода, достигнув целей, которые позволят платформам транспортных средств, работающих на водороде, соответствовать ожиданиям клиентов в отношении дальности полета, пассажирского и грузового пространства, времени дозаправки и общей производительности автомобиля. Конкретные цели системы включают следующее:

1,5 кВтч/кг системы (4,5 мас.% водорода)
Система 1,0 кВтч/л (0,030 кг водорода/л)
10 долларов США/кВтч (333 доллара США/кг запаса водорода).

Совместный инженерный центр по хранению водорода проводит аналитические мероприятия для определения текущего состояния технологий систем хранения на основе материалов.

Консорциум передовых исследований водородных материалов (HyMARC) проводит фундаментальные исследования для понимания взаимодействия водорода с материалами в связи с образованием и выделением водорода из материалов для хранения водорода.

Ссылки по ссылкам содержат подробную информацию о деятельности по хранению водорода, финансируемой Министерством энергетики.

Проблемы

Распределение продаж легковых автомобилей в США в 2010 г. по дальности пробега.

Сравнение удельной энергии (энергии на единицу массы или гравиметрической плотности) и плотности энергии (энергии на единицу объема или объемной плотности) для нескольких видов топлива на основе более низкой теплотворной способности.

Хранение водорода с высокой плотностью является проблемой для стационарных и портативных приложений и остается серьезной проблемой для транспортных приложений. Доступные в настоящее время варианты хранения обычно требуют систем большого объема, которые хранят водород в газообразной форме. Это не так важно для стационарных приложений, где площадь резервуаров со сжатым газом может быть менее критической.

Однако транспортным средствам на топливных элементах требуется достаточное количество водорода, чтобы обеспечить запас хода более 300 миль с возможностью быстрой и легкой дозаправки транспортного средства. В то время как на рынке появилось несколько легких электромобилей на водородных топливных элементах (FCEV), которые способны работать в этом диапазоне, эти автомобили будут полагаться на бортовое хранилище сжатого газа с использованием композитных сосудов высокого давления большого объема. Требуемые большие объемы хранения могут иметь меньшее значение для более крупных транспортных средств, но обеспечение достаточного хранения водорода на всех платформах малой грузоподъемности остается проблемой. Важность цели по запасу хода в 300 миль можно оценить, взглянув на диаграмму распределения продаж по запасу хода на этой странице, которая показывает, что большинство автомобилей, продаваемых сегодня, способны превысить этот минимум.

В пересчете на массу водород почти в три раза превосходит по энергии бензин: 120 МДж/кг водорода против 44 МДж/кг бензина. Однако с точки зрения объема ситуация обратная; жидкий водород имеет плотность 8 МДж/л, тогда как бензин имеет плотность 32 МДж/л, как показано на рисунке, сравнивающем плотность энергии топлива на основе более низкой теплотворной способности. Бортовые емкости для хранения водорода в размере 5–13 кг водорода потребуются для обеспечения запаса хода для всего спектра платформ малотоннажных транспортных средств.

Чтобы преодолеть эти проблемы, HFTO следует двум стратегическим направлениям, нацеленным как на краткосрочные, так и на долгосрочные решения. Ближайший путь сосредоточен на хранении сжатого газа с использованием усовершенствованных сосудов под давлением из композитных материалов, армированных волокном, которые способны достигать давления 700 бар, с основным акцентом на снижение стоимости системы. Долгосрочный путь сосредоточен как на (1) хранении холодного или криосжатого водорода, где повышенная плотность водорода и изолированные сосуды под давлением могут позволить достичь целей Министерства энергетики, так и (2) технологиях хранения водорода на основе материалов, включая сорбенты, химические вещества. материалы для хранения водорода и гидриды металлов, свойства которых могут соответствовать требованиям Министерства энергетики США по хранению водорода.

База данных материалов для хранения водорода

HFTO размещает базу данных материалов для хранения водорода, чтобы поддерживать продвижение исследований и разработок в области материалов для хранения водорода.

Технические задачи по хранению водорода

Загрузите раздел «Хранение водорода» Многолетнего плана исследований, разработок и демонстраций HFTO, чтобы получить полную информацию о технических целях, или просмотрите отдельные таблицы целей для:

Автомобильные приложения
Погрузочно-разгрузочные работы
Портативные силовые установки

Связанная федеральная деятельность

ARPA-E MOVE (Возможности метана для автомобильной энергетики)

Пять уроков о водороде в качестве судового топлива

Зеленый водород может сыграть решающую роль на пути морской отрасли к обезуглероживанию. Произведенный путем электролиза, h3 не содержит выбросов углерода и в будущем может быть широко доступен по всему миру — в качестве судового топлива или ключевого компонента синтетического топлива. Многие в судоходстве признают потенциал водорода, но препятствия для внедрения технологии h3 значительны. Под руководством DNV консорциум из 26 партнеров и наблюдателей объединился в рамках совместного проекта развития MarHySafe (JDP) для решения проблем, связанных с водородными операциями: безопасность и правила. Завершив этап 1, консорциум опубликовал Справочник по судам, работающим на водороде, который создает дорожную карту для безопасных операций с водородом с использованием топливных элементов. Справочник будет постоянно обновляться по мере продвижения второго этапа MarHySafe. Вот пять уроков, извлеченных на данный момент.

Пробелы в знаниях: необходимо больше испытаний по аспектам безопасности обращения с водородом, его хранения и бункеровки

Тестирование и моделирование необходимо точно настроить с учетом уникальных свойств водорода и соображений безопасности. Существуют неопределенности в отношении поведения криогенного водорода (Lh3), а также пороговых значений, при которых происходят детонации. «Эксперименты с криогенным (жидким) водородом, проведенные по заказу Норвежского управления автомобильных дорог и в Исследовательско-испытательном центре DNV Spadeadam в Великобритании, дали ценные результаты для руководства», — говорит Асмунд Хузер, старший главный специалист по количественному анализу в ДНВ.

«Эти эксперименты предоставили важные знания о том, как Lh3 ведет себя в сценариях утечки в типичной конструкции корабля с закрытыми помещениями и во время бункеровки Lh3, давая уверенность в смягчающих мерах при проектировании морских водородных устройств», — говорит Кольбьорн Берге, руководитель отдела по охране окружающей среды. Судоходные инновации и новые технологии в Морском управлении Норвегии.

Ключевым выводом является то, что будущее моделирование должно лучше учитывать риск детонации в случае утечки. «Высокоскоростной струйный выброс водорода в большом помещении, например, может не распространяться равномерно. Такой неоднородный выброс может привести к образованию концентрированных карманов h3, которые имеют более высокий риск детонации. Чтобы избежать этого, нам нужны строгие меры безопасности», — объясняет Асмунд Хузер. Какого размера и планировки должны быть эти помещения? Где должны располагаться вентиляторы, вентиляционные шахты или датчики? Вот некоторые из конструктивных соображений, которые могут иметь большое значение в случае утечки. Когда эта отрасль расширится, потребуются специальные крупномасштабные испытания.

На этом рисунке показано, что необходимо учитывать при внедрении новых технологий в судоходстве.

Безопасность: уникальные свойства водорода сильно отличают его от природного газа.

Опыт работы с природным газом может быть очень полезен для запуска водородных операций в судоходстве. Но между этими разными типами топлива есть существенные различия, и бортовые конфигурации, работающие на природном газе, могут стать опасными для использования на водороде. Это связано с уникальными свойствами водорода: h3 — самый легкий из всех атомов, что затрудняет его удержание, и он может охрупчивать материалы, которые можно было бы безопасно использовать с природным газом. Например, для водорода требуются определенные типы стали и сварные соединения, а не фитинги. H3 также легче воспламеняется, чем природный газ, и имеет более широкий диапазон воспламеняемости. «Большая часть водородных технологий, которые мы ожидаем увидеть на борту кораблей, уже использовалась в других приложениях, таких как автомобили, грузовики и другие виды наземного транспорта и хранения. Итак, нам не нужно начинать с нуля. Некоторые из проблем включают в себя адаптацию этой технологии к морской среде и обеспечение ее безопасного использования в различных условиях окружающей среды, на небольших пространствах и когда эвакуация персонала не может быть такой же простой, как на суше», — говорит Герд Петра Хаугом, главный консультант Environment Advisory в DNV и руководитель проекта фазы I для MarHySafe.

Топливная система: по возможности используйте водород в чистом виде.

Питание судов водородом может осуществляться с помощью двигателей внутреннего сгорания, смешивания водорода с другими видами топлива или хранения его в жидком органическом растворе или в виде аммиака. Самый распространенный и экологичный способ получения энергии из h3 — это использование водородных топливных элементов. Это также то, на чем сосредоточился проект MarHySafe. Каждый этап преобразования энергии в цепочке создания стоимости представляет собой потери энергии. Это делает водород особенно актуальным в качестве расширителя диапазона и дополнения для вариантов использования в прибрежных и каботажных перевозках, когда решения с использованием аккумуляторов невозможны или неосуществимы, например, из-за нехватки мощности местной сети. Непосредственное использование водорода, когда это возможно, может снизить потери энергии, происходящие в процессе преобразования водорода в другие виды топлива, и является предпочтительным вариантом для внедрения цепочек создания стоимости с нулевым уровнем выбросов.

Новые применения водорода в судоходстве в настоящее время должны пройти процесс альтернативного проектирования.

Новые водородные приложения в судоходстве в настоящее время должны пройти процесс альтернативного проектирования.

Структура: процесс альтернативного дизайна в настоящее время является лучшим подходом.

Процесс альтернативного проектирования представляет собой основанный на оценке рисков процесс утверждения новых конструкций судов, которые не могут быть утверждены в соответствии с текущими предписывающими правилами и нуждаются в оптимизации безопасности. Этот процесс соответствует главе II-2 СОЛАС и описан в Руководстве ИМО по утверждению альтернатив и эквивалентов (MSC. 1/Circ. 1455). Утверждение оценивается в соответствии с целями и функциональными требованиями Международного кодекса безопасности для судов, использующих газы или другие виды топлива с низкой температурой вспышки (Кодекс IGF, часть A). «Процесс альтернативного проектирования требует значительных усилий со стороны проектов, ведущих разработку технологий. Владельцы проекта должны активно демонстрировать, как риски и последствия проектирования управляются путем применения проектирования, основанного на рисках, вместо того, чтобы демонстрировать пассивное соблюдение предписывающих правил. Это может показаться трудным, но это лучший инструмент, который у нас есть в настоящее время, чтобы помочь материализовать проекты», — говорит Моника Альварес Кардозо, старший инженер по трубопроводным системам и альтернативным видам топлива в DNV Maritime. «Водород — это новая технология в новой среде, поэтому для обеспечения безопасности персонала, активов и окружающей среды необходим процесс проектирования с учетом рисков». В справочнике MarHySafe подробно рассматривается процесс альтернативного проектирования, предлагаются интерпретации, соответствующие различным ожиданиям государств флага, и даются рекомендации о том, как максимально эффективно выполнять требования.

«Одной из наших главных целей в MarHySafe JDP является создание фундамента знаний, которые можно использовать для разработки правил для водорода в будущем», — говорит Герд Петра Хаугом. В настоящее время существует слишком много пробелов в знаниях для разработки правил, «но чем больше мы знаем, тем ближе мы подходим к изменению этого положения. На этапе II мы начнем вносить предложения по ранним требованиям».

Реализация: расширение операций с водородом будет сложной задачей

Перенос водорода в качестве топлива из наземных приложений в морские — немалый подвиг. С учетом нормативно-правовой базы ИМО, правил класса и различных интерпретаций со стороны государств флага и портов ориентироваться в нормативно-правовой среде, мягко говоря, сложно.