§ 24. Применение водорода. Получение водорода в промышленности

Определения и обозначения

Водород как промышленное сырьё и топливо — это вещество, которое используют для получения других продуктов и для выделения энергии. Как сырьё он нужен, например, при производстве аммиака, а как топливо способен сгорать с выделением тепла. Эти два направления важны потому, что водород участвует в химических реакциях и может служить источником энергии.

Конверсия метана — превращение метана природного газа при нагревании с водяным паром. В результате образуются водород и угарный газ. Этот способ позволяет использовать природный газ как исходное сырьё для получения водорода.

Водяной газ — смесь водорода и угарного газа. Её получают, пропуская водяной пар над раскалённым углём. Смесь служит промежуточным продуктом: угарный газ в ней можно превратить в углекислый газ, одновременно получив дополнительный водород.

Электролиз воды — разложение воды электрическим током на водород и кислород. Он позволяет получить водород из воды, но требует затрат электроэнергии. Поэтому этот способ выбирают с учётом доступности электричества и других вариантов получения газа.

Как это устроено

Водород применяют в химическом производстве, потому что он вступает в реакции, необходимые для получения разных веществ. Например, при синтезе аммиака он служит одним из исходных веществ наряду с азотом. В реакциях восстановления водород помогает удалить кислород из некоторых соединений. Его также используют как топливо: при сгорании выделяется тепло, которое можно применять для получения энергии.

При конверсии метана природный газ смешивают с водяным паром и нагревают. Метан реагирует с водой в газообразном состоянии, и образуются угарный газ и водород: CH₄ + H₂O → CO + 3H₂. Дополнительное тепло необходимо, чтобы реакция шла с нужной скоростью. Так из одного вида сырья получают смесь газов, из которой можно выделить водород.

Водяной газ получают, пропуская пар над раскалённым углём: C + H₂O → CO + H₂. Высокая температура нужна, чтобы углерод угля вступал в реакцию с водой. Получается смесь, а не чистый водород, поэтому для дальнейшего использования её обрабатывают. Этот способ позволяет использовать уголь как исходное сырьё.

Чтобы получить из водяного газа больше водорода, угарный газ в смеси соединяют с водяным паром. При этом возникают углекислый газ и водород: CO + H₂O → CO₂ + H₂. Удаление угарного газа важно не только ради дополнительного водорода: состав смеси меняется, и её можно подготовить к последующим стадиям очистки. Такая реакция применяется и после конверсии метана.

Для промышленного получения водорода используют разные источники: природный газ, уголь или воду. Выбор зависит от того, какое сырьё доступно, какие установки есть на производстве и сколько стоит энергия. Электролиз разлагает воду на водород и кислород: 2H₂O → 2H₂ + O₂. Однако на этот процесс требуется электрический ток, поэтому его расход и цена влияют на экономичность метода.

Промышленное получение водорода

Сначала определите, какое сырьё подают в процесс, затем прочитайте уравнение и проследите, какие вещества образуются. Так видно, где получается водород сразу, а где сначала формируется газовая смесь. Последний столбец помогает сравнить условия и ограничения способов.

Разбор задач

Задача 1. Применение водорода

Укажите два применения водорода в промышленности и поясните, почему для каждого нужен именно водород. Нужно привести разные примеры и связать каждый с ролью вещества или его свойством. Не достаточно просто перечислить названия производств: пояснение должно показать, что делает водород.

1. Назовём производство аммиака. Водород здесь является исходным веществом и соединяется с азотом, поэтому без него реакция получения аммиака невозможна.
2. Второе применение — реакции восстановления. Водород может участвовать в удалении кислорода из некоторых соединений, поэтому его используют для получения нужных веществ.
3. Можно также указать применение в качестве топлива: при сгорании водорода выделяется тепло. Это иной пример, потому что здесь важна не роль сырья, а получение энергии.

Ответ: водород нужен для производства аммиака как исходное вещество и для реакций восстановления благодаря способности участвовать в превращениях соединений. Его также можно использовать как топливо, поскольку при сгорании выделяется тепло.

Задача 2. Конверсия метана

Запишите уравнение реакции метана с водяным паром: CH₄ + H₂O → CO + H₂. Расставьте коэффициенты. Сначала сравните число атомов каждого элемента слева и справа, а затем подберите коэффициенты, не меняя формулы веществ.

1. Слева один атом углерода, поэтому перед CO коэффициент равен 1. Справа также один атом кислорода, как и слева в H₂O.
2. Слева всего шесть атомов водорода: четыре в CH₄ и два в H₂O. В одной молекуле H₂ содержится два атома водорода, значит, справа нужно поставить коэффициент 3.
3. Проверим: углерода по одному, кислорода по одному, водорода по шесть с каждой стороны. Следовательно, коэффициенты подобраны верно.

Ответ: CH₄ + H₂O → CO + 3H₂.

Задача 3. Реакция угарного газа с паром

При взаимодействии угарного газа с водяным паром образуются углекислый газ и водород. Запишите и уравняйте реакцию, затем определите, сколько молекул водорода образуется из одной молекулы угарного газа. Для этого нужно проверить баланс атомов и прочитать коэффициенты готового уравнения.

1. Запишем формулы реагентов и продуктов: CO + H₂O → CO₂ + H₂. На левой стороне два атома кислорода: один в CO и один в H₂O.
2. Справа в CO₂ тоже два атома кислорода, а водорода по два атома с каждой стороны. Уравнение уже уравнено, все коэффициенты равны 1.
3. Отношение коэффициентов CO и H₂ составляет 1:1. Значит, одной молекуле угарного газа соответствует одна молекула водорода.

Ответ: CO + H₂O → CO₂ + H₂; из одной молекулы CO образуется одна молекула H₂.

Типичные ошибки

Считать, что водород получают только электролизом, неверно: в промышленности его получают и при переработке природного газа и угля. Такое заблуждение возникает, если помнить только школьный опыт разложения воды током. Проверка простая: сравните несколько способов и их исходное сырьё, а не сводите получение газа к одной реакции.

Водяной газ — не то же самое, что водяной пар. Пар — это вода в газообразном состоянии, а водяной газ представляет собой смесь водорода и угарного газа. Путаница возникает из-за похожих названий; чтобы проверить себя, назовите состав вещества или смеси.

В уравнении реакции метана с паром нельзя оставлять число молекул водорода непроверенным. Если записать CH₄ + H₂O → CO + H₂, справа будет два атома водорода вместо шести слева. Такое уравнение нарушает закон сохранения атомов; пересчитайте каждый элемент и получите CH₄ + H₂O → CO + 3H₂.

Электролиз не всегда выгоднее других способов, даже если исходное вещество — вода. Ошибка в том, чтобы оценивать метод только по доступности сырья и не учитывать затраты электроэнергии. Сравнивайте, сколько энергии требуется и какие источники сырья доступны конкретному производству.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны знания о составе и свойствах водорода, а также умение составлять уравнения реакций. При расстановке коэффициентов важно следить, чтобы число атомов каждого элемента слева и справа совпадало. Этот навык помогает проверять реакции конверсии метана и превращения угарного газа.

Получение водорода связано с производством аммиака: газ служит важным исходным веществом для его синтеза. Реакции восстановления показывают ещё одну область применения водорода. А сравнение способов его получения помогает разобраться в теме топлива, сырья и источников энергии.

Что запомнить

• Водород используют как химическое сырьё и как топливо.
• Одно из важнейших применений водорода — производство аммиака.
• В промышленности водород получают, в частности, из природного газа и угля.
• При конверсии метана с водяным паром образуются угарный газ и водород.
• Угарный газ можно превратить в углекислый газ с получением дополнительного водорода.
• Электролиз воды — один из способов получения водорода, требующий затрат электроэнергии.