§ 24. Применение водорода. Получение водорода в промышленности

Определения и обозначения

Водород как промышленное сырьё — это водород, который используют для получения других веществ и материалов. Его производят в больших количествах, потому что он нужен множеству отраслей, в том числе для синтеза аммиака и хлороводорода. Сырьё превращают в нужные продукты в ходе химических реакций, поэтому водород важен не только как самостоятельный газ.

Конверсия метана — промышленный способ получения водорода из метана природного газа при взаимодействии с водяным паром. В результате реакции образуются водород и угарный газ, а дальнейшая обработка смеси позволяет получить больше водорода. Этот способ важен там, где доступен природный газ.

Газификация угля — превращение угля в газовую смесь при его взаимодействии с водяным паром. В смеси есть водород, но также присутствуют другие газы, поэтому продукт требуется обрабатывать. Способ позволяет использовать уголь как сырьё для получения водородсодержащего газа.

Электролиз воды — разложение воды на водород и кислород с помощью электрического тока. Для процесса нужны вода и электрическая энергия, а газы получают раздельно. Так можно получить водород без использования природного газа или угля, но затраты зависят от стоимости электричества.

Как это устроено

В химической промышленности водород служит исходным веществом для производства аммиака, хлороводорода и других соединений. Он нужен потому, что его атомы входят в состав этих веществ и участвуют в их образовании. Например, аммиак получают реакцией азота с водородом: без подачи H₂ синтез невозможен. Поэтому производство водорода связано с обеспечением работы целых химических производств.

При гидрировании молекулы водорода присоединяются к другим веществам. Это используют, например, при переработке растительных масел: присоединение водорода меняет свойства масла и помогает получить продукт с нужной консистенцией. Водород выбирают для такой реакции именно потому, что он способен вступать в химическое соединение с исходным веществом. Гидрирование — это способ изменить состав и свойства продукта, а не просто смешать его с газом.

В металлургии водород используют как восстановитель — вещество, которое помогает получить металл из некоторых его оксидов. Он связывает кислород оксида, и при реакции образуется вода; металл остаётся в свободном виде. В энергетике водород применяют как топливо: при его сгорании выделяется энергия и образуется вода. Однако экологический результат зависит от того, как водород произвели и не сопровождалось ли это выбросами.

При конверсии метана природный газ смешивают с водяным паром и проводят реакцию при высокой температуре. Уравнение первой стадии: CH₄ + H₂O → CO + 3H₂. Затем угарный газ реагирует с дополнительным паром: CO + H₂O → CO₂ + H₂, поэтому количество водорода увеличивается. После этого из газовой смеси удаляют углекислый газ и другие примеси, чтобы выделить водород; конкретные условия зависят от промышленной установки.

Газификация угля и электролиз воды различаются исходным сырьём: в первом случае это уголь и пар, во втором — вода и электрическая энергия. В обоих процессах получают газ, содержащий H₂, но при электролизе вода разлагается на водород и кислород: 2H₂O → 2H₂ + O₂. Выбор способа зависит от доступности сырья, стоимости энергии и оборудования, а также от требований к чистоте продукта. Поэтому нельзя считать, что водород всегда выгоднее получать одним и тем же методом.

Промышленные способы получения водорода

Сначала по таблице сравни сырьё: это помогает понять, какой процесс вообще возможен на конкретном производстве. Затем оцени, что именно происходит с сырьём и какие дополнительные стадии нужны для получения чистого водорода. Наконец, учитывай стоимость и доступность ресурсов: одного уравнения реакции для выбора промышленного способа недостаточно.

Разбор задач

Задача 1. Запишите уравнение реакции магния с соляной кислотой и найдите количество водорода, образовавшегося из 2 моль магния при избытке кислоты. Сначала нужно определить продукты: металл с кислотой образует соль и водород. Затем коэффициенты уравнения покажут, сколько вещества H₂ соответствует магнию.

1. Записываем и уравниваем реакцию: Mg + 2HCl → MgCl₂ + H₂.
2. По коэффициентам 1 моль Mg даёт 1 моль H₂. Кислота в избытке, поэтому магний полностью реагирует.
3. Для 2 моль Mg получаем n(H₂) = 2 моль × 1/1 = 2 моль.

Ответ: уравнение Mg + 2HCl → MgCl₂ + H₂; образуется 2 моль водорода.

Задача 2. При конверсии метана водяным паром образуются угарный газ и водород. Найдите объём H₂ из 10 л CH₄ при одинаковых условиях. Сначала нужно уравнять реакцию, а затем использовать соотношение объёмов газов: при одинаковых условиях оно соответствует коэффициентам в уравнении.

1. Уравнение реакции: CH₄ + H₂O → CO + 3H₂.
2. На 1 объём метана образуются 3 объёма водорода.
3. Следовательно, V(H₂) = 10 л × 3 = 30 л.

Ответ: теоретически получится 30 л водорода.

Задача 3. Для получения 100 моль H₂ сравните теоретическое количество метана и воды по уравнению конверсии. Коэффициенты показывают, что на каждый моль метана расходуется по одному молю воды, а образуется три моля водорода. Поэтому можно рассчитать расход сырья, но для оценки реального производства одного уравнения недостаточно.

1. Уравнение: CH₄ + H₂O → CO + 3H₂.
2. Для 100 моль H₂ требуется n(CH₄) = 100/3 ≈ 33,3 моль.
3. По соотношению CH₄:H₂O = 1:1 необходимо n(H₂O) ≈ 33,3 моль.
4. Чтобы оценить реальный выход, нужны данные о полноте превращения, потерях при очистке и условиях процесса.

Ответ: теоретически расходуется около 33,3 моль метана и 33,3 моль воды; для практического расчёта нужны данные о выходе и потерях.

Типичные ошибки

Ошибка — считать водород только топливом и забывать о его роли химического сырья. Так бывает, потому что примеры использования водорода в энергетике легко представить, а промышленный синтез менее заметен. Проверь себя: назови хотя бы один продукт, который получают с участием H₂, например аммиак.

Нельзя путать применение водорода с его получением. Перечень способов производства не объясняет, для чего нужен газ, а описание топлива не отвечает на вопрос, откуда его берут. Проверка простая: отдельно назови отрасль или задачу, где водород применяют, и отдельно — процесс, которым его производят.

При записи формулы простого вещества водорода нельзя писать H вместо H₂. Символ H обозначает атом водорода, а молекула простого вещества состоит из двух таких атомов. Из-за этой путаницы получают неверные уравнения и расчёты; проверь, что в формулах газа и продуктов стоит индекс ₂.

Неверно утверждать, что промышленный водород получают только электролизом воды. Этот способ известен по разложению воды током, поэтому его легко принять за единственный, но метан и уголь тоже служат сырьём для водородсодержащих газов. Чтобы проверить себя, сравни исходные вещества и не смешивай разные промышленные процессы.

Связь с другими темами

Для изучения темы нужны формулы простых веществ и умение составлять уравнения реакций: без этого нельзя определить состав продукта и соотношение реагентов. В задачах пригодятся понятия количества вещества и молярного объёма газа, а также расчёты по коэффициентам уравнения. Эти навыки помогают перейти от химической реакции к расходу сырья и объёму продукта. Тема связана с производством аммиака, окислительно-восстановительными реакциями и обсуждением перспектив водородной энергетики.

Что запомнить

• Водород используют и как сырьё, и как восстановитель, и как топливо.
• Для синтеза аммиака необходим водород.
• Один из основных промышленных способов получения водорода — конверсия метана водяным паром.
• Водородсодержащий газ можно получать газификацией угля.
• Электролиз воды позволяет получить водород и кислород.
• Выбор промышленного способа зависит от доступности сырья, затрат и условий производства.