Распространенность и получение водорода. Водородная энергетика

Водород – самый распространенный элемент космоса: составляет до половины массы звезд (в том числе Солнца); некоторые планеты (Сатурн, Юпитер) почти полностью образованы им. И на Земле водорода много – четвертое место после O, Si, Al. Его кларк в природе, т.е. молярная доля среди других элементов, 3%. (Термин «кларк» введен в честь ученого Кларка, который впервые оценил распространенность элементов в земной коре.)

Однако в виде простого вещества водород встречается редко (см. выше):

содержится в нефтяных и горючих газах, присутствует в виде включений в некоторых минералах.

Основные формы нахождения водорода в природе – это вода, углеводороды⁹и т.п., в которых Н имеет наиболее характерную для него степень окисления (ст.ок.) (+1), что и определяет промышленные способы синтеза H₂ .

Получить простое вещество из сложного в зависимости от знака ст.ок. целевого элемента можно окислением или восстановлением. Эти процессы осуществляют либо химическим, либо электрохимическим методом, а также термическим разложением соединений. Последнее при синтезе водорода оказывается слишком энергоемким. Например, температура началаразложения воды: 2H₂O→ 2H₂ + O₂ , около 2000⁰С.

Дешевле восстанавливатьH₂из воды с помощью угля, электротока и др. Предлагается технология получения H₂ , в которой в качестве восстановителей кроме угля используется и оксид железа(II). Ее схема:

H₂O+ C= CO+ H₂ ,

2Fe₃O₄ + CO+ H₂ = 6FeO+ CO₂ + H₂O, 6FeO+ 2H₂O= 2Fe₃O₄ + 2H₂ .

Другой способ получения водорода, который может быть перспективным, – осуществление термохимическогоцикла, который включает стадию электролиза (с выделением водорода на катоде и окислением сернистого газа на аноде):

SO2 + 2H2O⎯⎯электролиз⎯⎯⎯→H2 + H2SO4 .

(При этом требуется в 7 раз меньшая по величине разность потенциалов на электродах, чем при электролизе воды, за счет большой восстановительной способности SO₂даже в кислой среде: E⁰ (SO¹⁰₄⁻ /SO²₃⁻)= 0,17 В, а E⁰ (O₂ /H₂O)= 1,23 В.) Затем образовавшаяся в анодном пространстве серная кислота подвергается термолизу при сравнительно невысокой температуре (и т.о. цикл замыкается):

H₂SO₄ ⎯⎯⁸⁰⁰⎯^o⎯^C → SO₂ + H₂O+ 1 / 2O₂ ,

Как перспективные методы синтеза H₂предлагаются такжетермолизприродных углеводородов²или их разложение вплазменныхустановках.

В настоящее время наиболее дешевым способом получения водорода (в 3 раза дешевле электролиза воды) является конверсияметана водяным паром в присутствии никелевого катализатора, однако этот процесс высокотемпературный (как и предыдущие) и, кроме того, создает проблему отделения и утилизации углекислого газа.

Поэтому продолжаются поиски более эффективных способов получения водорода, в частности, разрабатываются методы разложения воды под действием солнечной энергии (фотолиз) в присутствии катализаторов (например, на основе диоксида титана); ученые делают также попыткигенетическогоизменения растений, чтобы интенсифицировать выделение ими водорода (при дыхании).

Эти задачи злободневны, ибо водород не только незаменимый реагент во многих технологиях, но и из всех энергоносителей максимально отвечает требованиям, предъявляемым к современному топливу:

1). Большие запасы. Запасы водорода на Земле в виде воды практически неисчерпаемы, поскольку при его сгорании они восполняются (возобновляемый ресурс);

2). Значительныйтепловой эффектсгорания в расчете на единицу массы:∆H_f (H₂O)= −242 кДж/моль, а моль H₂это всего 2 г топлива; причем наиболее эффективным способом сжигания водорода считается каталитическое окисление его кислородом в топливном элементе [3] с передачей образующейся электрической энергии, например, электродвигателю автомобиля.

3). Безопасность и компактность хранения. Это можно обеспечить, если, например, растворять водород в специальных сплавах (в частности, полученных на основе титана и железа). При небольшом нагревании водород выделяется из сплава, причем частично в атомарном состоянии (“Н”), т.е. более активном по сравнению с молекулярным (см. выше). Возможно также хранение водорода в баллонах под высоким давлением, но это взрывоопасно.

4). Экологическая чистота(главное требование!). Испытания автомобилей на водородном топливе показали, что их выхлопные газы чище, чем засасываемый воздух.

В таких странах, как Швейцария, Италия и др., частично уже используют водород в быту вместо природного газа. Таким образом, по мнению ученых, мы находимся на пороге водородной энергетики(хотя как топливо водород был запатентован еще в 1799 году французским инженером Ф. Лебоном и др.).

Кроме того, водород, точнее его изотопы: дейтерий ( ²₁ Д) и тритий (₃¹¹Т), – считаются топливом будущего втермоядернойэнергетике¹(²₁ Д+³₁ Т→⁴₂ He+₀¹n+ Q, где Q на несколько порядков больше, чем при сгорании H₂ ), которая, в отличие от атомных электростанций, практически не дает вредных отходов.

Еще больше энергии, чем при термоядерной реакции, можно получить в процессах аннигиляции, например, при взаимодействии водорода и антиводорода (с отрицательным зарядом ядра и позитроном на орбитали). Получение антиводорода – одна из решаемых задач современной физики. Но это может быть перспектива лишь отдаленного будущего.