Otrzymywanie wodoru
 Serwis naukowy MYZLAB

Właściwości wodoru:
Wodór jest najprostszym i najlżejszym pierwiastkiem w przyrodzie. Jego gęstość to zaledwie 0,09 g/l, jest więc prawie 15 razy lżejszy od powietrza. Atom wodoru w jego najpowszechniejszej formie (1H) składa się z jednego protonu oraz jednego krażącego wokół niego elektronu. W stanie wolnym wodór występuje w postaci cząsteczek dwuatomowych: H2.
Znane są 3 postacie izotopowe wodoru, z czego dwie pierwsze występują w przyrodzie: wodór (pryt) 1H (99,985%), deuter (zawiera jeden neutron) 2D (0,015%), oraz wykorzystywany do reakcji termojądrowych tryt zawierający 2 neutrony 3T. Tlenek deuteru D2O to tzw. ciężka woda używana w reaktorach atomowych.

Dlaczego interesujemy się wodorem:
Wodór ma dwie bardzo istotne cechy:
  • jest najlżejszym gazem w przyrodzie, może więc być użyty do napełniania balonów
  • mieszanina wodoru z tlenem to tzw. mieszanina piorunująca, jedna z bardziej wybuchowych mieszanin gazów Najbardziej wybuchowa jest mieszanka w stosunku objętościowym wodor-tlen 2:1, ale że w powietrzu mamy tylko 20% tlenu, więc mieszanka wodór-powietrze powinna mieć proporcje 2:5 (dwa i pół raza więcej powietrza niż wodoru).

    Otrzymywanie wodoru:
    Opiszemy tutaj dwie metody otrzymywania wodoru. Pierwsza to chemiczna reakcja kwasu z metalem, a druga - zasady z metalem.

    1. Metoda pierwsza otrzymywania wodoru - reakcja kwasu siarkowego z żelazem

    Wodór mozna otrzymać w dużych ilościach w sposób bardzo prosty, a mianowicie poprzez reakcję kwasu siarkowego z żelazem. Tą metodą był otrzymywany na początku XX wieku np. do napełniania sterowców.
    Kwas siarkowy w stężeniu 35% jest łatwo dostępny w postaci elektrolitu akumulatorowego na kążdej stacji paliw.
    Żelazo natomiast jest ogólnodostępne w postaci starych gwoździ i innych tego typu rzeczy które łatwo znaleźć w garażu.

    Reakcja przebiega według wzoru:

    H2SO4 + Fe -> FeSO4 + H2

    Jak widać efektem reakcji są dwa produkty: siarczan żelaza oraz wodór. Już po kilku minutach z gwoździ zaczną unosić sie maleńkie bąbelki wodoru. Jednocześnie roztwór zacznie przybierać kolor ciemnego grafitu. Dzieje się tak za sprawą węgla, który jest składnikiem stali z której wykonane są gwoździe.
    Reakcja będize przebiegać tym szybciej, im wyższa będzie temperatura roztworu. W miarę jak stężenie kwasu będzie maleć, tempo wydzielania wodoru będzie spadać.

    Najbardziej interesującym produktem tej reakcji jest wodór. Można go zbierać pod wodą (tak jak na obrazku), lub można zuzyć bezpośrednio do np. napełnienia balonu.
    Podczas produkji wodoru według tej metody należy zachować szczególne środki ostrożności, gdyż kwas siarkowy jest substancją żrącą i może uszkodzićzarówno skórę jak i ubranie (wyastarczy jedna kropelka rozcieńczonego aby następnego dnia na ubraniu pojawiła sie dziura).

    UWAGA: niewolno zbliżać źródła ognia do wylotu rurki którą płynie wodór! Grozi to przejściem ognia przez rurkę do butelki z kwasem i gwoździami, co może spowodować detonację wodoru oraz resztek zgromadzonego tam powietrza.

    Drugim produktem tej reakcji jest siarczan żelaza. Generalnie nie polecam zajmowania się tym związkiem, lepiej resztkę gwoździ i powstały szlam wyrzucić.
    Jeśli jednak chciałbyś wyekstraktować ten związek z powstałego po reakcji płynu, możesz to uczynić, choć uprzedzam, że praca jest żmudna. Najpierw trzeba odfiltrować ciecz tak aby nie zawierała węgla. Pierwszą fazę filtracji można przeprowadzić za pomocą sitka. Odfiltrowane zostaną przy okazji resztki metalu. Przefiltrowanie przez drobne sitko (filtr do kawy) nie wystarczy. Drobinki węgla są zwykle bardzo drobne. Trzeba po prostu przelać ciecz do wysokiej butelki, odczekać kilka godzin aż pył weglowy opadnie, i zlać ostrożnie zielonkawy płyn, tak aby nie zawierał już osadu. Jeśli płyn nie będzie klarowny, należy czynność powtórzyć po kilku godzinach.
    Otrzymany płyn to roztwór siarczanu żelaza zawierający również resztki kwasu siarkowego. Roztwór ten mozna odstawić w szerokim naczyniu tak aby odparował. Wtedy powstaną piękne jasnozielone kryształy uwodnionego siarczanu żelaza.

    krzystały siarczanu żelaza


    2. Metoda druga otrzymywania wodoru - reakcja roztworu wodorotlenku sodu z aluminium

    Roztwór sody żrącej w wodzie po dodaniu aluminium zamienia się w wodór gazowy i kompleks Na[Al(OH)4] z wydzieleniem energii w postaci ciepła według równania:

    2NaOH + 2Al + 6H2O -> 2Na[Al(OH)4] + 3H2


    Materiały i przyrządy:

    - okulary ochronne,
    - naczynie (w którym stanie butelka) z zimna woda lub wodą i lodem (łaźnia lodowa),
    - szklana butelka (np. po piwie), alternatywa- plastikowa butla z małą szyjką
    - balon (zwykły, gumowy), ostatecznie jakiś inny szczelny worek
    - wodorotlenek sodu NaOH (soda żrąca, „kret” do udrażniania rur),
    - woda,
    - aluminium (najlepiej „pałeczki” z folii aluminiowej)

    Wykonanie:

    Nalewamy zimnej wody do dużej miski w której będziemy chłodzić naszą reakcję.
    Do butelki sypiemy 16g sody żrącej (czyli jakieś ½ kubeczka po kliszy) i zalewamy to 40g (lub 2 pełne kubeczki po kliszy) gorącej wody (jeśli woda będzie za zimna soda się nie rozpuści, uwaga na oczy przy dolewaniu). Po rozpuszczaniu sody studzimy aż butelka będzie chłodna, w naszej łaźni lub pod bieżącą wodą.
    Z folii aluminiowej robimy „patyczek” o wysokości butelki. 4g czyli jakieś 60 cm folii. Przygotowujemy się do nałożenia balonika na gwint butelki. Wkładamy „patyczek” z Al. I natychmiast nakładamy balon. Reakcji zachodzi z odrobiną opóźnienia, więc mamy parę sekund na to.
    Całość reakcji potrwa ok. 10min.

    UWAGA: Roztwór wodorotlenku sodu jest substancją żrącą. Należy unikać kontaktu tej substancji ze skórą i ubraniem.

    Podane tu proporcje wypełniają standardowej wielkości balon, zawierają też nadwyżkę sody i wody więc gdy balon się nie wypełni lub powstaje nadmiar wodoru, należy analogicznie dać więcej lub mniej aluminium.
    Jeśli balonik się nie napełnił do końca nie będzie się unosił. W takim przypadku gdy już dodaliśmy dodatkową ilość Al i reakcja się zatrzymała, zawizujemy koniec balonika nitką, wymieniamy mieszankę w butelce nakładamy ponownie po części napełniony balonik i odwiązujemy supeł. I tak aż do napełnienia balonu.

      


    Zastosowanie i Uwagi:

    Nie powinno się używać dużej ilości mieszanki na raz. Grozi to wymknięciem się jej z pod kontroli. Gdy tak się jednak stanie wylewamy mieszaninę na do dużej ilości wody i wyciągamy, w rękawiczkach, aluminium. Dlatego też nie wolno stosować trudnych w wyciągnięciu opiłków czy pyłu aluminiowego!
    Otrzymany wodór radzę stosować TYLKO do napełniania balonów. Wodór NIGDY nie powinien się mieszać z czystym tlenem. Taka mieszanina wybucha od najmniejszej nawet iskry. Wybuch wodoru w czystym tlenie grozi w najlepszym wypadku piskiem w uszach, a w najgorszym... utratą słuchu, poparzeniami, utrata wzroku.


    Wykonanie: myz, niewidzialny & Al-Razi
    Warszawa 09.06.2006

    MYZLAB.PL © 2001-2008