Получение водорода, кислорода, углекислого газа, аммиака и этилена в промышленности

Получение водорода.

Водород в свободном состоянии  встречается на Земле лишь в незначительных количествах. Иногда он выделяется вместе с другими газами при вулканических  извержениях, а также из буровых  скважин при добывании нефти. Но в виде соединений водород весьма распространен. Это видно уже  из того, что он составляет девятую  часть массы воды. Водород входит в состав всех растительных и животных организмов, нефти, каменного и бурого углей, природных газов и ряда минералов. На долю водорода из всей массы  земной коры, считая воду и воздух, приходится около 1%. Однако при пересчете на проценты от общего числа атомов содержание водорода в земной коре равно 17% ^*.

Такое большое различие между величинами, выражающими содержание водорода в  процентах от общего числа атомов и в процентах по массе, объясняется  тем, что атомы водорода намного  легче атомов других элементов, в  частности, наиболее распространенных в земной коре кислорода и кремния.

Водород — самый распространенный элемент космоса. На его долю приходится около половины массы Солнца и  большинства других звезд. Он содержится в газовых туманностях, в межзвездном  газе, входит в состав звезд. В недрах звезд происходит превращение ядер атомов водорода в ядра атомов гелия. Этот процесс протекает с выделением энергии; для многих звезд, в том  числе для Солнца, он служит главным  источником энергии. Скорость процесса, т. е. количество ядер водорода, превращающихся в ядра гелия в одном кубическом метре за одну секунду, мала. Поэтому  и количество энергии, выделяющейся за единицу времени в единице  объема, мало. Однако, вследствие огромности массы Солнца, общее количество энергии, генерируемой и излучаемой Солнцем, очень велико. Оно соответствует  уменьшению массы Солнца приблизительно на 4 млн. т в секунду.

В промышленности водород  получают главным образом из природного газа. Этот газ, состоящий в основном из МЕТАНА, смешивают с водяным паром и с кислородом. При нагревании смеси газов до 800-900 °C в присутствии катализатора происходит реакция, которую схематически можно изобразить уравнением:

2CH₄ + O₂ + 2H₂O —> 2CO₂ + 6H₂

Полученную смесь газов  разделяют. Водород очищают и  либо используют на месте получения, либо транспортируют в стальных баллонах под повышенным давлением.

Важным промышленным способом получения водорода служит также  его выделение из коксового газа или из газов переработки нефти. Оно осуществляется глубоким охлаждением, при котором все газы, кроме  водорода, сжижаются.

В лабораториях водород получают большей частью электролизом водных растворов NaOH или KOH. Концентрация этих растворов выбирается такой, которая отвечает их максимальной электропроводности (25% для NaOH и 34% для KOH). Электроды обычно изготовляют из листового никеля. Этот металл не подвергается коррозии в растворах щелочей, даже будучи анодом. В случае надобности получающийся водород очищают от паров воды и от следов кислорода. Из других лабораторных методов наиболее распространен метод выделения водорода из растворов серной или соляной кислот действием на них цинка. Реакцию обычно проводят в аппарате Киппа.

 

 

 

 

 Получение кислорода.

Большое количество кислорода  используется в промышленности, в  медицине, в других областях человеческой деятельности. Промышленные количества кислорода получают из жидкого воздуха. Сначала воздух сжимают мощными  компрессорами – при этом он, как любой сжимаемый газ, сильно нагревается. Если вам приходилось энергично накачивать велосипедную камеру, то вы должны помнить, что корпус насоса и шланг нагреваются довольно заметно.

Сжатый воздух в больших  баллонах-емкостях охлаждается. Затем  его подвергают быстрому расширению через узкие каналы, снабженные турбинками для дополнительного отбора энергии у молекул газа. Эти устройства называются турбодетандерами. При расширении любого газа всегда происходит его охлаждение. Если газ был сжат очень сильно, то его расширение может привести к такому сильному охлаждению, что часть воздуха сжижается. Жидкий воздух собирают в специальные сосуды, называемые сосудами Дьюара (рис. 6-2).

Рис. 6-2. Сосуд Дьюара для хранения и транспортировки сжиженных газов и его устройство. Из пространства между внутренней и внешней стенками сосуда откачан воздух. Вакуум практически не проводит тепло, поэтому жидкий газ, даже имея очень низкую температуру, может сохраняться в таком сосуде длительное время.

Как вы уже знаете, жидкий кислород кипит при более "высокой" температуре (-183 ^оС), чем жидкий азот (-196 ^оС). Поэтому при "нагревании" жидкого воздуха, когда температура этой очень холодной жидкости медленно повышается от -200 ^оС до -180 ^оС, прежде всего при -196 ^оС перегоняется азот (который опять сжижают) и только следом перегоняется кислород. Если такую перегонку жидких азота и кислорода произвести неоднократно, то можно получить весьма чистый кислород. Обычно его хранят в сжатом виде в стальных баллонах, окрашенных в голубой цвет. Характерная голубая окраска баллонов нужна для того, чтобы нельзя было спутать кислород с каким-нибудь другим сжатым газом.

Аппаратура для промышленного  получения кислорода, как мы видим, очень сложна и энергоемка. В лаборатории  кислород удобнее получать из его  соединений с другими элементами.

Чаще всего кислород получают нагреванием таких веществ (в  состав которых кислород входит в  связанном виде), как перманганат  калия (марганцовка), хлорат калия (бертолетова соль), нитрат калия (селитра):

2 KMnO4	=	K2MnO4	+	MnO2	+	O2
перманганаткалия	нагревание	манганаткалия		диоксидмарганца		кислород

 

2 KClO3	=	2 KCl	+	3 O2
хлорат калия	нагревание	хлоридкалия		кислород

 

2 KNO3	=	2 KNO2	+	O2
нитрат калия	нагревание	нитриткалия		кислород

 

Удобно получать кислород в лаборатории из пероксида водорода:

2 H2O2	=	2 H2O	+	O2
пероксид водорода	катализатор			кислород

Пероксид водорода обычно используется в виде 3%-ного водного раствора. Многие из вас знакомы с ним, потому что такой раствор применяется как дезинфицирующее средство при обработке царапин и мелких ран. Он мало устойчив и уже при стоянии медленно разлагается на кислород и воду. Попав на царапину или ранку, пероксид начинает выделять кислород гораздо интенсивнее (сильно пузырится, шипит). Дело здесь в том, что кровь содержит особые вещества (катализаторы), которые ускоряют реакцию разложения пероксида водорода.Катализаторы – это вещества, способные ускорять химические превращения, сами оставаясь при этом неизменными (более подробно о них рассказывается в следующей книге).

Катализаторами разложения Н₂О₂ могут служить многие вещества, в том числе и неорганические: диоксид марганца (MnO₂), древесный уголь (углерод), железный порошок. Существуют и "антикатализаторы" – то есть вещества, замедляющие химическое превращение. Такие замедлители химических реакций называются ингибиторами. Например, фосфорная кислота Н₃РО₄по каким-то причинам препятствует разложению пероксида водорода.

Интересен способ получения  кислорода из пероксидов металлов, который раньше применяли на подводных лодках, потому что одновременно с выделением кислорода происходит поглощение углекислого газа:

2 Na2O2	+	2 CO2	=	2 Na2CO3	+	O2
пероксид натрия		углекислый газ		сода		кислород

На современных атомных  подводных лодках, где имеется  мощный и почти неисчерпаемый  источник электрической энергии, есть возможность получать кислород разложением  воды под действием электрического тока (электролизом воды):

2 H2O	=	2 H2	+	O2
	электрический ток	водород		кислород
Получение углекислого газа

Углекислый  газ (СО2, диоксид углерода, двуокись углерода) образуется при соединении кислорода и углерода. Он формируется при сжигании углеводородных соединений или угля, в процессе ферментации жидкостей, а также при дыхании животных и людей. Он содержится в небольшом количестве в атмосфере, из которой он поглощается растениями, которые вырабатывают кислород. Углекислый газ является бесцветным, он тяжелее воздуха, его температура замерзания -78,5 С. При замерзании образуется состоящий из двуокиси углерода снег. В качестве водного раствора СО2 формирует угольную кислоту, хотя она недостаточно стабильна для изолирования. Получение углекислого газа. В промышленности двуокись углерода получают из продуктов разложения природных карбонатов (таких как  доломит, известняк), из печных газов. Газовая  смесь промывается раствором  карбоната калия, поглощающего углекислый газ и переходящего в гидрокарбонат. При нагревании раствор гидрокарбоната разлагается, а углекислота высвобождается. Затем полученный газ закачивают в баллоны. В лабораториях получение углекислого газа в небольших количествах осуществляется за счет реакций взаимодействия гидрокарбонатов и карбонатов с кислотами (например, мрамора и соляной кислоты). В промышленности получение углекислого газа осуществляется несколькими способами. Рассмотрим три наиболее распространенных из них. - получение  из отходящих газов на химических производствах, в первую очередь метанола и синтетического аммиака; содержание СО2 в отходящем газе составляет примерно 90%; - получение  из дымовых газов в промышленных котельных, которые сжигают природный газ, уголь и иное топливо; дымовой газ содержит 12-20% диоксида углерода; - получение из  отходящих газов, которые образуются  в процессе брожения при получении  спирта, пива, а также в процессе  расщепления жиров; в данном  случае отходящий газ является  практически чистым углекислым  газом. В соответствии с  ГОСТ 8050-85 углекислота в газообразном и жидком виде может быть трех сортов: высшего, первого и второго. Так, например, для сварки рекомендовано  использование углекислоты высшего  и первого сортов. Допускается  и второй сорт, но при этом, желательно использовать осушители газа. Осушители необходимы для извлечения из углекислого газа влаги. Он выполнен в виде корпуса, заполненного специальным материалом (как правило, алюмогелем, медным купоросом или силикагелем), который хорошо впитывает влагу. Осушитель может быть либо высокого давления (устанавливается до редуктора), либо низкого давления (устанавливается после редуктора).

Получение аммиака в промышленности

Аммиак (гидрид водорода) — газ легче воздуха с характерным запахом нашатырного спирта. Аммиак легко переходит в жидкое состояние за счет образования водородных связей, в этом состояние его электропроводность крайне мала. Он имеет очень большое значение для химической промышленности из-за того, что в своем составе имеет атом азота и три атома водорода.Азот играет большую роль в живой природе и жизнедеятельности человека, к тому же является основной составляющей воздуха по объему и содержится во многих важных протеинов.Получение аммиака в промышленности связано прежде всего с тем, что соединения азота используются в качестве удобрений, но не смотря на то, что азота в воздухе много, использовать молекулярный азот не представляется возможным его молекулы крайне нереакционноспособны.

Для разрыва тройной  связи в молекуле азота необходима большая энергия активации, как, например, в широко применяемом в  промышленности процессе Гербера. В  этой реакции взаимодействуют молекулярный азот и молекулярный водород в  соотношении 1:3 соответственно. Результатом  процессов внутри реакции происходит уменьшение объема и создается избыточное тепло. Принцип Ле-Шателье, говорит нам, что реакция должна протекать при низкой температуре и высоком давлении для того, чтобы сместить равновесие в сторону получаемого продукта (то есть получение аммиака в промышленности).

Для достижения скорейшего равновесия реакции в промышленности было решено использовать катализаторы. В результате проб и ошибок было установлено, что лучше всего на эту роль подходят оксид трехвалентного алюминия и оксид калия в пористом железе. Само собой разумеется, что на выходе реакции мы не можем получить 100% вещества, а ввиду того, что молекула азота почти не реагирует без специальных условий, а молекула водорода — легкий и взрывоопасный газ, в результате процесса Гербера мы получаем только около трети вещества. Поэтому в промышленности не прореагировавшие вещества возвращаются снова в реакцию: аммиак охлаждают, а газообразные азот и водород снова реагируют.

В целом, получение аммиака в промышленности это крайне трудоемкий процесс, требующий специального оборудования и больший денежных затрат. Но азотная промышленность продолжает развиваться, что продиктовано развивающимся обществом. Аммиак используют для получения азотной кислоты и её солей, сульфата аммония и мочевины, которые являются удобрениями, и многих других важных химических веществ.

Получение этилена.

Этилен – это газ. Он растворяется в воде - 25,6мл в 100мл. А в этане – 359 мл в 100 мл. Поэтому он достаточно легко может быть получен из этана (этилового спирта) путем дегидратации. Дегидрирование – это отщепление водорода от молекулы какого-либо органического соединения. В данном случае – от молекулы этана (C₂H₅OH).