Из опыта подготовки исследовательского проекта школьников по химии на тему «Альтернативные способы получения водорода»



Одним из перспективных видов топлива с точки зрения экономики и экологии является водород. При его сжигании отсутствуют парниковые газы и образуется вода, которая не вызывает загрязнения окружающей среды. Газообразный водород взрывоопасен и не подвергается хранению [1, с.42; 2, с.117], поэтому целесообразно использовать вещества, которые могут выделять водород по мере необходимости [3, с.86]. Известные технологии получения водорода из связанного состояния энергозатратные, дорогие и сложны в эксплуатации [4, с.8]. Существует необходимость в поиске методов получения водорода из связанного состояния, лишенных перечисленных недостатков. Решению данной проблемы посвящено исследование.

В качестве гипотезы выдвинуто предположение, что увеличение содержания хлорида натрия в реакционной среде приводит к возрастанию выхода водорода при растворении алюминия в водных растворах сульфата меди (II) в присутствии хлорида натрия.

Цель работы — изучить влияние мольного соотношения реагентов на параметры процесса растворения алюминия в водном растворе сульфата меди (II) в присутствии хлорида натрия.

Задачи:

1. Определить оптимальное время взаимодействия алюминия с водным раствором сульфата меди (II) в присутствии хлорида натрия.
2. Изучить влияние содержания хлорида натрия (мольного соотношения NaCl/CuSO₄) на расход алюминия при постоянном содержании сульфата меди (II) в реакционной среде.
3. Изучить влияние содержания хлорида натрия (мольного соотношения NaCl/CuSO₄) на выход водорода при постоянном содержании сульфата меди (II) в реакционной среде.

В качестве объекта для исследования использовали электротехнический алюминий марки АД-1, содержащий ~99 % Al. Образцы извлекали из кабеля марки АВВГ 2×4, снимая изоляцию и разделяя на отрезки длиной 15 см и массой 1.55–1.60 г. Перед проведением взаимодействия проволоку скручивали в плоскую спираль для придания компактной формы, умещающейся в химический стакан. Для эксперимента готовили реакционные системы массой 28 г каждая, содержащие разное количество сульфата меди (II), хлорида натрия и воды. После окончания взаимодействия образцы промывали водой, высушивали и взвешивали.

Взаимодействие проводили в 4-х повторностях при одинаковых условиях для каждой контрольной точки, затем полученные данные усредняли и отмечали на графиках.

При взаимодействии алюминия с реакционной средой происходит активация поверхности металла хлорид-ионами [5, с. 257–261], при этом растворяется защитная пленка оксида алюминия и становится возможной реакция вытеснения меди из раствора сульфата меди (II):

2Al + 3CuSO₄ → Al₂(SO₄)₃ + 3Cu↓, (реакция 1).

В результате активации поверхности алюминий взаимодействует с водой с выделением газообразного водорода:

2Al + 6H₂O → 2Al(OH)₃↓ + 3H₂↑ (реакция 2).

Чтобы количественно оценить потери массы образца алюминия, введем понятие массовый расход R_m — отношение массы прореагировавшего алюминия к исходной массе образца, умноженное на 100 %.

Вначале была изучена зависимость расхода алюминия от времени взаимодействия при постоянном содержании сульфата меди (II) и хлорида натрия. Выделение водорода начинается в течение 1-й минуты после опускания алюминия в раствор. Голубое окрашивание исчезает при контакте алюминия с реакционной средой в течение 7–8 минут, однако водород продолжает выделяться. Наибольший массовый расход алюминия (R_m=17,9 % от исходной массы образца) был зафиксирован при взаимодействии в течение 15 минут. Дальнейшее выдерживание образцов в реакционной среде не приводит к увеличению расхода алюминия и выхода водорода.

Далее в нашем исследовании было изучено влияние содержания хлорида натрия на расход алюминия при растворении образца в водном растворе сульфата меди (II).

В реакционной среде с постоянным содержанием CuSO₄ увеличение содержания хлорида натрия приводит к возрастанию расхода алюминия. В диапазоне мольных соотношений N=0.3–1.4 за один цикл взаимодействия растворяется от 14.4 до 16.6 % массы образца алюминия. Следовательно, данные образцы можно применять до полного растворения в 6 полных циклах получения меди и водорода из раствора.

Зная количество выделившейся меди и растворившегося алюминия, вычислим, сколько % алюминия расходуется на выделение водорода. При низких мольных соотношениях хлорид натрия — сульфат меди (II) (N менее 0.55) основная часть прореагировавшего алюминия (до 90 %) расходуется на выделение меди из раствора. С увеличением содержания хлорида натрия в растворе растет доля алюминия, израсходованного на реакцию (2) — до 22 % при N(NaCl/CuSO₄)=1.4.

Для определения выхода водорода в нашем исследовании введем понятие удельный выход водорода U — отношение объема выделившегося водорода к общей массе растворившегося алюминия в реакциях (1) и (2).

Проанализировав график зависимости удельного выхода водорода от мольного соотношения, заметим, что при m(CuSO₄)=const и постоянной площади поверхности образцов алюминия объем выделившегося водорода на 1 г растворившегося алюминия прямо пропорционален содержанию хлорида натрия в растворе.

Если принять равными нулю потери алюминия в побочных процессах, можно приблизительно оценить количество водорода, получаемого по реакции (2). При мольном соотношении реагентов N=0.3–1.4 на 1 кг израсходованного алюминия выделяется в пересчете на нормальные условия 50–220 л H₂. Удаление кислорода из реакционной среды перед проведением процесса может снизить потери алюминия на электрохимическую коррозию и привести к увеличению выхода водорода.

В ходе выполнения данного исследования были получены следующие результаты:

1. Определено, что оптимальное время взаимодействия алюминия с водным раствором сульфата меди (II) в присутствии хлорида натрия составляет 15 минут. При дальнейшем выдерживании образцов в реакционной смеси (до 60 минут) не происходит увеличения расхода алюминия и выхода водорода.
2. Для описания исследуемого процесса растворения алюминия введены новые параметры: массовый расход R_m, удельный выход водорода U.
3. Определено, что с увеличением содержания хлорида натрия в растворе возрастает расход алюминия и выход водорода. При мольном соотношении N=1.4 образцы алюминия можно применять до полного растворения в 6 полных циклах получения меди и водорода из раствора. При этом на каждый грамм израсходованного алюминия выделяется до 220 мл водорода (н.у.), если не учитывать расход алюминия в побочных процессах.

Таким образом, в целях получения водорода из связанного состояния предпочтительно использовать водный раствор сульфата меди (II) в присутствии хлорида натрия с мольным соотношением реагентов N=1.4 и выше. Лимитирующим фактором будет служить растворимость в воде CuSO₄ и NaCl при данной температуре.

Результаты данного исследования можно применять в науке и промышленности: 1) в альтернативной энергетике — для разработки генератора водорода и топливных элементов; 2) в гидрометаллургии — для получения мелкодисперсного порошка меди; 3) при переработке техногенных отходов, содержащих соли меди (II) и других тяжелых металлов; 4) для получения коагулянта сульфата алюминия, используемого в процессах очистки воды.

Результаты данного исследовательского проекта можно использовать при проведении уроков химии в школе при изучении тем «Водород», «Вода», «Металлы» (способы получения и химические свойства металлов, коррозия), «Алюминий», а также в работе объединений дополнительного образования по химии и при выполнении исследовательских проектов на сходную тематику.

Литература:

1. Чудотворова Е. О., Пугачук А. С. Оценка возможности применения алюминия для получения водородного топлива // Известия высших учебных заведений. Машиностроение. — 2017. — № 11. — С. 42–48.
2. Чуриков А. В. и др. Топливные элементы, использующие борогидридное топливо // Электрохимическая энергетика. — 2009. — Т.9, № 3. — С. 117–127.
3. Школьников Е. И. и др. Исследование работы алюмоводного микрогенератора водорода для компактных источников питания // Электрохимическая энергетика. — 2008. — Т.8, № 2. — С. 86–91.
4. Якименко Л. М., Модылевская И. Д., Ткачек З. А. Электролиз воды. — М.: Химия, 1970. — 564 с.
5. Григорьева И. О., Дресвянников А. Ф., Ахмадишина Г. Т. Влияние природы и состава солевых электролитов на электрохимические характеристики алюминия // Вестник Казанского технологического университета. — 2013. — Т.16, №.4. — С. 257–261.