Из опыта подготовки исследовательского проекта школьников по химии на тему «Альтернативные способы получения водорода» | Статья в сборнике международной научной конференции

Отправьте статью сегодня! Журнал выйдет 17 августа, печатный экземпляр отправим 21 августа.

Опубликовать статью в журнале

Автор:

Рубрика: 5. Педагогика общеобразовательной школы

Опубликовано в

V международная научная конференция «Аспекты и тенденции педагогической науки» (Санкт-Петербург, апрель 2019)

Дата публикации: 03.04.2019

Статья просмотрена: 15 раз

Библиографическое описание:

Гостищев И. А. Из опыта подготовки исследовательского проекта школьников по химии на тему «Альтернативные способы получения водорода» [Текст] // Аспекты и тенденции педагогической науки: материалы V Междунар. науч. конф. (г. Санкт-Петербург, апрель 2019 г.). — СПб.: Свое издательство, 2019. — С. 19-20. — URL https://moluch.ru/conf/ped/archive/328/14950/ (дата обращения: 20.08.2019).



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 Rm — 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 (Rm=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 Rm, 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.
Основные термины (генерируются автоматически): реакционная среда, водный раствор сульфата меди, присутствие хлорида натрия, выход водорода, мольное соотношение, увеличение содержания хлорида натрия, расход алюминия, влияние содержания хлорида натрия, мольное соотношение реагентов, удельный выход водорода.

Похожие статьи

Конкурсные задачи по химии на закон электролиза Фарадея

1. Электролиз 100 г водного раствора серной кислоты с мольной долей последней 2.5 % проводили в течении 15 минут.

3. Вычислите массу ртути, выделившейся на катоде при пропускании тока силой 6 А через раствор хлорида ртути в течение 35 минут.

Совершенствование процесса получения метионина

Способ выделения метионина из раствора метионата натрия реализуется нейтрализацией метионата натрия серной кислотой, в результате чего

Время стадии синтеза 1–2 минуты, мольное соотношение метионата натрия: двуокись углерода газообразная (1:1). Фазовое...

Поэтапное решение задачи повышенной сложности при подготовке...

Рассуждения обучающихся: сульфат меди образован катионами меди, которая находится в ряду активности после водорода. Кислотный остаток от кислородсодержащей кислоты. Значит, продуктами электролиза будут являться свободный металл медь, кислота и кислород.

Методы получения терефталоилхлорида и пути...

Процесс ведут при обычном давлении, строго выдерживая мольное соотношение реагентов хлорид:вода, равным 1:2. Выходящие из реактора газы

По окончании процесса гидролиза от реакционной массы «отдувают» растворенный хлорид водорода с помощью сухого азота.

Технология получения технического хлористого натрия из...

Разработана технология безреагентной подготовки рассола хлорида натрия с целью очистки рассола до заданной концентрации, в основе которой лежат процессы обработки водных растворов галитовых отходов переменными электромагнитными полями низкой частоты [3].

Усовершенствование процесса получения цианистого натрия

Полученный раствор цианистого натрия охлаждается до температуры от 20°С до 35°С путем смешения его с охлажденным раствором цианистого натрия. Процесс получения цианистого натрия-непрерывный. Технологическая схема производства цианистого водорода по...

Использование электролизованных растворов поваренной соли...

Окислы хлора, полученные при электролитическом расщеплении растворов NaCI, отличаются инактивирующей способностью, несколько превышающей активность хлорсодержащих препаратов. Активность электролизованных растворов может быть значительно повышена...

Эффективное использование отходов химических опытов на...

Использование растворов веществ. При изучении водорода, воды и растворов, оксидов, гидроксидов, кислот и солей проводится большое число лабораторных опытов, при которых образуются растворы различных солей. Полученные растворы можно непосредственно...

Синтез трихлорэтилена в реакторе периодического типа...

Хлорид натрия умеренно растворяется в воде, его растворимость мало зависит от температуры: коэффициент растворимости NaCl (в г на 100 г воды) равен 35,9 при 21 °C и 38,1 при 80 °C. Растворимость хлорида натрия существенно снижается в присутствии хлороводорода...

Похожие статьи

Конкурсные задачи по химии на закон электролиза Фарадея

1. Электролиз 100 г водного раствора серной кислоты с мольной долей последней 2.5 % проводили в течении 15 минут.

3. Вычислите массу ртути, выделившейся на катоде при пропускании тока силой 6 А через раствор хлорида ртути в течение 35 минут.

Совершенствование процесса получения метионина

Способ выделения метионина из раствора метионата натрия реализуется нейтрализацией метионата натрия серной кислотой, в результате чего

Время стадии синтеза 1–2 минуты, мольное соотношение метионата натрия: двуокись углерода газообразная (1:1). Фазовое...

Поэтапное решение задачи повышенной сложности при подготовке...

Рассуждения обучающихся: сульфат меди образован катионами меди, которая находится в ряду активности после водорода. Кислотный остаток от кислородсодержащей кислоты. Значит, продуктами электролиза будут являться свободный металл медь, кислота и кислород.

Методы получения терефталоилхлорида и пути...

Процесс ведут при обычном давлении, строго выдерживая мольное соотношение реагентов хлорид:вода, равным 1:2. Выходящие из реактора газы

По окончании процесса гидролиза от реакционной массы «отдувают» растворенный хлорид водорода с помощью сухого азота.

Технология получения технического хлористого натрия из...

Разработана технология безреагентной подготовки рассола хлорида натрия с целью очистки рассола до заданной концентрации, в основе которой лежат процессы обработки водных растворов галитовых отходов переменными электромагнитными полями низкой частоты [3].

Усовершенствование процесса получения цианистого натрия

Полученный раствор цианистого натрия охлаждается до температуры от 20°С до 35°С путем смешения его с охлажденным раствором цианистого натрия. Процесс получения цианистого натрия-непрерывный. Технологическая схема производства цианистого водорода по...

Использование электролизованных растворов поваренной соли...

Окислы хлора, полученные при электролитическом расщеплении растворов NaCI, отличаются инактивирующей способностью, несколько превышающей активность хлорсодержащих препаратов. Активность электролизованных растворов может быть значительно повышена...

Эффективное использование отходов химических опытов на...

Использование растворов веществ. При изучении водорода, воды и растворов, оксидов, гидроксидов, кислот и солей проводится большое число лабораторных опытов, при которых образуются растворы различных солей. Полученные растворы можно непосредственно...

Синтез трихлорэтилена в реакторе периодического типа...

Хлорид натрия умеренно растворяется в воде, его растворимость мало зависит от температуры: коэффициент растворимости NaCl (в г на 100 г воды) равен 35,9 при 21 °C и 38,1 при 80 °C. Растворимость хлорида натрия существенно снижается в присутствии хлороводорода...