Водень отримують або взаємодією металів з кислотами, або електролізом лужних розчинів. В особливих випадках користуються дією деяких металів або їх сплавів на воду.
Водень, що отримується за першим способом, містить невелику кількість різних домішок: пари води, сліди сірчистого газу (в разі застосування сірчаної кислоти), хлористий водень (з соляної кислоти) і двоокис вуглецю, а також, в разі якщо вихідні речовини недостатньо чисті, - водневі сполуки фосфору, миш'яку, сірки і ін. В водні можуть також бути присутнім сліди азоту.
При отриманні водню за другим способом піддають електролізу водні розчини гідрату окису барію або лугу; отриманий водень не містить двоокису вуглецю.
Електролітичний водень при чистих вихідних речовинах зазвичай містить лише сліди кисню, пари води і іноді сліди азоту. Для більшості робіт такий водень цілком придатний без подальшого очищення зокрема, присутність вологи в водні не заважає при отриманні металів з їх оксидів. Але для відновлення деяких хлоридів застосовувати такий водень без попереднього очищення не можна, так як в деяких випадках сліди кисню або парів води перетворюють хлориди у окисли. Водень слід ретельно очищати і тоді, коли необхідно отримати чистий продукт відновлення.
Найбільш проста очищення електролітичного водню. Для видалення слідів кисню водень пропускають через розпечену порцелянову трубку; в таких умовах кисень утворює воду. У присутності каталізатора, наприклад, платинованого або палладірованного азбесту, зв'язування кисню значно полегшується. Очищений таким способом водень потім висушують. Значно складніше очистити водень, одержуваний дією металів на кислоти. Його промивають водою, пропускають через ряд промивних склянок з водними розчинами різних окислювачів для видалення домісити до нього водневих з'єднань сірки, миш'яку та ін. А потім висушують.
У табл. 3 наведені дані, що характеризують застосовуються в різних випадках осушувачі.
1. Електроліз водних розчинів
Для отримання електролітичного водню можна застосовувати різні прилади. У всіх випадках робота з електролізером вимагає особливої уваги. Ні в якому разі не слід міняти полюса електролізера, так як це може призвести до вибуху. Вмикати і вимикати електролізер можна тільки під наглядом лаборанта. Знову зібраний електролізер можна підключати до приладу, що споживає водень, тільки після повного витіснення повітря з катодного простору і з очисної системи. Найбільш простим є прилад, пристрій якого показано на рис. 22.
Електролізером служить 5-7-літрова скляна банка 1, в яку налито 35-40% -ний розчин їдкого натру (їдкого калі) або насичений розчин гідроксиду барію. В останньому випадку, внаслідок значного опору розчинів гідроксиду барію, електролізер досить сильно розігрівається. Електроди роблять у формі пластин з нікелевої жерсті пли, в крайньому випадку, з м'якої сталі. Можна також застосовувати електроди, зроблені з дроту. Місце контакту електрода з мідним дротом, що підводять струм, щільно обмотують сталевий пли нихромовой дротом. Для умепьшенія корозії контакт не повинен стикатися з електролітом. При зазначеному обсязі електролізера можна застосовувати струм до 6-7 а з напругою 5-10 ст. При включенні електролізера на короткий час (3-4 год) можна застосовувати струм силою 10 а, проте при цьому електроліт значно розігрівається. При хорошому охолодженні електролізера проточною водою можна застосовувати струм і більшої сили. На 1 а-ч виділяється близько 0,376 г водню. Кисень виділяється па аноді 2 і виходить назовні через відвідну трубку, пропущену через пробку, що закриває електролізер. Водень виділяється на катоді 3 і виходить через скляну трубку 4. При охолодженні приладу (але закінчення роботи) водень кілька розчиняється в електроліті; відбувається деяке падіння тиску, п рівень електроліту в катодному просторі значно знижується. Катод 3 при цьому може оголитися, якщо раніше він був занурений до електроліт недостатньо глибоко. Прилад включають через реостат, так як під час роботи сила струму, внаслідок розігрівання електроліту, трохи збільшується. Якщо до електролізерів приєднана осушувальна система, що складається з промивних склянок з розчинами, рівень рідини в анодному просторі підвищується внаслідок збільшення тиску в катодному просторі; сила струму при цьому також дещо зростає внаслідок збільшення площі зіткнення анода з електролітом.
Перераховані тут деякі недоліки притаманні також до електролізерів інших пристроїв. Для електролітичного отримання водню зручно користуватися також електролізером, зображеним на рис. 23. Він являє собою U-подібну трубку 1 з молібденового або іншого міцного скла, забезпечену газовідвідними трубками для кисню і водню. У електролізер вставлені па шлифах трубки 5 з упаяними в них провідниками. До провідникам при паяни електроди - анод 2 і катод 3, зроблені з нікелевої жерсті або дроту. Якщо прилад виготовлений з молібденового набрякла, то для впайкі електродів можна застосовувати молибденовую дріт (діаметром 0,8 мм); у всіх інших випадках користуються платинової: дротом. Замість скляних пробок можна користуватися і гумовими; тоді провід не впаивают, а просто пропускають через пробку. Під анодом 2 в електролізері поміщають додатковий катод 4 у вигляді нікелевої сітки. Впаивают його за допомогою платинового дроту. Харчування до додаткового катода підводять від того ж джерела струму, який живить електролізер, але через реостат 6. Опір реостата підбирають з розрахунком, щоб сила струму, що йде па харчування додаткового катода, була в 20 - 25 разів менше сили струму, що йде па харчування основних електродів. Водень, що виділяється па додатковому катоді, насичує електроліт анодного простору і тим самим як би створює перешкоду для кисню, що виділяється на аноді п здатного розчинятися в електроліті. За відсутності додаткового катода кисень може потрапити в катодного нространство електролізера і забруднити водень. Під час проведення електролізу прилад нагрівається, і для охолодження слід помістити його в бак з проточною водою. Водень, що отримується цим способом, дуже чистий, але кисень містить деяку кількість водню (ця суміш не вибухонебезпечна).
Для отримання значних кількостей водню в лабораторних умовах досить зручний електролізер, виготовлений з 15-20-літровоп бутлі (рис. 24). Електролітом служить концентрована луг. Анодна і катодного простору відділені в електролізері скляним дзвоном. Електроди виготовляють із залізного дроту діаметром 3-4 мм. Струмопровідні .медние дроти до електродів припаиваются.
Опір такого електролізера, а отже, і подається напруга в значній мірі залежить від глибини занурення електродів. При невеликій глибині занурення електродів опір електролізера зростає, внаслідок цього на олектролізер доводиться давати більш високу напругу, наприклад, 50-60 в, що викликає досить швидке нагрівання електроліту. При великій глибині занурення електродів можливо часткове змішування водню і кисню. Електроди повинні знаходитися на відстані 4-5 см від нижнього краю дзвони. Зазвичай електролізери подібного типу споживають струм напругою 20-30 в. На подібний електролізер протягом багатьох годин можна давати струм силою 10-12 а. При цьому спостерігається деяке розігрівання лугу. Для харчування електролізера можна скористатися постійним струмом від акумулятора або змінним, але через випрямляч з реостатом. Дуже зручним є селеновий випрямляч типу ВСА-5, що дає струм 12 а і має регулювання напруги.
Знову зібраний електролізер необхідно перевірити па герметичність. Для цього трубку, що відводить водень, занурюють на 3 4 см в воду, включають струм і спостерігають за проходженням бульбашок водню через воду. Відсутність бульбашок водню вказує на негерметичність катодного простору або газовідвідної системи. Корисно до трубки, що відводить водень, приєднати промивну склянку з лугом, яка одночасно служить лічильником бульбашок. Крім того, вона створює деякий протіводавлепіе, завдяки чому рівень лугу у вузькій частині дзвони підтримується постійним. Скляний дзвін через 1-1,5 року роботи необхідно міняти, так як він кілька роз'їдається лугом.
2. Дія металів на кислоти
При отриманні водню дією металів на кислоти зазвичай користуються цинком і розчином соляної кислоти (від 1. 4 до 1. 8). Якщо застосовують сірчану кислоту, то для прискорення реакції додають кілька крапель розчину мідного купоросу, службовця каталізатором. Найбільш зручно отримувати водень в апараті кіп. Для отримання водню були запропоновані також й інші прилади різної конструкції (див. Наприклад, в керівництві Ю. В. Ка рякіна). Цинк, застосовуваний для отримання чистого водню, слід попередньо очистити. Для цього невелику кількість сухої калійної селітри насипають на дно шамотовий тигля, а потім туди ж поміщають гранульований цинк. змішаний з селітрою в співвідношенні 4. 1, і зверху насипають ще трохи селітри. Суміш цю нагрівають до розплавлення; при цьому відбувається досить енергійна реакція. Потім плав охолоджують, розбивають на шматочки, відокремлюють зерна цинку і, змішавши їх з невеликою кількістю бури, знову переплавляють в тиглі. Після цього розплавлений цинк виливають у воду (для отримання його в гранульованому вигляді) йди на цеглу з жолобками (для отримання у вигляді паличок). Для відділення від миш'яку, що утворює миш'яковистий водень, цинк розплавляють і вносять в нього залізними щипцями кілька шматочків безводного хлориду магнію. Потім ЦІПК переплавляють і гранулюють, як описано вище.
Для відділення від водневих з'єднань (сірководню, мишьяковистих з'єднань і ін.) Водень пропускають через дві-три промивалки з концентрованим лужним розчином перманганату калію або з розчином біхромату калію в сірчаної кислоти (на 1 л води потрібно брати близько 10U г солі і 50 г концентрованої сірчаної кислоти). Зручніше і ефективніше для очищення (з більшої поверхні) застосовувати колонки, наповнені битим склом плі скляними бусами, змоченими відповідним розчином. Після очищення водень сушать. Спочатку його пропускають через промивалку 1 (рис. 25) з сірчаною кислотою, яка в той же час служить лічильником бульбашок, потім через порцелянову трубку 2. нагріту до 400-500 ° С, наповнену платинованим або палладірованним азбестом, і, нарешті, послідовно через осушувальні колонки 3, 4 і 5 з зневоднених хлористим кальцієм, їдким калі і фосфорним ангідридом. Щоб водень міг вільно проходити через колонки, їх не слід набивати занадто щільно.
Для наповнення колонок фосфорним ангідридом потрібно потовкти скло або дрібно нарізати вузькі скляні трубки на шматочки діаметром і довжиною в 3-4 мм, швидко перемішати їх у фарфоровій чашці з сухим фосфорним ангідридом і пересипати цю суміш в колонку. Необхідно врахувати, що осушувачі, але міру поглинання ними вологи, посгепенно втрачають свою активність. Після ретельного очищення водень практично містить тільки сліди водяної пари, кількість якої визначається активністю осушувача (див. Табл. 3).
Для остаточної осушки водень потрібно пропустити через розплавлений натрій. Для цієї мети можна скористатися приладом, зображеним на рис. 26. Пробка повинна бути на шлифе, але в крайньому випадку можна застосувати і гумову. Для зниження температури плавлення натрію в прилад можна додати кілька калію. Всі сплави, що містять від 45 до 90% калію, при кімнатній температурі рідкі. Обігрів приладу можна починати тільки після повного витіснення повітря воднем. Для обігріву застосовують тільки парафінову баню. Досить ефективним методом очищення і осушення водню є пропускання його через порцелянову трубку з магнієвими стружками, нагрітими до 550-600 ° С.
Одним з найбільш ефективних методів очищення водню можна вважати пропускання його через тонкий шар розпеченого паладію, через який водень добре дифундує. Для очищення водню за цим способом необхідно мати спеціальну ампулу з паладію
Ампулу 1 (рис. 27) поміщають розширеною частиною в кварцову трубку 2, а до звуженої частини приєднують джерело водню. Водень впускають в ампулу під невеликим тиском, внаслідок чого він дифундує через розпечений паладій а домішки затримуються паладієм і залишаються в ампулі.
Абсолютно необхідно водень попередньо, перед пропусканням через паладій, ретельно очистити від таких домішок, як сірчисті і миш'яковисті сполуки, які поступово руйнують паладій. Для очищення водню термодіффузіоппим методом можна замість паладію застосовувати і інші метали, пропускають водень.
Продуктивність подібних приладів визначається товщинок стінок металу, їх площею, температурою нагріву і коефіцієнтом дифузії водню.
Буду вдячний за установку посилання на сторінку: