CC BY
23УДК 1
Досмухамбетов А.
Назарбаевская Интеллектуальная школа (Казахстан, г. Павлодар)
Жабагина Р.М.
учитель физики
Назарбаевская Интеллектуальная школа (Казахстан, г. Павлодар)
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ВОДОРОДА КАК АЛЬТЕРНАТИВНОГО ИСТОЧНИКА ЭНЕРГИИ
Аннотация: в данной статье рассматриваются возможности использования водорода - как альтернативного источника энергии, исследуются методы получения водорода в лабораторных условиях, основанные на явлении электролиза, а также проведены расчеты.
Ключевые слова: альтернативный источник энергии, электролиз, электролитическая диссоциация, степень диссоциации.
Использование водорода представляет собой экологическую безопасность и высокую энергетическую отдачу при производстве электроэнергии. При горении водорода образуется только вода, а теплота сгорания 143 кДж/г, т.е. выше, чем у углеводородов (29 кДж/г). Водород - самое распространенное вещество во Вселенной, но на Земле в свободном виде его практически нет.
Цель данного исследования
- исследование и получение водорода в лабораторных условиях;
- выявление зависимости объема полученного водорода от параметров электрической цепи;
- проектирование установки для получения водорода.
Актуальность - использование водорода как источника энергии в
будущем, способствует решению энергетической проблемы, ведь его можно получать из самого распространенного вещества на Земле - воды. Получить водород в условиях лаборатории, используя доступные материалы, и исследовать его характеристики показалось нам занимательным и важным. Реакция водорода с таким хорошим окислителем, как кислород, протекает с большим выделением энергии. Водород является чрезвычайно теплотворным химическим топливом. Кроме того, при сжигании водорода образуется только вода, в то время как другие топлива загрязняют атмосферу оксидами углерода, азота и несгоревшими остатками топлива [1, с.34-36].
Водород не источник энергии, а ее носитель. Сейчас водород получают из природного газа методом каталитической конверсии с водяным паром. Но этот способ ведет в тупик, потому что газа не много. Неиссякаемый источник водорода - вода. Технология будет выгодной, если использовать дешёвую энергию - воды, ветра, солнца [2, с.69].
Методы исследования.
В данном исследовании для получения водорода изучено явление электролиза, так как данное исследование основано на явлении электролитической диссоциации и явлении электролиза.
1. Электролитическая диссоциация - чистая дистиллированная вода -практически диэлектрик. Если последовательно с лампой накаливания соединить ванну с дистиллированной водой, в которую опущены металлические пластины, и включить в электрическую сеть, то лампа гореть не будет. Если же в ванну ввести несколько капель кислоты, то лампа ярко загорается. Значит, раствор кислоты в воде - хороший проводник тока. Молекулы воды являются природными диполями, а молекула кислоты состоит из двух разноименно
заряженных ионов, которые удерживаются силами кулоновского взаимодействия. Вода ослабляет притяжение ионов в 80 раз, именно это значение диэлектрической постоянной воды. Хаотически движущиеся молекулы воды ударяют со всех сторон молекулу кислоты, в результате чего она распадается на ионы [1, с.40-41].Образованные ионы могут снова создать молекулу кислоты, поэтому данный процесс записывают так: НС1^Н+ + С1-
Распад молекул на ионы под действием растворителя называют электролитической диссоциацией. Число, показывающее, какую часть всех молекул растворенного вещества составляют молекулы, распавшиеся на ионы, называется степенью диссоциации.
Носителями зарядов в растворах являются только ионы. При диссоциации ионы водорода и всех металлов оказываются заряженными положительно.
Диссоциацию молекул на ионы может вызвать не только растворитель. Например, при сильном нагревании вещества его молекулы, состоящие из ионов, могут распадаться на отдельные ионы. Поэтому расплавы солей тоже являются проводниками электрического тока [3, с.78-84].
2. Электролиз - данное явление используется для определения массы вещества на электроде при прохождении тока через электролит. Пусть в ванну налит раствор соли №С1 в воде. Диссоциация молекул иодида натрия происходит в соответствии с уравнением: № С1 ^ №+ + С1-
Кроме ионов С1- в растворе присутствуют и другие отрицательные ионы, так как молекулы самой воды в небольшом количестве тоже диссоциируют:
Н2О^Н+ + ОН-.
Ионы гидроксида легко отдают свой лишний электрон, при разряде их образуются нейтральные молекулы газообразного водорода, который выделяется на аноде.
При прохождении тока через электролит выделение вещества происходит на обоих электродах. По химическому составу это разные части молекулы растворенного вещества. По количеству (М/n) они равны, а знаки зарядов у них противоположны [4, с.46-47].
В нашем примере вещества выделяются на обоих электродах. На катоде выделяется водород, на аноде - хлор. Выделение вещества на обоих электродах происходит при неактивном аноде, который не растворяется в электролите. В нашем примере пластины реагируют с электролитом, в результате чего анод разрушается вследствие образования кислоты, в растворе выделяется соль железа.
Экспериментальная часть
Первичным результатом электролиза является выделение на электродах составных частей молекулы растворенного вещества. Однако фактически мы часто обнаруживаем на одном или обоих электродах не те атомы или атомные группы, которые перемещались в растворе и первоначально выделялись на электродах, а другие, освобождающиеся при вторичных химических реакциях, в которые вступают освободившиеся первичные атомы и группы. В результате проведения практической части, мною были проведены следующие расчеты:
1) масса вещества, выделившаяся при электролизе, рассчитывается по 1 закону Фарадея[1,с. 51-55]
m= k I t.
На опыте можно определить электрохимические эквиваленты с большой точностью.
2) для определения заряда иона использовал 2 закон Фарадея и с помощью него также был определен химический эквивалент вещества [1 с. 5155].
3) состояние водорода, (объем и давление) выделяющегося в процессе электролиза, подчиняется уравнению Клапейрона-Менделеева:
P V = (m/M)R T,
где масса вещества уже была рассчитана с помощью закона Фарадея.
4) проведение эксперимента - с использованием электролитической ванны, электродов, амперметра, источника тока, поваренной соли и воды, шприца с отрезанной узкой частью.
Результаты эксперимента
В результате проведения эксперимента прослеживается прямая пропорциональная зависимость между временем прохождения тока и объемом образующегося водорода. С увеличением силы тока в 1,714 раза объем водорода увеличился в 1,625 раза. Увеличение происходит за счет роста числа носителей в растворе. Эксперимент был повторен для различных объемов шприца, результаты опыта не изменилось, исключая время его проведения, что доказывает водород можно получать любого объема. В ходе эксперимента замечено некоторое уменьшение объема водорода, скорости электролиза при уменьшении эффективной площади катода. Наши измерения, проведенные в столь необычных условиях, подтверждают, что в домашних условиях, используя низкое напряжение и доступные вещества: воду и поваренную соль - можно получить альтернативный источник энергии - водород.
Выводы:
- полученный водород оказался достаточным для исследования и чистым без примесей;
- давление водорода приблизительно равно атмосферному давлению;
- в случаях, когда давление водорода сравнивалось с давлением атмосферы, реакция останавливалась. При превышении давления атмосферы реакция продолжалась.
Направления совершенствования опыта
- данные расчеты использовать для изготовления установки для получения водорода в домашних условиях;
- определить является ли полученный газ идеальным, или к нему применимы законы реальных газов;
- получить водород большего объема. Применение
Водород в данное время используется в качестве горючего в современной ракетной технике в водородно-кислородных двигателях, проведены стендовые исследования системы лазерного зажигания запального устройства ракетного двигателя, использовать водород как альтернативный источник энергии. Водород - экологически чистое топливо, при сгорании которого образуется чистая вода. Сгорание водорода сопровождается гораздо большим выделением энергии, чем у самого высококачественного топлива. Его можно получать из слабого раствора поваренной соли. Это решит энергетические и экологические проблемы [5, с.93-96].
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
Мякишев Г. Я. Физика. Термодинамика и молекулярная физика, М., Дрофа, 2015 Иродов И. Е Физика макросистем, М., Физматлит, 2011
Клямкин С. Н. Водородная энергетика: достижения и проблемы / Возобновляемые источники энергии. Вып. 5 : 6 Всерос. науч. -молодежная школа, Москва, 2018.
Дей Р. Водород - устойчивое энергетическое решение // Мир стандартов. - 2017. № 1
Чертов В. Водородная энергетика и высокие технологии // Москва, 2014г.
Dosmukhambetov A.
Nazarbayev Intellectual School Kazakhstan, Pavlodar
Zhabagina R.M.
Physics teacher Nazarbayev Intellectual School Kazakhstan, Pavlodar
USING HYDROGEN AS AN ALTERNATIVE ENERGY SOURCE
Abstract: this article discusses the possibilities of using hydrogen as an alternative source of energy, studies methods for producing hydrogen in laboratory conditions based on the phenomenon of electrolysis, and also performs calculations.
Keywords: alternative energy source, electrolysis, electrolytic dissociation, degree of dissociation.
