Область применения водорода и разновидность

В XX в. Водород приобрёл многоликость. В природе были открыты три различных водорода, три его изотопа, которые были названы в соответствии со сложностью своих ядер. Самый лёгкий - протий. Водород в обычной воде в основном состоит из протия. Но в воде есть и более тяжёлый водород - дейтерий. На каждые 6700 атомов протия приходится один атом дейтерия.

Существует и сверхтяжёлый водород - тритий. Тритий радиоактивен. Он непрерывно образуется в стратосфере под действием космического излучения. Есть предположения, что это не предел для существования новых, ещё более тяжёлых изотопов водорода, которые должны быть радиоактивны.

Дейтерий - исходный элемент для энергии будущего. Впервые существование тяжёлого водорода - дейтерия было доказано в 1932 году. Несмотря на относительно малое содержание дейтерия в обычной воде, общее количество дейтерия на Земле очень велико. По подсчётам академика И. В. Курчатова, 1 литр обычной воды по энергии содержащегося в нём дейтерия эквивалентен примерно 400 л нефти, поэтому дейтерия как топлива будущего хватит на сотни миллионов лет. (Вспомните ещё раз героя Жуля Верна).

Количество трития на Земле исчезающее мало. Его меньше 1 кг, но, несмотря на это, его можно обнаружить в каждой капле воды. А его значение в будущей энергетике, возможно, ещё более велико, чем дейтерия. Он неустойчив, период его полураспада - 12, 262 года.

Водород (протий), дейтерий и тритий образуют двухатомные молекулы. Молекулы с одинаковыми атомами Н₂, D₂, Т₂ существуют в двух ядерно-изомерных формах, орто- и пара-форме. Эта изомерия является исходной причиной различия магнитных, спектральных и термических свойств обеих модификаций.

И наконец, ещё один лик водорода - протон (ядро атома водорода), широко используемый в современной науке для осуществления ядерных реакций.

Водород - очень перспективный энергоноситель, позволяющий одновременно решить сложные экологические проблемы. При его сгорании (быстро протекающей экзотермической реакции окисления кислородом) получаются лишь вода и тепло. Да, образуются еще окислы азота, количество которых зависит от температуры сгорания смеси в цилиндре двигателя. И здесь важно, что в водородных двигателях температура сгорания топлива на режимах городской эксплуатации существенно ниже, чем в углеводородных (бензиновых, спиртовых, метановых, пропан-бутановых и т.д.).

Очевидно, что если под "водородным двигателем" понимать электрический, получающий энергию от реакции соединения водорода и кислорода в топливных элементах, то окислов азота не будет совсем. А углеводородное топливо "поставляет" при сжигании целый букет токсичных соединений, среди которых сажа - далеко не самая вредная.

Мне представляется, что первый этап становления водородной энергетики - это применение водорода в качестве моторного топлива. Пока топливные элементы, при всей их перспективности, удовольствие очень дорогое. Не все технологии отработаны, и процесс этот идет достаточно медленно, еще далеко не все вопросы решены. Ожидают, что … вот-вот будет. Еще двадцать пять лет назад можно было видеть "Рафик" на топливных элементах. Впрочем, истории водорода как топлива тоже не один десяток лет.

"Водородное будущее" автотранспорта эксперты связывают, прежде всего, с топливными элементами. Их притягательность признают все.

Никаких движущихся частей, никаких взрывов. Водород и кислород тихо-мирно соединяются в "ящике с мембраной" (так упрощённо можно представить топливный элемент) и дают водяной пар плюс электричество.

Водородные заправки уже появились в нескольких местах в Германии, Японии, США. В Калифорнии строят первые станции по электролизу воды, использующие ток, выработанный солнечными батареями. Аналогичные эксперименты проводят по всему миру.

В отличие от классических двигателей внутреннего сгорания альтернативные энергетические установки выделяют энергию, полученную не в результате процесса горения, а в результате химической реакции окисления водорода кислородом. Подаваемый на анод водород ионизируется на платиновом электрохимическом катализаторе, и образовавшиеся протоны проходят через электролит на катод, где они реагируют с кислородом с образованием воды. Образовавшиеся при ионизации электроны создают электрический ток и используются для полезной нагрузки. Помимо собственно водорода топливом может служить целый ряд первичных энергоносителей, из которых получают Н₂: метанол, этанол, природный газ, биогазы и биомасса, уголь, аммиак и др. Что касается автомобильной промышленности, то использование двигателей, работающих на водороде, позволит централизованно собирать отходы СО₂на производящих водород заводах, а не выбрасывать их прямо под нос пешеходам из выхлопной трубы каждого автомобиля. Таким образом, даже сейчас, на переходном этапе, внедрение энергоустановок нового образца в автотранспорте и энергетике способно снизить экологическую нагрузку на окружающую среду.

Теоретически переход на водородное топливо выглядит достаточно простым. На автомобиль нужно "всего лишь" установить электродвигатель, который "питался" бы энергией химической реакции водорода и кислорода. Благодаря этому, во-первых, автомашины перестали бы отравлять атмосферу вредными газами, поскольку в их "выхлопе" была бы лишь безвредная дистиллированная вода. Во-вторых, водородный двигатель гораздо эффективнее бензинового: средний коэффициент полезного действия нынешней вазовской водородной энергоустановки составляет 60-65 процентов, что более чем в два раза выше, чем у двигателя внутреннего сгорания. В-третьих, в отличие от нефти водород является неисчерпаемым топливом. Все это звучит очень привлекательно, но, как оказалось, чтобы создать приемлемый по стоимости, безопасности и размерам водородный движок, нужно решить большой комплекс сложнейших технических задач.

На "АВТОВАЗе" работают над созданием водородных двигателей без какой-либо государственной поддержки. Испытания первого из них, "Антэл-1", в 1999 году проводились на удлиненной "Ниве". Следующий вариант, "Антэл-2", уже смог разместиться на универсале "Лада-111", показ которой на международных автосалонах вызвал неподдельный интерес у специалистов.

Создаваемая сейчас установка "Антэл-3" будет обходиться без бака для водорода: топливный процессор на борту автомобиля будет вырабатывать его из бензина. Это позволит увеличить пробег на одной заправке до 900-950 км. Проблема разработчиков, - создать компактной и недорогой преобразователь бензина в водород.

Практическая часть

В ходе проведения работы был проведен химический эксперимент по способам получения водорода в домашних условиях и изучению его свойств.

Водород – топливо. Именно этим я воспользовался для решения следующей задачи: создания водорода. Для этого мне понадобилось (Фото 1):

ü 2 линейки (2 деревянных шпателя)

ü 20 саморезов

ü Адаптер

ü 2 банки с резиновыми крышками

ü Пистолет-клей (клей «Момент»)

ü Капельница

ü Паяльник

ü Соль

ü Спички

ü Жидкое мыло

ü Фарфоровая чашка

Этапы создания генератора водорода:

Приготовить все необходимые инструменты.

1. Взять 2 линейки и просверлить 10 отверстий на каждой линейке каждые 0,5 см. (Фото 2)

2. Закрутить саморезы в линейки и соединить между собой. (Фото 3)

3. Провода адаптера аккуратно избавить от защиты и запаять на саморезы. (Фото 4)

4. Поместить линейки с саморезами в одну банку. (Фото 5)

5. Сделать по 2 прорези в одной крышке, в другой – 1.

6. Протянуть провод адаптера через крышку.

7. Протянуть трубочку капельницы в первую банку и во вторую.

8. В первую банку налить воду с солью (1 столовая ложка), во вторую простую воду.

9. Загерметизировать крышки с помощью клея-пистолета (клей «Момент»).

10. Приготовить мыльный раствор в фарфоровую посуду.

11. Включить адаптер в розетку и наблюдать за процессом.

12. В итоге мы видим, что в 1-ой банке идет реакция, а во второй банке поднимаются пузырьки с водородом. (Фото 6)

13. Открываем капельницу и пускаем пузыри с водородом в мыльный раствор. (Мыльный раствор используется для того чтобы водород не «улетел») (Фото 7).

14. Подносим зажженную спичку к мыльному раствору с водородными пузырями и происходить реакция водорода на огонь, то есть небольшой хлопок.

Вывод: я доказал, что водород можно выделить в домашних условиях. Опыт показал о величайшей силе водорода, что непременно будет использовано в будущем человечеством.

Тема альтернативных источников топлива, безусловно, актуальна и злободневна в настоящее время на фоне быстро дорожающей нефти истощающихся природных источниках. Во время проведения информационного обзора выяснили, что человечество всерьез задумалось об использовании альтернативных источников топлива. По данной тематике были изучены как библиотечные материалы, так и материалы из Интернета. Самые интересные, с нашей точки зрения, перспективы применения данного вида топлива представлены в мультимедийной презентации.

I. Обучающее пособие в виде мультимедийной презентации на тему «Альтернативные виды топлива» создано в программе Power Point

II. В рамках проекта был проведен социологический опрос на тему «Топливо» среди школьников – опрошено 30 человек (образец анкеты прилагается (Приложение № 2).

По результатам данного опроса, оказалось, что:

Самый популярный ответ на первый вопрос был бензин и керосин.

Большинство опрошенных проголосовало во втором вопросе за водород.

В 3 вопросе за использование в будущем экологического топлива ответило 98 процентов.

Самым экологическим видом топлива является водород и солнечная энергия.

Заключение и выводы

Проведя опрос в классе, большинство участников ответило, что водород является одним из самых экологических видов топлива, который составит хорошую конкуренцию бензину и будет использован людьми в будущем.

Я представил водород как альтернативное топливо и может быть использовано во многих промышленных условиях и водородное топливо является самым доступным и экологичным и убедился на опыте.

Литература и интернет ресурсы

1. Иванов А.Б, Гордеев И.В.«Химические элементы», 2018

2. https://revolution.allbest.ru/manufacture/00537282_0.html#text

3. https://infourok.ru/issledovatelskaya-rabota-po-vodorodu-996788.html

4. https://abouthist.net/mir/primenenie-vodoroda.html

Приложение № 1