У меня есть мечта запустить на большую высоту воздушный шар – “шар”, наполненный водород. Далее я подробно опишу, как мне удалось это сделать.
Классификация высотных аэростатов
Высотные рекреационные воздушные шары (бесплатные воздушные шары) делятся на три класса:
воздушные шары – конверт заполнен газом, который легче воздуха
монголы – оболочка заполняется горячим воздухом;
коллекторы – Оболочка содержит две камеры – одна заполнена газом легче воздуха, а другая – нагретым воздухом. Это позволяет создать управляемый подъем, но с гораздо меньшим расходом топлива, чем у mongolfier.
История возниц
Сегодня высотные любительские воздушные шары обычно используются для гелий (ранее использовался водород).
Водород был впервые использован в воздушных шарах в 1783 году французским профессором физики Жаком Александром Сезаром Шарлем (Жак Александр Сезар Шарль):
Водород поступал по шлангу из бочек с железными опилками и серной кислотой; чтобы наполнить шар диаметром 9 метров, потребовалось 4 дня. Его шар, который исследователь назвалШарльер” (отсюда и название “шарлье“), достиг высоты 550 метров:
В журнале Nature № 10 за 1912 год описано использование водородных аэростатов в метеорологии:
привязной шар – круглый воздушный шар с шелковой подкладкой, наполненный водородом объемом до 20 м 3; подобные шары достигали высоты 9 650 м:
воздушный зонд – гуттаперчевый шар, содержащий 3-4 м 3 водорода; к такому шару прикреплены парашют и метеограф; при достижении верхних слоев атмосферы шар лопается, парашют и метеограф падают на землю; такие шары достигают высоты 29040 м:
пилот-баллон – небольшой (0,1 – 0,2 м 3 ) гуттаперчевый воздушный шар, наполненный водородом и свободно летающий без метеографа; наблюдение за таким шаром позволяет определить направления и скорости воздушных потоков в атмосфере на разных высотах; такие шары достигали высоты 25 000 м.
Гелиевый воздушный шар, запущенный 1 ноября 2002 года, достиг высоты 79 809 футов http://vpizza.org/.
jmeehan/balloon/#launch
Алексей Карпенко из Канады запустил самодельный воздушный шар с бортовым компьютером, фото- и видеокамерой на высоту более 30 километров в октябре 2007 года http://www.natrium42.com/halo/flight2/.
Гелиевый воздушный шар, запущенный Робертом Харрисоном (Великобритания) 17 октября 2008 года, достиг высоты 35 015 метров (высота Икар) http://www.robertharrison.org/icarus/wordpress/28/icarus-i-launch-3/
Грег Кляйн, Алекс Мартин и Тим Уилер в сентябре 2009 года запустил воздушный шар с гелием, достигнув высоты 90 000 футов http://apteryx.hibal.org/.
Правовые аспекты высотных запусков воздушных шаров
В Республике Беларусь Указом Главы государства № 81 от 25 февраля 2016 года предусмотрено, что при аэромодель означает воздушное судно без человека на борту, управление которым в полете возможно только при визуальном контакте с ним, а также неуправляемый свободно летающий аппарат. Таким образом, воздушный шар определяется как аэромодель.. Постановление Совета Министров Республики Беларусь от 16.08.2016 № 636 утверждено Правила использования аэромоделей в Республике Беларусь .. В соответствии с правилами, модели самолетов не подлежат государственной регистрации.. Однако их использование запрещено на высотах, превышающих 100 метров из земли или воды. Использование моделей самолетов запрещено в пределах запретные зонымодели самолетов с полной массой 0,5 килограмма, определяемые Министерством обороны и Министерством транспорта и коммуникаций, а также в случаях, определяемых Службой безопасности Президента Республики Беларусь Модели самолетов с полной массой более 0,5 килограмма Модели самолетов общим весом 0,5 килограмма подлежат обязательной маркировке с указанием данных владельца.
В соответствии с пунктом Федеральных правил использования воздушного пространства Российской Федерации для пользователей воздушного пространства, осуществляющих деятельность в воздушном пространстве классов A и CУстанавливается порядок выдачи разрешения на использование воздушного пространства – на основании плана использования воздушного пространства и разрешения на использование воздушного пространства.
Производство водорода в домашних условиях
Я решил построить воздушный шар, потому что дома очень трудно достать гелий, а покупать его слишком просто и неинтересно.
ЭКСПЕРИМЕНТЫ С ВОДОРОДОМ ОЧЕНЬ ОПАСНЫ! Водород представляет собой опасность возгорания и взрывоопасен при смешивании с воздухом. Водород имеет самую низкую плотность среди всех известных газов и в 40-50 раз дешевле гелия, который сейчас широко используется в пилотируемой авиации. Его плотность составляет 90 г/м3 (для сравнения, плотность воздуха составляет 1,23 кг/м3 ). Подъемная сила водородного воздушного шара равна разности масс воздуха и водорода в одном и том же объеме. Если наполнить воздушный шар объемом 1 м 3 водородом, его подъемная сила составит 1,2 кг (масса 1 м 3 воздуха) – 0,09 кг (масса 1 м 3 водорода) = 1,01 кг. Таким образом, 1 литр водорода несет около 1 грамма заряда.
Вот иллюстрация сравнения водорода и гелия из научно-популярной программы WOW на CGTN:
Итак, как производить водород.
Реакция с каустической содой
Самым безопасным способом получения водорода является реакция алюминия с водой:
2 Al + 6 H2O = 2 Al(OH)3 + 3 H2
Однако этой реакции препятствует оксидный слой на поверхности алюминия. Его можно удалить с помощью хлорида ртути HgCl2. Однако более простым способом получения водорода в домашних условиях является реакция алюминия с водой и гидроксидом натрия (ионы OH – ) разрушает оксидный слой на поверхности алюминия и начинается реакция):
(Альтернативным описанием этой реакции является 2 Al + 2 NaOH + 6 H2O = 2 Na[Al(OH)4] + 3 Н2)
54 грамма алюминия (2 моль) + 240 грамм каустической соды (6 моль) = 6 грамм водорода (3 моль).
Реакция нагревается (экзотермическая), и вода может закипеть.
гидроксид натрия NaOH (каустическая сода, едкий натр, каустическая сода, каустическая щелочь) (англ. гидроксид натрия, каустическая сода, щёлок) широко распространен в природе.
/>
Каустическая сода вызывает коррозию органических веществ. Относится к классу опасности 2 как особо опасное вещество. При контакте с кожей, слизистыми оболочками и глазами вызывает сильные химические ожоги. В случае контакта слизистых поверхностей с едкой щелочью, промойте пораженный участок струей воды или, в случае контакта с кожей, слабым раствором уксусной кислоты. Гидроксид натрия не должен попадать в организм человека или животного!
Плотность гидроксида натрия (кристаллы) составляет 1,59 грамма в см 3, растворимость в воде – 108,7 грамма в 100 миллилитрах воды. Таким образом, 240 грамм имеет объем около 150 см 3 , и для полного растворения требуется 220 мл воды. Если воды недостаточно, образуется пена.
Гидроксид натрия можно получить из бытовых чистящих средств – средств для очистки стоков:
В качестве источника алюминия можно использовать фольгу или проволоку. Плотность алюминия составляет 2,7 грамма на кубический сантиметр. Для проволоки диаметром 2 мм масса 10 см проволоки составляет 0,85 грамма, а 1 грамм проволоки имеет длину 11,8 см.
При нормальном давлении 6 граммов водорода занимают объем 67,2 литра (из-за давления в оболочке воздушного шара этот объем будет меньше).
Для водорода в шаре верен закон Шарля (названный в честь французского ученого, упомянутого выше) – “объем газа при постоянном давлении пропорционален его температуре”:
$
<■ ■ ■ ■ ■ еще > = <nСколько еще > = $
Водород в завязанном шарике находится под атмосферным давлением, поэтому объем шарика увеличивается при нагревании и уменьшается при охлаждении.
Подходящей емкостью для смешивания реагентов является бутылка из-под шампанского, которая может выдерживать давление до 6 атм.
Сначала в бутылку наливают 500 мл воды, добавляют 100 г гидроксида натрия, перемешивают до растворения, а затем опускают туда алюминиевую проволоку, разрезанную на кусочки по 30 г каждый. Сначала реакция протекает медленно, но затем ускоряется. Бутылка заметно нагревается.
Приведенного количества реактивов должно быть достаточно для получения более 30 литров водорода. Поместите воздушный шарик над горлышком бутылки и наблюдайте, как она наполняется водородом:
Во время первого успешного запуска 4 августа 2012 года объем надутого воздушного шара составил более 25 литров. Использованный большой детский воздушный шарик весил около 8 граммов. Таким образом, “чистый” подъем составил около 25-8 = 16 грамм.
Цинк также может быть использован Zn вместо алюминия Альи вместо гидроксида натрия NaOH – гидроксид калия KOH (едкий калий, едкий калий).
Альтернативными способами получения водорода “в домашних условиях” являются реакция с сульфатом меди и электролиз раствора.
Реакция с сульфатом меди
Сульфат меди CuSO4 это сульфат меди (медная соль серной кислоты).
Сульфат меди ядовит и относится к третьему классу опасности – он ядовит при контакте со слизистыми оболочками или при приеме внутрь.
Смешайте несколько столовых ложек сульфата меди с небольшим количеством поваренной соли. Затем добавьте воду в емкость со смесью. Когда раствор полностью растворится, он должен стать зеленым (если этого не происходит, добавьте еще соли). Затем добавляются кусочки алюминия, и начинается реакция – образующийся в растворе хлорид меди смывает оксидный слой с поверхности алюминия, а алюминий вступает в реакцию, восстанавливая медь и выделяя водород.
При реакции выделяется тепло, поэтому рекомендуется поместить емкость с реактивами в холодную воду.
Электролиз раствора каустической соды
Водород также выделяется при электролизе разбавленного раствора едкого натра в дистиллированной воде, причем электроды должны быть железными (“железный” аппарат). В результате реакции выделяется тепло, поэтому необходимо обеспечить выход тепла из контейнера, например, поместив деревянный контейнер в песок (рекомендуется температура около 70° C). При необходимости в раствор можно добавить дистиллированную воду. Чистота водорода достигает 97 % (информация из Encyclopaedia Britannica, 1911). В журнале Nature за 1922 год сообщается, что этот метод наполнения воздушных шаров водородом использовался во время Первой мировой войны.
Электролиз солевого раствора
Электролиз раствора поваренной соли в рассоле. рассол), водород выделяется у одного электрода (катода), а хлор – у другого электрода (анода), в результате чего образуется основной гидроксид натрия:
2 NaCl + 2 H2O = 2NaOH + H2 + Cl2
Лакмусовая бумажка окрашивается в синий цвет, что указывает на щелочную реакцию:
Небольшое количество кислорода также выделяется на аноде в результате разложения гидроксид-ионов и молекул воды.
В качестве анода и катода рекомендуется использовать инертные графитовые электроды, например, стержни с солевым выделением (обозначаются как Тяжелый режим) батареи:
Как показал мой эксперимент, выход водорода в этом случае невелик.
Смесь водорода и кислорода в воздухе (гремучий газ) является взрывоопасным и может быть использован в качестве теста на водород. Поднесите зажженный факел к пробирке с исследуемым газом, и если в пробирке образуется водород, раздастся громкий взрыв ( Смесь водорода и кислорода сгорает со взрывом ):
Чем меньше кислорода в пробирке, тем громче будет взрыв. Чистый водород дает лишь небольшую вспышку – он горит, не взрываясь.
Запуск воздушного шара
Горловина надутого шарика обвязывается сложенной в несколько раз нитью, которая затем привязывается к катушке ниток:
Воздушный шар взлетает очень быстро, а катушка ниток быстро разматывается.
Следующие фотографии воздушного шара в небе были сделаны при четырехкратном увеличении.
Во время запуска 4 августа 2012 года почти вся катушка струны длиной 200 м была размотана (но струна болталась). При наблюдении за шаром через подзорную трубу угловые размеры шара составляли примерно одну десятую часть поля зрения. Телескоп “Турист-3” имеет увеличение 20х и угол обзора 2 градуса. Поэтому угловые размеры сферы составляли около 0,2 градуса. Учитывая, что диаметр воздушного шара при запуске составлял 37 см (мы игнорируем расширение шара), расстояние до шара составляло около 100 м.
Дешевый водород. Разработан упрощенный метод электролиза воды
Схема электролиза без мембраны: два параллельных электрода на расстоянии нескольких сотен микрометров друг от друга
Не секрет, что чистый водород является одним из самых перспективных альтернативных видов топлива. Водород добывается из любого водного раствора, а при горении он превращается обратно в воду, что может быть прекраснее?
Единственной проблемой является стоимость добычи водорода. Электролиз воды предполагает погружение электродов в воду с полимерной мембраной между ними. Ток течет от катода к аноду и по пути (с помощью катализатора) расщепляет воду на кислород и водород. Полимерная мембрана выполняет важную функцию, разделяя образующиеся газы.
Нафион или другой тип мембраны почти повсеместно используется сегодня в качестве ионопроводящей мембраны. Однако они дороги и имеют ограниченный срок службы. Кроме того, мембраны требуют особых условий для электролиза. Например, Nafion работает только в жидкостях с низкой кислотностью и только с определенными катализаторами.
Изобретение химиков из EPFL под руководством Димитрия Псалтиса устраняет эти ограничения и делает электролиз воды намного дешевле.
Они провели серию экспериментов с микроустройством, разместив электроды на разном расстоянии друг от друга и пропуская между ними воду с разной скоростью. Оказалось, что при определенном расстоянии между электродами H2 и О2 сами разлетаются в разные стороны без всякой мембраны!
Причиной такого поведения является эффект Сегре-Сильбергера, когда молекулы в жидкости поднимаются под действием тока.
Исследователи надеются адаптировать устройство ко всем типам жидких электролитов и всем типам катализаторов, поскольку больше нет риска повредить хрупкую мембрану. Обязательное требование использовать только драгоценные металлы, такие как платина, исчезнет из-за ограничений на кислотность (pH) жидкости.
Если микроустройство удастся увеличить до промышленных масштабов, это позволит резко снизить стоимость водорода, получаемого электролизом воды.
Исследовательская работа “Безмембранный электролизер для производства водорода по всей шкале pH” Опубликовано в журнале Energy & Environmental Science, DOI: 10.1039/C5EE00083A (зеркало).
Как можно безопасно производить водород в домашних условиях?
Для чего сегодня можно использовать водород?
Самый простой и доступный способ получения водорода в домашних условиях – это реакция между щелочами и алюминием. Однако чистота получаемого газа будет гораздо выше, чем при реакции с кислотой.
Для получения водорода вам понадобится алюминий и щелочной раствор.
Что касается алюминия, то лучше всего подойдет обычная фольга. Из шоколадных конфет или пищевой фольги.
Основой для щелочного раствора должно быть средство против засорения под названием “Крот”. Его много в магазинах, и у многих он есть дома.
В стеклянный сосуд, например, двух- или трехлитровую банку, насыпьте немного порошка или гранул “Крот”, примерно несколько столовых ложек, и залейте ста граммами воды комнатной температуры. Тщательно и осторожно перемешайте раствор, пока порошок/гранулы не растворятся. Следите за тем, чтобы раствор не попал на поверхность кожи или на открытые участки тела.
Скатайте пленку руками в маленькие шарики диаметром один-два сантиметра и опустите их в банку. Реакция выделения водорода начнется немедленно. Это можно наблюдать визуально и определить по выделению тепла. Затем подождите немного и посмотрите, не начнет ли реакция усиливаться. Обычно это где-то между 20 и 60 секундами. Затем добавьте еще одну столовую ложку крота и еще фольгу в банку. Вуаля! Вы добились выделения водорода в домашних условиях. Если закрыть банку плотной пластиковой крышкой, просверлить в ней отверстие и вставить в него трубку, то можно использовать трубку для хранения водорода. Например, в воздушном шаре.
Главное помнить, что водород – чрезвычайно огнеопасный и взрывоопасный газ, и все подобные эксперименты могут привести к пожару и травмам. Поэтому необходимо соблюдать строжайшие меры пожарной безопасности.
А вот куда использовать полученный водород – это каждый решает сам. Но нужно понимать, что этот эксперимент не является производственным устройством для промышленной добычи газа и в накопительном баке не удастся создать приличное давление. А крышка от банки может даже отвалиться под давлением водорода. Это, в свою очередь, увеличит риск возникновения пожара.
Такие вопросы очень интересны, потому что обычному человеку кажется, что производить водород довольно просто, но хотя это можно делать в нормальных условиях, это довольно опасно. Прежде всего, необходимо знать, что такие эксперименты следует проводить только на открытом воздухе, поскольку водород – очень легкий газ (примерно в 15 раз легче обычного воздуха) и будет скапливаться у потолка, образуя взрывоопасную смесь. Однако, если вы примете все необходимые меры для предотвращения проблем, вы сможете провести реакцию взаимодействия щелочи с алюминием.
Возьмите колбу (лучше всего) или стеклянную бутылку объемом 1/2 литра, пробку (центральное отверстие), трубку для отвода водорода, 10 грамм алюминия и сульфата алюминия (меди), поваренную соль (около 20 грамм), 200 мл. воды и шарик (резиновый) для сбора водорода. Витриол можно купить в садовых магазинах, а пивные банки или проволоку можно использовать в качестве сырья для производства алюминия. Разумеется, эмаль должна быть удалена путем запекания, а алюминий должен быть чистым и без загрязнений.
На 10 г купороса берут 100 мл воды, соответственно, и готовят второй раствор – на 20 г соли берут 100 мл воды. Оттенки растворов будут следующими: купорос – синим, соль – бесцветным. Затем мы смешиваем все вместе и получаем такой зеленоватый оттенок раствора. Добавляется ранее подготовленный алюминий. Смесь начнет пениться – это водород. Алюминий заменяет медь, и вы можете увидеть это собственными глазами по красноватому оттенку необработанного алюминия. Появляется беловатая взвесь, в которой и начинает накапливаться необходимый нам водород.
В процессе выделяется дополнительное тепло; в химии этот процесс называется экзотермическим. Конечно, если процесс не контролировать, вы получите своего рода гейзер, который будет выплевывать порции кипятка, поэтому начальную концентрацию необходимо контролировать. Для этой цели также используется пробка, чтобы водород можно было безопасно выпустить наружу. Диаметр трубы, кстати, не должен превышать 8 миллиметров. Собранный водород может надуть воздушный шар, который будет намного легче окружающего воздуха, что позволит ему подняться вверх. Откровенно говоря, такие эксперименты должны проводиться с особой осторожностью и вниманием, иначе травм и ожогов не избежать.
Получение водорода в домашних условиях
Шапилова, В. В. Получение водорода в домашних условиях / В. V. Шапилова, Г. И. Талапчук. – Текст : немедленно // Молодой ученый. – 2018. – № 1.1 (15.1). – С. 97-98. – URL: https://moluch.ru/young/archive/15/1180/ (дата обращения: 30.10.2021).
Чистый водород почти никогда не встречается на Земле, и мы не сталкиваемся с ним в повседневной жизни. Но в соединениях он является вторым по количеству атомов элементом в земной коре после кислорода. Все живые организмы на Земле, включая нас с вами, состоят примерно на 2/3 из водорода.
Ключевые слова: водород, производство водорода.
Так что же такое водород? Каковы его свойства? Как его добывают и используют в земных условиях? Можно ли получить водород в домашних условиях и как это лучше сделать? На эти и другие вопросы мы постараемся ответить в ходе нашей научной работы.
Водород – самый простой элемент в природе, состоящий из одного протона и вращающегося вокруг него электрона. Первое упоминание о производстве водорода принадлежит английскому ученому Роберту Бойлю, который в 1671 году провел реакцию между железными опилками и разбавленной кислотой. Русское название “водород” было предложено химиком М. F. Соловьева в 1824 году – по аналогии с “кислородом” М.В. Ломоносова. Официальное латинское название водорода – “Hydrogenium”.
В промышленности водород в основном добывается из ископаемого топлива. В первую очередь это природный газ, метан, с которым большинство из нас может столкнуться на кухне, если у нас есть газовая плита. Водород получают из легких фракций сырой нефти. Третьим по распространенности источником водорода является уголь.
Проще всего воспроизвести в домашних условиях разложение воды под воздействием электрического тока (электролиз).
Для нашего эксперимента мы взяли старое зарядное устройство 5 В 750 мА и угольные электроды, взятые из обычных солевых батареек. Для измерения протекающего тока использовался мультиметр.
Для сбора и измерения образующихся газов в бутылки наливали воду и присоединяли их к основной емкости горлышком вниз, погружая их в электролит. Это было сделано таким образом, чтобы в бутылку не попал воздух. В общей сложности в баке и бутылках вышло около 1,5 литров воды. Как и ожидалось, с чистой водой ничего не произошло, когда напряжение было подано от зарядного устройства. Мультиметр показывал почти нулевой ток. Однако, когда в воду добавили две чайные ложки соды, электролиз стал более активным, на обоих электродах начали появляться пузырьки газа, а мультиметр показал ток 15 мА. При таком малом токе за 24 часа можно собрать всего 0,11 литра водорода (примерно полстакана). Вторая бутылка собрала в два раза меньше кислорода. Это означает, что водорода в воде в два раза больше, чем кислорода.
Наблюдение водорода, выделяющегося при взаимодействии металлов с разбавленными кислотами, было первым в истории химии. И его относительно легко повторить в домашних условиях. Для этого нам нужен металл, предпочтительно более реакционноспособный, и кислота. В нашем эксперименте мы выбрали электролит для свинцовых аккумуляторов, который можно найти в ближайшем автомобильном магазине, и цинк из использованных солевых батарей. Для сбора водорода, как и при электролизе, мы использовали перевернутую бутылку с горлышком, погруженным в воду. Электролит дополнительно разбавляли водой в соотношении 50 мл раствора серной кислоты к 150 мл воды. Из батареи было получено около 1 г цинка. В течение 12 часов весь металл растворился, и было получено 0,7 л водорода.
Другим популярным методом является взаимодействие металлов со щелочами. Для эксперимента мы выбрали два варианта, которые были у нас под рукой – куски проволоки и фольги для выпечки. Щелочь (гидроксид натрия) можно найти в хозяйственных магазинах в виде средства для чистки канализационных труб (например, KROT). Аппаратура была почти такой же, как и в экспериментах с кислотой и цинком. В обоих экспериментах раствор был одинаковым: 20 мл щелочи и 200 мл воды. В первом эксперименте использовалась проволока диаметром 1,5 мм, а во втором – кусочки фольги. В обоих случаях масса алюминия составляла 1 г. В первом эксперименте было получено 1,2 л водорода, что заняло 34 часа. Во втором эксперименте фольга растворилась за 1 час 20 минут, выделив 1,4 л водорода. Из этих экспериментов можно сделать вывод, что скорость реакции сильно зависит от поверхности, на которой она протекает. В эксперименте с фольгой площадь поверхности была во много раз больше, чем в эксперименте с проволокой. Еще более высокая скорость может быть достигнута при использовании алюминиевой пудры. В этом случае отношение площади поверхности к массе будет самым высоким.
Так, в экспериментах по получению водорода самым быстрым и доступным методом было взаимодействие алюминиевой фольги со щелочами. Однако, если водород должен производиться регулярно и в больших количествах, электролиз должен быть на первом месте, поскольку он не требует никаких расходных материалов, кроме воды. Однако для этого потребуется более серьезная установка, чем зарядное устройство для телефона и несколько бутылок.
В ходе экспериментов мы узнали о водороде – самом распространенном, но редком веществе. Мы научились делать его различными методами и выбрали способ, наиболее удобный для домашнего использования – нанесение щелочного средства для чистки труб на алюминиевую фольгу.
Мы также узнали, что водород – легковоспламеняющийся и взрывоопасный газ, но его можно использовать для наполнения воздушных шаров, чтобы они летали. Их следует держать вдали от открытого огня.