Παραγωγή νερού από υδρογόνο και οξυγόνο
Η παραγωγή νερού από υδρογόνο και οξυγόνο είναι τόσο απλή όσο η ανάμειξη αερίου υδρογόνου και αερίου οξυγόνου και η προσθήκη σπινθήρα ή θερμότητας. Η ισορροπημένη εξίσωση για τη χημική αντίδραση είναι:
2 H2 + O2 → 2 H2 O
Αυτή είναι μια αντίδραση σύνθεσης που παράγει νερό από τα στοιχεία του. Είναι επίσης μια αντίδραση καύσης. Η καύση υδρογόνου για την παραγωγή νερού παράγει μια έντονη κόκκινη φλόγα και έναν δυνατό ήχο.
Πώς το υδρογόνο και το οξυγόνο παράγουν το νερό
Η απλή ανάμειξη υδρογόνου και οξυγόνου μαζί δεν θα δημιουργήσει νερό. Το υδρογόνο και το οξυγόνο υπάρχουν και τα δύο ως διατομικά αέρια. Μια αντίδραση μεταξύ τους απαιτεί ενέργεια για να σπάσει τους δεσμούς μεταξύ των ατόμων ώστε να σχηματίσουν ένα νέο προϊόν. Μόλις σπάσουν οι δεσμοί, κάθε άτομο υδρογόνου έχει θετικό φορτίο +1, ενώ κάθε άτομο οξυγόνου έχει αρνητικό φορτίο -2. Δύο άτομα υδρογόνου που συνδέονται με ένα άτομο οξυγόνου δίνουν νερό, το οποίο είναι ηλεκτρικά ουδέτερο. Ένας ηλεκτρικός σπινθήρας λειτουργεί για να ξεκινήσει την αντίδραση, όπως και η θερμότητα. Όμως, μόλις ξεκινήσει η αντίδραση, είναι εξαιρετικά εξώθερμη και ολοκληρώνεται.
Απλές επιδείξεις για την παραγωγή νερού
Είναι εύκολο να αποδείξετε ότι παράγετε νερό από υδρογόνο και οξυγόνο. Το κλειδί είναι να διατηρείται η κλίμακα της αντίδρασης μικρή. Διαφορετικά, παράγεται υπερβολική θερμότητα.
Μια μέθοδος είναι η διοχέτευση υδρογόνου μέσω σαπουνόνερου για να σχηματιστούν φυσαλίδες σαπουνιού υδρογόνου. Αυτές οι φυσαλίδες επιπλέουν επειδή είναι ελαφρύτερες από τον αέρα. Χρησιμοποιήστε έναν αναπτήρα με μακριά λαβή ή έναν νάρθηκα καύσης που είναι προσαρτημένος σε ένα μετρητή ράβδος για να ανάψετε τις φυσαλίδες. Λάβετε υδρογόνο είτε από δοχείο συμπιεσμένου αερίου είτε μέσω χημικής αντίδρασης.
Μια άλλη μέθοδος είναι να γεμίσετε ένα μικρό μπαλόνι με υδρογόνο και να αγγίξετε το μπαλόνι με έναν φλεγόμενο νάρθηκα που συνδέεται σε ένα ραβδί μετρητή. Το υδρογόνο στο μπαλόνι αντιδρά με το οξυγόνο του αέρα. Μπορείτε να γεμίσετε ένα μπαλόνι με υδρογόνο και οξυγόνο και να το ανάψετε, αλλά μόνο πίσω από μια ασπίδα ασφαλείας και χρησιμοποιώντας προστασία ακοής.
Πόσιμο νερό και κυψέλες καυσίμου
Σύμφωνα με μια έκθεση του ΟΗΕ για την Ανάπτυξη των Υδάτων του 2006, περίπου ένας στους πέντε ανθρώπους δεν έχει πρόσβαση σε καθαρό πόσιμο νερό. Εάν το νερό είναι τόσο εύκολο να παρασκευαστεί, γιατί δεν το χρησιμοποιούμε ως παροχή γλυκού νερού; Υπάρχουν δύο λόγοι. Πρώτον, είναι επικίνδυνο να συνδυάζετε μεγάλες ποσότητες υδρογόνου και οξυγόνου. Το ατύχημα του Χίντενμπουργκ είναι ένα παράδειγμα του αποτελέσματος. Ο άλλος λόγος είναι ότι δεν είναι οικονομικά πρακτικό ή περιβαλλοντικά ορθό. Απαιτείται περισσότερη ενέργεια για την παραγωγή υδρογόνου για την παραγωγή νερού από ό,τι για να ληφθεί νερό από άλλες πηγές.
Ωστόσο, η αντίδραση μεταξύ υδρογόνου και οξυγόνου βρίσκει πρακτική εφαρμογή στις κυψέλες καυσίμου. Σε μια κυψέλη καυσίμου, το υδρογόνο (ή άλλο καύσιμο) αντιδρά με οξυγόνο (ή άλλο οξειδωτικό), παράγοντας ηλεκτρική ενέργεια και θερμότητα. Οι κυψέλες καυσίμου χρησιμοποιούν καταλύτες για να μειώσουν την ενέργεια ενεργοποίησης της αντίδρασης, επομένως είναι ευκολότερο να ξεκινήσει. Το νικέλιο είναι ένας κοινός καταλύτης, ενώ το νερό είναι το πιο κοινό «απόβλητο» προϊόν. Οι κυψέλες καυσίμου υδρογόνου χρησιμοποιούνται για εφεδρική παραγωγή ενέργειας, τροφοδοσία διαστημικών σκαφών και απομακρυσμένων εγκαταστάσεων και σε αυτοκίνητα υδρογόνου.
Γιατί το υδρογόνο και το οξυγόνο παράγουν νερό αντί για υπεροξείδιο του υδρογόνου
Το νερό δεν είναι η μόνη κοινή χημική ουσία που παράγεται από υδρογόνο και οξυγόνο. Ίσως αναρωτιέστε γιατί το υδρογόνο και το οξυγόνο παράγουν το νερό (H2 Ο) αντί για υπεροξείδιο του υδρογόνου (H2 O2 ). Η απλούστερη εξήγηση είναι ότι είναι πολύ πιο ευνοϊκό για δύο άτομα υδρογόνου να αντιδρούν με ένα άτομο οξυγόνου παρά να προσθέτουν άλλο οξυγόνο στο μείγμα. Παρόλο που το αέριο οξυγόνο είναι O2 , ο δεσμός μεταξύ του ατόμου πρέπει να σπάσει ώστε το οξυγόνο να σχηματίσει δεσμούς με το υδρογόνο για να δημιουργήσει νερό. Θυμηθείτε ότι ενώ η συνήθης κατάσταση οξείδωσης του οξυγόνου είναι -2, στην πραγματικότητα εμφανίζει άλλες καταστάσεις. Μερικές φορές το υδρογόνο και το οξυγόνο σχηματίζουν υπεροξείδιο του υδρογόνου, αλλά το μόριο είναι εγγενώς ασταθές και τελικά αποσυντίθεται σε νερό και οξυγόνο.
Ο Λαβουαζιέ κάνει νερό
Οι επιστήμονες γνώριζαν ότι το οξυγόνο και το υδρογόνο παράγουν το νερό πολύ πριν καταλάβουν τη μοριακή βάση για τις χημικές αντιδράσεις. Ο Γάλλος χημικός Αντουάν Λαβουαζιέ μάλιστα ονόμασε το στοιχείο υδρογόνο για την αντίδραση. Το όνομα του υδρογόνου προέρχεται από τις ελληνικές λέξεις που σημαίνουν «υδατοσχηματισμός». Ο Lavoisier ανακάλυψε τον ρόλο που παίζει το οξυγόνο στην καύση, χρησιμοποιώντας τελικά την αντίδραση μεταξύ υδρογόνου και οξυγόνου για να αποδείξει τη διατήρηση της μάζας για τις αντιδράσεις καύσης και να καταρρίψει τη θεωρία φλογιστονίων.
Αναφορές
- Grove, William Robert (1839). «Σχετικά με τις βολταϊκές σειρές και τον συνδυασμό αερίων από πλατίνα». Philosophical Magazine and Journal of Science . XIV (86–87):127–130. doi:10.1080/14786443908649684
- Hauch, Anne; Ebbesen, Sune Dalgaard; et al. (2008). «Υψηλής απόδοσης ηλεκτρόλυση υψηλής θερμοκρασίας». Journal of Materials Chemistry . 18 (20):2331. doi:10.1039/b718822f
- Khurmi, R. S. (2014). Επιστήμη του υλικού . S. Chand &Company.
- Schmidt-Rohr, K. (2015). «Γιατί οι καύσεις είναι πάντα εξώθερμες, αποδίδουν περίπου 418 kJ ανά mole O2 ". J. Chem. Εκπαιδεύω . 92:2094–2099. doi:10.1021/acs.jchemed.5b00333
