CN100526211C - 一种制备氢气的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于化学化工技术领域，特别是属于一种制备氢气的方法。长期以来，在理论上和实验中，硝酸被普遍认为不能与铝反应产生氢气，而本发明克服了技术上的困难，提供了一种硝酸与铝反应制备氢气的方法。本发明的技术要点是：先将铝块去氧化膜处理后再浸入HgCl2溶液中，待其表面呈现灰黑色时取出，即得到表面附有铝汞齐膜的铝块，将表面附有铝汞齐膜的铝块放入装有浓度小于或等于1.6mol/L的稀硝酸的容器中，便产生无色的氢气。本发明具有如下积极效果：可靠性强，成功率高；化学药品、材料易得，耗时短；操作便捷、安全；仪器、装置简单；开创了新的制氢方法，可广泛应用于燃料、化工、有机合成等技术领域。

Description

一种制备氢气的方法
技术领域
本发明属于化学化工、燃料技术领域，特别是属于一种制备氢气的方法。
背景技术
在化学化工技术领域中，众所周知，硝酸是强氧化性酸，它与金属或还原剂作用是氮元素N被还原成各种低氧化态的产物，具体得到何种产物或以何种产物为主，不仅取决于硝酸本身的浓度，还取决于还原剂的本性和反应温度。
当硝酸浓度较大时，硝酸与铝反应也能产生氢气，即：
Al+H+→H2+Al3+
不过所产生的氢气还没来得及逸出，就被硝酸氧化了，硝酸本身则被还原成NO2，即：
H2+HNO3→H2O+NO2
当硝酸浓度降低时，二氧化氮被进一步还原，产物为一氧化氮、一氧化二氮、氮气、肼、氨气等。因此，长期以来，在理论上和实验中，硝酸被普遍认为不能与铝反应产生氢气。
发明内容
本发明突破了现有技术理论的禁锢，克服了技术上的难关，提供了一种硝酸与铝产生化学反应而制备氢气的方法。
本发明的制备氢气的方法包括如下顺序的步骤：
(1)先将铝块去氧化膜并进行化学处理后，得到表面附有铝汞齐膜的铝块；
(2)将表面附有铝汞齐膜的铝块放入装有浓度小于或等于1.6mol/L的稀硝酸的容器中，便产生无色的氢气，此过程的化学反应方程式是：
2Al(Hg)+6HNO3＝＝＝2Al(NO3)3+3H2↑+2Hg
上述第(1)步的化学处理又可包括如下顺序的步骤：
(1)将铝块先浸入NaOH溶液中，待其表面有气泡冒出时取出铝块并用水冲掉碱液，此过程的化学反应方程式是：
Al2O3(Al)+2NaOH+3H2O＝＝＝2Na[Al(OH)4]+Al
(2)将以上在NaOH溶液中处理后得到的铝块用水洗尽碱液后再浸入HgCl2溶液中，待其表面呈现灰黑色时取出，即得到表面附有铝汞齐膜的铝块，此过程的化学反应方程式是：
2Al+3HgCl2＝＝＝2AlCl3+3Hg
Al+Hg＝＝＝Al(Hg)(铝汞齐)
通过本发明提供的上述步骤的方法，能够实现由硝酸与铝反应而产生氢气，并且能产生如下的积极效果：(1)可靠性强，成功率高；(2)化学药品、材料易得，耗时短；(3)操作便捷、安全；(4)仪器、装置简单；(5)有助于从理论上和实验中充分认识铝和硝酸的化学性质，对于如何准确掌握和灵活运用这些规律并更好地为生产、生活和科研服务提供了新的实验依据；(6)开创了新的制氢方法，可广泛应用于燃料、化工、有机合成等技术领域。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明作进一步详细的描述。
实施例一：取一块铝箔先将其进行去氧化膜的处理，去膜处理也可采用砂纸将铝箔打磨，而在本发明中是采用将铝箔卷起后浸入NaOH溶液中，见其表面有气泡冒出时取出铝箔并用水冲掉碱液，此过程的化学反应方程式是：
Al2O3(Al)+2NaOH+3H2O＝＝＝2Na[Al(OH)4]+Al
然后将去掉氧化膜的铝箔再浸入HgCl2溶液中，见表面呈现灰黑色时取出并将其放入装有浓度为1.6mol/L稀硝酸中，即有无色气体产生，该气体遇空气颜色不变色，但产生气体气泡的速度较慢。该气体具有纯氢气的可燃性、还原性以及不纯氢气的爆鸣性。此过程的化学反应方程式是：
2Al+3HgCl2＝＝＝2AlCl3+3Hg
Al+Hg＝＝＝Al(Hg)(铝汞齐)
2Al(Hg)+6HNO3＝＝＝2Al(NO3)3+3H2↑+2Hg
实施例二：其反应条件和反应过程与实施例一相同，不同之处是稀硝酸的浓度为0.07mol/L。由实验结果可见，有无色气体快速产生，该气体遇空气颜色不变色，产生气体气泡速度较实施例一快。该气体具有纯氢气的可燃性、还原性以及不纯氢气的爆鸣性。化学反应方程式与实施例一相同。
实施例三：其反应条件和反应过程也与实施例一相同，不同之处是稀硝酸的浓度为0.01mol/L。由实验结果可见，有无色气体产生，该气体遇空气颜色不变色，产生气体气泡速度较实施例二慢。该气体具有纯氢气的可燃性、还原性以及不纯氢气的爆鸣性。化学反应方程式也与实施例一相同。
本发明的原理如下：
虽然长期以来硝酸被普遍认为不能与铝反应产生氢气，然而，在酸性介质中尽管电极电势数据暗示
Figure C200710034885D0005110930QIETU
离子是个颇强的氧化剂，但动力学原因导致它在稀酸中的反应一般都很慢。由于氧加合质子之后会促进N-O键断裂，浓HNO3在热力学上是更强的氧化剂而且反应速率快于稀硝酸。因此，伴随硝酸浓度的逐渐降低
Figure C200710034885D0005114039QIETU
的氧化能力逐渐减弱，反应速率降低，所产生的氢气被硝酸氧化的机会随之减少，导致产生氢气的速度逐渐加快。
当硝酸浓度降低到一定程度时，二氧化氮的生成速率很慢，产生的数量很少，NO2获得金属铝的电子的几率减少。此时
Figure C200710034885D0005114039QIETU
的氧化能力明显减弱，则铝与H+反应产生的氢气被
Figure C200710034885D0005114039QIETU
氧化的可能性就小了很多。于是，硝酸的主要还原产物不再是氮的低价态化合物或氮气，而明显是H+的还原产物：氢气。
通过实验证明，未经氯化汞溶液处理过的铝箔与不同浓度硝酸反应时，无氢气产生，当纯铝片与小于4mol/L硝酸反应时也几乎看不出明显的反应现象，而经氯化汞溶液浸泡过的铝片可与稀硝酸作用产生氢气。实验中还发现能与铝反应产生氢气的硝酸的最大浓度是1.6mol/L，而产生氢气最快时硝酸的浓度是0.07mol/L。
下面附铝与硝酸反应的实验结果表：
附表1 未经氯化汞溶液处理过的铝箔与不同浓度硝酸反应的实验现象
 
硝酸浓度(mol/L) 实验现象 结论
6.00 产生无色气体，该气体遇空气颜色变成红棕色；点燃的火柴梗放在试管口，无爆鸣声；气泡产生速度较慢。               有NO产生，无H<sub>2</sub>产生
5.50 产生无色气体，该气体遇空气颜色变成红棕色；点燃的火柴梗放在试管口，无爆鸣声；气泡产生速度较慢。               有NO产生，无H<sub>2</sub>产生
5.00 无色气体产生，该气体遇空气颜色不变色；点燃的火柴梗放在试管口，无爆鸣声；气泡产生速度极慢，4h后才收集约4mL气体。 无H<sub>2</sub>产生
4.50 气泡产生速度极慢，12h后收集不到1mL气体。 无H<sub>2</sub>产生
4.00 无明显现象，长期浸泡收集不到气体。 无H<sub>2</sub>产生
表2 经氯化汞溶液处理过的铝箔与不同浓度硝酸反应的实验现象
 
硝酸浓度(mol/L) 实验现象 结论
6.00 迅速产生大量无色气体，该气体遇空气颜色变成红棕色；点燃的火柴梗放在试管口，无爆鸣声。                     有NO产生，无H<sub>2</sub>产生
5.50 迅速产生大量无色气体，该气体遇空气颜色变成红棕色；点燃的火柴梗放在试管口，无爆鸣声。                     有NO产生，无H<sub>2</sub>产生
5.00 无色气体产生，该气体遇空气颜色不变色；点燃的火柴梗放在试管口，无爆鸣声。                                 无H<sub>2</sub>产生
4.50 无色气体产生，该气体遇空气颜色不变色；点燃的火柴梗放在试管口，无爆鸣声。产生气泡速度变慢。               无H<sub>2</sub>产生
4.00 无色气体产生，该气体遇空气颜色不变色；点燃的火柴梗放在试管口，无爆鸣声。产生气泡速度较上慢。             无H<sub>2</sub>产生
3.00 无色气体产生，该气体遇空气颜色不变色；点燃的火柴梗放在试管口，无爆鸣声。产生气泡速度较上慢。             无H<sub>2</sub>产生
2.00 无色气体产生，该气体遇空气颜色不变色；点燃的火柴梗放在试管口，无爆鸣声。产生气泡速度较上慢。             无H<sub>2</sub>产生
1.80 无色气体产生，该气体遇空气颜色不变色；点燃的火柴梗放在试管口，无爆鸣声。                                 无H<sub>2</sub>产生
1.70 无色气体产生，该气体遇空气颜色不变色；点燃的火柴梗放在试管口，无爆鸣声。                                 无H<sub>2</sub>产生
1.60 无色气体产生，该气体遇空气颜色不变色；点燃的火柴梗放在试管口，有尖锐的爆鸣声；产生气泡速度较上快。       有H<sub>2</sub>产生
1.50 无色气体产生，该气体遇空气颜色不变色；点燃的火柴梗放在试管口，有爆鸣声；产生气泡速度加快。               有H<sub>2</sub>产生
1.20 无色气体产生，该气体遇空气颜色不变色；点燃有“噗”的一声；火焰被吸入试管内；产生气泡速度较上快。           有H<sub>2</sub>产生
0.50 无色气体产生，该气体遇空气颜色不变色；点燃有“噗”的一声；火焰被吸入试管内；产生气泡速度较上快。           有H<sub>2</sub>产生
0.10 无色气体产生，该气体遇空气颜色不变色；点燃有“噗”的一声；火焰被吸入试管内；产生气泡速度较上快。           有H<sub>2</sub>产生
0.07 无色气体产生，该气体遇空气颜色不变色；点燃有“噗”的一声；火焰被吸入试管内；产生气泡速度较上快。           有H<sub>2</sub>产生
0.06 无色气体产生，该气体遇空气颜色不变色；点燃有“噗”的一声；火焰被吸入试管内；产生气泡速度较上慢。           有H<sub>2</sub>产生
0.05 无色气体产生，该气体遇空气颜色不变色；点燃有“噗”的一声；火焰被吸入试管内；产生气泡速度较上慢。           有H<sub>2</sub>产生
0.01 无色气体产生，该气体遇空气颜色不变色；点燃有“噗”的一声；火焰被吸入试管内；产生气泡速度较上慢。           有H<sub>2</sub>产生

Claims (2)

1、一种制备氢气的方法，是将铝块先浸入NaOH溶液中，待其表面有气泡冒出时取出铝块并用水冲掉碱液，此过程的化学反应方程式是：
Al2O3(Al)+2NaOH+3H2O＝＝＝2Na[Al(OH)4]+Al；
然后，将处理后得到的铝块再浸入HgCl2溶液中，待其表面呈现灰黑色时取出，即得到表面附有铝汞齐膜的铝块，此过程的化学反应方程式是：
2Al+3HgCl2＝＝＝2AlCl3+3Hg
Al+Hg＝＝＝Al(Hg)；
其特征在于：将表面附有铝汞齐膜的铝块放入装有浓度小于或等于1.6mol/L的稀硝酸的容器中，便产生无色的氢气，此过程的化学反应方程式是：
2Al(Hg)+6HNO3＝＝＝2Al(NO3)3+3H2↑+2Hg。
2、根据权利要求1所述的制备氢气的方法，其特征在于所述稀硝酸的浓度为0.07mol/L。
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