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
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。此时的氧化能力明显减弱,则铝与H+反应产生的氢气被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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