В статье описаны свойства водорода, история его использования в качестве топлива, методы получения и перспективы применения. Особое внимание уделено практическим экспериментам по электролизу воды, которые доказывают возможность экологичного получения водорода.
Ключевые слова: водородное топливо, экологически чистая энергия, электролиз воды, альтернативные источники энергии, топливо будущего.
Актуальность исследования: от проблемы к гипотезе.
Вопрос охраны окружающей среды с каждым годом приобретает всё большую остроту и значимость. Используемые сегодня виды топлива при сжигании выделяют углекислый газ, нанося существенный ущерб экосистеме.
Однажды в научно-популярной телепрограмме я услышал о существовании автомобилей, которые можно заправлять водой. Эта информация показалась мне невероятной, и я решил разобраться в этом вопросе подробнее. Оказалось, что из воды можно добыть водород, который в свою очередь является мощным топливом. Эти два ключевых свойства водорода — его доступность и отсутствие вредных выбросов при сгорании — натолкнули меня на мысль: возможно, именно водород станет основным топливом будущего. Так в начале моего исследования сформировалась гипотеза: водород действительно может стать топливом повседневного применения, если использовать для его получения возобновляемые источники энергии.
Мне захотелось больше узнать о том, что такое водород, почему о нём так много говорят, почему его считают самым чистым топливом, где можно встретить водород в природе, и самое главное: как можно получить водород обычному человеку. Это определило цель моего исследования, где объектом стал процесс использования водорода как топлива, а предметом — его свойства как альтернативного энергоносителя.
Для проведения исследования я использовал следующие методы : изучение теории, исследование собранных материалов, проведение эксперимента, наблюдение, анализ полученных результатов.
Свойства водорода
Водород — первый элемент таблицы Менделеева, самый лёгкий газ без цвета и запаха. Он в 14 раз легче воздуха, поэтому шарик, наполненный водородом, взлетает. Однако водород горюч и взрывоопасен. В природе водород встречается в составе воды, нефти, природного газа и даже в живых организмах. На Земле его почти нет в чистом виде, поэтому его нужно добывать.
История водородного топлива: от открытия до наших дней
Первые шаги в изучении водорода были сделаны еще в XVIII веке. В 1766 году английский учёный Генри Кавендиш впервые выделил этот газ и дал ему название «горючий воздух». Позже, в 1783 году, французский химик Антуан Лавуазье предложил современное название «водород», что означает «рождающий воду», так как при его сгорании действительно образуется вода.
Практическое применение водорода в транспорте началось в 1806 году, когда швейцарский изобретатель Франсуа Исаак де Риваз создал первый в мире двигатель внутреннего сгорания, работающий на водородно-кислородной смеси. В XX веке водород нашел применение в воздухоплавании — им заполняли аэростаты, а позже стали использовать в космических программах.
Особый интерес представляет советский опыт: в 1979 году на базе автомобиля «Москвич-412» был создан экспериментальный образец с водородным двигателем. Современная Россия также вносит вклад в развитие этой технологии — в 2023 году российские ученые разработали специальный водородный двигатель для использования в суровых условиях Арктики.
Эти исторические вехи показывают, как постепенно развивалась водородная энергетика — от первых научных открытий до практического применения в различных сферах человеческой деятельности.
Способы получения водорода
Водород можно добывать разными способами. Самый популярный — из природного газа: его смешивают с паром и нагревают, получая водород, но при этом выделяется вредный углекислый газ. Уголь тоже можно перерабатывать в водород путём сильного нагрева без доступа воздуха, однако при этом, помимо водорода, образуются токсичные соединения серы и углекислый газ, загрязняющие атмосферу. Самый чистый способ — электролиз: если пропускать электричество через воду, она распадается на водород и кислород, и ничего вредного не образуется. Каждый способ используют там, где есть нужное сырьё: в России — газ, в Китае — уголь, в Норвегии с её дешёвой электроэнергией — электролиз воды.
Экспериментальное получение водорода: серия опытов
Для более детального изучения свойств водорода я выбрал метод электролиза воды — процесс разложения молекулы воды на кислород и водород под действием электрического тока. Собрать установку для электролиза я смог в домашних условиях. Для проведения опыта мне потребовались: два графитовых стержня, пластиковый контейнер объёмом 500 мл, два провода с зажимами типа «крокодил», портативная солнечная панель в качестве источника тока и поваренная соль для увеличения электропроводности воды.
Рис. 1. Инструменты для проведения эксперимента
Для проведения эксперимента № 1 я взял стеклянный стакан объёмом 500 мл и налил в него тёплую воду (30–40°C), чтобы соль лучше растворялась. Затем добавил одну столовую ложку поваренной соли, чтобы вода лучше проводила электричество, так как чистая вода почти не проводит ток. Затем я закрепил два графитовых стержня с помощью ластика, чтобы они стояли устойчиво и к ним можно было подключить провода. После этого я собрал электрическую цепь: соединил проводами солнечную панель (это мой источник тока) с графитовыми стержнями и добавил в цепь вольтметр, чтобы измерять напряжение. Когда я подал напряжение 6В, то сразу увидел, как на стержнях начали появляться пузырьки газа. Так я наглядно убедился, что электрический ток действительно разлагает воду на газы (на отрицательном стержне (катоде) выделялся водород, а на положительном (аноде) — кислород).
Рис. 2. Эксперимент № 1 «Электролиз воды»
После успешного проведения первого эксперимента я решил изучить влияние электролита на процесс электролиза, для чего повторил опыт в изменённых условиях. В эксперименте № 2 я провёл электролиз чистой воды без соли. Подключив к графитовым стержням напряжение 12В, я заметил, что пузырьков водорода (на отрицательном электроде) и кислорода (на положительном электроде) образуется намного меньше, чем с солёной водой. Вывод: электролит ускоряет процесс.
В эксперименте № 3 я решил исследовать влияние напряжения на электролиз. Для этого я собрал схему источника питания из двух пальчиковых батареек, каждой по 1,5В. На графитовых электродах в солевом растворе я заметил выделение газов, однако скорость процесса оказалась значительно ниже, чем при 6В. Вывод: чем сильнее ток (больше напряжение), тем быстрее вода разлагается на газы.
В эксперименте № 4 я решил определить, как материал электродов воздействует на процесс электролиза. Для этого заменил графитовые стержни на медные, свернув два отрезка медной проволоки в спиралевидные электроды. При подаче напряжения 6В на медные электроды, погруженные в солевой раствор, я увидел выделение газов, однако процесс сопровождался побочной реакцией — окислением меди, что проявилось в изменении цвета раствора, который постепенно стал приобретать мутный зеленоватый оттенок. Вывод: материал электродов существенно влияет на процесс электролиза.
Для подтверждения того, что полученный газ действительно является водородом, я провёл тест ( эксперимент № 5 ) на горение — ключевое свойство данного элемента. Усовершенствовав установку, я добавил к графитовым электродам медицинские шприцы для сбора выделяющегося газа. При подаче напряжения 6В газ постепенно стал заполнять шприцы. Набрав достаточное количество, я выпустил часть газа в мыльный раствор и поджёг образовавшиеся пузыри — они загорелись характерным пламенем; затем направил струю оставшегося газа из шприца на пламя свечи и стал свидетелем интенсивного горения. Вывод: яркая воспламеняемость и характер горения подтвердили, что полученный газ — водород.
Рис. 4. Эксперимент № 5 «Электролиз воды. Горение водорода»
Итоги исследования: результаты и перспективы.
В ходе своего исследования я узнал много интересного о водороде. Оказалось, что это самый распространённый элемент на Земле, который можно получить из обычной воды с помощью электричества. Это делает его очень перспективным видом топлива.
Я выяснил, что водород уже используют в разных видах транспорта — машинах, самолётах и даже ракетах. Главное его преимущество — при сгорании он выделяет только чистую воду, не загрязняя воздух вредными веществами, как бензин или дизельное топливо. Однако следует учитывать и существующие ограничения: водород легко воспламеняется; его трудно хранить и перевозить; часто его производят неэкологичными способами.
Мои эксперименты показали, что водород действительно можно получать экологично. Для этого нужно: использовать чистую воду, применять «зелёную» энергию (от солнца, ветра или воды); правильно выбирать материалы для электродов.
В ходе опытов я своими глазами увидел, как с помощью солнечной панели и простых материалов можно разложить воду на водород и кислород. Это доказало, что моя гипотеза верна — водород действительно может стать топливом будущего, если добывать его экологически чистыми способами.
Самое удивительное, что такие технологии уже существуют! И если мы будем развивать «зелёный» водород, то сможем сохранить нашу планету чистой для будущих поколений. Мои эксперименты — это маленький шаг в этом направлении, и я обязательно продолжу изучать эту интересную тему.
Литература:
1. Белов, А. Водородные автомобили: как это работает? / А. Белов // Юный техник. — 2024. — № 5. — С. 12–15.
2. Дабахов, И. Водород — топливо будущего [Электронный ресурс] // Тартария WIKI справочник. — URL: https://cyberleninka.ru/article/n/vodorod-toplivo-buduschego (дата обращения: 15.01.2025).
3. Дигонинский, С. В. Неизвестный водород. — Санкт-Петербург: Наука, 2017. — 250 с.
4. «Зелёный водород» — топливо будущего // Наука и жизнь для школьников. — 2023. — № 11. — С. 8–11.
5. Кузык, Б. Н., Яковец, Ю. В. Россия: стратегия перехода к водородной энергетике. — М.: Институт экономических стратегий, 2007. — 400 с.
6. Леенсон, И. А. Почему вода мокрая? Весёлые опыты с веществами / И. А. Леенсон. — М.: Росмэн, 2019. — 48 с.
7. Перевала, М. Н. Водород — топливо будущего? // Молодой ученый. — 2015. — № 14. — С. 662–666. — URL: https://moluch.ru/archive/94/21092 (дата обращения: 19.12.2024).
8. Смирнов, А. В. Занимательная химия для детей: Водород и другие элементы / А. В. Смирнов. — М.: АСТ, 2021. — 64 с.
9. Химия: детская энциклопедия / редколлегия: А. Б. Лидин [и др.]. — М.: Росмэн, 2020. — 623 с.
