Химия и Химики № 3 2013. Опыты с гремучим газом

Получение гремучего газа электролизом (электролизер №1)

Получение водорода, кислорода и гремучего газа путем электролиза имеет то очевидное преимущество, что почти не требует реактивов: нужно только немного щелочи или серной кислоты, чтобы обеспечить проводимость электролита.

Но это преимущество лишь кажущееся: при попытке собрать электролизер я встретился с целым рядом проблем. Во-первых, электролизер имеет значительно более сложную конструкцию, чем простая установка для получения газа (которая состоит из колбы и пробки с трубкой; если нет колбы, можно взять бутылку, банку или пробирку). Разумеется, если есть время, желание, а главное - смекалка, собрать электролизер не составляет труда. Желание было, но со временем и смекалкой дело обстояло гораздо сложнее.

Вторая проблема это электроды, вернее - материал анода. В процессе электролиза воды материал анода легко разрушается (окисляется). Это приводит не только к выходу из строя электролизера, но и к загрязнению электролита.

В учебниках любят рисовать платиновые аноды, которые инертны, но доступным такой вариант не назовешь. Угольные аноды - столь любимые авторами практикумов и книг по занимательным опытам, ведут себя не лучшим образом. В процессе работы они быстро разрушаются, в результате чего электролит становится черным. Особенно быстро рассыпается мягкий графит из грифелей простых карандашей (он содержит глину). Некоторые сорта графита более устойчивы (например, графит от троллейбусных контактов), но и они со временем "сыплются".

Обычная "черная" сталь быстро окисляется, однако выход есть и он сравнительно простой. Для электролиза воды со щелочным электролитом хорошо подходят никелевые электроды, если же нет никеля - можно попробовать нержавейку [k1].

Полоска из нержавеющей стали у меня была и я давно планировал сделать из нее анод электролизера, но долго не доходили руки (экспериментов, которые можно и нужно сделать, море, а рук только две).

Наконец, третья и, пожалуй, самая главная проблема - блок питания. Раньше у меня был в распоряжении только слабенький блок на 5 Вт (от старого приемника). При электролизе с таким блоком приходилось ждать чуть ли не сутки, чтобы наполнить гремучим газом колбу объемом 300 мл. На то, чтобы набрать литровую бутылку, ушло несколько дней (но самое главное, что попытка поджечь гремучий газ окончилась ни чем: такое впечатление, что за это время водород продиффундировал из бутылки).

Несколько месяцев назад один знакомый предоставил мне блок питания от компьютера, мощностью 200 Вт. Попробовал провести синтез хлората калия, однако возникли проблемы (хлор "съедал" держатели графитовых анодов) и я оставил это дело до лучших времен.

В один прекрасный день я писал статью про совсем другие эксперименты. И тут ко мне приходит знакомый и начинает философские беседы на тему мощного электролизера для получения гремучего газа. Такой электролизер должен был работать от розетки с одним только выпрямителем, но без трансформатора. Он представлял собой пакет из 110 электродов из нержавейки, разделенных пластинами диэлектрика и скрепленных 4 шпильками. Такой аппарат мог бы питать гремучим газом горелку для резки металла.

Идея, безусловно, интересная, однако меня интересовали более приземленные вещи: во-первых, написание статьи, во-вторых если уж делать электролизер для получения гремучего газа, то простенький - для демонстрационных опытов (раньше у меня не получалось сделать и такого).

Поскольку совмещать написание статьи и прослушивание электрохимическо-философской лекции было трудно, я начал конструировать простенький электролизер. Для этого взял большую банку (литров на пять) и ПЭТФ бутылку на полтора литра со срезанным дном [1]. В качестве анода использовал уже упомянутую полоску нержавейки. Для катода взял баллончик из-под углекислого газа, который разбил вдоль оси (во время опытов с жидким азотом).

Взял двухжильный провод, концы прикрутил к электродам, замотал изолентой. Электроды опустил в банку и накрыл срезанной бутылкой. В банке был налит раствор флуоресцеина - решил его там и оставить (не пропадать же добру). Через горлышко насыпал в бутылку несколько грамм едкого натра, закрыл бутылку пробкой с газоотводной трубкой. С помощью резиновой груши засосал щелочь в бутылку - так, чтобы ее уровень поднялся до пробки. Резиновую трубку пережал зажимом Мора, конец трубки опустил в пневматическую ванну (кристаллизатор с перевернутой бутылкой с водой на 1.5 л).

Подсоединил контакты к источнику питания (желтый и черный провода разъема, номинальное напряжение 12В, но померил тестером [без нагрузки] - оказалось 10В).

Началось образование газа - и на аноде, и на катоде. Скорость выделения была такая, что "бутылка-приемник" наполнилась часа за полтора. Сначала зажим на трубке был закрыт, поэтому газовая смесь начала вытеснять электролит из перевернутой "бутылки-источника", бутылка понемногу стала всплывать. Чтобы ее "притопить" положил сверху плоскогубцы. Когда газ в значительной мере вытеснил электролит, открыл зажим и гремучий газ перешел по трубке в пневматическую ванну. Зажим оставил открытым - в надежде, что новые порции гремучего газа будут поступать в приемник. Все оказалось не так просто: газ вытеснял раствор из перевернутой бутылки электролизера, уровень электролита падал, но в пневматическую ванну гремучий газ так и не поступал. Видимо, гидравлическое сопротивление трубки компенсировало разницу уровней в перевернутой бутылке и окружающей ее банке. Чтобы газ поступал в пневматическую ванну, приходилось перекрывать зажимом трубку, ожидая, пока в электролизере создастся достаточное давление, и только потом стравливать газ. Если же не помогало и это, я осторожно надавливал на бутылку электролизера.

Любопытно, что после того, как гремучий газ переходил в приемник, уровень жидкости в бутылке электролизера поднимался выше, чем в банке (электролит затягивался вверх давлением столбика воды в бутылке-приемнике).

По ходу работы выяснилось, что часть пузырьков газа, которая выделяется на электродах, не попадает в бутылку. Происходило это потому, что нижняя часть электродов не полностью накрывалась бутылкой. Я привязал к нижней части проводов стеклянную палочку (именно она теперь служила опорой для электродов), это позволило поместить электроды внутрь бутылки полностью. Также выяснилось, что флуоресцеин мешал съемке электролиза (его раствор нужно было вылить и заменить водой), но что не сделано - то не сделано.

Конструкция электролизера получилась довольно неуклюжей, но главное, она работала.

_____________________________________
¹ Обратите внимание, щелочь разрушает ПЭТФ посуду, иногда это происходит довольно быстро, поэтому стоит использовать бутылки из пластика, устойчивого к щелочи (полиэтилен, полипропилен) или стеклянную бутылку без дна. Я взял ПЭТФ бутылку только потому, что более подходящей емкости не было под рукой.

Смотреть Видео (67 Мб, .avi )