一种简单,低成本和强大的系统来测量氢气与水溶液化学反应放出的音量

Chemistry
 

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Brack, P., Dann, S., Wijayantha, K. G., Adcock, P., Foster, S. A Simple, Low-cost, and Robust System to Measure the Volume of Hydrogen Evolved by Chemical Reactions with Aqueous Solutions. J. Vis. Exp. (114), e54383, doi:10.3791/54383 (2016).

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Abstract

Introduction

由于它们的高能量密度,锂离子电池,目前最流行的电源为便携式消费电子之一。然而,可以由电池传递的能量的量是有限的。因此,存在目前正在制定提供便携式电源的替代方法的兴趣。一个更有前途的方法是利用质子交换膜(PEM)燃料电池,其通过组合氢和氧产生电和水。 PEM燃料电池有超过电池两大优点。首先,PEM燃料电池可以的时间长得多的周期提供电力(只要氢气流保持)。其次,这取决于燃料源上,PEM燃料电池可以具有比电池大得多的能量密度,这意味着一个较小的系统可以提供更多的能量。1,2-作为其结果,有一个目前定向的大量研究在开发可移植,按需氢源。2-7一种方法,它正在接收多的关注与水反应的化学物质是氢的生成。-8,9-

其中之一必须在这些反应进行测定的最重要的参数之一是氢的演变。对于简单的反应,例如氢气通过加入化学储氢材料以水溶液的演化,它有利的是具有一种简单的,低成本的测量系统。这种系统的一个例子是水置换方法,其中,在化学反应中产生的气体的体积是通过跟踪从一个倒置的充满水的量筒置换水的体积简单地进行测定。该技术起源于气动低谷,这是由植物学家斯蒂芬·黑尔斯开发,然后适应,并把它由约瑟夫·普利斯特里最有名的用于隔离的几种气体,包括氧气,在18 世纪 10,11水置换法适用于它是不溶于水,包括氢特别可溶的,并仍然被广泛用于记录从各种化学品,如硼氢化钠,铝和硅铁的反应产生氢气的体积,用水的任何气体。-12- 20

然而,经典的水中置换法,涉及在作为气体被放出的水位的变化人工记录,是乏味,并且可以在更高的气体流速,当水位急剧变化,是不准确的,因为它是难以实验者采取精确的读数。手工记录数据也是时间分辨率固有的低,作为实验者不能现实取读数更小的间隔比〜10秒。

一些研究人员通过使用摄像机来记录水位移过程和数据分析软件以提取在体积随时间的变化克服这个问题。21-25但是,该Requires计算机编程和相对昂贵的设备的知识。其他研究人员已经利用的质量流量计来记录氢气流26-29然而,这些往往只能够在一个窄的范围内检测气体,并且更适合于其中的流动被维持在一个相对恒定的应用水平。

以获得更高的分辨率更简单的方法,更准确的数据是到通道由氢气放出置换水进入其中放置在一个质量平衡接收机容器30-35本文描述该方法的变化是利用一般实验室级玻璃器皿和一种低成本,可商购天平从硅与氢氧化钠水溶液的反应记录析氢。而不是被手工记录,该数据被记录在使用数据收集软件包,它允许平衡发送数据到计算机中的电子表格。这应该注意,虽然该技术是适合于测量在毫升刻度析氢,它是不适合测量非常小(由于在平衡的不确定性),或非常大的(由于测量圆筒的大小有限)的卷氢气没有适当的调整(即使用更高的分辨率平衡或更大的量筒)。

Protocol

数据记录软件1.建立

  1. 安装数据采集和电子表格软件安装到配有RS232串行端口的计算机。
  2. 将计算机连接到使用合适的RS232连接器电缆的平衡(在此方法中计算机和平衡需要9针连接器)。余额通常会被连接到COM1。
  3. 打开数据采集软件。
  4. 要记录数据在电子表格( Excel)中,去'模式',然后'发送键击“,在”应用程序标题栏文字“输入电子表格软件的适当的名称,然后选择”EXCEL.EXE“在在“命令行”,然后按“OK”。复选标记应该出现在旁边的“模式”下拉菜单“发送键击”。
  5. 转到“端口”,然后“设置”,并确保这些值适合于有问题的平衡,然后按“OK”;。
  6. 转到'定义',然后'定义输入数据记录结构“,并选择”结束记录事件“部分的”收到的数字字符“中的”开始记录事件“部分和”回车或CRLF接收到的',然后按“继续”。
  7. 当一个题为“输入记录结构”对话框出现时,选择“每个数据记录包含一个单独的数据字段”,然后按“继续”。
  8. 当一箱名为“输入记录定义编辑器 - 发送键击模式”出现:在区域,设置“输入滤波器”到“数字数据只有”和“字段后记键击”到“{选项卡} {分钟} {二} {左} {} DOWN“,然后按”OK“。
  9. 转到'定义',然后'定义热键和热的行动“。选择热键1,然后选择热键操作“暂停WinWedge'和转让本的”退格“热键按键,然后按好。
  10. 转到“文件”,然后“另存为”,然后保存方法在适当的文件夹。

2.实验装置

  1. 加水玻璃碗直到大约¾满。然后,放置在一个温度控制的搅拌器热板,并加热到50℃的玻璃碗;另外,使用恒温控制的水浴。
  2. 添加去离子水(5毫升)的50ml圆底烧瓶中,并位置这在水浴使得水在浴水平远高于水在烧瓶中的水平。
  3. 插入温度计入圆底烧瓶颈部监测水温(平衡后,水的烧瓶中的温度通常为〜5℃比在加热板设定点以下)。
    注意:设置是准备就绪时将烧瓶内的水的温度保持在10分钟的时间常数。
  4. 装满去离子水的烧杯中。 将一个空烧杯到数据记录平衡。
  5. 构造从塑料片可以从烧杯的喷口上的数据记录平衡转移水到空烧杯的桥梁。确保塑料桥不与在数据记录平衡烧杯物理接触。
  6. 填的500毫升的量筒中,用去离子水。
  7. 同时覆盖开口端用戴手套的手,反转量筒并放入烧杯中,使得所述测量圆筒的开口端仅仅是水的表面下。
  8. 使用配有两个老板一个铁架台和夹具支持量筒。根据测量圆筒的大小,蒸馏的基础上发生的配重放置,以防止它由于掉落到水的重量。
  9. 调整烧杯,使得喷口与所述塑料桥接触的位置。
  10. 小心抬起量筒到llow的水和空气的进入释放以确保空气的测量圆筒中的水平是在每个实验开始时是一致的(例如100毫升的空气)。
  11. 插入修饰的适配器的非磨口玻璃接头的一端插入管的长度。通过仔细地包装封口膜围绕接头和管道之间的连接密封。
  12. 插入管导入量筒的末尾。
  13. 确保在加入过量的水会导致其流失到平衡中加入一些水到烧杯中。泄漏可以在烧杯的开口和塑料桥之间的连接在高流速发生。
  14. 确保余额不清零。如果有必要,加一些水,以对数据记录平衡烧杯中。
  15. 用天平,称出或0.05,0.10,0.15,0.20,或0.25克硅放入小玻璃瓶中;一些硅趋向于被截留在其内不使用塑料称重舟将烧瓶颈部当从称量舟加入到反应混合物中。这个问题是由代替迅速反转一个小的玻璃瓶中放入烧瓶颈部避免。

3.实验步骤

  1. (5毫升,20%重量)添加氢氧化钠溶液至50ml圆底烧瓶中,并位置这在水浴使得水在浴水平远高于水在烧瓶中的水平。
  2. 插入温度计入圆底烧瓶颈部监测溶液的温度(平衡后,水的在此设置中,烧瓶中的温度通常为〜5℃比在加热板设定点以下)。
  3. 离开10分钟以达到平衡。
  4. 平衡期结束前,打开电子表格软件新的电子表格,然后打开数据收集软件。通过转到“文件”上的数据采集软件加载在步骤1中创建的方法开始菜单,然后“打开方式”。
  5. 就在这10分钟的平衡期是由于结束,进入“激活”,然后点击“普通模式”。数据将开始在电子表格软件被记录。
  6. 在10分钟的平衡周期结束时,通过迅速反转玻璃小瓶中,并在沉积所述硅进氢氧化钠溶液中添加硅。
  7. 迅速放置其连接到管道成圆形的颈部适配器的磨口玻璃接头底烧瓶中。零平衡。在该天平归零的时刻将作为在数据分析时间(t)= 0。
  8. 10分钟过去了之后,按退格键,然后选择数据采集软件菜单上的“退出”选项停止对数据记录。保存在电子表格软件包中的文件。
  9. 除去附着在管路从圆底烧瓶中的适配器并加水至阙NCH​​反应。
  10. 通过离心或重力过滤分离在烧瓶中用于进一步分析的固体残余物​​中,或在整个反应混合物转移到烧杯中,并用盐酸(1 M)中和,并适当的废物处理。

4.数据分析

  1. 确保数据被加载到适当的电子表格软件包。
  2. 寻找在天平归零的点;这被认为是(T)= 0点的反应。
  3. 删除这之前该数据。
  4. 插入一列到该数据的左侧。这将包含时间。
  5. 添加适当的时间间隔,从0开始,向其中已插入的列。在这些研究中所用的平衡记录8.5个数据点每秒,并用于从而0.117647(= 1 / 8.5)秒的时间间隔。
  6. 已收集的水考虑气体与水蒸汽饱和。在收集离子的过程中,测量圆筒中水位调整至保持在大气压力的测量圆筒中的内部压力。
  7. 申请使用道尔顿定律,其中指出,在一个混合物中的气体(P 1 ... P N)的各个分压的总和等于总压力(P 合计 )的近似校正因子。如,如果室内温度为298 K,水蒸汽的分压为31,69.9帕,并且测量圆筒中的气体的总压力为大气压(101325帕),它可以计算出有大约3.08%由所收集的气体中的体积的水蒸汽。通过使用水蒸汽的分压力在有关温度估计在其他温度下的氢的水蒸汽的量。
  8. 以获得所产生的氢气的量的估计(如果室内温度是298K),乘以0.97的气体体积。
  9. 估计最初的水力通过拟合线性趋势线的氢产生曲线的初始陡坡发电机产生率。
  10. 取诱导期为采取对水的时间来从量筒位移。诱导期的这些估计都不是绝对的;实际氢产生反应在这些实验中估计为氢的一定量必须生成能够开始置换水的“诱导期”的结束前开始。然而,这些值允许在实验之间诱导期的相对的变化的评估。

Representative Results

调查实验装置的再现性,变化的硅的质量,用氢氧化钠水溶液反应以产生氢。每个反应一式三份进行。平均氢产生曲线示于图1。平均总氢气产量,氢生成速率,并归纳为硅的各质量周期也计算并与表示在图2中,3个标准差误差棒被绘制, 和图4,分别。有在反应之间的总氢气产量和氢气产生率非常小的偏差和偏差的在诱导期更高水平。

图1
图1: 从Reacti制氢曲线的实施例硅上用氢氧化钠水溶液的。硅的各种质量(0.05,0.10,0.15,0.20和0.25克),用氢氧化钠水溶液在50℃下进行反应(5毫升,20重量%)。氢产生被记录为一个周期的10分钟。该反应一式三份进行,结果取平均值。 请点击此处查看该图的放大版本。

图2
2: 从硅的用氢氧化钠水溶液反应氢气产量值的实施例的氢在10分钟内放出的总体积从氢产生曲线推导。获得并绘制为硅的各质量的平均总氢气产量。可以看出,有质量Ô之间的线性关系在反应和这些反应条件下产生的氢气的体积使用˚F硅。误差条表示总氢产量的一个标准差。 请点击此处查看该图的放大版本。

图3
3: 从硅用氢氧化钠水溶液反应制氢速率值的实施例从氢产生曲线计算氢产生的硅的各质量的初始或最大速率。得到的硅的各质量平均初始或最大氢产生速率和绘图。可以看出,平均而言,存在在反应中使用的硅的质量和初始或最大氢g之间功率关系这些反应条件下观察到的eneration速率。误差条表示的初始或最大氢气生成速率的一个标准偏差。 请点击此处查看该图的放大版本。

图4
4: 从硅用氢氧化钠水溶液反应诱导期值的实施例的氢产生硅的各质量的诱导期是从氢产生曲线推导。获得并绘制的平均诱导期为硅的各质量。可以看出,平均而言,有在实验之间的诱导期没有很大的变化。误差棒代表初始或最大氢气生成速率的一个标准偏差。REF =“htt​​ps://www.jove.com/files/ftp_upload/54383/54383fig4large.jpg”目标=“_空白”>点击此处查看该图的放大版本。

图5示出了从亚最佳实验一些代表性结果。在这种情况下,在滴液的积聚200和800秒的结果之间的氢气,由于水的表面张力的低流量,落在在大约400和710秒。虽然这些滴水不影响最大氢气生成速率的计算,如果,例如,测量停止的滴下降之前它们可能对总氢气产量的效果。因此,有必要要么改变反应条件(在此情况下,例如,通过加入铝 - 硅合金的较大的质量或使用的氢氧化钠的浓度较高),以确保气体的较高流动或反应设置,以防止滴的累积。


图5:一个次优实验例在本实验中,铝(65.7%) -硅(34.3%)的合金(0.2克)用氢氧化钠水溶液(5毫升,10重量%)在40℃下反应。虽然在氢气放出的初始高速率的氢产生的记录是最佳的,因为流动减慢形成的水的结果在滴的表面张力。该滴在处于大约400和710秒,在这种情况下, 请点击这里查看该图的放大版本。

Discussion

该协议的最重要的步骤是那些发生在一个实验的开始。这些水解反应的速率的大的温度依赖性意味着极大必须小心,以确保该溶液温度已在加入固体的前达到平衡。固体必须迅速并完全,适配器的磨口玻璃接头,必须正确插入圆底烧瓶的颈部,和余量然后必须尽可能迅速调零越好。的开始时间和反应温度的不正确的测量将产生不正确的结果。

该方法确实有一定的局限性。当务之急是插入量筒到其中的烧杯是尽可能的窄,以确保从量筒位移的水被迅速地引导向下塑料桥到平衡。否则,水的表面张力允许任意在低流速的水位的低积累( 见图5),直到在该所有的水在一个大的滴被释放的点。

天平的误差也限制了数据的分辨率。在这些实验中,使用具有为±0.05克的错误的平衡,产生氢的数百毫升时,这是足够的,但如果正在测量较小体积具有较小误差的平衡将是需要的。

如从桥的位移水滴上的平衡,由天平记录质量产生振荡, ,作为点滴落到平衡,平衡暂时记录一个稍大质量。这意味着使用的软件包高时间分辨率的原始数据的分化是有问题的梯度振荡。的最适当的方式找到氢产生曲线的最陡的部分的梯度,因此,氢生成速度,我s至适合的直线,并计算其梯度。

通过在电子表格自动登录的数据,该方法提供了精确度和时间分辨率相对于依赖于记录气体的手动放出的体积水置换方法显著改善。然而,虽然它在成本比它们使用相机和图像分析软件来跟踪气体放出方法相当低,这是在时间分辨率一般较低,并且这种基于相机的方法还避免了因水振荡质量平衡读数的问题形成液滴,因此,产生可以由分化更容易处理的数据。

水置换的方法是适用于在水中具有低溶解度的任何气体的集合。因此,该实验的协议可以被修改为从演进水溶性差的气体以外的化学反应产生气体的速率的测量上课。

Materials

Name Company Catalog Number Comments
WinWedge software Taltech http://www.taltech.com/winwedge
High Resolution Top Loader Balance LW Measurements, LLC HRB6001 http://www.lwmeasurements.com/HRB-6001-High-Resoultion-Top-Loader-Balance-p/hrb6001.htm
Silicon Sigma Aldrich 215619 325 mesh
Sodium hydroxide Sigma Aldrich 221465 Reagent grade
Aluminium (65.7%)-silicon (34.3%) alloy  Goodfellow 275-274-74
Excel Microsoft https://products.office.com/en-us/excel
Glass sample vials, 50 x 12 mm Scientific Laboratory Supplies TUB1152
Plastic sheet Recycled from a smooth-sided plastic drinks bottle
Silicone tubing, 5 x 8 mm BxO D Scientific Laboratory Supplies TUB3806
Parafilm (2 in. by 250 ft.) Sigma Aldrich P7543
Adapter Sigma Aldrich Z415685 We used a custom-made adapter in our set-up, but this type of fitting would serve the same function

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References

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