Получение водорода
История открытия водорода История водорода начинается с XVI века, когда было замечено, что при действии кислот на железо и другие металлы выделяется некий неизвестный газ. Первоначально его назвали «горючим воздухом». Такое название газ получил из-за способности гореть. Во второй половине XVIII века английский ученый Генри Кавендиш получил водород при действии соляной кислоты HCl на цинк:
Zn + 2HCl = ZnCl2 + H2
Что же такое кислота с точки зрения химии? Кислота – это сложное вещество, в состав которого всегда входят атомы водорода. В формулах кислот атомы водорода принято писать на первом месте. Атомы, следующие в формуле за водородом, называют кислотным остатком. Так, в соляной кислоте HCl кислотный остаток – Cl.
Например, в серной кислоте H2SO4, кислотный остаток – SO4. Кислота – сложное вещество, в состав которого входят атомы водорода и кислотный остаток Генри Кавендиш изучил свойства «горючего воздуха». Он установил, что этот газ намного легче воздуха, а при сгорании на воздухе образует прозрачные капли жидкости. Этой жидкостью оказалась вода.
Генри Кавендиша считают первооткрывателем водорода. Вывод о том, что «горючий воздух» представляет собой простое вещество, был сделан в 1784 году французским химиком Антуаном Лораном Лавуазье. Антуан Лоран Лавуазье дал этому веществу латинское название (Hydrogenium), которое происходило от греческих слов «хюдор» – вода и «геннао» – рождаю. В те годы под элементами подразумевали простые вещества, которые нельзя далее разложить на составные части. Поэтому у химического элемента водорода такое же название, как и у просто вещества H2. Русское слово водород – это точный перевод латинского названия Hydrogenium.
Получение водорода в лаборатории
Современный лабораторный способ получения водорода не отличается от того, которым его получал Генри Кавендиш. Это реакции металлов с кислотами. В лаборатории водород получают в аппарате Киппа (рисунок 152).
Аппарат Киппа изготовляется из стекла и состоит из нескольких частей:
- реакционная колба с резервуаром;
- воронка с длинной трубкой;
- газоотводная трубка.
Реакционная колба имеет верхнюю шарообразную часть с отверстием, в которое вставляется газоотводная трубка, снабженная краном или зажимом, и нижний резервуар в виде полусферы. Нижний резервуар и реакционная колба разделены резиновой или пластиковой прокладкой с отверстием, через которое проходит в нижний резервуар длинная трубка воронки, доходящая почти до дна. На прокладку через боковое отверстие шпателем насыпают твёрдые вещества (мрамор, цинк). Отверстие закрывается пробкой с газоотводной трубкой. Затем при открытом кране или зажиме в верхнюю воронку заливается раствор кислоты. Когда уровень жидкости достигает вещества на прокладке, начинается химическая реакция с выделением газа. При закрытии крана давление выделяющегося газа выдавливает жидкость из реактора в верхнюю часть воронки. Реакция прекращается. Открытие крана приводит к возобновлению реакции. Поместим в реакционную колбу кусочки цинка. В качестве кислоты воспользуемся серной кислотой. При контакте цинка и серной кислоты протекает реакция:
Zn + H2SO4 = ZnSO4 + H2
Водородом можно заполнить мыльный пузырь.
Для этого необходимо опустить газоотводную трубку в мыльный раствор. На конце трубки начнется формирование мыльного пузыря, заполненного водородом; со временем пузырь отрывается и улетает вверх, что доказывает легкость водорода. Соберем выделяющийся водород. С учетом того, что водород намного легче воздуха, для сбора водорода сосуд, в котором собирается газ, необходимо располагать вверх дном, или производить собирание методом вытеснения воды. Как обнаружить водород? Заполним пробирку водородом, держа ее вверх дном, по отношению к газоотводной трубке. Поднесем пробирку отверстием к пламени спиртовки – слышится характерный хлопок.
Хлопок – это признак того, что в пробирке содержится водород. При поднесении пробирки к пламени водород вступает в реакцию с кислородом, содержащимся в воздухе. При малых количествах реакция кислорода и водорода сопровождается хлопком. Более подробно об этой реакции будет рассказано в следующем параграфе.
Получение водорода в промышленности
Одним из промышленных способов получения водорода является реакция разложения воды под действием электрического тока:
2H2O эл.ток → 2H2 + O2.
Данный метод позволяет получить чистый водород и кислород. Процесс превращения химических веществ в другие вещества под действием электричества называется электролизом.
Электролиз – химическая реакция, протекающая под действием электрического тока Проведем электролиз воды. В стакан наполненный водой, опустим металлические электроды. Поверх электродов опустим в стакан пробирки, заполненные водой. Подсоединим электроды к источнику тока – батарейке. В пробирках наблюдается выделение газов – водорода и кислорода, которые вытесняют воду. Наблюдая за процессом электролиза, можно заметить, что в одной из пробирок газа собирается в два раза больше, чем в другой. Проанализировав уравнение реакции электролиза воды, можно сделать вывод, в какой пробирке выделяется водород, а в какой – кислород. Попробуйте это сделать самостоятельно.
Существуют и другие способы получения водорода. Железо-паровой метод долгое время широко применялся в промышленности. Через электрическую трубчатую печь проходит трубка из нержавеющей стали, заполненная железными стружками. Через трубку с железными стружками пропускают водяной пар. При температуре около 800°С пары воды взаимодействуют с железом, образуя оксид Fe3O4 (железную окалину) и газообразный водород:
3Fe + 4Н2О = 4Н2 + Fe3O4.
Можно получить Н2, пропуская Н2О через слой раскаленного угля. При этом образуется смесь двух газов – СО и Н2 (водяной газ):
Н2О + С = CO + Н2
В настоящее время водород получают взаимодействием углеводородов (в основном метана, СН4) с водяным паром или неполным окислением метана кислородом:
2СН4 + О2 = 2СО + 4Н2
Итог статьи:
- В лаборатории водород получают в аппарате Киппа
- Исходными веществами для получения водорода в лаборатории являются некоторые металлы и кислоты
- Собирать водород нужно методом вытеснения воды, или методом вытеснения воздуха, расположив пробирку вверх дном по отношению к газоотводной трубке
- Кислота – сложное вещество, в состав которого входят атомы водорода и кислотный остаток
- Обнаружить водород можно по характерному хлопку при поднесении пробирки с водородом к пламени
- Одним из промышленных способов получения водорода является электролиз воды
- Электролиз – химическая реакция, протекающая под действием электрического тока
Источник
Практическая работа №6. Получение, собирание и распознавание газов. —
Вариант 1.
Опыт 1. Получение, собирание и распознавание водорода
Соберите прибор для получения газов и проверьте его на герметичность. В пробирку положите 1—2 гранулы цинка и прилейте в нее 1—2 мл соляной кислоты. Закройте пробирку пробкой с газоотводной трубкой (см. рис. 43) и наденьте на кончик трубки еще одну пробирку. Подождите некоторое время, чтобы пробирка заполнилась выделяющимся газом.
Снимите пробирку с водородом и, не переворачивая ее, поднесите к горящей спиртовке. Если водород взрывается с глухим хлопком, то он чистый, а если с «лающим» звуком, значит, водород собран в смеси с воздухом («гремучий газ»).
Вопросы и задания
1. Что происходит при взаимодействии цинка с соляной кислотой? Составьте уравнение реакции и дайте ее характеристику по всем изученным признакам классификации химических реакций.
2. Рассмотрите записанную реакцию с точки зрения процессов окисления-восстановления.
3. Опишите физические свойства водорода, непосредственно наблюдаемые при проведении опыта.
4. Опишите, как можно распознать водород.
Ответ:
Собрали прибор для получения газов и проверили его на герметичность. В пробирку положили 1-2 гранулы цинка и прилили в нее 1-2 мл соляной кислоты. Закрыли пробирку пробкой с газоотводной трубкой и надели на кончик трубки еще одну пробирку, подождали некоторое время, чтобы пробирка заполнилась выделяющимся газом.
Сняли пробирку с водородом и не переворачивая ее поднесли к горящей спиртовке. Чистый водород взрывается с глухим хлопком.
Опыт 2. Получение, собирание и распознавание аммиака
Соберите прибор, как показано на рисунке 113, и проверьте его на герметичность.
В фарфоровую чашку насыпьте хлорид аммония и гидроксид кальция объемом по одной ложечке для сжигания веществ. Смесь перемешайте стеклянной палочкой и высыпьте в сухую пробирку. Закройте ее пробкой и укрепите в лапке штатива (обратите внимание на наклон пробирки относительно отверстия!). На газоотводную трубку наденьте сухую пробирку для собирания аммиака.
Пробирку со смесью хлорида аммония и гидроксида кальция прогрейте сначала всю (2—3 движения пламени), а затем в том месте, где находится смесь.
Для обнаружения аммиака поднесите к отверстию перевернутой вверх дном пробирки влажную фенолфталеиновую бумажку.
Прекратите нагревание смеси. Пробирку, в которой собран аммиак, снимите с газоотводной трубки. Конец газоотводной трубки сразу же закройте кусочком мокрой ваты.
Немедленно закройте отверстие снятой пробирки большим пальцем и опустите в сосуд с водой. Палец отнимите только под водой. Что вы наблюдаете? Почему вода поднялась в пробирке? Закройте пальцем отверстие пробирки под водой и выньте ее из сосуда. Добавьте в пробирку 2—3 капли раствора фенолфталеина. Что наблюдаете?
Проведите аналогичную реакцию между растворами щелочи и соли аммония при нагревании. Поднесите к отверстию пробирки влажную индикаторную бумажку. Что наблюдаете?
Вопросы и задания
1. Что происходит при взаимодействии хлорида аммония и гидроксида кальция? Составьте уравнение реакции и дайте ее характеристику по всем изученным признакам классификации химических реакций.
2. Опишите физические свойства аммиака, непосредственно наблюдаемые в опыте.
3. Опишите не менее двух способов распознавания аммиака.
Ответ:
Собрали прибор для получения аммиака и проверили его на герметичность. В фарфоровую чашку насыпали хлорид аммония и гидроксид кальция объемом по 1 ложечке для окисления веществ. Смесь перемешали стеклянной палочкой и высыпали в сухую пробирку. Закрыли ее пробкой и укрепили на лапке штатива. На газоотводную трубку надели сухую пробирку для собирания аммиака. Пробирку со смесью хлорида аммония и гидроксида кальция нагрели.
Вариант 2.
Опыт 1. Получение, собирание и распознавание кислорода
Соберите прибор, как показано на рисунке 114, и проверьте его на герметичность. В пробирку насыпьте примерно на ¼ ее объема перманганата калия KMnO4 и у отверстия пробирки положите рыхлый комочек ваты. Закройте пробирку пробкой с газоотводной трубкой. Укрепите пробирку в лапке штатива так, чтобы конец газоотводной трубки доходил почти до дна сосуда, в котором будет собираться кислород. Наличие кислорода в сосуде проверьте тлеющей лучинкой.
Вопросы и задания
1. Что происходит при нагревании перманганата калия? Составьте уравнение реакции и дайте ее характеристику по всем изученным признакам классификации химических реакций.
2. Рассмотрите записанную реакцию с точки зрения процессов окисления-восстановления.
3. Опишите физические свойства кислорода, непосредственно наблюдаемые в опыте.
4. Опишите, как вы распознавали кислород.
Ответ:
Собрали прибор для получения кислорода и проверили его на герметичность. В пробирку насыпали примерно на 1/4 ее объема перманганата калия у отверстия пробирки положили рыхлый комочек ваты.
Закрыли пробирку пробкой с газоотводной трубкой. Укрепили пробирку в лапке штатива так, чтобы конец газоотводной трубки доходил почти до дна сосуда, в котором будет собираться кислород.
Опыт 2. Получение, собирание и распознавание оксида углерода (IV)
В пробирку поместите несколько кусочков мела или мрамора и прилейте 1—2 мл разбавленной соляной кислоты. Быстро закройте пробирку пробкой с газоотводной трубкой. Конец трубки опустите в другую пробирку, в которой находится 2—3 мл известковой воды.
Несколько минут наблюдайте, как через известковую воду проходят пузырьки газа.
Вопросы и задания
1. Что происходит при взаимодействии мела или мрамора с соляной кислотой? Составьте уравнение реакции и дайте ее характеристику по всем изученным признакам классификации химических реакций.
2. Рассмотрите проведенную реакцию в свете теории электролитической диссоциации.
3. Опишите физические свойства оксида углерода (IV), непосредственно наблюдаемые в опыте.
4. Опишите, как вы распознавали оксид углерода (IV).
Ответ:
В пробирку поместили несколько кусочков мела и прилили 1 мл разбавленной соляной кислоты. Закрыли пробирку пробкой с газоотводной трубкой. Конец трубки опустили в другую пробирку, в которой находится 2-3 мл известковой воды. Наблюдаем как через известковую воду проходят пузырьки газа.
Эта реакция является качественной на углекислый газ.
Источник
