Занятие 7. Химия водорода

Опыт 1. Получение водорода взаимодействием металлов с разбавленной соляной кислотой.

Реактивы. Гранулированный цинк Zn, разбавленная (1:4) хлороводородная кислота HCl.

Посуда и приборы. Аппарат Киппа с предохранительной воронкой и резиновой прокладкой, большая стеклянная воронка, кристаллизатор, маленькая пробирка, газовая горелка.

Описание опыта. Аппарат Киппа предварительно собирают и проверяют на герметичность с помощью мыльного раствора и сжатого воздуха. Если необходимо, проверяют все соединения и смазывают их; работа с негерметичным аппаратом Киппа не допускается. Заряжают аппарат для получения водорода. Для этого вынимают газоотводную трубку с пробкой и через боковое отверстие загружают в средний резервуар 100-150 г гранулированного цинка. Затем при открытом газоотводном кране заливают через воронку в верхний резервуар разбавленную хлороводородную кислоту, чтобы она заполнила весь нижний резервуар, и уровень ее достигал слоя цинка. При контакте гранулированного цинка с кислотой начинается выделение газообразного водорода:

Zn + 2HCl = ZnCl₂ + H₂↑

Водород, смешиваясь с воздухом, заполняет объем среднего резервуара и в смеси с воздухом начинает выходить через газоотводную трубку. Через одну-две минуты кран закрывают. При закрытом кране реакция выделения водорода еще некоторое время продолжается, так что часть кислоты вытесняется в верхний резервуар. Заключительный этап подготовки к работе с аппаратом Киппа – установка предохранительной воронки с водой.

Для демонстрации опыта используют подготовленный к работе аппарат Киппа, проверенный на отсутствие примеси воздуха в получаемом водороде так, как это рекомендовано в опыте 4.

Исторические сведения. Аппарат для получения газов изобрел в 1853 г. голландский химик и аптекарь Петер Якоб Кипп (1808-1864).

Опыт 2. Взаимодействие кальция с водой.

Реактивы. Металлический кальций Ca, спиртовой раствор индикатора фенолфталеина, вода.

Посуда и приборы. Стеклянный кристаллизатор емкостью 1-2 л, стеклянный цилиндр емкостью 0,5 л с пришлифованной стеклянной пластинкой, металлические щипцы и пинцет, штатив с кольцом, марля, капельница для раствора фенолфталеина, фильтровальная бумага.

Описание опыта. Цилиндр наполняют доверху водой, закрывают его стеклянной пластинкой так, чтобы не попали пузырьки воздуха, и, перевернув вверх дном, погружают в кристаллизатор, заполненный на 2/3 объема водой, к которой добавлено 5-6 капель раствора фенолфталеина. Опускают на цилиндр кольцо штатива, после чего снимают под водой пришлифованную пластинку. Вынимают пинцетом из банки с керосином 2-3 кусочка металлического кальция (примерно 2-3 г) и, не касаясь металла руками, снимают с него пленку керосина фильтровальной бумагой. Завертывают сухие кусочки кальция в марлю и с помощью щипцов подводят под цилиндр.

После того как пройдет взаимодействие пленки оксида кальция на поверхности металла с водой, начинается бурное выделение водорода, вытесняющего воду из цилиндра:

Ca + 2H₂O = Ca(OH)₂ + H₂ ↑

При этом вода в кристаллизаторе мутнеет из-за образования малорастворимого гидроксида кальция и окрашивается в малиновый цвет, поскольку гидроксид кальция – сильное основание:

Ca(OH)₂ = Ca²⁺ + 2OH^-

Когда цилиндр заполнится газом, его закрывают стеклянной пластинкой и вынимают из кристаллизатора. Потом зажигают длинную лучинку, сдвигают пластинку и поджигают водород. Он сгорает бесшумно и почти бесцветным пламенем.

Исторические сведения. Металлический кальций впервые получил в 1808 г. английский химик Гэмфри Дэви (1778-1829). Он же первым наблюдал взаимодействие кальция с водой.

Опыт 3. Получение водорода взаимодействием металлов с раствором щелочи.

Реактивы. Концентрированный (20-30%-ный) водный раствор гидроксида калия KOH или гидроксида натрия NaOH, алюминиевая стружка Al, гранулированный цинк Zn.

Посуда и приборы. Полилюкс, две чашки Петри, стеклянная пластинка размером 25×25 см, химические стаканы емкостью 100 мл (2 шт.), стеклянная палочка.

Описание опыта. Включают полилюкс, ставят на световое окно, покрытое стеклянной пластиной, чашку Петри и помещают в середине чашки несколько алюминиевых стружек. Затем осторожно по стеклянной палочке из стакана приливают раствор щелочи так, чтобы он полностью покрыл стружки. Если они были достаточно хорошо обезжирены, то вокруг них сразу же появится темная «вуаль» из пузырьков водорода, хорошо видимая на экране. Перемещением объектива полилюкс можно добиться нужной резкости изображения. В протекающей реакции, помимо водорода, образуется тетрагидроксоалюминат-анион:

2Al + 2KOH + 6H₂O = 2K[Al(OH)₄] + 3H₂↑

Такие же операции проводят с гранулированным цинком. Наблюдают выделение в ходе реакции водорода и образование тетрагидроксоцинкат-иона:

Zn + 2KOH + 2H₂O = K₂[Zn(OH)₄] + H₂↑

Металлы, которые проявляют амфотерные свойства, могут быть использованы для получения водорода реакцией с водой в щелочной среде.

Исторические сведения. Впервые металлический алюминий выделил в 1825г. датский физик Ханс Кристиан Эрстед (1777-1851), нагревая безводный хлорид алюминия с амальгамой натрия. Он же, по-видимому, первым наблюдал, и взаимодействие полученного металла с раствором щелочи. Взаимодействие цинка с гидроксидом натрия в водном растворе наблюдал в 1876 г. российский химик- органик Егор Егорович Вагнер (1849-1903).

Опыт 4. Горение водорода.

Реактивы. Разбавленная (1:5) серная кислота H₂SO₄, металлический цинк Zn, концентрированная серная кислота H₂SO₄ для осушки водорода.

Посуда и приборы. Аппарат Киппа с цинком и серной кислотой, склянка Тищенко с концентрированной серной кислотой, штатив с лапкой, стеклянная трубка с оттянутым концом, резиновая трубка, черный экран.

Описание опыта. Открывают кран аппарата Киппа и продувают склянку Тищенко, резиновые и стеклянные трубки для удаления воздуха. Для проверки на отсутствие воздуха в приборе наполняют в кристаллизаторе с водой маленькую пробирку выделяющимся водородом (путем вытеснения из нее воды); закрыв большим пальцем под водой, вынимают пробирку из кристаллизатора и подносят ее к зажженной лучинке, спиртовке или горелке. Чистый водород сгорает спокойно и беззвучно. Когда его горение сопровождается свистом или хлопком, то это означает, что в нем есть примесь воздуха и образовался «гремучий газ». В этом случае поджигать струю водорода нельзя, так как пламя может проскочить в прибор и взорвать его. Поэтому испытание водорода на присутствие воздуха перед поджиганием – обязательная процедура. Присутствие воздуха в приборе может быть вызвано не только недостаточным вытеснением его водородом, но и негерметичностью (герметичность установки проверяют до начала опыта по получению водорода). Убедившись, что в приборе отсутствует примесь воздуха, поджигают струю водорода у оттянутого конца трубки, закрепленной в штативе. Чтобы пламя было виднее, за ним ставят черный экран или гасят в аудитории свет. Пламя водорода имеет очень высокую температуру:

2H₂ (г) + O₂(г) = 2H₂O(г); ∆H⁰₂₉₈ = -484 кДж

Исторические сведения. Приоритет открытия водорода в 1766 г. закреплен за английским химиком и физиком Генри Кавендишем (1731-1810),хотя еще раньше водород был получен М.В. Ломоносовым. Французский химик Антуан Лоран Лавуазье (1743-1794) в 1783 г. показал, что соотношение объемов кислорода и водорода при получении воды составляет 1:2.

Опыт 5. Восстановительные свойства водорода в момент выделения («in statu nascendi»).

Реактивы. Разбавленные (5%-ные) водные растворы перманганата калия KMnO₄ и дихромата калия K₂Cr₂O₇, подкисленные разбавленной (1:5) серной кислотой H₂SO₄, гранулированный цинк Zn.

Посуда и приборы. Полилюкс, чашки Петри (2 шт.), два химических стакана емкостью 100 мл для растворов солей – окислителей, стеклянная палочка, белый экран.

Описание опыта. Включают полилюкс, ставят на световое окно, защищенное стеклянной пластинкой размером 25×25 см, две чашки Петри, в каждую из которых по середине кладут по несколько гранул цинка; устанавливают необходимую резкость изображения этих гранул на экране. Затем по стеклянной палочке в первую чашку наливают раствор перманганата калия, а во вторую – дихромата калия слоем такой толщины, чтобы на экране были видны ярко-фиолетовый круг для первой чашки и оранжевый – для второй. Вскоре вокруг кусочков цинка появляется «вуаль» из пузырьков выделяющегося водорода. Постепенно в чашке с перманганатом калия вокруг кусочков металла наблюдается обесцвечивание жидкости, а в чашке с дихроматом калия - местное (вблизи кусочков цинка) изменение окраски с оранжевой на зелёную. В результате взаимодействия цинка с серной кислотой происходит выделение атомарного водорода [H⁰]:

Zn + 2H₃O⁺ = Zn²⁺ + 2[H⁰] + 2H₂O,

который обладает очень высокой восстановительной активностью и служит переносчиком электронов от цинка к перманганат- и дихромат-ионам. Суммарно уравнения реакций выглядят следующим образом:

2KMnO₄ + 5Zn + 8H₂SO₄ = 2MnSO₄ + K₂SO₄ + 5ZnSO₄ + 8H₂O

K₂Cr₂O₇ + 3Zn + 7H₂SO₄ = Cr₂ (SO₄)₃ + K₂SO₄ + 3ZnSO₄ + 7H₂O

Исторические сведения. В 1866 г. немецкий химик-органик Адольф Иоганн Фридрих Вильгельм фон Байер (1835-1917) ввел в практику органического синтеза метод восстановления цинковой пылью в кислой среде, фактически – водородом в момент выделения («In statu nascendi»).