Часть II неорганическая химия

Лабораторная работа 1.

Тема: ВОДОРОД

Водород в виде простого вещества получали (действием кислот на металлы) еще в XVI в. (Парацельс и другие исследователи). Причем, за способность гореть и взрываться назвали его «горючим воздухом». Лишь в 1799 г. А. Лавуазье (изучавший состав воды, вытесняя из нее водород с помощью раскаленного железа и снова синтезируя воду сжиганием H₂) дал ему современное название «гидроген», что в переводе с греческого значит «воду рождающий» («водород») и отнес его к «простым телам» (т.е. к простым веществам).

Отметим, что указанный способ получения H₂ из воды, предложенный Лавуазье, до сих пор иногда применяют в промышленности.

В современных лабораториях берут водород из баллонов, а также вытесняют его из кислот (HCl, H₂SO₄(разб.)) действием цинка. Можно использовать и любой другой металл (М), имеющий E⁰ (Mⁿ⁺/M⁰) <0 (термодинамический фактор), если на его поверхности не образуется пассивирующая пленка (кинетический фактор).

Пассивирующая пленка может возникать за счет взаимодействия М с окружающей средой (например, с компонентами воздуха), или на начальной стадии растворения М (часто в первые мгновения процесса). Подчеркнем, что пленка является пассивирующей, если она не только малорастворима в жидкой фазе системы, но и является достаточно плотной, чтобы препятствовать проникновению реагентов через нее к поверхности металла.

Так, в нейтральной водной среде, где a (H⁺) = 10 ⁷ моль/л (при 220С), водород должны восстанавливать металлы, редокс-потенциал которых ниже соответсвующего потенциала воды (E⁰(H₂O/H₂) = -0,41 В). Это Ca, Mg, Na и т.п., но, например, Zn (E⁰ = -0,76 B) с водой практически не реагирует вследствие формирования на его поверхности достаточно плотной нерастворимой в воде пленки продукта окисления цинка.

В тоже время гидроксиды М(OH)₂, образующиеся при взаимодействии Ca или Mg с водой, получаются в виде достаточно рыхлых осадков, поэтому не препятствуют протеканию данных реакций, хотя в той или иной степени тормозят их.

Очевидно, если пассивирующую пленку убирать по мере ее образования (например, соскабливая с поверхности металла - механический способ), то можно осуществить практически полностью процесс взаимодействия М с водой.

Другой способ удаления пленки - химический. Так, в щелочной среде в случае амфотерных М пленка исчезает за счет взаимодействия ее со щелочью. Но при этом М восстановливает водород воды только, если выполняется условие: E⁰ ([M(OH)_n]^m /M⁰) < -0,83 В. (E⁰ (H₂O/H₂) =-0,83 в щелочной среде при рН = 14.) Например, E⁰([Al (OH)₆]³ / Al⁰) = -2,35 В, поэтому Al растворяется в щелочи.

Собирать выделяющийся водород удобно в перевернутый сосуд (так как H₂ много легче воздуха), а еще лучше в сосуд, заполненный водой (рис. 1), поскольку растворимость водорода в ней незначительна.

Несмотря на устойчивость молекул H₂ (E_{атомизации} = 436 кДж/моль) термодина­мическая активность водорода высока за счет образования достаточно прочных связей Н с другими элементами.

Электроотрицательность (Э.О.) водорода имеет среднее значение (2,1 по шка­ле Полинга), поэтому H₂ проявляет как окислительные свойства (по отношению к ЩМ, щелочноземельным металлам (ЩЗМ), редкоземельным металлам (РЗМ) и т.п.), так и восстановительные (в реакциях с оксидами достаточно малоактивных М; с кислородом и др.).

Причем смеси H₂ с O₂ (а также с кислородом воздуха) от 6 до 67% (об.) по H₂ - взрывоопасны. (Максимальной взрывной силой обладает т.н. «гремучий газ», со­держащий стехиометрические соотношения данных газов.)

В то же время струя чистого водорода (без О₂) спокойно горит (голубоватым пламенем) на воздухе или в чистом кислороде с образованием воды. (При охлаж­дении пламени, например, внесением в него льда, восстановление O₂ идет менее полно - лишь до пероксида H₂O₂.)

Отметим, что химическая активность атомарного водорода (“Н”): и термо­динамическая (E⁰ (H⁺ /"H") = -2,1 В), и кинетическая (ибо “Н” является радикалом), - много выше молекулярного, так как при использовании H₂ большая часть энергии тратится на разрыв связи H-H. (Даже при 2500⁰С атомизируются только 0,13% H₂ и лишь при 5000⁰С - 95%).

Теоретически атомарный водород в очень чистом состоянии без соприкосно­вения со стенками сосуда может существовать неограниченно долго, поскольку при соударении двух атомов “Н” образуется молекула H₂ с избытком энергии, которая тут же распадается. Реально же энергия отдается частицам примеси или стенкам со­суда, поэтому половина “Н” комбинируется в молекулы всего за 1/3 секунды.(При наложении сильного магнитного поля это время заметно увеличивается.)

В химии, чтобы осуществить реакцию какого-либо вещества с атомарным во­дородом, помещают это вещество в реакционную зону образования “Н”, напри­мер, в зону реакции Zn с кислотой. Таким образом можно осуществить при об.у. взаимодействие “Н” с O₂ (с образованием H₂O₂), с Cl₂ (даже в темноте), с Br₂, I₂, восстановить концентрированную H₂SO₄ и др.

Техника безопасности при выполнении лабораторной работы «Водород»

При использовании водорода нужно помнить, что смесь его с воздухом взрывается. Ини­циатором взрыва может быть как открытый огонь (например, искра от статического электричества), так и горячие предметы (с Т выше 400⁰С). Поэтому перед поджи­ганием струи водорода надо проверить его на чистоту от O₂ (опыт 2Б).

Отметим, что получать водород взаимодействием Zn с кислотами нужно под тягой, так как технический цинк содержит значительное количество примесей, в частности, мышьяк, который под действием атомарного водорода переходит в очень ядовитое и летучее вещество - арсин.

Перед использованием натрия (например, для вытеснения H₂ из воды) необ­ходимо надеть защитные очки. Затем металл пинцетом вынуть из керосина, поло­жить на чистый сухой лист бумаги и, не торопясь, скальпелем или ножом отрезать нужное количество. Далее натрий освободить от поверхностной пленки и тотчас же использовать в работе. Остатки металла положить в керосин и сдать лаборанту.