Опыты с водородом. Получение и химические свойства

ЭКПЕРИМЕНТ ПО ТЕМЕ: «ВОДОРОД»

Успешное изучение основ химии в школе совершенно невозможно без использования учебного химического эк­сперимента, поскольку он играет боль­шую роль в развитии химической нау­ки. Формирование понятий о веществах и их превращениях в курсе хи­мии, а на основе этого и теоретических обобщений невозможно без конкретно­го наблюдения за веществами. В то же время для объяснения сущности на­блюдаемых химических явлений и про­цессов, протекающих в ходе выполне­ния химического эксперимента, от уча­щихся требуется глубокое знание зако­нов и теорий. Поэтому только в тесном взаимодействии эксперимента и теории в учебном процессе можно достигнуть высокого качества знаний у учащихся по химии.

Методическая база ученического эксперимента по химии разработана очень детально в виде подробных и конкретных указаний по технике выполнения лабораторных опытов. Что же касается школьного демонстра­ционного эксперимента, то его мето­дическая обеспеченность на сегод­няшний день ещё не соответствует желаемому уровню и представлена, в основном, отдельными и разрознен­ными публикациями в методических журналах и книгах. Богатый матери­ал по демонстрационному экспери­менту имеется в методической литера­туре для вузов, однако он, по понят­ным причинам, совершенно не адап­тирован к условиям школы. Поэтому совершенно очевидна острая необхо­димость в такого рода методической литературе, адресованной школьным учителям.

Данная статья содержит методичес­кие указания к демонстрационному эксперименту по теме «Водород». В ней мы приводим тщательно выверенные и подробные методики выполнения каж­дого опыта, составленные по одному и тому же плану:

• тема (темы), при изучении кото­рых целесообразна демонстрация опыта;

• оборудование;

• реактивы;

• подготовка к демонстрации;

• демонстрация опыта;

• объяснение наблюдаемых явлений.

Все предлагаемые методики прове­рены экспериментально в условиях учебной лаборатории и не представля­ют опасности для учителя и учеников.

«Получение водорода взаимодействием цинка с раствором кислоты. Очистка водорода и проверка его на чистоту»

Демонстрацию опыта целесообразно проводить при изучении темы «Физи­ческие и химические свойства водорода. Получение водорода».

Реактивы:

• разбавленная (1:2) хлороводород­ная кислота (НС1) или разбавленная (1:4) серная кислота (H₂SО₄);

• гранулированный цинк (Zn);

• раствор любой соли меди(II) с массовой её долей 10 %;

• щелочной раствор перманганата калия с массовой его долей 1—2 %;

• концентрированная серная кислота. Оборудование:

• аппарат Киппа с предохрани­тельной воронкой Вельтера;

• большая стеклянная воронка;

• химический стакан;

• промывные склянки Дрекселя или Тищенко;

• прямые и изогнутые стеклянные трубки;

• штатив с пробирками;

• кристаллизатор с водой;

• спиртовка;

• медная трубка длиной 8—10 см и внутренним диаметром 5—6 мм.

Подготовка к демонстрации

Соберите аппарат Киппа, предвари­тельно обработав шлифы резервуара и воронки смазкой и надёжно укрепив резиновую пробку в нижнем тубусе. Для верхнего тубуса подберите резино­вую пробку соответствующего диаметра с газоотводной трубкой и исправным краном. Если для получения водорода используется раствор серной кислоты, то выделяющийся газ может содержать примеси сероводорода, арсина, стибина и паров воды. В случае если будет ис­пользована соляная кислота, то выделя­ющийся газ может быть загрязнён, кроме того, ещё и парами хлороводорода. Поэтому для очистки водорода от указанных примесей аппарат Киппа нужно последовательно соединить с двумя промывными склянками. В пер­вой из них должен содержаться ще­лочной раствор перманганата калия, который будет поглощать хлороводород, сероводород, арсин и стибин. Во второй склянке должна быть концентрирован­ная серная кислота, которая будет по­глощать пары воды. При сборке аппа­ратуры следите, чтобы склянки друг с другом были соединены правильно («вход на выход») и убедитесь в этом, слегка продув через них воздух. Про­мывную склянку, из которой будет вы­ходить очищенный газ, соедините с га­зоотводной трубкой, в середине которой сделайте вставку из медной трубки длиной 8—10 см. В конец газоотводной трубки вставьте стеклянную трубку.

Добавьте в раствор кислоты 4—5 ка­пель раствора соли меди(II) и перемешайте жидкость.

Демонстрация опыта

I. Зарядка аппарата и получение водорода.

Через верхний тубус с помощью пробирки загрузите в средний резерву­ар аппарата Киппа гранулированный цинк массой 100—150 г. Следите за тем, чтобы гранулы металла не попали в нижнее полушарие аппарата.

При открытом верхнем тубусе осто­рожно через химическую воронку наливайте раствор кислоты в шарообраз­ную воронку до тех пор, пока он не за­полнит нижнее полушарие и не подни­мется в средний шар на 1/3 его высоты. При этом весь цинк должен быть покрыт раствором кислоты.

Внимание! Старайтесь не вдыхать газо­вую смесь, выходящую из верхнего тубуса!

Быстро закройте верхний тубус проб­кой с газоотводной трубкой и убедитесь в герметичности прибора. Для этого закрой­те кран аппарата и подождите 10 секунд. Если аппарат герметичен, то раствор кис­лоты под давлением выделяющегося газа будет опускаться из центрального шара в

нижнее полушарие, а из него по трубке подниматься в шарообразную воронку. В противном случае следует обязатель­но устранить причину негерметично­сти или заменить прибор на другой. От­кройте кран аппарата, а газоотводную трубку опустите в стакан с водой.

Если в аппарате используется соля­ная кислота, то в отверстие шарообразной воронки вставьте предохранитель­ную воронку Вельтера, предварительно заполнив её водой до половины высоты шарообразных утолщений. Эта воронка предназначена для поглощения газооб­разной соляной кислоты, которая выде­ляется из нагревшегося раствора в ша­рообразной воронке аппарата Киппа.

II. Проверка водорода на чистоту.

Внимание! Смеси водорода с возду­хом взрывоопасны! Перед демонстрацией химических свойств водорода его нужно в обязательном порядке тщательно и многократно проверить на чистоту!

На расстоянии не менее 1 м от аппа­рата Киппа установите спиртовку и зажгите её.

Откройте кран аппарата Киппа и че­рез 1—2 минуты соберите выделяю­щийся газ в пробирку методом вытес­нения воды. Для этого наполненную водой пробирку закройте пальцем, пе­реверните вверх дном и, опустив в воду, откройте отверстие.

Изогнутую газоотводную трубку, из ко­торой выделяется водород, подведите под отверстие пробирки и заполните её газом.

Удерживая пробирку с газом в воде, закройте кран аппарата и уберите газоот­водную трубку в сторону от пламени. Под водой закройте пробирку большим паль­цем и поднесите к пламени спиртовки. Держа пробирку вверх дном, откройте её и быстро пронесите в вертикальном поло­жении через верхнюю часть пламени.

Если при этом раздаётся резкий «лающий» или «свистящий» звук, во­дород содержит примесь воздуха и его ни в коем случае нельзя использо­вать в эксперименте. Процедуру про­верки в указанной последовательности повторяйте примерно через каждую ми­нуту до тех пор, пока сгорание водорода не будет сопровождаться лёгким хлопком вроде «п-па». В чистоте водо­рода нужно обязательно убедиться, повторив процедуру ещё 2—3 раза.

Проверку водорода на чистоту мож­но провести также следующим образом: наполнить пробирку методом вытесне­ния воздуха. Для этого газоотводную трубку введите до дна пробирки, удер­живаемой вертикально вверх дном, и откройте кран. Через 15—20 с, не за­крывая кран, осторожно извлеките трубку и сразу же закройте отверстие пробирки пальцем. Закройте кран и уберите трубку в сторону от пламени. Чистоту водорода определите описанным выше способом. Следует отметить, что данный метод менее надёжен, чем при собирании водорода под водой.

Объяснение наблюдаемых явлений

При контакте гранулированного цинка с раствором кислоты наблюдает­ся «кипение» жидкости — происходит выделение газообразного водорода:

Zn + H₂SO₄ = ZnSO₄ + Н₂↑.

Газ вытесняется из аппарата в про­мывные склянки и по газоотводной трубке выходит наружу, что вызывает «бурление» растворов в промывалках и воды в стакане.

Гранулы цинка покрываются рых­лым красно-коричневым слоем меди:

Zn + Cu²⁺ = Zn²⁺ + Cu⁰.

При этом образуется гальваническая пара, в которой цинк является анодом, а медь — катодом. Восстановление кати­онов гидроксония и образование пу­зырьков водорода происходит на поверх­ности менее активного металла — меди, а у поверхности цинка происходит гид­ратация образующихся катионов Zn²⁺, которой не препятствует слой из газо­вых микропузырьков. В этом случае вы­деление газа идёт быстрее, чем без добавления соли меди(II), которую мож­но считать катализатором процесса.

Интенсивность окраски раствора пер­манганата калия в первой промывной склянке постепенно ослабевает, и из него может выделиться бурый осадок

гидратированного оксида марганца(IV). Это объясняется тем, что цинк почти всегда содержит микропримеси серы, фосфора, мышьяка или сурьмы. Они восстанавливаются атомарным водоро­дом, образуя газообразные сероводород, фосфин, арсин или стибин. Являясь сильными восстановителями, они окис­ляются пермаганатом, который при этом восстанавливается до МnO₂·nН₂0, обра­зующего слабоокрашенный буроватый коллоидный раствор или бурый осадок:

Сгорание водорода с резким «лаю­щим» звуком объясняется наличием в нём примеси кислорода (воздуха). Во­дород, содержащий даже небольшие примеси O₂, сгорает очень быстро. При объёмном соотношении водорода с кис­лородом, равном 2:1, сгорание проис­ходит взрывообразно, чем и объясняет­ся появление характерного звука. Чис­тый же водород загорается с лёгким хлопком и его почти невидимое пламя беззвучно и медленно поднимается от отверстия ко дну пробирки.

Вставка из медной трубки надёжно предохраняет от случайного «проскока» пламени в прибор и его взрыва. Это объясняется тем, что медь обладает высокой теплопроводностью. Если пла­мя водорода, загрязнённого воздухом, «проскакивает» в медную трубку, его температура резко понижается и оно гаснет, не причинив вреда.

Опыт № 2

«Получение водорода взаимодействием алюминия с раствором соли меди(II)»

Демонстрацию опыта целесообразно проводить при изучении темы «Физи­ческие и химические свойства водорода. Получение водорода».

Реактивы:

• кристаллический пентагидрат сульфата меди(II) (медный купорос);

• кристаллический хлорид натрия (поваренная соль);

• алюминиевая проволока диамет­ром 1—1,5 см и длиной 60—80 см;

• щелочной раствор перманганата калия с массовой его долей 1—2 %;

• концентрированная серная кислота. Оборудование:

• аппарат Киппа;

• большая стеклянная воронка;

• химические стаканы;

• промывные склянки Дрекселя или Тищенко;

прямые и изогнутые стеклянные трубки;

• штатив с пробирками;

• кристаллизатор с водой;

• спиртовка;

• медная трубка длиной 8—10 см и и внутренним диаметром 5—6 мм.

Подготовка к демонстрации

1. Обработайте шлифы резервуара и воронки аппарата Киппа смазкой и надёжно укрепите резиновую пробку в нижнем тубусе. Для верхнего тубуса подберите резиновую пробку соответ­ствующего диаметра с газоотводной трубкой и исправным краном.

2. Трубку крана соедините последо­вательно с двумя промывными склян­ками. В первой из них должен содер­жаться щелочной раствор перманганата калия, а во второй — концентрирован­ная серная кислота. При сборке аппа­ратуры следите, чтобы склянки друг с другом были соединены правильно («вход на выход»), и убедитесь в этом, слегка продув через них воздух. Промывную склянку, из которой будет вы­ходить очищенный газ, соедините с га­зоотводной трубкой, в середине которой сделайте вставку из медной трубки длиной 8—10 см. В конец газоотводной трубки вставьте стеклянную трубку.

3. Приготовьте солевой раствор для зарядки аппарата из расчёта 250 г пентагидрата сульфата меди(II) и 150 г

хлорида натрия на 1 дм³ воды. Для этого нагрейте воду до температуры 50—60 °С и растворите в ней соответ­ствующие порции хлорида натрия и мед­ного купороса. Приготовленный раствор охладите до комнатной температуры.

Демонстрация опыта

I. Зарядка аппарата и получение водорода.

1. Из алюминиевой проволоки сверните неплотное кольцо диаметром 5 см и поместите его через горловину в центральный шар аппарата и соедините его с шарообразной воронкой. При открытом верхнем тубусе осторожно наливайте в аппарат солевой раствор до тех пор, пока он не
заполнит нижнее полушарие и не поднимется в средний шар на 1/3 его высоты. При этом алюминиевое кольцо должно полностью покрыться солевым раствором.

Внимание! Старайтесь не вдыхать газо­вую смесь, выходящую из верхнего тубуса!

2. Быстро закройте верхний тубус пробкой с газоотводной трубкой и убедитесь в герметичности прибора. Для этого закройте кран аппарата и подождите 10 секунд. Если аппарат герметичен, то раствор кислоты под давлением выделяющегося газа будет опускаться из центрального шара в нижнее полушарие, а из него по трубке подниматься в шарообразную воронку. В противном случае следует обязательно устранить причину негерметичности или заменить прибор на другой. Откройте

кран аппарата, а газоотводную трубку опустите в стакан с водой.

II. Проверка водорода на чистоту.

Через 1—2 минуты тщательно про­верьте выделяющийся газ на чистоту (см. опыт № 1).

Объяснение наблюдаемых явлений

В присутствии катионов Сu²⁺ и Сl-анионов прочная оксидная плёнка на поверхности алюминия разрушается и он восстанавливает катионы меди(II) до металлического состояния:

2А1 + 3Cu²⁺ = 2А1³⁺ + 3Cu⁰.

Медь осаждается на поверхности алюминия в виде рыхлого красно-ко­ричневого слоя. При этом образуется гальванический элемент, в котором алюминий является анодом и восстанав­ливает воду с образованием водорода:

2А1 + 6Н₂O = 2А1(ОН)₃↓ + 3Н₂↑.

Интенсивность окраски раствора пер­манганата калия в первой промывной склянке постепенно ослабевает и из него может выделиться бурый осадок гидратированного оксида марганца(1У). Это объясняется тем, что технический алюминий почти всегда содержит мик­ропримеси серы и фосфора. Они восста­навливаются атомарным водородом, об­разуя ядовитые газообразные сероводо­род и фосфин. Они восстанавливают ионы Мп0₄~ до МnO₂•nН₂O, образую­щего слабоокрашенный буроватый кол­лоидный раствор или бурый осадок:

Опыт № 3

«Доказательство лёгкости водорода путём его взвешивания»

Демонстрацию опыта целесообразно проводить при изучении темы «Получе­ние и физические свойства водорода».

Реактивы:

• разбавленная (1:2) хлороводород­ная кислота (НСl) или разбавленная (1:4) серная кислота (H₂SO₄);

• гранулированный цинк (Zn);

• раствор любой соли меди(II) с массовой её долей 10 %;

• концентрированная серная кислота. Оборудование:

• аппарат Киппа с предохрани­тельной воронкой Вельтера;

• большая стеклянная воронка;

• 2 химических стакана (0,2 дм³);

• промывная склянка Дрекселя или Тищенко;

прямые и изогнутые стеклянные трубки;

• штатив с пробирками;

• кристаллизатор;

• спиртовка;

• весы (технохимические или элек­тронные).

Подготовка к демонстрации

1. Соберите аппарат Киппа и заря­дите его для получения водорода (см. опыт № 1).

2. Соедините аппарат с промывной склянкой, содержащей концентрированную серную кислоту. В газоотвод­ную трубку, отходящую от промывной склянки, вставьте изогнутую под пря­мым углом стеклянную трубку.

3. Тщательно проверьте водород на чистоту (см. опыт № 1).

4. На нижнюю часть каждого из двух стаканов на расстоянии 5 см от дна наденьте прочное резиновое кольцо так, чтобы оно не скользило свободно по стеклу. К этим кольцам с противо­положных сторон стаканов надежно прикрепите концы тонкой проволоки так, чтобы стаканы можно было подве­сить вверх дном к весам.

5. Подвесьте оба стакана к крючкам над чашками весов и уравновесьте их с помощью кусочков бумаги или мелко­го песка. Выключите арретир.

6. В дне картонной коробки, имею­щей размеры примерно 10x10x10 см, и в двух её противоположных стенках вырежьте по центру квадратные отвер­стия размером 5x5 см.

Демонстрация опыта

I. Демонстрация на технохимических весах

1. Включив арретир, обратите вни­мание учеников на то, что весы нахо­дятся в равновесии.

2. Под один из стаканов осторожно подведите изогнутую газоотводную трубку, не касаясь ею весов или стенок стакана, и пустите слабый ток водорода.

3. После того как равновесие весов нарушится и стаканы окажутся на раз­ной высоте, ток газа прекратите и убе­рите газоотводную трубку в сторону от пламени спиртовки.

4. Поднесите горящую лучинку сна­чала к отверстию стакана, расположен­ного ниже, и обратите внимание, что характер её горения не меняется. За­тем поднесите лучинку к отверстию стакана, расположенного выше. При этом раздастся характерный хлопок и стенки стакана запотеют.

И. Демонстрация на электронных весах

1. Включите весы в сеть и аккуратно поставьте на них коробку так, чтобы от­верстие в её дне было направлено вверх. Сверху над отверстием коробки установи­те перевёрнутый вверх дном стакан. Он должен полностью закрывать отверстие коробки. Запишите показания весов.

2. Аккуратно через боковое отвер­стие в коробке введите в стакан изогну­тую газоотводную трубку и пустите слабый ток водорода. Обратите внима­ние на то, что показания весов сразу же начинают изменяться в сторону уменьшения. Примерно через 1 мину­ту прекратите ток газа и уберите газо­отводную трубку в сторону от пламени.

3. Не переворачивая стакан, сними­те его с коробки и в вертикальном по­ложении быстро пронесите через пламя спиртовки. При этом раздастся харак­терный хлопок «п-па», и стенки стака­на запотеют.

Объяснение наблюдаемых явлений

Плечо весов со стаканом, наполнен­ным водородом, поднимается вверх. Это объясняется тем, что водород примерно в 14,5 раза легче воздуха и, поднимаясь вверх, вытесняет его из стакана. Масса стакана с водородом оказывается мень­ше массы того же стакана с воздухом.

При поднесении горящей лучинки к отверстию стакана, наполненного чис­тым водородом, газ воспламеняется и сгорает с характерным хлопком «п-па». Стенки стакана сразу же запотевают, из-за того что при сгорании водорода образуются пары воды:

2Н₂+O₂=2Н₂O (_газ).

Они конденсируются на холодном стек­ле, образуя на внутренней поверхности стакана мельчайшие капельки жидкости.