Страница 43 - гдз по химии 8 класс учебник Журин

МОИ ХИМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

Получение водорода.

«ПОМОЩНИК»

Подготовьте две сухие чистые пробирки.

Зажгите спиртовку (газовую горелку).

Откройте пробирку с газоотводной трубкой и опустите в неё 1-2 гранулы цинка.

Добавьте к цинку 1-2 мл раствора соляной кислоты $\text{HCl}$.

Плотно закройте пробирку пробкой с газоотводной трубкой и закрепите её вертикально в лапке штатива.

Наденьте на газоотводную трубку сухую чистую пробирку так, чтобы свободный конец трубки доходил почти до самого дна пробирки.

Через 15-20 с снимите пробирку с газоотводной трубки и, не переворачивая её, поднесите отверстие пробирки к пламени спиртовки (газовой горелки).

Повторите опыт, заполняя пробирку водородом не менее 1 мин.

В данном химическом исследовании описывается лабораторный способ получения водорода взаимодействием цинка с соляной кислотой, метод его собирания и способ проверки на чистоту.

Уравнение реакции получения водорода

Водород получают в результате реакции замещения между металлическим цинком ($Zn$) и раствором соляной (хлороводородной) кислоты ($HCl$). Цинк, как металл, стоящий в электрохимическом ряду напряжений до водорода, вытесняет его из кислоты. В результате реакции образуется соль — хлорид цинка ($ZnCl_2$) — и выделяется газообразный водород ($H_2$).

Уравнение реакции в молекулярном виде: $$Zn + 2HCl \rightarrow ZnCl_2 + H_2 \uparrow$$

Ответ: Водород получают взаимодействием цинка с соляной кислотой. Уравнение реакции: $Zn + 2HCl \rightarrow ZnCl_2 + H_2 \uparrow$.

Собирание водорода

В эксперименте водород собирают методом вытеснения воздуха. Для этого на газоотводную трубку, идущую от пробирки-реактора, надевают другую сухую пробирку в перевернутом положении (отверстием вниз). Конец газоотводной трубки должен доходить почти до дна перевернутой пробирки.

Этот способ основан на физических свойствах водорода. Водород ($H_2$) — самый легкий из всех газов. Его молярная масса составляет приблизительно $2 \ г/моль$, в то время как средняя молярная масса воздуха — около $29 \ г/моль$. Из-за такой низкой плотности водород поднимается вверх и скапливается в верхней части перевернутой пробирки, вытесняя из нее более тяжелый воздух. Пробирку для сбора необходимо держать строго вертикально отверстием вниз, чтобы собранный газ не улетучился.

Ответ: Водород собирают в перевернутую пробирку методом вытеснения воздуха, так как водород значительно легче воздуха.

Проверка водорода на чистоту

Проверка собранного газа на чистоту является важным шагом, так как смесь водорода с воздухом взрывоопасна. В инструкции описано два этапа проверки.

1. Тест после 15–20 секунд сбора: За короткое время в пробирке-приемнике успевает собраться смесь выделяющегося водорода и воздуха, который был в ней изначально. Такая смесь водорода с кислородом воздуха называется "гремучим газом". Если поднести отверстие пробирки с "гремучим газом" к пламени, произойдет небольшая детонация, сопровождаемая характерным резким "лающим" звуком или хлопком. Этот звук свидетельствует о том, что собранный водород нечистый. Реакция горения водорода: $$2H_2 + O_2 \rightarrow 2H_2O$$
2. Тест после сбора в течение 1 минуты и более: При длительном пропускании водорода в пробирку он вытесняет практически весь воздух. Если теперь поднести пробирку с чистым водородом к пламени, он загорится спокойно, с тихим глухим звуком ("пух") и будет гореть у отверстия пробирки бледным голубоватым пламенем. Отсутствие громкого хлопка является показателем чистоты водорода.

Ответ: Для проверки водорода на чистоту пробирку с газом подносят к пламени. Если слышится резкий хлопок ("лай"), значит, в пробирке взрывоопасная смесь водорода с воздухом. Чистый водород загорается с тихим глухим звуком.

Выводы о свойствах водорода

На основании данного опыта можно сделать следующие выводы о физических и химических свойствах водорода:

• Водород — газ без цвета и запаха.
• Водород значительно легче воздуха, что позволяет собирать его методом вытеснения воздуха в перевернутый сосуд.
• Водород является горючим газом. Он бурно реагирует с кислородом (взрывается) при поджигании в виде смеси, а в чистом виде горит спокойно.

Ответ: Эксперимент показывает, что водород — это бесцветный, очень легкий и горючий газ.

Как получают водород в промышленных и лабораторных условиях?

Водород, как один из важнейших химических продуктов, получают различными способами в зависимости от масштаба производства и требуемой чистоты.

Получение водорода в промышленности

В промышленных масштабах водород получают, как правило, из ископаемого топлива и воды, так как эти методы наиболее экономически выгодны.

1. Паровая конверсия метана (природного газа). Это основной промышленный способ получения водорода. Процесс проходит в две стадии при высокой температуре ($700–1000°C$) и давлении в присутствии катализатора (например, никеля):

• На первой стадии метан реагирует с водяным паром с образованием синтез-газа (смеси оксида углерода(II) и водорода):
  $CH_4 + H_2O \rightleftharpoons CO + 3H_2$

• На второй стадии оксид углерода(II) дополнительно реагирует с водяным паром для увеличения выхода водорода (процесс конверсии водяного газа):
  $CO + H_2O \rightleftharpoons CO_2 + H_2$

2. Электролиз воды. Этот метод позволяет получать водород очень высокой чистоты. Через воду, в которую для увеличения электропроводности добавляют щелочь или кислоту, пропускают постоянный электрический ток. Водород выделяется на катоде, а кислород — на аноде. Этот метод очень энергозатратен, поэтому используется реже, в основном там, где есть дешевая электроэнергия.
$2H_2O \xrightarrow{электрический\ ток} 2H_2\uparrow + O_2\uparrow$

3. Газификация угля. При высоких температурах (около $1000°C$) уголь (углерод) реагирует с водяным паром, образуя синтез-газ:
$C + H_2O \xrightarrow{t} CO + H_2$

Ответ: В промышленности водород получают в основном паровой конверсией метана, а также электролизом воды и газификацией угля.

Получение водорода в лабораторных условиях

В лаборатории для получения небольших количеств водорода используют реакции, которые легко провести в стандартном лабораторном оборудовании.

1. Взаимодействие металлов с кислотами. Это самый распространенный лабораторный способ. Обычно используют металлы средней активности, стоящие в ряду напряжений до водорода (например, цинк, железо, магний), и разбавленные кислоты (соляную или серную). Для удобства проведения реакции часто используют аппарат Киппа.
$Zn + 2HCl \rightarrow ZnCl_2 + H_2\uparrow$

2. Взаимодействие щелочных или щелочноземельных металлов с водой. Эти металлы очень активно реагируют с водой с выделением водорода. Реакция протекает бурно, поэтому ее проводят с осторожностью.
$2Na + 2H_2O \rightarrow 2NaOH + H_2\uparrow$

3. Взаимодействие амфотерных металлов с растворами щелочей. Металлы, проявляющие амфотерные свойства, такие как цинк и алюминий, могут реагировать с водными растворами щелочей при нагревании.
$2Al + 2NaOH + 6H_2O \rightarrow 2Na[Al(OH)_4] + 3H_2\uparrow$

4. Электролиз воды. Как и в промышленности, этот метод можно использовать и в лаборатории для получения чистого водорода, обычно с помощью специального прибора — электролизера (например, вольтаметра Гофмана).
$2H_2O \xrightarrow{электролиз} 2H_2\uparrow + O_2\uparrow$

Ответ: В лаборатории водород чаще всего получают взаимодействием металлов (например, цинка) с кислотами. Также его можно получить реакцией щелочных металлов с водой, амфотерных металлов со щелочами или электролизом воды.

Какими физическими свойствами обладает водород?

Водород (химическая формула $H_2$) — простейший химический элемент, обладающий рядом характерных физических свойств.

Агрегатное состояние

При нормальных условиях (температура $0 \text{ °C}$ и давление $101,325 \text{ кПа}$) водород представляет собой газ. Для перевода водорода в жидкое состояние требуется охлаждение до температуры $-252,87 \text{ °C}$ ($20,28 \text{ K}$). Твердый водород образуется при температуре $-259,14 \text{ °C}$ ($14,01 \text{ K}$).

Цвет, вкус и запах

Водород является газом без цвета, вкуса и запаха, поэтому обнаружить его с помощью органов чувств невозможно.

Плотность

Водород — самое легкое из всех известных веществ. Его плотность при нормальных условиях составляет приблизительно $0,0899 \text{ кг/м}^3$. Он примерно в 14,5 раз легче воздуха, из-за чего воздушные шары и дирижабли, наполненные водородом, поднимаются вверх.

Растворимость

Водород очень плохо растворяется в воде (около $1,6$ мг в $1$ литре воды при $20 \text{ °C}$). Также он плохо растворим в большинстве органических растворителей. Однако водород способен растворяться в некоторых металлах (например, в палладии (Pd), платине (Pt), никеле (Ni)), этот процесс называется окклюзией.

Температуры фазовых переходов

Водород характеризуется очень низкими температурами кипения и плавления, что затрудняет его сжижение и хранение в жидком виде.

• Температура кипения: $T_{кип} = 20,28 \text{ K} \; (-252,87 \text{ °C})$
• Температура плавления: $T_{пл} = 14,01 \text{ K} \; (-259,14 \text{ °C})$

Теплопроводность

Водород обладает самой высокой теплопроводностью среди всех газов. Его теплопроводность примерно в 7 раз выше, чем у воздуха. Это свойство используется в системах охлаждения, например, для генераторов на электростанциях.

Диффузия

Благодаря очень малому размеру и массе молекул, водород имеет высокую скорость диффузии. Он способен проникать через мельчайшие поры, резину, некоторые металлы (особенно при нагревании) и другие материалы.

Ответ: Водород — это бесцветный газ без вкуса и запаха, который является самым легким веществом в природе. Он обладает очень низкими температурами кипения и плавления, плохо растворяется в воде, но хорошо диффундирует через различные материалы и имеет самую высокую теплопроводность среди всех газов.

Опишите, как проверяют водород на чистоту.

Опишите, как проверяют водород на чистоту.

Проверка водорода на чистоту — это критически важная процедура в химии, поскольку смесь водорода с воздухом (в котором содержится кислород) является взрывоопасной и известна как "гремучий газ". Проба на чистоту позволяет убедиться, что получаемый водород не содержит значительных примесей воздуха, и его можно безопасно использовать для дальнейших экспериментов. Проверка выполняется следующим образом:

1. Сбор образца газа
Небольшое количество водорода, получаемого в ходе реакции, собирают в пробирку. Обычно для этого используют метод вытеснения воды: пробирку, наполненную водой, переворачивают вверх дном и опускают в сосуд с водой. Под отверстие пробирки подводят газоотводную трубку. Водород, будучи легче воды и плохо растворимым в ней, будет скапливаться в верхней части пробирки, вытесняя воду.

2. Проведение теста
Когда пробирка заполнится газом, её, не вынимая из воды, закрывают большим пальцем. Затем пробирку вынимают из сосуда, удерживая её в перевёрнутом положении (отверстием вниз), чтобы водород, который значительно легче воздуха, не улетучился. После этого пробирку подносят отверстием к пламени спиртовки или зажжённой лучинки и убирают палец.

3. Интерпретация результатов
Чистоту водорода определяют по звуку, который издает газ при контакте с пламенем:
- Если раздаётся резкий, "лающий" хлопок, это означает, что в пробирке находится "гремучий газ" — смесь водорода с воздухом. Такой водород считается "грязным", и его нельзя использовать для опытов. Необходимо продолжить пропускать газ через установку, чтобы вытеснить весь воздух, и повторить пробу через некоторое время.
- Если воспламенение происходит с тихим, глухим хлопком (или "пшиком"), это свидетельствует о том, что водород в пробирке чистый. В этом случае горит только тот водород, который выходит из пробирки и смешивается с кислородом воздуха непосредственно у пламени. Уравнение реакции горения водорода: $2H_2 + O_2 \rightarrow 2H_2O$. Только после получения такого результата газ можно считать чистым и безопасным для дальнейшей работы.

Ответ: Чтобы проверить водород на чистоту, небольшое его количество собирают в пробирку и поджигают. Громкий "лающий" хлопок указывает на то, что водород смешан с воздухом (является "грязным" и взрывоопасным). Тихий, глухой звук при поджигании означает, что водород чистый.