"Химия. Базовый уровень", Габриелян О.С.
Водород получают в лаборатории и в промышленности — выбор способа зависит от нужного количества газа, сырья и затрат энергии. В лаборатории металл может вытеснить водород из кислоты, а активный металл — выделить его из воды. Для больших объёмов используют электролиз или переработку природного газа, прежде всего метана. Чтобы сравнивать способы и рассчитывать выход продукта, нужно понимать уравнения реакций и соотношения между их коэффициентами.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Лабораторное получение водорода — это получение небольшого количества газа реакцией подходящего металла с кислотой или водой. В опыте газ собирают в сосуд, вытесняя из него воду или воздух, если это безопасно и подходит для установки. Такой способ нужен для демонстраций и экспериментов, а не для снабжения производства большими объёмами водорода.
Электролиз воды — разложение воды электрическим током на водород и кислород. Суммарное уравнение записывают так: 2H₂O → 2H₂ + O₂. Оно показывает, что при одинаковых температуре и давлении водорода образуется вдвое больше по объёму, чем кислорода; это полезно учитывать при сборе и расчётах.
Конверсия метана — промышленный процесс получения водорода из метана при взаимодействии с водяным паром. На первой стадии CH₄ + H₂O → CO + 3H₂, поэтому в продуктах уже есть водород, а угарный газ затем превращают в дополнительный водород. Этот способ важен, потому что метан — основной компонент природного газа и доступное сырьё для крупного производства.
Водяной газ — смесь угарного газа CO и водорода H₂, образующаяся, когда водяной пар взаимодействует с раскалённым углём: C + H₂O → CO + H₂. Смесь не является чистым водородом. Её рассматривают как промежуточное сырьё: угарный газ можно дальше переработать с получением дополнительного водорода.
Для лабораторной реакции выбирают металл, который способен вытеснять водород из кислоты, и кислоту, подходящую для безопасного опыта. Например, цинк реагирует с соляной кислотой с образованием хлорида цинка и водорода. Чтобы составить уравнение, записывают формулы исходных веществ и продуктов: Zn + HCl → ZnCl₂ + H₂. В правой части нужно два атома хлора, поэтому перед HCl ставят коэффициент 2: Zn + 2HCl → ZnCl₂ + H₂; так уравниваются и атомы водорода.
При взаимодействии активного металла с водой атомы металла замещают водород, а кислород и водород воды образуют гидроксид металла. Например, для натрия уравнение имеет вид 2Na + 2H₂O → 2NaOH + H₂. Реакция сопровождается образованием газа, но активные металлы могут реагировать очень бурно, поэтому такой опыт требует строгих мер безопасности. Металлы различаются по активности: многие не реагируют с холодной водой или реагируют лишь с водяным паром, так что этот способ нельзя применять к любому металлу.
При электролизе электрический ток вызывает химическое разложение воды; для проведения процесса используют электроды и подходящее оборудование. Суммарное уравнение 2H₂O → 2H₂ + O₂ задаёт соотношение веществ: из двух молекул воды получаются две молекулы водорода и одна молекула кислорода. Поэтому и объём водорода при одинаковых условиях вдвое больше. Электролиз удобен, когда требуется получить водород из воды, но для него нужна электрическая энергия.
В промышленности метан смешивают с водяным паром и проводят первую стадию при высокой температуре: CH₄ + H₂O → CO + 3H₂. Водород образуется сразу, но в газовой смеси остаётся угарный газ, поэтому процесс продолжают. На следующей стадии CO + H₂O → CO₂ + H₂, и угарный газ даёт ещё одну порцию водорода. В итоге суммарное уравнение имеет вид CH₄ + 2H₂O → CO₂ + 4H₂; затем водород отделяют от других компонентов смеси.
Лабораторные реакции рассчитаны на получение малого количества газа из реагентов, которые можно использовать в учебном опыте. Электролиз и конверсия метана подходят для крупных объёмов, но требуют оборудования и энергии, а конверсия — ещё и нагревания сырья. Кроме того, промышленный водород выходит в смеси с другими газами, поэтому его обычно очищают. Сравнивая способы, учитывают масштаб, доступность исходных веществ, энергозатраты и необходимость отделять продукт.
В таблице сопоставлены исходные вещества, уравнения или продукты реакций и области применения разных способов. Уравнения помогают проверить, какие вещества образуются и в каком соотношении. Пользуясь таблицей, различайте получение чистого водорода и образование газовой смеси, из которой водород ещё нужно выделить.
| Способ | Исходные вещества | Уравнение или продукт | Где применяют |
|---|---|---|---|
| Металл и кислота | Подходящий металл и кислота | Zn + 2HCl → ZnCl₂ + H₂ | Лаборатория, получение небольшого количества газа |
| Активный металл и вода | Активный металл и вода | Например: 2Na + 2H₂O → 2NaOH + H₂ | Демонстрации и лабораторные опыты с соблюдением безопасности |
| Электролиз воды | Вода и электрическая энергия | 2H₂O → 2H₂ + O₂ | Лабораторное и промышленное получение водорода |
| Конверсия метана водяным паром | Метан и водяной пар | CH₄ + H₂O → CO + 3H₂; затем образуется дополнительный H₂ | Промышленное получение водорода |
| Получение водяного газа | Раскалённый уголь и водяной пар | Смесь CO и H₂: C + H₂O → CO + H₂ | Получение промежуточного газового сырья |
Задача 1. Запишите уравнение реакции цинка с соляной кислотой, в результате которой выделяется водород. Нужно определить продукты реакции замещения: цинк вытесняет водород из кислоты, а остаток кислоты образует соль с цинком. Формулы продуктов — ZnCl₂ и H₂, поэтому сначала записываем схему, а затем проверяем число атомов каждого элемента.
Ответ: Zn + 2HCl → ZnCl₂ + H₂.
Задача 2. При электролизе воды получили 6 л кислорода. Какой объём водорода образовался при тех же условиях? Уравнение 2H₂O → 2H₂ + O₂ показывает соотношение объёмов газов: на один объём кислорода приходятся два объёма водорода. Условия одинаковые, поэтому объёмы можно сравнивать прямо по коэффициентам газообразных продуктов.
Ответ: образуется 12 л водорода.
Задача 3. Рассчитайте объём водорода из 16 г метана при полной конверсии водяным паром, если угарный газ затем полностью реагирует с водой. Для расчёта сначала учитываем обе стадии: первая даёт три моля H₂ на моль CH₄, вторая — ещё один моль H₂. Значит, суммарно один моль метана даёт четыре моля водорода; объём зависит от условий измерения.
Ответ: 4Vₘ водорода; при нормальных условиях — 89,6 л. Если температура и давление не заданы, единственное численное значение объёма определить нельзя.
Ошибка — считать, что любой металл вытесняет водород из любой кислоты. Обычно рассуждают слишком обобщённо по одному знакомому примеру, хотя результат зависит от активности металла и свойств кислоты. Перед записью реакции проверьте, подходит ли металл для вытеснения водорода и не мешают ли особенности кислоты протеканию реакции. Если условия реакции неизвестны, не делайте вывод только по слову «металл».
Электролиз иногда путают с разложением воды при нагревании. Причина путаницы — в обоих случаях говорят о разложении одного вещества, но для электролиза необходим электрический ток. Проверьте, указан ли источник тока и записано ли уравнение 2H₂O → 2H₂ + O₂. Если описывается только нагревание, это не электролиз.
При электролизе могут ошибочно указывать равные объёмы водорода и кислорода. Так происходит, если не учитывать коэффициенты перед газами или воспринимать продукты как одинаковые порции. Сверьте уравнение: перед H₂ стоит 2, а перед O₂ — 1. Значит, при одинаковых условиях отношение объёмов равно 2:1, а не 1:1.
Водяной газ иногда принимают за чистый водород, потому что водород — один из его компонентов. Но при взаимодействии раскалённого угля с паром образуется также угарный газ: C + H₂O → CO + H₂. Проверяйте состав по уравнению или по условию задачи: если указаны CO и H₂, речь идёт о смеси, которую нельзя без очистки считать чистым водородом.
Чтобы понять реакции металлов с кислотами и водой, нужно знать ряд активности металлов и признаки реакций замещения. Обмен электронов в этих процессах связывает тему с окислительно-восстановительными реакциями. Расчёты выхода газа опираются на коэффициенты уравнений и соотношение количества вещества с объёмом при заданных условиях.
Эти знания пригодятся при изучении промышленной химии, топливных элементов и способов получения энергии с использованием водорода. Например, понимание состава газа помогает отличить водородное топливо от смеси, требующей очистки. А стехиометрия позволяет оценивать, сколько водорода можно получить из заданного количества сырья.
Почему для получения водорода в лаборатории часто используют цинк?
Цинк реагирует с разбавленными кислотами с выделением водорода, но обычно не настолько бурно, чтобы газ было трудно собирать. Его удобно использовать в лабораторной установке, например с соляной кислотой. При этом важны концентрация кислоты и соблюдение правил безопасности.
Можно ли получить водород реакцией любого металла с водой?
Нет. Водород выделяют с водой достаточно активные металлы, например натрий и кальций, причём скорость реакции различается. Металлы с меньшей активностью могут не реагировать с холодной водой.
Почему при электролизе воды водорода получается вдвое больше, чем кислорода?
В молекуле воды на два атома водорода приходится один атом кислорода. Уравнение 2H₂O → 2H₂ + O₂ показывает, что образуются две молекулы водорода на одну молекулу кислорода, поэтому при одинаковых условиях объёмы относятся как 2:1.
Как получают водород из природного газа?
Основной компонент природного газа — метан. Его пропускают вместе с водяным паром через нагретую систему: сначала образуются угарный газ и водород, затем угарный газ реагирует с водой и даёт дополнительный водород. Полученную смесь очищают.
Чем водяной газ отличается от чистого водорода?
Водяной газ — это смесь водорода с угарным газом, получаемая при реакции раскалённого угля с водяным паром. Чистым водородом эту смесь называть нельзя. Её используют как промежуточное сырьё, а водород при необходимости отделяют.
8. Получение водорода
