"Химия", Еремин В.В., Кузьменко Н.Е., Дроздов А.А. и др./ Под ред. Лунина В.В.
В лаборатории водород получают, действуя разбавленной кислотой на подходящий металл. Металл вытесняет атомы водорода из кислоты, и газ выделяется пузырьками. Его собирают над водой или вытеснением воздуха: оба способа связаны с малой растворимостью и низкой плотностью водорода. Газ горюч, а его смесь с воздухом может взорваться, поэтому перед проверкой пламени нужно удалить воздух из установки и соблюдать осторожность.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Водород — газ, который в лаборатории получают действием разбавленной кислоты на некоторые металлы. Он состоит из двухатомных молекул H₂, горит и имеет очень малую плотность. Эти свойства помогают выбрать способ собирания газа и напоминают, почему при опыте нужно соблюдать осторожность.
Реакция замещения — реакция, в которой атомы одного элемента занимают место атомов другого элемента в составе вещества. При взаимодействии металла с кислотой металл вытесняет из неё водород, а сам оказывается в растворе в составе соли. Это понятие помогает предсказать продукты реакции и правильно записать уравнение.
Вытеснение воды — способ собирания газа в сосуде, который предварительно заполнен водой. Газ поступает в сосуд и вытесняет воду, если сам мало в ней растворяется. Так можно собрать водород, не смешивая его сразу с воздухом, но полученный газ будет влажным.
Вытеснение воздуха — способ собирания газа, при котором он занимает место воздуха в сосуде. Водород поднимается вверх, потому что его плотность меньше плотности воздуха, поэтому сосуд держат перевёрнутым. Это позволяет собирать газ без воды, но в сосуде сначала остаётся воздух.
Для получения водорода нужны металл и разбавленная кислота. В кислоте есть атомы водорода, которые могут переходить в состав молекул газа, если металл способен их вытеснить. Поэтому берут не любой металл и не любую кислоту: выбор реагентов определяет, пойдёт ли реакция, а разбавленная кислота позволяет работать безопаснее, чем концентрированная.
Пример такой реакции — взаимодействие цинка с соляной кислотой: Zn + 2HCl → ZnCl₂ + H₂↑. Цинк отдаёт место водороду в составе кислоты и переходит в раствор, образуя хлорид цинка. Атомы водорода соединяются попарно, поэтому справа записывают молекулу H₂; коэффициент 2 перед HCl нужен, чтобы число атомов каждого элемента совпадало в обеих частях уравнения.
Реагенты помещают в пробирку или другой лабораторный прибор, который закрывают пробкой с газоотводной трубкой. Трубка направляет выделяющийся газ в сосуд для собирания, а пробка не даёт ему свободно выходить наружу. Установка должна быть собрана плотно: иначе газ будет теряться, а наблюдать его собирание станет трудно.
Если водород собирают над водой, конец газоотводной трубки направляют в сосуд, заполненный водой и перевёрнутый в ёмкости с водой. Пузырьки газа поднимаются внутрь и вытесняют воду, потому что водород в ней растворяется мало. Если нужен газ без контакта с водой, применяют вытеснение воздуха: перевёрнутый сосуд располагают так, чтобы поднимающийся водород заполнял его, вытесняя воздух вниз.
Проверку проводят горящей лучинкой, но только после того, как водород успел вытеснить воздух из установки. При поднесении пламени газ загорается, а смесь водорода с воздухом может вспыхнуть или взорваться. Поэтому сначала выпускают начальную порцию газа в сторону, не наклоняются над сосудом и выполняют опыт вдали от лица и легковоспламеняющихся предметов.
| Способ или этап | Что используют или делают | На чём основано |
|---|---|---|
| Получение водорода | Действуют разбавленной кислотой на подходящий металл | Металл вытесняет водород из кислоты |
| Уравнение реакции | Zn + 2HCl → ZnCl₂ + H₂↑ | Число атомов каждого элемента уравнено; водород образует молекулы H₂ |
| Собирание вытеснением воды | Направляют газ в перевёрнутый сосуд, заполненный водой | Водород мало растворим в воде и вытесняет её |
| Собирание вытеснением воздуха | Собирают газ в перевёрнутый сосуд | Водород легче воздуха и поднимается вверх |
| Проверка газа | После вытеснения воздуха осторожно подносят горящую лучинку | Водород горит; смесь с воздухом может быть взрывоопасной |
| Меры предосторожности | Работают с разбавленной кислотой, не поджигают начальную порцию газа | Нужно избежать ожогов и воспламенения смеси водорода с воздухом |
Таблица связывает этап опыта с действиями и свойствами, которые делают эти действия возможными. При выборе способа собирания учитывайте, нужен ли сухой газ и допустимо ли его смешивание с водяным паром. Уравнение помогает проверить, какие вещества получаются и правильно ли расставлены коэффициенты.
Ответ: Zn + 2HCl → ZnCl₂ + H₂↑. Продукты — хлорид цинка и водород.
Ответ: применяют собирание вытеснением воздуха в перевёрнутый сосуд. Водород при этом может смешиваться с воздухом, поэтому способ не означает, что газ будет чистым.
Ответ: сосуд расположен правильно, если он перевёрнут отверстием вниз. Такое положение позволяет лёгкому водороду собираться внутри и вытеснять воздух.
Для опыта иногда выбирают неподходящий металл или концентрированную кислоту. Так поступают, если ориентируются только на наличие металла и кислоты, забывая, что важны условия реакции и безопасность. Проверьте, указан ли в задании подходящий металл и используется ли разбавленная кислота; не заменяйте реагенты самостоятельно.
В уравнении могут забыть коэффициент перед кислотой или записать водород как H. Причина — не учитывают, что простое вещество водород состоит из двухатомных молекул H₂. Чтобы проверить запись, пересчитайте атомы каждого элемента слева и справа, а затем убедитесь, что коэффициенты — наименьшие целые числа.
При собирании вытеснением воздуха сосуд иногда оставляют отверстием вверх. Ошибка возникает, если не учитывать, что водород легче воздуха и поднимается. Проверьте направление движения газа: чтобы он накопился в сосуде, тот должен быть перевёрнут.
Опасно подносить пламя к установке сразу после начала выделения газа. Вначале водород смешан с воздухом, и такая смесь может вспыхнуть или взорваться. Сначала дайте газу вытеснить воздух, затем проверяйте его только с разрешения учителя и на безопасном расстоянии.
Для понимания опыта нужно знать, из каких частиц состоят металлы и кислоты, и уметь составлять формулы веществ. Понадобится также навык расстановки коэффициентов: он помогает правильно отразить превращение атомов в реакции. Получение водорода связывает эти знания с темами о химических свойствах неметаллов, кислот и лабораторных способах получения газов.
Почему для получения водорода берут не любой металл?
Металл должен быть достаточно активным, чтобы вытеснять водород из выбранной разбавленной кислоты. Некоторые металлы реагируют слишком слабо или не дают водород в таких условиях, а отдельные сочетания веществ могут быть опасны.
Почему водород можно собирать над водой?
Водород мало растворяется в воде и почти не теряется при таком собирании. При этом газ получается влажным, потому что в сосуде есть водяной пар.
Как определить, что в пробирке собрался водород?
После того как из установки вытеснен воздух, к отверстию пробирки осторожно подносят горящую лучинку. Водород загорается; характерный тихий хлопок может подтвердить его присутствие.
Почему при собирании вытеснением воздуха сосуд переворачивают?
Водород легче воздуха и поднимается вверх. В перевёрнутом сосуде он накапливается, вытесняя воздух вниз.
Почему нельзя сразу подносить горящую лучинку к только что собранному газу?
Сначала в сосуде находится воздух, и его смесь с водородом может взорваться при поджигании. Нужно дать водороду вытеснить воздух и проверять газ только с соблюдением правил безопасности.
§ 22. Получение водорода в лаборатории
