"Химия", Еремин В.В., Кузьменко Н.Е. и др.
В лаборатории водород получают небольшими порциями для опытов, чаще всего действием разбавленной кислоты на подходящий металл. Это отличается от промышленного производства, где водород получают в больших количествах для дальнейшего использования. При реакции образуются соль и газообразный H₂. Газ отводят по трубке и собирают вытеснением воды или воздуха. Чтобы опыт был безопасным, перед поджиганием проверяют чистоту водорода: его смесь с воздухом может быть взрывоопасной.
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 H₂ в химической реакции для проведения опытов. В лаборатории можно изучить свойства газа или выполнить расчёт, не производя его в промышленных масштабах. Промышленное производство рассчитано на получение больших количеств водорода для нужд производства и энергетики. Поэтому лабораторный способ выбирают для опыта, а не для снабжения предприятий газом.
Реакция замещения — реакция, в которой атомы одного элемента вытесняют атомы другого элемента из сложного вещества. В реакции цинка с соляной кислотой цинк замещает водород: Zn + 2HCl → ZnCl₂ + H₂↑. Стрелка вверх показывает, что водород выделяется как газ. Это понятие помогает предсказать состав продуктов реакции и правильно записать уравнение.
Прибор для получения газа — установка, в которой реагенты вступают в реакцию, а газ отводится через специальную трубку. Обычно в неё входят сосуд с металлом и кислотой, пробка и газоотводная трубка; кислоту можно добавлять через воронку с длинной трубкой. Сосуд нужен для взаимодействия веществ, пробка ограничивает выход газа через отверстие, а трубка направляет его в приёмник. Знание назначения частей помогает понять, как газ попадает из реакционной смеси в сосуд для собирания.
Вытеснение воды — способ собирания газа в перевёрнутом сосуде, заполненном водой: поступающий газ вытесняет из него воду. Водород мало растворим в воде, поэтому большая его часть остаётся в сосуде, а не растворяется. Способ подходит, если газ не вступает с водой в нежелательную реакцию. Он позволяет собирать водород и одновременно видеть, что газ действительно поступает в приёмник.
Для получения водорода используют реакцию металла с кислотой, потому что некоторые металлы способны вытеснять из неё водород. Например, цинк реагирует с разбавленной соляной кислотой, образуя хлорид цинка и водород: Zn + 2HCl → ZnCl₂ + H₂↑. Два атома водорода из двух молекул HCl соединяются в молекулу H₂, а цинк связывается с хлором. Уравнение нужно уравнять, чтобы число атомов каждого элемента слева и справа совпадало.
Для опыта выбирают не просто металл и кислоту, а реагенты, которые подходят для реакции выделения водорода. По ряду активности металлов можно оценить, способен ли металл вытеснять водород из кислоты. Поэтому неверно считать, что любая пара «металл — кислота» обязательно даст водород: некоторые металлы малоактивны, а разные кислоты могут реагировать по-разному. Обычно берут разбавленную кислоту и подходящий металл, например цинк, чтобы реакция шла так, как ожидается в опыте.
Металл помещают в реакционный сосуд, затем добавляют кислоту; при контакте реагентов начинается выделение газа. Сосуд закрывают пробкой с газоотводной трубкой, чтобы водород направлялся в приёмник, а не свободно выходил через горлышко. Если кислоту вводят через воронку, она помогает добавить жидкость в сосуд, не разбирая установку. Газоотводная трубка соединяет реакционную часть установки с сосудом, где собирают водород.
Один способ собирания водорода — вытеснение воды: конец трубки направляют под перевёрнутый сосуд, заполненный водой. Поступающий газ занимает пространство сосуда и вытесняет воду наружу. Так можно собирать водород, потому что он мало растворим в воде; утверждать, что он совсем не растворяется, неправильно. Другой способ — вытеснение воздуха: его выбирают с учётом того, что водород легче воздуха, и правильно располагают сосуд.
До поджигания собранного газа нужно убедиться, что в нём нет опасного количества воздуха. Сначала из прибора выходит воздух, который был внутри до начала реакции, поэтому первая порция газа может оказаться смесью воздуха с водородом. Такая смесь способна взрываться при воспламенении. Первую порцию не используют для демонстрации горения, а проверку и дальнейшие действия выполняют только по правилам безопасности и под руководством учителя.
| Что сравниваем | Получение водорода | Собирание водорода |
|---|---|---|
| Назначение | Получить газ в химической реакции для опыта. | Переместить выделившийся газ в приёмный сосуд. |
| Основной принцип | Металл вытесняет водород из подходящей кислоты. | Газ занимает место воды или воздуха в сосуде. |
| Пример или способ | Zn + 2HCl → ZnCl₂ + H₂↑. | Вытеснение воды или вытеснение воздуха. |
| Условие выбора | Нужны подходящие металл и кислота, обычно разбавленная. | Учитывают малую растворимость в воде или меньшую плотность, чем у воздуха. |
| Меры предосторожности | Соблюдают правила работы с кислотами и лабораторной установкой. | Не поджигают первую порцию; смесь водорода с воздухом опасна. |
Сначала по таблице выбери, какую задачу решает каждый этап: химическая реакция создаёт водород, а способ собирания направляет его в приёмник. Затем проверь, подходит ли способ собирания свойствам газа. Строка о мерах предосторожности напоминает, что правильный выбор реагентов и сосуда не отменяет безопасного обращения с газом.
Условие. Запишите уравнение реакции цинка с разбавленной соляной кислотой и уравняйте его. Сначала применим схему реакции замещения: металл вытесняет водород из кислоты. Продуктами будут соль хлорид цинка и газообразный водород.
Ответ: Zn + 2HCl → ZnCl₂ + H₂↑. Проверка числа атомов подтверждает, что уравнение составлено правильно.
Условие. Найдём объём H₂ при нормальных условиях, если 6,5 г цинка реагируют с избытком разбавленной соляной кислоты. Кислота в избытке, поэтому ограничивающим реагентом будет цинк. По уравнению один моль Zn даёт один моль H₂.
Ответ: выделится 2,24 л водорода. Расчёт опирается на коэффициенты уравнения и молярный объём газа.
Условие. Даны 13 г цинка и 100 мл раствора HCl концентрацией 2 моль/л. Требуется определить недостаток реагента и объём водорода при нормальных условиях. Сравнивать нужно количества веществ с учётом уравнения: на один моль Zn требуется два моля HCl.
Ответ: в недостатке соляная кислота; выделится 2,24 л водорода. Цинк останется в избытке, так как его исходное количество больше необходимого для имеющейся кислоты.
Ошибка — считать, что водород выделяется при взаимодействии любой кислоты с любым металлом. Так думают, потому что запоминают общую схему, но забывают об активности металлов и свойствах кислот. Проверь себя по ряду активности и условиям реакции: подходит ли конкретный металл для вытеснения водорода? Если условия не указаны или реагенты необычные, не делай вывод только по общей схеме.
В уравнении Zn + HCl → ZnCl₂ + H₂ часто забывают коэффициент 2 перед HCl. Тогда число атомов водорода и хлора слева не совпадает с числом справа. После записи уравнения пересчитай атомы каждого элемента отдельно; правильный вариант — Zn + 2HCl → ZnCl₂ + H₂.
Иногда говорят, что водород «не растворяется» в воде, хотя точнее сказать, что он мало растворим. Путаница возникает из-за того, что при собирании газа над водой основная его часть остаётся в сосуде. Проверяй формулировку: способ применим именно благодаря малой растворимости, а не абсолютному отсутствию растворения.
Опасная ошибка — поджигать первую порцию газа сразу после начала реакции. В начале установки в ней есть воздух, а с водородом он может образовать взрывоопасную смесь. Перед опытом вспомни, что газ сначала должен вытеснить воздух из прибора, и соблюдай правила проверки чистоты под контролем учителя. Если безопасность не обеспечена, поджигать газ нельзя.
Чтобы разобраться в способе получения водорода, нужно знать формулы кислот, смысл реакции замещения и ряд активности металлов. Эти знания помогают определить продукты реакции и понять, почему подходят не все металлы. Уравнения реакций и расчёты по ним понадобятся, чтобы находить количество и объём полученного газа. Позже эти умения пригодятся при изучении физических и химических свойств водорода и способов распознавания газов. Безопасное выполнение опыта связано с правилами работы с кислотами, нагревательными приборами и горючими газами.
Почему для получения водорода обычно берут цинк и разбавленную кислоту?
Цинк достаточно активно реагирует с разбавленными кислотами и при этом позволяет получить водород с удобной для опыта скоростью. Разбавленную кислоту используют, чтобы реакция шла подходящим образом; концентрированные кислоты могут вести себя иначе.
Можно ли получить водород из любого металла и любой кислоты?
Нет. Металл должен быть способен вытеснить водород из выбранной кислоты, поэтому учитывают ряд активности металлов. Кроме того, некоторые кислоты, особенно концентрированные, реагируют с металлами не так, как разбавленная соляная кислота.
Почему водород можно собирать над водой?
Водород мало растворим в воде, поэтому при таком способе значительная часть газа остаётся в сосуде. Он вытесняет воду из перевёрнутого сосуда и накапливается в нём.
Зачем проверять чистоту водорода перед поджиганием?
В собранном газе может находиться воздух. Смесь водорода с воздухом способна взрываться, поэтому поджигать газ можно только после проверки его чистоты и с соблюдением правил безопасности.
Почему первую порцию газа не используют для опыта с горением?
В начале опыта из прибора выходит воздух, который уже находился внутри него, а затем — смесь воздуха с водородом. Такая смесь опасна при поджигании, поэтому первую порцию не используют для демонстрации горения.
§ 22. Получение водорода в лаборатории
