"Химия", Кузнецова Н.Е., Титова И.М., Гара Н.Н.
Водород получают в лаборатории реакцией цинка с разбавленной кислотой. Выделившийся газ собирают вытеснением воды, потому что он мало в ней растворяется. Затем небольшую пробу проверяют на чистоту и горючесть. При поджигании чистый водород спокойно горит, образуя воду, а его смесь с воздухом может взорваться. Поэтому порядок действий и правила безопасности в этой работе имеют не меньшее значение, чем запись уравнения реакции.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Водород — простое вещество H₂, состоящее из молекул с двумя атомами водорода. Это бесцветный газ без запаха, плохо растворимый в воде и легче воздуха. Такие свойства объясняют выбор способа его собирания и позволяют наблюдать его горение.
Реакция замещения — химическая реакция, в которой атомы металла вытесняют водород из кислоты. Например: Zn + 2HCl → ZnCl₂ + H₂↑. Понимание этой схемы помогает определить продукты реакции и правильно составить уравнение.
Вытеснение воды — способ собирания газа, при котором он заполняет перевёрнутый сосуд и вытесняет из него воду. Метод применяют к газам, которые мало растворяются в воде и не реагируют с ней. Для водорода это позволяет получить его отдельно от воздуха.
Гремучая смесь — взрывоопасная смесь водорода с кислородом или воздухом. При поджигании реакция идёт очень быстро, выделяется много теплоты и газ резко расширяется. Поэтому такую смесь нельзя поджигать в большом объёме.
Для получения водорода в пробирку или небольшую колбу помещают цинк и добавляют разбавленную кислоту. Цинк является металлом, способным вытеснять водород из кислоты, а кислота поставляет ионы водорода для образования молекул H₂. Реакцию проводят с разбавленным раствором, чтобы выделение газа не было слишком бурным: Zn + 2HCl → ZnCl₂ + H₂↑.
Сосуд с реагентами закрывают пробкой, в которую вставлена газоотводная трубка. Пробка не даёт газу уходить через горлышко, а трубка направляет его в сосуд для сбора. Если соединения негерметичны, водород будет выходить наружу и смешиваться с воздухом, поэтому прибор заранее проверяют.
Собирают газ вытеснением воды: заполненную водой пробирку переворачивают в ёмкости с водой и подводят к ней конец трубки. Пузырьки водорода поднимаются в пробирку, занимают её объём, а вода выходит наружу. Этот способ подходит, потому что водород плохо растворяется в воде и не вступает с ней в реакцию.
Первую порцию газа не поджигают, поскольку внутри прибора сначала находится воздух. После нескольких секунд выделения состав газа становится преимущественно водородным, и небольшую пробу можно осторожно проверить у отверстия пробирки. Чистый водород горит, а при его взаимодействии с кислородом образуется вода: 2H₂ + O₂ → 2H₂O.
| Этап работы | Что делают | Наблюдения | Вывод или уравнение | Меры безопасности |
|---|---|---|---|---|
| Получение водорода из цинка и разбавленной кислоты | Помещают цинк в пробирку или колбу, добавляют разбавленную кислоту и закрывают сосуд пробкой с трубкой. | Появляются пузырьки газа, цинк постепенно расходуется. | Zn + 2HCl → ZnCl₂ + H₂↑. Образуются соль и водород. | Работают в защитных очках, не направляют отверстие пробирки на себя. |
| Собирание газа вытеснением воды | Подводят трубку под перевёрнутую, заполненную водой пробирку. | Вода вытесняется, а пробирка заполняется бесцветным газом. | Водород мало растворяется в воде, поэтому его можно собрать этим способом. | Следят, чтобы прибор оставался устойчивым и трубка не выскочила. |
| Проверка небольшой пробы на чистоту | После удаления первой порции подносят пламя к отверстию пробирки с малой пробой газа. | Чистый водород загорается без сильного хлопка. | Отсутствие резкого хлопка у небольшой пробы указывает на уменьшение примеси воздуха. | Не поджигают первую порцию и не проверяют весь объём газа. |
| Изучение горения водорода | Осторожно поджигают небольшую пробу водорода у отверстия сосуда. | Газ горит бледно-голубым пламенем, может появиться вода на холодной поверхности. | 2H₂ + O₂ → 2H₂O. Водород — горючее вещество. | Не подносят огонь к генератору газа и к большой ёмкости с водородом. |
Таблицу удобно использовать как последовательную инструкцию: сначала выполняют этап из первого столбца, затем сравнивают наблюдения с ожидаемыми. В последнем столбце собраны ограничения, которые нельзя пропускать даже при правильном уравнении. Вывод должен опираться не только на появление пузырьков, но и на проверку свойств газа.
Составьте уравнение реакции цинка с разбавленной соляной кислотой и укажите, какой газ выделяется. Нужно определить тип реакции и продукты взаимодействия металла с кислотой. Затем следует проверить, совпадает ли число атомов каждого элемента в обеих частях уравнения.
Ответ: Zn + 2HCl → ZnCl₂ + H₂↑. Выделяется водород. Стрелка вверх показывает образование газа.
Выберите способ собирания водорода — вытеснение воды или воздуха — и обоснуйте выбор его свойствами. Сравнивать нужно не только плотность газа, но и его растворимость. Для практической работы особенно важно получить газ с минимальной примесью воздуха.
Ответ: предпочтительно собирать водород вытеснением воды. Этот способ уменьшает смешивание газа с воздухом и основан на его малой растворимости.
Ученик поджёг газ сразу после начала его выделения и услышал хлопок. Объясните причину и предложите безопасный порядок проверки. Нужно учесть состав газа в первые секунды и опасность его реакции с кислородом.
Ответ: хлопок вызвала гремучая смесь. Проверять газ можно лишь после удаления первой порции и только в небольшом объёме, соблюдая указания учителя.
Поджигают первую порцию газа, потому что считают её уже чистым водородом. На самом деле в ней много воздуха, поэтому может образоваться взрывоопасная смесь. Проверьте себя: перед испытанием первая порция должна быть выпущена, а проба — маленькой.
Говорят, что водород совсем не растворяется в воде. Растворимость мала, но не равна нулю, поэтому правильнее использовать слово «плохо». Проверьте формулировку в выводе: нужно объяснять возможность сбора газа, а не утверждать абсолютную нерастворимость.
Считают пузырьки газа доказательством получения именно водорода. Пузырьки показывают только выделение какого-то газа, но не определяют его состав. Проверьте вывод испытанием небольшой пробы после удаления воздуха.
Подносят пламя к большому объёму газа или ко всему прибору. Так можно воспламенить смесь водорода с воздухом и повредить установку. Безопасная проверка проводится только с малой пробой у отверстия сосуда.
Для работы нужны знания о формулах простых веществ и кислот, признаках химической реакции и составлении уравнений. Она опирается на тему реакций металлов с кислотами, а также на свойства газов: плотность и растворимость в воде. Позже эти сведения пригодятся при изучении способов получения газов, окислительно-восстановительных реакций и химических свойств металлов.
Почему для получения водорода в работе используют цинк и разбавленную кислоту?
Цинк достаточно активно реагирует с разбавленной кислотой, но реакцию можно контролировать в лабораторном приборе. В результате образуются соль и водород. Разбавленная кислота делает процесс менее бурным и безопаснее.
Почему водород можно собирать вытеснением воды?
Водород плохо растворяется в воде, поэтому почти не теряется при пропускании через неё. Газ заполняет перевёрнутую пробирку и вытесняет из неё воду. Полностью нерастворимых газов не бывает, поэтому правильнее говорить о малой растворимости.
Зачем первую порцию газа не поджигают?
Сначала прибор и газоотводная трубка заполнены воздухом. Воздух смешивается с водородом, и такая смесь может взорваться при поджигании. Сначала выпускают первую порцию, а затем проверяют небольшое количество газа.
Какое наблюдение подтверждает, что водород горит?
У отверстия пробирки чистый водород загорается бледно-голубым пламенем. На холодной поверхности рядом с пламенем могут появиться капли воды. Это связано с реакцией водорода с кислородом воздуха.
Почему смесь водорода с воздухом опасно поджигать?
Водород смешивается с кислородом воздуха, а при поджигании быстро реагирует с ним. В большом объёме реакция сопровождается резким расширением горячих газов и взрывом. Поэтому проверяют только маленькую пробу после удаления первой порции.
Практическая работа 7. Получение водорода и изучение его свойств
