§ 30. Практическая работа 4. Получение водорода и исследование его свойств

Определения и обозначения

Водород — самый лёгкий газ, его формула H₂. Он бесцветен и не имеет запаха, поэтому по внешнему виду определить его нельзя. Понимание этих признаков помогает не путать наблюдение за газом с доказательством его состава: для распознавания нужна специальная проверка.

Реакция замещения — реакция, в которой атомы простого вещества вытесняют атомы другого элемента из сложного вещества. Например, при взаимодействии цинка с соляной кислотой атомы цинка занимают место водорода в кислоте. Это понятие помогает понять, почему металл участвует в реакции, а водород выделяется как газ.

Гремучая смесь — смесь водорода с кислородом, способная взрываться при поджигании. Она может образоваться, если водород смешается с кислородом воздуха. Поэтому проверяют только малую порцию газа: небольшое количество ограничивает опасность хлопка и позволяет распознать водород, не поджигая весь газ в приборе.

Пробирка для собирания газа — сосуд, в котором водород накапливается при вытеснении воды. Такой способ подходит, потому что водород плохо растворяется в воде и в условиях опыта не реагирует с ней. В перевёрнутой пробирке газ занимает место воды, а не смешивается сразу с воздухом.

Как это устроено

Для получения водорода нужны металл, разбавленная кислота, пробирка для реакции, газоотводная трубка и сосуд для сбора газа. Металл и кислоту помещают в реакционную пробирку, а трубка направляет выделяющийся газ в сосуд. Оборудование должно быть собрано так, чтобы газ не выходил мимо трубки. Реактивы и действия выбирают по инструкции учителя, поскольку кислоты и воспламеняющийся газ требуют осторожного обращения.

Когда металл взаимодействует с кислотой, образуются соль и водород. Словесная схема: металл + кислота → соль + водород. Металл вытесняет водород из состава кислоты, а оставшаяся часть кислоты соединяется с металлом и образует соль. Например, цинк + соляная кислота → хлорид цинка + водород; эта схема показывает, откуда берутся оба продукта реакции.

Чтобы собрать газ, конец газоотводной трубки помещают под перевёрнутую пробирку, заполненную водой и установленную в сосуд с водой. Пузырьки водорода поднимаются вверх и вытесняют воду, поэтому газ постепенно занимает внутренний объём пробирки. Водород мало растворяется в воде, и потому значительная его часть остаётся собранной. Пока газ проходит через воду, он не смешивается сразу с воздухом в открытом сосуде.

Наличие водорода проверяют горящей лучинкой у отверстия пробирки — только по указанию учителя. Если в пробе есть водород и он смешался с кислородом воздуха у отверстия, может прозвучать характерный хлопок. Хлопок указывает на воспламенение смеси, а не доказывает, что чистый водород взрывается сам по себе. Поскольку в приборе может оставаться воздух, перед проверкой берут лишь небольшую порцию газа.

Для исследования горения водород поджигают только в условиях, разрешённых учителем и предусмотренных правилами безопасности. При горении водород соединяется с кислородом воздуха, а продуктом этой реакции становится вода. Её можно обнаружить по появлению капель на холодной поверхности над пламенем, если опыт организован соответствующим образом. Наблюдение подтверждает, что вода образуется из водорода и кислорода, а не является исходным газом.

Получение и распознавание водорода

Читайте таблицу по этапам: в графе наблюдений записывают то, что можно непосредственно увидеть или услышать, а в выводе объясняют результат. Проверка газа и его горение — разные действия: хлопок помогает распознать смесь с водородом, а образование воды показывает продукт горения. Все действия с огнём проводят только под руководством учителя.

Разбор задач

В пробирку поместили металл и добавили разбавленную кислоту. Запишите словесную схему реакции и назовите выделяющийся газ.

1. Сначала определим тип веществ: металл — простое вещество, а кислота — сложное. В реакции замещения металл занимает место водорода в кислоте. Значит, среди продуктов должны быть соль и водород.

2. Запишем общий порядок превращения словами: металл + кислота → соль + водород. Конкретное название соли зависит от того, какие металл и кислота взяты в опыте. Например, при взаимодействии цинка с соляной кислотой образуется хлорид цинка.

3. Проверим, какой продукт выделяется в виде газа: водород образуется из водорода, вытесненного металлом из кислоты. Это отвечает на вопрос задачи и согласуется с наблюдением пузырьков. Не следует подменять словесную схему уравнением с неизвестными веществами.

Ответ: металл + кислота → соль + водород; выделяющийся газ — водород.

Почему водород в практической работе собирают в перевёрнутую пробирку над водой, а не оставляют выходить в открытый воздух?

1. Сначала учтём свойства водорода: он плохо растворяется в воде и в условиях опыта не реагирует с ней. Поэтому его можно направить в пробирку, предварительно заполненную водой. Пузырьки газа вытесняют воду и остаются внутри сосуда.

2. Перевёрнутое положение нужно, чтобы поднимающийся газ накапливался в верхней части пробирки. Если выпускать водород в открытый воздух, он будет смешиваться с ним, и собрать отдельную пробу станет труднее. Смесь с кислородом воздуха может быть опасной при поджигании.

3. Сравним способы: вода служит средой, которую вытесняет плохо растворимый газ, а открытый воздух смешивается с ним. Значит, сбор над водой позволяет получить пробу водорода, не смешивая её сразу с воздухом. Само наличие газа всё равно проверяют отдельно и осторожно.

Ответ: водород собирают над водой, потому что он мало в ней растворяется; так его можно собрать отдельно от воздуха.

При проверке газа у отверстия пробирки раздался хлопок. Объясните наблюдение и укажите, что следует сделать перед поджиганием следующей порции.

1. Хлопок означает, что воспламенилась смесь водорода с кислородом воздуха. Она могла образоваться у отверстия пробирки, где газ соприкоснулся с воздухом. Поэтому неверно говорить, что хлопнул чистый водород сам по себе.

2. Перед следующей проверкой учитывают, что в приборе и газоотводной трубке может оставаться воздух. Если поджечь такую смесь, вспышка может быть опасной. Сначала выпускают и проверяют только небольшую порцию газа, строго по указанию учителя.

3. Проверим ход рассуждения: причиной хлопка стало смешивание водорода с кислородом, а безопасное действие — не поджигать сразу весь газ. Следующую пробу берут малой и не приближают огонь к месту получения газа. Если учитель не разрешил проверку, её не проводят.

Ответ: хлопнула смесь водорода с кислородом воздуха. Перед следующей проверкой сначала выпускают небольшую порцию газа и действуют только по указанию учителя.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что хлопок доказывает взрыв чистого водорода. Так думают, потому что на слух трудно определить состав газа в момент воспламенения. Хлопает смесь водорода с кислородом воздуха; проверьте себя, назвав оба газа, участвующих в ней.

Ошибка — поджигать газ сразу после начала его выделения. В приборе ещё может оставаться воздух, и смешавшийся с ним водород способен вспыхнуть. Сначала по указанию учителя проверяют небольшую порцию; если в объяснении нет осторожной предварительной проверки, рассуждение неверно.

Ошибка — собирать водород в сосуд, не перевёрнутый над водой, не учитывая свойства газа. В таком случае газ может смешаться с воздухом, а пробу будет трудно собрать отдельно. Проверьте себя: вспомните, что водород мало растворяется в воде, и объясните, как его пузырьки вытесняют воду в перевёрнутой пробирке.

Ошибка — подносить огонь к месту получения газа или действовать без разрешения. Иногда считают, что небольшое количество газа не представляет опасности, но смесь с воздухом может вспыхнуть. Опыты проводят по инструкции учителя; перед каждым действием с огнём нужно убедиться, что оно разрешено и безопасно.

Связь с другими темами

Перед работой нужно знать состав и формулы кислот и солей: это помогает понять, какие вещества участвуют в реакции и какой продукт образуется. Различение простых и сложных веществ позволяет увидеть, что металл вытесняет водород из кислоты. Понимание реакций металлов с кислотами пригодится при изучении ряда активности металлов и способов получения других газов. Связь водорода с кислородом при горении подготовит к изучению состава воды и других реакций горения.

Что запомнить

• Водород получают взаимодействием некоторых металлов с разбавленными кислотами.
• В реакции металла с кислотой образуются соль и водород.
• Водород собирают вытеснением воды.
• Водород горит с образованием воды.
• Хлопок при поджигании указывает на воспламенение смеси водорода с воздухом.
• Перед поджиганием необходимо проверить небольшую порцию газа и соблюдать правила безопасности.