При изучении в курсе школьной программы по химии темы «водород» в качестве лабораторной работы ученикам поручают самостоятельно получить водород, а затем проверить его на чистоту. В лабораторных условиях водород обычно получают действием цинка на соляную или серную кислоту.
Простейший лабораторный способ получения водорода это – взаимодействие разбавленной соляной или серной кислот с металлическим цинком, железом или каким-либо другим неблагородным металлом:
В штативе закрепляют пробирку, в которую предварительно налили несколько миллилитров разбавленной серной кислоты. Опускаем в неё кусочек металлического цинка и закрываем пробкой с газоотводной трубкой, конец которой помещаем в другую пробирку. Визуально будет наблюдаться выделение пузырьков газа. Это — водород. Для того, чтобы правильно собрать этот га, пробирку необходимо перевернуть вверх дном. Поскольку, водород легче воздуха, то он будет накапливаться в верхней части сосуда, однако, в ней также будет присутствовать и воздух, а значит и кислород. Известно, что эти два газа образуют друг с другом взрывоопасную смесь. Чтобы проверить полученный водород на чистоту (как проверить водород на чистоту), необходимо его поджечь с помощью тлеющей лучинки. Вы услышите хлопок. Чем звук хлопка тише, тем чище водород (меньше кислорода находится в пробирке).
Водород в лаборатории чаще
всего получают в аппарате Киппа (рис.
28) действием 10–15-%-го раствора хлороводорода
или 15–20 -%-го раствора серной кислоты
на цинк.
1 – резервуар с
перетяжкой; 2 – шарообразная воронка;
а – нижнее
полушарие; б – центральный шар; в –
нижний тубус;
г – верхний тубус;
д – газоотводная трубка с краном; е –
шлиф;
з – гранулы цинка;
ж – раствор кислоты
Заправка аппарата Киппа и его
использование
Если при получении водорода
используется соляная кислота, то
выделяющийся газ содержит две основные
примеси – хлороводород и пары воды. От
них избавляются, последовательно
пропуская газ из аппарата Киппа через
промывную склянку с водой (поглощает
HCl)
и с концентрированной серной кислотой
(поглощает пары воды) (рис.29).
Рис.
29. Очистка
водорода от примеси хлороводорода и
паров воды.
1 – аппарат Киппа,
заряженный соляной кислотой и цинком;
2 – промывная
склянка с водой; 3 – промывная склянка
с концентрированной серной кислотой
Проверка
водорода на чистоту
Смеси водорода с кислородом
(2 : 1) или воздухом очень опасны. Они
взрываются с большой силой при поджигании,
при пропускании электрического разряда
или при контакте с платиной. Поэтому
водород, выделяющийся из аппарата Киппа,
перед использованием всегда нужно очень
тщательно проверять
на чистоту следующим образом:
♠ Техника безопасности
Водород горюч и в смеси с кислородом или воздухом образует взрывоопасную смесь. Все опыты с водородом разрешается проводить только в присутствии преподавателя, в очках или маске.
Если прибор, заполненный водородом, необходимо нагреть или поджечь водород на выходе из него, следует до начала нагревания вытеснить из прибора весь воздух водородом, затем проверить водород на чистоту.
Проверка водорода на чистоту. Для этого надо приготовить две маленькие пробирки. Надеть на газоотводную трубку прибора сухую пробирку, примерно через 5 секунд медленно снять ее, закрыв отверстие пробирки большим пальцем, и поставить на ее место вторую пробирку. Держа пробирку с водородом отверстием вниз, поднести ее к пламени зажженной горелки. Отнять палец и, чуть наклонив, быстро внести отверстие пробирки в пламя горелки. Следующую пробу проводят со второй пробиркой. * Почему? Проверку проводят до тех пор, пока проба водорода не будет загораться почти без звука.
Сбор водорода и его проверка на чистоту:
Только убедившись в чистоте выделяющегося водорода, можно поджечь его на выходе из прибора или начать нагревание прибора.
♣ Сборка прибора
Планирование. Готовясь собирать прибор, продумайте, какие узлы Вам понадобятся. Например: узел получения хлора; реакционная трубка; узел осушки и т. п. Прибор должен занимать как можно меньше места. Постарайтесь закрепить все детали на одном штативе, вот как здесь:
Нерационально сначала собирать прибор, а потом разбирать его, чтобы поместить внутрь реагенты. Если нет причин делать иначе, помещайте вещества сразу в нужное место.
Соединение узлов. Резиновые шланги и пробки, применяемые для соединения узлов и изоляции, могут подвергаться воздействию агрессивных сред (хлор и т. п.). Старая резина может пропускать газы, особенно водород. Поэтому надо использовать минимальные отрезки резиновых шлангов и стараться соединять части прибора «стык в стык».
Края всех стеклянных трубок должны быть оплавлены. * Как это делается? Чтобы облегчить надевание тугого шланга на стеклянную трубку, смочите ее каплей воды или глицерина. * Всегда ли все равно, чем смачивать?
Резиновые пробки, как и шланги, присоединяют, не вдавливая, а вкручивая. Избегайте нажимать на тонкие части стеклянной посуды.
Соединения на шлифах. Шлифы – это притертые стеклянные соединения. Шлиф с внешней поверхности трубки называется керн, внутренний шлиф – муфта. Соединять их следует, вставляя керн в муфту круговым движением. Шлифы обязательно надо смазывать. При работе с пониженным давлением пользуются вакуумной смазкой. Не нужно наносить много смазки: достаточно нанести тонкую полоску на керн; когда Вы соедините шлифы круговым движением, она размажется по всей поверхности. Перед соединением рекомендуется слегка обогреть шлифы горячим воздухом над горелкой.
Шлифы могут быть не только коническими. * Какие еще виды шлифов Вы встречали в лаборатории?
При работе с агрессивными газами или легколетучими жидкостями при атмосферном давлении в качестве смазки применяют фосфорную кислоту, при работе с неагрессивными соединениями без нагревания – вазелиновое масло или глицерин.
Закрепление прибора на штативах. Между металлической лапкой и стеклянной посудой, закрепляемой в штативе, надо поместить резиновую или термостойкую прокладку. * В каких случаях резиновая прокладка не годится? Сначала лапку с посудой зажимают рукой – плотно, но без усилия; потом закручивают винт лапки.
Обязательно должны быть закреплены колбы, реакционные трубки. Пример закрепления прибора:
Нет смысла располагать прибор четко «слева направо» и «строго по прямой». Расположение следует согласовывать с соседями (не помещать узел охлаждения рядом с горелкой соседа и т. п.). Чтобы прибор был компактен и занимал один штатив, изогните соединяющие резиновые трубки или используйте изогнутые стеклянные трубки (если это возможно).
Проверка на герметичность. Если пузырьки газа проходят через две промывалки с разной скоростью или не проходят совсем, это говорит о негерметичности прибора. Необходимо проверить соединения и пробки заново!
Когда промывалок в реакционном приборе нет, нужно закрыть выход прибора. Если прибор герметичен, то жидкость, находящаяся в колбе Вюрца, начнет быстро подниматься по воронке с длинной трубкой. Если же нет, можно найти место утечки, поочередно зажимая соединения частей прибора.
Проверка на герметичность:
Проверка на герметичность обязательна при работе с водородом и СО!
Окислительно-восстановительные
Опыт
1 Получение водорода
Ознакомиться
с устройством аппарата Киппа. Зарисовать.
Открыть
кран газоотводной трубки. Наблюдать,
как кислота вливается в аппарат, заполняет
нижнюю часть его и поднимается в среднюю,
где находится цинк. Постепенно добавлять
кислоту до тех пор, пока весь цинк не
покроется ею. Средняя часть аппарата
должна быть заполнена приблизительно
на 1/3 её объёма. Наблюдать реакцию
взаимодействия цинка с кислотой.
Ознакомиться
с автоматичностью действия аппарата
Киппа. Для этого закрыть кран с газоотводной
трубкой, наблюдать, как кислота будет
вытесняться из его средней части в
воронку, обнажится цинк и реакция
прекратится. Вновь открыть кран,
наблюдать, как кислота вливается в
аппарат, достигает цинка, и реакция
вновь начинается. Эту операцию повторить
дважды. Выждав некоторое время после
начала реакции, проверить чистоту
водорода.
НИКОГДА
не
зажигать водород на конце газоотводной
трубки аппарата Киппа, не проверив его
на чистоту и не будучи убеждённым в том,
что он не имеет примесей воздуха. Помните,
что водород с воздухом образует взрывчатую
смесь. Зажигание недостаточно чистого
водорода может привести к опасному
взрыву аппарата.
Держа
левой рукой вертикально вверх наконечник
газоотводной трубки, правой рукой одеть
на него пробирку вверх дном. Выждав
около минуты, медленно опускать
наконечник, выводя его из пробирки.
После этого, держа пробирку по-прежнему
вверх дном, поднести её к пламени
спиртовки. Громкий свистящий или лающий
звук указывает на то, что водород не
чист, а к нему примешан воздух, и эта
смесь в пробирке взрывается. Повторить
пробу на чистоту водорода несколько
раз до тех пор, пока он не будет загораться
спокойно.
Проверить
чистоту водорода и наполнить им большую
пробирку, держа её вверх дном, поместить
с ней рядом, тоже вверх дном, другую
пробирку так, чтобы их отверстия были
рядом. Не отодвигая пробирки с водородом,
повёртывать её вниз дном так, чтобы
пустая пробирка накрыла бы пробирку с
водородом. Разъединив пробирки, поднести
каждую из них к пламени спиртовки. В
какой пробирке наблюдается вспышка?
Опыт
3
Образование
воды при горении.
ПРОВЕРИТЬ
ВОДОРОД на чистоту. Если он чист, зажгите
его на конце газоотводной трубки и,
держа трубку вверх, накройте пламя
стеклянной банкой, прекратив процесс
выделения водорода. Что для этого надо
сделать? Что наблюдается на стенках
банки? Записать уравнение реакции.
Проверка водорода на чистоту;
Если при получении водорода используется соляная кислота, то выделяющийся газ содержит две основные примеси – хлороводород и пары воды. От них избавляются, последовательно пропуская газ из аппарата Киппа через промывную склянку с водой (поглощает HCl) и с концентрированной серной кислотой (поглощает пары воды) (рис.29).
Смеси водорода с кислородом (2: 1) или воздухом очень опасны. Они взрываются с большой силой при поджигании, при пропускании электрического разряда или при контакте с платиной. Поэтому водород, выделяющийся из аппарата Киппа, перед использованием всегда нужно очень тщательно проверять на чистоту следующим образом:
1. Зажечь спиртовку на расстоянии не ближе 1 м к аппарату Киппа.
2. Методом вытеснения воды заполнить пробирку выделяющимся газом и закрыть её под водой указательным пальцем.
3. Поднести закрытую пробирку отверстием вниз к пламени спиртовки, не переворачивая открыть и быстро внести в пламя. Чистый водород сгорает с лёгким, еле слышным хлопком вроде «п-па». Однако для обеспечения безопасности при работе с водородом всегда нужно окончательно убедиться в его чистоте. Водород можно использовать только после трёхкратной положительной пробы на чистоту. Если же при поджигании газа раздаётся резкий «лающий» звук, то выделяющийся газ содержит примесь воздуха и очень опасен. В этом случае нужно дождаться выделения чистого газа, периодически проводя пробу на чистоту. При этом нельзя использовать одну и ту же пробирку.
Занятие 2. Демонстрационный эксперимент
1. Получение водорода действием металла на кислоту и изучение свойств водорода
В пробирку или небольшую колбу Вюрца поместить гранулы цинка.
Прилить через воронку с длинной трубкой 20% раствор H2SO4 (* почему именно такая концентрация?) и пропустить выделяющийся газ через реакционную трубку из тугоплавкого стекла с 0,5 г оксида металла (например, меди (II)).
Помещение оксида металла в реакционную трубку:
Выходное отверстие реакционной трубки должно быть закрыто согнутой стеклянной трубочкой, сужающейся на конце, для отвода непрореагировавшего водорода (рис. 11). В эту трубочку необходимо поместить медную спираль. * Зачем?
Рис. 11. Газоотводная трубка
Внешний вид прибора:
Прилить через воронку с длинной трубкой несколько капель раствора CuSO4. * Что изменилось и почему?
Проверить прибор на герметичность. * Как это сделать? Добиться герметичности подгонкой соединений или заменой узлов.
Проверить водород на чистоту. * Почему вначале выходящий из трубки водород не является чистым? Дождавшись, когда водород станет чистым, поджечь его на выходе.
Поместить над пламенем водорода холодную стеклянную воронку. * Объяснить наблюдения.
Прогреть реакционную трубку горелкой по всей длине, затем сильно нагреть ту часть трубки, где лежит оксид металла. Фото В.В. Загорского:
Если пламя погаснет (* почему это может произойти?), прекратить нагревание. Вновь поджечь водород можно после новой проверки на чистоту.
Если на стенках реакционной трубки оседает вода (* почему это может произойти?), удалить ее нагреванием.
Когда реакция закончится (* как это определить?), охладить прибор в токе водорода. * Почему нельзя сразу разбирать прибор?
** Оксиды каких металлов можно восстановить водородом? Дайте общий ответ.
2. Получение водорода
А) Действие металла на щелочь
В пробирку поместить 1-2 гранулы алюминия и 1-2 мл 40% раствора NaOH. Если реакция вначале идет медленно (* почему?), подогреть пробирку горячей водой. * Объяснить динамику реакции. Почему скорость реакции со временем возрастает?
Б) Действие металла на воду
Заполнить пробирку объемом 10-15 мл до краев водой. Закрыть отверстие большим пальцем, опрокинуть пробирку в кристаллизатор с водой и в таком положении закрепить в лапке штатива. Взять пинцетом или щипцами кусочек кальция и быстро подвести его под пробирку.
Убедиться в том, что в пробирке собран водород. * Как это сделать?
В) Действие кремния на щелочь
Поместить в пробирку небольшой кусочек кремния и прилить 40% раствор NaOH. * Как ускорить эту реакцию?
** Какой процесс лежит в основе методов получения водорода в лаборатории?
3. Получение кислорода
Наполнить несколько (* сколько? – см. опыт 4) баночек кислородом из кислородной подушки. Для этого нужно налить в баночку до краев воду, закрыть стеклянной пластинкой, перевернуть и погрузить в кристаллизатор с водой. Опустить газоотводную трубку подушки в кристаллизатор и, открыв кран, отрегулировать скорость подачи кислорода (чтобы можно было легко считать пузырьки газа). Подвести газоотводную трубку под отверстие баночки. Когда баночка будет почти наполнена кислородом, закрыть ее под водой пластинкой и вынуть.
* Какими еще способами получают кислород в лаборатории?
** Какой процесс лежит в основе этих способов?
4. Изучение свойств кислорода
А) Поместить немного серы в железную ложечку, поджечь серу и внести ее в баночку с кислородом. После прекращения горения серы влить в баночку несколько капель индикатора (на фото справа). * Какие индикаторы можно использовать? * Как меняется характер горения веществ при внесении их в кислород? Почему?
Б) Скрутить в спираль железную проволоку, вставить в нее спичку. Взять проволоку щипцами, поджечь спичку и внести проволоку в баночку с кислородом. * Горит ли железо на воздухе? Если да, то какие для этого нужны условия?
** Какие химические свойства характерны для кислорода?
5. Свойства пероксида водорода
А) Налить в пробирку около 1 мл 10% раствора Н2О2. Всыпать немного порошка MnO2. * Какую роль играет MnO2? Доказать, что за газ выделяется. * Как это сделать?
Б) Реакции в кислой среде
Прилить раствор Н2О2 к 1 мл раствора KMnO4, подкисленного 1 М раствором H2SO4.
Прилить по каплям раствор KI к 1 мл раствора Н2О2, подкисленного 1 М раствором H2SO4 (на фото слева). Экстрагировать образовавшийся иод (на фото справа). * Как это сделать? Какой растворитель для этого требуется?
Редкий случай: достигнута стехиометрия, иод выпал в осадок:
В) Реакции в щелочной среде
К 1 мл раствора соли хрома (III) (фото 1) прилить 20% раствор NaOH до растворения (фото 3) выпадающего вначале осадка (фото 2). Затем добавить 1 мл 10% раствора Н2О2 (фото 4). При необходимости нагреть пробирку на водяной бане.
На фото 5 – в избытке пероксида образовалось перекисное соединение хрома (VI). На фото 6 — перекисное соединение при подкислении.
1 2 3 4 5 6
К 1 мл раствора Н2О2 добавить немного иодной воды и 1 М раствора аммиака.
** Какие химические свойства проявляет пероксид водорода?
♣ Методы сбора газов
* С какими методами сбора газов Вы познакомились?
Собирать газы вытеснением воздуха можно в двух вариантах (рис. 12). * Приведите примеры газов, которые собирают по первому и второму вариантам. Каким критерием Вы пользуетесь, определяя, как собирать газ?
Рис. 12. Сбор газа вытеснением воздуха
Получение кислорода и сжигание в нём веществ
Опыт
1. Наполнение
газометра кислородом
(выполнение происходит под наблюдение
преподавателя или лаборанта).
1.
Ознакомиться с устройством газометра.
2.
В пробирку поместить перманганат калия,
закрыть пробкой с газоотводной трубкой.
Закрепить пробирку в штативе слегка
наклонно, так чтобы можно было её обогреть
пламенем спиртовки, поставленной на
столе. Поместить наконечник газоотводной
трубки в стакан с водой и нагревать
КмnO4
в пробирке — убедиться, что образуется
газ. Зарисовать газометр, записать
уравнение реакции.
Опыт
2. Сжигание
серы в кислороде.
Наполнить
банку кислородом из газометра. Для этого
снять стёклышко, прикрывающее банку,
опустить в неё наконечник газоотводной
трубки газометра (следить, чтобы воронка
газометра всё время была наполнена
водой не меньше, чем на половину).
Наполнение банки кислородом проверяют
тлеющей лучинкой (не следует её глубоко
опускать в банку, только поднести к краю
и быстро отдернуть. Вспыхивание лучинки
у отверстия банки показывает, что она
полностью наполнена кислородом).
Поместить серу в ложечку для сжигания
и зажечь её, нагревая в пламени спиртовки.
Ложечку с горящей серой перенести в
банку с кислородом, наблюдать пламя
серы, горящей в кислороде, сравнить с
процессом горения её в воздухе. Накрыть
банку стеклом. Испытать характер
образующегося оксида серы. Дня этого
влить в банку фиолетовый раствор лакмуса,
накрыть банку стеклом и взболтать. Как
изменился цвет лакмуса? Чем является
гидрат гидроксид серы IV? Записать
уравнения реакций.
Опыт
3. Сжигание
магния в кислороде.
Наполнить
банку кислородом, как в предыдущем
опыте. Взять тигельными щипцами стружку
или ленту магния, нагревать в пламени
спиртовки, пока она не загорится и быстро
внести в банку с кислородом. Что собой
представляет оксид магния? Испытать
характер оксида магния. Для этого, как
в предыдущем опыте, влить в банку немного
раствора фиолетового лакмуса и взболтать.
Как изменился цвет лакмуса? Сделать
вывод о характере образующегося
гидроксида.
Опыт
4. Сжигание
железа в кислороде.
На
дно банки насыпать тонкий слой сухого
песка. На конце проволоки длиной 25-30 см
укрепить свёрнутую в спираль струну
(иглу, перо). На свободном конце её
прикрепить запал: маленький кусочек
лучинки. Наполнить банку кислородом.
Зажечь запал в пламени спиртовки и
опустить проволоку в банку. Наблюдать
как будет сгорать железо, разбрасывая
искры раскалённой окалины. Записать
уравнение реакции.