Урок 24. Выделение водорода в реакциях кислот с металлами

Водород — самое распространенное химическое вещество во Вселенной. Он входит в состав большинства звезд, отличается малой массой — среди всех элементов таблицы Менделеева он самый легкий1. В периодической таблице водород обозначается, как Н. Он стоит на первом месте.

В этом материале мы рассмотрим происхождение, химические и физические свойства водорода. Также ответим на вопрос о том, где чаще всего применяется такое вещество и чего оно позволяет достичь.

Известно, что среди элементов водород — это «двуликий Янус», он сочетает в себе свойства и металлов, и неметаллов.

Как открыли водород

Так как вещество очень распространено, его получение практикуется на протяжении многих веков. Считается, что впервые осознанно стали вырабатывать газ в промежутке между XVI и XVII веков.

Среди ученых, которые внесли серьезный вклад в изучение элемента, есть такие, как:

• Роберт Бойль. В 1671 году он провел опыт, в котором наблюдал реакцию при взаимодействии стальных опилок и разбавленных кислот. Это привело к выделению водорода в виде газа.
• Генри Кавендиш. Именно он первым заявил, что водород является индивидуальным элементом. С его именем также связано понимание связи между сгоранием вещества и появлением воды.
• Михаил Ломоносов. Проводил множество опытов, наблюдал выделение вещества.
• Антуан Лавуазье. Первым провел синтез воды и проанализировал ее. Со своим партнером Жаном Менье считается основоположником современных методов промышленного получения таких элементов.

Кто первый получил водород

Первым получателем водорода считают Парацельса. Он смог выработать газ и описать этот процесс во время погружения опилок в серную кислоту. Опыт был проведен еще в XVI веке. Вещество прошло долгий путь до появления возможности его синтезирования в промышленных условиях.

Почему такое название

Михаил Соловьев стал автором современного русского названия элемента. Он назвал его так в 1824 году, проведя аналогию, которую ранее выдвигал еще Василий Севергин — «рождающий воду». Интересно, что ранее Ломоносов также назвал кислород, отметив его способность провоцировать окислительные процессы.

Англоязычное название принадлежит Лавуазье. Оно звучит как hydrogène, образовано от двух греческих слов. Можно перевести как «рождающий воду».

Физические свойства водорода

Есть ряд физических свойств, которые были описаны после начала активной выработки этого элемента. К ним относятся:

• Легкость. Вещество представляет собой самый легкий газ из всех, что известны человеку. По сравнению с воздухом он весит меньше в 14,5 раз.
• Теплопроводность. Также является самой высокой среди газообразных веществ — выше, чем у воздуха не менее чем в 7 раз. Это объясняется быстрым движением молекул.
• Состав молекулы. Она включает в себя два атома.
• Растворимость. Элемент показывает хорошую растворимость в металлах, таких, как палладий. Это объясняется способностью к диффузии.

При нормальных условиях, газ не имеет вкуса, цвета или запаха. Закипает при температуре −252,76 °C. Плотность составляет 0,08987 г/л.

Чтобы получить вещество в жидком виде, нужно добиться крайне низких температур, в диапазоне от −252,76 до −259,2 °C. Жидкость будет текучей, без цвета, с малым весом.

Хотите получить консультацию?

Позвоните нам по телефону!

+7 (495) 532 17 17 Пн.-Пт. с 9:00 до 18:00, обед с 13:00 до 14.00, Сб. с 9.00 до 15:00

Химические свойства водорода

Области применения водорода во многом объясняются его химическими свойствами. Среди главных:

• В реакции с активными металлами начинает проявлять окислительные способности. Обычно это происходит при высоком уровне давления и температуры.
• Может при нормальных условиях легко вступать в реакции с кальцием и другими активными металлами. Также наблюдается реакция с фтором.
• Воздействие стимулирует изменчивость при контакте с другими материалами. Чтобы это произошло, должна измениться не только температура и давление, но и освещение, иные условия.
• Способен образовывать гидриды при контакте с щелочными и щелочноземельными металлами.
• Контакт с оксидом металла может привести к восстановлению.

Также вещество способно к проведению гидрирования органических соединений разного типа. В таком случае потребуется использование правильно подобранного катализатора, влияющего на температуру, другие условия протекания2.

Как получают водород в промышленности

Промышленное использование элемента востребовано. Это требует регулярного получения вещества, причем в достаточно больших объемах. Чаще всего используют три варианта — добыча из воды, кислот и воздуха.

Получение водорода из воздуха

В промышленности водород получают из воздуха. Сравнительно недорогой и быстрый метод выработки большого объема вещества. Это делается при помощи генераторов, которые стимулируют протекание различных вариантов реакций. Многие ученые говорят о том, что в будущем именно такое средство будет чаще всего использоваться в энергетике.

Каким прибором получают водород

Выбор прибора зависит от метода. В лабораторных условиях это сочетание емкостей — пробирок с водой, соляной кислотой и другими веществами.

В промышленности используются крупные установки. Они автоматизируются для исключения влияния человеческого фактора на процесс, появления посторонних примесей в готовом веществе.

Где применяют водород

Область использования элемента обширна. Благодаря своим химическим и физическим свойствам, он востребован в медицине, в качестве топлива, косметической отрасли и пищевой.

Вещество применяется для проведения атомно-водородной сварки, создания гирокомпасов, осветительных приборов. Элемент нужен, чтобы создать аммиак и метанол, запустить процессы гидрокрекинга и гидроочистки. Встречается элемент и при создании электроники.

В медицине

Чаще всего применяется обогащенная вода. Это часть терапевтического лечения многих видов заболеваний, в том числе, онкологических. Также используется способность вещества стимулировать эндогенные антиоксиданты в организме человека — это важное средство для борьбы со стрессовыми ситуациями и их негативным влиянием.

Применение водорода в быту

В быту в чистом виде вещество не применяется. Чаще всего оно помогает создать аммиак и другие соединения, которые встречаются в бытовой химии.

Использование в пищевой и косметической промышленности

Именно из такого элемента создается саломас. Это твердый жир, основу для которого составляют различные растительные масла.

Компонент применяется в изготовлении мыла и большого списка косметических средств. Также входит в состав маргарина и распространенной пищевой добавки Е949.

Водород как компонент ракетного топлива

Многие ученые отмечают, что водородное топливо может стать одним из наиболее перспективных в будущем. Сегодня оно применяется в ракетной промышленности3.

Использование в авиации

Сегодня не применяется. Ранее использовался как наполнитель для несущих элементов воздухоплавательных аппаратов, таких, как дирижабли. Вышел из употребления из-за ряда катастроф. Причиной стала горючесть газа.

Как и где хранить водород

Правильному хранению газа уделяется большое внимание. Выбор определенной емкости зависит от объема вещества, которое нужно закачать внутрь. Обычно емкость имеет двойную стенку — одна из аустенитной, вторая из высокопрочной стали.

Давление в сосудах, которые применяются для перевозки, составляет до 20 Мпа. Применяются баллоны с достаточно большим весом.

Если требуется разместить большой объем газа, он закачивается в крупные газгольдеры. Внутри контролируется давление, которое редко превышает отметку в 10 Мпа.

При хранении и перевозке стоит соблюдать стандартные правила:

• Не оказывать на баллоны сильного давления.
• Исключать нагрев тары.
• Правильно закрепить баллоны, установить между ними специальные смягчающие прокладки.

Требуется регулярно проводить проверку, освидетельствование и ремонт баллонов, которые используются при хранении и транспортировке. Емкости не должны иметь сильных механических повреждений, следов коррозии, вмятин.

Специализированные компании регулярно проводят обслуживание, меняют арматуру на баллонах, обновляют защитное лакокрасочное покрытие. Надо учитывать рекомендации производителей по обслуживанию, следить за сроком эксплуатации.

Каким цветом окрашены водородные баллоны

Вещество перевозится в темно-зеленых емкостях. Надписи наносятся на поверхность красным цветом.

Современную промышленность невозможно представить без использования в разных ее отраслях и на разных этапах производства технических газов. И водород один из самых востребованных промышленностью газов, он занимает третье место после кислорода и азота.

Водород является одним из важнейших видов сырья нефтехимической и химической промышленности. Без этого газа не обходятся и другие отрасли: металлургическая, пищевая, стекольная, электронная, электротехническая.

Химическая промышленность

Основной областью применения водорода является производство химических продуктов — аммиака, метанола, хлористого водорода и его раствора — соляной кислоты. В дальнейшем аммиак используется для получения азотных удобрений, взрывчатых веществ, синтетических волокон, пластмассы, лекарств.

Нефтеперерабатывающая промышленность

На НПЗ водород используется при получении топлива из высокосернистого тяжелого сырья, в установках гидрообессеривания, для гидрокрекинга дистиллятов, гидроочистки, при производстве смазочных материалов, так же водород необходим в других процессах нефтепереработки.

Металлургия

В металлургии основная доля используемого водорода приходится на получение металлизированного сырья прямым восстановлением железа. С помощью водорода восстанавливают металлы из их оксидов, например, так получают вольфрам.

Большие объемы технического водорода применяются в прокатном производстве для термической обработки холоднокатаного проката. Используется водород металлургическими предприятиями для получения азотно-водородной защитной атмосферы при термической обработке трубного проката.

При горении водорода в кислороде температура поднимается примерно до 3000 °C, что позволяет сваривать тугоплавкие металлы.

Стекольная промышленность

В этой отрасли водород используется при производстве листового стекла флоат-методом и при получении кварцевого стекла, изготавливаемого плавлением кварца, горного хрусталя или синтетического диоксида кремния в кислородно-водородном пламени.

Энергетика

Благодаря таким свойствам, как высокие теплопроводность и коэффициент диффузии, водород используется для охлаждения мощных турбогенераторов на ТЭЦ и АЭС.

Пищевая промышленность

На предприятиях пищевой промышленности — масложировых комбинатах — водород применяется при производстве маргарина методом гидрогенизации жидких растительных жиров.

К другим потребителям водорода относятся горно-обогатительные комбинаты, электротехническая и электронная промышленность, заводы по изготовлению ядерного топлива, транспортные, газовые, фармацевтические предприятия.Сжиженный водород используется как ракетное горючее.

Водород относится к числу слабых восстановителей. Однако реакция восстановления является равновесной и гетерогенной. Поэтому, применяя избыток водорода и удаляя током водорола один из продуктов реакции — пары воды, можно восстановить даже довольно прочные окислы. Константа равновесия реакции восстановления для сравнительно непрочных окислов, имеет большое значение, и в газовой фазе в состоянии равновесия имеется большое количество паров воды и сравнительно небольшое количество водорода. Поэтому при восстановлении окислов водород используется почти полностью. По этой причине применяемый водород можно не подвергать тщательной осушке.
При восстановлении более прочных окислов, например вольфрама, молибдена и особенно хрома, константа равновесия имеет небольшое значение, и в газовой фазе в состоянии равновесия имеется мало паров воды и много водорода. Поэтому водород используется при восстановлении только частично и для получения металлов нужно пропускать над окислом большие количества водорода. При восстановлении прочных окислов нужно применять тщательно осушенный водород. Такие прочные окислы, как окислы алюминия, кальция, закись марганца и т. д., практически восстановлению не поддаются. Как показывают расчеты, для получения 1 г указанных металлов над окислом нужно пропустить миллиарды литров абсолютно сухого водорода.
Восстановление окислов многовалентных металлов проходит ступенчато. Например, двуокись марганца сначала легко восстанавливается до — Мп2Оэ, затем до закиси-окиси — Мп304 и наконец до закиси — МО. Поскольку последний окисел весьма прочен, восстановление на этом и заканчивается.
Окислы щелочных металлов, за исключением лития, также восстанавливаются водородом. Но получающиеся металлы возгоняются и при охлаждении частично окисляются парами воды, образующимися за счет восстановления окислов.
В промышленности этим методом получают молибден, вольфрам, германий, галлий и индий. Восстановление проводят в трубчатых печах. Окисел помещается в кварцевой или графитовой лодочке, находящейся в фарфоровой или кварцевой трубке, обогреваемой электропечью. Молибден и вольфрам получаются в порошкообразном состоянии. Металл в компактном состоянии получают методом порошковой металлургии (см. главу V). Германий, если восстановление проводится выше температуры его плавления, получается в виде слитка. Для получения металлов в чистом виде необходимо применять чистый водород и чистые окислы, так как загрязнения обычно переходят в металл.

Водород широко используют в современной промышленности (рис. 53). Значительная его часть расходуется на производство аммиака NH3, являющегося сырьём для получения азотных удобрений, пластмасс, синтетических волокон, лекарственных препаратов. Взаимодействием водорода с хлором получают хлороводород HCl и его водный раствор — соляную кислоту. Синтез-газ, состоящий из водорода и угарного газа CO, служит сырьём для производства метилового спирта CH3OH и других органических веществ.

Небольшое количество водорода потребляет и пищевая промышленность. Пропуская водород через жидкие растительные масла, получают твёрдый жир, из которого изготавливают маргарин.

Часть водорода идёт на восстановление металлов из оксидов. Так получают некоторые тугоплавкие металлы, например вольфрам, из которого производят нити накала электроламп.

Высокая температура водородно-кислородного пламени позволяет плавить и сваривать тугоплавкие металлы. Для этого применяют горелку, устроенную аналогично ацетилено-кислородной.

Жидкий водород применяется как ракетное горючее. Исследуется возможность использования водорода в качестве топлива в двигателях внутреннего сгорания. Это позволило бы решить многие экологические проблемы, ведь при горении водорода не образуются вещества, загрязняющие окружающую среду. Основное препятствие для развития водородной энергетики — проблема хранения и перевозки большого количества водорода. Над её решением в настоящее время работают учёные.

В промышленности водород получают, пропуская водяной пар над раскалённым углём. При высокой температуре водород в молекуле воды замещается на углерод:

C + H2O

CO + H2.

Этот процесс технологи называют газопаровой конверсией угля. При этом наряду с водородом образуется угарный газ — оксид углерода(II) CO. Для разделения этих газов используют сложные физические и химические процессы. Однако во многих производствах целесообразно применять не чистый водород, а смесь CO и H2, которую называют синтез-газом.

В России велики запасы природного газа метана CH4, поэтому удобно получать водород взаимодействием метана с водяным паром при температуре около 1000 С. Реакция протекает в несколько стадий и суммарно может быть представлена уравнением:

CH4 + H2O

CO + 3H2.

Водород может быть получен и при разложении метана:

C + 2H2.

В качестве побочного продукта при этом образуется сажа — свободный углерод. Её применяют в производстве резины и типографской краски.

О получении водорода из воды вы узнаете в следующей главе.

Перечислите известные вам способы получения водорода: а) в лаборатории; б) в промышленности.

По рисунку 53 расскажите о различных областях применения водорода. Проиллюстрируйте свой ответ уравнениями химических реакций.

Какое вещество является восстановителем в реакции углерода с водяным паром? Объясните ответ.

Вольфрам W получают восстановлением оксида вольфрама(VI) водородом. Напишите уравнение реакции.

Водород может быть использован в качестве восстановителя для получения железа. Напишите уравнение реакции восстановления магнитного железняка Fe3O4.

Раньше водород использовали для наполнения аэростатов. На каком свойстве водорода основано это применение? Почему сейчас метеорологические шары-зонды наполняют благородным газом гелием?

В уроке 26 «Получение водорода и его применение» из курса «Химия для чайников» узнаем о получении водорода в лабораториях и в промышленности, а также выясним в каких отраслях промышленности его применяют.

Водород находит широкое применение в технике и лабораторных исследованиях. Мировое промышленное производство водорода из меряется десятками миллионов тонн в год.

Выбор промышленного способа получения простых веществ зависит от того, в какой форме соответствующий элемент находится в природе. Водород находится в природе преимущественно в соединениях с атомами других элементов. Поэтому для его получения необходимо использовать химические методы. Эти же методы применяют для получения водорода и в лабораторной практике.

Получение водорода в лаборатории

В лабораториях водород получают уже известным вам способом, действуя кислотами на металлы: железо, цинк и др. Поместим на дно пробирки три гранулы цинка и прильем небольшой объем соляной кислоты. Там, где кислота соприкасается с цинком (на поверхности гранул), появляются пузырьки бесцветного газа, которые быстро поднимаются к поверхности раствора:

Атомы цинка замещают атомы водорода в молекулах кислоты, в результате чего образуется простое вещество водород Н2, пузырьки которого выделяются из раствора. Для получения водорода таким способом можно использовать не только хлороводородную кислоту и цинк, но и некоторые другие кислоты и металлы.

Соберем водород методом вытеснения воздуха, располагая пробирку вверх дном (объясните почему), или методом вытеснения воды и проверим его на чистоту. Пробирку с собранным водородом наклоняем к пламени спиртовки. Глухой хлопок свидетельствует о том, что водород чистый; «лающий» громкий звук взрыва говорит о загрязненности его примесью воздуха.

В химических лабораториях для получения относительно небольших объемов водорода обычно применяют способ разложения воды с помощью электрического тока:

Получение водорода в промышленности

Очевидно, что при огромных объемах промышленного производства сырьем для получения водорода должны быть легкодоступные и дешевые вещества. Такими веществами являются природный газ (метан СН4) и вода. Запасы природного газа очень велики, а воды — практически неограниченны.

Самый дешевый способ получения водорода — разложение метана при нагревании:

Эту реакцию проводят при температуре около 1000 °С.

В промышленности водород также получают, пропуская водяные пары над раскаленным углем:

Существуют и другие промышленные способы получения водорода.

Значительная часть водорода идет на переработку нефти. Около 25 % производимого водорода расходуется на синтез аммиака NH3. Это один из важнейших продуктов химической промышленности. Производство аммиака и азотных удобрений на его основе осуществляется в нашей стране на ОАО «Гродно Азот». Республика Беларусь поставляет азотные удобрения во многие страны мира.

В большом количестве водород расходуется на получение хлороводородной кислоты. Реакция горения водорода в

кислороде используется в ракетных двигателях, выводящих в космос летательные аппараты. Водород применяют и для получения металлов из оксидов. Таким способом получают тугоплавкие металлы молибден и вольфрам.

В пищевой промышленности водород используют в производстве маргарина из растительных масел. Реакцию горения водорода в кислороде применяют для сварочных работ. Если использовать специальные горелки, то можно повысить температуру пламени до 4000 С. При такой температуре проводят сварочные работы с самыми тугоплавкими материалами.

В настоящее время в ряде стран, в том числе и в Беларуси, начаты исследования по замене невозобновляемых источников энергии (нефти, газа, угля) на водород. При сгорании водорода в кислороде образуется экологически чистый продукт — вода. А углекислый газ, вызывающий парниковый эффект (потепление окружающей среды), не выделяется.

Предполагают, что с середины XXI в. должно быть начато серийное производство автомобилей на водороде. Широкое применение найдут домашние топливные элементы, работа которых также основана на окислении водорода кислородом.

Краткие выводы урока:

• В лаборатории водород получают действием кислот на металлы.
• В промышленности для получения водорода используют доступное и дешевое сырье — природный газ, воду.
• Водород — это перспективный источник энергии XXI в.

Существует технология, использование в которой водорода позволяет сэкономить энергоресурсы (кокс, уголь), получить больший выход готовой продукции из сырья, сократить цикл производства с одновременным повышением качества и улучшением экологического состояния атмосферы. Это металлургия, а именно – восстановление металлов с помощью водорода.

Предыстория, или Вперед в прошлое за чистыми металлами

Металлургия сопровождает человечество со времен бронзового и железного веков. Еще за 14 столетий до н. э. древние люди выплавляли железо кричным методом. Принцип заключался в восстановлении железной руды углем при сравнительно невысокой температуре 1000 °C. В итоге получали крицу – железную губку, затем ее проковывали до получения болванки, из которой изготавливали предметы быта и оружие.

Уже в XIV веке стали появляться примитивные горны и домницы, положившие начало современным металлургическим процессам: доменному, мартеновскому и конвертерному. Обилие каменного угля и железных руд надолго закрепили эти методы как основные. Однако, повышающиеся требования к качеству продукции, экономия ресурсов и экологическая безопасность привели к тому, что уже в середине XIX века стали возвращаться к истокам: использовать прямое восстановление чистых металлов. Первая современная такая установка появилась в 1911 г. в Швеции, выпускавшая малые партии полученных с помощью водорода металлов чистотой 99,99%. Потребителями тогда были лишь исследовательские лаборатории. В 1969 г. в Портленде (США) заработала фабрика, выпускавшая до 400 тыс. тонн чистых металлов. А уже в 1975 г. в мире этим способом выпускалось 29 млн тонн стали.

Сейчас такую продукцию ждут не только авиационная, приборостроительная отрасль, предприятия по изготовлению медицинских инструментов и электроники, но и многие другие. Особое преимущество эта технология получила в цветной металлургии, но в недалекой перспективе и «водородная черная металлургия».

Как сейчас используют водород для производства чистых металлов

Металлы крайне активные элементы, поэтому легко вступают в соединения (оксиды, сульфиды, хлориды и пр.) и в природе не встречаются в чистом виде. При производстве стали требуется чистый металл, а количество примесей строго регламентируется для поддержания заданных физических и химических параметров. Традиционные способы переработки руды не полностью удовлетворяют современным требованиям, поэтому металлургические заводы, загрязняющие атмосферу и водоемы выбросами, должны перестраиваться на экологичное производство.

Достойной альтернативой стало прямое восстановление металлов водородом. Полученное губчатое железо, окатыши или металлические частички идут на дальнейшую переработку для получения сплавов. Это полностью безотходное производство. Принцип обработки заключается в протекании химической реакции замещения ионов металла в связке с кислородом на ионы водорода. В результате оксиды разрушаются, высвобождается чистый металл и образуется вода. Например: CuO + H2 = Cu + H2O. Это вариант переработки медной руды. Получающийся в результате порошок становится сырьем порошковой металлургии.

Существуют два способа восстановления чистого железа. В первом варианте руда разогревается с применением твердого топлива или газа, состоящего из угарного газа и водорода. Полученные окатыши идут на дальнейшую переработку. Второй выгодно отличается от первого тем, что в процессе участвует только водород. На выходе – два вещества: чистый металл и вода. При этом скорость процесса увеличивается, а примеси отсутствуют. Этот вариант наиболее подходит к получению тугоплавких металлов типа вольфрам, титан. Одна из причин того, что этот процесс пока не стал массовым – это сложность получения, хранения и транспортировки чистого водорода. Но перечень неоспоримых преимуществ достаточен для того, чтобы ученые вплотную занялись решением этих проблем.

Преимущества использования водорода при производстве чистых металлов

Применение водорода как восстановителя обладает рядом преимуществ:
• нет необходимости в доменном переделе, производстве кокса и агломерата, поэтому многократно снижаются выбросы диоксида серы, пыли и прочих загрязнителей воздуха;
• расход воды уменьшается в 2–3 раза, и, следовательно, снижается количество сточных вод;
• выделяемый пар можно вторично использовать (предварительно сконденсировав);
• отсутствие карбидов, серы, фосфора и прочих примесей в конечном продукте;
• экономия энергоресурсов, повышение коэффициента использования сырья и сокращение производственного процесса;
• получение новых материалов – металлических порошков, обладающих после спекания повышенными: износоустойчивостью, жаропрочностью, стойкостью к химическому воздействию.

С помощью водорода получают не только чистые металлы, но и готовые изделия. Это метод газофазного формования из вольфрама тонкостенных деталей или плотных заготовок под последующую обработку давлением. Принцип работы: в результате реакции замещения из оксида при повышенной в 5–10 раз концентрации водорода образуется вода, а чистый вольфрам осаждается на графитовую или металлическую матрицу, которая затем удаляется, а готовое изделие полностью повторяет заданные очертания. Этот способ дает более чистый металл, чем при проведении такой же реакции, но с применением углерода, т. к. не образуются карбиды.

Для хранения водорода нужны большие емкости, что зачастую нецелесообразно. Поэтому его доводят до сжиженного состояния, но в таком случае необходимо запастись криогенными емкостями. Еще более удобный способ хранения – это изготовление металлогидридов. Суть метода основывается на способности редкоземельных металлов вступать в соединения с водородом, накапливая газ объемом в 500 тысяч раз больше, чем сам металл-носитель.

Если криоемкость с жидким водородом вдруг повредится и сжиженный газ вытечет наружу, то его пары исчезнут мгновенно. Так что вероятность горения или взрыва стремится к нулю.

Компания DP Air Gas предлагает клиентам водород газообразный технический марок А (99,99%) и Б (99,95%), соответствующий ГОСТ 3022–80. В баллонах содержится 6 м3 газа. Для удобства клиентов компания осуществляет доставку не только баллонов, но и реципиентов, а также баллонов, соединенных в моноблоки по 8–12 шт. в связке с единым выходом. Качество нашей продукции сертифицировано и постоянно проверяется в лаборатории. С полным ассортиментом можно ознакомиться здесь.

В уроке 24 «Выделение водорода в реакциях кислот с металлами» из курса «Химия для чайников» познакомимся с рядом активности металлов, а также больше узнаем о кислотах в химических реакциях.

Характерное химическое свойство кислот — выделение из них водорода в реакциях с некоторыми металлами. Атомы металлов замещают атомы водорода в молекулах кислот, в результате чего водород выделяется в виде газа. В пробирку с хлороводородной кислотой опустим кусочек цинка. На поверхности металла образуются, а затем выделяются из раствора пузырьки газа. Соберем этот газ в пробирку и поднесем ее к пламени спиртовки (рис. 100). Мы услышим хлопок. Это свидетельствует о наличии в пробирке водорода.

Каплю образовавшегося раствора поместим на стеклянную пластинку и подогреем ее в пламени спиртовки. После испарения воды на пластинке остается вещество белого цвета. Опытным путем можно установить, что состав этого вещества выражается формулой ZnCl2.

Теперь мы можем записать уравнение реакции цинка с кислотой:

На рисунке 101 дана схема этой реакции. Из уравнения и поясняющей его схемы видим, что атомы цинка замещают атомы водорода в кислоте. В результате из простого вещества цинка и сложного вещества хлороводородной кислоты образуются два новых: сложное вещество ZnCl2 и простое вещество водород Н2.

Так же протекают реакции алюминия, железа, других металлов и с раствором серной кислоты:

Эти химические реакции подтверждают, что кислоты являются сложными веществами, состоящими из атомов водорода, способных замещаться на атомы металла, и кислотных остатков.

Вытеснительный ряд металлов

При проведении опыта вы убедились, что алюминий энергично вытесняет водород из раствора хлороводородной кислоты. С железом реакция вытеснения водорода протекает менее энергично, а с медью вовсе не идет.

По интенсивности вытеснения водорода из кислот металлы можно разместить в ряд:

Его называют рядом активности или вытеснительным рядом металлов.

Чем левее расположен металл в вытеснительном ряду до водорода (Н2), тем активнее он вытесняет водород из кислот. Металлы, стоящие в ряду правее водорода, из кислот водород не вытесняют.

Зная расположение металлов в вытеснительном ряду, заранее можно предсказать:

• Будут ли реагировать металлы с кислотами с выделением водорода;
• Насколько активно будут протекать эти реакции.

Для получения водорода из кислот в лаборатории или школьном кабинете химии необходимо брать металлы, которые в вытеснительном ряду стоят до водорода. Но не каждый металл подходит для этих целей. Активные металлы натрий и калий реагируют с кислотами со взрывом, а реакции кислот с оловом и свинцом протекают медленно. Наиболее подходящими металлами для практического получения водорода являются цинк и алюминий. Как вы убедились, при проведении реакций этих металлов с раствором хлороводородной кислоты они протекают спокойно и достаточно быстро.

• Кислоты — сложные вещества, состоящие из атомов водорода, способных замещаться на атомы металлов, и кислотных остатков.
• Металлы, стоящие в вытеснительном ряду до водорода, вытесняют его из кислот.
• В лаборатории водород получают в реакции металлов с кислотами.