Получение водорода в лаборатории
Водород в лаборатории получают действием соляной или разбавленной серной кислоты на цинк: Zn + 2HCl → ZnCl₂ + H₂↑. Водород в 14,5 раза легче воздуха и почти не растворяется в воде, поэтому его собирают вытеснением воды или в пробирку, перевёрнутую вверх дном. Перед поджиганием газ проверяют на чистоту: чистый водород сгорает с глухим хлопком, смесь с воздухом — с резким «лающим» звуком. В промышленности водород получают из метана и электролизом воды.
Способы получения водорода
| Способ | Реакция | Где применяют |
|---|---|---|
| металл + кислота | Zn + 2HCl → ZnCl₂ + H₂↑ | лаборатория, школа |
| амфотерный металл + щёлочь | 2Al + 2NaOH + 6H₂O → 2Na[Al(OH)₄] + 3H₂↑ | лаборатория |
| активный металл + вода | 2Na + 2H₂O → 2NaOH + H₂↑ | демонстрационный опыт |
| гидрид + вода | CaH₂ + 2H₂O → Ca(OH)₂ + 2H₂↑ | получение водорода в полевых условиях |
| конверсия метана водяным паром | CH₄ + H₂O → CO + 3H₂ | промышленность, основной способ |
| электролиз воды | 2H₂O → 2H₂↑ + O₂↑ | промышленность, очень чистый водород |
| электролиз раствора NaCl | 2NaCl + 2H₂O → 2NaOH + H₂↑ + Cl₂↑ | производство хлора и щёлочи, водород — попутно |
Получение водорода в лаборатории
Водород вытесняют из кислот металлы, стоящие в ряду активности левее водорода. Удобнее всего цинк: реакция идёт равномерно. Магний реагирует бурно, железо — медленно и даёт соль железа(II) — Fe + 2HCl → FeCl₂ + H₂↑, а медь с соляной и разбавленной серной кислотой не реагирует. По сути водород отдают ионы H⁺ кислоты: Zn + 2H⁺ → Zn²⁺ + H₂↑.
Азотную кислоту для этого не берут: с металлами она выделяет не водород, а оксиды азота — 3Cu + 8HNO₃ (разб.) → 3Cu(NO₃)₂ + 2NO↑ + 4H₂O. Концентрированная серная кислота тоже даёт другой газ — сернистый: Zn + 2H₂SO₄ (конц.) → ZnSO₄ + SO₂↑ + 2H₂O. Подробнее — урок «Реакции металлов с кислотами» и химические свойства кислот.
Аппарат Киппа
Аппарат Киппа выдаёт газ по мере надобности. Он состоит из трёх сообщающихся шаров: в средний кладут гранулы цинка, кислоту наливают через верхнюю воронку, длинная трубка которой доходит до нижнего резервуара. Когда кран открыт, кислота поднимается к цинку и идёт реакция. Стоит закрыть кран — давление водорода вытесняет кислоту вниз и в воронку, контакт с цинком прекращается, и реакция останавливается. Тот же аппарат подходит для углекислого газа из мрамора и сероводорода из сульфида железа: CaCO₃ + 2HCl → CaCl₂ + CO₂↑ + H₂O, FeS + 2HCl → FeCl₂ + H₂S↑.
В школе обычно обходятся пробиркой с пробкой и газоотводной трубкой или прибором для получения газов (прибором Кирюшкина), который работает по тому же принципу, что и аппарат Киппа.
Промышленные способы получения водорода
Основной промышленный способ — конверсия метана водяным паром при высокой температуре на никелевом катализаторе: CH₄ + H₂O → CO + 3H₂. Угарный газ затем ещё раз обрабатывают паром, и водорода становится больше: CO + H₂O ⇄ CO₂ + H₂. Похожим образом водород получают из угля и водяного пара: C + H₂O → CO + H₂. Водород дают и разложение метана при сильном нагревании — CH₄ → C + 2H₂ — и переработка нефти.
Электролиз воды даёт самый чистый водород, но требует много электроэнергии. Чтобы вода проводила ток, в неё добавляют щёлочь; на катоде выделяется водород, на аноде — кислород. Водород выделяется и на катоде при электролизе раствора поваренной соли. Схемы этих процессов — на странице электролиз растворов и расплавов.
Водород идёт на переработку нефти, синтез аммиака — N₂ + 3H₂ ⇄ 2NH₃ — и метанола, гидрирование жиров, восстановление металлов из оксидов, а также служит топливом.
Получение водорода из воды
Водород из воды можно получить двумя путями — током и активными металлами.
- Электролиз: вода разлагается на водород и кислород в объёмном отношении 2 : 1.
- Щелочные и щёлочноземельные металлы вытесняют водород из воды уже при комнатной температуре: 2K + 2H₂O → 2KOH + H₂↑, Ca + 2H₂O → Ca(OH)₂ + H₂↑. Остаётся щёлочь — это видно по фенолфталеину.
- Магний заметно реагирует только с горячей водой — Mg + 2H₂O → Mg(OH)₂ + H₂↑.
- Железо и цинк разлагают только раскалённый водяной пар: 3Fe + 4H₂O → Fe₃O₄ + 4H₂, Zn + H₂O → ZnO + H₂. Пропуская пар через раскалённый железный ствол, Лавуазье в XVIII веке доказал, что вода — сложное вещество.
- Гидриды активных металлов с водой выделяют много водорода: NaH + H₂O → NaOH + H₂↑.
Почему одни металлы реагируют с водой, а другие нет, — в уроке «Реакции металлов с водой».
Как собрать водород и проверить его на чистоту
Вытеснением воды. Пробирку заполняют водой, закрывают пальцем, переворачивают и опускают отверстием в кристаллизатор с водой. Конец газоотводной трубки подводят под отверстие: водород почти не растворяется в воде и вытесняет её из пробирки.
Вытеснением воздуха. Пробирку держат вверх дном над газоотводной трубкой: лёгкий водород поднимается и вытесняет воздух вниз. Если перевернуть пробирку отверстием вверх, водород быстро улетучится.
Проверка на чистоту. Пробирку с собранным газом, не переворачивая, подносят отверстием к пламени спиртовки. Глухой хлопок — водород чистый. Резкий «лающий» звук или свист — к водороду примешан воздух. Смесь водорода с кислородом в объёмном отношении 2 : 1 называют гремучим газом: от искры она взрывается — 2H₂ + O₂ → 2H₂O. Взрывоопасна и смесь водорода с воздухом. Поэтому водород поджигают у конца трубки только после проверки, иначе пламя может проскочить внутрь прибора.
Свойства водорода
Водород — самый лёгкий газ, без цвета, запаха и вкуса, почти не растворяется в воде, сжижается только при −253 °C. Чистый водород горит бледно-голубым, почти невидимым пламенем; если подержать над ним холодный стакан, на стенках появятся капли воды.
- Восстанавливает металлы из оксидов: чёрный оксид меди(II) при нагревании в токе водорода становится красной медью — H₂ + CuO → Cu + H₂O, Fe₂O₃ + 3H₂ → 2Fe + 3H₂O.
- С хлором на свету реагирует со взрывом — H₂ + Cl₂ → 2HCl, с серой при нагревании образует сероводород — H₂ + S → H₂S.
- С активными металлами при нагревании образует гидриды, здесь водород — окислитель: Ca + H₂ → CaH₂.
- Присоединяется к непредельным органическим веществам — C₂H₄ + H₂ → C₂H₆.
Опыт: получение водорода в виртуальной лаборатории
Цель: получить водород реакцией металла с кислотой, собрать его и доказать горящей лучиной. Реактивы: соляная или серная кислота, цинк, магний или железо. Оборудование: колба, газоотводная трубка, пробирка в кристаллизаторе с водой, лучина.
- Откройте опыт 01 «Водород».
- Налейте в колбу соляную или разбавленную серную кислоту.
- Добавьте металл: гранулы цинка, стружку магния или железные опилки.
- Наденьте газоотводную трубку: её конец уходит под воду, под перевёрнутую пробирку.
- Соберите не меньше 10 мл газа — сколько собрано, видно в «Показаниях приборов».
- Поднесите к пробирке горящую лучину.
- Отметьте наблюдения «Выделяется газ» и «Твёрдое вещество растворяется», соберите уравнение и нажмите «Проверить опыт».
Наблюдения. На поверхности металла появляются пузырьки газа, металл постепенно растворяется. С магнием реакция бурная и раствор разогревается, с цинком — равномерная, с железом — медленная. Бесцветный газ вытесняет воду из пробирки, у горящей лучины раздаётся хлопок. Если поднести лучину к горлышку колбы без трубки, слышны слабые хлопки, но газ уходит в воздух.
Уравнения: Mg + 2HCl → MgCl₂ + H₂↑, Zn + H₂SO₄ → ZnSO₄ + H₂↑; сокращённое ионное Mg + 2H⁺ → Mg²⁺ + H₂↑.
Проведите опыт онлайн
Эти опыты есть в виртуальной лаборатории: запустите прямо здесь или откройте на весь экран.
Получение водорода
Металл в кислоте, сбор газа над водой в пробирку и проба горящей лучиной — хлопок.
Натрий и вода
Натрий в воде с фенолфталеином: плавает, шипит, раствор малиновый.
Железо и медный купорос
Железо в растворе медного купороса покрывается красной медью.
Читайте также
Частые вопросы
Какая реакция используется для получения водорода в лаборатории?
Реакция цинка с соляной или разбавленной серной кислотой: Zn + 2HCl → ZnCl₂ + H₂↑. Вместо цинка можно взять магний, железо или алюминий.
Почему водород собирают в пробирку, перевёрнутую вверх дном?
Водород в 14,5 раза легче воздуха: он поднимается вверх и вытесняет воздух из перевёрнутой пробирки. В пробирке отверстием вверх он не удержится.
Как проверить водород на чистоту?
Собрать газ в пробирку и, не переворачивая, поднести её отверстием к пламени. Глухой хлопок означает чистый водород, резкий лающий звук — примесь воздуха.
Как получить водород из воды?
Электролизом или действием активных металлов: натрий, калий и кальций реагируют с водой при комнатной температуре, магний — с горячей водой, железо — с раскалённым паром.
Почему для получения водорода не берут азотную кислоту?
Азотная кислота — сильный окислитель: с металлами она выделяет оксиды азота, а не водород.