На каком свойстве водорода основан способ его собирания

Урок посвящен изучению физических свойств и способов получения самого легкого газа – водорода. В уроке рассмотрена история открытия водорода. Изучив материалы урока, вы также узнаете, как можно отличить водород от других газообразных веществ.

Открытие водорода

С древних времен людям были известны вещества, способные растворять некоторые металлы. Слабые растворы этих веществ имеют кислый вкус, поэтому их назвали «кислоты». Например, лимонная кислота содержится в лимоне, яблочная кислота – в яблоке. Вещество с химической формулой H2SO4 называется серной кислотой.

Многие исследователи проводили опыты с кислотами. Было замечено, что при действии кислот на некоторые металлы выделяются пузырьки газа. Полученный газ легко воспламенялся, и его назвали «горючим воздухом».

Подробно свойства этого газа были изучены английским ученым Г. Кавендишем в 1766г. Он помещал металлы в растворы серной и соляной кислот и во всех случаях получал одно и то же легкое газообразное вещество, которое позже назвали водородом.

Реакции замещения

Приведем примеры уравнений реакций взаимодействия металла с кислотой, в ходе которых образуется водород. При взаимодействии железа с соляной кислотой образуется хлорид железа (II) и водород. При взаимодействии железа с раствором серной кислоты образуется сульфат железа (II) FeSO4 и водород. Обратите внимание, в обеих реакциях водород выделяется из раствора, что показано с помощью стрелки.

Рис. 1. Взаимодействие железа с соляной кислотой

Рис. 2. Взаимодействие железа с раствором серной кислоты

Приведенные реакции относятся к типу замещения. В каждую из этих реакций вступает одно простое вещество и одно сложное вещество, и образуется новое простое и новое сложное. Такие реакции и называются реакциями замещения.

Некоторые металлы могут замещать водород в кислотах.

Поэтому, кислотами называют вещества, в состав которых входит водород, способный замещаться металлами.

Происхождение названия и физические свойства водорода

Название «водород» происходит от греч. слов «гидор» — вода и «генао» — рождаю, т.е. «рождающий воду». Действительно, при горении водорода образуется вода. Это название предложил А. Лавуазье в 1779 г.

Водород является самым распространенным химическим элементом Вселенной, из него в основном состоят звезды. Химический элемент водород входит в состав всех растений и животных, а также в состав самого распространенного вещества на Земле – воды.

Простое вещество водород имеет формулу Н2. Это газообразное вещество, без вкуса и запаха, малорастворимое в воде. Температура кипения водорода -253°С. Водород – самый легкий из всех газообразных веществ, он в 14,5 раз легче воздуха.

Получение водорода

Способы получения водорода в лаборатории и промышленности различны. В промышленности водород нужно получать в больших объемах из дешевого сырья. Обычно его получают в результате электролитического разложения воды или при восстановлении углем водяного пара.

В результате электролиза воды образуются газообразные вещества – водород и кислород. При восстановлении углем водяного пара образуются водород и угарный газ СО.

В лаборатории водород получают при взаимодействии металлов (например, цинка) с кислотами.

Чаще всего проводят реакцию цинка с соляной кислотой в аппарате Киппа.

Рис. 3. Получение водорода взаимодействием цинка с соляной кислотой в аппарате Киппа

В небольших количествах водород можно получить и в обычной пробирке при взаимодействии цинка с соляной кислотой.

Проведем опыт. Поместим в пробирку несколько гранул цинка, прильем немного соляной кислоты, закроем пробирку пробкой с газоотводной трубкой. Наденем на трубку пустую пробирку. Выделяющийся в ходе реакции водород будет подниматься вверх, т.к. он значительно легче воздуха, и заполнит пустую пробирку. Этот метод собирания водорода называется вытеснение воздуха. Чтобы доказать, что образовавшийся газ является водородом, поднесем пробирку, заполненную газом к пламени спиртовки. Мы услышим хлопок или свистящий звук.

Водород можно собрать и методом вытеснения воды, т.к. он практически не растворяется в воде.

Список рекомендованной литературы

1. Сборник задач и упражнений по химии: 8-й кл.: к учеб. П.А. Оржековского и др. «Химия. 8 класс» / П.А. Оржековский, Н.А. Титов, Ф.Ф. Гегеле. – М.: АСТ: Астрель, 2006. (с.85-88)

2. Ушакова О.В. Рабочая тетрадь по химии: 8-й кл.: к учебнику П.А. Оржековского и др. «Химия. 8 класс» / О.В. Ушакова, П.И. Беспалов, П.А. Оржековский; под. ред. проф. П.А. Оржековского — М.: АСТ: Астрель: Профиздат, 2006. (с. 75-78)

3. Химия. 8 класс. Учеб. для общеобр. учреждений / П.А. Оржековский, Л.М. Мещерякова, М.М. Шалашова. – М.:Астрель, 2013. (§24)

4. Химия: 8-й класс: учеб. для общеобр. учреждений / П.А. Оржековский, Л.М. Мещерякова, Л.С. Понтак. М.: АСТ: Астрель, 2005. (§30)

5. Рудзитис Г.Е., Фельдман Ф.Г. Химия: неорг. химия: учеб. для 8 кл. общеобразоват. учреждений. М.: Просвещение. 2018. § 28-30.

6. Энциклопедия для детей. Том 17. Химия / Глав. ред.В.А. Володин, вед. науч. ред. И. Леенсон. – М.: Аванта+, 2003.

Дополнительные веб-ресурсы

1. Нерастворимость водорода в воде (Источник).

2. Получение водорода и проверка его на чистоту (Источник).

Домашнее задание

1) с. 76-78 №№ 2,3,5,6,9 из Рабочей тетради по химии: 8-й кл.: к учебнику П.А. Оржековского и др. «Химия. 8 класс» / О.В. Ушакова, П.И. Беспалов, П.А. Оржековский; под. ред. проф. П.А. Оржековского — М.: АСТ: Астрель: Профиздат, 2006.

2) с.140-141 №№ 2,6 из учебника П.А. Оржековского, Л.М. Мещеряковой, М.М. Шалашовой «Химия: 8кл.», 2013 г.

Источник

Тема: Вещества и их превращения

Урок: Получение водорода и изучение его свойств

1. Получение водорода и проверка его на чистоту

Водород можно получить при взаимодействии цинка и соляной кислоты.

Zn + 2HCl = ZnCl2 + H2↑

Цинк вытесняет водород из кислот, как и все металлы, стоящие в ряду напряжений левее водорода.

Чтобы собрать водород в пробирку, нужно перевернуть ее вверх дном, потому что водород – легче воздуха и стремится вверх. Такой метод собирания водорода называется «методом вытеснения воздуха».

Рис. 1. Получение водорода и собирание его методом вытеснения воздуха

В пробирке накапливается водород, но в ней также есть и воздух, а значит и кислород. Водород и кислород – взрывоопасная смесь. Поджигаем лучинкой собранный водород. Пробирка невелика, и взрыв водорода и кислорода – просто резкий хлопок. Чем меньше кислорода в смеси, тем тише хлопок.

Если собранный в пробирке водород – чистый, то мы услышим глухой хлопок. Такой водород можно поджигать.

2. Горение водорода

Водород, значит, рождающий воду. Вода получается при горении водорода — при соединении водорода с кислородом. В ходе реакции выделяется очень большое количество энергии.

2H2 + O2 = 2H2O + Q

Значит, водород можно использовать в качестве топлива. И как со всяким топливом с водородом нужно обращаться осторожно.

Получаем водород реакцией цинка с соляной кислотой.

Поджигаем водород у конца газоотводной трубки. Вначале пламя едва заметно (водород не окрашивает пламя). Постепенно стеклянная трубка раскаляется, и пламя становится желтым: соединения натрия, входящие в состав стекла окрашивают пламя.

Рис. 2. Горение водорода

Итак, водород – топливо. На водороде и кислороде могут работать реактивные двигатели. Теплоту реакции горения водорода используют для сварки и резки металлов. При сгорании водорода в чистом кислороде температура достигает 2800оС. Такое пламя плавит кварц и большинство металлов. Важно, что водород – безвредное для окружающей среды топливо, т.к. продуктом его горения является вода.

3. Восстановление меди водородом из ее оксида

Водород – прекрасный восстановитель. Водород способен восстанавливать некоторые металлы из их оксидов. Проведем реакцию восстановления меди из оксида меди(II).

В пробирке – черный порошок оксида меди(II). Получаем водород взаимодействием цинка и соляной кислоты.

Zn + 2HCl = ZnCl2 + H2↑

Направим водород в пробирку. Реакция восстановления меди идет при нагревании:

CuO + H2 = Cu + H2O

Водород связывает кислород, образуя воду, выделяется свободная медь красного цвета.

Реакция водорода с оксидом меди(II) относится к типу замещения.

Рис. 3. Восстановление меди водородом из оксида меди(II)

Список рекомендованной литературы

3. Химия. 8 класс. Учеб. для общеобр. учреждений / П.А. Оржековский, Л.М. Мещерякова, М.М. Шалашова. – М.:Астрель, 2013. (с.146-148)

4. Химия: 8-й класс: учеб. для общеобр. учреждений / П.А. Оржековский, Л.М. Мещерякова, Л.С. Понтак. М.: АСТ: Астрель, 2005. (с.139-141)

5. Химия: неорган. химия: учеб. для 8кл. общеобр. учрежд. /Г.Е. Рудзитис, Ф.Г. Фельдман. – М.: Просвещение, ОАО «Московские учебники», 2009. (§27)

6. Энциклопедия для детей. Том 17. Химия / Глав. ред.В.А. Володин, вед. науч. ред. И. Леенсон. – М.: Аванта+, 2003.

Дополнительные веб-ресурсы

1. Взрыв гремучего газа (Источник).

2. Восстановление меди из оксида меди (II) (Источник).

3. Горение водорода (Источник).

4. Мыльные пузыри с водородом (Источник)

5. Получение, свойства и применение водорода (Источник).

Домашнее задание

1. с. 80 № 7 из Рабочей тетради по химии: 8-й кл.: к учебнику П.А. Оржековского и др. «Химия. 8 класс» / О.В. Ушакова, П.И. Беспалов, П.А. Оржековский; под. ред. проф. П.А. Оржековского — М.: АСТ: Астрель: Профиздат, 2006.

2. с.145-146 №№ 7, 8 из учебника П.А. Оржековского, Л.М. Мещеряковой, М.М. Шалашовой «Химия: 8кл.», 2013 г.

Источник

Анонимный вопрос · 10 января 2018

6,1 K

Водород – это самый легкий газ. В лаборатории его получают чаще всего в аппарате Кипа взаимодействием цинка с соляной кислотой:

Zn + 2HCl = ZnCl2 + H2 ↑.

Так как водород самый легкий газ, его собирают в перевернутый вверх дном сосуд.

Для распознавания водорода его поджигают и по характеру звука, с которым он сгорает, определяют наличие данного газа: к отверстию перевернутого вверх дном сосуда подносят зажженную лучину. Раздается глухой хлопок, если водород чистый или «лающий» звук, если водород содержит примеси.

Как получают дистиллированную воду и где её применяют?

Существует несколько способов очищения воды и получения дистиллированной воды в домашних условиях. Без применения фильтров, очистителей различных форм и фирм можно добиться того, что вода будет не просто очищена, но и будет обладать даже целебными свойствами. Дистиллированная вода не обладает полезными свойствами, она не содержит солей и примесей вообще, поэтому при длительном употреблении этой воды, происходит вымывание солей из организма.

Приготовление к дистилляции. Очищение воды — отстаивание.
Для начала воду нужно набрать в емкости, например в трехлитровые бутыли и оставить, не накрывая крышками, чтобы она отстоялась несколько часов. В идеале — сутки. Есть и временные рамки — 1-2 часа, чтобы улетучились хлор, сероводород, 6 часов — чтобы осели вредные примеси и соли тяжелых металлов. После этого через трубочку, которую опустите на дно бутыли, необходимо отцедить треть воды из сосуда — в этой воде будут осевшие соли, вредные вещества из воды.

Получение дистиллированной воды в домашних условиях выпариванием.
Дистиллированную воду можно получить путем охлаждения пара. Для этого необходима кастрюля с отстоянной водой, которую ставят на газ и кипятят. Берется емкость поменьше, ставится внутрь кастрюли. После этого большая кастрюля закрывается крышкой. Вода кипит и испаряется, собираясь на крышке, а с крышки уже чистая-дистиллированная вода капает в меньшую емкость.

Метод очищения воды замораживанием.
Очистить воду можно, используя частичное замораживание. Этот способ известен давно, так получали питьевую воду даже из соленой воды. Здесь используется простое правило химии — вода с примесями солей замерзает позже, чем чистая вода. Вы наполняете доверху емкость — банку, пластиковую бутылку и ставите ее в морозильную камеру. Когда в лед превратится треть или половина имеющейся воды, вылейте ту воду, которая не успела замерзнуть. Эта вода с солями и примесями, а чистая осталась в бутылке. Дайте льду растаять при комнатной температуре и пейте очищенную воду. Талая вода также обладает целебными свойствами, т. к. при низких температурах меняется структура воды. Если даже выпить в жару такой воды, то вы не простудитесь.

Прочитать ещё 2 ответа

На земле таки получен металлический водород?

В июле 2016 физикам из Гарвардского университета удалось получить в лаборатории металлический водород. В своей лаборатории физики наблюдали, как происходит превращение водорода из жидкого диэлектрика в жидкий металл. Чтобы довести вещество до такого состояния, его зажали между двух кончиков алмаза, размер которых не превышал 100 микронов, и нагрели с помощью коротких вспышек лазера, интенсивность которых каждый раз возрастала. Исследователи довели водород до температуры около 1900 градусов Цельсия и подвергли его давлению в 1,1-1,7 мегабар.
В результате, ученым удалось зарегистрировать переход водорода в состояние жидкого металла. Это событие наблюдалось не напрямую, так как вещество переходит в другое состояние за доли секунды, а потом так же быстро разрушается

Прочитать ещё 1 ответ

Как на организм человека влияет водород?

Молекулярный водород (Н2) — это самый маленький элемент и самая легкая молекула во Вселенной. Его главная работа в плане влияния на человеческий организм заключается в следующем:

Молекулярный водород почти мгновенно превращает токсичные гидроксил-радикалы, находящиеся в организме, в воду. Он легко проникает в клетки и нейтрализует цитотоксические кислородные радикалы, защищая тем самым ДНК, РНК и белки от оксидативного стресса.
Молекулярный водород поддерживает гомеостатический уровень собственных антиоксидантов в организме человека, вызывает активацию или регулирование дополнительных антиоксидантных энизимов (например, глутатиона, супероксиддисмутазы, каталазы и др.) и /или белков тела, защищающих клетки.
Молекулярный водород выступает сигнальной молекулой, которая влияет на межклеточную коммуникацию, метаболизм клеток и экспрессию генов. Он обладает противовоспалительным, антиаллергическим и анти-апоптотическим действиями.
Молекулярный водород, благодаря мельчайшим водным кластерам, изменяя электрический заряд в воде, заставляет молекулы воды образовывать небольшие группы, что позволяет легче осуществлять увлажнение организма и транспортировку витаминов и минералов.

Больше химических фактов вы можете найти в нашем справочнике по химии.

Прочитать ещё 3 ответа

Как из водорода получить метан?

Водород может получаться при сильном нагревании метана.

Поэтому в промышленности большое количество водорода получают именно из метана, добавляя к нему при высокой температуре перегретый водяной пар:

1) CH4 + H2O = CO + 3 H2

2) CO + H2O = CO2 + H2

В сумме этот процесс можно записать уравнением:

CH4 + 2 H2O = 4 H2 + CO2

Источник

История открытия водорода История водорода начинается с XVI века, когда было замечено, что при действии кислот на железо и другие металлы выделяется некий неизвестный газ. Первоначально его назвали «горючим воздухом». Такое название газ получил из-за способности гореть. Во второй половине XVIII века английский ученый Генри Кавендиш получил водород при действии соляной кислоты HCl на цинк:

Zn + 2HCl = ZnCl2 + H2

Что же такое кислота с точки зрения химии? Кислота – это сложное вещество, в состав которого всегда входят атомы водорода. В формулах кислот атомы водорода принято писать на первом месте. Атомы, следующие в формуле за водородом, называют кислотным остатком. Так, в соляной кислоте HCl кислотный остаток – Cl.

Например, в серной кислоте H2SO4, кислотный остаток – SO4. Кислота – сложное вещество, в состав которого входят атомы водорода и кислотный остаток Генри Кавендиш изучил свойства «горючего воздуха». Он установил, что этот газ намного легче воздуха, а при сгорании на воздухе образует прозрачные капли жидкости. Этой жидкостью оказалась вода.

Генри Кавендиша считают первооткрывателем водорода. Вывод о том, что «горючий воздух» представляет собой простое вещество, был сделан в 1784 году французским химиком Антуаном Лораном Лавуазье. Антуан Лоран Лавуазье дал этому веществу латинское название (Hydrogenium), которое происходило от греческих слов «хюдор» – вода и «геннао» – рождаю. В те годы под элементами подразумевали простые вещества, которые нельзя далее разложить на составные части. Поэтому у химического элемента водорода такое же название, как и у просто вещества H2. Русское слово водород – это точный перевод латинского названия Hydrogenium.

Получение водорода в лаборатории

Современный лабораторный способ получения водорода не отличается от того, которым его получал Генри Кавендиш. Это реакции металлов с кислотами. В лаборатории водород получают в аппарате Киппа (рисунок 152).

Аппарат Киппа изготовляется из стекла и состоит из нескольких частей:

реакционная колба с резервуаром;
воронка с длинной трубкой;
газоотводная трубка.

Реакционная колба имеет верхнюю шарообразную часть с отверстием, в которое вставляется газоотводная трубка, снабженная краном или зажимом, и нижний резервуар в виде полусферы. Нижний резервуар и реакционная колба разделены резиновой или пластиковой прокладкой с отверстием, через которое проходит в нижний резервуар длинная трубка воронки, доходящая почти до дна. На прокладку через боковое отверстие шпателем насыпают твёрдые вещества (мрамор, цинк). Отверстие закрывается пробкой с газоотводной трубкой. Затем при открытом кране или зажиме в верхнюю воронку заливается раствор кислоты. Когда уровень жидкости достигает вещества на прокладке, начинается химическая реакция с выделением газа. При закрытии крана давление выделяющегося газа выдавливает жидкость из реактора в верхнюю часть воронки. Реакция прекращается. Открытие крана приводит к возобновлению реакции. Поместим в реакционную колбу кусочки цинка. В качестве кислоты воспользуемся серной кислотой. При контакте цинка и серной кислоты протекает реакция:

Zn + H2SO4 = ZnSO4 + H2

Водородом можно заполнить мыльный пузырь.

Для этого необходимо опустить газоотводную трубку в мыльный раствор. На конце трубки начнется формирование мыльного пузыря, заполненного водородом; со временем пузырь отрывается и улетает вверх, что доказывает легкость водорода. Соберем выделяющийся водород. С учетом того, что водород намного легче воздуха, для сбора водорода сосуд, в котором собирается газ, необходимо располагать вверх дном, или производить собирание методом вытеснения воды. Как обнаружить водород? Заполним пробирку водородом, держа ее вверх дном, по отношению к газоотводной трубке. Поднесем пробирку отверстием к пламени спиртовки – слышится характерный хлопок.

Хлопок – это признак того, что в пробирке содержится водород. При поднесении пробирки к пламени водород вступает в реакцию с кислородом, содержащимся в воздухе. При малых количествах реакция кислорода и водорода сопровождается хлопком. Более подробно об этой реакции будет рассказано в следующем параграфе.

Получение водорода в промышленности

Одним из промышленных способов получения водорода является реакция разложения воды под действием электрического тока:

2H2O эл.ток → 2H2 + O2.

Данный метод позволяет получить чистый водород и кислород. Процесс превращения химических веществ в другие вещества под действием электричества называется электролизом.

Электролиз – химическая реакция, протекающая под действием электрического тока Проведем электролиз воды. В стакан наполненный водой, опустим металлические электроды. Поверх электродов опустим в стакан пробирки, заполненные водой. Подсоединим электроды к источнику тока – батарейке. В пробирках наблюдается выделение газов – водорода и кислорода, которые вытесняют воду. Наблюдая за процессом электролиза, можно заметить, что в одной из пробирок газа собирается в два раза больше, чем в другой. Проанализировав уравнение реакции электролиза воды, можно сделать вывод, в какой пробирке выделяется водород, а в какой – кислород. Попробуйте это сделать самостоятельно.

Существуют и другие способы получения водорода. Железо-паровой метод долгое время широко применялся в промышленности. Через электрическую трубчатую печь проходит трубка из нержавеющей стали, заполненная железными стружками. Через трубку с железными стружками пропускают водяной пар. При температуре около 800°С пары воды взаимодействуют с железом, образуя оксид Fe3O4 (железную окалину) и газообразный водород:

3Fe + 4Н2О = 4Н2 + Fe3O4.

Можно получить Н2, пропуская Н2О через слой раскаленного угля. При этом образуется смесь двух газов – СО и Н2 (водяной газ):

Н2О + С = CO + Н2

В настоящее время водород получают взаимодействием углеводородов (в основном метана, СН4) с водяным паром или неполным окислением метана кислородом:

СН4 + Н2О = СО + 3Н2
2СН4 + О2 = 2СО + 4Н2

Итог статьи:

В лаборатории водород получают в аппарате Киппа
Исходными веществами для получения водорода в лаборатории являются некоторые металлы и кислоты
Собирать водород нужно методом вытеснения воды, или методом вытеснения воздуха, расположив пробирку вверх дном по отношению к газоотводной трубке
Кислота – сложное вещество, в состав которого входят атомы водорода и кислотный остаток
Обнаружить водород можно по характерному хлопку при поднесении пробирки с водородом к пламени
Одним из промышленных способов получения водорода является электролиз воды
Электролиз – химическая реакция, протекающая под действием электрического тока

Источник