Химия · Химия элементов · 7 класс

Водород — самый лёгкий газ

Во сколько раз водород легче воздуха и почему перед поджиганием его проверяют «хлопком»?

Ситуация

В школьной лаборатории стоит трёхъярусный стеклянный сосуд — аппарат Киппа: если открыть кран, цинк и соляная кислота внутри «закипают» и выделяют водород, а если закрыть — реакция сама останавливается. Водород — самый лёгкий газ: наполненный им мыльный пузырь улетает к потолку. Но прежде чем поджигать его, обязательно нужно проверить газ в пробирке на «хлопок» — почему? Водород превращает чёрный оксид меди(II) в красную медь, а при горении даёт только воду. Водород, полученный разложением воды током, можно снова превратить в электричество в топливном элементе — так ездят водородные автобусы.

Тема

Водород — самый лёгкий газ. От аппарата Киппа до водородного автобуса: водород из цинка и кислоты, проба на «гремучий газ» и топливный элемент

Ключевые понятия

Аппарат Киппа
Гремучий газ
Топливный элемент

Формулы

Zn + 2 HCl \overset{}{\to} ZnCl_{2} + H_{2} ↑

Получение в лаборатории: цинк и соляная кислота (в аппарате Киппа).

2 H_{2} + O_{2} \overset{}{\to} 2 H_{2} O

Горение: 286 кДж на 1 моль H₂ (≈ 142 МДж/кг). Смесь H₂ : O₂ = 2 : 1 — «гремучий газ».

CuO + H_{2} \overset{\overset{}{t}}{\to} Cu + H_{2} O

Водород — восстановитель: отнимает кислород у оксида меди(II).

2 H_{2} O \overset{}{\to} 2 H_{2} + O_{2}

Электролиз воды: на катоде водород, на аноде кислород, отношение объёмов 2 : 1.

V (H_{2}) = \frac{I t}{2 F} V_{m}

Водород, выделившийся при электролизе: $F$ = 96 485 Кл/моль; при 20 °C $V_{m}$ ≈ 24,1 л/моль.

Теория

Водород — первый элемент

Водород (H) — элемент № 1 периодической таблицы: в атоме один протон и один электрон. Около 3/4 обычного вещества во Вселенной (по массе) — водород; на Земле он входит главным образом в состав воды и органических веществ. Простое вещество H₂ — бесцветный газ без запаха, самое лёгкое вещество: при н. у. плотность 0,0899 г/л, он в 14,4 раза легче воздуха (1,293/0,0899; по молярным массам примерно $D_{возд} = 29 / 2 \approx 14,5$ ). Почти не растворяется в воде, сжижается при −253 °C.

Практическая работа: получение и собирание

В лаборатории водород получают действием разбавленной кислоты на активные металлы: $Zn + 2 HCl \overset{}{\to} ZnCl_{2} + H_{2} ↑$ (или $Zn + H_{2} SO_{4} \overset{}{\to} ZnSO_{4} + H_{2} ↑$ ). В аппарате Киппа (П. Кипп, Делфт, 1844) цинк лежит в среднем шаре: когда кран открыт, газ выходит и кислота поднимается до цинка; когда кран закрыт, накопившийся водород вытесняет кислоту в нижний шар и верхнюю воронку — реакция сама останавливается. H₂ легче воздуха, поэтому пробирку собирают, держа её отверстием вниз; так как он не растворяется в воде, его можно собирать и вытеснением воды. В промышленности водород получают главным образом из природного газа ( $CH_{4} + H_{2} O \overset{}{\to} CO + 3 H_{2}$ , при высокой температуре и в присутствии катализатора); электролиз воды пока даёт небольшую долю, но для «зелёного водорода» его значение растёт.

Проверка чистоты: «гремучий газ»

Смесь водорода с воздухом, содержащая от 4 % до 75 % водорода по объёму, воспламеняется от пламени — часто со взрывом; самая сильная — смесь с 29,5 % водорода, при которой кислорода достаточно, а смесь с чистым кислородом 2 : 1 называется гремучим газом. Поэтому перед поджиганием выходящего из прибора водорода проверяют его чистоту: пробирку заполняют отверстием вниз, закрывают пальцем и подносят к пламени. Резкий хлопок — в газе есть воздух, прибор ещё не продут от воздуха. Тихое горение (звука почти нет, у отверстия пробирки бледно-голубое пламя) — водород чистый; глухой звук — почти чистый, но немного воздуха ещё есть.

Химические свойства

Водород горит почти невидимым бледно-голубым пламенем: $2 H_{2} + O_{2} \overset{}{\to} 2 H_{2} O$ , 286 кДж теплоты на 1 моль H₂ — около 142 МДж на 1 кг, почти в 2,5 раза больше, чем у метана. Продукт горения — только вода: холодный стакан над пламенем запотевает. Водород — восстановитель: он отнимает кислород у нагретого оксида меди(II): $CuO + H_{2} \overset{}{\to} Cu + H_{2} O$ — чёрный порошок превращается в красную медь, в холодной части трубки появляются капли воды. Он соединяется и с неметаллами: с азотом даёт аммиак, с хлором — хлороводород. Второе его соединение с кислородом — пероксид водорода H₂O₂: сильный окислитель (3 %-й раствор — аптечный антисептик), в присутствии MnO₂ разлагается на воду и кислород (в эксперименте с кислородом). Порядок восстановления: сначала поток водорода вытесняет воздух (иначе при нагревании будет взрыв); в конце сначала гасят горелку, а водород пропускают, пока медь не остынет, — иначе горячая медь снова окислится на воздухе.

Применение и водородная энергетика

Больше всего водорода идёт на синтез аммиака ( $N_{2} + 3 H_{2} \overset{}{⇌} 2 NH_{3}$ ) — для азотных удобрений. Гидрированием растительных масел получают маргарин; жидкий водород и жидкий кислород — ракетное топливо. В топливном элементе водород и кислород без горения напрямую дают электрический ток и воду (один элемент ≈ 0,7 В) — так работают водородные автобусы и автомобили. Закон электролиза: $V (H_{2}) = \frac{I t}{2 F} V_{m}$ — ток 1 А за 1 час при 20 °C даёт ≈ 449 мл водорода. В Узбекистане на Чирчикском электрохимическом комбинате в 1940 году запущен цех электролиза воды: из водорода, полученного из воды электроэнергией Чирчикских ГЭС, производили азотные удобрения; позднее предприятие перешло на природный газ.

Безопасность и модель

Техника безопасности: надевайте защитные очки; если соляная кислота попала на кожу — промойте большим количеством воды; не зажигайте огонь рядом с прибором, из которого выходит водород, и никогда не поджигайте его, не проверив чистоту; при электролизе используйте только источник низкого напряжения. Модель: в аппарате Киппа скорость реакции пропорциональна доле цинка, смоченной кислотой, и концентрации кислоты, поток через кран пропорционален разности давлений (гидростатика — по точным объёмам профилей); газ в приборе и в пробирке перемешивается однородно; громкость звука при пробе схематична (границы 4 %, 29,5 % и 75 % — из литературы); кинетика восстановления CuO схематична (начинается с ≈ 150–200 °C); при электролизе весь ток расходуется на выделение газа; топливный элемент даёт ток 0,8 А.

Знаете ли вы?

Английский учёный Генри Кавендиш в 1766 году выделил «горючий воздух» действием кислот на металлы и измерил, что он намного легче воздуха. Название «Hydrogène» («рождающий воду») дал ему в 1783 году Антуан Лавуазье.
В решении 1932 года о строительстве Чирчикского электрохимического комбината предусматривалось производить азотное удобрение на основе водорода, получаемого электролизом воды; цех электролиза воды запущен в 1940 году, первая аммиачная селитра получена в октябре того же года.

Что внутри эксперимента

Эксперимент начинается с жизненной ситуации: вы предсказываете результат, меняете параметры, проводите опыт и делаете вывод. Внутри — задания, теория, тест и экскурсия: камера сама движется и объясняет главное.

Другие эксперименты раздела

Воздух: состав и загрязнение — 7 класс
Кислород и озон — 7 класс
Вода: состав и свойства — 7 класс
Полезные ископаемые — 7 класс
Известь и классы соединений — 8 класс
Неметаллы и галогены — 8 класс
Хлор и соляная кислота — 8 класс
Группа кислорода и сера — 8 класс
Серная кислота и контактный способ — 8 класс
Азот, аммиак и азотная кислота — 8 класс