Материал для учащихся Аннотация

Материал для учащихся
8 класс по теме «Получение водорода и изучение его свойств»
Аннотация
В предлагаемом дополнительном материале представлены сведения по истории
открытия водорода, о важнейших физических и химических свойствах водорода как
восстановителя и окислителя, по способам получения и собирания водорода и способу
проверки водорода на чистоту.
Много ли в природе водорода? Смотря где. В космосе водород – главный элемент.
Например, ближайшая к нам звезда Галактики, которую мы знаем под именем "Солнце",
на 70% своей массы состоит из водорода. Атомов водорода во Вселенной в несколько
десятков тысяч раз больше, чем всех атомов всех металлов, вместе взятых.
Даже его товарищ по периоду, очень легкий и широко распространенный элемент гелий
(в переводе с греческого "солнечный") содержится на Солнце в количестве, в пять раз
меньшем, чем водород…
В земной атмосфере тоже есть немного водорода в виде простого вещества - газа состава
Н2. Водород много легче воздуха, и поэтому его находят в верхних слоях атмосферы.
Но гораздо больше на Земле связанного водорода: ведь он входит в состав воды, самого
распространенного на нашей планете сложного вещества. Водород, связанный в
молекулы, содержат и нефть, и природный газ, многие минералы и горные породы.
Водород входит в состав всех органических веществ.
Русское название водорода указывает, что он "рождает" воду; латинское "гидрогениум"
означает то же самое.
Водород был открыт в 1766 году английским химиком Генри Кавендишем (1) , который
установил, что при взаимодействии металлов с разбавленными кислотами выделяется
некий "горючий воздух" (в те времена все газы называли "воздухом"). Наблюдая горение
водорода на воздухе, Кавендиш установил, что в результате появляется вода. Это было в
1782 году (материал взят с сайта - http://www.alhimik.ru/teleclass/pril/cavend.shtml).
Однако мысль о том, что вода - сложное вещество, первым высказал не Кавендиш, а
знаменитый изобретатель паровой машины Джеймс Уатт в 1783 году. В этом же году
французский химик Антуан-Лоран Лавуазье выделил водород путем разложения воды
раскаленным железом. С современной точки зрения этот опыт выглядел довольно
странно, потому что Лавуазье продувал струю водяного пара через нагретый до красного
каления... ружейный ствол!
В 1789 году водород был выделен при разложении воды под действием электрического
тока.
Водород - это газ без цвета и запаха, намного легче воздуха. Его молекулы H2 неполярны,
и он сжижается при очень низкой температуре (−253 °С). Водород почти нерастворим в
воде.
Химические свойства водорода
Водород - очень интересное вещество. Он может легко окисляться - отдавать свои
электроны атомам других элементов. Это происходит, когда водород сжигают на
воздухе или в кислороде, а также при реакции водорода с галогенами, например, хлором.
С другой стороны, водород и сам может отнять у других атомов электроны - так, как
он это делает при встрече с атомами активных металлов, например, кальция или
натрия.
С воздухом водород образует взрывоопасные смеси, поэтому обращаться с ним
следует весьма осторожно.
Взаимодействие с неметаллами
При взаимодействии водорода с кислородом образуется вода. Чтобы доказать это, внесем
в пламя водорода холодный предмет, например металлическую пластину. Через некоторое
время на ней появится конденсат, а затем мы увидим и капельки воды. Недаром этот газ
назвали водородом, т. е. рождающим воду. Так же переводится и латинское название
химического элемента – Hydrogenium. Напишем уравнение реакции:
Взаимодействие водорода с кислородом:
2H2 + O2 = 2H2O
Смесь двух объёмов водорода и одного объёма кислорода называется гремучим газом.
При нагревании водород обратимо взаимодействует с серой:
S + H2 ⇔ H2S
С азотом — при нагревании, повышенном давлении и в присутствии катализатора
(железо):
N2 + 3H2 = 2NH3
С галогенами образует галогеноводороды:
F2 + H2 = 2HF, реакция протекает со взрывом при любой температуре,
Cl2 + H2 = 2HCl, реакция протекает только на свету.
С сажей взаимодействует при сильном нагревании:
C + 2H2 = CH4
Взаимодействие со щелочными и щёлочноземельными металлами
Водород образует с активными металлами гидриды:
Na + H2 = 2NaH
Ca + H2 = CaH2
Гидриды — солеобразные, твёрдые вещества
Взаимодействие с оксидами металлов (как правило, d-элементов)
Оксиды восстанавливаются до металлов:
CuO + H2 = Cu + H2O
Fe2O3 + 3H2 = 2Fe + 3H2O
WO3 + 3H2 = W + 3H2O
В этих реакциях происходит процесс восстановления, так как водород отнимает кислород
от атомов металлов. Процесс восстановления противоположен процессу окисления.
Вещества, которые отнимают кислород, относятся к восстановителям.
Процессы окисления и восстановления взаимно связаны (если один элемент окисляется,
то другой восстанавливается, и наоборот).
Получение водорода
Вплоть до конца XIX века получение водорода было делом достаточно хлопотным.
Добывали его в мизерных количествах, растворяя обычные металлы в кислотах, а также
щелочные и щелочноземельные в воде. Только после того, как электричество начали
производить в промышленных масштабах, появилась возможность относительно легко
добывать его тоннами с помощью электролиза. Выглядит электролитический процесс
примерно так: в ванну с водой опускают два электрода, на одном — положительный
потенциал, на другом — отрицательный. На плюсе в результате прохождения тока
выделяется кислород, а на минусе — водород.
В промышленности
1.Электролиз водных растворов солей:
2NaCl + 2H2O → H2 + 2NaOH + Cl2
2.Пропускание паров воды над раскаленным коксом при температуре около 1000°C:
H2O + C ⇔ H2 + CO
3.Из природного газа.
Конверсия с водяным паром:
CH4 + H2O ⇔ CO + 3H2 (1000°C)
Каталитическое окисление кислородом:
2CH4 + O2 ⇔ 2CO + 4H2
В лаборатории
Водород можно получать с помощью аппарата Киппа (рис.21)
Он состоит из большой шарообразной воронки 1 и сосуда 2 с перехватом посередине. В
сосуде 2 имеются три отверстия: верхнее широкое, а для закрепления воронки 1, боковое
б, снабженное краном 3 для выходя водорода, и нижнее в – для слива кислоты. Длинный
конец воронки 1 доходит почти до дна сосуда 2. В средний шар аппарата на специальную
прокладку помещают цинк, а затем через воронку 1 наливают разбавленную в пять раз
серную кислоту до тех пор, пока она не закроет цинк. Для получения водорода
необходимо открыть кран 3.
Реакция, которая отображает процесс получения водорода:
Zn + H2SO4 = ZnSO4 + H2
Аппарат Киппа удобен тем, что протекающую в нем реакцию цинка с кислотой можно
остановить в любой момент. Для этого нужно лишь закрыть кран 3. Тогда выделяющийся
водород, не находя выхода, оказывает давление на кислоту, вытесняя ее в воронку 1.
Кислота постепенно уходит из среднего шара, и реакция прекращается. Когда вновь
потребуется водород, достаточно опять открыть кран 3. Заряженный аппарат Киппа готов
к действию до тех пор, пока не израсходуется либо цинк, либо кислота.
Еще один простейший прибор для получения водорода состоит из толстостенной склянки,
закрытой пробкой с двумя отверстиями (рис.22). В одно из них вставлена длинная и узкая
воронка, доходящая почти до самого дна, а в другое – газоотводная стеклянная трубка с
резиновым шлангом. На дно склянки помещают кусочки цинка, а затем приливают
столько кислоты, чтобы она закрыла весь цинк и поднялась на несколько сантиметров
выше нижнего конца воронки. Прежде чем собирать водород, прибор обязательно
проверяют на герметичность. Для этого достаточно сжать пальцами газоотводный шланг.
Если прибор герметичен, то водород будет вытеснять кислоту из склянки в воронку.
Проверка водорода на чистоту (рис.23)
Помните: прежде чем поджечь водород, его необходимо проверить на чистоту –
убедиться, что мы имеем дело с чистым водородом, а не с гремучим газом. Для этого
используют две маленькие пробирки, которые поочередно наполняют водородом, а затем
вверх дном подносят к пламени спиртовки. Чистый, т. е. не содержащий примесей,
водород сгорает с тихим звуком, напоминающим легкий хлопок. Грязный (смешанный с
воздухом) водород взрывается с характерным лающим звуком. Такой газ ни в коем случае
нельзя поджигать. Это неизбежно приведет к взрыву.
Подожжем водород, выходящий из аппарата Киппа, предварительно проверив его на
чистоту. Пламя водорода практически бесцветно и на ярком солнечном свете едва
различимо. При горении водорода развивается высокая температура – около 3000 °С. Ее
достаточно, чтобы расплавить не только многие металлы (медь, железо, платину), но и
кварц. Если газоотводная трубка сделана из легкоплавкого стекла, то при горении
водорода она подплавляется, и атомы натрия, содержащиеся в стекле, окрашивают пламя
в желтый цвет (рис 15).
Методы собирания газов
При собирании газов необходимо учитывать три их свойства:
•Молярную массу газа (легче или тяжелее получаемый газ воздуха). Определяется по
соотношению молярной массы газа и средней молярной массы воздуха (Мср (воздуха) =
29 г/моль).
•Растворимость газа в воде.
•Наличие или отсутствие у него способности реагировать с кислородом воздуха.
Свойства газа
Особенности собирания
Способ собирания
М (газа) < Мср (воздуха)
Газ легче воздуха
Вытеснением воздуха
(приёмник вверх дном)
М (газа) > Мср (воздуха)
Газ тяжелее воздуха
Вытеснением воздуха
(приёмник вниз дном)
Газ нерастворим в воде и
с ней не взаимодействует
Собиранием над водой
(вытеснением воды)
Схема
(Материал взят с сайта www.festival.1september.ru)
27 августа 1783 года на Марсовом поле в Париже стартовал летательный аппарат Шарля.
На глазах 300 тысяч зрителей он устремился ввысь и вскоре стал невидимым. Когда ктото из присутствовавших воскликнул: "Какой же во всем этом смысл?!" - известный
американский ученый и государственный деятель Бенджамин Франклин, находившийся
среди зрителей, заметил: "А какой смысл в появлении на свет новорожденного?"
Замечание оказалось пророческим. На свет появился "новорожденный", которому было
предопределено великое будущее.