1. Открытие водорода

История открытия водорода.
Получение и физические свойства
водорода
1. 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 поводили 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.
2. 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 не относятся ни к типу соединения, ни к типу замещения. В каждую из
этих реакций вступает одно простое вещество и одно сложное, а образуется новое простое и
новое сложное. Такие реакции называются реакциями замещения.
Некоторые металлы могут замещать водород в кислотах.
Поэтому, кислотами называют вещества, в состав которых входит водород, способный
замещаться металлами.
3. 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.
4. 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.
Химические свойства водорода
1. Горение водорода
Первое название водорода было «горючий воздух». Водород горит на воздухе и в атмосфере
кислорода еле заметным пламенем. При горении водорода выделяется большое количество
теплоты и образуется вода: 2Н2+О2=2Н2О+ Q.
Рис. 1. Горение водорода на воздухе
2. Окисление водорода
Реакцию водорода с кислородом можно провести и без поджигания. Для этого в сосуд со
смесью достаточно опустить платиновую проволоку. Платина служит катализатором в этой
реакции. Такая реакция называется каталитическим окислением водорода.
В определенном соотношении водород с кислородом образует гремучую смесь, которая
взрывается. Поэтому при работе с водородом необходимо соблюдать большую осторожность:
предварительно проверять герметичность прибора, а также чистоту водорода перед его
поджиганием.
Для определения чистоты водорода заполняют им сухую чистую пробирку и подносят ее
открытым концом к пламени. Глухой хлопок свидетельствует о чистоте водорода, свистящий
звук – о его загрязненности кислородом.
Рис. 2. Проверка водорода на чистоту
3. Восстановление водородом меди из ее оксида
Водород обладает еще одним интересным свойством. Он способен отнимать от оксида
кислород. В результате такой реакции образуется новое простое вещество.
Например, черный порошок оксида меди (II) при нагревании с водородом становится красным,
а на стенках сосуда появляются капельки воды: CuO + H2=Cu + H2O.
Рис. 3. Нагревание оксида меди(II) с водородом
При взаимодействии оксида меди (II) с водородом образуется медь (вещество красного цвета)
и вода. Водород, благодаря его способности отнимать от оксидов кислород, называют
восстановителем. Данную реакцию можно назвать восстановлением меди. Восстановление –
процесс, обратный окислению.
4. Применение водорода
Особенности физических и химических свойств водорода определяют и области его
применения. Например, то, что водород легче воздуха в 14,5 раз, позволяет использовать его
для наполнения метеорологических зондов, служащих для изучения атмосферы.
Свойство водорода гореть с большим выделением тепла позволяет использовать его в
качестве топлива. Водород – самое экологически безопасное топливо, т.к. в результате его
горения образуется только вода. С помощью кислородно-водородного пламени производят
сварку некоторых металлов.
Восстановительные свойства водорода используют для получения простых веществ из их
оксидов.
Например, самый тугоплавкий металл вольфрам, который используется для изготовления
спирали для лампочек накаливания, получают из его оксида с помощью водорода: WO3 +
3H2 = W + 3H2O.
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)