Водород

Получение водорода

С помощью железа

В пробирку из тугоплавкого стекла насыплем порошок железа (в продаже имеется металлический порошок, можно взять и очень тонкие металлические опилки) слоем в 2—3 см. Затем добавим по капле 0,5 мл воды. Железный порошок впитывает воду. На влажную смесь насыплем еще примерно трехсантиметровый слой сухого порошка железа. Пробирку закроем резиновой пробкой, через которую пропустим стеклянную изогнутую трубку с внутренним сечением 3—6 мм. Внутреннюю сторону пробки защитим от сильного нагрева куском листового асбеста, асбестовой или стеклянной ватой. Затем под углом закрепим пробирку на штативе или в держателе для пробирок, как указано на рисунке. Газоотводную трубку погрузим в воду и над ее концом укрепим перевернутую пробирку, наполненную водой. Такое приспособление для улавливания газов называется пневматическая ванна.

Для успеха опыта необходимо, чтобы порошок железа, начиная с сухого конца столбика, нагревался как можно сильнее. Для этого нужна сильная бунзеновская горелка. При не слишком малом давлении газа увеличим как можно больше подвод воздуха, так чтобы пламя разделилось на внутренний конус и “несветящуюся” внешнюю часть. Однако нельзя допускать проскока пламени (о нем свидетельствует слабый свист), так как в этом случае сгорание начинается уже внутри горелки и она сильно нагревается. Необходимо немедленно погасить горелку, закрыв доступ газа, а затем вновь ее зажечь, предварительно ограничив подвод воздуха.

Горелку установим под пробиркой таким образом, чтобы наиболее горячая внешняя кромка несветящегося пламени обтекала пробирку. Сначала будем нагревать участок, находящийся несколько выше сухого столбика железного порошка, пока пробирка заметно не накалится. Затем медленно подведем пламя под зону сухого железного порошка.

Влажный слой нагревается, вода испаряется, и водяной пар взаимодействует с горячим порошком железа. При этом железо захватывает кислород воды, а водород освобождается. Он проходит через стеклянную трубку, а в улавливающем устройстве образуются пузырьки, которые собираются в наполненной водой пробирке. Это происходит так быстро, что мы успеем наполнить и вторую пробирку. Каждую наполняющуюся пробирку прямо под водой нужно закрыть пробкой и только после этого извлечь из пневматической ванны.

Если пузырьки газа перестанут образовываться, прекратим нагревание и подожжем образовавшийся водород. Для этого перевернем пробирку отверстием вниз, откроем и внесем пламя снизу в отверстие. Газ быстро сгорит. Мы увидим голубое пламя и услышим свистящий звук, а может быть, и сильный хлопок. Если хлопнуло, значит, в пробирке не чистый водород, а смешанный с воздухом. Воздух может попасть при его вытеснении из аппаратуры в начале опыта или при использовании некачественных пробирок. На всякий случай, чтобы не пораниться осколками при возможном взрыве, прежде чем поджигать газ, обмотаем пробирку влажным платком.

Железо легко соединяется с кислородом, поэтому оно может вытеснять водород из воды. При комнатной температуре этот процесс протекает очень медленно, напротив, при температуре красного каления — бурно. Водород при воспламенении сгорает. Он соединяется при этом с кислородом воздуха, и опять образуется вода. Если водород не смешан с самого начала с кислородом или воздухом, сгорание протекает спокойно. Смесь же водорода с воздухом или чистым кислородом взрывается. Такую смесь называют гремучим газом, а описанную выше пробу в пробирке —пробой на гремучий газ. Если мы работаем с водородом, то перед опытом необходимо с помощью этой пробы убедиться, что водород не содержит воздуха.

Исходя из нашего первого опыта, мы можем дать общий рецепт разложения химического соединения: чтобы, освободить компонент А из соединения АВ, нужно ввести в реакцию с ним вещество С, которое соединяется с В легче, чем А. Железо более склонно к образованию соединения с кислородом, чем водород, и вследствие этого вытесняет его из воды. Другие металлы также способны к этому, например цинк, алюминий, магний или натрий. Такие металлы называют активными, в то время, как неактивные металлы: медь, серебро, золото и платина — не могут разлагать воду. Металлы по их способности к соединению с кислородом можно поставить в ряд, который начинается с самого благородного металла — золота, и заканчивается наиболее реакционноспособными щелочными металлами ^;— натрием, калием и т. д. Склонность к соединению с элементом называют в химии сродством. Золото обладает слабым, а натрий — очень сильным сродством к кислороду. Вытеснять водород из воды могут те металлы, сродство которых к кислороду больше, чем сродство к нему водорода.

С помощью магния

Неблагородные металлы, такие как натрий или калий, бурно реагируют с водой с образованием оснований. Магний тоже уже при комнатной температуре может разлагать воду:

2Mg + 2H₂O = 2Mg(OH)2 + 4H

Однако образующийся гидроксид магния растворяется в воде очень плохо. Он остается на металле в виде тонкой пленки, которая задерживает дальнейшее растворение. Благодаря такому торможению реакции многие металлы не растворяются в воде. Однако, если несколько Минут кипятить в колбе немного магниевого порошка с 5 мл воды и несколькими каплями спиртового раствора фенолфталеина, то жидкость окрасится в красный цвет. Достаточно совсем незначительного количества гидроксида магния (менее 0,1 мг/л), чтобы индикатор показал основную реакцию. Этот маленький опыт дает представление о высокой чувствительности многих химических реакций.

Теперь нужно обнаружить водород, который получился в результате разложения воды магнием. Так как в чистой воде разложение практически прекращается из-за образования защитной пленки, следует позаботиться о том, чтобы слой гидроксида непрерывно разрушался. Для этого используем добавки. Мы достигнем желаемого эффекта с помощью очень небольших количеств кислоты или солей, таких как хлорид железа (III) или хлорид магния. Поместим в широкие пробирки несколько кусочков магния или немного магниевого порошка, или по кусочку магниевой полоски. Одну из этих пробирок заполним водопроводной водой, другую — водой, в которую уже добавлены очень незначительные количества кислоты или уксуса, третью—разбавленным раствором хлорида железа (III) или поваренной соли. В подкисленной воде и в растворах солей образуются пузырьки газа, а магний энергично растворяется. Если наполнить узкую пробирку водой и, перевернув, погрузить ее в широкую пробирку, то можно собрать выделяющийся газ. Из подкисленной воды мы получим его так много, что сумеем провести пробу на гремучий газ.

Образование поверхностной инертной пленки называют пассивированием. Если бы не это явление, хром, алюминий и многие другие металлы были бы в очень короткий срок разрушены кислородом воздуха или водяным паром.

Электролитическое разложение воды

Для разложения воды электрическим током чаще всего используют аппарат Гофмана. Кто не располагает таким аппаратом, может сам легко построить подобное приспособление. Возьмем кусок очень широкой стеклянной трубки (например, химический стакан или широкогорлую склянку без дна. Как удалить дно, описано в главе 8, а острые края надо оплавить на пламени бунзеновской горелки). Отверстие трубки или горло склянки закроем очень плотно подогнанной резиновой пробкой. В пробке на не слишком близком расстоянии друг от друга просверлим два отверстия, в которые в качестве электродов вставим два угольных стержня. Такие стержни можно купить или взять из батарейки для электрического карманного фонаря. Перед применением очистим угольные стержни длительным кипячением в воде. К нижним концам угольных стержней присоединим токоподводы из изолированной медной проволоки. Лучше всего достать у электрика подходящие клеммы и к ним припаять зачищенные концы проводов. В крайнем случае обмотаем стержень проволокой. Изоляционный лак с проволоки необходимо тщательно счистить, а число витков должно быть достаточно большим. Провода подсоединим к батарейке для карманного фонарика или, лучше, к свинцовому аккумулятору. Если найдется переменное сопротивление в несколько ом, включим его в цепь. Тогда скорость электролиза будет хорошо регулироваться.

Наполним изготовленный электролизный сосуд примерно на две трети водой, в которую добавим немного разбавленной серной- кислоты. Чистая вода проводит электрический ток очень плохо. Уже незначительное количество кислоты сильно повышает проводимость. Лучше всего, чтобы концентрация серной кислоты составляла 2—i%. Осторожно —даже разбавленная серная кислота разъедает кожу. Запомните навсегда: при разведении кислоты ее следует очень медленно вливать в воду, ни в коем случае нельзя поступать наоборот — вливать воду в кис' лету.

Ячейка готова. Теперь замкнем электрическую цепь. На обоих электродах выделяется газ: на положительном полюсе (аноде) слабее, на отрицательном (катоде) — сильнее. Соберем газы для их изучения. Для этого поместим перевернутые наполненные водой пробирки над электродами —только, чтобы они тоже стояли на резиновой пробке, а то электрическая цепь прервется.

В обеих пробирках соберется газ. В идеальном случае нужно ожидать, что на аноде образуется ровно вдвое меньше газа, чем на катоде. Ведь на аноде выделяется кислород, а на катоде — водород. Так как формула - воды H2O, то на один атом кислорода приходится два атома водорода, и при разложении воды должно образовываться в два раза больше атомов водорода, чем кислорода. С другой стороны, мы знаем из школьного курса, что в равных объемах газов всегда содержится равное число молекул закон Авогадро), а как молекула водорода, так и молекула кислорода содержат два атома элемента.

Несмотря на правильность этой теории, мы будем несколько разочарованы, когда сравним полученные объемы газов. Кислорода будет мало, так как часть его соединится с углеродом электрода. Для точных исследований необходимо применять электроды из благородного металла (лучше всего платины).

Эксперименты с водородом

Если при электролизе использовать достаточно мощный источник тока (например, аккумулятор), то можно получить значительные количества обоих газов и провести с ними простые опыты.

В наполненной водородом пробирке осуществим пробу на гремучий газ. Вообще, она дает отрицательный результат, и полученный чистый водород сгорает спокойно. Правда, можно получить и положительную реакцию — если водород смешивается с растворенным в воде пневматической ванны кислородом. Это может произойти при неосторожном насаживании пробирок или, чаще всего, при близком расположении электродов. Кислород легко обнаружить с помощью тлеющей лучины. Зажжем деревянную лучинку, оставим ее некоторое время гореть на воздухе, затем потушим пламя, быстро дунув на него. Тлеющий, обугленный конец лучины введем в пробирку с кислородом. Мы увидим, как тлеющая лучина воспламенится. Будем продолжать исследования до тех пор, пока в пробирках есть газ.

С помощью, нашего электролизного устройства мы можем также получить чистый гремучий газ и взорвать его. Для этого толстостенный стакан, наполненный водой, поместим одновременно над обоими электродами. Во время электролиза в нем соберется смесь кислорода в водорода. Как только стакан начнет наполняться, осторожно приблизим его, отверстием вниз, к пламени горелки. Последует сильный хлопок и стенки сосуда увлажнятся. Из отдельных элементов в результате реакции соединения мы получили воду.

Только проводить этот овьет нужно непременно в защитиых очках! Кроме того, получать газовую смесь можно только в небольшом количестве, используя в самом крайнем случае стакан вместимостью не более 250 мл. Стакан обмотаем влажной плотной тканью (лучше полотенцем), чтобы не пораниться, если его разорвет. И еще: прежде чем поджигать смесь, в целях предосторожности откроем рот, чтобы защитить барабанные перепонки. Учтите также, что электролитическое получение водорода зачастую сопровождается взрывами. Это гремучий газ самовоспламеняется под действием электрической искры или каталитически действующих примесей. По этой причине можно получать только небольшие количества газа и во время опыта держаться на достаточном расстоянии.

перейти к началу страницы