Получение водорода действием металла на щелочь уравнение реакций

Получение водорода в домашних условиях

Один из способов получения водорода в лаборатории основан на реакции
алюминия с раствором щелочи – едкого натра или едкого кали. При этом
образуется более чистый водород, чем в случае реакции кислот с активными
металлами. Единственное, что его загрязняет – брызги щелочи, которые
можно отделить с помощью каплеуловителя и слоя стекловаты.

Насыпьте в колбу несколько грамм едкого натра или едкого кали,
налейте примерно 50-100 мл воды и перемешайте содержимое до растворения
щелочи. Добавьте в колбу несколько кусочков алюминия. Начнется выделение
водорода – сначала слабое, потом все более сильное. Раствор при этом
будет разогреваться.

Алюминий – довольно активный металл, он легко реагировал бы с
водой, если бы не прочная оксидная пленка на его поверхности. Поэтому
алюминий может очень долго контактировать с водой без каких-либо
признаков разрушения. Вспомните, что еще недавно на кухнях активно
использовали алюминиевую посуду. Алюминиевые линии электропередач
десятилетиями служат в любую погоду – и в солнце и в дождь.

Но при контакте со щелочью оксидная пленка на поверхности
алюминия разрушается, и он начинает реагировать с водой. В результате
выделяется водород, а металл растворяется:

Теперь осторожно добавим в колбу примерно 10 гр щелочи и еще немного
алюминия. Реакция значительно ускорится. Закроем колбу пробкой с
трубкой, накройте отверстие трубки небольшой пробирочкой. Подождите,
пока водород вытеснит воздух из колбы (3-5 мин) после чего снимите
пробирку (не переворачивая) и поднесите к ее отверстию пламя. Если
водород сгорит спокойно (без хлопка) подожгите газ на выходе из колбы.
На воздухе водород горит бесцветным, почти невидимым пламенем, но брызги
раствора едкого натра придают ему желтоватый цвет.

Источник

Получение водорода из алюминия и водного раствора щелочи, реактор, простые эксперименты

Лабораторные работы — этакое таинство позволяющее прочувствовать полезность и практичность теории из учебников и тетрадок. Живые опыты производят изрядное впечатление, наглядно демонстрируя, как интересен и удивителен мир вокруг. Это хороший дополнительный фактор, чтобы заинтриговать наукой юных обормотов. К превеликому сожалению, современные школы все более манкируют натурными экспериментами при изучении естественных наук. Демонстрацию фото-видео, презентаций предпочитают возне с пробирками и настоящими реактивами. Это проще и дешевле для школы и преподавателя, однако и меньше вовлекает учеников. И если в школах больших городов еще существуют лаборатории при кабинетах физики и химии, то в школах сельских дела обстоят из рук вон плохо.

Поскольку спасение утопающих, дело сами-знаете-чьих рук, мы стараемся хоть иногда организовывать для своего ребенка интересные работы в разных областях. Чтобы если не привить любовь к исследованиям, то по крайней мере продемонстрировать. Эта работа была посвящена водороду — его простому получению и выяснению некоторых зрелищных особенностей. Заодно можно коснуться и истории (воздухоплавания — аппараты легче воздуха, Шарльеры).

Итак. Наиболее простым и безопасным способом получения Н2 можно признать сугубо химический — из водного раствора щелочи и алюминия. Реактивы просты и относительно безопасны, водорода выделяется много — даже нетерпеливый вьюнош соскучится не успеет. Попутно мы сделали небольшой настольный (напольный) реактор позволяющий получать достаточно газа и меньше заботиться о безопасности (опрокидывании).

Чтобы не было конфуза, первым делом попробовал сделать эксперимент самостоятельно. Взял несколько алюминиевых обрезков от работы с лампой и залил их раствором щелочи.

Чистой щелочи не нашлось, применил сухой (гранулы) очиститель для труб в состав которого она входит. Надо сказать, что не все химикаты подобного рода работают в нужном качестве, например «Крот» жидкий в бутылке с носиком уточкой, на алюминий никакого впечатления не произвел — в его состав кроме щелочи входит и ингибитор коррозии.

Мой первый эксперимент проходил ни шатко ни валко — реактивы брал на глазок, щелочи положил мало. Шарик на фото образовывался почти за двое суток. Для эксперимента №2 отмерил реактивы на весах, залил избытком воды (реакция экзотермическая, раствор разогревается), алюминий измельчил, применил катализатор — кальцинированную соду. Дело пошло существенно веселее, несколько литров газа получалось за минуты, однако, одноразовая 1.5 л ПЭТ бутылка оказалась не лучшим реактором — разогрев алюминиевой засыпки на дне деформировал и проплавил емкость, она стала протекать.

Тогда было решено сделать реактор из имеющегося 2 л. порошкового огнетушителя в толстом пластиковом корпусе. Основательный корпус вселял надежду на прочность и относительную термостойкость, однако прибор узковысок и неустойчив. Гулять так гулять — мы его снабдили хорошим устойчивым подстаканником. К посильным работам привлекалась и жертва неуемной родительской педагогики.

Итак, что нам понадобилось для изготовления и опытов.

Б/у огнетушитель ОП-2, набор инструментов для столярных работ, ЛКМ, посуда, мелочи. Реактивы — алюминий, щелочь, вода, мыльный раствор.

Подстаканник.

В хороший солнечный денек подобрал подходящие обрезки сосновых досок, в основном попорченные древоточцами, не пригодные для других столярных или плотницких работ. Предварительно прострогал их, опилил в размер и прострогал еще разок до нужной толщины (12. 13 мм). При этом удачно удалились все внутренние паршивцы, портящие деревяшки вместе со своими следами ходами. Чудненько.

На пиле маятниковой (торцевой) обрезал заготовки в размер, опилил углы.

Из дефектов на деревяшках осталась большая дырка от выпавшего сухого сучка, ничего, сойдет за люк для контроля температуры (пальцем пробовать корпус реактора), опять же — вентиляция. Зашкуриванием занимался загрустивший от трудностей научной работы ребенок.

В дне подстаканника просверлил ряд отверстий, как в мыльнице, чтобы стекало, ежели чего прольется. Кроме того, дно подстаканника чуть приподнято. Для того же. Заготовки скрепил клеем (столярный ПВА) с некрупными гвоздиками.

Чтобы наш подстаканник не размокал и не пачкался грязными пальцами покрасили его в зеленый цвет засыхающими остатками эмали ПФ-115. Для работ снова был привлечен практикант, уже повеселевший — красить мы любим. Для покраски было выделено рабочее место в проветриваемом дровнике, выданы материалы, доведена техника безопасности. Деревяшки обмели и продули от пыли, для первого слоя краску слегка разбавили растворителем. Перед нанесением слоя второго, первый слегка зашкурили некрупной затертой наждачкой — чтобы удалить встопорщившиеся волокна древесины.

Крышка реактора.

Огнетушитель нам достался со сломанной верхней частью, но все что нужно для запирания емкости было в наличии. Большую накидную металлическую гайку удалось отвернуть, зажав ее в слесарных тисках. Внутри обнаружилась соломинка с раструбом на дне (для правильного забора рабочего тела — порошка) и небольшой баллончик для сжатого газа.

Баллончик удалось отвернуть не без труда (фиксатор или герметик на резьбе). Применили разводной ключ и тиски. Соломинку укоротили и привинтили навыворот — снаружи, получился удобный патрубок для наполнения шарика. Для присоединения нетолстого силиконового шланга сделали еще один патрубок, поменьше. Из оставшейся соломинки с раструбом получилась хорошая воронка для наполнения реактора химикатами.

Патрубок для шланга сделали из кусочка сменной ампулы шариковой ручки. Вклеили ее термоклеем. Действовали так: полностью залили отрезок толстого красного патрубка термоклеем с одной стороны, после его застывания залили и с другой. Чтобы расплавленный клей не выливался с обратной стороны, заткнули ее гладким металлическим (не прилипает клей) цилиндриком, подходящим по диаметру (гальванический элемент типоразмера ААА). Дали клею полностью остыть и отвердеть и просверлили сквозное отверстие. Получился этакий тройник.

Сборку пластиковых частей сделали с применением силиконового герметика, залили термоклеем и несколько ненужных отверстий в крышке. Осталась только загрузочная горловина с резьбовой пробкой.

Собственно опыты.

Первым делом, не худо будет напомнить (объяснить) ребенку что происходит внутри реактора и почему оттуда выходит газ — водород. Дескать, происходит химическая реакция между водой, щелочью и алюминием. Интересно, что алюминий, паче чаяний, метал очень активный (в электрохимическом ряду металлов стоит между магнием и цинком). Он вполне способен самостоятельно вступать в реакцию с водой, но на поверхности Аl очень быстро образуется прочная пленка окисла, предохраняющего металл. Щелочь удаляет оксидную пленку, происходит хим.реакция, выделяется водород.

2Al + 2KOH + 6H2O = 2 K[Al(OH)4] + 3H2↑

Мы решили сделать с водородом два простых опыта — наполнять им мыльные пузыри (взлетают вверх — видим что водород легче воздуха) и поджечь мыльную пену наполненную водородом (продемонстрировать горючесть). В обоих случаях нужны мыльные пузыри.

Их мы сделали из непижонского шампуня немного разбавив его водой и добавив капельку глицерина для прочности. Попробовали что получилось, кстати пришлась и соломинка от огнетушителя.

Ничего, все работает, можно приступать.

К толстому патрубку реактора прикрепили ресивер — воздушный шарик. Засыпали алюминиевые гранулы, залили щелочь. Реактивы остались от предыдущих опытов, несколько изношенные, но работали.

Реактор не следует заливать под пробку, около 5 см лучше оставить пустыми иначе в наружу лезет щелочная пена.

Водород — самый легкий из газов, весит он в 14.5 раз легче воздуха. Мыльный пузырь наполняемый водородом, дивным образом взлетает вверх.

Опыт следует проводить в закрытом помещении без сквозняков, вдали от открытого пламени. Некоторое время нужно дать реактору поработать «на помещение» или выпустить на улице первую порцию накопленного газа — водород здесь с примесью воздуха. Иногда на конце соломинки (шланга) скапливается избыток мыльной жидкости, при надувании пузыря она висит капелькой на его дне как корзина аэростата и мешает взлету — после макания в мыльный раствор конец шланга лучше слегка стряхнуть. Следует помнить и о влажности полученного водорода — вместе с газом из реактора увлекается и щелочная взвесь (лопающиеся на поверхности пузырьки водорода) и испаряется вода (реакция экзотермична — раствор щелочи разогревается). Однако легкости даже влажного водорода вполне хватает для всплывания мыльных пузырей. Можно попробовать несколько осушить его, пропуская через простые фильтры.

При надувании пузырей из тонкого шланга, довольно было и тока водорода образующегося при реакции. Регулировали мы его пережимая мягкий шланг в удобном месте. Для выдувания пузырей поосновательней, применили всю ту же соломинку сделав к ней переходник. Водород в этом случае приходилось накапливать в ресивере.

Источник

Водород: химия водорода и его соединений

Водород

Положение в периодической системе химических элементов

Водород расположен в главной подгруппе I группы и в первом периоде периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева.

Электронное строение водорода

Электронная конфигурация водорода в основном состоянии :

+1H 1s 1 1s

Атом водорода содержит на внешнем энергетическом уровне один неспаренный электрон в основном энергетическом состоянии.

Степени окисления атома водорода — от -1 до +1. Характерные степени окисления -1, 0, +1.

Физические свойства

Водород – легкий газ без цвета, без запаха. Молекула водорода состоит из двух атомов, связанных между собой ковалентной неполярной связью:

Н–Н

Соединения водорода

Основные степени окисления водорода +1, 0, -1.

Типичные соединения водорода:

Степень окисления	Типичные соединения
+1	кислоты H2SO4, H2S, HCl и др. вода H2O и др. летучие водородные соединения (HCl, HBr) кислые соли (NaHCO3 и др.) основания NaOH, Cu(OH)2 основные соли (CuOH)2CO3
-1	гидриды металлов NaH, CaH2 и др.

Способы получения

Еще один важный промышленный способ получения водорода — паровая конверсия метана. При взаимодействии перегретого водяного пара с метаном образуется угарный газ и водород:

Также возможна паровая конверсия угля:

C 0 + H₂ + O → C +2 O + H₂ 0

Химические свойства

1. Водород проявляет свойства окислителя и свойства восстановителя. Поэтому водород реагирует с металлами и неметаллами.

1.1. С активными металлами водород реагирует с образованием гидридов :

2Na + H₂ → 2NaH

1.2. В специальных условиях водород реагирует с серой с образованием бинарного соединения сероводорода:

1.3. Водород не реагирует с кремнием .

1.4. С азотом водород реагирует при нагревании под давлением в присутствии катализатора с образованием аммиака:

1.5. В специальных условиях водород реагирует с углеродом .

1.6. Водород горит , взаимодействует с кислородом со взрывом:

2. Водород взаимодействует со сложными веществами:

2.1. Восстанавливает металлы из основных и амфотерных оксидов . Восстановить из оксида водородом можно металлы, расположенные в электрохимическом ряду напряжений после алюминия. При этом образуются металл и вода.

Например , водород взаимодействует с оксидом цинка с образованием цинка и воды:

ZnO + H₂ → Zn + H₂O

Также водород восстанавливает медь из оксида меди:

СuO + H₂ → Cu + H₂O

Водород восстанавливает оксиды некоторых неметаллов .

Например , водород взаимодействует с оксидом азота (I):

2.2. С органическими веществами водород вступает в реакции присоединения (реакции гидрирования).

Применение водорода

Применение водорода основано на его физических и химических свойствах:

• как легкий газ, он используется для наполнения аэростатов (в смеси с гелием);
• кислородно-водородное пламя применяется для получения высоких температур при сварке металлов;
• как восстановитель используется для получения металлов (молибдена, вольфрама и др.) из их оксидов;
• водород используется для получения аммиака и искусственного жидкого топлива;
• получение твердых жиров (гидрогенизация).

Водородные соединения металлов

Соединения металлов с водородом — солеобразные гидриды МеН_х. Это твердые вещества белого цвета с ионным строением. Устойчивые гидриды образуют активные металлы (щелочные, щелочноземельные и др.).

Способы получения

Гидриды металлов можно получить непосредственным взаимодействием активных металлов и водорода.

Например , при взаимодействии натрия с водородом образуется гидрид натрия:

2Na + H₂ → 2NaH

Гидрид кальция можно получить из кальция и водорода:

Химические свойства

1. Солеобразные гидриды легко разлагаются водой .

Например , гидрид натрия в водной среде разлагается на гидроксид натрия и водород:

NaH + H₂O → NaOH + H₂

2. При взаимодействии с кислотами гидриды металлов образуют соль и водород.

Например , гидрид натрия реагирует с соляной кислотой с образованием хлорида натрия и водорода:

NaH + HCl → NaCl + H₂

3. Солеобразные гидриды проявляют сильные восстановительные свойства и взаимодействуют с окислителями (кислород, галогены и др.)

Например , гидрид натрия окисляется кислородом:

2NaH + O₂ = 2NaOH

Гидрид натрия также окисляется хлором :

NaH + Cl₂ = NaCl + HCl

Летучие водородные соединения

Соединения водорода с неметаллами — летучие водородные соединения.

Строение и физические свойства

Все летучие водородные соединения — газы (кроме воды).

CH4 — метан	NH3 — аммиак	H2O — вода	HF –фтороводород
SiH4 — силан	PH3 — фосфин	H2S — сероводород	HCl –хлороводород
AsH3 — арсин	H2Se — селеноводород	HBr –бромоводород
H2Te — теллуроводород	HI –иодоводород

Способы получения силана

Силан образуется при взаимодействии соляной кислоты с силицидом магния:

Видеоопыт получения силана из силицида магния можно посмотреть здесь.

Способы получения аммиака

В лаборатории аммиак получают при взаимодействии солей аммония с щелочами. Поск ольку аммиак очень хорошо растворим в воде, для получения чистого аммиака используют твердые вещества.

Например , аммиак можно получить нагреванием смеси хлорида аммония и гидроксида кальция. При нагревании смеси происходит образование соли, аммиака и воды:

Тщательно растирают ступкой смесь соли и основания и нагревают смесь. Выделяющийся газ собирают в пробирку (аммиак — легкий газ и пробирку нужно перевернуть вверх дном). Влажная лакмусовая бумажка синеет в присутствии аммиака.

Видеоопыт получения аммиака из хлорида аммония и гидроксида кальция можно посмотреть здесь.

Еще один лабораторный способ получения аммиака – гидролиз нитридов.

Например , гидролиз нитрида кальция:

В промышленности аммиак получают с помощью процесса Габера: прямым синтезом из водорода и азота.

Процесс проводят при температуре 500-550 о С и в присутствии катализатора. Для синтеза аммиака применяют давления 15-30 МПа. В качестве катализатора используют губчатое железо с добавками оксидов алюминия, калия, кальция, кремния. Для полного использования исходных веществ применяют метод циркуляции непрореагировавших реагентов: не вступившие в реакцию азот и водород вновь возвращают в реактор.

Более подробно про технологию производства аммиака можно прочитать здесь.

Способы получения фосфина

В лаборатории фосфин получают водным или кислотным гидролизом фосфидов – бинарных соединений фосфора и металлов.

Например , фосфин образуется при водном гидролизе фосфида кальция:

Или при кислотном гидролизе, например , фосфида магния в соляной кислоте:

Еще один лабораторный способ получения фосфина – диспропорционирование фосфора в щелочах.

Например , фосфор реагирует с гидроксидом калия с образованием гипофосфита калия и фосфина:

Способы получения сероводорода

1. В лаборатории сероводород получают действием минеральных кислот на сульфиды металлов, расположенных в ряду напряжений левее железа.

Например , при действии соляной кислоты на сульфид железа (II):

FeS + 2HCl → FeCl₂ + H₂S↑

Еще один способ получения сероводорода – прямой синтез из водорода и серы:

Еще один лабораторный способ получения сероводорода – нагревание парафина с серой.

Видеоопыт получения и обнаружения сероводорода можно посмотреть здесь.

2. Также сероводород образуется при взаимодействии растворимых солей хрома (III) и алюминия с растворимыми сульфидами. Сульфиды хрома (III) и алюминия необратимо гидролизуются в водном растворе.

Например: х лорид хрома (III) реагирует с сульфидом натрия с образованием гидроксида хрома (III), сероводорода и хлорида натрия:

Химические свойства силана

1. Силан — неустойчивое водородное соединение (самовоспламеняется на воздухе). При сгорании силана на воздухе образуется оксид кремния (IV) и вода:

Видеоопыт сгорания силана можно посмотреть здесь.

2. Силан разлагается водой с выделением водорода:

3. Силан разлагается (окисляется) щелочами :

4. Силан при нагревании разлагается :

Химические свойства фосфина

1. В водном растворе фосфин проявляет очень слабые основные свойства (за счет неподеленной электронной пары). Принимая протон (ион H + ), он превращается в ион фосфония. Основные свойства фосфина гораздо слабее основных свойств аммиака. Проявляются при взаимодействии с безводными кислотами .

Например , фосфин реагирует с йодоводородной кислотой:

Соли фосфония неустойчивые, легко гидролизуются.

2. Фосфин PH₃ – сильный восстановитель за счет фосфора в степени окисления -3. На воздухе самопроизвольно самовоспламеняется:

3. Как сильный восстановитель, фосфин легко окисляется под действием окислителей.

Например , азотная кислота окисляет фосфин. При этом фосфор переходит в степень окисления +5 и образует фосфорную кислоту.

Серная кислота также окисляет фосфин:

С фосфином также реагируют другие соединения фосфора, с более высокими степенями окисления фосфора.

Например , хлорид фосфора (III) окисляет фосфин:

2PH₃ + 2PCl₃ → 4P + 6HCl

Химические свойства сероводорода

1. В водном растворе сероводород проявляет слабые кислотные свойства. Взаимодействует с сильными основаниями, образуя сульфиды и гидросульфиды:

Например , сероводород реагирует с гидроксидом натрия:

H₂S + 2NaOH → Na₂S + 2H₂O
H₂S + NaOH → NaНS + H₂O

2. Сероводород H₂S – очень сильный восстановитель за счет серы в степени окисления -2. При недостатке кислорода и в растворе H₂S окисляется до свободной серы (раствор мутнеет):

В избытке кислорода:

3. Как сильный восстановитель, сероводород легко окисляется под действием окислителей.

Например, бром и хлор окисляют сероводород до молекулярной серы:

H₂S + Br₂ → 2HBr + S↓

H₂S + Cl₂ → 2HCl + S↓

Под действием избытка хлора в водном растворе сероводород окисляется до серной кислоты:

Например , азотная кислота окисляет сероводород до молекулярной серы:

При кипячении сера окисляется до серной кислоты:

Прочие окислители окисляют сероводород, как правило, до молекулярной серы.

Например , оксид серы (IV) окисляет сероводород:

Соединения железа (III) также окисляют сероводород:

H₂S + 2FeCl₃ → 2FeCl₂ + S + 2HCl

Бихроматы, хроматы и прочие окислители также окисляют сероводород до молекулярной серы:

Серная кислота окисляет сероводород либо до молекулярной серы:

Либо до оксида серы (IV):

4. Сероводород в растворе реагирует с растворимыми солями тяжелых металлов : меди, серебра, свинца, ртути, образуя черные сульфиды, нерастворимые ни в воде, ни в минеральных кислотах.

Например , сероводород реагирует в растворе с нитратом свинца (II). при этом образуется темно-коричневый (почти черный) осадок, нерастворимый ни в воде, ни в минеральных кислотах:

Взаимодействие с нитратом свинца в растворе – это качественная реакция на сероводород и сульфид-ионы.

Видеоопыт взаимодействия сероводорода с нитратом свинца можно посмотреть здесь.

Химические свойства прочих водородных соединений

Кислоты образуют в водном растворе: водородные соединения VIA (кроме воды) и VIIA подгрупп.

Прочитать про химические свойства галогеноводородов вы можете здесь.

Физические свойства

Молекулы воды связаны водородными связями: nH₂O = (Н₂O)_n, поэтому вода жидкая в отличие от ее газообразных аналогов H₂S, H₂Se и Н₂Те.

Химические свойства

1. Вода реагирует с металлами и неметаллами .

1.1. С активными металлами вода реагирует при комнатной температуре с образованием щелочей и водорода :

2Na + 2H₂O → 2NaOH + H₂

• с магнием реагирует при кипячении:

• алюминий не реагирует с водой, так как покрыт оксидной плёнкой. Алюминий, очищенный от оксидной плёнки, взаимодействует с водой, образуя гидроксид:

• металлы, расположенные в ряду активности от Al до Н , реагируют с водяным паром при высокой температуре, образуя оксиды и водород:

• металлы, расположенные в ряду активности от после Н , не реагируют с водой:

Ag + Н₂O ≠

2. Вода реагирует с оксидами щелочных и щелочноземельных металлов , образуя щелочи (с оксидом магния – при кипячении):

3. Вода взаимодействует с кислотными оксидами (кроме SiO₂):

4. Некоторые соли реагируют с с водой. Как правило, в таблице растворимости такие соли отмечены прочерком :

Например , сульфид алюминия разлагается водой:

5. Бинарные соединения металлов и неметаллов , которые не являются кислотами и основаниями, разлагаются водой.

Например , фосфид кальция разлагается водой:

6. Бинарные соединения неметаллов также гидролизуются водой.

Например , фосфид хлора (V) разлагается водой:

6. Некоторые органические вещества гидролизуются водой или вступают в реакции присоединения с водой (алкены, алкины, алкадиены, сложные эфиры и др.).

Источник