Техника безопасности при выполнении лабораторной работы «Водород»
При использовании водорода нужно помнить, что смесь его с воздухом взрывается. Инициатором взрыва может быть как открытый огонь (например, искра от статического электричества), так и горячие предметы (с Т выше 4000С). Поэтому перед поджиганием струи водорода надо проверить его на чистоту от O2 (опыт 2Б).
Отметим, что получать водород взаимодействием Zn с кислотами нужно под тягой, так как технический цинк содержит значительное количество примесей, в частности, мышьяк, который под действием атомарного водорода переходит в очень ядовитое и летучее вещество - арсин.
Перед использованием натрия (например, для вытеснения H2 из воды) необходимо надеть защитные очки. Затем металл пинцетом вынуть из керосина, положить на чистый сухой лист бумаги и, не торопясь, скальпелем или ножом отрезать нужное количество. Далее натрий освободить от поверхностной пленки и тотчас же использовать в работе. Остатки металла положить в керосин и сдать лаборанту.
Экспериментальная часть
Целью работы является изучение окислительно-восстановительных свойств водорода, способов его получения.
Опыт 1.. Получение водорода из воды
A. С помощью цинка.В пробирку налить 1 мл воды, добавить 3 капли фенолфталеина, и поместить кусочек очищенного(с помощью наждачной бумаги) цинка. Нагреть пробирку. Что наблюдается?
Б. С помощью кальция.Собрать установку (рис. 1), заполнить кристаллизатор и пробирку водой. Завернуть кусочек металлического кальция (размером с полспички) в марлю и с помощью щипцов быстро подвести к отверстию пробирки. Что наблюдается?
После полного вытеснения воды из пробирки закрыть (не переворачивая!) ее отверстие пальцем и собранный газ перелить в другую пробирку, перевернутую вверх дном (переливать в течение примерно 40 с). Поднося по очереди обе пробирки к огню, выяснить, перелит ли газ.
Повторить опыт и продемонстрировать процесс переливания, а также доказательство того, что газ перелит (хотя бы частично), перед группой.
Что обнаруживается при разворачивании марли, в которой был кальций?
Подвергнуть анализу жидкость в кристаллизаторе. Для чего отобрать в пробирку 1 мл ее и добавить две капли фенолфталеина. Что наблюдается? Почему?
B. С помощью натрия.В стакан на 100 мл налить 30 мл воды, и опустить в стакан кусочек очищенного натрия (величиной с горошину). Что наблюдается и почему? Как меняется цвет воды в ходе эксперимента? Почему?
Сравнить интенсивность окраски фенолфталеина в растворах после опытов А, Б, В и объяснить различия.
Опыт 2. Восстановление оксида меди(II) (Опыт выполняется под тягой!)
А. Получение водорода.Собрать установку, представленную на рис. 2. Предварительно заполнить хлоркальцевую трубку (2) гранулированным хлоридом кальция (зачем?), в трубку (3) поместить (с помощью длинного бумажного «ковшика») 0,1 г оксида меди(II), а в отверстие выходной трубки (4) вставить тонкую медную проволоку.
Проверить герметичностъ прибора (как?). Затем в колбу (1) внести 30 гранул цинка, прилить 80 мл 2М серной кислоты и закрыть колбу пробкой. (Проследить, чтобы газоотводная трубка была близка к поверхности раствора. Почему?)
Б. Проверка водорода на чистоту.Собрать газ из газоотводной трубки (4) в сухую пробирку, объемом не более 10 мл (собирать в течение примерно 1-2 минут). Затем закрыть пробирку пальцем (не переворачивая ее) и поднести, отняв палец, ее отверстие к огню. Что наблюдается и почему?
Пункт Б повторять до тех пор, пока собранный газ не начнет сгорать без резкого звука, что и укажет на его сравнительную чистоту от кислорода.
В. Горение водорода.
Убедившись в отсутствии кислорода (во взрывоопасных количествах) в выделяющемся водороде, поджечь его у выхода из прибора. Отметить цвет пламени и в присутствии группы определить качественный состав продуктов сгорания. Для этого опрокинуть над пламенем холодную стеклянную воронку. Что наблюдается и почему?
Г. Восстановление меди(II).С помощью спиртовки осторожно прогреть
трубку (3) по всей длине, а потом сильно нагреть ту ее часть, где находится оксид меди(II). Зачем?
Следить за пламенем: если оно погаснет - прекратить нагревание и обратиться к преподавателю или лаборанту.
Когда оксид меди восстановится полностью (как это определить?), закончить нагревание и оставить прибор остывать, не прекращая тока водорода (почему?). Затем слить кислоту с гранул цинка в специальную банку, промыть их водой и сдать лаборанту.
Опыт 3. Получение водорода из щелочного раствора. Сравнение активности молекулярного и атомарного водорода (Опыт выполняется под тягой!)
А. Получение водорода.Собрать установку, схема которой представлена на рис. 3. Положить в пробирку (1) 3-4 кусочка алюминия и прилить 4 мл 1M гидроксида натрия. Заткнуть пробирку пробкой с газоотводной трубкой (2) и на последнюю надеть пробирку (3). Осторожно нагреть пробирку (1) спиртовкой и собирать выделяющийся газ в течение примерно 3-4 минут. Доказать, что собранный газ содержит водород (как?).
Б. Восстановление перманганата калия.В две чистые пробирки налить по 3 мл 20 %-ной серной кислоты, и добавить по 2 капли 0,1M перманганата калия. В одну пробирку поместить 4 гранулы цинка, а через раствор во второй - пропускать водород из газоотводной трубки (2), опустив ее до дна пробирки; следить, чтобы жидкость не засосало в трубку. Через 10 минут сравнить окраску растворов в обеих пробирках и сделать вывод. Какая активность (кинетическая или термодинамическая) сравнивается в этом опыте для H2 и “Н”?
Опыт 4. Получение и взрыв «гремучей смеси»
А. Получение водорода (по методу Кавендиша).В колбу с газоотводной трубкой поместить 10 гранул цинка и прилить 20 мл концентрированной хлороводородной кислоты. Газоотводную трубку подвести под консервную банку, опрокинутую вверх дном. В дне банки должно быть отверстие диаметром примерно 3 мм, которое на время ее заполнения заклеивается лейкопластырем.
Б. Образование и взрыв «гремучей смеси».После заполнения банки водородом (что устанавливается по выделению из-под нее «дыма»), газоотводную трубку удалить, отверстие банки открыть и сразу же выходящий из него водород поджечь длинной лучинкой (стоять как можно дальше!). Что наблюдается? Почему?