Опыты с атомарным водородом в школьной лаборатории.

Опыты с атомарным водородом в школьной лаборатории

При изучении химии в средней школе учащиеся знакомятся с основными свойствами водорода и способами его получения. Обсуждение восстановительных свойств водорода предполагает его существование в молекулярной форме. В результате у учащихся формируется несколько одностороннее представление: они не знают отличительных свойств атомарного и молекулярного водорода и считают, что получить атомарный водород можно лишь нагревая молекулярный до температуры свыше 2000 °C, что в условиях школьной лаборатории практически невозможно.

Чтобы искоренить это заблуждение учащихся, можно порекомендовать учителям, по их усмотрению, включить в программу нижеприведённые опыты. Особенно это касается профильных классов с углублённым изучением химии, а также внеурочной деятельности по химии. Предлагаемые опыты неоднократно проверены и относительно безопасны.

Опыт 1. Восстановление перманганатом калия

Приготовьте разбавленный 0,5%-ный раствор перманганата калия. Подкислите его серной кислотой и разлейте в два цилиндра. В один из них поместите несколько гранул цинка. Тотчас же наблюдается выделение водорода. В течение десятых долей секунды водород существует в виде отдельных атомов, а затем происходит образование молекулярного водорода. В другой цилиндр опустите газоотводную трубку от аппарата Киппа, заряженного цинком и кислотой, и отрегулируйте ток водорода соизмеримо с током водорода в первом цилиндре. В дальнейшем при выполнении других опытов с атомарным водородом параллельно ставьте опыт с молекулярным водородом, получаемым в аппарате Киппа. Через 4–5 минут в первом цилиндре наблюдается обесцвечивание раствора, свидетельствующее о протекании реакции:

2KMnO₄+ 3H₂SO₄+ 10H = K₂SO₄+ 2MnO₄+ 8H₂O

Обесцвечивание раствора во втором цилиндре происходит через больший (25–30 минут) промежуток времени, так как атомарный водород обладает большей химической активностью по сравнению с молекулярным.

Сравнительная устойчивость атомов водорода (0,1 с) может объясняться тем, что для образования молекул водорода необходимы не двойные соударения атомов (как следовало бы ожидать), при которых цепочка образований молекул быстро обрывается, а тройные. При этом выделяющаяся при образовании молекулы водорода энергия сообщается третьему атому и так далее. Очевидно, что атомы водорода претерпевают огромное число взаимных соударений прежде, чем произойдет взаимодействие.

Опыт 2. Восстановление дихромата калия

Опыт проводится аналогично предыдущему. Уравнениереакции:

K₂Cr₂O₇+ 4H₂SO₄ + 6H = K₂SO₄ + Cr₂(SO₄)₃ + 7H₂O

На протекание химической реакции в этом случае указывает довольно быстрое изменение цвета раствора от оранжевого до зелёного. Этот цвет обусловлен присутствием в растворе ионов Cr³⁺.

Опыт 3. Восстановление хлорида железа (III)

В разбавленный раствор хлорида железа (III) поместите несколько гранул цинка. Несмотря на то, что в результате гидролиза среда кислая, и что цинк в электрохимическом ряду напряжений металлов стоит левее железа, внешних признаков протекания реакции не наблюдается. При добавлении соляной кислоты начинает выделяться водород, и в момент выделения он взаимодействует с ионами Fe³⁺, восстанавливая их до ионов Fe²⁺. Через 3–4 минуты происходит обесцвечивание раствора. Для того чтобы подтвердить результаты опыта, можно к полученному и исходному растворам прилить раствор «красной кровяной соли» K₃[Fe(CN)₆]. Образование «турнбулевой сини» в первом случае свидетельствует об осуществлении окислительно-восстановительного процесса:

FeCl₃ + H = FeCl₂ + HCl

Опыт 4. Восстановление иода

Перед проведением опыта необходимо приготовить раствор иода в воде. Для этого небольшой кристаллик иода разотрите в ступке и растворите в дистиллированной воде. Для увеличения растворимости иода можно добавить 1–2 капли раствора иодида калия. В полученный раствор прилейте разбавленную серную кислоту и поместите несколько гранул цинка. Характерная для иодной воды окраска через короткое время исчезает:

I₂ + 2H = 2HI

Чтобы убедиться, что восстановление иода прошло полностью, добавьте в раствор несколько капель свежеприготовленного крахмального клейстера. Отсутствие синей окраски указывает на то, что реакция прошла до конца.

Опыт 5. Восстановление метилоранжа

В два цилиндра с дистиллированной водой прилейте несколько миллилитров концентрированной серной кислоты, затем добавьте туда несколько капель метилоранжа. В один из цилиндров поместите 2–3 гранулы цинка, в другой – газоотводную трубку, идущую от аппарата Киппа. Через несколько минут в первом цилиндре раствор обесцвечивается, а во втором по-прежнему остаётся красным. Схема реакции:

Опыт 6. Восстановление нитробензола

В пробирку поместите несколько капель нитробензола C₆H₅NO₂. Добавьте туда 4–6 капель концентрированной соляной кислоты и маленький кусочек (2х2 мм) металлического цинка. Пробирку постоянно встряхивайте, чтобы нитробензол постоянно находился в дисперсном состоянии и хорошо перемешивался с выделяющимся водородом. Если реакция начнёт замедляться, пробирку слегка подогрейте над пламенем спиртовки. Схема реакции:

Zn + 2HCl = ZnCl₂ + 2H

Если нитробензола было взято недостаточно, то в указанных выше условиях реакции весь нитробензол перейдет в анилин, вернее в его хлоргидрат, растворимый в воде:

Из хлоргидрата анилина можно получить анилин, подщелачивая раствор едким натром: