История открытия водорода. Получение и физические свойства 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 про­во­ди­ли 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.

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 от­но­сят­ся к типу за­ме­ще­ния. В каж­дую из этих ре­ак­ций всту­па­ет одно про­стое ве­ще­ство и одно слож­ное ве­ще­ство, и об­ра­зу­ет­ся новое про­стое и новое слож­ное. Такие ре­ак­ции и на­зы­ва­ют­ся ре­ак­ци­я­ми за­ме­ще­ния.

Неко­то­рые ме­тал­лы могут за­ме­щать во­до­род в кис­ло­тах.

По­это­му, кис­ло­та­ми на­зы­ва­ют ве­ще­ства, в со­став ко­то­рых вхо­дит во­до­род, спо­соб­ный за­ме­щать­ся ме­тал­ла­ми.

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.

 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.