氢气的制备与性质

实验：氢气的制备与性质一、实验目的与要求1、熟悉启普发生器的原理和构造，并掌握其操作技能；2、掌握演示H2的性质实验和安全操作技能；3、初步掌握H2还原CuO实验的讲解方法。二、实验原理物理性质：氢气是无色无味并且密度比空气小，极难溶于水的气体。化学性质：①可燃性氢气极易燃烧，纯净的氢气在空气中安静地燃烧，发出淡蓝色火焰。②还原性氢气具有还原性，可还原一些金属氧化物。制备原理：本实验采用活泼金属置换酸里的氢制的氢气，一般采用金属锌和H2SO4反应，实验方程式为：Zn+H2SO4＝ZnSO4+H2↑性质验证实验方程：2H2+O2点燃2H2OH2+CuO△Cu+H2O启普发生器的原理：先拔去连接导气管的胶塞，小心地把颗粒固体物装入中球。然后塞紧胶塞，把活塞打开，将液体从球形漏斗倒入。注入液体后，液体先充满下球斗，继而上升到中球，并跟颗粒物接触，发生反应，产生气体，经导管并通过活塞放出。不用时，关闭活塞，气体不能放出。中球内的压强增大，把液体压入下半球，再沿长颈上升到球形漏斗里，使颗粒物跟液体脱离接触，反应颗粒物的要求：①：固体块状或颗粒，并不会迅速溶解在液体中。②：发生的反应不放出大量的热。③：产生的气体不溶于反应液体。气密性的检查：本实验用液差法检查气密性。三、仪器、材料与药品启普发生器、烧杯(500mL、150mL、50mL)、水槽、橡皮管、试管及试管架、玻璃导气管、玻璃尖嘴管、铁架台(配铁夹)、凡士林、塑料瓶或易拉罐、玻璃棒、酒精灯、玻璃丝、火柴、蒸发皿(盛皂液)、石棉网、洗瓶；洗涤剂溶液、CuSO4溶液、锌粒、稀H2SO4(1∶4)、甘油、氧化铜。四、实验内容1.利用启普发生器制取氢气启普发生器（如图3-8）由三部分组成。上面一部分是球形漏斗，漏斗口用于加入液体，中间部分是玻璃球，上面的口用于加固体和导气；下面一部分是玻璃半球，反应完毕后，把废液从小口处倒掉。装料前，先检查各接缝处的气密性。方法是关住旋钮，由漏斗处注入水后，在液面处划一记号，若数分钟内液面不下降，说明气密性好；若下降，可涂凡士林密封。2、反应的发生：将Zn粒放入启普发生器中，给启普发生器中加水至将金属锌全部淹没处，倒水后量水的体积，这就是稀硫酸的体积。（如果是浓H2SO4，则按与水体积1:4的比配制稀H2SO4）在球形漏斗颈适当位置用玻璃丝编绕数圈，或穿一塑料片，以阻止锌粒下落（这是因为随着反应的进行，Zn粒逐渐变小，会掉在玻璃半球中）。将容器侧身由上口或侧口处加入用CuSO4溶液浸泡过的锌粒，再将漏斗插入，用玻璃棒将玻璃丝拨至容器细颈处后，将发生器放直，安上导气管，打开旋钮，由上口加入稀硫酸至淹没锌粒处，关上旋钮，固、液体分离，稀硫酸液面升至漏斗处。3、H2的性质：①H2纯度的检验打开旋钮，用排水法收集一试管H2，管口向下移近火焰，放开拇指，如有尖锐的爆鸣声，证明氢气不纯，要继续收集并检验，直至只发出轻微的“噗”声为止，此时H2已纯，可以使用。②H2在空气中燃烧检验纯度后，在导管上连接一尖嘴玻璃管，点燃后，在深色背景下，可明显看到氢气在空气中安静地燃烧，发出淡蓝色火焰。在火焰上方罩一干净烧杯，片刻烧杯内壁就有液滴顺壁流下。③H2与空气混合气的爆鸣取一小塑料瓶或一端开口的易拉罐饮料盒(20～120mL)，在底部凿一火柴梗粗细小孔，食指堵住小孔，排水法集满H2后，倒放于桌面上，口部垫上石棉网以保证空气通畅。点燃火柴，放开手指，用火柴梗捅透小孔水膜，点燃H2，深色背景下因H2较纯，火焰燃烧平静，可看到淡蓝色火焰。过一会儿，空气从盒底口流入，积聚到一定比例，发生爆鸣。当H2和空气的体积比为2∶5时，产生的爆鸣声音最大。④H2吹肥皂泡取少量洗涤剂用蒸馏水配成溶液，用橡皮管在洗涤液中蘸一下，管口仍朝下，慢慢开通H2流，待气泡出现后，将管口迅速反转朝上，轻轻摆动或用嘴吹气，泡泡脱离管口，用火在气泡上方点燃，随着“噗”的一声，伴有黄色火球出现。⑤H2还原CuO取一干燥的硬质试管，底部铺薄薄一层氧化铜并倾斜安装于铁架台上（管口略低于底部），先通一会儿H2，然后加热，当管口有液滴出现时，CuO加热部位由黑色变为红热，再慢慢变为紫红色。撤掉酒精灯，继续通H2至试管冷却。五、注意事项1.使用启普发生器时，容器底座的活塞最好用绳子扎紧，以免H2压力过大(因锌的颗粒小而落入酸液中不断反应使然)，冲开活塞。2.为使反应速率更快，先将锌粒浸在CuSO4溶液中至发黑，再给发生器中加入。3.启普发生器使用完毕，用塞子堵住漏斗口，将发生器侧身，由下口倒出废酸液(统一收集)，拔下导气管塞子，此处倒出余锌(要回收)，将发生器清水冲洗干净，擦干净磨口处凡士林并垫一硬纸收藏。4.启普发生器使用过程中若要再添酸或锌，产生H2之后必须先验纯后使用，否则会出现不安全事故。5.H2吹肥皂泡因玻璃管表面光滑，沾不住皂液，难以吹成，故用橡皮管。此外还可用竹管来代替。6.H2与空气的混合气体发生爆鸣的极限为4%～74.4%(体积分数)。若筒内H2纯度过高即超过爆鸣上限时，点火后首先是它的安静燃烧。由于燃烧消耗H2，使筒内压强变小，空气便从下口源源不断地进入筒内，当H2的含量进入爆鸣范围，即发生爆鸣。传统的方法是用排气法收集H2，筒内到底收集了多少H2全凭经验，这就为点燃H2能否使它爆鸣埋下隐患，教师无法把握是否能成功。六、讨论与研究1.实验室中不用金属Al或Fe与酸反应制H2，是因为Al和冷的稀H2SO4反应太慢，普通Fe和酸反应，生成的H2中含有H2S等杂质太多。同样，不能用盐酸代替H2SO4，是由于盐酸易挥发，放热反应使生成的H2中含有HCl气体。2.实验室制得的H2有一股特殊气味，是由于Zn和酸不纯所致。其中含有AsH3(剧毒)、H2S(剧毒)、SO2等。AsH3来自H2SO4中所含的微量砷，H2S来自Zn中的微量ZnS，SO2是H2SO4的还原产物。可将气体通过KMnO4溶液除去AsH3，通过NaOH溶液除去H2S、SO2，通过浓H2SO4除去水。3.将制得的H2点燃，其火焰呈黄色，若将玻璃管换为金属管后火焰仍然为黄色。这就不能简单地认为是一个玻璃中钠元素的干扰问题。我们取一双通的粗玻璃管，铁架台上夹好后，在其背面贴上黑纸，造成一个深色背景，然后将具有黄色火焰的H2导管伸进粗玻璃管内，慢慢上下移动，直到调节至火焰呈淡蓝色为止。该实验中，就是原来在玻璃导管上的黄色火焰，此处也呈淡蓝色。对此，我们可认为，氢焰在粗管中燃烧，就像在火焰上方挂了一个烟囱，加快了空气对流，供氧充分所致。4.启普发生器是荷兰一个名叫启普(Kipp,P.J,1808-1864)的药品商所发明。其使用优点是：用时只要使固液体接触，就会有气体发生；不用时只要关上导气管上的旋钮，液体因受容器内压力就能自动与固体分开，终止反应。实验时用它既方便又节约药品和时间。缺点是每次装药量太大，体积大，来回移动不方便。根据启普发生器的原理，有许多简易装置如下图，可供参考。