Модуль 1. Восстановление водородом

Комплексные цели: знать лабораторные способы получения и очистки водорода; его физические и химические свойства; знать теоретические основы его использования для получения металлов из их оксидов; знать свойства получаемых металлов; уметь работать с аппаратом Киппа, проверять водород на чистоту, собирать установку для восстановления оксидов водородом при высокой температуре.

Теоретическая часть

Получение и очистка водорода

Водород в лаборатории получают либо электролизом растворов щелочей, либо взаимодействием металлов с кислотами. В особых случаях пользуются действием некоторых металлов или их сплавов на воду, а также взаимодействием алюминия и кремния с водными щелочными растворами.

При получении водорода вторым способом в качестве исходных веществ применяют цинк в виде гранул и раствор 20%-ной серной кислоты.

Наиболее удобно получать водород в аппарате Киппа (рис. 1). Цинк помещают в среднюю часть аппарата Киппа, она отделена от нижней пористой перегородкой, через которую может проникать раствор кислоты. Кислота вливается через отверстие в верхней части аппарата Киппа и протекает в нижний резервуар по стеклянной трубке. В средней части аппарата Киппа происходит реакция между цинком и кислотой, выделятся водород, который выходит через отверстие с краном. Если кран закрыт, то в средней части аппарата Киппа создается избыточное давление водорода, и кислота вытесняется в нижний резервуар, а затем по стеклянной трубке – в верхний, ее контакт с цинком прекращается. Если же кран открыт, то избыточное давление в среднем резервуаре снимается, и кислота через пористую перегородку устремляется к цинку.

Если цинк очень чистый, то реакция будет идти очень медленно. Для ускорения реакции добавляют несколько миллилитров раствора медного купороса. За счет взаимодействия сульфата меди с цинком на поверхности цинка осаждается медь, образуя микрогальванопару, благодаря чему выделение водорода значительно ускоряется.

Полученный водород не бывает достаточно чистым, содержит небольшое количество примесей: пары воды, углеводороды (из углерода, находящегося в цинке), следы сернистого и углекислого газа, водородные соединения фосфора, мышьяка, серы (из включений в цинке), а также следы воздуха.

Для окисления различных водородных соединений (сероводорода, мышьяковистых соединений и др.) и сернистого газа водород пропускают через 2-3 промывалки с концентрированным щелочным раствором перманганата калия. Удобнее и эффективнее для очистки (из-за большей поверхности) применять колонки, наполненные битым стеклом или стеклянными бусами, смоченными соответствующим раствором.

После очистки водород осушают. Сначала его пропускают через промывалку с концентрированной серной кислотой, которая в то же время служит счетчиком пузырьков. Для более тщательной осушки водород пропускают последовательно через осушительные колонки с обезвоженным хлористым кальцием, едким кали и фосфорным ангидридом. Чтобы водород мог свободно проходить через колонки, их не следует набивать слишком плотно. Для наполнения колонок фосфорным ангидридом нужно истолочь стекло или мелко нарезать узкие стеклянные трубки на кусочки диаметром и длиной в 3-4 мм, быстро перемешать их в фарфоровой чашке с сухим фосфорным ангидридом и пересыпать эту смесь в колонку. Необходимо учесть, что осушители по мере поглощения ими влаги постепенно теряют свою активность. Для окончательного осушения водород можно пропустить через расплавленный натрий.

Столь тщательная очистка и осушка водорода требуется не всегда. Так, при получении металлов из оксидов достаточно очистить водород от примесей водородных соединений фосфора, мышьяка, серы путем пропускания его через одну промывалку с раствором окислителя и осушить с помощью концентрированной серной кислоты (рис. 2). Получение же гидридов металлов, напротив, требует очень тщательной очистки и осушки водорода.