Важнейшие методы получения водорода

1. Растворение цинка в разбавленной соляной кислоте:

Zn + 2 HCl = ZnCl₂ + H₂­.

Этот способ чаще всего применяют в лабораториях. Вместо соляной кислоты можно также использовать разбавленную серную кислоту; однако если концентрация последней слишком высока, то выделяющийся газ легко загрязняется SO₂ и H₂S. При использовании не вполне чистого цинка образуются ещё и другие соединения, загрязняющие водород, например AsH₃ и PH₃. Их присутствие и обусловливает неприятный запах, получаемого этим способом водорода.

Для очистки водород пропускают через подкисленный раствор перманганата или бихромата калия, а затем через раствор едкого кали, а также через концентрированную серную кислоту или через слой силикагеля для освобождения от влаги. Мельчайшие капельки жидкости, захваченные водородом при его получении и заключённые в пузырьках газа, лучше всего устранять при помощи фильтра из плотно спрессованной обычной или стеклянной ваты.

Если приходится пользоваться чистым цинком, то к кислоте необходимо добавить две капли H₂PtCl₆ или сульфата меди, иначе цинк не вступает в реакцию.

Рис. 6.1. Аппарат Киппа.

Реакцию проводят в аппарате Киппа (рис. 6.1). В средний шар загру­жают гранулированный цинк, а верхний при закрытом кране запол­няют раствором кислоты. В работающем аппарате кислота из верхнего шара опускается в нижнюю емкость, откуда попадает в средний шар, где реагирует с цинком. Реакция при открытом кране продолжается до полного растворения цинка. Если кран закрыть, водород из сред­него шара не выходит и вытесняет из него кислоту в нижнюю емкость, откуда избыток ее переходит в верхний шар. Реакция прекращается. Как только кран открывают, кислота снова контактирует с цинком, образуется водород.

2. Растворение алюминия или кремния в едкой щёлочи:

2 Al + 2 NaOH + 6 H₂O = 2 Na[Al(OH)₄] + 3 H₂­,

Si + 2 KOH + H₂O = К₂SiO₃ + 2 H₂­.

Эти реакции применяли раньше для получения водорода в полевых условиях (для наполнения аэростатов). Для получения 1 м³ водорода (при 0 °С и 760 мм рт. ст.) требуется около 0,81 кг алюминия или 0,63 кг кремния по сравнению с 2,9 кг цинка или 2,5 кг железа.

Вместо кремния также применяют сплав кремния с железом — ферросилиций (кремниевый метод). Смесь ферросилиция и раствора едкого натра, введённая в употребление незадолго до первой мировой войны во французской армии под названием гидрогенита, обладает свойством после поджигания тлеть с энергичным выделением водорода по следующей реакции:

Si + Ca(OH)₂ + 2 NaOH = Na₂SiO₃ + CaO + 2 H₂­.

3. Действие натрия на воду:

2 Na + 2 H₂O = 2 NaOH + H₂­.

Ввиду того, что чистый натрий реагирует в этом случае слишком энергично, его чаще вводят в реакцию в виде амальгамы натрия (сплава натрия с ртутью); этот способ применяют преимущественно для получения водорода, когда им пользуются для восстановления в момент выделения “in statu nascendi”. Аналогично натрию с водой реагируют и остальные щелочные и щелочноземельные металлы.

4. Действие гидрида кальция на воду:

СaН₂ + 2 H₂O = Ca(OH)₂ + 2 H₂­.

Этот метод является удобным способом получения водорода в полевых условиях. Для получения 1 м³ водорода теоретически необходимо 0,94 кг СаН₂ и, кроме воды, не требуется никаких других реактивов.

5. Пропускание водяного пара над раскалённым докрасна железом:

4 Н₂О + 3 Fe = Fe₃O₄ + 4 H₂­.

При помощи этой реакции в 1783 г. Лавуазье впервые аналитически доказал состав воды. Образующийся при этой реакции оксид железа нетрудно восстановить до металлического железа, пропуская над ним генераторный газ (смесь CO и N₂) так, что пропускание водяного пара над одним и тем же железом можно провести произвольное число раз. Этот метод долгое время имел большое промышленное значение. В небольших масштабах его применяют и в настоящее время.