Przeczytaj

W laboratorium wodór można otrzymać na kilka sposobów.

bg‑pink

Reakcje chemiczne metali aktywnych z wodą

Wszystkie metale $1 .$ grupy układu okresowego (litowce) reagują z wodą roztwarzając się, w wyniku czego powstają wodorotlenki metali i wodór. Przykładowo sód reaguje z wodą, zgodnie z równaniem reakcji:

forma cząsteczkowa:

2 Na + 2 H_{2} O \to 2 NaOH + H_{2} ↑

forma jonowa:

2 Na + 2 H_{2} O \to 2 {Na}^{+} + 2 {OH}^{-} + H_{2} ↑

Metale $2 .$ grupy układu okresowego (berylowce) również reagują z wodą (beryl może reagować z wodą dopiero w specyficznych warunkach, w bardzo wysokich temperaturach) roztwarzając się, w wyniku czego powstają, podobnie jak w przypadku metali $1 .$ grupy, odpowiednie wodorotlenki i wodór. Przykładowo wapń reaguje z wodą, zgodnie z równaniem reakcji:

forma cząsteczkowa:

Ca + 2 H_{2} O \to Ca (OH)_{2} + H_{2} ↑

forma jonowa:

Ca + 2 H_{2} O \to {Ca}^{2 +} + 2 {OH}^{-} + H_{2} ↑

Magnez jest berylowcem, który z zimną wodą reaguje bardzo powoli, jednak reakcja przyspiesza zdecydowanie po ogrzaniu układu. Reakcja przebiega wówczas zgodnie z równaniem:

forma cząsteczkowa:

Mg + 2 H_{2} O \overset{ogrzewanie}{\to} Mg {(OH)}_{2} + H_{2} ↑

forma jonowa:

Mg + 2 H_{2} O \overset{ogrzewanie}{\to} {Mg}^{2 +} + 2 {OH}^{-} + H_{2} ↑

Oba uzyskane w reakcjach wodorotlenki – wodorotlenek wapnia i wodorotlenek magnezu, są trudno rozpuszczalne w wodzie. Tylko początkowo w reakcji obserwuje się powstawanie klarownych, bezbarwnych roztworów. Po przekroczeniu wartości iloczynów rozpuszczalności ( $K_{SO, Ca {(OH)}_{2}} = 5,02 \cdot 10^{- 6}$ i $K_{SO, Mg {(OH)}_{2}} = 5,61 \cdot 10^{- 12}$ ) zaczynają wytrącać się osady wodorotlenków wapnia i magnezu.

Większość innych metali aktywnych nie reaguje z wodą zimną lub podgrzaną do kilkudziesięciu stopni, ponieważ na powietrzu pokrywają się one warstewką własnego tlenku (ulegają pasywacji), która izoluje je od środowiska zewnętrznego i uniemożliwia reakcję z wodą. Reakcje niektórych z tych metali z wodą mogą jednak zachodzić po ich wprowadzeniu do gorącej pary wodnej (o temperaturze kilkuset stopni Celsjusza). Przykładowo żelazo metaliczne może reagować z parą wodną podgrzaną do temperatury ponad $200 ° C$ . Warstwa tlenkowa pojawia się także na powierzchni litowców czy berylowców. Jednak w tym przypadku tlenki te są na tyle aktywne chemicznie, że reagują z wodą, tworząc wodorotlenki, więc sama warstwa tlenku nie jest tutaj ochroną dla metalu.

**Potencjały standardowe $ε_{0}$ metali**
Elektroda	$ε_{0} [V]$	Elektroda	$ε_{0} [V]$
$Li / {Li}^{+}$	$- 3,04$	$Co / {Co}^{2 +}$	$- 0,26$
$K / K^{+}$	$- 2,92$	$Ni / {Ni}^{2 +}$	$- 0,25$
$Ba / {Ba}^{2 +}$	$- 2,91$	$Sn / {Sn}^{2 +}$	$- 0,14$
$Ca / {Ca}^{2 +}$	$- 2,76$	$Pb / {Pb}^{2 +}$	$- 0,13$
$Na / {Na}^{+}$	$- 2,71$	$Fe / {Fe}^{3 +}$	$- 0,04$
$Mg / {Mg}^{2 +}$	$- 2,36$	$H_{2} / 2 H_{3} O^{+}$	$0,00$
$Al / {Al}^{3 +}$	$- 1,70$	$Cu / {Cu}^{2 +}$	$+ 0,34$
$Mn / {Mn}^{2 +}$	$- 1,18$	$Ag / {Ag}^{+}$	$+ 0,80$
$Zn / {Zn}^{2 +}$	$- 0,76$	$Hg / {Hg}^{2 +}$	$+ 0,85$
$Cr / {Cr}^{3 +}$	$- 0,74$	$Pt / {Pt}^{2 +}$	$+ 1,19$
$Fe / {Fe}^{2 +}$	$- 0,44$	$Au / {Au}^{3 +}$	$+ 1,50$

bg‑pink

Reakcje metali z kwasami nieutleniającymi

Metale posiadające ujemny potencjał oksydacyjno–redukcyjny reagują z kwasami nieutleniającymi (np. kwasem chlorowodorowym i kwasem siarkowym( $VI$ ) rozcieńczonym), w wyniku czego powstają odpowiednie sole i wodór. Przykładowo cynk reaguje z kwasem chlorowodorowym (solnym), zgodnie z równaniem reakcji:

forma cząsteczkowa:

Zn + 2 HCl \to {ZnCl}_{2} + H_{2} ↑

forma jonowa skrócona:

Zn + 2 H_{3} O^{+} \to {Zn}^{2 +} + H_{2} ↑ + 2 H_{2} O

Cynk reaguje także z rozcieńczonym kwasem siarkowym( $VI$ ), zgodnie z równaniem reakcji:

forma cząsteczkowa:

Zn + H_{2} {SO}_{4} \to {ZnSO}_{4} + H_{2} ↑

forma jonowa skrócona:

Zn + 2 H_{3} O^{+} \to {Zn}^{2 +} + H_{2} ↑ + 2 H_{2} O

RutNAUyx2ggMT1

bg‑pink

Reakcje chemiczne glinu i cynku z mocnymi zasadami

Cynk reaguje z wodorotlenkiem sodu, w wyniku czego powstaje tetrahydroksocynkan sodu oraz wydziela się wodór. Równanie opisanej reakcji ma postać:

forma cząsteczkowa:

Zn + 2 NaOH + 2 H_{2} O \to {Na}_{2} [Zn {(OH)}_{4}] + H_{2} ↑

forma jonowa skrócona:

Zn + 2 {OH}^{-} + 2 H_{2} O \to {[Zn {(OH)}_{4}]}^{2 -} + H_{2} ↑

Glin reaguje z wodorotlenkiem sodu, w wyniku czego może powstać tetrahydroksoglinian sodu lub heksahydroksoglinian sodu oraz wydziela się wodór. Równanie reakcji powstania tetrahydroksoglinianu sodu:

forma cząsteczkowa:

2 Al + 2 NaOH + 6 H_{2} O \to 2 Na [Al {(OH)}_{4}] + 3 H_{2} ↑

forma jonowa skrócona:

2 Al + 2 {OH}^{-} + 6 H_{2} O \to 2 {[Al {(OH)}_{4}]}^{-} + 3 H_{2} ↑

Równanie reakcji powstania heksahydroksoglinianu sodu:

forma cząsteczkowa:

2 Al + 6 NaOH + 6 H_{2} O \to 2 {Na}_{3} [Al {(OH)}_{6}] + 3 H_{2} ↑

forma jonowa skrócona:

2 Al +6 {OH}^{-} + 6 H_{2} O \to 2 {[Al (OH)_{6}]}^{3 -} + 3 H_{2} ↑

bg‑pink

Reakcje chemiczne wodorków metali $1 .$ i $2 .$ grupy układu okresowego z wodą

Wodorki metali $1 .$ i $2 .$ grupy układu okresowego (wodorki litowców i berylowców), w wyniku reakcji z wodą tworzą odpowiednie wodorotlenki i wodór. Przykładowo wodorek sodu reaguje z wodą, zgodnie z równaniem reakcji:

forma cząsteczkowa:

NaH + H_{2} O \to NaOH + H_{2} ↑

forma jonowa:

NaH + H_{2} O \to {Na}^{+} + {OH}^{-} + H_{2} ↑

Wodorek baru także reaguje z wodą, zgodnie z równaniem reakcji:

forma cząsteczkowa:

{BaH}_{2} + 2 H_{2} O \to Ba {(OH)}_{2} + 2 H_{2} ↑

forma jonowa:

{BaH}_{2} + 2 H_{2} O \to {Ba}^{2 +} + 2 {OH}^{-} + 2 H_{2} ↑

bg‑pink

Elektroliza

W laboratorium wodór można otrzymać również w wyniku elektrolizyelektrolizaelektrolizy wody na elektrodach platynowych. Wodór wydziela się na katodzie w wyniku redukcji wody:

2 H_{2} O + 2 e^{-} \to H_{2} + 2 {OH}^{-} | \cdot 2

Na anodzie powstaje tlen w wyniku utleniania wody:

6 H_{2} O \to O_{2} + 4 H_{3} O^{+} + 4 e^{-}

Sumaryczne równanie:

2 H_{2} O \to 2 H_{2} + O_{2}

Jeśli elektrolizer będzie odpowiednio skonstruowany, tak aby produkt katodowy nie mieszał się z anodowym, istnieje możliwość otrzymywania wodoru o wysokiej czystości. Cel ten udało się osiągnąć w aparacie Hofmannaaparat Hofmannaaparacie Hofmanna, czyli aparacie do elektrolizy wody.

RdoBq2xM0zjej

Ilustracja przedstawiająca aparat Hofmanna zbudowany z naczynia składającego się z dwóch zamkniętych, podłużnych, pionowych, szklanych rurek zanurzonych w naczyniu z wodą. Z prawej strony przy prawej pionowej rurce u dołu znajduje się anoda oznaczona plusem, zaś przy lewej katoda oznaczona minusem. Poziom wody w prawej rurce jest wyżej niż w lewej rurce. W wyniku zamknięcia układu i przyłożenia napięcia zachodzi elektroliza wody. Na katodzie proces redukcji, którego produktem jest cząsteczkowy wodór. Na anodzie proces utlenienia, którego produktem jest cząsteczkowy tlen. — Schemat przedstawia aparat Hofmanna, służący do elektrolizy wody.
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

W środkowym cylindrze znajduje się woda i substancja zwiększająca przewodnictwoprzewodnictwoprzewodnictwo (np. kwas siarkowy( $VI$ ) lub siarczan( $VI$ ) sodu). Do źródła prądu podłączone są dwie elektrody platynowe. Po podłączeniu napięcia do aparatu, na anodzie powstaje tlen, natomiast na katodzie – wodór. Otrzymywane gazy zbierane są na szczytach cylindrów poprzez wypieranie wody.

bg‑pink

Skala przemysłowa

W przemyśle wodór otrzymuje się głównie za pomocą konwersjikonwersjakonwersji węglowodorów z parą wodną. Źródłem węglowodorów najczęściej jest gaz ziemny, a jego główny składnik to metan. Po zmieszaniu metanu z parą wodną, w temperaturze 1025 K i pod wpływem katalizatora niklowego, zachodzą reakcje, które można opisać za pomocą poniższych równań:

{CH}_{4} + H_{2} O \overset{katalizator, ogrzewanie}{\to} CO + 3 H_{2} ↑

{CH}_{4} + 2 H_{2} O \overset{katalizator, ogrzewanie}{\to} {CO}_{2} + 4 H_{2} ↑

CO + H_{2} O \overset{katalizator, ogrzewanie}{\to} {CO}_{2} + H_{2} ↑

Dawniej bardzo często wodór otrzymywano poprzez wprowadzenie pary wodnej na rozżarzony koks w temperaturze $1500 K$ , w wyniku czego zachodziła reakcja:

C + H_{2} O \overset{ogrzewanie}{\to} CO + H_{2} ↑

Powstająca w powyższych reakcjach mieszanina tlenku węgla( $II$ ) i wodoru nazywana jest gazem wodnym (syntezowym). Jest to paliwo posiadające wysoką wartość opałowąwartość opałowawartość opałową, używane do ogrzewania instalacji przemysłowych.

Wodór w laboratorium należy zbierać w probówce obróconej dnem do góry, ponieważ jako gaz lekki, o małej gęstości (w $273 K$ gęstość wodoru wynosi $90 \frac{g}{m^{3}}$ ), mniejszej od powietrza $(1,29 \frac{kg}{m^{3}})$ , będzie szybko unosić się. Wodór, zależnie od potrzeby, może być zbierany również w probówce wypełnionej wodą, odwróconej do góry dnem i umieszczonej w naczyniu z wodą. Wodór jest bowiem gazem, który bardzo słabo rozpuszcza się w wodzie. Jest także bezbarwny, bezwonny i palny.

R10j0V4X12AO5

Ilustracja przedstawiająca dwa zestawy służące do zbierania gazowego wodoru. Pierwszy stanowi odwrócona do góry dnem probówka z doprowadzonym do jej wnętrza wężykiem. Drugi zestaw składa się ze szklanej probówki również odwróconej do góry dnem, do połowy wypełnionej cieczą oraz zanurzoną w cieczy wypełniającej krystalizator. Do wnętrza probówki także doprowadzony jest węży, którym do probówki przepływa gazowy wodór. — Metody zbierania gazowego wodoru
Źródło: GroMar Sp. z o. o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Słownik

elektroliza

(gr. ḗlektron „bursztyn”, lýsis „rozłożenie”) – podstawowy proces elektrochemiczny polegający na chemicznej przemianie składników elektrolitu (a często i materiału elektrod), przebiegającej na elektrodach pod wpływem przepływu prądu elektrycznego

aparat Hofmanna

(eudiometr Hofmanna) – aparat służący do przeprowadzenia elektrolizy wody, który został wynaleziony w $1866$ roku przez Augusta Wilhelma von Hofmanna

przewodnictwo

zjawisko przepływu prądu elektrycznego przez ośrodek pod wpływem zewnętrznego pola elektrycznego

konwersja

(łac. conversio „odwrócenie”) określenie przemian chemicznych prowadzonych, np. w celu otrzymania gazu syntezowego, który powstaje w wyniku konwersji lekkich węglowodorów z parą wodną; znana jest także konwersja tlenku węgla( $II$ ) z parą wodną

wartość opałowa

stosunek ciepła uzyskanego ze spalenia paliwa do masy lub objętości tego paliwa

gaz syntezowy

mieszanina gazów, głównie wodoru ( $H_{2}$ ) i tlenku węgla( $II$ ) ( $CO$ ), stosowana do syntez związków organicznych

Bibliografia

Bielański A., Podstawy chemii nieorganicznej 2, Warszawa 2013.

Litwin M., Styka–Wlazło Sz., Szymońska J., To jest chemia 1, Warszawa 2015.

Encyklopedia PWN

Wprowadzenie

Wirtualne laboratorium – I

Reakcje chemiczne metali aktywnych z wodą

Reakcje metali z kwasami nieutleniającymi

Reakcje chemiczne glinu i cynku z mocnymi zasadami

Reakcje chemiczne wodorków metali $1 .$ i $2 .$ grupy układu okresowego z wodą

Elektroliza

Skala przemysłowa

Słownik

Bibliografia

Wprowadzenie

Wirtualne laboratorium – I

Przeczytaj

Reakcje chemiczne metali aktywnych z wodą

Reakcje metali z kwasami nieutleniającymi

Reakcje chemiczne glinu i cynku z mocnymi zasadami

Reakcje chemiczne wodorków metali 1. i 2. grupy układu okresowego z wodą

Elektroliza

Skala przemysłowa

Słownik

Bibliografia

Reakcje chemiczne wodorków metali $1 .$ i $2 .$ grupy układu okresowego z wodą