“氢气的制备”实验教学内容探讨

2010-04-20唐亚文

化学教与学 2010年5期

关键词：反应速度氢气硫酸

王新唐亚文

（1江苏经贸职业技术学院江苏南京210007;2南京师范大学化学与环境科学学院江苏南京210097）

“氢气的制备”实验教学内容探讨

王新1唐亚文2，*

（1江苏经贸职业技术学院江苏南京210007;2南京师范大学化学与环境科学学院江苏南京210097）

目前，实验室制取氢气仍沿用16世纪人们发现氢气的方法——稀硫酸和某些金属反应。镁、锌、铁等金属都能跟酸反应生成氢气。但由于镁与酸反应太快，铁与酸反应又太慢，而锌与酸反应速率正适合实验室条件下制取氢气。另外一方面，因为盐酸有挥发性，生成的氢气易混入氯化氢气体而不纯净，因此，实验室制取氢气多是选用锌和稀硫酸反应。当需要较大量的氢气时，一般选用启普发生器。该实验目前已经成为无机化学实验中非常经典的基础实验。然而在实际教学过程中，我们发现仍然有许多同学，甚至部分教师对该实验内容仍然不熟悉。

大家都知道，纯锌和稀硫酸反应很慢，因此需要滴入少量硫酸铜溶液，从而加快反应速度。然而，为什么滴加硫酸铜溶液后反应速度加快，却很少有同学了解其中的化学原理。许多同学仅仅停留在反应开始时，因为没有H2，所以反应较快，有H2产生后，由于H2浓度的影响，抑制了反应，速率变慢，滴入硫酸铜溶液后，形成了Cu-Zn原电池，所以反应加快。笔者认为，这样的解释不够全面。实际上引起上述实验现象的原因主要是热力学因素引起。从标准电极电势看：

Zn+H2SO4=ZnSO4+H2

反应可以分解成两个半电池：

电池负极Zn2++2e-→Zn Eθ=-0.76V

电池正极2H++2e-→H2Eθ=0 V

整个电池的电压为0.76V，似乎反应应该非常迅速。但实际上，由于氢气在锌粒表面的吸附，导致锌粒很难继续反应，因此氢气生成速度很慢。加入少量硫酸铜后，锌置换出铜。氢气在铜的表面析出，使得电池的负极——锌能够不断的与硫酸反应，反应速度加快。但问题是，为什么氢气在铜的表面容易析出，而在锌粒的表面很难?这涉及到了一个热力学问题——超电势。实际上，氢气在锌上析出的超电势为0.70 V，使氢锌电池电动势很快降为0.06 V，反应趋势变小，故反应速率减慢。而氢在铜上析出的超电势较小，只有0.20 V，故使原电池的电动势变为0.56 V，因而反应速度加快。

利用氢在铜表面超电势较低，从而构成锌铜原电池的原理虽然可以加快反应速度，但同时又存在着其他方面的问题，即：当利用6mol/L的H2SO4溶液与锌粒反应制备氢气时，氢气生成的速度过快，从而导致实验后期氢气量明显不足，同时实验过程中也经常出现回火现象，甚至出现爆炸情况。这表明，该反应过程当中仍然存在不合理的地方。因此，我们进一步研究了硫酸浓度与氢气生成速度以及硫酸利用率之间的关系。

图1 氢气的发生速率与时间关系

图1为不同硫酸浓度下，氢气的生成速率与时间的关系曲线。图1显示，所有浓度的硫酸与锌粒反应生成氢气的速率随反应时间的延长逐渐增大，当达到一个最大值后又开始缓慢降低，当反应30min后，不同浓度的硫酸与锌粒反应生成氢气的速率基本上没有差异。在反应体系中，影响氢气的生成速率的因素主要有两方面：1.随着反应的进行，锌粒不断溶解，比表面积增大，与硫酸的接触面积增加，从而导致反应速度加快。2.随着反应的进行，硫酸浓度不断降低，从而又导致氢气的生成速率减小。从图1还可以观察到，6mol/LH2SO4与锌粒反应3min后，氢气的生成速率达到最大值，然后迅速降低，这进一步表明教材中利用6mol/LH2SO4与锌粒反应制备氢气的实验方案是不可行的。而3mol/L硫酸与锌粒反应生成氢气的速度一直维持在一个较高值，氢气的生成速度明显较快。

表1为体积相同（450mL），不同浓度H2SO4与锌粒反应下制备得到的氢气体积以及H2SO4的利用率。从表1中可以看出，450mL 6mol/L的H2SO4溶液理论上应该制备得到60.48 L氢气，而实际制备得到的氢气为23.35 L，硫酸的利用率仅仅38.6%，绝大部分的硫酸被浪费。这是与产物硫酸锌的溶解度有关。当硫酸锌达到饱和后，反应很难继续进行，因此硫酸的利用率降低。表1还显示，随着硫酸浓度的降低，硫酸的利用率逐渐增加。当硫酸浓度为1mol/L，硫酸的利用率达到97.2%，但产生的氢气绝对量却明显减少。综合考虑到氢气的制备速度与制备量，我们认为实验室制备氢气的H2SO4浓度以3mol/L为宜。