在所有燃料中,氫氣是對環境最友好的。氫氣燃燒只生成水,而且產熱量很高。在通常狀況下,氫氣是無色無味的氣體,難溶於水。在101kPa和-252°C時,氫氣能液化為無色液體,在-259°C時,能變成雪狀固體。在標準狀況下,氫氣的密度是0.0899g/L,大約是相同條件下空氣密度的1/14,是最輕的氣體。利用這一性質,人們用氫氣充灌五顏六色的氣球,讓氣球飄在空中,用以增加慶典的喜色。
【實驗18-2】
1.按圖18-7做好準備。控制壓閥使輸液管關閉,往輸液管壺部吸入一些水。在50mL的多功能反應儀中,加入一些小的鋅粒(可從廢鋅錳乾電池中獲得),排出空氣後,密封反應儀,將反應儀固定在鐵架臺上。反應儀的高度是將活塞下拉至50mL刻度時,後端剛好抵在鐵板上。向反應儀內注入幾毫升稀硫酸(硫酸的水溶液,無色,溶質是H2SO4),觀察現象。
2.當生成約20mL氣體後,打開壓閥,向輸液管末端針管口點火,觀察現象。
3.用一隻大一些的玻璃杯倒扣在火焰上,觀察一會兒,倒轉玻璃杯向杯內迅速加少量澄清石灰水,搖蕩,觀察現象。
圖18-7 實驗18-2的裝置
在操作1中,當向反應儀內注入稀硫酸後,活塞向下移動,說明有氣體生成。生成的氣體就是氫氣。
在操作2中,打開壓閥後,可以看見生成的氣體在輸液管壺部的水中形成上升的氣泡。從氣泡上升的快慢可以判斷反應速率。生成的氫氣經過水出來。對混有空氣的氫氣,應防止點火引燃反應容器內的混合氣體而發生爆炸。點火後氣體在針尖上方燃燒,發出藍色火焰。
在操作3中,可以觀察到在燒杯內壁有水液。用石灰水檢驗燒杯內的氣體,石灰水不變渾濁。說明氫氣燃燒只生成水。
H2SO4 + Zn ZnSO4 + H2↑
硫酸鋅
(銀白色固體) (白色易溶固體)
2H2 + O2 點燃 2H2O
在操作1中,將反應儀固定在鐵架臺上,使反應儀的高度在活塞下拉至50mL刻度時,活塞後端剛好抵在鐵板上,是為了防止儀器內生成氣體壓力太大時,將活塞壓脫出來。氫氣與空氣的混合物遇火,最可能由於瞬間急劇燃燒而發生爆炸。在慶典場所當你欣賞那些五顏六色飄浮在眼前的氫氣球時,如果用火,一定要遠離氣球。排空反應儀內的空氣,密封后進一步用注射器抽空。
【實驗18-3】
向5mL的微型可燃氣體爆炸演示器的反應儀內投入3粒比芝麻略大的鋅粒,向下拉活塞吸入約3mL空氣,用1mL注射器向反應儀內注入1 ∶ 4的稀硫酸0.2mL,迅速用電點火器的火花塞密封(見圖18-8)。當容器內氣體增至4 ~ 5mL時,點火。隨著點火,「嘣」的一聲,火花塞被爆起。再用火花塞密封反應容器,還可以多次引爆。如果在較暗處,在聽到「嘣」的一聲時,還會看見反應器中火光一閃。
圖18-8 實驗18-3裝置
如果通過注射器注入氣體來控制反應儀內氫氣和空氣的體積比,就會發現,氫氣和空氣的體積比在一定範圍時,點火才會爆炸。實驗測定,空氣中混入氫氣的體積達到總體積的4% ~ 74.2%時,點火就會爆炸。這個範圍叫做氫氣的爆炸極限。其他可燃氣體也都有這樣的爆炸極限。因此我們在點燃各種氣體時,如果僅從防爆角度考慮,不一定要求氣體是百分之百純淨的,但必須要考慮爆炸極限。氫氣有很好的還原性,對有些金屬作熱處理時,為防止金屬在高溫下氧化,常用氫氣作保護氣。
【實驗18-4】
在20mL的多功能反應儀中儲存20mL氫氣備用。將一根略細的銅絲放在無煙火焰上燒一下,離開火焰觀察現象。然後再燒,同時將裝有氫氣的反應儀的口朝下在離火近處打開橡皮塞,將高溫的銅絲迅速伸入反應儀內,直至冷卻,觀察現象。
銅絲在火焰上燒過後在空氣中表面變黑,這是因為在較高溫度下,銅被空氣中的氧氣所氧化。
2Cu+O2 高溫 2CuO
第二次將燒過的銅絲迅速伸入反應儀內,銅絲表面呈光亮的淺紅黃色。
CuO+H2 △ Cu+H2O
氫氣的密度比空氣小得多,口朝上時氫氣很快就會向上逸散了。
注 釋:這個實驗的點火裝置可以按圖18-9製作。壓電電源可以用廢打火機上的,橡皮塞可以用廢青黴素藥瓶的瓶塞,鋼針就用縫衣針。
圖18-9
想一想,在實驗18-4中,裝有氫氣的反應儀為什麼要口朝下打開橡皮塞?
液態氫還是火箭上的高能燃料。不過在用火箭將人造衛星或其他航天物體送入 太空時,由於太空中缺少空氣,火箭在攜帶液氫的同時,還要攜帶液氧。
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