Vodík

Dílčí témata - úlohy:

• Příprava vodíku reakcí zinku s kyselinou chlorovodíkovou
• Příprava vodíku reakcí zinku s kyselinou sírovou a ověření jeho hořlavosti
• Reakce kovů s kyselinami – sledování rychlosti reakce
• Příprava vodíku reakcí vápníku s vodou
• Příprava vodíku reakcí sodíku s vodou
• Příprava vodíku elektrolýzou vody
• Příprava vodíku elektrolýzou chloridu sodného
• Redukční vlastnosti vodíku
• Vodík je lehčí než vzduch
• Slučování vodíku s kyslíkem
• Výbušná směs vodíku s kyslíkem (Létající plechovka)
• Závislost výbušnosti na složení směsi vodíku s kyslíkem
• Literatura
• Výsledky řešení úkolů

1         Cíl

Seznámit žáky s různými možnostmi přípravy vodíku a s jeho fyzikálními a chemickými vlastnostmi.

2         Obecný úvod k tématu

Vodík je prvek, který má nejjednodušší stavbu svého atomu. Z hlediska výskytu se jedná o nejrozšířenější prvek ve vesmíru a třetí nejrozšířenější na Zemi. Volný se však vyskytuje na Zemi jen nepatrně, hlavně je vázaný ve sloučeninách. Ze všech prvků tvoří nejvíce sloučenin. Nejrozšířenější z nich je voda a uhlovodíky. Protonové číslo vodíku je 1. Atom vodíku obsahuje jen jeden proton, jeden elektron a může obsahovat až dva neutrony. Atomy vodíku se spojují kovalentní vazbou ve dvouatomové molekuly H₂.

K přípravě vodíku lze využít reakcí různých neušlechtilých kovů s kyselinami, hydroxidy nebo vodou. Další možnou přípravou je elektrolýza vody.

Fyzikální vlastnosti:     -nejlehčí prvek (asi 15 x lehčí než vzduch)

                                   - hustota je 0,087 kg/m³

                                   - bezbarvý plyn bez zápachu

- velmi málo rozpustný ve vodě

- t_v =-253 °C

Chemické vlastnosti: - ve směsi s kyslíkem (vzduchem) vybuchuje:2 H₂ + O₂ →  2 H₂O

                                   - slučuje se s mnoha prvky (např. N, S, Cl)

                                   - odevzdáním elektronu vzniká vodíkový kation (je to vlastně proton):

H – e^-  → H⁺, nemůže existovat samostatně, navazuje se na jinou částici

např. :  H₂O+H⁺ → H₃O⁺ ,   NH₃+ H⁺ → NH₄⁺

2.1       Bezpečnost

Při reakcích s vodíkem je třeba dbát zvýšené opatrnosti, zvláště při jeho zapalování.

NIKDY NEZAPALUJEME VODÍK UNIKAJÍCÍ Z VĚTŠÍCH APARATUR.

Při žákovských pokusech i při demonstračních pokusech stačí používat zkumavky.

2.2       Správná technika zkoušky na výbušnost vodíku

Vodík zavádíme zdola až ke dnu zkumavky. Po naplnění ji ucpeme palcem, přiblížíme k plameni a odkryjeme její ústí. Přitom ji stále držíme dnem vzhůru. Plamenem kahanu se zapálí vodík v ústí zkumavky, kde bývá v malé vrstvičce téměř vždy nepatrně smíšen se vzduchem. Proto je zapálení slyšitelné jako malý výbuch. Teprve pak celý obsah zkumavky klidně vyhořívá. Je vidět postup plamene a postupné orosování zkumavky.

Pokud je ve zkumavce třaskavá směs, shoří celý obsah zkumavky prudce a projeví se zvukem podobným štěknutí. Pokud je ve zkumavce tak málo vodíku, že ještě nedosáhl meze výbušnosti, plynná směs se nezapálí. Z důvodu odstranění rizika, že výbušná směs teprve vznikne, opakujeme zkoušku na třaskavost 2-3 krát, vždy s čistou suchou zkumavkou.