Получение водорода из алюминия и водного раствора щелочи, реактор, простые эксперименты

Лабораторные работы - этакое таинство позволяющее прочувствовать полезность и практичность теории из учебников и тетрадок. Живые опыты производят изрядное впечатление наглядно демонстрируя как интересен и удивителен мир вокруг. Это хороший дополнительный фактор, чтобы заинтриговать наукой юных обормотов. К превеликому сожалению современные школы все более манкируют натурными экспериментами при изучении естественных наук. Демонстрацию фото-видео, презентаций предпочитают возне с пробирками и настоящими реактивами. Это проще и дешевле для школы и преподавателя, однако и меньше вовлекает учеников. И если в школах больших городов еще существуют лаборатории при кабинетах физики и химии, то в школах сельских, дела обстоят из рук вон плохо.

Поскольку спасение утопающих, дело сами-знаете-чьих рук, мы стараемся хоть иногда организовывать для своего ребенка интересные работы в разных областях. Чтобы если не привить любовь к исследованиям, то по крайней мере продемонстрировать. Эта работа была посвящена водороду - его простому получению и выяснению некоторых зрелищных особенностей. Заодно можно коснуться и истории (воздухоплавания - аппараты легче воздуха, Шарльеры).

Итак. Наиболее простым и безопасным способом получения Н2 можно признать сугубо химический - из водного раствора щелочи и алюминия. Реактивы просты и относительно безопасны, водорода выделяется много - даже нетерпеливый вьюнош соскучится не успеет. Попутно мы сделали небольшой настольный (напольный) реактор позволяющий получать достаточно газа и меньше заботиться о безопасности (опрокидывании).

Чтобы не было конфуза, первым делом попробовал сделать эксперимент самостоятельно. Взял несколько алюминиевых обрезков от работы с лампой и залил их раствором щелочи.




Чистой щелочи не нашлось, применил сухой (гранулы) очиститель для труб в состав которого она входит. Надо сказать, что не все химикаты подобного рода работают в нужном качестве, например "Крот" жидкий в бутылке с носиком уточкой, на алюминий никакого впечатления не произвел - в его состав кроме щелочи входит и ингибитор коррозии.

Мой первый эксперимент проходил ни шатко ни валко - реактивы брал на глазок, щелочи положил мало. Шарик на фото образовывался почти за двое суток. Для эксперимента №2 отмерил реактивы на весах, залил избытком воды (реакция экзотермическая, раствор разогревается), алюминий измельчил, применил катализатор - кальцинированную соду. Дело пошло существенно веселее, несколько литров газа получалось за минуты, однако, одноразовая 1.5 л ПЭТ бутылка оказалась не лучшим реактором - разогрев алюминиевой засыпки на дне деформировал и проплавил емкость, она стала протекать.




Тогда было решено сделать реактор из имеющегося 2 л. порошкового огнетушителя в толстом пластиковом корпусе. Основательный корпус вселял надежду на прочность и относительную термостойкость, однако прибор узковысок и неустойчив. Гулять так гулять - мы его снабдили хорошим устойчивым подстаканником. К посильным работам привлекалась и жертва неуемной родительской педагогики.


Итак, что нам понадобилось для изготовления и опытов.

Б/у огнетушитель ОП-2, набор инструментов для столярных работ, ЛКМ, посуда, мелочи. Реактивы - алюминий, щелочь, вода, мыльный раствор.

Подстаканник.

В хороший солнечный денек подобрал подходящие обрезки сосновых досок, в основном попорченные древоточцами, не пригодные для других столярных или плотницких работ. Предварительно прострогал их, опилил в размер и прострогал еще разок до нужной толщины (12...13 мм). При этом удачно удалились все внутренние паршивцы портящие деревяшки, вместе со своими следами ходами. Чудненько.



На пиле маятниковой (торцевой) обрезал заготовки в размер, опилил углы.



Из дефектов на деревяшках осталась большая дырка от выпавшего сухого сучка, ничего, сойдет за люк для контроля температуры (пальцем пробовать корпус реактора), опять же - вентиляция. Зашкуриванием занимался загрустивший от трудностей научной работы ребенок.



В дне подстаканника просверлил ряд отверстий, как в мыльнице, чтобы стекало ежели чего прольется. Заготовки скрепил клеем (столярный ПВА) с некрупными гвоздиками.





Чтобы наш подстаканник не размокал и не пачкался грязными пальцами покрасили его в зеленый цвет засыхающими остатками эмали ПФ-115. Для работ снова был привлечен практикант, уже повеселевший - красить мы любим. Для покраски было выделено рабочее место в проветриваемом дровнике, выданы материалы, доведена техника безопасности. Деревяшки обмели и продули от пыли, для первого слоя краску слегка разбавили растворителем. Перед нанесением слоя второго, первый слегка зашкурили некрупной затертой наждачкой - чтобы удалить встопорщившиеся волокна древесины.



Крышка реактора.

Огнетушитель нам достался со сломанной верхней частью, но все что нужно для запирания емкости было в наличии. Большую накидную металлическую гайку удалось отвернуть зажав ее в слесарных тисках. Внутри обнаружилась соломинка с раструбом на дне (для правильного забора рабочего тела - порошка) и небольшой баллончик для сжатого газа.



Баллончик удалось отвернуть не без труда (фиксатор или герметик на резьбе). Применили разводной ключ и тиски. Соломинку укоротили и привинтили навыворот - снаружи, получился удобный патрубок для наполнения шарика. Для присоединения нетолстого силиконового шланга сделали еще один патрубок, поменьше. Из оставшейся соломинки с раструбом получилась хорошая воронка для наполнения реактора химикатами.




Патрубок для шланга сделали из кусочка сменной ампулы шариковой ручки. Вклеили ее термоклеем. Действовали так - полностью залили отрезок толстого красного патрубка термоклеем с одной стороны, после его застывания, залили и с другой. Чтобы расплавленный клей не выливался с обратной стороны, заткнули ее гладким металлическим (не прилипает клей) цилиндриком походящим по диаметру (гальванический элемент типоразмера ААА). Дали клею полностью остыть и отвердеть и просверлили сквозное отверстие. Получился этакий тройник.

Сборку пластиковых частей сделали с применением силиконового герметика, залили термоклеем и несколько ненужных отверстий в крышке. Осталась только загрузочная горловина с резьбовой пробкой.









Собственно опыты.

Первым делом не худо будет напомнить (объяснить) ребенку что происходит внутри реактора и почему оттуда выходит газ - водород. Дескать, происходит химическая реакция между водой, щелочью и алюминием. Интересно, что алюминий, паче чаяний, метал очень активный (в электрохимическом ряду металлов стоит между магнием и цинком). Он вполне способен самостоятельно вступать в реакцию с водой, но на поверхности Аl очень быстро образуется прочная пленка окисла предохраняющего металл. Щелочь удаляет оксидную пленку, происходит хим.реакция, выделяется водород.

2Al + 2KOH + 6H2O = 2 K[Al(OH)4] + 3H2↑

Мы решили сделать с водородом два простых опыта - наполнять им мыльные пузыри (взлетают вверх - видим что водород легче воздуха) и поджечь мыльную пену наполненную водородом (продемонстрировать горючесть). В обоих случаях нужны мыльные пузыри.

Их мы сделали из непижонского шампуня немного разбавив его водой и добавив капельку глицерина для прочности. Попробовали что получилось, кстати пришлась и соломинка от огнетушителя.




Ничего, все работает, можно приступать.

К толстому патрубку реактора прикрепили ресивер - воздушный шарик. Засыпали алюминиевые гранулы, залили щелочь. Реактивы остались от предыдущих опытов, несколько изношенные, но работали.






Реактор не следует заливать под пробку, около 5 см лучше оставить пустыми иначе в наружу лезет щелочная пена.

Водород - самый легкий из газов, весит он в 14.5 раз легче воздуха. Мыльный пузырь наполняемый водородом, дивным образом взлетает вверх.

Опыт следует проводить в закрытом помещении без сквозняков, вдали от открытого пламени. Некоторое время нужно дать реактору поработать "на помещение" или выпустить на улице первую порцию накопленного газа - водород здесь с примесью воздуха. Иногда на конце соломинки (шланга) скапливается избыток мыльной жидкости, при надувании пузыря она висит капелькой на его дне как корзина аэростата и мешает взлету - после макания в мыльный раствор конец шланга лучше слегка стряхнуть. Следует помнить и о влажности полученного водорода - вместе с газом из реактора увлекается и щелочная взвесь (лопающиеся на поверхности пузырьки водорода) и испаряется вода (реакция экзотермична - раствор щелочи разогревается). Однако легкости даже влажного водорода вполне хватает для всплывания мыльных пузырей. Можно попробовать несколько осушить его, пропуская через простые фильтры.







При надувании пузырей из тонкого шланга, довольно было и тока водорода образующегося при реакции. Регулировали мы его пережимая мягкий шланг в удобном месте. Для выдувания пузырей поосновательней, применили всю ту же соломинку сделав к ней переходник. Водород в этом случае приходилось накапливать в ресивере.




Потренировавшись, пришли к выводу, что лучше всего запускать небольшие, не больше 3...4 см. пузырики, ведут они себя не в пример благонадежнее, поведение их вполне очевидно.

Горение водорода.

Водород горюч и воспламеняется чрезвычайно легко. Смесь водорода с кислородом или воздухом взрывается. Наиболее взрывчата смесь, состоящая из двух объемов водорода и одного кислорода, - гремучий газ. Такая смесь получается естественным образом при электролизе водного раствора (чаще всего щелочи) и весьма опасна в неумелых руках. Сила взрыва гремучего газа велика, скорость горения очень высока (большой риск обратного удара при использовании в горелках). Не следует собирать сколь ни будь значительное количество (наполнять объем) гремучего газа, тем более в стеклянную посуду. По возможности, сосуды для работы с гремучим газом следует делать с избыточной прочностью.

Массовая доля водорода в воздухе, более 18 % уже грозит взрывом. Перед опытами связанными с поджиганием водорода, следует проверить его на чистоту - собрать (способом вытеснения воздуха или воды) в небольшую емкость (обычно это пробирка) водород и поджечь его поднеся к пламени. Чистый водород сгорает относительно спокойно, с легким хлопком. Наличие примеси воздуха приводит к взрыву - это короткий резкий ДАХ! бьющий по ушам. Разница слышна очень хорошо.

В качестве проверки на чистоту мы поджигали небольшой пузырек (мыльный) с водородом.

Основной эксперимент - получение мыльной пены с водородом внутри, поджигание её. Мыльный раствор использовали из предыдущего опыта, накапливали в шарике-ресивере газ, погружали конец шланга в мыльный раствор и открывали кран. Плошку с водородной пеной относили подальше от реактора и поджигали. Удобно использовать зажигалку для газовой плиты с длинным носиком или горящую лучинку. Мы бросали в пену горящую спичку.






Ресивер с водородом мы отсоединили от реактора и презентовали учащемуся для развлечения. Заслужил, молодец.




Бабай Мазай, май, 2020 г.