王 新 唐亞文

（1江蘇經(jīng)貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院江蘇南京210007;2南京師范大學(xué)化學(xué)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院江蘇南京210097）

“氫氣的制備”實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容探討

王 新1唐亞文2，*

（1江蘇經(jīng)貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院江蘇南京210007;2南京師范大學(xué)化學(xué)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院江蘇南京210097）

目前，實(shí)驗(yàn)室制取氫氣仍沿用16世紀(jì)人們發(fā)現(xiàn)氫氣的方法——稀硫酸和某些金屬反應(yīng)。鎂、鋅、鐵等金屬都能跟酸反應(yīng)生成氫氣。但由于鎂與酸反應(yīng)太快，鐵與酸反應(yīng)又太慢，而鋅與酸反應(yīng)速率正適合實(shí)驗(yàn)室條件下制取氫氣。另外一方面，因?yàn)辂}酸有揮發(fā)性，生成的氫氣易混入氯化氫氣體而不純凈，因此，實(shí)驗(yàn)室制取氫氣多是選用鋅和稀硫酸反應(yīng)。當(dāng)需要較大量的氫氣時(shí)，一般選用啟普發(fā)生器。該實(shí)驗(yàn)?zāi)壳耙呀?jīng)成為無機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)中非常經(jīng)典的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)。然而在實(shí)際教學(xué)過程中，我們發(fā)現(xiàn)仍然有許多同學(xué)，甚至部分教師對該實(shí)驗(yàn)內(nèi)容仍然不熟悉。

大家都知道，純鋅和稀硫酸反應(yīng)很慢，因此需要滴入少量硫酸銅溶液，從而加快反應(yīng)速度。然而，為什么滴加硫酸銅溶液后反應(yīng)速度加快，卻很少有同學(xué)了解其中的化學(xué)原理。許多同學(xué)僅僅停留在反應(yīng)開始時(shí)，因?yàn)闆]有H2，所以反應(yīng)較快，有H2產(chǎn)生后，由于H2濃度的影響，抑制了反應(yīng)，速率變慢，滴入硫酸銅溶液后，形成了Cu-Zn原電池，所以反應(yīng)加快。筆者認(rèn)為，這樣的解釋不夠全面。實(shí)際上引起上述實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的原因主要是熱力學(xué)因素引起。從標(biāo)準(zhǔn)電極電勢看：

Zn+H2SO4=ZnSO4+H2

反應(yīng)可以分解成兩個(gè)半電池：

電池負(fù)極Zn2++2e-→Zn Eθ=-0.76V

電池正極2H++2e-→H2Eθ=0 V

整個(gè)電池的電壓為0.76V，似乎反應(yīng)應(yīng)該非常迅速。但實(shí)際上，由于氫氣在鋅粒表面的吸附，導(dǎo)致鋅粒很難繼續(xù)反應(yīng)，因此氫氣生成速度很慢。加入少量硫酸銅后，鋅置換出銅。氫氣在銅的表面析出，使得電池的負(fù)極——鋅能夠不斷的與硫酸反應(yīng)，反應(yīng)速度加快。但問題是，為什么氫氣在銅的表面容易析出，而在鋅粒的表面很難?這涉及到了一個(gè)熱力學(xué)問題——超電勢。實(shí)際上，氫氣在鋅上析出的超電勢為0.70 V，使氫鋅電池電動勢很快降為0.06 V，反應(yīng)趨勢變小，故反應(yīng)速率減慢。而氫在銅上析出的超電勢較小，只有0.20 V，故使原電池的電動勢變?yōu)?.56 V，因而反應(yīng)速度加快。

利用氫在銅表面超電勢較低，從而構(gòu)成鋅銅原電池的原理雖然可以加快反應(yīng)速度，但同時(shí)又存在著其他方面的問題，即：當(dāng)利用6mol/L的H2SO4溶液與鋅粒反應(yīng)制備氫氣時(shí)，氫氣生成的速度過快，從而導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)后期氫氣量明顯不足，同時(shí)實(shí)驗(yàn)過程中也經(jīng)常出現(xiàn)回火現(xiàn)象，甚至出現(xiàn)爆炸情況。這表明，該反應(yīng)過程當(dāng)中仍然存在不合理的地方。因此，我們進(jìn)一步研究了硫酸濃度與氫氣生成速度以及硫酸利用率之間的關(guān)系。

圖1 氫氣的發(fā)生速率與時(shí)間關(guān)系

圖1為不同硫酸濃度下，氫氣的生成速率與時(shí)間的關(guān)系曲線。圖1顯示，所有濃度的硫酸與鋅粒反應(yīng)生成氫氣的速率隨反應(yīng)時(shí)間的延長逐漸增大，當(dāng)達(dá)到一個(gè)最大值后又開始緩慢降低，當(dāng)反應(yīng)30min后，不同濃度的硫酸與鋅粒反應(yīng)生成氫氣的速率基本上沒有差異。在反應(yīng)體系中，影響氫氣的生成速率的因素主要有兩方面：1.隨著反應(yīng)的進(jìn)行，鋅粒不斷溶解，比表面積增大，與硫酸的接觸面積增加，從而導(dǎo)致反應(yīng)速度加快。2.隨著反應(yīng)的進(jìn)行，硫酸濃度不斷降低，從而又導(dǎo)致氫氣的生成速率減小。從圖1還可以觀察到，6mol/LH2SO4與鋅粒反應(yīng)3min后，氫氣的生成速率達(dá)到最大值，然后迅速降低，這進(jìn)一步表明教材中利用6mol/LH2SO4與鋅粒反應(yīng)制備氫氣的實(shí)驗(yàn)方案是不可行的。而3mol/L硫酸與鋅粒反應(yīng)生成氫氣的速度一直維持在一個(gè)較高值，氫氣的生成速度明顯較快。

表1為體積相同（450mL），不同濃度H2SO4與鋅粒反應(yīng)下制備得到的氫氣體積以及H2SO4的利用率。從表1中可以看出，450mL 6mol/L的H2SO4溶液理論上應(yīng)該制備得到60.48 L氫氣，而實(shí)際制備得到的氫氣為23.35 L，硫酸的利用率僅僅38.6%，絕大部分的硫酸被浪費(fèi)。這是與產(chǎn)物硫酸鋅的溶解度有關(guān)。當(dāng)硫酸鋅達(dá)到飽和后，反應(yīng)很難繼續(xù)進(jìn)行，因此硫酸的利用率降低。表1還顯示，隨著硫酸濃度的降低，硫酸的利用率逐漸增加。當(dāng)硫酸濃度為1mol/L，硫酸的利用率達(dá)到97.2%，但產(chǎn)生的氫氣絕對量卻明顯減少。綜合考慮到氫氣的制備速度與制備量，我們認(rèn)為實(shí)驗(yàn)室制備氫氣的H2SO4濃度以3mol/L為宜。

表1 450mL不同濃度H2SO4溶液與鋅粒反應(yīng)制備得到的氫氣量以及H2SO4的利用率

［1］北京師范大學(xué)、華中師范大學(xué)、南京師范大學(xué)、東北師范大學(xué)無機(jī)化學(xué)教研室.無機(jī)化學(xué)［M］.北京：高等教育出版社，2001：74～76

［2］陳恕華.不宜用熱力學(xué)原理解釋反應(yīng)速率問題―兼談鋅與稀硫酸溶液的反應(yīng)［J］.化學(xué)教學(xué)，2001，（3）

［3］王春濤.超電勢在中學(xué)化學(xué)中的應(yīng)用［J］.中學(xué)化學(xué)教學(xué)參考，2000，（6）：6～7

1008-0546（2010）05-0073-02

G632.41

B

10.3969/j.issn.1008-0546.2010.05.029

*南京師范大學(xué)校級本科教學(xué)質(zhì)量工程建設(shè)資助項(xiàng)目