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在所有燃料中,氢气是对环境最友好的。氢气燃烧只生成水,而且产热量很高。在通常状况下,氢气是无色无味的气体,难溶于水。在kPa和-°C时,氢气能液化为无色液体,在-°C时,能变成雪状固体。在标准状况下,氢气的密度是0.g/L,大约是相同条件下空气密度的1/14,是最轻的气体。利用这一性质,人们用氢气充灌五颜六色的气球,让气球飘在空中,用以增加庆典的喜色。

1.按图18-7做好准备。控制压阀使输液管关闭,往输液管壶部吸入一些水。在50mL的多功能反应仪中,加入一些小的锌粒(可从废锌锰干电池中获得),排出空气后,密封反应仪,将反应仪固定在铁架台上。反应仪的高度是将活塞下拉至50mL刻度时,后端刚好抵在铁板上。向反应仪内注入几毫升稀硫酸(硫酸的水溶液,无色,溶质是H2SO4),观察现象。

2.当生成约20mL气体后,打开压阀,向输液管末端针管口点火,观察现象。

3.用一只大一些的玻璃杯倒扣在火焰上,观察一会儿,倒转玻璃杯向杯内迅速加少量澄清石灰水,摇荡,观察现象。

图18-7 实验18-2的装置

在操作1中,当向反应仪内注入稀硫酸后,活塞向下移动,说明有气体生成。生成的气体就是氢气。

在操作2中,打开压阀后,可以看见生成的气体在输液管壶部的水中形成上升的气泡。从气泡上升的快慢可以判断反应速率。生成的氢气经过水出来。对混有空气的氢气,应防止点火引燃反应容器内的混合气体而发生爆炸。点火后气体在针尖上方燃烧,发出蓝色火焰。

在操作3中,可以观察到在烧杯内壁有水液。用石灰水检验烧杯内的气体,石灰水不变浑浊。说明氢气燃烧只生成水。

H2SO4  +   Zn      ZnSO4   +  H2↑

硫酸锌

(银白色固体)   (白色易溶固体)

2H2  +  O2  点燃  2H2O

在操作1中,将反应仪固定在铁架台上,使反应仪的高度在活塞下拉至50mL刻度时,活塞后端刚好抵在铁板上,是为了防止仪器内生成气体压力太大时,将活塞压脱出来。氢气与空气的混合物遇火,最可能由于瞬间急剧燃烧而发生爆炸。在庆典场所当你欣赏那些五颜六色飘浮在眼前的氢气球时,如果用火,一定要远离气球。排空反应仪内的空气,密封后进一步用注射器抽空。

向5mL的微型可燃气体爆炸演示器的反应仪内投入3粒比芝麻略大的锌粒,向下拉活塞吸入约3mL空气,用1mL注射器向反应仪内注入1∶4的稀硫酸0.2mL,迅速用电点火器的火花塞密封(见图18-8)。当容器内气体增至4~5mL时,点火。随着点火,“嘣”的一声,火花塞被爆起。再用火花塞密封反应容器,还可以多次引爆。如果在较暗处,在听到“嘣”的一声时,还会看见反应器中火光一闪。

图18-8 实验18-3装置

如果通过注射器注入气体来控制反应仪内氢气和空气的体积比,就会发现,氢气和空气的体积比在一定范围时,点火才会爆炸。实验测定,空气中混入氢气的体积达到总体积的4%~74.2%时,点火就会爆炸。这个范围叫做氢气的爆炸极限。其他可燃气体也都有这样的爆炸极限。因此我们在点燃各种气体时,如果仅从防爆角度考虑,不一定要求气体是百分之百纯净的,但必须要考虑爆炸极限。氢气有很好的还原性,对有些金属作热处理时,为防止金属在高温下氧化,常用氢气作保护气。

在20mL的多功能反应仪中储存20mL氢气备用。将一根略细的铜丝放在无烟火焰上烧一下,离开火焰观察现象。然后再烧,同时将装有氢气的反应仪的口朝下在离火近处打开橡皮塞,将高温的铜丝迅速伸入反应仪内,直至冷却,观察现象。

铜丝在火焰上烧过后在空气中表面变黑,这是因为在较高温度下,铜被空气中的氧气所氧化。

2Cu+O2  高温  2CuO

第二次将烧过的铜丝迅速伸入反应仪内,铜丝表面呈光亮的浅红黄色。

CuO+H2  △  Cu+H2O

氢气的密度比空气小得多,口朝上时氢气很快就会向上逸散了。

注释:这个实验的点火装置可以按图18-9制作。压电电源可以用废打火机上的,橡皮塞可以用废青霉素药瓶的瓶塞,钢针就用缝衣针。

图18-9

想一想,在实验18-4中,装有氢气的反应仪为什么要口朝下打开橡皮塞?

液态氢还是火箭上的高能燃料。不过在用火箭将人造卫星或其他航天物体送入太空时,由于太空中缺少空气,火箭在携带液氢的同时,还要携带液氧。

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