“氫氣的制備”實驗教學內容探討

王 新 唐亞文

（1江蘇經貿職業技術學院江蘇南京210007;2南京師范大學化學與環境科學學院江蘇南京210097）

“氫氣的制備”實驗教學內容探討

王 新1唐亞文2，*

（1江蘇經貿職業技術學院江蘇南京210007;2南京師范大學化學與環境科學學院江蘇南京210097）

目前，實驗室制取氫氣仍沿用16世紀人們發現氫氣的方法——稀硫酸和某些金屬反應。鎂、鋅、鐵等金屬都能跟酸反應生成氫氣。但由于鎂與酸反應太快，鐵與酸反應又太慢，而鋅與酸反應速率正適合實驗室條件下制取氫氣。另外一方面，因為鹽酸有揮發性，生成的氫氣易混入氯化氫氣體而不純凈，因此，實驗室制取氫氣多是選用鋅和稀硫酸反應。當需要較大量的氫氣時，一般選用啟普發生器。該實驗目前已經成為無機化學實驗中非常經典的基礎實驗。然而在實際教學過程中，我們發現仍然有許多同學，甚至部分教師對該實驗內容仍然不熟悉。

大家都知道，純鋅和稀硫酸反應很慢，因此需要滴入少量硫酸銅溶液，從而加快反應速度。然而，為什么滴加硫酸銅溶液后反應速度加快，卻很少有同學了解其中的化學原理。許多同學僅僅停留在反應開始時，因為沒有H2，所以反應較快，有H2產生后，由于H2濃度的影響，抑制了反應，速率變慢，滴入硫酸銅溶液后，形成了Cu-Zn原電池，所以反應加快。筆者認為，這樣的解釋不夠全面。實際上引起上述實驗現象的原因主要是熱力學因素引起。從標準電極電勢看：

Zn+H2SO4=ZnSO4+H2

反應可以分解成兩個半電池：

電池負極Zn2++2e-→Zn Eθ=-0.76V

電池正極2H++2e-→H2Eθ=0 V

整個電池的電壓為0.76V，似乎反應應該非常迅速。但實際上，由于氫氣在鋅粒表面的吸附，導致鋅粒很難繼續反應，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，使得電池的負極——鋅能夠不斷的與硫酸反應，反應速度加快。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?這涉及到了一個熱力學問題——超電勢。實際上，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，反應趨勢變小，故反應速率減慢。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為0.56 V，因而反應速度加快。

利用氫在銅表面超電勢較低，從而構成鋅銅原電池的原理雖然可以加快反應速度，但同時又存在著其他方面的問題，即：當利用6mol/L的H2SO4溶液與鋅粒反應制備氫氣時，氫氣生成的速度過快，從而導致實驗后期氫氣量明顯不足，同時實驗過程中也經常出現回火現象，甚至出現爆炸情況。這表明，該反應過程當中仍然存在不合理的地方。因此，我們進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系。

圖1 氫氣的發生速率與時間關系

圖1為不同硫酸濃度下，氫氣的生成速率與時間的關系曲線。圖1顯示，所有濃度的硫酸與鋅粒反應生成氫氣的速率隨反應時間的延長逐漸增大，當達到一個最大值后又開始緩慢降低，當反應30min后，不同濃度的硫酸與鋅粒反應生成氫氣的速率基本上沒有差異。在反應體系中，影響氫氣的生成速率的因素主要有兩方面：1.隨著反應的進行，鋅粒不斷溶解，比表面積增大，與硫酸的接觸面積增加，從而導致反應速度加快。2.隨著反應的進行，硫酸濃度不斷降低，從而又導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3min后，氫氣的生成速率達到最大值，然后迅速降低，這進一步表明教材中利用6mol/LH2SO4與鋅粒反應制備氫氣的實驗方案是不可行的。而3mol/L硫酸與鋅粒反應生成氫氣的速度一直維持在一個較高值，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溶液理論上應該制備得到60.48 L氫氣，而實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。這是與產物硫酸鋅的溶解度有關。當硫酸鋅達到飽和后，反應很難繼續進行，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。當硫酸濃度為1mol/L，硫酸的利用率達到97.2%，但產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，我們認為實驗室制備氫氣的H2SO4濃度以3mol/L為宜。

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

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

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

［3］王春濤.超電勢在中學化學中的應用［J］.中學化學教學參考，2000，（6）：6～7

1008-0546（2010）05-0073-02

G632.41

B

10.3969/j.issn.1008-0546.2010.05.029

*南京師范大學校級本科教學質量工程建設資助項目