Синтез воды это химические реакции взаимодействия атомов кислорода с атомами водорода, причем в результате синтеза воды образуется большое количество энергии в виде взрыва.
Образование воды при горении водорода в кислороде (воздухе) послужило доказательством состава воды как сложного вещества, состоящего из двух химических элементов — водорода и кислорода.
Схема установки для синтеза воды из простых веществ изображена на рисунке 2.
Приступая к выполнению опыта в собранной установке, прежде всего убеждаются в чистоте водорода, после чего его поджигают на конце Г-образной трубки 1, подводя ее под воронку 2.
Включают водоструйный насос 4, соединенный с предохранительной двугорлой склянкой 5.
Через некоторое время в дугообразной трубке 3 собирается немного жидкости. Водоструйный насос останавливают и прекращают ток водорода.
Образовавшийся продукт реакции идентифицируют, внося в приемник небольшое количество безводного сульфата меди.
Появление голубого окрашивания (образование медного купороса) свидетельствует о том, что полученная в опыте жидкость — вода.
Можно продемонстрировать два опыта:
Для опытов собирают установку согласно рисунку 3. В качестве реактора используют со суд без дна (рис. 3, а) из набора НПХ или универсальную го релку (рис. 3,б).
Водород из прибора для получения газов 1 проверяют начистоту. Заполняют реактор 2 кислородом из газометра 3.
Проверяют наполнение реактора 2 кислородом, поднося к его отверстию тлеющую лучинку. Поджигают водород на конце газоотводной трубки, не прекращая подачи кислорода из газометра.
Положение реактора меняют, закрепляя его в лапке штатива. Наполняют реактор 2 водородом.
Для полного вытеснения воздуха пропускают водород из аппарата для получения газов не менее 2 мин.
Поджигают водород горящей лучиной у отверстия реактора 2 и одновременно вводят газоотводную трубку с кислородом, который загорается от пламени горящего водорода.
Рис. 3. Установка для сжигания водорода и кислорода друг в друге:
а — горение водорода в кислороде: 1 — прибор для получения газов, 2 — реактор, 3 — газометр; б — универсальная горелка; в — горение кислорода в водороде.
Если пламя кислорода внутри реактора 2 погасло, немедленно закрывают кран аппарата для получения водорода. Повторять опыт можно после остывания колокола-реактора.
Чтобы установить, в каких объемных отношениях водород и кислород взаимодействуют с образованием паров воды, берут для взрыва определенные объемы газов и после реакции устанавливают, какой газ остался неизрасходованным и какой он занимал объем.
Опыт проводят в эвдиометре — толстостенной трубке с дном и впаянными электродами.
В настоящее время промышленный эвдиометр не может быть использован в школе из-за отсутствия безопасного высоковольтного преобразователя, который сейчас разрабатывается.
В качестве индуктора может быть использован пьезоэлектрический высоковольтный преобразователь.
Верхний конец этой трубки плотно закрыт резиновой пробкой через которую продеты две проволоки.
Верхние концы их присоединены вилке для подключения к источник тока (в сеть), а нижние концы загнуты.
В них продета и укреплена тончайшая медная проволочка-волосок.
В нижний конец трубки вставлена резиновая пробка 5 с узким отверстием, чтобы уменьшить поток воды в трубку (после взрыва) и таким образом предотвратить возможность выброса верхней пробки.
Пробка не должна доходить до дна чаши 6 на 4 — 5 мм.
Включают ток (вилку вставляют в сетевую розетку и сразу же вынимают) — происходит безопасное «короткое замыкание» — небольшая вспышка — и осуществляется синтез воды.
Перегоревшую проволочку перед каждым опытом заменяют новой.
Взрыв кислородно-водородной смеси можно осуществить с помощью пьезоэлектрического источника электрического тока, используя насадку для воспламенения газов.
Если для взрыва были взяты одинаковые объемы кислорода и водорода, то после реакции остался один объем кислорода, (это доказывается вспыхиванием тлеющей лучинки).
Следовательно, объемы вступающих в реакцию газов — водорода и кислорода—относятся как 2:1.
Принимают во внимание, что кислород в 16 раз тяжелее водорода (это видно из сравнения плотности 1,44 : 0,089 = 16:1) и что соотношение объемов кислорода и водорода 1 : 2.
Делают вывод, что массовые отношения этих элементов в воде 16:2, или 8 : 1 (или 88,9% О и 11,1 % Н).
Рис. 4. Установка для синтеза воды в искровом разряде:
1 — трубка-реактор, 2 —электроды, 3 — трубка с зажимом, 4 — воронка.
Для этого опыта и для разложения метана в искровом разряде можно использовать установку, изображенную на рисунке 4.
Реактор 1, разделенный на четыре равные по объему части, заполняют водой через воронку 4 до появления капель воды из трубки при открытом зажиме 3.
Затем реактор 1 через верхнюю трубку с зажимом 3 заполнят сначала двумя объемами водорода (из аппарата Киппа), а затем двумя объемами кислорода (из газометра).
Электроды присоединяют к источнику тока. Вместо выпрямителя ВС-24М (В-24) можно использовать батарейку КБС.
Искра получается при повороте одного из электродов на 180° до замыкания и размыкания цепи.
После взрыва наличие оставшегося кислорода доказывают по воспламенению тлеющей лучинки, поднесенной к отверстию трубки 3.
Для вытеснения кислорода из реактора воронку поднимают вверх при открытом зажиме.
Меры предосторожности. Перед наполнением реактора водород проверяют на чистоту. Во избежание выплескивания при взрыве воды из воронки ее накрывают листом мокрой фильтровальной бумаги.
Эксперименты по определению состава воздуха сыграли важную роль в развитии химии как науки, что нашло отражение и в учебной литературе по химии.
Разработаны в связи с этим многочисленные учебные опыты по определению состава воздуха.
Все они основаны на том, что воздух состоит из двух основных компонентов: один из них легко вступает во многие химические реакции (кислород), тогда как второй компонент смеси (атмосферный азот) — вещество значительно менее реакционноспособное.
Для демонстрации малопригодны исторические опыты с использованием электрических разрядов и поглощением образовавшихся оксидов азота ввиду их сложности и длительности.
В учебных опытах используют для связывания кислорода легкоокисляющееся вещество — фосфор.
Сжигание фосфора в закрытом пространстве (стеклянный колпак-колокол, склянка с отрезанным дном) — традиционный школьный опыт, для определения состава воздуха.
Техника выполнения этого опыта приведена во многих руководствах по химическому эксперимент, а также в школьных учебниках по химии.
Этим способом состав воздуха определяют приблизительно.
Содержание кислорода в воздухе можно определить, если вместе фосфора использовать медь (рис. 30).
Простейший опыт состоит в нагревании порошка меди, помещенного на дно пробирки 1, градуированной на 5 равных частей и плотно закрытой резиновой пробкой с газоотводной трубкой, опущенной в стакан с водой.
При нагревании кислород, содержащийся в пробирке 1, соединяется с медью.
После охлаждения пробирки при открытом кране 2 вода засасывается на 1/5 часть ее вместимости.
Более точные результаты могут быть получены при использовании усовершенствованной установки опыт проводят в двух градуированных цилиндрах 1, 5 объемом по 500 мл каждый.
В трубке помещена «колбаска» из свеже-восстановленной медной сетки.
Левый цилиндр 1 заполонен воздухом, правый — подкрашенной водой и погружен вверх дном в чашу с водой.
Делительную воронку 2 заполняют водой, а трубку с медной сеткой сильно нагревают.
Выделяющиеся пузырьки газа сразу не следует собирать в цилиндр. После того как выделение газа прекратилось, цилиндр помещают на газоотводную трубку.
В левый цилиндр начинают приливать воду с такой скоростью, чтобы на вытеснение 500 мл воздуха потребовалось 10—15 мин.
После приливания 500 мл воды кран воронки закрывают. В правом цилиндре 5 собирается только 4/5 вытесненного объема воздуха.
Пробку с газоотводной трубкой 4 отделяют от реакционной трубки, после чего прекращают нагревание.
Заслуживают внимания опыты по определению состава воздуха с использованием медицинских шприцев.
В настоящее время для учебных целей созданы специальные шприцы — стеклянные поршневые дозаторы.
С их помощью могут быть выполнены многие количеств венные опыты, в том числе и по определению состава воздуха.
Для наглядности их следует использовать при проецировании некоторых опытов на экран с помощью графопроектора.
Эксперименты по синтезу воды из водорода и кислорода не только подтверждают химическую природу воды, но и позволяют глубже понять основные принципы химических реакций.
Показанные методы демонстрируют, как изменения условий могут влиять на процесс горения и образование новой субстанции.
Важно отметить, что наблюдение за реакцией и её продуктами, такими как медный купорос, обеспечивает не только визуальное подтверждение, но и научное обоснование получаемого результата.
Соотношение объемов участвующих газов, а также их масс также служат важными показателями в изучении химической науки.
Эти эксперименты становятся не просто тестом на получение воды, но и ценным уроком по химии, привносящим элементы безопасности и точности в исследования.
Важно подчеркивать, что каждый опыт требует соблюдения мер предосторожности, что способствует формированию научной культуры у студентов.
В завершение, синтез воды является ярким примером как в науке, так и в практике, сочетая теорию с реальным опытом.
Статья на тему Синтез воды