Химия и Химики № 4 2010. Наполним шарик водородом. How to Fill a Balloon with Hydrogen

Обнаружив ошибку на странице, выделите ее и нажмите Ctrl + Enter

Наполним шарик водородом
How to Fill a Balloon with Hydrogen

Как известно, водород значительно легче воздуха, поэтому, если наполнить водородом воздушный шарик, он полетит. С другой стороны, водород очень легко воспламеняется. Эти два свойства водорода можно использовать для эффектного опыта.

Сначала наполним воздушный шарик водородом. Для получения водорода мы использовали реакцию алюминия и щелочи. Нам понадобятся: колба на 0.5 л, пробка с газоотводной трубкой, пробирка, 15-20 г щелочи (едкого натра или едкого кали), грамм 10 кусочков алюминия и, конечно же, воздушный шарик.

Поместите щелочь и алюминий в колбу, налейте в нее 150-200 мл воды и закройте колбу пробкой с газоотводной трубкой. Накройте газоотводную трубку пробиркой. Подождите несколько минут, пока водород вытеснит из колбы воздух, после чего проведите пробу на чистоту.

Возьмите пробирку и, не переворачивая, поднесите ее к пламени. Если водород сгорит спокойно или с легким хлопком, значит, в колбе не осталось (или почти не осталось) воздуха, если будет слышен сильный хлопок или резкий свист - это означает, что в колбе еще остался воздух. В последнем случае снова накройте пробиркой газоотводную трубку и через некоторое время повторите испытание. Тем временем надуйте шарик воздухом, потом сдуйте. Эту процедуру повторяют 3-4 раза для того, чтобы стенки шарика стали более мягкими.

Если водород в колбе чистый, привяжите к газоотводной трубке шарик. Для этого можно воспользоваться нитками. Следите, чтобы соединение было плотным и не пропускало газ.

Важно, чтобы реакция щелочи и алюминия не протекала слишком бурно, иначе в шарик попадет много водяного пара и брызг раствора, он станет тяжелым и не сможет летать. Поэтому в колбу со щелочью нужно добавить достаточное количество воды. Имейте в виду, что в ходе реакции идет самопроизвольный разогрев, и скорость взаимодействия может со временем сильно увеличиться.

Чтобы замедлить реакцию, колбу поливают холодной водой, чтобы ускорить - ставят в кипяток.

В нашем случае шарик заполнился примерно за 40 мин. Теперь остается только хорошо перевязать шарик ниткой и осторожно снять его с газоотводной трубки (если последнее затруднительно, нижний край шарика можно отрезать). Шарик сразу же полетит, поэтому не забудьте придержать край нитки (иначе придется ловить шарик под потолком). Удобно привязать шарик к катушке ниток - если его отпустить, шарик будет разматывать катушку и подниматься, пока не достигнет потолка. Потом с помощью нитки шарик можно подтянуть вниз, а потом снова дать ему взлететь. Особенно эффектно этот эксперимент выглядит в высокой аудитории. Если вы отпустите шарик с водородом на улице и перережете нитку - он быстро поднимется вверх и скоро скроется из вида.

Watch the video / Смотреть Видео (72 Мб, .avi )
Старый вариант - смотреть Видео (33 Мб, .avi )

Взрыв шарика с водородом
Hydrogen Balloon Explosion

Итак, мы наполнили шарик водородом и посмотрели как он летает.

Приступим ко второй части эксперимента: она короткая, но наиболее эффектная. Привяжите шарик так, чтобы он был на высоте 1.5-2 м от поверхности. Снизу прикрепите к шарику полоску бумаги. Подожгите край бумаги и отойдите на несколько метров. Произойдет взрыв и желтая вспышка. При покадровом просмотре можно видеть отдельные стадии этого процесса. Не делайте такой опыт в маленьком помещении - в одном из экспериментов взрывной волной приоткрыло металлическую дверь.

Watch the video / Смотреть Видео (66 Мб, .avi )
Старый вариант - смотреть Видео (20 Мб, .avi )

У читателей мог возникнуть вопрос: зачем проводить пробу на чистоту водорода, если шарик все равно планируется взорвать? Дело в том, что если в колбе находится воздух, он попадет в шарик и уменьшит его подъемную силу.

Колбу вполне можно заменить бутылкой, а шарик надеть непосредственно на горлышко. Как источник алюминия можно использовать обрезки алюминиевой проволоки, алюминиевые гвозди, кусочки пивных банок, алюминиевых ложек или старой алюминиевой посуды. Едкий натр можно купить в хозяйственном магазине (средство "Крот") [K1]. Водород также можно получать с помощью реакции серной кислоты и цинка (или железа). Как говорится, простор для фантазии не ограничен.

Интересно, что если весь водород, который содержится в шарике объемом 5 л, превратить в гелий, то при этом выделится около 2.9·10¹¹ Дж энергии, что примерно эквивалентно взрыву 70 т тринитротолуола.

Техника безопасности

Взрыв водорода нужно проводить в достаточно большом помещении, а лучше - на улице. Держитесь на безопасном расстоянии. Может показаться, что вторая часть опыта - взрыв водорода - более опасная, чем первая - реакция алюминия и щелочи, но это не так. Пыль твердой щелочи, а также аэрозоль раствора щелочи очень вредны для здоровья: их ни в коем случае не следует вдыхать. Наибольшую опасность представляет попадание крупинок и брызг щелочи в глаза. Это грозит потерей зрения, поэтому работать со щелочью можно только в защитных очках.

Комментарии

^К1 Раньше средство "Крот" представляло собой технический едкий натр, теперь же под этим названием часто продают неизвестно что: к едкому натру добавляют разные вещества, которые в лучшем случае играют роль балласта.

^К2 Ради интереса попробуйте рассчитать, сколько тонн железа может поднять 1 т водорода?
(Условия нормальные, весом оболочки шара и подвеса пренебречь.)

Не правда ли впечатляет?

А теперь посчитайте, какой объем займет 1 т водорода и какой должен быть диаметр шара, чтобы в нем поместился этот объем водорода.

^К3 Вот что пишет о получении водорода в полевых условиях Герберт Браун (Herbert C. Brown) в книге Харгиттаи И. Откровенная наука: беседы со знаменитыми химиками (2003).

"В это время нам позвонили из Войск связи. У них была проблема с производством водорода в полевых условиях. Они использовали метод времен Первой мировой войны: брали большой прочный стальной цилиндр, помешали в него ферросилиций, каустическую соду, определенное количество воды и закрывали крышку. Каустическая сода растворялась в воде, и температура поднималась примерно на сотню градусов, и тогда горячая каустическая сода реагировала с ферросилицием с образованием силиката натрия и водорода, а температура поднималась примерно до двухсот градусов. Давление паров воды достигало примерно тысячи фунтов на квадратный дюйм (это примерно 6.895 МПа или 68.05 атм.), а давление водорода - двух тысяч фунтов. После охлаждения можно было извлечь нужный водород. Выдержать такое давление могли только очень прочные цилиндры. Соответственно, они были очень тяжелыми. Было бы затруднительно транспортировать их на многочисленные поля боя по всему миру. Существовала и еще одна проблема. После использования водорода необходимо было счистить силикат натрия, покрывавший стенки цилиндра как стекло. Среднему солдату, чтобы соскрести его, требовался целый день. Солдатам приказывали зарывать силикат, но они так уставали, что просто сваливали его под ближайшим кустом. Коровам, похоже, это вещество нравилось, они приходили туда и ели его, а армии приходилось иметь дело с разными судебными исками по поводу порчи скота."

^К4 Есть еще одна прекрасная реакция - и гораздо более дешевая и производительная. Шарик надувается за считанные минуты.

CuSO₄·5H₂O (медный купорос) + NaCl + H₂O.

А теперь в раствор помещаем алюминиевый лом - и наблюдаем бурное выделение водорода.

^К4-1Медный купорос гораздо дороже технической щелочи, но можно и так.

^К5 Спасибо! Делал такой опыт с ребенком, как этакий заменитель живых лабораторных работ в деревенской школе - https://notrural.blogspot.com/2020/05/oputu-s-H2.html