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第一章 酸和氢气

Lesson 1/10 | Study Time: 19 Min


1.1 物质的变化

物质的变化



物质变化的特点



















特点 详细描述
物质不断变化 自然界的各种变化都是由物质的变化引起的。
变化分类 根据变化的本质区别,物质的变化分为物理变化和化学变化。



物理变化与化学变化的对比






















类别 物理变化 化学变化
本质 没有新物质生成,物质的组成不变。 生成一种或多种新物质,物质的组成发生改变。
示例 冰融化成水、水汽化成蒸汽。 铁生锈、蜡烛燃烧、木材腐烂。



如何判断是否发生化学变化



















判断依据 详细描述
颜色改变 例如:落叶的叶绿素分解,叶子变成黄色;银在空气中生成硫化银(Ag₂S),表面发黑。
能量变化 例如:蜡烛燃烧时释放热量,周围温度升高。



化学变化的意义























意义 详细描述
认识物质的组成和结构 例如:通过水的电解反应,发现水由氢气和氧气组成:2H₂O → 2H₂ + O₂
认识物质的性质,扩大应用范围 例如:臭氧(O₃)因具有极强的氧化性,能杀菌和氧化有害微生物。
认识物质变化规律并加以利用 例如:硫酸铜(CuSO₄)的颜色变化可用于检验物质是否含水;双氧水(H₂O₂)分解生成氧气,用于制取氧气:2H₂O₂ → 2H₂O + O₂↑



总结



  • 物理变化:无新物质生成,物质的组成不变。

  • 化学变化:生成新物质,物质的组成和性质发生改变。

  • 判断化学变化的依据:颜色改变、能量变化(如温度升高或降低)。

  • 化学变化的意义:帮助我们认识物质的组成、性质和变化规律,并加以利用。







1.2 探索酸的性质

探索酸的性质



酸的基本性质























特点 解释
电离 酸在水中溶解时,形成自由移动的粒子,称为电离。
正离子和负离子
- 酸电离时生成的正离子是氢离子(H⁺)。

- 酸电离时生成的负离子是酸根离子
酸的通性 不同的酸具有一些共同的性质,例如能与碱反应生成盐和水。



常见酸的电离方程式























酸的名称 电离方程式
盐酸 HCl → H⁺ + Cl⁻
硫酸 H₂SO₄ → 2H⁺ + SO₄²⁻
硝酸 HNO₃ → H⁺ + NO₃⁻



酸碱指示剂的作用


酸碱指示剂可以用来检测溶液的酸碱性:






















指示剂 在酸中 在碱中
紫色石蕊试液 变红色 变蓝色
酚酞试液 不变色 变红色

例如:酸和碱反应生成盐和水。当向酸液中逐渐加入碱液时,酚酞试液会使溶液从无色逐渐变为红色。




酸的化学反应


以下是酸的常见化学反应:


酸与金属氧化物反应生成盐和水






















反应物 现象 化学方程式
铁锈 + 盐酸 铁锈逐渐消失,溶液变成黄色 Fe₂O₃ + 6HCl → 2FeCl₃ + 3H₂O
铁锈 + 硫酸 铁锈逐渐消失,溶液变成黄色 Fe₂O₃ + 3H₂SO₄ → Fe₂(SO₄)₃ + 3H₂O







1.3 几种常见的酸

几种常见的酸



盐酸 (HCl)























属性 详细描述
物理性质 氯化氢气体的水溶液,无色液体,具有强挥发性。打开容器时会看到酸雾,因挥发的气体与空气中的水蒸气结合形成盐酸小液滴。
用途
- 金属表面除锈

- 制造药物

- 胃液中的胃酸,帮助消化
检验氯离子方法 用硝酸银溶液和稀盐酸反应,生成氯化银白色沉淀,证明氯离子存在:
AgNO₃ + HCl → AgCl ↓ + HNO₃



硫酸 (H₂SO₄) – 化学工业之母



























属性 详细描述
浓硫酸的性质
- 吸水性:浓硫酸能吸收空气中的水分,可用作干燥剂(干燥氧气、氢气、二氧化碳等气体)。

- 脱水性:浓硫酸能脱去物质中的氢氧元素,按照2:1的比例变为水,同时留下黑色的碳(如脱水蔗糖实验)。
用途
- 制造化肥、农药、火药、燃料

- 冶炼金属、精炼石油

- 除锈等工业用途
稀释浓硫酸注意事项
- 浓硫酸与水任意比例互溶,释放大量热量。

- 稀释时,应将浓硫酸缓慢注入水中,并不断搅拌。

- 若顺序颠倒,可能导致水沸腾飞溅,需立即用大量清水冲洗,再用小苏打溶液处理。
检验硫酸根方法 用氯化钡溶液和稀硫酸反应,生成硫酸钡白色沉淀,证明硫酸根存在:
BaCl₂ + H₂SO₄ → BaSO₄ ↓ + 2HCl



硝酸 (HNO₃)























属性 详细描述
物理性质
- 无色、易挥发液体,有刺激性气味。

- 浓硝酸因分解生成二氧化氮(NO₂),呈现略黄色。
化学性质
- 强氧化性:能与所有金属(除金、铂外)反应,但不会生成氢气。

- 氧化能力强:可用于氧化物质(如有机物、金属等)。
用途 制造炸药、化肥、燃料等。



王水























属性 详细描述
组成 浓硝酸和浓盐酸按1:3的比例混合而成。
化学性质 氧化能力极强,能溶解金和铂等不溶于单一酸的金属。
用途 制造炸药、化肥、燃料等。







1.4 氢气的性质和用途

氢气的性质和用途



氢气的基本概念























特点 详细描述
最轻的气体 氢气是已知世界上最轻的气体,密度只有空气的1/14。
密度 在标准大气压、0℃下,氢气的密度为0.0899 g/L。
用途
- 用作飞艇的填充气体(因氢气可燃性强,现多用氦气代替)。

- 主要用作还原剂



氢气的物理性质























属性 详细描述
颜色和状态 无色气体,密度比空气小,是所有气体中密度最小的。
溶解性 氢气难溶于水,因此可用排水法收集氢气。
液化和固化
- 在101千帕压强下,温度-252.87℃时,氢气变成无色液体。

- 在-259.1℃时,氢气变成雪状固体。



氢气的化学性质































属性 详细描述
常温下的稳定性 氢气在常温下性质稳定,不易与其他物质发生化学反应。
与氧气反应
- 氢气与氧气反应生成水:

2H₂ + O₂ → 2H₂O

- 纯净氢气:安静燃烧,产生淡蓝色火焰。

- 混有空气的氢气:点燃会爆炸。
氢气燃烧的检验
- 用试管收集氢气,将管口靠近酒精灯火焰:

- 听到轻微“噗”声:氢气纯净。

- 听到尖锐爆鸣声:氢气不纯,需重新收集。
氢氧焰 氢气和氧气燃烧产生的火焰温度高达3000°C,可用于焊接或切割金属。
液态氢用途 液态氢可用作火箭或导弹的高能燃料。



氢气的还原性



















反应类型 详细描述
与氧化铜反应
- 氢气能将氧化铜中的氧夺取出来生成水,并将氧化铜还原为金属铜:

CuO + H₂ → Cu + H₂O

- 现象:氧化铜(黑色)变成金属铜(红色)。
还原性特点 氢气能还原金属活动顺序表中排在氢后面的金属氧化物,但不能与氯化铁等不含氧的化合物反应。



氢气的主要用途



























用途 详细描述
工业用途
- 用作还原剂,将金属氧化物还原为金属。

- 制造氨气、硝酸、肥料等。
燃料用途 液态氢作为火箭或导弹的高能燃料。
实验用途 检验氢气的纯度(“噗”声实验)。
日常用途 将液态油转化为固态脂肪(如人造奶油生产)。







1.5 氢气的制取

氢气的制取



实验室制取氢气



























方法 详细描述
原理 用活泼金属与稀酸反应生成氢气:
Zn + 2HCl → ZnCl₂ + H₂↑
常用反应物
- 金属:锌(Zn)、镁(Mg)、铁(Fe)等。

- 酸:稀盐酸(HCl)、稀硫酸(H₂SO₄)。
装置特点
- 发生装置:常用锥形瓶或启普发生器。

- 收集装置:因氢气密度小且难溶于水,常用排水法或向上排空气法收集。
操作步骤
1. 将锌粒放入锥形瓶中。

2. 用漏斗加入稀盐酸,观察气泡产生。

3. 收集氢气,检验纯度(听“噗”声)。



工业制取氢气























方法 详细描述
水煤气法
- 原理:将高温水蒸气通过炽热的焦炭,生成氢气和一氧化碳:

C + H₂O → CO + H₂

- 用途:水煤气是一种重要的工业气体,可进一步分离出氢气。
甲烷蒸汽重整法
- 原理:甲烷与高温水蒸气反应生成氢气和一氧化碳:

CH₄ + H₂O → CO + 3H₂

- 特点:这是目前工业上制取氢气的主要方法。
电解水法
- 原理:利用电流分解水生成氢气和氧气:

2H₂O → 2H₂ + O₂

- 特点:电解水制氢气较为昂贵,多用于实验室或特殊工业领域。



氢气的收集方法



















方法 适用条件
排水法 氢气难溶于水,且不与水反应,适合用排水法收集。
向上排空气法 氢气密度比空气小,可用向上排空气法收集。



氢气制取的注意事项























注意事项 详细描述
控制反应速率
- 金属与酸反应过快会导致气体产生过多过快,可能引发危险。

- 可选择颗粒较大的金属锌或控制酸的浓度。
防止空气混入
- 若氢气中混入空气,点燃时可能发生爆炸。

- 收集氢气前,应先排尽装置中的空气。
检验纯度
- 用试管收集氢气,将试管口靠近火焰:

- “噗”声:氢气纯净。

- 爆鸣声:氢气不纯。



实验:实验室制取氢气


实验目的


学习用锌粒与稀盐酸反应制取氢气,并检验氢气的性质。


实验步骤



  1. 将锌粒放入锥形瓶中。

  2. 用漏斗缓慢加入稀盐酸,观察是否产生气泡。

  3. 用排水法收集氢气,并用试管检验纯度。


实验现象


锌与稀盐酸反应产生气泡,生成无色气体。点燃气体,听到轻微“噗”声,说明氢气纯净。