Warum verwenden wir keine konzentrierte HCl- und Zinkreaktion zur Herstellung von Wasserstoff?
Entschuldigen Sie sich zuerst für diese dumme Frage. Einer meiner Schüler hat mir diese Frage gestellt, aber ich konnte keine perfekte Antwort aus dem Internet erhalten. Allgemein verdünnte HCl und unreines Zink werden für die Wasserstoffproduktion im Labor verwendet. Meine Frage ist, warum die Reaktion danach gestoppt wurde etwas Zeitreaktion, wenn wir reines Zink und konzentrierte HCl verwenden?
Ist es für die Vertuschung von Zink durch Zinksulfat? Es wird für jede Art von Hilfe dankbar sein.
Antworten
Wenn metallisches Zink $\ce{Zn}$ ist in Kontakt mit konzentriert $\ce{HCl}$ Lösung, $\ce{H2}$wird erzeugt, aber die Reaktion ist exotherm: Die Lösung wird heiß. Wie$\ce{HCl}$ ist in heißem Wasser nicht so gut löslich, ein Bruchteil des gelösten $\ce{HCl}$wird verdampft. Das erzeugte Gas wird also eine Mischung aus sein$\ce{H2}$ und $\ce{HCl}$, was nicht erwünscht ist.
Jedenfalls ist die Reaktion zwischen rein $\ce{Zn}$ und rein konzentriert $\ce{HCl}$ist nicht wirklich schnell. Und nach einiger Zeit, wenn die Lösung eine bestimmte Menge enthält$\ce{Zn^{2+}}$nimmt die Reaktionsgeschwindigkeit derart ab, dass die Reaktion beendet aussieht. Es ist ziemlich überraschend und täuscht sogar.
Wenn jedoch einige metallische Verunreinigungen in Lösung vorhanden sind, wie z $\ce{Co^{2+}}$ oder $\ce{Cu^{2+}}$Das Zinkmetall reduziert diese Ionen entsprechend $$\ce{Zn + Co^{2+} -> Co + Zn^{2+}}$$oder $$\ce{Zn + Cu^{2+} -> Cu + Zn^{2+}}$$Infolgedessen werden einige kleine Mengen von metallischem Kobalt oder Kupfer auf dem Zinkmetall abgeschieden. Der Kontakt der beiden Metalle$\ce{Zn + Co}$ oder $\ce{Cu}$ erzeugt eine galvanische Zelle und die Reaktionsgeschwindigkeit steigt stark an. $\ce{Zn}$ wird viel schneller aufgelöst und erzeugt Elektronen, die auf die Kupfer- oder Kobaltflecken gelangen, wo sie sich reduzieren $\ce{H+}$ viel produzieren $\ce{H2}$.
Also der beste Weg, um H2 durch die Reaktion zu produzieren $\ce{Zn + HCl}$ ist nicht zu konzentrierte Lösungen von zu verwenden $\ce{HCl}$ Lösung, wobei kleine Mengen Kupfer- oder Kobaltsalze in die saure Lösung gegeben werden.
Das gleiche Phänomen der galvanischen Zelle tritt auf, wenn $\ce{HCl}$ wird ersetzt durch $\ce{H2SO4}$
Warum es besser ist, keine konzentrierte Salzsäure zu verwenden, liegt wahrscheinlich an der exothermen Natur seiner Reaktion mit Zinkmetall und der Flüchtigkeit von $\ce{HCl}$ selbst einen möglichen Verlust von Chlorwasserstoff fördern.
Ferner kann die Anwesenheit von Wasser vorteilhaft sein (siehe Wasserstoffbildung bei der Reaktion von Zn + (H 2 O) n mit HCl ), um zu ermöglichen, dass ein Zinkion in a bewegt wird$\ce{[Zn(H2O)6](2+)}$Hydratationskugel, die bei einer Ligandenaustauschreaktion noch weiter interagieren kann. In ähnlicher Weise, um per Libre-Text die Reaktion zu erläutern :
Wenn Sie einer Lösung, die Hexaaquacobalt (II) -Ionen enthält (z. B. Cobalt (II) -chloridlösung), konzentrierte Salzsäure hinzufügen, wechselt die Lösung von ihrer ursprünglichen rosa Farbe zu einem dunklen, satten Blau. Die sechs Aquamoleküle werden durch vier Chlorionen ersetzt. Die ablaufende Reaktion ist reversibel.
$\ce{[Co(H2O)6](2+) + 4 Cl- <=> [Co(H2O)_6Cl_4](2-) + 6 H2O }$
Und weiter zu der obigen Reaktion, um weiter zu zitieren:
Konzentrierte Salzsäure wird als Quelle für Chloridionen verwendet, da sie eine sehr hohe Konzentration liefert, verglichen mit dem, was beispielsweise mit Natriumchloridlösung möglich ist. Konzentrierte Salzsäure hat eine Chloridionenkonzentration von ungefähr 10 mol dm & supmin; ³. Die hohe Chloridionenkonzentration drückt die Position des Gleichgewichts nach dem Le-Chatelier-Prinzip nach rechts.
wo ich eine ähnliche Reaktionssequenz (wie in dem zitierten Artikel von 2005 aus dem Journal of Physical Chemistry Chemical Physics berichtet ) mit Kupfer anstelle von Kobalt erwarten würde .
Auch eine zitierte Verbesserung der Reaktionsgeschwindigkeit in Bezug auf die Verwendung von unreinem Zink lässt sich vielleicht am besten in einem verwandten Experiment veranschaulichen, bei dem die Säure jedoch$\ce{H2SO4}$ auf Zink einwirken (als festes Stück $\ce{Zn}$Metall) in Gegenwart einer Quelle einer Kupferverunreinigung. Es ist zu beachten, dass das Experiment drei Reagenzgläser verwendet, die enthalten$\ce{Zn}$ + Säure, aber eine ohne Kupferpräsenz, eine mit geringer Kupferoberfläche und die dritte mit wässriger $\ce{CuSO4}$.
Überraschenderweise wird für einige behauptet, dass das 3. Reagenzglas tatsächlich die größte Wasserstoffgasquelle sein könnte! Interessanterweise gibt es im 3. Reagenzglas kein Ausgangskupfermetall. Es wird jedoch eine Verdrängungsbildung von neuem Cu-Metall (mit schwarzer Farbe) durch Zink zitiert, das mit den Kupferionen von wechselwirkt$\ce{CuSO4}$. Dieses neu geformte schwarze Kupfer hat jedoch eine ausgesprochen große Oberfläche im Vergleich sowohl zum Zinkmetallstück als auch zu den Kupferspänen.
Daher basiert meine zitierte Erklärung der beschleunigten Reaktion auf der elektrochemischen Zelle, die mit einer Anode aus Zn-Metall, einer großflächigen Kathode aus Kupfermetall, alle in einem Elektrolyten aus Kupferionen gebildet wurde. Die anodische Korrosion des Zinks wird nun aufgrund des nun sehr günstigen Verhältnisses der Zinkanode mit geringer Oberfläche zur schwarzen Kupferkathode mit großer Oberfläche beobachtbar beschleunigt .
Ferner werden elektrochemische Reaktionen im Allgemeinen, solange eine gewisse Reagenzkonzentration vorhanden ist, NICHT von den relativen Konzentrationsüberlegungen bestimmt, wie sie bei chemischen Standardreaktionen auftreten (für die aktuelle Reaktion siehe Diagramm der Reaktionsgeschwindigkeit hier, das eine Abflachung darstellt).
Anscheinend gibt es also mehrere Gründe, einschließlich einer elektrochemischen Untermauerung, warum bevorzugt verdünnt eingesetzt werden sollte $\ce{HCl}$ zusammen mit unrein $\ce{Zn}$ Metall.