수소의 제조

서울공업고등학교 화공과

조용운

실습 목표

수소의 발생 원리를 이해할 수 있다.

아연과 묽은 황산의 반응을 통하여 수소를 제조할 수 있다.

실습 재료

아연 조각, 묽은 황산, 황산구리, 구리선

기계 및 기구

고무관, 유리관, 시험관, 삼각플라스크, 수조, 안전깔때기, 집기병, 유리 덮개유리, 세공장치. 고무 마개, 구멍뚫이

안전 및 유의 사항

수소와 산소의 혼합 기체는 불길이 닿으면 맹렬하게 폭발하므로 대단히 위험하다.

기체 발생 장치 및 연결부가 새지 않도록 특별히 조심해야 한다.

실습실은 환기가 잘 되도록 한다.

반드시 보안경을 낀다.

기체를 모을 때에는 장치의 내부에 있는 공기를 완전히 몰아 낸 다음 기체를 포집해야 한다.

실험 후에 황산은 폐수통에 모아 둔다.

실습 순서

아연과 묽은 황산으로부터 수소의 제조

그림1과 같은 장치를 꾸민다.

삼각플라스크에 아연 10g를 넣고 새지 않도록 고무 마개로 막는다. 안전깔때기 및 유리관을 끼워 넣은 곳이 새지 않는지 확인한다.

장치가 완성되었으면 안전 깔대기를 통하여 묽은 황산을 천천히 가하여 준다. 처음에 가하여 주는 양은 깔대기의 아래끝이 완전히 잠기기에 충분하여야 한다. 황산의 양은 수소 기체가 발생되어 나오는 속도에 따라 알맞게 조절하여 주는 것이 안전하다.

그림  수소 제조 장치

처음에 배출되는 수소 중에는 플라스크와 유리관에 있던 공기가 섞여 나오므로 상방 치환법으로 시험관에 포집한다. 발생하는 수소 중에 공기가 섞여 있는지 를 확인하려면, 포집된 수소 시험관을 불꽃 근처에 대어 본다.(절대로 기체가 발생하고 있는 유리관 끝에 불꽃을 대어서는 안 된다.) 이 때 퐁하는 폭발음이 나면 공기가 혼합되어 있는 것이고 피식하는 낮은 소리가 나면 공기가 들어 있지 않는 것이다.

공기가 없는 것이 확인이 되면 집기병을 완전히 물로 채우고, 상방 치환법으로 수소를 포집한다.

집기병에 수소가 가득 차면 물 속에서 집기병 주둥이에 꼭 맞는 마개로 단단히 막고, 꺼내어 주둥이가 아리로 향하도록 거꾸로 세워 보관한다.

수소의 발생이 너무 느릴 때에는 황산구리 수용액을 몇 방울 떨어 뜨린다.

수소의 성질 조사

수소를 포집한 집기병을 거꾸로 하고 작은 양초에 불을 붙여 넣었다가 꺼내본다.(공기가 섞어 있으면 폭발하므로 주의한다.) 불꽃이 어떻게 변하는가?

시험관에 수소를 포집하고, 마개를 막은 채 바로 세우고 물기가 없는 다른 시험관을 기체가 담긴 시험관 위에 거꾸로 세우 주둥이를 맞춘 다음 마개를 빼고 1 ~ 2분 기다린다. 잠시 후 두 시험관 입구를 손으로 막고 불꽃 근처에서 열어 본다. 수소와 공기가 섞였는가?

가열하여 검게 한 구리선을 시험관 안에 넣고 수소를 통하여 본다. 색깔이 변하는 가?

실습 결과

아연과 묽은 황산으로 수소가 발생하는 반응을 설명할 수 있는가?

공기가 혼합된 수소를 불에 가까이 하였을 때 폭발음이 나는 이유는 무엇인가?

수소의 성질 조사 1), 2), 3)에서 변화한 이유는 무엇인가?

관계 지식

묽은 산의 수용액에 수소보다 이온화 경향이 큰 금속을 넣으면 수소가 발생한다. 보통 아연, 마그네슘 등의 금속이 많이 사용된다.

[eqn: rm Zn`+`H _{2} SO _{4} ```` -> ````ZnSO _{4} +H _{2}]

[eqn: rm Zn`+`2HCl```` -> ````ZnCl _{2} +H _{2}]

산으로는 보통 묽은 황산, 묽은 염산이 쓰인다. 만일, 수소보다 쉽게 환원되는 원소를 포함하는 산을 쓰면, 예를 들면 HNO3 에서는 NO3- 이온이 환원되어 수소보다 오히려 질소의 산화물이 생긴다.

아연이 너무 순수하면 산과 아주 느리게 반응하므로 이끼 모양의 아연을 쓰거나, 또는 산에 소량의 황산구리 용액을 가해 주면 아연 표면에 생긴 구리가 아연과 국부 전지를 만들어 반응 속도가 커진다.

수소는 공업적으로 수성 가스의 변성, 가열된 철과 수중기와의 반응, 석유탄화수소를 분해하거나 석탄을 가스화하여 제조하면, 물을 전기 분해하여 얻기도 한다.

수소는 가장 가벼운 기체로서 색깔, 맛, 냄새가 없다. 공기 중에서 산소와 폭발적으로 반응한다.

[eqn: rm H _{2} + {1} over {2} O _{2} `` -> ``H _{2`} O]

또, 수소는 환원성이 있어서 고온에서 산화물과 반응하여 산소를 떼어 낸다.

[eqn: rm Cu+H _{2} `` -> ``Cu`+`H _{2`} O]

[eqn: rm VCl _{2} +H _{2} `` -> ``V`+`2HCl]

수소는 암모니아와 염산의 제조를 비롯하여 여러 가지 화합물의 제조, 식용유의 수소 참가, 전자 공업, 미사일, 금속의 가열 등에 쓰인다.