Газовые процессы и термическое превращение
Получение и очистка газов
Способ получения газа зависит от того, нужно ли нагревать исходные вещества. Аппарат Киппа (Петрус Кипп, 1844) используют, когда газ выделяется при взаимодействии твёрдого вещества с жидкостью без нагревания. Так получают \(\ce{H2}\) из цинка и соляной кислоты, \(\ce{CO2}\) из мрамора и соляной кислоты, \(\ce{H2S}\) из FeS и кислоты. Если закрыть кран аппарата, выделившийся газ вытеснит кислоту из средней части. Контакт кислоты с твёрдым веществом прекратится, и реакция остановится.
При получении других газов реакционную смесь нагревают. Например, \(\ce{Cl2}\) получают из \(\ce{MnO2}\) и HCl, HCl — из NaCl и \(\ce{H2SO4}\), а \(\ce{NH3}\) — из \(\ce{NH4Cl}\) и \(\ce{Ca(OH)2}\). Для таких опытов используют колбу Вюрца с капельной воронкой или пробирку.
Полученный газ может содержать примеси. Их удаление называют очисткой. Для этого газ пропускают через раствор в промывной склянке. Примесь HCl из \(\ce{CO2}\) удаляют раствором \(\ce{NaHCO3}\), а из хлора — водой; при промывании водой часть хлора теряется. Если водород содержит \(\ce{H2S}\) и пары мышьяковистого водорода, его пропускают через раствор \(\ce{KMnO4}\). Раствор \(\ce{Pb(NO3)2}\) применяют для удаления \(\ce{H2S}\).
scienceЛабораторное получение газов
- \(\ce{Zn + 2HCl -> ZnCl2 + H2 ^}\); \(\ce{CaCO3 + 2HCl -> CaCl2 + CO2 ^ + H2O}\) — в аппарате Киппа при взаимодействии цинка или карбоната кальция с соляной кислотой получают соответственно водород или углекислый газ.
- \(\ce{MnO2 + 4HCl ->[t] MnCl2 + Cl2 ^ + 2H2O}\) — при нагревании диоксида марганца с соляной кислотой выделяется хлор.
- \(\ce{2NH4Cl + Ca(OH)2 ->[t] CaCl2 + 2NH3 ^ + 2H2O}\) — при нагревании хлорида аммония с гидроксидом кальция выделяется аммиак.
- \(\ce{NaCl + H2SO4(конц.) ->[t] NaHSO4 + HCl ^}\) — при нагревании хлорида натрия с концентрированной серной кислотой выделяется хлороводород.
- \(\ce{2KClO3 ->[MnO2, t] 2KCl + 3O2 ^}\); \(\ce{2KMnO4 ->[t] K2MnO4 + MnO2 + O2 ^}\) — при нагревании хлората калия в присутствии диоксида марганца или при нагревании перманганата калия выделяется кислород.
errorВодород и взрыв
Смесь водорода с воздухом (4–75 % \(\ce{H2}\)) взрывается от искры. Прежде чем поджигать водород у выхода прибора, проверяют его чистоту: заполняют пробирку газом и подносят её отверстием к пламени. Глухой хлопок свидетельствует о том, что воздух в основном вытеснен.
Осушка и собирание
После промывания газ содержит водяной пар. Для его удаления используют осушители — вещества, поглощающие воду. Осушитель выбирают так, чтобы он не вступал в реакцию с получаемым газом.
| Осушитель | Какие газы им осушают | Какие газы им не осушают |
|---|---|---|
| Концентрированная \(\ce{H2SO4}\) | \(\ce{H2}\), \(\ce{O2}\), \(\ce{N2}\), \(\ce{Cl2}\), \(\ce{CO2}\), HCl, \(\ce{SO2}\) | \(\ce{NH3}\) (реагирует с кислотой), \(\ce{H2S}\), HBr, HI (окисляются) |
| Безводный \(\ce{CaCl2}\) | большинство газов | \(\ce{NH3}\) (образуются аммиакаты) |
| CaO, KOH, натронная известь | \(\ce{NH3}\), \(\ce{H2}\), \(\ce{O2}\) | кислотные газы |
| \(\ce{P4O10}\) | нейтральные и кислотные газы | \(\ce{NH3}\) |
Способ собирания газа выбирают с учётом его растворимости в воде и плотности по сравнению с воздухом.
- Над водой собирают малорастворимые газы: \(\ce{H2}\), \(\ce{O2}\), \(\ce{N2}\), CO, NO и \(\ce{CH4}\).
- При собирании вытеснением воздуха сосуд для тяжёлых газов (\(\ce{CO2}\), \(\ce{Cl2}\), HCl, \(\ce{SO2}\)) располагают отверстием вверх, а сосуд для лёгких газов (\(\ce{NH3}\), \(\ce{H2}\)) располагают отверстием вниз.
- Растворимые в воде \(\ce{NH3}\), HCl и \(\ce{SO2}\) над водой не собирают.
boltВлажность газа, собранного над водой
Измеренный над водой объём включает и пары воды. Поэтому при расчёте количества газа из полного давления вычитают давление насыщенного водяного пара (\(p_{\ce{H2O}}\) = 2,34 кПа при 20 °C; 3,17 кПа при 25 °C), а затем приводят объём к нормальным условиям.
Потери газа и обработка данных
Почему собранный объём газа бывает меньше расчётного? Иногда часть образовавшегося газа действительно не попадает в сборный сосуд. В других случаях расхождение вызвано условиями измерения:
- Часть газа растворяется в воде; это особенно заметно для \(\ce{CO2}\) и \(\ce{Cl2}\).
- Газ выходит через неплотные соединения. До начала реакции герметичность проверяют, нагревая колбу руками: в промывной склянке должны появиться пузырьки.
- Первые порции газа выводят вместе с воздухом, находившимся в приборе. Поэтому не весь образовавшийся газ собирают.
- Реакция может не пройти до конца, если кислота разбавилась или металл покрылся плёнкой.
- Если при расчёте не учтены температура, давление и пары воды, объёмы не совпадут. Это расхождение не означает физической потери газа.
Термическим превращением называют изменение вещества при нагревании. Если из твёрдого образца при этом выделяется газ, убыль массы образца позволяет найти массу выделившегося газа. По измеренному объёму с поправками находят количество газа. Сопоставление двух измерений помогает обнаружить потери при собирании.
edit_noteХлорат калия
При нагревании смесь \(\ce{KClO3}\) с \(\ce{MnO2}\) потеряла 0,480 г: столько весил выделившийся кислород, количество которого составило 15,0 ммоль. По уравнению \(\ce{2KClO3 -> 2KCl + 3O2}\) находят количество хлората калия: 10,0 ммоль, или 1,226 г. Объём собранного над водой газа после приведения к н. у. составил 330 мл (14,7 ммоль) вместо расчётных 336 мл. Следовательно, при собирании потеряно около 2 % кислорода из-за растворения или утечек.
push_pinГлавное
Для получения \(\ce{H2}\) из Zn и HCl, \(\ce{CO2}\) из мрамора и HCl, а также \(\ce{H2S}\) из FeS без нагревания используют аппарат Киппа; \(\ce{Cl2}\), HCl и \(\ce{NH3}\) можно получать при нагревании в колбе Вюрца. Примесь HCl из \(\ce{CO2}\) удаляют раствором \(\ce{NaHCO3}\), а из хлора — водой с учётом потерь хлора. Осушитель не должен реагировать с газом: концентрированная \(\ce{H2SO4}\) не подходит для \(\ce{NH3}\) и \(\ce{H2S}\), безводным \(\ce{CaCl2}\) нельзя осушать \(\ce{NH3}\), тогда как CaO и KOH для него пригодны. Малорастворимые \(\ce{H2}\), \(\ce{O2}\), \(\ce{N2}\) и NO собирают над водой. При вытеснении воздуха сосуд для тяжёлых \(\ce{CO2}\), \(\ce{Cl2}\) и HCl располагают отверстием вверх, а для лёгких \(\ce{NH3}\) и \(\ce{H2}\) — отверстием вниз. Объём влажного газа приводят к н. у. по формуле \(V_0 = V\,\dfrac{p - p_{\ce{H2O}}}{101{,}3}\cdot\dfrac{273}{T}\). При термическом разложении с выделением газа убыль массы твёрдого образца равна массе выделившегося газа.
Закрепите теорию: 9 заданий с проверкой и подсказками, урок зачитывается от 70 %.