Газовые процессы и термическое превращение
Получение и очистка газов
Аппарат Киппа (Петрус Кипп, 1844) — для газов из твёрдого вещества и жидкости без нагревания: \(\ce{H2}\) (цинк + соляная кислота), \(\ce{CO2}\) (мрамор + соляная кислота), \(\ce{H2S}\) (FeS + кислота). Закрывая кран, газ «выталкивает» кислоту из средней части — реакция останавливается сама.
Газы, требующие нагревания (\(\ce{Cl2}\) из \(\ce{MnO2}\) и HCl, HCl из NaCl и \(\ce{H2SO4}\), \(\ce{NH3}\) из \(\ce{NH4Cl}\) и \(\ce{Ca(OH)2}\)), получают в колбе Вюрца с капельной воронкой или в пробирке.
Очистка — промывными склянками: \(\ce{CO2}\) от HCl — раствором \(\ce{NaHCO3}\); хлор от HCl — водой (хлор малорастворим); \(\ce{H2}\) от \(\ce{H2S}\) и паров мышьяковистого водорода — раствором \(\ce{KMnO4}\) или \(\ce{Pb(NO3)2}\).
scienceЛабораторное получение газов
- \(\ce{Zn + 2HCl -> ZnCl2 + H2 ^}\); \(\ce{CaCO3 + 2HCl -> CaCl2 + CO2 ^ + H2O}\) — аппарат Киппа.
- \(\ce{MnO2 + 4HCl ->[t] MnCl2 + Cl2 ^ + 2H2O}\).
- \(\ce{2NH4Cl + Ca(OH)2 ->[t] CaCl2 + 2NH3 ^ + 2H2O}\).
- \(\ce{NaCl + H2SO4(конц.) ->[t] NaHSO4 + HCl ^}\).
- \(\ce{2KClO3 ->[MnO2, t] 2KCl + 3O2 ^}\); \(\ce{2KMnO4 ->[t] K2MnO4 + MnO2 + O2 ^}\).
errorВодород и взрыв
Смесь водорода с воздухом (4–75 % \(\ce{H2}\)) взрывается от искры. Прежде чем поджигать водород у выхода прибора, проверяют его чистоту: собирают пробирку газа и подносят к пламени — «глухой» хлопок означает, что воздух вытеснен.
Осушка и собирание
Осушители выбирают так, чтобы они не реагировали с газом:
| Осушитель | Для каких газов | Нельзя для |
|---|---|---|
| конц. \(\ce{H2SO4}\) | \(\ce{H2}\), \(\ce{O2}\), \(\ce{N2}\), \(\ce{Cl2}\), \(\ce{CO2}\), HCl, \(\ce{SO2}\) | \(\ce{NH3}\) (кислота-основание), \(\ce{H2S}\), HBr, HI (окисляются) |
| \(\ce{CaCl2}\) (безводный) | большинство газов | \(\ce{NH3}\) (аммиакаты) |
| CaO, KOH, натронная известь | \(\ce{NH3}\), \(\ce{H2}\), \(\ce{O2}\) | кислотные газы |
| \(\ce{P4O10}\) | нейтральные и кислотные газы | \(\ce{NH3}\) |
Собирание:
- над водой — малорастворимые газы: \(\ce{H2}\), \(\ce{O2}\), \(\ce{N2}\), CO, NO, \(\ce{CH4}\);
- вытеснением воздуха: тяжёлые (\(\ce{CO2}\), \(\ce{Cl2}\), HCl, \(\ce{SO2}\)) — сосудом отверстием вверх; лёгкие (\(\ce{NH3}\), \(\ce{H2}\)) — отверстием вниз;
- растворимые в воде (\(\ce{NH3}\), HCl, \(\ce{SO2}\)) над водой не собирают.
boltГаз над водой — влажный
Объём газа, собранного над водой, включает пары воды. Для расчёта количества вычитают давление насыщенного пара (\(p_{\ce{H2O}}\) = 2,34 кПа при 20 °C; 3,17 кПа при 25 °C) и приводят к нормальным условиям.
Потери газа и обработка данных
Почему газа собрано меньше расчётного?
- газ частично растворился в воде (особенно \(\ce{CO2}\), \(\ce{Cl2}\));
- утечки в соединениях (проверка герметичности — нагрев колбы руками: пузырьки в промывалке);
- первые порции газа вытесняют воздух прибора — их не собирают, но и в объёме они не учтены;
- реакция не прошла до конца (кислота разбавилась, металл покрылся плёнкой);
- не учтены температура, давление, пары воды.
Термическое превращение: масса твёрдого остатка до и после нагрева даёт массу улетевшего газа; объём газа (с поправками) — его количество. Два независимых измерения проверяют друг друга.
edit_noteХлорат калия
Смесь \(\ce{KClO3}\) с \(\ce{MnO2}\) потеряла 0,480 г (кислород, 15,0 ммоль); по уравнению \(\ce{2KClO3 -> 2KCl + 3O2}\) хлората было 10,0 ммоль (1,226 г). Собранный над водой газ после приведения к н. у. — 330 мл (14,7 ммоль) вместо 336 мл: потери около 2 % (растворимость, утечки).
push_pinГлавное
Получение: твёрдое + жидкость без нагрева — аппарат Киппа (\(\ce{H2}\) из Zn и HCl, \(\ce{CO2}\) из мрамора и HCl, \(\ce{H2S}\) из FeS); с нагревом — колба Вюрца (\(\ce{Cl2}\), HCl, \(\ce{NH3}\)). Очистка: вода от HCl, раствор \(\ce{NaHCO3}\) для \(\ce{CO2}\) от HCl. Осушка: конц. \(\ce{H2SO4}\) — не для \(\ce{NH3}\) и \(\ce{H2S}\); \(\ce{CaCl2}\) — не для \(\ce{NH3}\); CaO, KOH — для \(\ce{NH3}\). Собирание: над водой — малорастворимые (\(\ce{H2}\), \(\ce{O2}\), \(\ce{N2}\), NO); вытеснением воздуха — отверстием вверх для тяжёлых (\(\ce{CO2}\), \(\ce{Cl2}\), HCl), вниз для лёгких (\(\ce{NH3}\), \(\ce{H2}\)). Приведение к н. у.: \(V_0 = V\,\dfrac{p - p_{\ce{H2O}}}{101{,}3}\cdot\dfrac{273}{T}\). Термическое разложение: убыль массы = масса газа.
Закрепите теорию: 9 заданий с проверкой и подсказками, урок зачитывается от 70 %.