Поглощение и превращения газов
Объёмы в реакциях газов
Объёмы газов позволяют судить о том, сколько веществ вступило в реакцию и сколько образовалось. В 1808 году Гей-Люссак заметил, что объёмы реагирующих газов относятся как небольшие целые числа: при реакции 2 объёмов водорода с 1 объёмом кислорода образуются 2 объёма водяного пара. Авогадро объяснил это наблюдение: в равных объёмах газов при одинаковых условиях содержится одинаковое число молекул. Поэтому отношение объёмов газов равно отношению коэффициентов в уравнении реакции, пока вещества остаются газообразными.
При сжигании газов в эвдиометре — толстостенной трубке с впаянными электродами — объём смеси измеряют после охлаждения. Образовавшаяся вода конденсируется и уже не входит в объём газа. Уменьшение объёма смеси называют сжатием. Его величину находят как разность между суммарными объёмами газов до и после реакции.
| Реакция | Сжатие на объём горючего | Новый газ |
|---|---|---|
| \(\ce{2H2 + O2 -> 2H2O (ж)}\) | 1,5 | нет |
| \(\ce{2CO + O2 -> 2CO2}\) | 0,5 | 1 объём \(\ce{CO2}\) |
| \(\ce{CH4 + 2O2 -> CO2 + 2H2O (ж)}\) | 2 | 1 объём \(\ce{CO2}\) |
| \(\ce{C2H2 + 5/2O2 -> 2CO2 + H2O (ж)}\) | 1,5 | 2 объёма \(\ce{CO2}\) |
history_eduОпыты Генри Кавендиша с воздухом
В 1781 году Генри Кавендиш взрывал в эвдиометре смесь «горючего воздуха» (водорода) с обычным воздухом и обнаружил на стенках росу — воду. Эти опыты впервые показали, что вода не элемент, а соединение. Продолжая исследования, Кавендиш пропускал искры через воздух с избытком кислорода и обнаружил неустранимый остаток — около 1/120 объёма воздуха. Через сто лет Рэлей и Рамзай открыли в этом остатке аргон.
Изменение объёма сопровождает не только сгорание газов. Оно происходит и при образовании аммиака или распаде озона. При этом число молекул газа может как уменьшаться, так и увеличиваться.
scienceРеакции газов с изменением объёма
- \(\ce{2H2 + O2 -> 2H2O}\) — после охлаждения вода конденсируется, поэтому объём газовой смеси уменьшается на 3 объёма.
- \(\ce{N2 + 3H2 <=> 2NH3}\) — при полном превращении реагентов объём газов уменьшается вдвое.
- \(\ce{2O3 -> 3O2}\) — при распаде озона объём газа увеличивается.
- \(\ce{H2 + Cl2 ->[h\nu] 2HCl}\) — при одинаковой температуре объём газа не изменяется, поэтому за ходом реакции нельзя следить по изменению давления.
Сбор над водой и газовый анализ
При сборе газа над водой в сосуд попадает и водяной пар: собранный газ насыщен им. По закону Дальтона общее давление равно сумме давлений газа и водяного пара. Если уровни воды внутри и снаружи сосуда одинаковы, общее давление равно атмосферному, поэтому \(p_\text{газа} = p_\text{атм} - p(\ce{H2O})\). Давление насыщенного водяного пара зависит от температуры; его учитывают при расчёте количества собранного газа.
Газовым анализом называют определение состава смеси по последовательному поглощению её компонентов и сжиганию оставшихся горючих газов. После каждого поглощения измеряют убыль объёма и по ней находят долю удалённого компонента. Чтобы отнести эту убыль к нужному газу, поглотители применяют в определённом порядке.
scienceПоглотители газового анализа
- \(\ce{CO2 + 2KOH -> K2CO3 + H2O}\) — при поглощении углекислого газа щёлочью образуются карбонат калия и вода; так удаляют кислотные газы.
- \(\ce{O2}\) — щелочной раствор пирогаллола поглощает кислород и окисляется с образованием тёмных продуктов.
- \(\ce{CO + CuCl + NH3}\) — аммиачный раствор хлорида меди(I) связывает угарный газ в комплекс.
- \(\ce{2H2 + O2 -> 2H2O}\) и \(\ce{CH4 + 2O2 -> CO2 + 2H2O}\) — горючие газы сжигают, а их объёмы находят по сжатию смеси и количеству нового \(\ce{CO2}\).
errorПорядок поглотителей важен
Щелочной пирогаллол поглощает также \(\ce{CO2}\), поэтому углекислый газ сначала удаляют щёлочью. Аммиачный раствор меди(I) поглощает и кислород, поэтому его применяют после пирогаллола. Если изменить порядок поглотителей, убыль объёма ошибочно отнесут к другому газу: например, углекислый газ можно принять за кислород.
history_eduПрибор Орса
В 1874 году французский инженер Луи Орса предложил аппарат для газового анализа с поглотительными пипетками. Им десятилетиями проверяли дымовые газы котельных: по долям \(\ce{CO2}\) и \(\ce{CO}\) судили о полноте сгорания топлива. Приборы Орса использовали на заводах до конца XX века.
push_pinГлавное
При одинаковых условиях объёмы газов относятся как коэффициенты в уравнении реакции. Сжатие смеси при сгорании находят как разность между суммарными объёмами газов до и после реакции; после охлаждения образовавшаяся вода становится жидкой. При сборе газа над водой учитывают водяной пар: \(p_\text{газа} = p_\text{атм} - p(\ce{H2O})\). При газовом анализе \(\ce{KOH}\) поглощает \(\ce{CO2}\), щелочной пирогаллол — \(\ce{O2}\), аммиачный \(\ce{CuCl}\) — \(\ce{CO}\), а горючие газы сжигают и определяют по сжатию смеси.
Закрепите теорию: 8 заданий с проверкой и подсказками, урок зачитывается от 70 %.