Получение, очистка и анализ газа
Получение и собирание
Аппарат Киппа, созданный в 1844 году, предназначен для получения газа при реакции твёрдого вещества с жидкостью без нагревания. В нём получают \(\ce{H2}\) из цинка и кислоты, \(\ce{CO2}\) из мрамора и \(\ce{H2S}\) из сульфида железа. Когда кран закрывают, давление выделившегося газа вытесняет кислоту из среднего шара. Кислота перестаёт соприкасаться с твёрдым веществом, и реакция прекращается. После открытия крана кислота возвращается к твёрдому веществу, поэтому выделение газа возобновляется.
Способ собирания зависит от плотности газа и его растворимости в воде. Газ легче воздуха собирают в сосуд, расположенный вверх дном: газ поднимается и вытесняет воздух. Более тяжёлый газ собирают в сосуд, расположенный дном вниз. Если газ мало растворяется в воде, им можно вытеснить воду из заполненного ею сосуда.
| Способ собирания | Для каких газов |
|---|---|
| Воздух вытесняют из сосуда, расположенного вверх дном. | Этот способ подходит для газов легче воздуха: \(\ce{H2}\), \(\ce{NH3}\), \(\ce{CH4}\). |
| Воздух вытесняют из сосуда, расположенного дном вниз. | Этот способ подходит для газов тяжелее воздуха: \(\ce{CO2}\), \(\ce{Cl2}\), \(\ce{SO2}\), \(\ce{NO2}\). |
| Газом вытесняют воду из сосуда. | Этот способ подходит для малорастворимых газов: \(\ce{H2}\), \(\ce{O2}\), \(\ce{N2}\), \(\ce{CO}\), \(\ce{NO}\), \(\ce{CH4}\). |
\(\ce{NH3}\), \(\ce{HCl}\) и \(\ce{SO2}\) над водой не собирают, поскольку они хорошо в ней растворяются. \(\ce{NO}\) собирают только над водой: на воздухе он окисляется.
boltСравнение плотности газа с плотностью воздуха
Сравните молярную массу газа с 29 г/моль — средней молярной массой воздуха. \(\ce{NH3}\) (17) и \(\ce{CH4}\) (16) легче воздуха; \(\ce{CO2}\) (44) и \(\ce{Cl2}\) (71) тяжелее. Молярные массы \(\ce{N2}\) (28) и \(\ce{CO}\) (28) близки к молярной массе воздуха, поэтому эти газы вытеснением воздуха не собирают.
scienceПолучение газов в аппарате Киппа
- \(\ce{Zn + 2HCl -> ZnCl2 + H2 ^}\) — при взаимодействии цинка с соляной кислотой выделяется водород.
- \(\ce{CaCO3 + 2HCl -> CaCl2 + CO2 ^ + H2O}\) — при взаимодействии мрамора с соляной кислотой выделяется углекислый газ.
- \(\ce{FeS + 2HCl -> FeCl2 + H2S ^}\) — при взаимодействии сульфида железа с соляной кислотой выделяется сероводород.
Очистка и осушка
Газ, выходящий из прибора, может содержать пары воды, брызги кислоты и примеси других газов. Для очистки используют промывные склянки, а для удаления паров воды — осушительные колонки. Поглотитель выбирают так, чтобы он удалял примесь, но не реагировал с газом, который требуется получить.
| Осушитель | Годится для | Не годится для |
|---|---|---|
| Концентрированная \(\ce{H2SO4}\). | Осушает \(\ce{H2}\), \(\ce{O2}\), \(\ce{N2}\), \(\ce{CO2}\), \(\ce{Cl2}\), \(\ce{HCl}\). | Не подходит для \(\ce{NH3}\), поскольку он является основанием, и для \(\ce{H2S}\), \(\ce{HBr}\), \(\ce{HI}\), поскольку они окисляются. |
| Безводный \(\ce{CaCl2}\). | Осушает большинство газов. | Не подходит для \(\ce{NH3}\): с ним образуется аммиакат \(\ce{CaCl2*8NH3}\). |
| \(\ce{P4O10}\). | Осушает нейтральные и кислые газы. | Не подходит для \(\ce{NH3}\). |
| \(\ce{CaO}\) и \(\ce{KOH}\). | Подходят для осушки \(\ce{NH3}\) и нейтральных газов. | Не подходят для \(\ce{CO2}\), \(\ce{Cl2}\), \(\ce{HCl}\), \(\ce{SO2}\). |
При очистке газов используют реакции, в которых примесь связывается поглотителем. Например, щёлочь удаляет углекислый газ, а раствор гидрокарбоната натрия позволяет очистить углекислый газ от примеси хлороводорода.
scienceОчистка газов
- \(\ce{CO2 + 2NaOH -> Na2CO3 + H2O}\) — щёлочь поглощает углекислый газ с образованием карбоната натрия.
- \(\ce{HCl + NaHCO3 -> NaCl + CO2 + H2O}\) — раствор гидрокарбоната натрия удаляет хлороводород из углекислого газа.
- \(\ce{H2S + CuSO4 -> CuS v + H2SO4}\) — сероводород реагирует с сульфатом меди с образованием осадка сульфида меди.
- \(\ce{2Cu + O2 ->[t] 2CuO}\) — раскалённая медь связывает кислород, содержащийся в азоте.
Расчёты с газовыми смесями
Состав газовой смеси можно определить по изменению её объёма после реакции или по её плотности. Согласно закону Авогадро, объёмы газов при одинаковых условиях пропорциональны количествам вещества. Поэтому соотношение объёмов прореагировавших газов находят по коэффициентам в уравнении реакции. Плотность смеси позволяет определить её среднюю молярную массу и затем рассчитать состав.
Объёмы газов до и после реакции измеряют в эвдиометре — градуированной трубке с впаянными электродами.
edit_noteВзрыв в эвдиометре
Смесь 50 мл \(\ce{H2}\) и 40 мл \(\ce{O2}\) взрывают в эвдиометре. Реакция протекает по уравнению \(\ce{2H2 + O2 -> 2H2O}\). На 50 мл \(\ce{H2}\) расходуется 25 мл \(\ce{O2}\). Следовательно, кислород находится в избытке, и после конденсации воды остаётся 15 мл кислорода.
edit_noteСостав по плотности
Рассмотрим смесь \(\ce{H2}\) и \(\ce{O2}\) со средней молярной массой 12,0 г/моль. Обозначим через \(x\) молярную долю водорода. Тогда \(2{,}016x + 32{,}00(1 - x) = 12{,}0\), откуда \(x = 0{,}667\). Поскольку объёмная доля газа равна его молярной доле, примерно две трети смеси составляет водород. Такой состав соответствует стехиометрической «гремучей» смеси.
history_eduЭвдиометр
Слово «эвдиометр» означает «измеритель чистоты воздуха». Вольта и Кавендиш взрывали в нём смеси воздуха с водородом и по уменьшению объёма определяли долю кислорода. В 1783 году Кавендиш получил 20,8 % — значение, близкое к современному.
boltУчёт объёмов до и после реакции
Составьте таблицу из трёх строк — «было», «прореагировало», «осталось» — и записывайте в неё объёмы прямо в миллилитрах, без перевода в моли. Проверьте, какой газ находится в избытке. После конденсации воду не учитывают при расчёте объёма оставшейся газовой смеси.
push_pinГлавное
Способ собирания газа выбирают по его плотности и растворимости в воде: лёгкие \(\ce{H2}\) и \(\ce{NH3}\) вытесняют воздух из сосуда, расположенного вверх дном, тяжёлые \(\ce{CO2}\) и \(\ce{Cl2}\) — из сосуда, расположенного дном вниз, а малорастворимые \(\ce{H2}\), \(\ce{O2}\), \(\ce{N2}\), \(\ce{CO}\) и \(\ce{NO}\) собирают вытеснением воды. Осушитель не должен реагировать с газом: концентрированная \(\ce{H2SO4}\) не подходит для \(\ce{NH3}\), \(\ce{H2S}\), \(\ce{HBr}\) и \(\ce{HI}\); \(\ce{CaCl2}\) — для \(\ce{NH3}\); основные осушители \(\ce{CaO}\) и \(\ce{KOH}\) — для кислых газов. При расчёте состава смеси учитывают, что объёмы газов пропорциональны количествам вещества: после реакции \(\ce{2H2 + O2 -> 2H2O}\) в газовой смеси остаётся избыточный компонент, а средняя молярная масса позволяет найти доли компонентов.
Закрепите теорию: 9 заданий с проверкой и подсказками, урок зачитывается от 70 %.