Распознавание газов
Признаки газов
Газ можно предварительно определить по цвету и запаху, но для надёжного вывода обычно требуется качественная проба — наблюдение характерного изменения при взаимодействии газа с другим веществом. Результаты основных проб приведены в таблице.
| Газ | Цвет, запах | Характерная проба |
|---|---|---|
| \(\ce{H2}\) | Газ не имеет цвета и запаха. | При поджигании небольшой пробы слышен лёгкий хлопок; на холодном стекле образуются капли воды. |
| \(\ce{O2}\) | Газ не имеет цвета и запаха. | Тлеющая лучина вспыхивает. |
| \(\ce{N2O}\) | Газ имеет сладковатый запах. | Тлеющая лучина тоже вспыхивает, но при смешении газа с NO побурения не происходит. |
| \(\ce{CO2}\) | Газ не имеет цвета и запаха. | Газ гасит пламя и вызывает помутнение известковой воды. |
| \(\ce{N2}\) | Газ не имеет цвета и запаха. | Газ гасит пламя, но не вызывает помутнения известковой воды. |
| CO | Газ не имеет цвета и запаха. | Газ горит голубым пламенем; бумажка, смоченная раствором \(\ce{PdCl2}\), чернеет. |
| \(\ce{NH3}\) | Газ имеет резкий запах. | Влажная красная лакмусовая бумажка синеет; при контакте с HCl образуется белый дым. |
| HCl | Газ имеет резкий запах и дымит во влажном воздухе. | При контакте с \(\ce{NH3}\) образуется белый дым; после растворения газа в воде добавление \(\ce{AgNO3}\) вызывает образование осадка. |
| \(\ce{Cl2}\) | Газ жёлто-зелёный, с удушливым запахом. | Влажная иодкрахмальная бумажка синеет, а влажная лакмусовая бумажка обесцвечивается. |
| \(\ce{SO2}\) | Газ имеет резкий запах. | Газ обесцвечивает раствор \(\ce{KMnO4}\) и иодную воду; известковая вода мутнеет. |
| \(\ce{H2S}\) | Газ имеет запах тухлых яиц. | Бумажка, смоченная раствором ацетата свинца, чернеет. |
| NO | Газ не имеет цвета и запаха. | При контакте с воздухом газ буреет (\(\ce{NO2}\)). |
| \(\ce{NO2}\) | Газ бурый, с резким запахом. | Иодкрахмальная бумажка синеет; при растворении газа в воде образуется кислый раствор. |
Одна проба не всегда позволяет различить газы. Например, известковая вода мутнеет как от \(\ce{CO2}\), так и от \(\ce{SO2}\), но только второй газ обесцвечивает иодную воду. Тлеющая лучина вспыхивает и в \(\ce{O2}\), и в \(\ce{N2O}\); различить их позволяет проба с NO, который в присутствии кислорода превращается в бурый газ. Если же исследуемый газ гасит пламя, известковая вода помогает отличить \(\ce{CO2}\) от \(\ce{N2}\).
scienceПробы на газы
- \(\ce{NH3 + HCl -> NH4Cl}\) — при контакте газов образуется белый дым.
- \(\ce{Cl2 + 2KI -> 2KCl + I2}\) — выделившийся иод даёт с крахмалом синюю окраску.
- \(\ce{2NO + O2 -> 2NO2}\) — при контакте с воздухом газ буреет.
- \(\ce{SO2 + I2 + 2H2O -> H2SO4 + 2HI}\) — при пропускании газа через иодную воду её окраска исчезает.
Плотность и молярная масса
Если цвет и результаты первых проб не позволяют сразу определить газ, дополнительным признаком служит его плотность. По плотности находят молярную массу:
- При н. у. плотность измеряют в граммах на литр и используют соотношение \(M = \rho\cdot22{,}4\) л/моль.
- Если известна относительная плотность по водороду или по воздуху, используют соотношения \(M = D_{\ce{H2}}\cdot2\) или \(M = D_\text{возд}\cdot29\).
Однако одинаковую молярную массу имеют \(\ce{CO2}\), \(\ce{N2O}\) и пропан (44), а также \(\ce{N2}\), CO и \(\ce{C2H4}\) (28). Поэтому плотность сужает круг возможных ответов, но окончательный выбор делают по химическим пробам.
Для смеси по плотности находят среднюю молярную массу: \(\bar{M} = \sum\varphi_iM_i\). В этом соотношении учитываются молярная масса каждого газа и его доля в смеси. Если газов два, по средней молярной массе можно определить их состав.
edit_noteСмесь по плотности
Смесь \(\ce{H2}\) и \(\ce{O2}\) имеет плотность по водороду 7,0, поэтому \(\bar{M} = 14\). Обозначим через x мольную долю водорода. Тогда \(2x + 32(1 - x) = 14\), откуда \(x = 0{,}60\). Следовательно, объёмная доля водорода в смеси составляет 60 %.
Плотность учитывают и при сборе газов вытеснением воздуха. При этом способе важно также помнить о растворимости: газ, который хорошо растворяется в воде, нельзя собирать над водой. Кроме того, контакт с воздухом может изменить состав пробы, как происходит с NO.
boltГазы тяжелее и легче воздуха
Газы тяжелее воздуха (M > 29) — \(\ce{CO2}\), \(\ce{SO2}\), \(\ce{Cl2}\), \(\ce{H2S}\), HCl, \(\ce{NO2}\) — собирают в сосуд, который держат отверстием вверх. Более лёгкие газы \(\ce{H2}\), \(\ce{NH3}\), \(\ce{CH4}\) и He собирают в сосуд, который держат отверстием вниз.
Анализ газовых смесей
Для определения состава смеси недостаточно установить, какие газы в ней присутствуют: нужно найти и количество каждого из них. Один из способов — последовательное поглощение. Смесь поочерёдно пропускают через растворы, поглощающие разные газы, и после каждого поглотителя измеряют уменьшение объёма. Этот способ применяют в газоанализаторе Орса (1874).
- Сначала раствор KOH поглощает \(\ce{CO2}\), а также другие кислотные газы.
- Затем щелочной раствор пирогаллола поглощает \(\ce{O2}\).
- После этого аммиачный раствор CuCl поглощает CO.
- Оставшийся газ обычно является азотом.
Порядок поглощения важен: если сначала пропустить смесь через щелочной раствор пирогаллола, он поглотит и \(\ce{CO2}\). Кроме того, при наличии других кислотных газов уменьшение объёма после раствора KOH нельзя целиком приписывать углекислому газу.
Состав смеси горючих газов определяют также сжиганием. Для этого смесь горючего газа с кислородом взрывают, затем измеряют уменьшение объёма после конденсации воды и отдельно — уменьшение объёма после поглощения \(\ce{CO2}\) щёлочью. По этим изменениям определяют содержание \(\ce{H2}\), CO и \(\ce{CH4}\) в горючих газах.
scienceПоглотители и сжигание
- \(\ce{CO2 + 2KOH -> K2CO3 + H2O}\) — раствор KOH поглощает углекислый газ.
- \(\ce{CuCl + CO -> [CuCl(CO)]}\) — аммиачный раствор CuCl связывает CO в карбонильный комплекс меди(I).
- \(\ce{2H2 + O2 -> 2H2O}\) — после конденсации воды объём уменьшается на 3 объёма из 3; \(\ce{2CO + O2 -> 2CO2}\) — после сжигания объём уменьшается на 1 объём из 3.
push_pinГлавное
Газ распознают по совокупности признаков. При поджигании \(\ce{H2}\) слышен хлопок; в \(\ce{O2}\) и \(\ce{N2O}\) вспыхивает тлеющая лучина, но \(\ce{O2}\) при реакции с NO образует бурый \(\ce{NO2}\). Газ \(\ce{CO2}\) гасит пламя и вызывает помутнение известковой воды; \(\ce{SO2}\) тоже вызывает её помутнение, но, в отличие от \(\ce{CO2}\), обесцвечивает \(\ce{KMnO4}\) и иод. Газ \(\ce{N2}\) гасит пламя, не изменяя известковую воду, а CO горит голубым пламенем и вызывает почернение бумажки с \(\ce{PdCl2}\). Газ \(\ce{NH3}\) узнают по запаху, посинению влажной красной лакмусовой бумажки и белому дыму при контакте с HCl; HCl дымит во влажном воздухе и образует белый дым с \(\ce{NH3}\). Газ \(\ce{Cl2}\) имеет жёлто-зелёную окраску, вызывает посинение иодкрахмальной бумажки и обесцвечивает влажную лакмусовую бумажку; \(\ce{H2S}\) вызывает почернение бумажки с ацетатом свинца. Газ NO буреет на воздухе, а \(\ce{NO2}\) уже имеет бурую окраску. Состав смеси находят последовательным поглощением: KOH поглощает \(\ce{CO2}\), щелочной раствор пирогаллола — \(\ce{O2}\), аммиачный раствор \(\ce{CuCl}\) — CO. Дополнительно используют плотность и соотношение \(M = \rho\cdot22{,}4\), а для горючих газов — сжигание с измерением изменения объёма.
Закрепите теорию: 9 заданий с проверкой и подсказками, урок зачитывается от 70 %.