Физические и химические явления 15 страница

Некоторые реакции замещения с участием водорода – промышленно важные, и используются для получения металлов в металлургии. В реакциях водорода с оксидами получают такие

металлы как: цирконий,  гафний,

молибден, вольфрам.

В продажу водород поступает в баллонах под высоким давлением. Они

окрашены в тёмно-зелёный цвет и снабжаются красной надписью «Водород».

Подведем итоги

Вопросы, упражнения и задачи

Составьте уравнения реакций взаимодействия водорода с литием, калием, кальцием, барием. Назовите полученные гидриды.

Какие летучие водородные соединения образуются при реакции водорода с хлором, азотом, углеродом, селеном? Составьте уравнения реакций, если валентность хлора в полученном соединении – I, азота – III, углерода – IV, селена – II.

Разместите формулы следующих летучих водородных соединений в порядке увеличения массовой доли водорода в них: CH4, HCl, NH3, H2S.

Приведите формулу соединения, в котором массовая доля хрома в 26 раз больше массовой доли водорода, а массовая доля кислорода в 32 раза больше массовой доли водорода.

Закончите уравнения реакций, назовите продукты, определите тип реакций: 1) Н2 + O2 ® ?               4) Н2 + Вr2 ® ?

2) Н2 + S ® ?                                            5) Н2 + N2 ® ?

3) Н2 + Сl2 ® ?                                          6) Н2 + F2 ® ?

Вместо букв А, Б, В и Г запишите формулы соответствующих веществ и составьте химические уравнения:

t°

1) Na + H2 →   А                                          3) A + H2O ®  Б + H2­

t°

2) Ba + H2 →   B                                          4) B + H2O ®  Г + H2­

Какие из перечисленных уравнений отражают применение водорода?

Укажите продукты реакций и расставьте коэффициенты: 1) Bi2O3 + H2 ®        3) Fe3O4 + H2 ®

2) Cu2O + H2 ®                                         4) Re2O7 + H2 ®

Осуществите превращения:

1) HCl ® H2 ® H2O ® H2 ® HBr

2) Ca ® CaH2 ® H2 ® H2S ® SO2

Среди перечисленных ниже соединений найдите формулы селеноводорода,

теллуроводорода и оксидов селена и теллура. Укажите валентность селена и теллура в этих соединениях. Как валентность связана с номером группы, в которой селен и теллур находятся в Периодической Системе: Н2ТеO3, H2Se, H2SeO4, SeF6, ТеO3, Na2Se, Н2Те, ТеСl6, SeO3, Na2Te, Н6ТеO6? Сделайте вывод о валентности неметаллов в водородных соединениях и на основе этого вывода составьте формулы соединений водорода с фтором, хлором, серой, азотом, фосфором, углеродом, кремнием.

Напишите уравнения реакций водорода с:

1) оксидом вольфрама (VI);                     3) оксидом железа (III);

2) оксидом никеля (II);                             4) оксидом свинца (II).

Укажите тип реакций и условия их протекания. Где применяются эти реакции?

Закончите уравнения осуществимых реакций: 1) Н2 + Сl2 ®   3) Н2 + FeO ®

2) Н2 + Н2O ®                                          4) Н2 + O2 ®

Выберите, с каким веществом не будет реагировать водород: N2, Fe2O3, СН4, F2. Напишите уравнения осуществимых реакций. Укажите тип реакций.

Напишите уравнения реакций, при помощи которых можно осуществить превращения:

1) Н2 ® НСl ® Н2;                                   3) Н2 ® Н2O ® Н2;

2) Сu ® СuО ® Сu;                                 4) H2SO4 ® Н2 ® НВr.

Объясните, почему водород считают экологически чистым топливом. Ответ подтвердите уравнением реакции.

Можно ли водород использовать в газовых плитах вместо природного газа? Аргументируйте свой ответ.

Приведите примеры кислот, молекулы которых обменивают на металл лишь один из своих атомов водорода.

Напишите уравнение реакции горения водорода в оксиде азота (IV), учитывая, что из шести молекул взятой смеси газов получается, не считая паров воды, одна молекула нового газа.

Найдите формулы кислот, имеющих следующий элементный состав: 1) Н – 2,1%, N – 29,8%, О – 68,1%;

2) Н – 2,4%, S – 39,1%, О – 58,5%;

3) Н – 3,7%, Р – 37,8%, О – 58,5%.

Летучее водородное соединение H2 X содержит 2,47% водорода по массе. Определите элемент Х.

Гидрид некоторого одновалентного металла содержит 1,16% водорода по массе. Установите формулу гидрида.

Блокнот эрудита

77. «Водородная чума» железа

Французский химик Сент-Клер-Девилль после многолетних наблюдений сделал в 1863 г. вывод о том, что железо и сталь «не держат водород, а становятся при определенных условиях проницаемыми для этого легчайшего элемента». Неожиданные разрывы стволов артиллерийских орудий, аварии химического оборудования для процесса синтеза аммиака NH3, где используется водород; наконец, некоторые авиационные катастрофы – все это следствия «водородной чумы» железа. Причина в том, что водород, особенно атомарный, активно реагирует с карбидами железа – в частности, с цементитом, упрочняющим стальные изделия:

Fe3C + 4Н0 = 3Fe + CH4­.

При этом структура металла изменяется, а его прочность резко падает. Другое объяснение этого явления заключается в том, что водород –

вещество чрезвычайно агрессивное, особенно когда его атомы отщепляют свой единственный электрон и превращаются в положительно заряженные ионы – протоны Н+. В сто тысяч раз меньшие по размерам, чем любые другие катионы, протоны легко проникают в мельчайшие, едва зарождающиеся трещины и, соединяясь со свободными электронами, переходят снова в молекулярное состояние. Образовавшийся водород Н2 расширяет трещины подобно клиньям.

Надежное средство борьбы с этим вредным явлением найдено лишь в 30-х годах ХХ века: предложено легировать стали, работающие в контакте с водородом и его соединениями, такими металлами, как титан Ti, ванадий V и молибден Мо. В этом случае в сплаве присутствуют не карбиды железа, а карбиды добавленных в сталь примесных металлов, которые устойчивы к водороду.

78. Гидриды вместо бензина

Можно ли представить себе автомобиль, работающий на металлическом сплаве или на гидриде металла?

Подобные проекты высокоэффективного и, главное, экологически чистого (не загрязняющего окружающую среду) «водородного» автомобиля уже разработаны. Гидриды лития LiН и кальция СаН2 разлагаются водой с выделением водорода:

LiH + H2О = LiOH + H2­, СаН2 + 2Н2О = Са(ОН)2 + 2Н2­.

Подсчитано, что запас гидрида кальция, эквивалентный по получаемой в водородном двигателе энергии сорокалитровому запасу бензина, равен 98 кг.

Установлено, что лантано-никелевый сплав, отвечающий соединению LaNi5, способен поглощать значительное количество водорода и выделять его при сравнительно слабом нагреве. Такого рода сплавы также начинают применять в водородных двигателях.

Практическая работа 5.

Реакция водорода с оксидом меди (II)

Подготовка к практической работе

При выполнении практической работы строго выполняйте только те опыты, которые прописаны в инструкции или оговорены учителем. Обратите внимание, что данная работа предусматривает работу с хрупкой стеклянной посудой, нагревательными приборами. Перед началом работы повторите правила работы со стеклянной посудой и нагревательными приборами. Работу необходимо выполнять в застегнутом халате или фартуке.

Внимательно прослушайте инструктаж учителя о последовательности получения водорода и проверки его на чистоту!

Рисунок 162. Прибор для получения газов

 

Получение водорода и проверка его на чистоту

В прибор для получения газов на резиновую прокладку поместите несколько гранул цинка или алюминия. Прилейте раствор соляной или серной кислоты так, чтобы жидкость покрывала поверхность гранул  металла.                                    Соблюдайте особую осторожность при работе с кислотами! Что наблюдаете? Составьте уравнение реакции.

После начала выделения водорода, наденьте на газоотводную трубку пробирку вверх дном и подождите несколько минут. Поднесите пробирку отверстием к пламени спиртовки. Если слышится звонкий хлопок, значит, еще не весь воздух вытеснен из прибора. Повторите проверку на чистоту через 1–2 минуты. Если при поднесении отверстия пробирки к пламени хлопок слабый – значит водород чистый, его можно применять для дальнейшего эксперимента.

 

Реакция водорода с оксидом меди (II)

Насыпьте в пробирку немного порошка оксида меди (II). Пробирку необходимо закрепить в лапке штатива так, чтобы ее отверстие было немного наклонено вниз (рисунок 161, параграф 25). Для чего это делается?

Поместите газоотводную трубку, по которой выходит водород, так, чтобы она была в непосредственной близости к порошку CuO. Нагревайте пробирку при помощи спиртовки. Что наблюдаете? Составьте уравнение реакции.

Составьте отчет о проделанной работе по форме, указанной учителем. После проведения опытов приведите в порядок рабочее место.

Подведем итоги

Вопросы, упражнения и задачи

Почему в работе с водородом необходимо соблюдать особую осторожность?

Можно ли поджигать водород, выделяющийся из газоотводной трубки, без проверки его на чистоту?

Можно ли собрать водород методом вытеснения воды?

В двух колбах, одинаковых по объему, находится водород и кислород. Колбы стоят на весах. В сторону какой колбы отклонится стрелка весов?

На рисунке 163 изображены различные способы собирания газов. Укажите, при помощи какого способа можно собрать водород, а при помощи какого – кислород.

Рисунок 163. Различные способы собирания газов

В трех колбах находятся кислород, водород и углекислый газ. Предложите способы распознавания этих газов.

В лаборатории получили водород и заполнили им фарфоровый сосуд. Сосуд плотно закупорили. Через некоторое время оказалось, что в сосуде водорода нет. Каким образом водород улетучился из сосуда?

А) Какой прибор изображен на рисунке 164? С какой целью он используется? Назовите детали 1 – 6 и объясните принцип действия прибора.

Рисунок 164.

Б) Какие вещества используются для работы с данным прибором? В) Как прибор заряжают, разряжают и как из него отбирают газ?

А) Какие известные вам вещества можно получить, воспользовавшись приборами, изображенными на рисунке 165?

Рисунок 165.

Б) Укажите исходные вещества, которые необходимо использовать в каждом отдельном случае. Приведите уравнения соответствующих реакций.

В) Назовите изображенный на рисунке прибор автоматического действия. Г) В каких из приведенных случаев а, б, в, г, получают бесцветный газ?

Д) Что будет происходить в каждой части прибора в, если экспериментатор перекроет кран?

А) Какие вещества можно получить, воспользовавшись приборами а, б, в, изображенными на рисунке 166? Напишите уравнения возможных реакций.

Б) Какие исходные вещества могут быть использованы в каждом отдельном случае? Напишите уравнения реакций между ними.

В) Каков принцип действия приборов а, б, в?

Г) Одинаков ли принцип действия приборов а, б, в? Опишите правила обращения с каждым из этих приборов.

Рисунок 166.

Напишите уравнения следующих реакций:

1) Вольфрам получают действием водорода на оксид вольфрама (VI).

2) Гидрид лития реагирует с водой с образованием LiOH.

3) Магний реагирует с соляной кислотой с образованием MgCl2.

4) Водород реагирует с хлором Cl2.

5) Пероксид водорода разлагается с течением времени.

Относительная молекулярная масса соединения азота с водородом равна 32. Определите формулу этого соединения, если массовая доля азота в нем составляет 87,5%.

Выведите формулы кислот, воспользовавшись следующими данными об их составе:

1) 1,03% Н, 82,47% Br, 16,49% O

2) 0,88% Н, 70,8% Br, 28,32% O

3) 0,77% Н, 62,01% Br, 37,21% O

4) 0,69% Н, 55,17% Br, 44,14% O

Молекулярная масса оксида металлического элемента больше молекулярной массы его гидрида: а) в 3,75 раза; б) в 3,4 раза. Определите элемент, запишите формулы его оксида и гидрида, если валентность элемента в оксиде и гидриде одна и та же.

Во время разложения 9 г воды под действием электрического тока выделилось 8 г кислорода. Исходя из закона сохранения массы веществ, вычислите массу образовавшегося водорода.

газа. Молекулы водорода значительно легче молекул азота и кислорода, из которых состоит воздух, и звук в водороде распространяется почти вчетверо быстрее, чем в воздухе. Однако вдыхать водород рискованно: в легких он неминуемо смешается с остатками воздуха и образует гремучую смесь.

80. Рискованный опыт Розье

Французский химик XVII в. Пилар де Розье заинтересовался, что будет, если вдохнуть водород: до него это никто не пробовал. А что было дальше?

Не заметив сначала никакого эффекта, Розье решил убедиться, проник ли водород в легкие? Еще раз глубоко вдохнув водород, он выдохнул его... на огонь свечи. Водород был, конечно, смешан с воздухом, и произошел взрыв! Розье впоследствии писал: «Я думал, что у меня вылетят все зубы вместе с корнями». Тем не менее, он остался доволен результатами опыта, который едва не стоил ему жизни.

81. Восстановление водородом оксидов металлов

Водород относится к числу слабых восстановителей. Однако, применяя избыток водорода и удаляя током водорода один из продуктов реакции – пары воды, можно восстановить даже довольно прочные оксиды.

При восстановлении прочных оксидов, например вольфрама, молибдена и особенно хрома, водород используется при восстановлении только частично и для получения металлов нужно пропускать над оксидом большие количества водорода. При восстановлении прочных оксидов нужно применять тщательно осушенный водород.

Такие прочные оксиды, как оксиды алюминия, кальция, марганца и т.д., практически восстановлению не поддаются. Как показывают расчеты, для получения 1 г указанных металлов над оксидом нужно пропустить миллиарды литров абсолютно сухого водорода.

Восстановление окислов многовалентных металлов проходит ступенчато. Например, двуокись марганца сначала легко восстанавливается до Мn2О3, затем до Мn3О4 и, наконец, до закиси МnО. Поскольку последний оксид весьма прочен, восстановление на этом и заканчивается.

Оксиды щелочных металлов, за исключением лития, также восстанавливаются водородом. Но получающиеся металлы возгоняются и при охлаждении частично окисляются парами воды, образующимися за счет восстановления оксидов.

В промышленности методом водородотермии (нагревания с водородом при нагревании) получают молибден, вольфрам, германий, галлий и индий. Восстановление проводят в трубчатых печах. Для получения металлов в чистом виде необходимо применять чистый водород и чистые оксиды, так как загрязнения обычно переходят в металл.

§27. Количество вещества

Что такое моль?

Характеристики физических тел, химических веществ описываются при помощи определенных параметров, которые имеют единицы измерения. Так, например, масса любого вещества в системе СИ измеряется в килограммах, а объем в литрах.

При составлении химических уравнений мы рассматриваем качественный состав химической реакции, то есть определяем, какие вещества вступают в химическую реакцию, и какие образуются. Например, реакция магния с серой описывается следующим химическим уравнением:

Mg + S = MgS.

Из уравнения реакции следует, что при реакции одного атома магния с одним атомом серы, образуется одна формульная единица сульфида магния MgS. Естественно, невозможно взвесить один или два атома. Это и не нужно, так как для определения количества частиц, вступающих и образующихся в результате химических реакций, используется физическая величина – количество вещества.

В системе СИ количество вещества допускается обозначать двумя символами:

«n» (эн) и «n» (ню). В химии более распространен второй символ, это греческая буква ню.

Любая физическая величина имеет единицу измерения. Единицей измерения количества вещества является моль. Сколько же частиц составляет 1 моль?

Термин «моль» происходит от латинского слова moles – количество, масса, счётное множество.

Слово «моль» не склоняется, если перед ним есть число, но склоняется, если числа нет. Например: взято 2 моль водорода, определение моля.

Путем измерений было установлено, что в 12 г углерода, содержится

6,02 ·10 23 атомов углерода.

Следовательно, 1 моль любого вещества содержит одинаковое количество структурных частиц, а именно 6,02 ·10 23. Вода, количеством вещества 1 моль содержит

6,02·1023 молекул воды. Железо, количеством вещества 1 моль содержит 6,02∙1023 атомов железа и так далее.

Количество структурных частиц, содержащихся в 1 моль любого вещества – величина постоянная, и названа в честь итальянского ученого Амадео Авогадро – постоянной (числом) Авогадро. Постоянную Авогадро обозначают символом N A.

При помощи современных методов значение числа Авогадро периодически пересчитывается и корректируется. Так, например, последнее уточнение числа производилось в 2014 году. Полученное значение выглядит так: N A = 6,022 140 857·1023. В расчетах, как правило, используется округленное значение постоянной Авогадро, до сотых.

Какова единица измерения постоянной Авогадро? Данная величина показывает количество частиц N, содержащихся в 1 моль 𝜈. Можем записать:

                                                                

 

частиц моль

Из формулы можно определить единицу измерения постоянной Авогадро:

 

.

Выразим из этой формулы количество структурных частиц N:

 

                                                          

Количество вещества n измеряется в моль, а постоянная Авогадро имеет

единицу измерения ^частиц. Следовательно: моль∙ ^частиц = частиц. Так как моли при

моль                                                  моль

перемножении сокращаются, следовательно, единица измерения количества частиц – частицы.

Выразим значение количества вещества:

Подтвердим, что единица измерения количества вещества – моль. Разделим количество частиц, измеряемое в частицах, на постоянную Авогадро, измеряемую в

частиц

моль

частицы частицы/моль

Частицы при делении сократились.

= моль.

 

Примеры решения задач

Рассмотрим примеры задач, в которых используются понятия моль, количество частиц, постоянная Авогадро.

Задача 1. Определите количество атомов, содержащихся в 2 моль фосфора.

Дано: n(Р) = 2 моль

Решение: Для нахождения количества частиц, в данном случае атомов

N(P) –?

фосфора, мы должны применить формулу: N = n·NA N(P) = 2 моль·6,02·1023 атомов  = моль = 12,04·1023 атомов = 1,204·1024 атомов Ответ: 1,204·1024 атомов фосфора

Задача 2. Сколько атомов кислорода и водорода содержится в 3 моль воды?

Дано: n(H2O) = 3 моль

Решение: Из условия известно количество вещества воды. Найдем количество молекул N воды, содержащееся в 3 моль ее. Для этого воспользуемся формулой: N = nNA N(H2O) = 3 моль·6,02·1023 молекул  = моль = 18,06·1023 молекул = 1,806·1024 молекул Каждая молекула воды состоит из двух атомов кислорода и одногоатома водорода, следовательно, чтобы определить количество атомов водорода, нужно количество молекул воды умножить на два: N(H) = 2·1,806·1024 = 3,612∙1024 атомов Для определения количеств атомов кислород, количество молекул воды умножаем на единицу: N(О) = 1·1,806·1024 = 1,806·1024 атомов Ответ: N(Н) = 3,612·1024 атомов, N(О) = 1,806·1024 атомов.

N(H) –? N(O) –?

 

Насколько велик 1 моль?

Число Авогадро, с точки зрения математики, – гигантское число! Но с точки зрения химии 1 моль какого либо вещества – это не так уж и много. Например, в обычном стеклянном стакане, в который помещается 200 г воды, содержится около  11 моль воды. Только вообразите, какое огромное число молекул содержится в одном стакане!

Существует масса способов, при помощи которых можно показать, насколько число Авогадро огромное! Вот некоторые из них:

· в пустыне Сахара содержится менее трёх молей самых мелких песчинок;

· если футбольный мяч увеличить в N A раз по объёму, то в нём поместится земной шар;

· если же в N A раз увеличить диаметр мяча, то в нём

поместится самая большая галактика, включающая сотни миллиардов звёзд;

· во Вселенной содержится примерно N A звёзд;

Рисунок 167.

· если взять 1 моль красителя, пометить каким-либо способом все его молекулы, вылить в море и подождать, пока он равномерно распределится по всем морям и океанам до самого дна, то, зачерпнув в любом месте земного шара стакан воды, обязательно обнаружим в нём не один десяток «меченых» молекул.

Подведем итоги

Вопросы, упражнения и задачи

Рассчитайте количество вещества углекислого газа (СO2), если число его молекул равно 12,04·1023.

Вычислите количество вещества кислорода (O2), если число его молекул равно 3,01·1023.

Сколько атомов углерода, водорода и кислорода содержится в 1 моль глюкозы, формула глюкозы C6H12O6?

Каково общее число атомов, содержащихся в 1 моль оксида углерода (IV)?

Вычислите число молекул в указанных ниже веществах, если их количество вещества равно:

1) 5 моль кислорода O2;               3) 4 моль серной кислоты H2SO4;

2) 2 моль серы S;                          4) 10 моль азота N2.

Сколько молекул углекислого газа содержится в следующих порциях углекислого газа: 1) 0,25 моль; 2) 0,75 моль; 3) 1,25 моль?

Какое количество вещества составит: 1) 12,04·1023 атомов меди; 2) 3,01·1023 молекул водорода; 3) 24,08∙1023 атомов цинка?

Сколько атомов кислорода и фосфора содержится в 0,5 моль его оксида, формула которого P4O10?

Вычислите количество каждого из указанных ниже веществ (молекул и атомов), если есть:

1) 60,2·1023 атомов натрия (Na); 2) 18,03·1023 молекул азота (N2);

3) 1,204·1023 молекул серной кислоты (H2SO4); 4) 24,08·1023 атомов меди (Сu).

Имеют ли смысл выражения: а) 1/5 моль; б) 1/5 молекулы; в) 1/5 массы молекулы?

 

 

82. Поташ

Блокнот эрудита

Моющее действие золы растений было известно древним грекам и египтянам за 2000 лет до н.э. А в X–XI вв. люди научились извлекать из золы серое гигроскопичное (притягивающее влагу из воздуха) вещество, которому дали название «поташ» (вероятно, от немецких слов «потт» – горшок и «аш» – зола). Раствор, получаемый после обработки древесной золы горячей водой, выпаривали досуха и прокаливали в горшках. Для получения поташа сжигали древесину только определенных пород – сосну, клен и березу. Но самой богатой поташом была зола подсолнечника. О количестве производимого и вывозимого за границу русского поташа, который славился высоким качеством, можно судить по сохранившимся записям в «Книге икряной и поташной отдачи», относившейся к 1653–1654 гг. Иностранцам было продано в тот период 520 бочек поташа (около 418 т). Поташ – карбонат калия K2СO3.

83. Каломель и сулема

Эти два вещества стали известны за 500–300 лет до н.э. Название «каломель» происходит от греческих слов «калон» и «мелас» и означает «прекрасный черный». Действительно, если подействовать на белую блестящую массу кристалликов каломели, малорастворимых в воде, водным раствором аммиака, то она приобретает глубокий черный цвет из-за выделения мельчайших капелек ртути. Название «сулема», видимо, связано со словом «сублимация» (возгонка). В старину это вещество действительно получали, нагревая смесь сульфата ртути с поваренной солью, причем сулема возгонялась – переходила в газообразное состояние без плавления, а при охлаждении паров образовывала бесцветные прозрачные кристаллы лучистой формы. В воде сулема растворима, но практически не распадается на ионы. Сулема – один из сильнейших ядов, но издавна применялась как лекарство-антисептик. В 1733 г. во время правления в России императрицы Анны Иоанновны был издан приказ, запрещающий торговать сулемой «в рядах, лавках и торжках».

Каломель – это дихлорид диртути Hg2Cl2. При действии аммиака на это соединение протекает реакция:

Hg2Cl2 + 2NH3 = Hg(NH2)Cl¯ + Hg¯ + NH4Cl.

Сулема – дихлорид ртути HgCl2, раньше ее получали по реакции: HgSO4 + 2NaCl = HgCl2¯ + Na2SO4.

84. Серебро – Argentum, Ag (47)

Войско Александра Великого, более известного под именем Македонского, двигалось с боями по странам Азии (IV в. до н.э.). После того как войска вступили на территорию Индии, среди воинов начались тяжелые желудочно-кишечные заболевания.

После ряда кровопролитных сражений и пышно отпразднованных побед весной 326 г. Александр вышел к берегам Инда. Однако победить главного своего врага – болезнь – «непобедимое» войско Александра не могло. Воины, истощенные и обессиленные, отказались идти вперед к берегам Ганга, куда влекла Александра жажда завоеваний. Осенью 326 г. войска Александра начали отступление.

Сохранившиеся описания истории походов Александра Македонского показывают, что рядовые воины болели чаще, чем военачальники, хотя последние находились в походе в одинаковых условиях с рядовыми воинами и в равной степени делили с ними все неудобства и лишения походной жизни. Только через 2250 лет причина различной заболеваемости воинов Александра Македонского была найдена. Она заключалась в разности снаряжения: рядовому воину полагался оловянный бокал, а военачальнику – серебряный.