Кочкаров Ж.А. Химия в уранениях реакций

Химия в уравнениях реакций

3. Окислительно-восстановительные свойства:

Ме20 (т)+ Н2(г)= МеН + MeOH (Me = Na, К, Rb, Cs) 2МеО + 2Н2 = МеН2 + Ме(ОН)2 (Me = Са, Ва, Sr)

Качественная реакция

Качественной реакцией на водород является «лающий» хлопок при поднесении горящей лучинки к источнику водорода.

1.2. ВО Д А

Химические свойства

Н20 не имеет цвета, запаха и вкуса; проявляет окислительно­ восстановительные свойства. Наличие водородной связи определя­ ет ее аномальные свойства. Имеется молекулярная кристалличес­ кая решетка, характерна sp3-гибридизация атома кислорода; вален­ тный угол составляет 104°52', имеет угловое строение.

Окислительные свойства

♦ Реакции с активными металлами:

2Ме(т)+ 2Н20 = 2МеОН + Н2Т (Me = ЩМ, в обычных условиях) Ме(т)+ 2Н20 = Me (ОН)2 + Н2Т (Me = ЩЗМ, в обычных условиях) ♦ Реакции с остальными металлами В ряду СЭП металлы, стоящие до водорода, реагируют при оп­

ределенных условиях (снятие оксидной пленки, высокая темпера­ тура):

3Fe(T)+4H20 (rop nap)=Fe30 4 + 4Н2Т (800 “С, Fe30 4 = FeO • Fe20 3)

н 20 + МеН(т)= MeOH + Н Т ;

Н20 + NaH(* = NaOH + Н2Т(ММК)

10

Глава I. Химия элементов и их соединений

2НгО + МеН2(т)= Ме(ОН)2+ 2Н2Т; 2Н20 + СаН2(т)= Са(ОН)2+2Н2Т

Окислительно-восстановительная двойственность:

2НгО = 2Н2(Г)Т + 0 2(Г)Т (t >1000 “С)

Кислотно-основные свойства

♦Реакции с основными оксидами активных металлов: Ме20 (т)+ Н20 = 2МеОН (Me = ЩМ, в обычных условиях) МеО(т)+ Н20 = Ме(ОН)2 (Me = ЩЗМ, в обычных условиях)

♦Реакции с кислотными оксидами:

so 2(r,+ н 2о О H2S03, р2о 5(т)+ зн2о = 2Н3Р04

S0 3(r)+ н 20 = H2S0 4, р20 5(т)+ н 20 = 2НР03

С 02 (г) + Н20 <-> Н2 С 03, Si02 (т) + Н20 * нет реакции

С120 7(Ж)+ н20 <н>2НСЮ4;Ме20 7+ Н20 = 2НМе04 (Me= Mn, Re, Те) СЮ3(т)+ Н20 = Н2СЮ4, 2СЮ3(т)+ Н20 = Н2Сг20 7

Ме20 7 (т) + Н20 = 2НМе04 (Me = Mn, Re, Те) ♦ Реакции с амфотерными оксидами:

(ZnO, ВеО, А120 3, PbO, SnO, Cr20 3, Fe20 3) + Н20 * нет реакции

1.3.Пероксид водорода

н20 2— бесцветная вязкая жидкость с металлическим вкусом, хорошо растворимая в воде, спирте и эфире; концентрированные водные растворы взрывоопасны; 30%-ный раствор пероксида во­ дорода называют пергидролем; вследствие несимметричности мо­ лекула Н20 2 сильно полярна; высокая вязкость жидкого перокси­ да водорода обусловлена водородными связями внутри молекулы; структурная формула:

пп \

Н+1

Атомы кислорода в молекуле Н20 2 находятся в промежуточной степени окисления - 1, что и обусловливает способность пероксидов выступать в роли как окислителей, так и восстановителей; наиболее характерны окислительные свойства; Н20 2 — неустойчивое соедине­

11

Химия в уравнениях реакций

ние, легко разлагается, в разбавленных растворах пероксид водорода тоже неустойчив и самопроизвольно диспропорционирует:

2Н20 2 = 0 2Т + 2Н20.

Пероксид водорода является очень слабой кислотой, по силе примерно равной иону НР042-.

Получение

♦ По реакциям:

Ва02(т)+ H2S04(P)= BaS04i + н 20 2 (О°С) Ва02(т)+ C 02(r)+ Н20 = BaC03i + Н20 2 Na20 2 (т) + 2Н20 = 2NaOH + Н20 2

2К 02(т)+ 2Н20 = 2КОН + Н20 2 + 0 2Т H2S20 8+ 2Н20 = 2H2S0 4+ Н20 2

надсерная кислота

(СН3)2СН (ОН)+ о 2 = с н 3с о с н 3+ н 2о 2

Na20 2 + С2Н5ОН -> NaOOHl + C2H5ONa (при О °С).

♦Электролизом 50% раствора серной кислоты:

1)H2S04= Н+ + HS04 (электролитическая диссоциация)

2)электродные процессы:

X2HSO" + 2Н+= Н2Т + Н2820 8или в молекулярной форме: Х2Н2SO4 = Н2Т + Н2S20 8 пероксодисерная или надсерная к-та; 3) далее гидролиз H2S2Og:

H2S20 8 + 2H20 = 2H2S04+ H 20 2

♦Электролизом раствора NH4HS04b серной кислоте:

1)электродные процессы:

Х2Н+ + 2HS04 = H2t + H2S20 8

X2H2S04= H 2t+ H 2S20 8

2) реакция обмена:

H2S20 8 + 2NH4+ = (NH4) 2s20 8i + 2H+

персульфат

12

мышленности):

(СН3)2СНОН + 0 2= (СН3)2СО + Н20 2 ♦ Твердые гидропероксиды могут быть получены по реакции:

Na20 2 + С2Н5ОН -» NaOOHi + C2H5ONa (при О °С)

Кислотно-основные свойства

Пероксид кислорода Н20 2 — очень слабая кислота, поэтому в водных и щелочных растворах ее молекулы превращаются в гидро­

Ва(0Н)2(р)+ Н 20 2(р)^ В а 0 2 + 2Н20; Na0H(p)+ H 20 2(p ,o N aH 0 2+ H 20 2NaOH(p)+ H20 2(p)^ N a 20 2+ 2Н20; Н20 2+ С2Н5ОН = NaH02+ C2H5ONa

Окислительно-восстановительная активность Н20 2 зависит от концентрации.

20%-ный раствор Н20 2 — сильный окислитель, в разбавленных ра­ створах окислительная активность Н20 2 снижается. Восстановительные

Так как имеет место реакция

12+ 5Н20 2(к)=2НЮ 3 + 4Н20,

в избытке пероксида получим:

зн2о 2(к)изб + К1(р)+H2s o 4(pa36)= н ю 3 + KHS0 4 + зн2о

13

Химия в уравнениях реакций

Н 2 ° 2 ( р ) + MgI2(T)+ H2S04(P)= I2I + MgS04+ 2H20 H202(p)+ p bS(T)=PbS0 4 + 4H O

В Д а д * NiS(I)+ H2S0 4(p)= s i + NiS0 4 + 2H20 3H20 2(p)+ 2NaCr02(t)+ 2NaOH(p)= 2Na2Cr04+ 4H20 4H20 2(P)+ H2S(r)= H 2S04 + 4H20

H20 2(p)+H2Se03(p)= H 2Se04 + H20

H20 2(p)+ H2S03(p)= H2S04 + H20 или S02+ H20 2(p)= H2S04 H20 2(p)+N a2S03(p)=N a2S04 + H20

4H20 2(p)+ Na2S20 3(p)=N a2S04 + H2S04+ 3H20 (кат: H2Mo04) 4H20 2(p)+N a2S20 3(p)= Na2S04 + H2S04+3H20

KN02«p>+ H20 2(p)=KN0 3(p)-fH20

2Na3[Cr (OH)6] + 3H20 2 = 2Na2Cr04 + 2NaOH + 8H20 2Кз[Сг (0H)6](p)+ 3KH02(p)= 2К2СЮ4+ 5KOH + 5H20

Н20 2+ M n02+ H2S04= MnS04+ О + 2Н20

2AgN03 + 2NH4O H = 02Т + 2Agi + 2NH4N 03 + 2Н20

14

Глава I. Химия элементов и их соединений

Н20 2(Р)+ 2AgNOJ(p)= 02t + 2A gl + 2HN03 H202(p)+ Ag20 = 02t + 2A gi + H20

н 2о 2(Р,+ с 12= 2н а + о 2Т

H2° 2(P)+ Cl2(r)+ 2NaOH(W= 2NaCl + 2H20 + 0 2t H20 2(p)+ Pb0 2(T)+ H2S0 4(P)=PbS0 4l + 02T + 2H20 H20 2 w + РЮ 2 + КОН = K[Pb(OH)3] + 0 2

KC10(p)+H 20 2(p)= K C l+ 0 2T + H20

CaOCl2(p)+ H 20 2(p)= CaCl2+ 0 2T + H20

Co20 3+ H20 2+ 2H2S04= 2CoS04+ 0 2+ 3H20

Окислительно-восстановительная двойственность H20 2

^ 2^2 (p)+ H20 2 (p)=2H20 + 02T (при 151 °C взрывается) 2Na20 2(x)+ 2C02(r)= 2Na2C 03 + 0 2t (в противогазах) 2Na20 2(T)+ 2H20 = 4NaOH + 0 2T

2K + 2H20 2 = 2KOH + 0 2t + H2T

15

2.ХИМИЯ КИСЛОРОДА

ИОЗОНА

2.1. КИСЛОРОД

0 2— бесцветный газ, без вкуса и запаха, умеренно растворим в воде; аллотропные модификации кислорода: 0 2, 0 3 и Огнеустойчи­ вая форма); сильный окислитель, непосредственно не соединяется с галогенами и благородными газами, Pt и Au.

2р

~ х-у-г

2s и 1 1 Is U

и

Возможные пути получения

♦ Из воздуха — методом низкотемпературной ректификации: из сжиженного воздуха вначале испаряется азот (t^ (02) = -183 °С, U (N 2) = -195,8 °С).

♦Электролизом разбавленных водных растворов щелочей: 2Н20 = 2Н2Т + 0 2Т

♦Термическим или каталитическим разложением:

2КСЮ3(т)= 2КС1 + 302 (400-500 °С, образуемый КСЮ4разлагает­ ся) или 2КСЮ3 (т)=2КС1 + 302 (150-200 °С, кат: Мп02, загрязнен С102)

2КМп04 (т) = К2Мп04 + Мп02 + 0 2Т (210-240 °С) 2Ba02(T)=2B a0 + 0 2t (t)

2Н20 2 = 2Н20 + 0 2Т (кат: М п02) ♦ Другие возможные методы: 2Na20 2 (т) + 2Н20 = 0 2Т + 4NaOH

Н20 2(р)+2КМп04(р)+ 3H2S04(p)= 502Т + MnS04 + K.SO, + 8Н20 2К20 2(т)+ 2С 02 (г)= 2К2С 03 + 0 2Т (регенерация 0 2 из С 02 на кос­

мических станциях).

16

Глава I. Химия элементов и их соединений

СВОЙСТВА к и с л о р о д а

С большинством элементов взаимодействует непосредствен­ но, кроме гелия, неона, аргона, галогенов (за исключением фто­ ра), серебра, золота, платины и др. Горение, гниение, ржавление и дыхание — это окислительно-восстановительные реакций при участии кислорода. За редким исключением (N2+02<-*2N0-Q) все эти реакций экзотермические.

Помните! Все реакции с ЩЭ и ЩЗЭ протекают при ОУ быст­ ро. С остальными металлами — медленно и только с поверхности (Al, Zn, Sn, Ni, Си идр.), поэтому нагревают.

Реакции с неметаллами Внимание! За исключением гелия, неона, аргона, галогенов

(кроме фтора), серебра, золота, платины кислород реагирует со всеми неметаллами. В большинстве случаев образуются высшие оксиды, за исключением серы и азота.

4Р + 302 = 2Р20 3, 4Р+ 5 0 2 = 2Р20 5; S + 0 2 = S 02;

С + 0 2 = С 02; Si + 0 2 = Si02; 2Н2 + 0 2 = 2Н20;

N2 + 0 2 <-►2N O -Q .

17

Химия в уравнениях реакций

Реакции со сложными веществами

НС1 + 0 2

4НС1 + 0 2 = 2С12 + 2Н20 (t, кат: СиС12),

НВг + 0 2 ^ (в темноте), 4НВг+ 0 2 = 2Вг2+ 2Н20 (на свету), 4Ш + 0 2 =212 +2Н20;

2H2S + 0 2 = 2S + 2Н20, 2H2S + 30 2ю6 = 2S02 + 2Н20 , 2S02 + 0 2 = 2S03;

4NH3 + 302 = 2N2 + 6Н20 , 4NH3 + 50 2 = 4NO + 6Н20 (кат), 2NO + 0 2 = 2N02,

2РН3 + 4 0 2 = Р20 5 + ЗН20; SiH4 + 20 2 = Si02 + 2НгО, СаН2 + 302 = СаО + Н20; 6FeO + 0 2 = 2Fe30 4, 4FeO + 0 2 = 2Fe20 3,

4Fe(OH)2 + 0 2 + 2HzO = 4Fe(OH)3, 4N02 + 0 2 + 2HzO = 4HN03,

CaS + H2S04 + 1Л 02 = CaS04 + S° + H20

Na2S + 20 2 = Na2S04,

CaS + 20 2 = CaS04;

4FeS2 +1Ю 2 = 8S02 + 2Fe20 3, 2CuS + 302 =2Cu0 + 2S02; CxHy + 0 2-> C 02 + H20 (CxHy— органические соединения).

18

Глава I. Химия элементов и их соединений

2 .2 . О З О Н

0 3— газ синего цвета с характерным запахом свежести; моле­ кула диамагнитна имеет угловое строение. Характерна ^ -ги б р и ­ дизация центральной частицы, валентный угол составляет 117°, в озонид-ионе 0 3 — ^-гибридизация, валентный угол — 108°. В 0 3 тг-связь делокализуется между тремя атомными частицами кислора-трехцентровая связь; растворимость больше, чем раство­ римость кислорода; сильный окислитель, ядовит, сероуглерод CS2 растворяет озон, при этом раствор окрашивается в синий цвет. Самым лучшим растворителем озона является четыреххлористый углерод СС14, один объем которого поглощает три объема озона, в этом случае растворение также сопровождается окрашиванием жидкости в синий цвет.

Структурные исследования показали, что атомы кислорода рас­ положены в вершинах равнобедренного треугольника с валентным углом 117°: что делает эти атомы не равноценными, один из них является четырехвалентным:

Между двумя атомными частицами кислорода образуются две ковалентные неполярные связи по обменному механизму за счет двух неспаренных электронов от каждой атомной частицы. При­ соединение еще одного атома кислорода происходит по донорноакцепторному механизму, при котором донором электронов вы­ ступает центральная атомная частица (в схеме указана стрелкой), а акцептором — соседняя атомная частица, у которой возникает свободная орбиталь (вакансия) за счет внутриатомного спарива­ ния двух неспаренных электронов. При этом центральной атом­ ной частице приписывают степень окисления +4, а двум сосед­ ним — степень окисления - 2.

Получение озона

Из кислорода (тепловая или электрическая энергия, излуче­

ние):

302<->203- 69 ккал.

19