Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Общая и неорганическая химия. Лабораторный практикум. Учебное пособие
.pdf
1.11. Электролиз. Явление перенапряжения
В U-образную трубку (рис. 1.6) налейте
раствор одной из солей, опустите в оба колена графитовые электроды, подсоединенные
к внешнему источнику постоянного электрического тока. Включите прибор и подайте напряжение на электроды. Что наблюдается? Обнаружьте продукты электролиза
предложенными способами.
2. Влияние перенапряжения на со-
став продуктов электролиза
Используя данные по стандартным
элек-
тродным потенциалам и учитывая перена-
Рис. 1.6. Схема электро-
Рис. 1.6. Схема электро-
лизера с графитовыми
лизера с графитовыми
электродами
электродами
пряжение по водороду и кислороду, обоснуйте состав продуктов электролиза водного раствора хлорида цинка.
Как обнаружить ожидаемые продукты? Составьте уравнения катодных и анодных процессов, суммарные уравнения с разделенными катодным и анодным пространствами и при перемешивании раствора.
Проведите электролиз раствора хлорида цинка на графитовых
электродах так же, как в предыдущем опыте, обнаружьте продукты электролиза.
3. Влияние материала анода на состав продуктов элект-
ролиза
Обоснуйте состав продуктов при электро-
лизе раствора серной кислоты на медном аноде. Составьте уравнения катодных и анодных процессов, суммарное уравнение. Какое
практическое значение может иметь электролиз, идущий по такой схеме?
В большой стакан (рис. 1.7) налейте 1 М
раствор серной кислоты и закройте его крышкой с закрепленными в ней графитовым и
медным электродами. Подсоедините электроды к внешнему источнику постоянного тока
так, чтобы медный электрод поляризовался
анодно. Включите питание, подайте напря-
Рис. 1.7. Схема элек-
Рис. 1.7. Схема элек-
тролизера с медным
тролизера с медным
анодом
анодом
41
Часть 1. Общая химия
жение на электроды. Что наблюдается? Почему на графитовом
электроде водород и медь выделяются одновременно? Начиная с
каких концентраций Cu
2+
на катоде должна преимущественно вы-
деляться медь?
После окончания опыта графитовый электрод погрузите в
10 %-ный раствор азотной кислоты (зачем?), после чего промойте
водой.
Часть 2. ХИМИЯ НЕПЕРЕХОДНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
2.1. Водород
Положение водорода в периодической системе. Электронное
строение атома, его уникальность. Причины двойственного положения атома водорода в периодической системе. Изотопы водорода. Валентные возможности атома. Степени
окисления. Водород как простое вещество, его получение, физические и химические свойства. Гидриды металлов и неметаллов. Вода, ее строение, причины аномального агрегатного
состояния и высокой температуры плавления, физические и
химические свойства. Роль воды в природе. Жесткость воды,
способы ее устранения.
Вопросы и задания
1. Как отличить водород от кислорода, если работа с огнем ис-
ключена?
2. Предложите способы различения водорода от азота, углекис-
лого газа, метана.
3. В таблице приведены некоторые свойства Н2О и D2O (тяже-
лая вода, оксид дейтерия). Обоснуйте различия в свойствах.
[4] Н2О D2O
Температура плавления, °С 0 3,81
Температура кипения, °С 100 101,43
Плотность, г/см
∆fН°
S°
, кДж/моль -285,8 -294,6
298
, Дж/(моль∙К) 70,08 75,9
298
3
1 1,1042
4. В природных водах соотношение между тяжелой и обычной
водой составляет 1:5500. Тяжелая вода токсична лишь в слабой
степени, химические реакции в ее среде проходят несколько медленнее по сравнению с обычной водой, водородные связи с участием дейтерия несколько сильнее обычных. Эксперименты над мле-
43
Часть 2. Химия непереходных элементов
копитающими показали, что замещение >25 % водорода в тканях
дейтерием приводит к быстрой гибели животного. Важнейшим
свойством тяжелой водородной воды является то, что она практически не поглощает нейтроны, поэтому используется в ядерных реакторах для торможения нейтронов и в качестве теплоносителя.
Она применяется также в качестве изотопного индикатора в химии
и биологии. В физике элементарных частиц тяжёлая вода ис-
пользуется для детектирования нейтрино.
5. На рис. 2.1 изображена схема водород-кислородного топливного элемента. Опишите принцип
его действия. Какое применение он
находит? Известно, что рассматривается возможность использования топливных элементов для создания водородных двигателей автомобилей,
однако они имеют очень большую
стоимость по причине содержания в
их конструкции таких дорогих металлов, как палладий и платина.
6. Температура кипения H2 составляет -252 °С, а температура кипения He составляет -269 °С. Объяс-
Рис. 2.1Рис. 2.1
ните данный факт.
7. Какие изотопы водорода извес-
тны? Как будут изменяться температуры кипения изотопов водорода? Что такое тяжелая вода?
8. Взаимодействует ли водород с кислородом в стандартных условиях? Возможна ли такая реакция с термодинамической точки
зрения (подтвердите расчетами)? Объясните данный факт.
9. Определите температурные условия протекания реакции
конверсии метана водяным паром CH4 + H2O → 3H2 + CO.
Лабораторная работа
Работа с водородом требует большой осторожности! Водород
с кислородом и воздухом образует взрывчатые смеси. Поэтому,
прежде чем поджечь водород или начать нагревание прибора, в
44
2.1. Водород
котором он находится, необходимо убедиться в герметичности
установки и в том, что весь воздух из нее вытеснен.
1. Лабораторные способы получения водорода
а) Взаимодействие кальция с водой
Заполните пробирку до краев
водой. Закрыв отверстие большим пальцем, опрокиньте ее в
кристаллизатор
с водой (рис. 2.2).
Достаньте из банки из-под слоя
масла на фильтровальную бумагу металлический кальций, отрежьте 1–2 небольших кусочка,
очистите их от масла при помощи фильтровальной бумаги и с
Рис. 2.2. Прибор для получения водоро-
Рис. 2.2. Прибор для получения водоро-
да действием металла на воду
да действием металла на воду
помощью щипцов поднесите под
отверстие пробирки. Соберите выделяющийся газ и идентифицируйте его. Что образовалось в растворе? Как можно обнаружить этот
продукт? Составьте уравнение реакции.
б) Взаимодействие алюминия и кремния с водным рас-
твором щелочи
В две пробирки поместите по 1–2 кусочка кремния и алюминия (рис. 2.3). Налейте
в пробирки по 2–3 мл 20 %-ного раствора едкого натра и закройте пробками с газоотводными трубками. Если вначале реакции идут
плохо (почему?), пробирки следует подогреть.
Наблюдайте интенсивное выделение водорода, который можно поджечь на выходе. Составьте уравнения реакций и уравняйте их
методом полуреакций.
в) Взаимодействие металла с кислотой
Этим способом пользуются в лаборатории
для получения водорода в больших количествах. Для этого используют аппараты Киппа
(рис. 2.4), которые заряжают гранулированным цинком и 20 %-ной серной кислотой, к
Рис. 2.3. Прибор для
Рис. 2.3. Прибор для
получения водорода
получения водорода
действием алюминия
действием алюминия
и кремния на щелочь
и кремния на щелочь
45
Часть 2. Химия непереходных элементов
которой часто добавляют небольшое количество раствора сульфата меди (зачем?).
Цинк помещают в среднюю часть аппарата Киппа, она отделена от нижней
пористой перегородкой, через которую
может легко проникать раствор кислоты. Кислота вливается в отверстие в верхней части аппарата Киппа и протекает в нижний резервуар по стеклянной
трубке, соединяющей верхнюю и нижнюю части аппарата. В средней части
аппарата Киппа и происходит реакция
между цинком и кислотой, в результате
чего выделяется водород, который можно использовать по назначению благодаря наличию в средней части аппара-
Рис. 2.4. Аппарат Киппа
та выходного отверстия, снабженного
краном. Если кран закрыт, то в средней
части аппарата Киппа создается избы-
точное давление водорода и кислота выдавливается в нижний резервуар, а затем по стеклянной трубке – в верхний, ее контакт с
цинком прекращается. Если же кран открыт, то избыточное давление в среднем резервуаре снимается и кислота через пористую перегородку устремляется к цинку, происходит выделение водорода.
Составьте уравнение реакции. Чем может быть загрязнен цинк?
Как в этом можно убедиться и как очистить водород от нежелательной примеси (какой?)?
2. Химические свойства водорода
а) Приготовление гремучей смеси
Наполните пластмассовую банку методом вытеснения воды на
2/3 ее объема водородом и на 1/3 кислородом (банка должна быть
предварительно размечена). Для этого сначала налейте в нее воды
так, чтобы не оставалось воздуха, закройте стеклом и переверните,
не допуская попадания воздуха, в кристаллизатор с водой. Теперь
вытесните 2/3 воды водородом из аппарата Киппа и 1/3 воды – кислородом из газометра (не выпускайте банку из рук!). Закройте под
46
2.1. Водород
водой банку стеклом и выньте из кристаллизатора, не переворачивая ее. Теперь поднесите к отверстию банки длинную зажженную
лучину и быстро отнимите стекло. Что наблюдается?
Каков механизм реакции между водородом и кислородом (при-
ведите его схему)? Почему для начала реакции требуется нагревание? Каков ее тепловой эффект? Какое свойство проявил в
этой реакции водород? Возможно ли с термодинамической точки зрения в
ходе реакции между водородом и кислородом образование пероксида водорода?
б) Восстановление оксида металла
Соберите прибор, как показано на риc. 2.5. Аппарат Киппа,
заряженный цинком и серной кислотой, соедините со стеклянной трубкой, в которой находится медная сетка (отсекатель огня).
В первую промывалку налейте щелочной раствор перманганата
калия (зачем?), во вторую – концентрированную серную кислоту
(для чего?). Наполните термостойкую трубку с расширением посередине порошком оксида меди, выходное отверстие трубки направьте вверх. Проверьте установку на герметичность (как это сделать?). Убедившись в герметичности, пропустите через установку
водород в течение 3–5 минут (зачем?), контролируя на выходе его
чистоту (как?). Только после этого можно при помощи спиртовки
нагреть порошок оксида. Что наблюдается?
Рис. 2.5. Схема установки для восстановления оксида металла водородом
47
Часть 2. Химия непереходных элементов
После окончания реакции прекратите нагревание, но водород
необходимо пропускать до полного остывания установки.
Почему для начала реакции потребовалось нагревание? Каков ее тепловой эффект? Какое свойство проявил в этой реакции
водород?
в) Сравнение восстановительных свойств молекулярного и атомарного водорода
В пробирку налейте 5 мл разбавленного раствора серной кислоты и добавьте 1
мл раствора перманганата калия. Содержимое
пробирки разделите на две части, к одной из них добавьте 1–2 гранулы цинка, а в другую пропустите водород из аппарата Киппа.
Наблюдайте за изменением интенсивности окраски в обеих пробирках. Составьте уравнение. Что является более активным восстановителем – атомарный или молекулярный водород? Почему?
2.2. Кислород. Озон. Пероксид водорода
Положение кислорода в периодической системе. Электронное
строение атома. Изотопы кислорода. Валентные возможности атома. Степени окисления. Кислород как простое вещество, строение молекулы в рамках МВС и ММО, его физические и химические свойства. Озон: получение, строение
молекулы, сравнение свойств озона и кислорода. Пероксид водорода, причины аномального агрегатного состояния и высокой температуры плавления. Химические свойства пероксида водорода. Оксиды.
Вопросы и задания
1. Рассчитайте ΔG°
и сульфата натрия до хлорида калия и сульфита натрия соответственно. Какая из реакций может быть использована для получения кислорода?
2. Сравните строение воды в различных агрегатных состояниях. Чем объясняется изменение частоты валентных колебаний связи ОН молекулы Н2О при переходе из газообразного в жидкое и
затем кристаллическое состояние (3657, 3219 и 3400 см-1 соответ-
48
реакций разложения бертолетовой соли
298
2.2. Кислород. Озон. Пероксид водорода
ственно)? Почему лед легче воды, а при нагревании воды от 0 до
4 °С ее объем уменьшается? Чем объясняется способность воды давать клатраты?
3. Длина связи О–О в КО
составляет 0,128 нм, а в Na2O2 и
2
ВаО2 – 0,149 нм. В соединениях О2F2, O2[PtF6] и ионе [V(O2)4]2- они
также различны – 0,121; 0,117 и 0,14 нм соответственно. Объясните различия.
4. Экспериментально установлено, что молекула О3 диамагнит-
на, валентный угол ∠ООО = 116°45’, электрический момент диполя 0,52 Кл⋅м, длина связи О–О 0,128 нм. Объясните экспериментальные факты, описав строение молекулы в рамках МВС.
5. Используя модель Гиллеспи и (или) МВС, составьте струк-
турные формулы молекул OF2, O2F2, ClO3F, NO2F. Чем объясняется
их высокая окислительная активность?
6. Сделайте предположение о том, какая температура кипения
должна быть у кислорода по сравнению с водородом? Обоснуйте
ваше предположение.
7. Приведите температуры кипения кислорода и озона и объяс-
ните причины различий.
8. Сколько миллилитров 15 %-ного раствора (ρ = 1,2 г/мл) йоди-
да калия надо взять, чтобы получить 2 г йода при взаимодействии
этого раствора с избытком пероксида водорода? Почему для этого
требуется избыточное количество Н2О2?
9. При стандартных условиях теплота сгорания водорода в кис-
лороде равна 286,2 кДж/моль, а теплота сгорания водорода в озоне
равна 333,9 кДж/моль. Чему равна теплота образования озона из
кислорода при стандартных условиях? Оцените изменение устойчивости озона при повышении температуры с термодинамической
и кинетической точки зрения.
Лабораторная работа
1. Лабораторные способы получения кислорода
а) В лабораторных условиях кислород можно получать путем
термического разложения целого ряда кристаллических веществ:
хлората калия, перманганата калия, пероксида бария, белильной
извести и др. Составьте уравнения реакций их разложения. Как
кислород получают в промышленности?
49
Часть 2. Химия непереходных элементов
б) Получение кислорода из перманганата калия и за-
полнение им газометра. Газометры применяют в лаборатории
для собирания и хранения газов, мало растворимых в воде. Стеклянный газометр состоит из двух частей (рис. 2.6): воронки, снабженной краном, и толстостенного резервуара, имеющего в верхней
части отверстие для выхода газа и внизу сливное
отверстие для
воды.
Рис. 2.6. Получение кислорода термическим разложением перманганата калия
и заполнение им газометра
Вначале резервуар газометра следует доверху заполнить водой через воронку или верхнее отверстие. Если в газометре остался воздух, то его необходимо удалить через кран продуванием. Закрыть все краны и поставить заполненный водой газометр на край
стола около водопроводной раковины. Открыть нижнее отверстие.
Выливается ли вода из газометра? Если нет, то газометр герметичен и можно заполнять его кислородом. Для этого в колбу Вюрца поместить 50 г перманганата калия, соединить ее с промывной склянкой, наполненной водой (зачем?). Нагреть колбу Вюрца
с перманганатом калия и, подождав, пока вытеснится воздух, соединить выходное отверстие промывной склянки с отверстием газометра. Вытекающая вода должна сливаться в раковину. Заполнив газометр кислородом на 2/3, вынуть газоотводную трубку и
закрыть сливное отверстие зажимом.
50
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]