Взаимодействие г2 с водородом. Получение hCl и ее свойства. Галогеноводородные кислоты

Водород и термодинамически, и кинетически достаточно пассивное вещество, поэтому в реакциях с ним особенно явно видно различие в химическом поведении соединений, в частности, галогенов. Так, иод (с позиции термодинамики наиболее слабый окислитель среди ) реагирует с водородомобратимо (К=54,4 при 425⁰С), в то время как другие галогены – практически необратимо. Снизу вверх в подгруппе растет и кинетическая активность . Например, бром взаимодействует свыше 300⁰С, хлор – на свету при об.у., а фтор – со взрывом даже в темноте. (Продукт HF часто записывают формулой .)

Рассмотрим подробнее реакцию водорода с хлором, имеющую промышленное значение. При обычных условиях в смеси ипроцесс практически не идет. Однако при солнечном облучении происходит взрыв, т.к. под действием световой энергии молекулы хлора распадаются наатомы. А это очень активные частицы, как следствие, резко (до взрыва) возрастает скорость реакции. Однако если струю направить в атмосферуCI₂ и сразу же поджечь, то идет спокойное горение (зеленым пламенем). Так получают хлорид водорода в промышленности.

Кипит он при – 85⁰С, т.е. (несмотря на бóльшую молекулярную массу) ниже, чем HF (+19⁰С). Причина – менее сильные связи между молекулами . А далее в подгруппе отHCl к НI значения т.кип. растут.

Хлорид водорода (как и другие HГ), благодаря полярности молекул, хорошо растворим в воде: 507 л в 1 л воды (при 0⁰С), что соответствует массовой доле 45%. Растворы НГ в воде называются галогеноводородными³² кислотами. Сила кислот от HF к HI увеличивается, вследствие роста радиуса галогена. Так, , а.

Хлороводородная кислота является сильной (). Она вступает во все реакции, характерные для данного класса веществ. А именно:HCl взаимодействует с М³³, стоящими в ряду напряжений левее, с оксидами металлов, со щелочами и малорастворимыми гидроксидами:,

,

.

А также с солями, если при этом образуется слабая кислота или осадок хлорида М:

,

.

Подчеркнем, что с помощью AgNO₃ можно проводить качественные реакции³⁴ на галид-ионы, с целью различить их между собой. А именно: AgF хорошо растворим, дает сбелый осадок, –желтоватый, a –желтый. С другой стороны, ионы обнаруживают в растворе, добавляя, например,NaCl.Отметим, что хлороводородная кислота входит в состав желудочного сока, т.е. участвует в переваривании пищи, поэтому ее используют в медицине (принимают при пониженной кислотности желудка), а также в пищевой промышленности.

30. Аммиак NH₃ (рисунок 4) – это нитрид водорода, т.е. вещество, в котором ст.ок. азота равна –3. Является экзосоединением и, значит, реакция:

идет с выделением тепла (46,2 кДж/моль). Следовательно, как и при окислении SO₂ до SO₃, увеличение температуры должно снижать выход продукта, но в промышленности вынуждены повышать Т до 400⁰C (несмотря на присутствие катализатора), чтобы скорость процесса была достаточно высокой.

Кроме того, для большего выхода NH₃ увеличивают давление до 200-1000 атмосфер, поскольку реакция идет с уменьшением объема. Но даже в этих жестких условиях выход аммиака не более 30%.

Правда, его легко отделить от непрореагировавших исходных веществ (азота и водорода), т.к. NH₃ имеет сравнительно высокую т.кип. (–33,4°С) благодаря действию между его молекулами Н-связей. А под большим давлением, которое создается в системе при синтезе аммиака, он сжижается даже при комнатной температуре. (Остающиеся при этом газы N₂ и H₂ возвращаются обратно в колонну синтеза NH₃.)

До сих пор ведутся работы по улучшению катализатора (например, добавлением к нему т.н. активаторов), чтобы снизить температуру процесса и т.о. повысить выход аммиака. Его мировое производство составляет несколько десятков миллионов тонн в год. Поэтому даже небольшое увеличение выхода NH₃ оборачивается большим сокращением затрат на его получение. Испытаны уже тысячи веществ, но пока катализаторы, созданные человеком, далеки по эффективности от биологического, который работает в азобактериях и связывает азот воздуха при обычных условиях.

Аммиак представляет собой бесцветный газ и со столь резким запахом, что вдыхание его приводит людей, потерявших сознание, в чувство.

Растворимость аммиака в воде максимальна среди известных газов (в 1л – 700 л при 20°С). Это объясняется полярностью частиц NH₃ (рисунок 4) и их способностью к образованию Н-связей с молекулами растворителя. Кроме того, имеющаяся у атома азота НЭП (на рисунке 4 она изображена жирными точками) слабее удерживается ядром N, чем НЭП ядром О в молекуле воды (из-за большего r азота и меньшего заряда его ядра). Как следствие, эта электронная пара легче предоставляется на донорно-акцепторную связь с протоном³⁵воды. В результате чего образуютсяустойчивые гидраты аммиака, например, NH₃ ^. H₂O (точнее: Н₃N ^. HOН), что значительно повышает растворимость NH₃. К тому же, часть молекул гидрата аммиака (примерно 4 из 1000) в водном растворе NH₃ находится в диссоциированном состоянии:, К_d=1,8 10^-5.

При диссоциации протон Н₂О передается молекуле NH₃ полностью, а оставшийся от воды ОН^–-ион создает щелочную среду. Но поскольку гидрат аммиака является слабым электролитом, то создает не сильно щелочную среду: рН около 11. (А раствор гидроксида натрия может иметь pH>14.)

Из-за стремления N в наиболее устойчивую нулевую ст.ок. аммиак проявляет себя как восстановитель. Например, по отношению к оксидам металлов:

.

Еще легче аммиак (тоже переходя в N₂) восстанавливает Г₂ (до Г^–) и Н₂О₂ (до Н₂О).