Глава II. Важнейшие представители неорганических веществ. Количественные отношения в химии. § 15. Водород — с. 74
§ 15. Примените свои знания.
4. Запишите уравнения реакций, с помощью которых можно осуществить следующие превращения:
H₂ → H₂S → SO₂ → SO₃
H₂ → H₂S → SO₂ → SO₃
1) H₂ + S → H₂S (при нагревании, t);
2) 2H₂S + 3O₂ → 2SO₂ + 2H₂O (горение, t). Баланс: S 2=2, H 4=4, O 6=4+2;
3) 2SO₂ + O₂ ⇄ 2SO₃ (катализатор V₂O₅, t). Баланс: S 2=2, O 6=6.
2) 2H₂S + 3O₂ → 2SO₂ + 2H₂O (горение, t). Баланс: S 2=2, H 4=4, O 6=4+2;
3) 2SO₂ + O₂ ⇄ 2SO₃ (катализатор V₂O₅, t). Баланс: S 2=2, O 6=6.
§ 15. Примените свои знания.
5. Запишите уравнения реакций, с помощью которых можно осуществить следующие превращения:
Cu → CuS → CuO → Cu
Cu → CuS → CuO → Cu
1) Cu + S → CuS (при нагревании, t);
2) 2CuS + 3O₂ → 2CuO + 2SO₂↑ (обжиг, t). Баланс: Cu 2=2, S 2=2, O 6=2+4;
3) CuO + H₂ → Cu + H₂O (при нагревании, t); медь восстанавливается водородом из оксида (чёрный порошок становится красным).
2) 2CuS + 3O₂ → 2CuO + 2SO₂↑ (обжиг, t). Баланс: Cu 2=2, S 2=2, O 6=2+4;
3) CuO + H₂ → Cu + H₂O (при нагревании, t); медь восстанавливается водородом из оксида (чёрный порошок становится красным).
§ 15. Используйте дополнительную информацию.
6. Посмотрите видеозапись взрыва гремучего газа: /10775 → Коллекции → Предметные коллекции. Химия → Неорганическая химия. Видеоопыты → Водород. Кислоты → Водород и его свойства → 7. Приготовление и взрыв гремучей смеси.
Какие меры предосторожности принимаются при проведении опыта? Какие области применения этой реакции в мирных целях вы могли бы предложить?
Какие меры предосторожности принимаются при проведении опыта? Какие области применения этой реакции в мирных целях вы могли бы предложить?
В опыте взрывается смесь двух объёмов водорода и одного объёма кислорода (гремучий газ): 2H₂ + O₂ → 2H₂O с выделением большого количества теплоты.
Меры предосторожности: опыт проводят только с небольшим объёмом газа и только в присутствии учителя; смесь готовят в прочной небольшой ёмкости (например, в пластиковом сосуде небольшого объёма или в мыльных пузырях); подрыв производят на расстоянии, с помощью длинной горящей лучинки или электрической искры; используют защитную стенку или защитный экран, защитные очки, участники находятся на безопасном расстоянии; нет открытого огня и горючих веществ поблизости; предварительно проверяют водород на чистоту.
Мирные применения реакции горения водорода в кислороде: водородно-кислородные горелки для сварки, плавления и резки металлов и кварца (температура до 2800 °C); ракетные двигатели на жидких водороде и кислороде для запуска космических аппаратов; водородные топливные элементы, в которых энергия реакции превращается в электрический ток (электромобили, космические корабли, где побочным продуктом получают питьевую воду); получение чистой воды.
Меры предосторожности: опыт проводят только с небольшим объёмом газа и только в присутствии учителя; смесь готовят в прочной небольшой ёмкости (например, в пластиковом сосуде небольшого объёма или в мыльных пузырях); подрыв производят на расстоянии, с помощью длинной горящей лучинки или электрической искры; используют защитную стенку или защитный экран, защитные очки, участники находятся на безопасном расстоянии; нет открытого огня и горючих веществ поблизости; предварительно проверяют водород на чистоту.
Мирные применения реакции горения водорода в кислороде: водородно-кислородные горелки для сварки, плавления и резки металлов и кварца (температура до 2800 °C); ракетные двигатели на жидких водороде и кислороде для запуска космических аппаратов; водородные топливные элементы, в которых энергия реакции превращается в электрический ток (электромобили, космические корабли, где побочным продуктом получают питьевую воду); получение чистой воды.
§ 15. Используйте дополнительную информацию.
7. Подготовьте сообщение по одной из тем: а) «Водород на Земле и в космосе»; б) «Использование водорода в воздухоплавании: победы и трагедии».
а) Водород — самый распространённый элемент Вселенной: на него приходится около 90 % всех атомов и около трёх четвертей массы вещества. Солнце и другие звёзды состоят в основном из водорода; в их недрах при термоядерном синтезе ядра водорода превращаются в ядра гелия, и выделяется энергия. Водород входит в состав планет-гигантов — Юпитера и Сатурна. На Земле свободного водорода в атмосфере мало, так как он лёгкий и улетучивается в космос. В связанном виде он образует воду (гидросферу), входит в состав органических веществ — нефти, природного газа, белков, жиров, углеводов, а значит, и живых организмов. По числу атомов в земной коре он занимает одно из первых мест, а по массе — около 1 %.
б) В конце XVIII — начале XX века водород стали использовать для наполнения воздушных шаров и дирижаблей: в 1783 г. Ж. Шарль запустил первый водородный аэростат. В 1900 г. граф Цеппелин построил жёсткий дирижабль, и в начале XX века дирижабли совершали трансатлантические рейсы, ставя рекорды дальности и грузоподъёмности. Метеозонды, наполненные водородом, до сих пор используют для исследования атмосферы. Однако водород горюч и образует с воздухом взрывоопасную смесь: в 1937 г. в Нью-Джерси сгорел дирижабль «Гинденбург» (погибли 36 человек), после чего его заменили более безопасным гелием. Победы — рекордные перелёты и развитие воздухоплавания, трагедии — катастрофы дирижаблей, которые показали главный недостаток водорода — огнеопасность.
б) В конце XVIII — начале XX века водород стали использовать для наполнения воздушных шаров и дирижаблей: в 1783 г. Ж. Шарль запустил первый водородный аэростат. В 1900 г. граф Цеппелин построил жёсткий дирижабль, и в начале XX века дирижабли совершали трансатлантические рейсы, ставя рекорды дальности и грузоподъёмности. Метеозонды, наполненные водородом, до сих пор используют для исследования атмосферы. Однако водород горюч и образует с воздухом взрывоопасную смесь: в 1937 г. в Нью-Джерси сгорел дирижабль «Гинденбург» (погибли 36 человек), после чего его заменили более безопасным гелием. Победы — рекордные перелёты и развитие воздухоплавания, трагедии — катастрофы дирижаблей, которые показали главный недостаток водорода — огнеопасность.
Практическая работа 5. ПОЛУЧЕНИЕ, СОБИРАНИЕ И РАСПОЗНАВАНИЕ ВОДОРОДА
1. Соберите прибор для получения газов: пробирку плотно закройте пробкой с газоотводной стеклянной трубкой.
Проверьте герметичность прибора: появление пузырьков воздуха в стакане с водой указывает на то, что прибор герметичен.
2. В пробирку поместите 2—3 гранулы цинка.
3. В пробирку с цинком добавьте соляную кислоту так, чтобы она покрыла гранулы цинка. Закройте пробирку пробкой со стеклянной газоотводной трубкой.
4. Прибор закрепите в лапке лабораторного штатива. На стеклянную трубку наденьте пробирку-приёмник. Соберите в неё выделяющийся водород.
5. Проверьте водород на чистоту. Для этого используйте зажжённую спиртовку.
ВНИМАНИЕ! Горящая спиртовка не должна находиться рядом с прибором для получения водорода.
Аккуратно снимите с газоотводной трубки пробирку-приёмник и, слегка наклоняя её, внесите в пламя спиртовки. Что наблюдаете?
Если водород смешан с воздухом, хлопок будет со свистом («лающий»), если водород чистый, хлопок будет глухой.
6. Убедившись, что выделяется чистый водород, подожгите его у конца стеклянной трубки. Водород горит голубым пламенем, если этого не видно, пинцетом поднесите полоску белой бумаги на задний план.
По окончании опыта погасите спиртовку.
Оформите отчёт.
1. Соберите прибор для получения газов: пробирку плотно закройте пробкой с газоотводной стеклянной трубкой.
Проверьте герметичность прибора: появление пузырьков воздуха в стакане с водой указывает на то, что прибор герметичен.
2. В пробирку поместите 2—3 гранулы цинка.
3. В пробирку с цинком добавьте соляную кислоту так, чтобы она покрыла гранулы цинка. Закройте пробирку пробкой со стеклянной газоотводной трубкой.
4. Прибор закрепите в лапке лабораторного штатива. На стеклянную трубку наденьте пробирку-приёмник. Соберите в неё выделяющийся водород.
5. Проверьте водород на чистоту. Для этого используйте зажжённую спиртовку.
ВНИМАНИЕ! Горящая спиртовка не должна находиться рядом с прибором для получения водорода.
Аккуратно снимите с газоотводной трубки пробирку-приёмник и, слегка наклоняя её, внесите в пламя спиртовки. Что наблюдаете?
Если водород смешан с воздухом, хлопок будет со свистом («лающий»), если водород чистый, хлопок будет глухой.
6. Убедившись, что выделяется чистый водород, подожгите его у конца стеклянной трубки. Водород горит голубым пламенем, если этого не видно, пинцетом поднесите полоску белой бумаги на задний план.
По окончании опыта погасите спиртовку.
Оформите отчёт.
Образец выполнения.
Что делал(а): 1. Собрал(а) прибор: пробирку закрыл(а) пробкой с газоотводной стеклянной трубкой; конец трубки опустил(а) в стакан с водой и согрел(а) пробирку ладонью.
Что наблюдал(а): из трубки в воду выходят пузырьки воздуха.
Вывод: прибор герметичен.
Что делал(а): 2. Поместил(а) в пробирку 2–3 гранулы цинка. 3. Прилил(а) соляную кислоту так, чтобы она покрыла цинк, и быстро закрыл(а) пробкой с трубкой. 4. Закрепил(а) прибор в лапке штатива, на конец трубки (направленный вверх) надел(а) пустую пробирку-приёмник отверстием вниз.
Что наблюдал(а): на поверхности цинка выделяются пузырьки бесцветного газа без запаха; цинк постепенно растворяется; пробирка слегка нагревается; газ вытесняет воздух из пробирки-приёмника.
Уравнение реакции: Zn + 2HCl → ZnCl₂ + H₂↑. Баланс: Zn 1=1, H 2=2, Cl 2=2. Это реакция замещения.
Вывод: цинк вытесняет водород из соляной кислоты; водород собирают вытеснением воздуха в перевёрнутую пробирку, так как он намного легче воздуха (M(H₂) = 2 г/моль, M(возд.) ≈ 29 г/моль).
Что делал(а): 5. Через 1–2 минуты осторожно, не переворачивая, снял(а) пробирку-приёмник с трубки и, слегка наклонив её, внёс(ла) в пламя спиртовки (спиртовка находилась вдали от прибора).
Что наблюдал(а): сначала раздался «лающий» хлопок со свистом (водород с примесью воздуха); при повторной проверке следующей пробирки — тихий глухой хлопок.
Вывод: глухой хлопок означает, что водород чистый; «лающий» — что в нём есть воздух и поджигать газ у трубки нельзя. Уравнение горения: 2H₂ + O₂ → 2H₂O (баланс: H 4=4, O 2=2).
Что делал(а): 6. Убедившись в чистоте водорода, поджёг(ла) его у конца газоотводной трубки.
Что наблюдал(а): водород горит спокойным почти бесцветным голубоватым пламенем (хорошо видно на фоне белой бумаги); на холодном сухом стекле, поднесённом к пламени, конденсируются капли воды.
Вывод: водород горит, образуя воду: 2H₂ + O₂ → 2H₂O. По окончании опыта спиртовку погасили колпачком.
Общий вывод: водород получают взаимодействием цинка с соляной кислотой, собирают вытеснением воздуха (в пробирку вверх дном), распознают по хлопку при поджигании; чистый водород горит голубоватым пламенем, давая воду, а смесь водорода с воздухом взрывоопасна.
Что делал(а): 1. Собрал(а) прибор: пробирку закрыл(а) пробкой с газоотводной стеклянной трубкой; конец трубки опустил(а) в стакан с водой и согрел(а) пробирку ладонью.
Что наблюдал(а): из трубки в воду выходят пузырьки воздуха.
Вывод: прибор герметичен.
Что делал(а): 2. Поместил(а) в пробирку 2–3 гранулы цинка. 3. Прилил(а) соляную кислоту так, чтобы она покрыла цинк, и быстро закрыл(а) пробкой с трубкой. 4. Закрепил(а) прибор в лапке штатива, на конец трубки (направленный вверх) надел(а) пустую пробирку-приёмник отверстием вниз.
Что наблюдал(а): на поверхности цинка выделяются пузырьки бесцветного газа без запаха; цинк постепенно растворяется; пробирка слегка нагревается; газ вытесняет воздух из пробирки-приёмника.
Уравнение реакции: Zn + 2HCl → ZnCl₂ + H₂↑. Баланс: Zn 1=1, H 2=2, Cl 2=2. Это реакция замещения.
Вывод: цинк вытесняет водород из соляной кислоты; водород собирают вытеснением воздуха в перевёрнутую пробирку, так как он намного легче воздуха (M(H₂) = 2 г/моль, M(возд.) ≈ 29 г/моль).
Что делал(а): 5. Через 1–2 минуты осторожно, не переворачивая, снял(а) пробирку-приёмник с трубки и, слегка наклонив её, внёс(ла) в пламя спиртовки (спиртовка находилась вдали от прибора).
Что наблюдал(а): сначала раздался «лающий» хлопок со свистом (водород с примесью воздуха); при повторной проверке следующей пробирки — тихий глухой хлопок.
Вывод: глухой хлопок означает, что водород чистый; «лающий» — что в нём есть воздух и поджигать газ у трубки нельзя. Уравнение горения: 2H₂ + O₂ → 2H₂O (баланс: H 4=4, O 2=2).
Что делал(а): 6. Убедившись в чистоте водорода, поджёг(ла) его у конца газоотводной трубки.
Что наблюдал(а): водород горит спокойным почти бесцветным голубоватым пламенем (хорошо видно на фоне белой бумаги); на холодном сухом стекле, поднесённом к пламени, конденсируются капли воды.
Вывод: водород горит, образуя воду: 2H₂ + O₂ → 2H₂O. По окончании опыта спиртовку погасили колпачком.
Общий вывод: водород получают взаимодействием цинка с соляной кислотой, собирают вытеснением воздуха (в пробирку вверх дном), распознают по хлопку при поджигании; чистый водород горит голубоватым пламенем, давая воду, а смесь водорода с воздухом взрывоопасна.