Книга по химии для домашнего чтения - Борис Степин

6.21. ГИДРИДЫ — ИСТОЧНИКИ ВОДОРОДА

Вещества типа гидридов дают возможность получить водород в полевых условиях (см. 5.62). Дополнительно потребуется только вода, но это, как правило, не проблема. Из 1 кг гидрида кальция CaH2 или гидрида лития LiH (сухого вещества) можно получить 1,1–3,2 м3 водорода:

CaH2 + 2Н2O = Ca(OH)2 + 2Н2↑, 2LiH + 2Н2O = 2LiOH + 2Н2↑.

А каждый килограмм комплексного соединения — тетрагидридобората лития Li(BH4)-дает 4 м3 водорода:

Li(BH4) + 4Н2O = LiOH + B(OH)3 + 4Н2↑.

Хотя походные «патроны», снаряженные гидридами, довольно дороги, в перспективе их применение может оказаться весьма выгодным.

6.22. БЕЗЗАЩИТНЫЙ МЕТАЛЛ

Известно, что магний Mg с водой не взаимодействует. Но сохранит ли он свою химическую инертность к воде, если его в виде стружки или порошка опустить в водный раствор трихлорида железа FeCl2?

Магний не взаимодействует с холодной водой из-за образования на его поверхности тонкого слоя малорастворимого в воде гидроксида Mg(OH)2:

Mg + 2Н2O = Mg(OH)2 + H2↑.

Эта реакция, только начавшись, сразу же прекращается: тонкий и прочный слой гидроксида надежно защищает металл от воздействия воды. А из водного раствора трихлорида железа магний выделяет водород. Почему? Трихлорид железа в воде подвергается сильному гидролизу: сначала он полностью распадается на ионы:

FeCl3 = Fe3+ + 3Сl-,

а затем катионы железа образуют в воде аквакомплексы:

Fe3+ + 6Н2O = [Fe(H2O)6]3+,

которые являются довольно сильными кислотами, выбрасывающими в раствор протоны H + (см. 3.11):

[Fe(H2O)6]3+ + H2O ↔ H3O+ + [Fe(H2O)5OH]2+ ,

при этом протоны захватываются молекулами воды и превращаются в ионы оксония (H+ + H2O = H3O+ ). Эти ионы оксония взаимодействуют прежде всего с защитной пленкой гидроксида магния на поверхности металла:

Mg(OH)2 + 2H3O+ = Mg2+ + 4Н2O.

«Обнаженный» металл взаимодействует уже и с ионами оксония, и с водой:

Mg + 2H3O+ = Mg2+ + 2Н2O + H2↑.

6.23. ВРЕДНЫЙ КАТАЛИЗАТОР

Два инженера-химика разговорились вечером около открытой емкости с пероксидом водорода, подготовленным для розлива в бутыли и отправки заказчику. Один из инженеров работал в цехе производства диоксида марганца. На другой день заводская лаборатория, проверившая качество пероксида водорода, установила, что бутыли заполнены водой, содержащей только примесь пероксида водорода.

Концентрированные водные растворы пероксида водорода H2O2 (техническое название «пергидроль») медленно разлагаются при хранении с выделением кислорода и образованием воды (см. 5.63):

2Н2O2 = 2Н2O + O2↑.

Если же в пероксид водорода попадает хотя бы ничтожное количество диоксида марганца MnO2, то реакция разложения сильно ускоряется. При этом сам MnO2 не расходуется: он является лишь катализатором реакции. Можно полагать, что инженер из цеха диоксида марганца неосторожно отряхнул свою спецодежду, и следы диоксида марганца попали в емкость с пероксидом водорода. За ночь произошло почти полное разложение продукта. Хорошо, что это были лишь следы MnO2: при более значительном количестве катализатора реакция разложения могла пойти очень бурно и привести к взрыву.

6.24. СНЕЖНАЯ ВОДА

Знаете ли вы, что снежная (от таяния естественного снега) вода содержит больше пероксида водорода, чем дождевая вода после града или грозы, а дождевая вода после грозы — больше, чем обычная дождевая вода?

Пероксид водорода H2O2 образуется не только при взаимодействии водорода с влажным кислородом при электрическом разряде, но и при реакции воды с озоном O3, который появляется во время грозы под действием электрических разрядов:

3O2 = 2O3, O3 + 3Н2O = 3Н2O2.

Чем больше концентрация озона в воздухе, тем выше содержание пероксида водорода в атмосферных осадках. Отметим, что при температуре ниже 0ºC пероксид водорода разлагается очень медленно (см. 6.25).

6.25. ПЕРОКСИД ИЗ ЛЬДА

Что произойдет, если пламя горящего водорода направить на кусок льда?

При горении водорода на воздухе образуется не только вода:

2Н2 + O2 = 2Н2O,

но и пероксид водорода:

2H2 + O2 = H2O2,

а из-за большого выделения энергии в форме теплоты пероксид водорода тотчас же разлагается на воду и кислород. Если же пламя горящего водорода направить на кусок льда, разложение H2O2 приостановится, и стекающая со льда вода будет содержать пероксид водорода. Если к такой воде прилить крахмальный раствор с добавкой иодида калия KI, подкисленный серной кислотой, то этот раствор окрасится в бурый цвет из-за выделения иода (см. 551):

H2O2 + 2KI + H2SO4 = I2 + K2SO4 + 2Н2O.

6.26. ОГНЕОПАСНО ЛИ ЖЕЛЕЗО?

Казалось бы, ответ очевиден: ведь человечество живет в мире железных конструкций и машин.

Железо Fe самовоспламеняется на воздухе, если оно находится в виде очень мелкого порошка. Тонкий порошок Fe можно получить при термическом разложении оксалата железа FeC2O4 в атмосфере водорода:

FeC2O4 = Fe + 2CO2↑.

Такой порошок, высыпаемый с некоторой высоты, дает вспышку или сноп искр из-за окисления:

4Fe + 3O2 = 2Fe2O3.

Будучи оставлен на воздухе, а не в защитной атмосфере, очень мелкий порошок железа начинает постепенно раскаляться и часто вспыхивает. Это свойство веществ самовоспламеняться на воздухе называют пирофорностью.

Более крупный порошок или стружки железа горят в атмосфере хлора:

2Fe + 3Сl2 = 2FeCl3

с образованием трихлорида железа. Наконец, в атмосфере кислорода горит и компактное железо (в виде листов, проволоки, балок и др.), если предварительно будет раскалена какая-либо его часть.

6.27. «ДОБЫТЧИК» КИСЛОРОДА

Как извлечь из воздуха кислород, не прибегая к сложным процессам сжижения и перегонки жидкого воздуха?

Для этого воспользуемся свойством оксида бария BaO поглощать кислород воздуха при нагревании до 500–600°C:

2ВаО + O2 = 2ВаО2

с образованием пероксида бария BaO2. Однако при дальнейшем нагреве (выше 700°C) пероксид бария отщепляет кислород и переходит в оксид бария BaO. Описанным способом получения кислорода пользовались в XIX в. вплоть до 90-х годов, когда было предложено сжижать и перегонять воздух. А в лаборатории можно с успехом использовать данный способ и теперь, если нет возможности приобрести кислородный баллон.

Другой вариант добычи кислорода из воздуха (см. 4.36) чисто химическим путем — это длительное нагревание металлической ртути до 300–350°C:

2Hg + O2 = 2HgO.

Оксид ртути неустойчив и при нагревании выше 400°C отщепляет кислород:

2HgO = 2Hg + O2↑.

6.28. МОЖНО ЛИ ПРИ ПОМОЩИ ЛУПЫ ПОЛУЧИТЬ СЕРЕБРО?

Для этого надо растворить нитрат серебра AgNO3 в воде и к полученному раствору добавить карбонат калия K2CO3:

2 AgNO3 + K2CO3 = Ag2CO3↓ + 2KNO3.

Теперь остается отфильтровать выпавший светло-желтый осадок карбоната серебра Ag2CO3 и с помощью лупы сфокусировать на нем солнечные лучи. Карбонат серебра при нагревании легко разлагается с выделением диоксида углерода CO2 и кислорода O2:

2Ag2CO3 = 4Ag + 2СO2↑ + O2↑.

Карбонат серебра превращается в порошок металлического серебра черно-серого цвета. Подобное разложение карбоната серебра произвел в 1774 г. французский химик Лавуазье (см. 2.28) по просьбе шведского химика Шееле (см. 2.7). У Лавуазье была «большая зажигательная машина» с двумя линзами, с помощью которой он пытался сплавить алмазы (см. 10.7).

6.29. КАПРИЗНЫЙ КАРБИД

Всегда ли при взаимодействии карбида кальция CaC2 с водой выделяется ацетилен C2H2?

В обычных условиях при действии воды на карбид кальция выделяется ацетилен (см. 9.50):

CaC2 + 2Н2O = Ca(OH)2 + C2H2↑.

Если же карбид кальция нагреть до красного каления и пропускать над ним водяной пар, то вместо ацетилена образуются диоксид углерода CO2 и водород H2: