Гидриды - источники водорода
Вещества типа гидридов дают возможность получить водород в полевых условиях. Дополнительно потребуется только вода, но это, как правило, не проблема. Из 1 кг гидрида кальция СаН2 или гидрида лития LiH (сухого вещества) можно получить 1,1—3,2 м3 водорода:
CaH2 + 2H2O = Ca(OH)2 + 2H2↑
2LiH + 2Н2О = 2LiOH + 2H2↑.
А каждый килограмм комплексного соединения — тетрагидридобората лития Li[BH4] — дает 4 м3 водорода:
Li[BH4] + 4Н2О = LiOH + В(ОН)3 + 4Н2↑.
Хотя походные «патроны», снаряженные гидридами, довольно дороги, в перспективе их применение может оказаться весьма выгодным.
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 FеС13?
Магний не взаимодействует с холодной водой из-за образования на его поверхности тонкого слоя малорастворимого в воде гидроксида Mg(OH)2:
Mg + 2H2O = 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+ + 3Cl-
а затем катионы железа образуют в воде аквакомплексы:
Fe3+ + 6H2O = [Fe(H2O)6]3+,
которые являются довольно сильными кислотами, выбрасывающими в раствор протоны Н+:
[Fe(H2O)6]3+ + Н2О = Н3O+ + [Fе(Н20)5ОН]2+,
при этом протоны захватываются молекулами воды и превращаются в ионы оксония (Н+ + Н2О = Н3О+). Эти ионы оксония взаимодействуют прежде всего с защитной пленкой гидроксида магния на поверхности металла:
Mg(OH)2 + 2Н3О+ = Mg2+ + 4Н2О.
«Обнаженный» металл взаимодействует уже и с ионами оксония,
и с водой:
Mg + 2H3O+ = Mg2+ + 2H2O + H2↑.
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 Н2О2 (техническое название «пергидроль») медленно разлагаются при хранении с выделением кислорода и образованием воды:
2H2O2 = 2H2O + O2↑.
Если же в пероксид водорода попадает хотя бы ничтожное количество диоксида марганца МnО2, то реакция разложения сильно ускоряется. При этом сам МnО2 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 МnО2: при более значительном количестве катализатора реакция разложения могла пойти очень бурно и привести к взрыву.
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 Н2О2 образуется не только при взаимодействии водорода с влажным кислородом при электрическом разряде, но и при реакции воды с озоном О3, который появляется во время грозы под действием электрических разрядов:
3О2 = 2О3, O3 + 3Н2О = 3Н2О2.
Чем больше концентрация озона в воздухе, тем выше содержание пероксида водорода в атмосферных осадках. Отметим, что при температуре ниже 0°С пероксид водорода разлагается очень медленно.
Пероксид из льда
Что произойдет, если пламя
горящего водорода направить на кусок
льда?
При горении водорода на воздухе образуется не только вода:
2H2 + O2 = 2H2O
но и пероксид водорода:
Н2 + O2 = Н2O2,
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 Н2О2 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:
Н2О2 + 2KI + H2SO4 = I2 + K2SO4 + 2Н2О.
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 + 3Cl2 = 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.
«Добытчик» кислорода
Как извлечь из воздуха кислород, не прибегая к сложным процессам сжижения и перегонки жидкого воздуха?
Для этого воспользуемся свойством оксида бария ВаО поглощать кислород воздуха при нагревании до 500—600°С:
2ВаО + О2 = 2ВаО2
с образованием пероксида бария ВаО2. Однако при дальнейшем нагреве (выше 700°С) пероксид бария отщепляет кислород и переходит в оксид бария ВаО. 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 чисто химическим путем — это длительное нагревание металлической ртути до 300—350°С:
2Hg + O2 = 2HgO.
Оксид ртути неустойчив и при нагревании выше 400° С отщепляет кислород:
2HgO = 2Hg + O2↑.
Можно ли при помощи лупы получить серебро?
Для этого надо растворить нитрат серебра AgNO3 в воде и к полученному раствору добавить карбонат калия К2СО3:
2AgNO3 + K2СО3 = Ag2CO3↓ + 2KNО3.
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 СО2 и кислорода О2:
2Ag2CO3 = 4Ag + 2CO2↑ + O2↑.
Карбонат серебра превращается в порошок металлического серебра черно-серого цвета. Подобное разложение карбоната серебра произвел в 1774 г. французский химик Лавуазье по просьбе шведского химика Шееле. У Лавуазье была «большая зажигательная машина» с двумя линзами, с помощью которой он пытался сплавить алмазы.
Капризный карбид
Всегда ли при взаимодействии карбида кальция СаС2 с водой выделяется ацетилен C2H2?
В обычных условиях при действии воды на карбид кальция выделяется ацетилен:
СаС2 + 2Н2О = Са(ОН)2 + С2Н2↑.
Если же карбид кальция нагреть до красного каления и пропускать над ним водяной пар, то вместо ацетилена образуются диоксид углерода СО2 и водород Н2:
СаС2 + 5Н2О = СаСО3↓ + СО2↑ + 5Н2↑.
Новая металургия Монда
Людовик Монд (1839—1909) — английский химик и промышленник — пришел к выводу, «... что можно было бы извлечь пользу из легкости, с какой никель превращается в летучий газ действием СО...».
Свежевосстановленный никель при нагревании до 50—70°С вступает в необычную реакцию с монооксидом углерода СО:
Ni + 4CO = [Ni(CO)4].
Продукт реакции — комплексное соединение тетракарбонилникель [Ni(CO)4] — тяжелая (тяжелее воды) жидкость, бесцветная, текучая и летучая, как диэтиловый эфир (однако еще более, чем эфир, взрывоопасная). К тому же это вещество ядовито. Однако оно обладает в высшей степени полезным свойством: легко распадается при нагревании на никель и монооксид углерода СО. Сенсационное открытие карбонила никеля в 1890 г. вызвало поток новых работ в области химии карбонилов, которые вскоре увенчались открытием карбонила железа [Fe(CO)5]. Но карбонил кобальта [Со2(СО)8] удалось синтезировать лишь через 20 лет. Ввиду большого различия свойств карбонила никеля и других сопровождающих его металлов (меди, кобальта) удалось использовать это вещество для получения высокочистого никеля, в том числе в виде металлических порошков и пленок.
«Неправильное» плавление железа
Температура плавления железа, по справочным данным, составляет 1530°С. Однако зона расплавления в доменном процессе приходится на температуру 1100—1200°С.
Доменный процесс характеризуется наличием в сырье большого количества углеродсодержащих материалов (кокса, карбонатов, монооксида углерода, диоксида углерода), поэтому, строго говоря, плавится при 1100—1200°С не чистое железо Fe, а его смеси с углеродом. Так, реакции восстановления железа из магнетита Fe3O4 начинаются уже при 400°С в верхней части домны и продолжаются в более низких областях доменной шахты (900° С)
Fe3O4 + 2C = 3Fe + 2CO2.
Образующееся в этих условиях железо имеет губчатую структуру, причем на его весьма развитой поверхности происходит каталитически ускоренный распад монооксида углерода СО:
2CO = CO2 + C.
Углерод поглощается железом, частично превращаясь в карбид железа Fe3C — цементит:
3Fe+C = Fe3C,
а частично — растворяясь в массе металлического железа. Подобные процессы идут и при непосредственном контакте железа с коксом. В результате этого температура плавления железа снижается: каждый процент поглощенного углерода дает почти 100-градусное снижение температуры плавления. В результате смесь железа с углеродом, содержащая 4% углерода, плавится при 1080°С. Затвердевание этой смеси дает сплав, который называют чугуном.
•
•
Copyright © 2005 - 2007 Webmaster
