Страница 74 - гдз по химии 8 класс учебник Габриелян, Остроумов

4. Запишите уравнения реакций, с помощью которых можно осуществить следующие превращения:

$H_2 \to H_2S \to SO_2 \to SO_3$

Решение

Для осуществления данной цепочки превращений необходимо провести три последовательные химические реакции.

$H_2 \rightarrow H_2S$

Первое превращение — получение сероводорода ($H_2S$) из водорода ($H_2$). Это достигается путем прямой реакции между водородом и серой ($S$) при нагревании.

Ответ: $H_2 + S \xrightarrow{t} H_2S$.

$H_2S \rightarrow SO_2$

Второе превращение — получение оксида серы(IV) ($SO_2$) из сероводорода ($H_2S$). Это реакция горения (полного окисления) сероводорода в избытке кислорода ($O_2$).

Ответ: $2H_2S + 3O_2 \xrightarrow{t} 2SO_2 + 2H_2O$.

$SO_2 \rightarrow SO_3$

Третье превращение — получение оксида серы(VI) ($SO_3$) из оксида серы(IV) ($SO_2$). Это каталитическое окисление диоксида серы кислородом. Реакция является обратимой и для смещения равновесия в сторону продуктов используется катализатор (например, оксид ванадия(V), $V_2O_5$) и повышенная температура (400-500°C).

Ответ: $2SO_2 + O_2 \overset{t, V_2O_5}{\rightleftharpoons} 2SO_3$.

5. Запишите уравнения реакций, с помощью которых можно осуществить следующие превращения:

$ \text{Cu} \rightarrow \text{CuS} \rightarrow \text{CuO} \rightarrow \text{Cu} $

$Cu \rightarrow CuS$

Для получения сульфида меди(II) из металлической меди необходимо провести реакцию соединения с серой при нагревании. Это прямое взаимодействие двух простых веществ.

Уравнение реакции: $Cu + S \xrightarrow{t} CuS$.

Ответ: $Cu + S \xrightarrow{t} CuS$.

$CuS \rightarrow CuO$

Чтобы превратить сульфид меди(II) в оксид меди(II), необходимо провести обжиг сульфида в присутствии кислорода (на воздухе) при высокой температуре. В ходе этой окислительно-восстановительной реакции также образуется диоксид серы (сернистый газ).

Уравнение реакции: $2CuS + 3O_2 \xrightarrow{t} 2CuO + 2SO_2$.

Ответ: $2CuS + 3O_2 \xrightarrow{t} 2CuO + 2SO_2$.

$CuO \rightarrow Cu$

Для восстановления чистой меди из ее оксида (оксида меди(II)) необходимо провести реакцию с восстановителем при нагревании. В качестве восстановителя можно использовать водород, углерод (в виде кокса) или угарный газ. Реакция с водородом является классическим лабораторным способом получения металлов из их оксидов.

Уравнение реакции: $CuO + H_2 \xrightarrow{t} Cu + H_2O$.

Ответ: $CuO + H_2 \xrightarrow{t} Cu + H_2O$.

6. Посмотрите видеозапись взрыва гремучего газа: http://gotourl.ru /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?

Гремучий газ — это смесь водорода ($H_2$) и кислорода ($O_2$), как правило, в стехиометрическом соотношении 2:1 по объему. При инициировании (например, поджигании) эта смесь взрывается, так как происходит быстрая экзотермическая реакция горения водорода с образованием воды.

Уравнение реакции:

$$2H_2 + O_2 \rightarrow 2H_2O$$

При проведении опыта со взрывом гремучего газа необходимо соблюдать строгие меры предосторожности, чтобы обеспечить безопасность экспериментатора и окружающих. Ключевые меры включают:

• Использование средств индивидуальной защиты (СИЗ): Обязательно ношение защитных очков или лицевого щитка для защиты глаз от осколков и яркой вспышки. Также рекомендуется использовать защитные перчатки и лабораторный халат. Для защиты слуха от громкого звука взрыва следует использовать противошумные наушники или беруши.
• Работа с малыми количествами: Эксперименты следует проводить с минимально возможными объемами гремучей смеси. В школьных демонстрациях обычно используют газ, помещенный в пробирку или в мыльный пузырь, что значительно снижает мощность взрыва.
• Использование защитного экрана: Опыт необходимо проводить за защитным экраном из прочного, небьющегося материала (например, оргстекла) или в вытяжном шкафу с опущенной заслонкой.
• Дистанционное инициирование взрыва: Поджигание смеси должно осуществляться с безопасного расстояния. Нельзя держать емкость с газом в руках. Ее следует закреплять в штативе. Для поджигания используют длинную лучину или дистанционную систему зажигания.
• Проверка чистоты водорода: Перед смешиванием газов, если водород получают в лаборатории, необходимо проверить его на чистоту. Небольшое количество водорода собирают в перевернутую пробирку и подносят к пламени. Чистый водород сгорает спокойно с легким хлопком, в то время как смесь водорода с воздухом (тоже гремучая смесь) взрывается с резким "лающим" звуком.
• Подготовка рабочего места: Рабочее место должно быть очищено от легковоспламеняющихся веществ и материалов. Необходимо обеспечить хорошую вентиляцию помещения.

Ответ: При проведении опыта со взрывом гремучего газа принимаются следующие меры предосторожности: использование СИЗ (очки, перчатки, защита слуха), работа с малыми объемами газа, применение защитного экрана, дистанционное поджигание, проверка чистоты водорода и подготовка рабочего места.

Экзотермическая реакция горения водорода в кислороде, несмотря на свою взрывоопасность, имеет множество важных применений в мирных целях, основанных на выделении большого количества энергии и экологической чистоте продукта реакции — воды.

• Ракетное топливо: Сжиженные водород (горючее) и кислород (окислитель) являются одним из самых эффективных видов химического ракетного топлива. Высокая энергия реакции обеспечивает большую тягу, что используется для вывода космических аппаратов на орбиту (например, в двигателях ракет-носителей "Спейс шаттл", "Ариан-5").
• Водородная энергетика: Реакция лежит в основе работы водородных топливных элементов, которые преобразуют химическую энергию напрямую в электрическую с высоким КПД. Это экологически чистый способ получения энергии, так как единственным продуктом реакции является вода. Топливные элементы используются для привода автомобилей, автобусов, поездов, а также в качестве стационарных и портативных источников энергии.
• Газопламенная сварка и резка металлов: В кислородно-водородных горелках сжигание водорода в струе чистого кислорода позволяет получить пламя с температурой до 2800 °C. Такое пламя используется для сварки и резки тугоплавких металлов и сплавов, а также для обработки кварцевого стекла.
• Синтез чистой воды: В специфических условиях, например, на борту космических станций или подводных лодок, вода, образующаяся в топливных элементах, может использоваться для питья и технических нужд.

Ответ: Мирные области применения реакции горения водорода в кислороде включают: использование в качестве ракетного топлива, производство электроэнергии в водородных топливных элементах, высокотемпературную сварку и резку металлов, а также синтез чистой воды для специальных нужд.

7. Подготовьте сообщение по одной из тем:

а) «Водород на Земле и в космосе»;

б) «Использование водорода в воздухоплавании: победы и трагедии».

а) «Водород на Земле и в космосе»

Водород (H) — первый элемент периодической таблицы Менделеева, обладающий простейшим строением атома. Это самый легкий и самый распространенный химический элемент во Вселенной. Однако его присутствие и роль на Земле и в космосе кардинально различаются.

Водород в космосе

Во Вселенной водород является абсолютным доминантом, составляя около 75% всей барионной массы. Он — основное «топливо» для звезд и строительный материал для галактик.

1. Звезды и термоядерный синтез: Звезды, включая наше Солнце, состоят преимущественно из водорода. В их недрах при колоссальных температурах и давлении протекают реакции термоядерного синтеза, в ходе которых ядра водорода сливаются, образуя гелий. Этот процесс, например, протон-протонный цикл, описываемый суммарной реакцией $4^1H \rightarrow ^4He + 2e^+ + 2\nu_e$, высвобождает огромное количество энергии, заставляя звезды светить миллиарды лет.

2. Межзвездная среда: Пространство между звездами заполнено разреженным газом и пылью, где водород существует в разных формах: атомарный (H), ионизированный ($H^+$, протоны) в горячих туманностях и молекулярный ($H_2$) в холодных гигантских молекулярных облаках. Именно в таких облаках из молекулярного водорода рождаются новые звезды и планетные системы. Радиоастрономы изучают структуру нашей и других галактик, регистрируя знаменитое излучение атомарного водорода на длине волны 21 см.

3. Планеты-гиганты: Крупнейшие планеты Солнечной системы, такие как Юпитер и Сатурн, по большей части состоят из водорода и гелия, напоминая по составу звезды.

Водород на Земле

На нашей планете ситуация иная. В свободном виде водород ($H_2$) встречается крайне редко. Будучи очень легким газом, он не удерживается гравитационным полем Земли и улетучивается в космос. Его содержание в атмосфере ничтожно — около 0,00005% по объему.

1. Связанное состояние: Главное «хранилище» водорода на Земле — это его химические соединения. Важнейшее из них — вода ($H_2O$), которая покрывает более 70% поверхности планеты и является основой жизни. Молекула воды состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода.

2. Органические вещества: Водород — неотъемлемый компонент всех органических молекул, составляющих живые организмы: белков, жиров, углеводов, нуклеиновых кислот. Он также входит в состав природных ископаемых топлив — нефти, природного газа и угля.

3. Промышленное получение: Для нужд промышленности (производство аммиака, маргарина, в металлургии и как ракетное топливо) водород получают искусственно. Основные методы — паровая конверсия метана ($CH_4 + H_2O \rightarrow CO + 3H_2$) и электролиз воды ($2H_2O \xrightarrow{ток} 2H_2\uparrow + O_2\uparrow$).

Таким образом, если в космосе водород — это свободный, доминирующий элемент, определяющий жизнь звезд, то на Земле он «спрятан» в химических соединениях, прежде всего в воде, и играет ключевую роль в биологических и геологических процессах.

Ответ: Водород является самым распространенным элементом во Вселенной (около 75% массы), служа основным топливом для звезд и строительным материалом для галактик. Он существует в космосе в виде атомов, ионов и молекул. На Земле свободный водород практически отсутствует из-за его легкости, но он широко распространен в составе соединений, главным из которых является вода ($H_2O$), а также во всех органических веществах и ископаемом топливе.

б) «Использование водорода в воздухоплавании: победы и трагедии»

История использования водорода в воздухоплавании — это драматическая повесть о великих триумфах человеческой мысли и сокрушительных трагедиях, которые изменили ход развития авиации.

Победы: Эра воздушных гигантов

В конце XVIII века ученые обнаружили, что водород значительно легче воздуха. Это свойство открыло человечеству путь в небо. 1 декабря 1783 года французский физик Жак Шарль вместе с Николя-Луи Робером совершил первый в истории свободный полет на аэростате, наполненном водородом. Этот день стал рождением воздухоплавания.

«Золотым веком» водородной аэронавтики стала первая треть XX века, ознаменовавшаяся появлением дирижаблей — управляемых аэростатов с жестким каркасом. Вершиной инженерной мысли стали немецкие цеппелины. Эти гигантские сигарообразные корабли, наполненные сотнями тысяч кубометров водорода, казались чудом техники. Они были способны перевозить десятки пассажиров и тонны груза на тысячи километров.

Самым знаменитым из них был дирижабль «Граф Цеппелин» (LZ 127). За 9 лет службы он совершил 590 полетов, включая первое в истории кругосветное путешествие по воздуху и регулярные трансатлантические рейсы. Пассажиры путешествовали в условиях роскоши, наслаждаясь видами с высоты птичьего полета. Водород подарил миру быстрый и комфортный способ пересекать океаны.

Трагедии: Огненная стихия

Однако у водорода был один роковой недостаток — чрезвычайная горючесть и взрывоопасность в смеси с кислородом воздуха. Реакция горения водорода ($2H_2 + O_2 \rightarrow 2H_2O$) протекает с выделением огромного количества тепла. Любая искра — от разряда статического электричества, молнии или неисправности в двигателе — могла привести к катастрофе.

История дирижаблей полна трагедий: британский R38, американский «Акрон», французский «Диксмёйд» — все они потерпели крушение, унеся десятки жизней. Но событием, которое поставило точку в эпохе водородных дирижаблей, стала катастрофа «Гинденбурга».

6 мая 1937 года флагман немецкого воздухоплавания, роскошный дирижабль «Гинденбург» (LZ 129), при заходе на посадку на авиабазе Лейкхерст в США внезапно вспыхнул и за полминуты сгорел дотла на глазах у сотен людей и десятков кинокамер. Погибли 36 человек. Шокирующие кадры горящего гиганта облетели весь мир и стали символом ненадежности и опасности водородных летательных аппаратов.

После этой трагедии доверие к водородным дирижаблям было безвозвратно утеряно. Их место в небе заняли самолеты, а в воздухоплавании стали использовать инертный, негорючий, но гораздо более редкий и дорогой гелий. Так, из-за своего «огненного нрава», водород, поднявший человека в небо, был изгнан из него, оставив после себя память о великих победах и ужасающих трагедиях.

Ответ: Использование водорода в воздухоплавании началось с триумфальных полетов первых аэростатов в XVIII веке и достигло пика в эпоху гигантских дирижаблей, таких как «Граф Цеппелин», которые совершали регулярные межконтинентальные рейсы. Однако победы были омрачены трагедиями, вызванными крайней горючестью водорода. Катастрофа дирижабля «Гинденбург» в 1937 году положила конец коммерческому использованию водорода в качестве несущего газа, уступив место более безопасному, но дорогому гелию.

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.

В представленном в задании утверждении содержится неточность. Для корректного ответа необходимо развернуто объяснить правильный способ проверки прибора на герметичность и физический принцип, лежащий в его основе.

1. Соберите прибор для получения газов...

Проверка прибора на герметичность — это ключевой этап подготовки к эксперименту по получению газа. Цель проверки — убедиться, что в собранной установке отсутствуют утечки (щели, зазоры), через которые получаемый газ может улетучиваться в атмосферу или через которые в прибор может проникать воздух.

Метод проверки, упомянутый в задании, основан на фундаментальном свойстве газов — их способности к тепловому расширению. Этот процесс описывается газовыми законами, в частности законом Гей-Люссака, который гласит, что при постоянном объеме давление газа прямо пропорционально его абсолютной температуре:

$$ \frac{P}{T} = \text{const} $$

где $P$ — давление газа, а $T$ — его абсолютная температура. Проще говоря, при нагревании газ расширяется, и если он находится в замкнутом объеме, его давление увеличивается.

Правильная последовательность действий для проверки герметичности включает следующие шаги. Во-первых, необходимо собрать прибор, плотно закрыв пробирку пробкой с газоотводной трубкой. Во-вторых, конец газоотводной трубки следует опустить в стакан с водой. В-третьих, пробирку нужно слегка нагреть. Наиболее простой и безопасный способ — обхватить её ладонями и согреть теплом рук. В-четвертых, необходимо внимательно наблюдать за концом трубки, опущенным в воду.

Анализ утверждения из задания

Утверждение "появление пузырьков воздуха в стакане с водой указывает на то, что прибор герметичен" является неполным и может ввести в заблуждение. Оно описывает ожидаемый положительный результат проверки, но упускает самое важное условие, при котором этот результат достигается, — нагревание прибора.

Подробное объяснение

Когда мы согреваем пробирку ладонями, воздух внутри неё нагревается. Нагретый воздух расширяется, и ему требуется больше места. Он начинает давить на стенки пробирки и пробки, ища выход.

Если прибор собран правильно и герметичен, то единственным путем для выхода расширившегося воздуха является газоотводная трубка. Проходя через трубку и выходя в воду, воздух образует пузырьки. Именно это мы и должны наблюдать.

Если же прибор негерметичен, например, пробка вставлена неплотно или в ней есть трещина, то расширившийся воздух найдет более легкий путь наружу — через эту щель. В таком случае мы либо не увидим пузырьков в воде совсем (если утечка большая), либо их будет очень мало. Отсутствие пузырьков при нагревании — верный признак негерметичности.

Таким образом, именно появление пузырьков в ответ на нагревание свидетельствует о герметичности. Для полной уверенности можно провести и обратный тест: прекратить нагрев (убрать руки). Пробирка начнет остывать, воздух внутри будет сжиматься, создавая разрежение. В результате атмосферное давление "загонит" столбик воды из стакана внутрь газоотводной трубки. Это служит окончательным подтверждением герметичности установки.

Ответ:

Утверждение в задании является неполным и потому некорректным. Правильная формулировка должна быть следующей: для проверки герметичности собранного прибора конец газоотводной трубки опускают в стакан с водой, а пробирку слегка нагревают (например, теплом ладоней). Появление пузырьков воздуха, выходящих из трубки в воду, указывает на то, что прибор герметичен, так как расширившийся от нагрева воздух выходит по единственному доступному пути. Если при нагревании пузырьки не появляются, это означает, что прибор негерметичен и воздух выходит через незамеченные щели.

2. В пробирку поместите 2–3 гранулы цинка.

Решение

Данное указание является одним из шагов в выполнении лабораторной работы по химии. Оно описывает подготовительный этап для проведения химической реакции с участием цинка.

Порядок действий:
1. Возьмите чистую и сухую химическую пробирку.
2. С помощью пинцета или аккуратно наклонив пробирку, поместите на её дно 2 или 3 гранулы (небольших кусочка) металлического цинка ($Zn$). Важно не бросать гранулы в пробирку, так как это может привести к повреждению стеклянной посуды.

Цель и контекст эксперимента:
Чаще всего такой опыт проводится для изучения химических свойств металлов, в частности их взаимодействия с кислотами. Цинк — металл, стоящий в ряду активности левее водорода, поэтому он способен вытеснять водород из растворов кислот (кроме азотной кислоты и концентрированной серной).

Предполагаемое продолжение и наблюдение:
Следующим шагом, как правило, является добавление в пробирку с цинком раствора кислоты, например, соляной ($HCl$) или разбавленной серной ($H_2SO_4$).
При добавлении кислоты к цинку будет наблюдаться бурная реакция: на поверхности гранул цинка начнут активно выделяться пузырьки бесцветного газа, а сами гранулы начнут постепенно растворяться.
Выделяющийся газ — это водород ($H_2$), который можно собрать и поджечь (он сгорает с характерным "лающим" хлопком), что доказывает его наличие.

Химическое уравнение реакции:
Реакция между цинком и соляной кислотой является реакцией замещения. В её ходе образуется соль — хлорид цинка ($ZnCl_2$) — и выделяется водород:
$Zn_{(тв)} + 2HCl_{(p-p)} \rightarrow ZnCl_{2(p-p)} + H_{2(г)} \uparrow$

Таким образом, выполнение данной инструкции — это первый шаг в классическом школьном эксперименте по получению водорода в лаборатории.

Ответ:
Данная инструкция предписывает поместить в чистую пробирку 2-3 гранулы цинка, что является подготовительным этапом для проведения химического опыта. Чаще всего этот опыт заключается в изучении реакции цинка с кислотой (например, соляной) для получения водорода. В ходе реакции цинк будет растворяться с выделением пузырьков газа (водорода) согласно уравнению: $Zn + 2HCl \rightarrow ZnCl_2 + H_2 \uparrow$.

3. В пробирку с цинком добавьте соляную кислоту так, чтобы она покрыла гранулы цинка. Закройте пробирку пробкой со стеклянной газоотводной трубкой.

В данном пункте описывается проведение химического эксперимента по взаимодействию цинка с соляной кислотой. Поскольку вопроса как такового не представлено, ниже приведено развернутое описание того, что произойдет в ходе выполнения указанных действий, включая наблюдения, уравнение реакции и выводы.

Описание процесса и наблюдения

При добавлении соляной кислоты ($HCl$) в пробирку с гранулами цинка ($Zn$) начнется химическая реакция. Цинк является металлом, который в электрохимическом ряду активности металлов стоит левее водорода. Это означает, что цинк более активен, чем водород, и способен вытеснять его из растворов кислот (кроме азотной кислоты концентрированной).

В ходе эксперимента можно будет наблюдать следующие явления:

1. На поверхности гранул цинка начнется бурное выделение пузырьков бесцветного газа, не имеющего запаха. Этот газ – водород ($H_2$).

2. Гранулы цинка будут постепенно уменьшаться в размере и в итоге растворятся, так как металлический цинк будет переходить в ионную форму, образуя растворимую в воде соль – хлорид цинка ($ZnCl_2$).

3. Пробирка и ее содержимое нагреются. Это свидетельствует о том, что реакция является экзотермической, то есть протекает с выделением теплоты.

Наличие газоотводной трубки в пробке указывает на то, что выделяющийся водород планируется собрать или проверить его свойства. Например, его можно собрать в перевернутую пробирку методом вытеснения воздуха или воды. Качественной реакцией на водород является его сгорание с характерным "хлопающим" или "лающим" звуком при поднесении к открытому концу трубки зажженной лучинки.

Уравнение химической реакции

Химическое взаимодействие между цинком и соляной кислотой относится к реакциям замещения. Атом простого вещества (цинка) замещает атом другого элемента (водорода) в сложном веществе (соляной кислоте). Молекулярное уравнение реакции выглядит следующим образом:

$Zn_{(тв)} + 2HCl_{(р-р)} \rightarrow ZnCl_{2(р-р)} + H_{2(г)}\uparrow$

Продуктами реакции являются хлорид цинка ($ZnCl_2$), который остается в растворе, и газообразный водород ($H_2$), который выделяется из пробирки.

Выводы по эксперименту

Проведение данного опыта позволяет сделать следующие выводы:

1. Подтверждается положение цинка в ряду активности металлов: он активнее водорода и вытесняет его из соляной кислоты.

2. Данная реакция является типичным примером реакции замещения.

3. Это один из наиболее распространенных и удобных лабораторных способов получения водорода.

4. Реакция является экзотермической, что характерно для взаимодействия активных металлов с кислотами.

Ответ: При выполнении указанных действий произойдет реакция замещения между цинком и соляной кислотой. Будет наблюдаться выделение газа водорода ($H_2$), растворение цинка и нагревание пробирки. Уравнение реакции: $Zn + 2HCl \rightarrow ZnCl_2 + H_2\uparrow$. Эксперимент демонстрирует химические свойства активных металлов и является лабораторным способом получения водорода.

4. Прибор закрепите в лапке лабораторного штатива. На стеклянную трубку наденьте пробирку-приёмник. Соберите в неё выделяющийся водород.

В данном пункте инструкции описывается методика сбора водорода, получаемого в ходе химической реакции. Процесс основан на физических свойствах этого газа.

Решение

Инструкция "Прибор закрепите в лапке лабораторного штатива" является стандартным требованием техники безопасности для обеспечения устойчивости всей установки.

Ключевая часть инструкции — "На стеклянную трубку наденьте пробирку-приёмник. Соберите в неё выделяющийся водород". Здесь описывается метод сбора газа, известный как метод вытеснения воздуха. Пробирку-приёмник располагают вверх дном (отверстием вниз) и надевают на газоотводную трубку, направленную вверх.

Выбор такого способа сбора обусловлен плотностью водорода по сравнению с плотностью воздуха.

• Молярная масса водорода ($H_2$) составляет $M(H_2) \approx 2.016 \text{ г/моль}$.
• Средняя молярная масса воздуха, который является смесью газов (в основном азота $N_2$ и кислорода $O_2$), составляет примерно $M(\text{воздуха}) \approx 29 \text{ г/моль}$.

Поскольку молярная масса водорода почти в 14.5 раз меньше молярной массы воздуха, водород значительно легче воздуха. Согласно закону Авогадро, при одинаковых условиях (температуре и давлении) газы с меньшей молярной массой имеют меньшую плотность.

Поэтому, когда водород поступает по газоотводной трубке в перевёрнутую пробирку, он, как более лёгкий газ, поднимается и скапливается в её верхней части (у дна). При этом он вытесняет более тяжёлый воздух, который выходит из пробирки через её открытое отверстие. Постепенно вся пробирка заполняется водородом.

Для проверки чистоты собранного водорода (и полноты заполнения пробирки) используется проба с горящей лучинкой. Пробирку, не переворачивая, подносят к пламени. Тихий "хлопок" свидетельствует о наличии чистого водорода.

Ответ: В инструкции описан метод сбора водорода путём вытеснения воздуха. Пробирку-приёмник необходимо расположить вверх дном, так как водород ($H_2$) — газ, который значительно легче воздуха ($M(H_2) \approx 2 \text{ г/моль}$, а $M(\text{воздуха}) \approx 29 \text{ г/моль}$). Поднимаясь вверх, водород будет заполнять объём перевёрнутой пробирки, вытесняя из неё более тяжёлый воздух.

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.

5. Проверьте водород на чистоту. Для этого используйте зажжённую спиртовку.
Для выполнения этой проверки необходимо пробирку, в которую был собран водород, аккуратно снять с газоотводной трубки и, удерживая её отверстием вниз (поскольку водород значительно легче воздуха), поднести к пламени зажжённой спиртовки. В зависимости от того, чистый ли водород был собран или он смешан с воздухом, наблюдаемые явления будут отличаться.

Случай 1: Водород смешан с воздухом.
Если в пробирке находится смесь водорода с воздухом (точнее, с кислородом, содержащимся в воздухе), то такая смесь является взрывоопасной и называется «гремучий газ». При поднесении пламени к отверстию пробирки происходит быстрая реакция горения, которая сопровождается резким, громким хлопком, который часто описывают как «лающий» или свистящий. Это свидетельствует о том, что водород нечистый. Реакция горения водорода выглядит следующим образом:
$2H_2 + O_2 \rightarrow 2H_2O$
Взрывной характер реакции обусловлен тем, что реагенты (водород и кислород) уже находятся в перемешанном состоянии.

Случай 2: Водород чистый.
Если в пробирке находится чистый водород, то при поднесении к пламени раздастся тихий, глухой хлопок («пух»). После этого водород будет спокойно гореть у отверстия пробирки почти невидимым, бледно-голубым пламенем. Горение происходит не взрывообразно, а по мере того, как водород выходит из пробирки и смешивается с кислородом из атмосферы. Глухой хлопок в начале — это воспламенение небольшого количества водорода, уже успевшего смешаться с воздухом у самого края пробирки. Спокойное горение после хлопка является признаком чистоты газа.

Ответ: При внесении пробирки с водородом в пламя спиртовки наблюдается хлопок. Если водород чистый, то хлопок будет глухой и тихий, после чего газ будет спокойно гореть. Если водород смешан с воздухом, то произойдет резкий, громкий («лающий») хлопок.

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.

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.

Этот пункт инструкции описывает процедуру безопасной утилизации избытка водорода, выходящего из реакционной установки, и качественное наблюдение за его горением.

Перед тем как поджигать водород, необходимо убедиться в его чистоте, то есть в отсутствии примеси воздуха (кислорода). Смесь водорода и кислорода (в объемном соотношении примерно 2:1) известна как гремучий газ и является взрывоопасной. Проверку на чистоту обычно проводят, собирая небольшое количество выходящего газа в перевернутую пробирку и поднося ее к пламени в стороне от основной установки. Спокойное горение газа с тихим хлопком указывает на его чистоту.

Горение чистого водорода в кислороде воздуха представляет собой химическую реакцию, в результате которой образуется вода. Этот процесс является экзотермическим (протекает с выделением тепла).

Уравнение реакции горения водорода:

$2H_2 + O_2 \rightarrow 2H_2O$

Пламя водорода практически бесцветно, оно имеет очень бледный голубоватый оттенок. Из-за низкой светимости его трудно разглядеть при обычном освещении. Чтобы сделать пламя видимым, на его фон помещают контрастный, обычно белый, предмет. Полоска белой бумаги, поднесенная пинцетом, позволяет отчетливо увидеть контуры бледно-голубого пламени.

Ответ: Водород поджигают у конца трубки после проверки на чистоту, чтобы безопасно утилизировать его избыток. Он горит характерным бледно-голубым пламенем, которое становится видимым на белом фоне; в результате реакции горения образуется вода.

По окончании опыта погасите спиртовку.

Данная инструкция является частью завершения химического эксперимента, в частности, такого как восстановление оксида металла водородом при нагревании.

Важно соблюдать правильную последовательность действий. В экспериментах, где водород используется для восстановления металлов (например, меди из оксида меди(II)), сначала прекращают нагревание (гасят спиртовку), но продолжают пропускать ток водорода через реакционную пробирку до тех пор, пока она и ее содержимое полностью не остынут.

Это необходимо для того, чтобы предотвратить окисление полученного в ходе реакции чистого металла (например, меди) кислородом воздуха. В нагретом состоянии металлы, как правило, очень активны и легко вступают в реакцию с кислородом, превращаясь обратно в оксид. Поток водорода создает в пробирке инертную (бескислородную) атмосферу, которая защищает горячий металл от окисления.

Ответ: Спиртовку гасят для прекращения нагревания, но подачу водорода продолжают до полного остывания продуктов реакции, чтобы избежать их повторного окисления кислородом воздуха.

Оформите отчёт.

Ниже представлен пример отчета по лабораторной работе, в рамках которой могли бы выполняться указанные действия.

Лабораторная работа: "Восстановление оксида меди(II) водородом"

Цель работы: Получить водород, изучить его восстановительные свойства на примере реакции с оксидом меди(II), а также наблюдать за горением водорода.

Оборудование и реактивы: Прибор для получения газов (аппарат Киппа или пробирка Вюрца), штатив с лапкой, пробирка из тугоплавкого стекла, газоотводная трубка, спиртовка, спички, пинцет, пробирки для сбора газа, оксид меди(II) ($CuO$), гранулы цинка ($Zn$), раствор соляной кислоты ($HCl$), полоска белой бумаги.

Ход работы:

1. Собрали установку для получения водорода и восстановления им оксида меди(II). В прибор для получения газов поместили гранулы цинка и прилили раствор соляной кислоты.

2. Пропустили выделяющийся водород через всю систему в течение 2-3 минут для вытеснения воздуха.

3. Проверили выходящий водород на чистоту: собрали газ в перевернутую пробирку и поднесли к пламени спиртовки. Тихий хлопок подтвердил чистоту газа.

4. Начали нагревать пробирку с порошком оксида меди(II) в токе водорода.

5. Наблюдали за происходящими изменениями.

6. Подожгли избыток водорода у конца газоотводной трубки. Для наблюдения за пламенем использовали лист белой бумаги в качестве фона.

7. После завершения реакции прекратили нагревание (погасили спиртовку), не прекращая подачу водорода до полного остывания пробирки.

8. Прекратили подачу водорода и разобрали установку.

Наблюдения:

1. В приборе для получения газов при контакте цинка и соляной кислоты наблюдалось бурное выделение бесцветного газа без запаха – водорода.

2. Черный порошок оксида меди(II) при нагревании в токе водорода постепенно изменил свой цвет на красно-розовый. Это свидетельствует об образовании металлической меди.

3. На холодных стенках пробирки, где проходила реакция, сконденсировались капельки бесцветной жидкости – воды.

4. Водород на выходе из газоотводной трубки горел спокойным, едва заметным бледно-голубым пламенем.

Уравнения реакций:

1. Получение водорода в аппарате Киппа:
$Zn + 2HCl \rightarrow ZnCl_2 + H_2\uparrow$

2. Восстановление оксида меди(II) водородом:
$CuO\text{ (черный)} + H_2 \xrightarrow{t^\circ} Cu\text{ (красно-розовый)} + H_2O$

3. Горение избытка водорода:
$2H_2 + O_2 \rightarrow 2H_2O$

Вывод: В ходе эксперимента было доказано, что водород обладает восстановительными свойствами. Он способен восстанавливать металлы из их оксидов, отнимая у них кислород. В результате реакции восстановления оксида меди(II) водородом образуются металлическая медь и вода. Горение водорода является его характерным свойством. Цель работы достигнута.

Ответ: Отчет по лабораторной работе, включающий цель, оборудование, ход работы, наблюдения, уравнения реакций и выводы, оформлен.