Мои химические исследования, страница 45 - гдз по химии 8 класс учебник Журин

МОИ ХИМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

Водород как восстановитель.

«ПОМОЩНИК»

Соберите прибор для получения водорода.

Проверьте водород на чистоту.

Поместите в сухую пробирку $1/2$ ложки-дозатора порошка оксида меди(II) и закрепите её в лапке штатива.

Откройте зажим на газоотводной трубке прибора Кирюшкина и пропускайте водород над оксидом меди(II).

Прогрейте пламенем спиртовки (газовой горелки) всю пробирку, затем нагревайте оксид меди(II).

После окончания химической реакции погасите спиртовку (газовую горелку), затем закройте зажим на газоотводной трубке прибора Кирюшкина.

В данном эксперименте демонстрируются восстановительные свойства водорода на примере его реакции с оксидом меди(II). Ниже представлено развернутое объяснение каждого этапа работы.

Соберите прибор для получения водорода.

Для получения водорода в лабораторных условиях обычно используют аппарат Киппа или более простое устройство, состоящее из пробирки (или колбы Вюрца), в которую помещают металл, стоящий в ряду активности до водорода (чаще всего цинк — $Zn$), и воронки для добавления кислоты (например, соляной $HCl$ или разбавленной серной $H_2SO_4$). От пробирки отходит газоотводная трубка для сбора выделяющегося водорода. Реакция получения водорода, например, с цинком и соляной кислотой, описывается уравнением:

$Zn + 2HCl \rightarrow ZnCl_2 + H_2 \uparrow$

Ответ: Прибор для получения водорода (например, аппарат Киппа) собирается для проведения реакции между активным металлом (цинком) и кислотой (соляной или серной) с целью синтеза газообразного водорода, который необходим для дальнейшего проведения эксперимента.

Проверьте водород на чистоту.

Этот этап является критически важным для обеспечения безопасности. Смесь водорода с воздухом (точнее, с кислородом воздуха в соотношении примерно 2:1 по объему) известна как "гремучий газ" и является взрывоопасной при поджигании. Чтобы проверить чистоту водорода, небольшое его количество собирают в перевернутую пробирку и подносят к пламени спиртовки. Если слышен тихий "хлопок" или "пук", водород чистый и можно продолжать работу. Если раздается громкий, "лающий" звук, значит, водород еще смешан с воздухом, и необходимо подождать, пока чистый водород вытеснит весь воздух из прибора, периодически повторяя пробу.

Ответ: Проверка водорода на чистоту является обязательной мерой безопасности, так как смесь водорода с воздухом взрывоопасна ("гремучий газ"), и работа с такой смесью при нагревании может привести к разрушению установки и травмам.

Поместите в сухую пробирку 1/2 ложки-дозатора порошка оксида меди(II) и закрепите её в лапке штатива.

Оксид меди(II) ($CuO$) — это порошок черного цвета. Пробирку следует использовать сухую, чтобы вода, образующаяся в ходе реакции, была единственной жидкостью, и ее появление было явным доказательством протекания реакции. Пробирку закрепляют в штативе горизонтально или с небольшим наклоном в сторону отверстия, чтобы образующаяся вода не стекала на горячее дно пробирки, что может привести к ее растрескиванию.

Ответ: В сухую пробирку помещают черный порошок оксида меди(II) ($CuO$), который будет служить окислителем, и закрепляют ее в штативе для последующего равномерного нагревания в токе водорода.

Откройте зажим на газоотводной трубке прибора Кирюшкина и пропускайте водород над оксидом меди(II).

Перед началом нагревания необходимо пропустить ток водорода через пробирку с оксидом меди(II) в течение некоторого времени (1-2 минуты). Это делается для того, чтобы полностью вытеснить воздух из пробирки и заменить его водородом. Таким образом, внутри пробирки создается инертная (в данном случае восстановительная) атмосфера, что исключает возможность взрыва при последующем нагревании.

Ответ: Перед нагреванием через пробирку с оксидом меди(II) пропускают водород, чтобы вытеснить из нее весь воздух и предотвратить образование взрывоопасной смеси водорода с кислородом.

Прогрейте пламенем спиртовки (газовой горелки) всю пробирку, затем нагревайте оксид меди(II).

Сначала всю пробирку равномерно прогревают, чтобы избежать ее растрескивания из-за термического шока. Затем пламя концентрируют на той части пробирки, где находится оксид меди(II). При сильном нагревании начинается химическая реакция, в ходе которой наблюдаются следующие изменения:
1. Черный порошок оксида меди(II) ($CuO$) постепенно превращается в твердое вещество красно-розового цвета — это металлическая медь ($Cu$).
2. На более холодных внутренних стенках пробирки появляются капельки прозрачной жидкости — это вода ($H_2O$), продукт реакции.
Происходит окислительно-восстановительная реакция, описываемая уравнением:
$CuO(черный) + H_2(газ) \xrightarrow{t^\circ} Cu(красно-розовый) + H_2O(жидкость)$
В этой реакции водород $H_2$ отнимает кислород у оксида меди(II), то есть восстанавливает медь из оксида. Сам водород при этом окисляется (повышает степень окисления с 0 до +1), а медь восстанавливается (понижает степень окисления с +2 до 0). Таким образом, водород является восстановителем, а оксид меди(II) — окислителем.

Ответ: При нагревании оксида меди(II) в токе водорода происходит химическая реакция восстановления: черный оксид меди(II) превращается в красную металлическую медь, и образуется вода. Это доказывает, что водород обладает восстановительными свойствами.

После окончания химической реакции погасите спиртовку (газовую горелку), затем закройте зажим на газоотводной трубке прибора Кирюшкина.

Внимание: в данной инструкции приведена неточная и потенциально ошибочная последовательность действий.
Правильная последовательность действий в конце эксперимента такова: сначала прекращают нагревание (гасят спиртовку), но продолжают пропускать водород через пробирку до тех пор, пока она и образовавшаяся в ней медь полностью не остынут до комнатной температуры. Только после полного остывания можно прекращать подачу водорода (закрывать зажим).
Это необходимо потому, что свежевосстановленная медь очень активна при высокой температуре и, если прекратить подачу водорода, она немедленно прореагирует с кислородом воздуха, который попадет в пробирку, и снова превратится в черный оксид меди(II):
$2Cu + O_2 \xrightarrow{t^\circ} 2CuO$
Таким образом, если следовать инструкции из изображения буквально, результат эксперимента (получение красной меди) будет утрачен.

Ответ: После завершения реакции нужно сначала прекратить нагревание и, не прекращая подачу водорода, дать пробирке остыть. Это необходимо для того, чтобы предотвратить повторное окисление горячей меди кислородом воздуха и сохранить продукт реакции — металлическую медь.