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.

Назовите основные химические свойства водорода.

Решение

Водород ($H_2$) — химически активное вещество, которое в зависимости от условий и реагента может проявлять как восстановительные, так и окислительные свойства. Его химические свойства определяются способностью атома водорода отдавать (проявляя восстановительные свойства, степень окисления +1) или принимать (проявляя окислительные свойства, степень окисления -1) один электрон.

1. Взаимодействие с неметаллами

В этих реакциях водород проявляет свои восстановительные свойства. Реакции обычно требуют инициации (нагревание, облучение светом, катализатор).

С кислородом: водород горит в кислороде или на воздухе, образуя воду. Реакция экзотермическая. Смесь водорода с кислородом в объемном соотношении 2:1 называется «гремучим газом» и является взрывоопасной.
$2H_2 + O_2 \xrightarrow{t} 2H_2O$

С галогенами: образуются галогеноводороды. Активность реакции падает в ряду от фтора к йоду.
$H_2 + Cl_2 \xrightarrow{h\nu} 2HCl$ (реакция на свету протекает со взрывом)

С серой: при нагревании образуется сероводород.
$H_2 + S \xrightarrow{t} H_2S$

С азотом: промышленно важная обратимая реакция синтеза аммиака (процесс Габера-Боша), протекающая при высокой температуре, давлении и в присутствии катализатора.
$N_2 + 3H_2 \rightleftharpoons 2NH_3$

2. Взаимодействие с активными металлами

В реакциях со щелочными (Li, Na, K) и щелочноземельными (Ca, Sr, Ba) металлами водород проявляет окислительные свойства, принимая электрон и приобретая степень окисления -1. В результате образуются ионные соединения — гидриды.
$2Na + H_2 \xrightarrow{t} 2NaH$ (гидрид натрия)
$Ca + H_2 \xrightarrow{t} CaH_2$ (гидрид кальция)

3. Восстановление металлов из их оксидов

Водород является сильным восстановителем и используется в металлургии (водородотермия) для получения металлов, которые в ряду электрохимической активности стоят после алюминия.
$CuO + H_2 \xrightarrow{t} Cu + H_2O$
$Fe_2O_3 + 3H_2 \xrightarrow{t} 2Fe + 3H_2O$
$WO_3 + 3H_2 \xrightarrow{t} W + 3H_2O$

4. Взаимодействие с органическими соединениями

Водород способен присоединяться по месту кратных (двойных и тройных) связей в молекулах ненасыщенных органических соединений. Эта реакция называется гидрированием (гидрогенизацией) и протекает в присутствии катализаторов (Ni, Pt, Pd).
$CH_2=CH_2 (этен) + H_2 \xrightarrow{Ni, t, p} CH_3-CH_3 (этан)$
Реакция гидрирования широко применяется в промышленности, например, для превращения жидких растительных масел в твердые жиры (производство маргарина).

Ответ: Основные химические свойства водорода:
1. Проявление восстановительных свойств в реакциях с неметаллами (кислородом, галогенами, серой, азотом).
2. Проявление окислительных свойств в реакциях с активными металлами с образованием гидридов.
3. Восстановление менее активных и средней активности металлов из их оксидов.
4. Реакции присоединения (гидрирования) к органическим соединениям, содержащим кратные связи.

Какие химические реакции называют реакциями восстановления?

Решение

Реакциями восстановления называют химические процессы, в ходе которых атом, ион или молекула присоединяет электроны. Этот процесс всегда сопровождается понижением степени окисления химического элемента, участвующего в реакции.

Важно понимать, что восстановление никогда не протекает изолированно. Оно является одной из двух составных частей единого процесса — окислительно-восстановительной реакции (ОВР). Вторая часть — это окисление, то есть процесс отдачи электронов. Таким образом, когда одно вещество восстанавливается (принимает электроны), другое вещество обязательно окисляется (отдает электроны).

• Вещество, которое принимает электроны и в результате само восстанавливается, называется окислителем.
• Вещество, которое отдает электроны и в результате само окисляется, называется восстановителем.

Рассмотрим классический пример — взаимодействие металлического цинка с раствором сульфата меди(II):

$Zn + CuSO_4 \rightarrow ZnSO_4 + Cu$

Чтобы понять суть процессов, распишем степени окисления элементов до и после реакции:

$Zn^0 + Cu^{+2}S^{+6}O_4^{-2} \rightarrow Zn^{+2}S^{+6}O_4^{-2} + Cu^0$

В этой реакции можно выделить два полупроцесса:

1. Процесс восстановления: Ион меди $Cu^{+2}$ принимает два электрона и превращается в нейтральный атом меди $Cu^0$. Его степень окисления понижается с $+2$ до $0$. Это и есть реакция восстановления.

   $Cu^{+2} + 2e^- \rightarrow Cu^0$

   Ион меди $Cu^{+2}$ (в составе сульфата меди $CuSO_4$) является окислителем.

2. Процесс окисления: Атом цинка $Zn^0$ отдает два электрона и превращается в ион цинка $Zn^{+2}$. Его степень окисления повышается с $0$ до $+2$.

   $Zn^0 - 2e^- \rightarrow Zn^{+2}$

   Атом цинка $Zn$ является восстановителем.

Таким образом, хотя всю реакцию называют окислительно-восстановительной, конкретно реакцией восстановления является та её часть, где происходит присоединение электронов и понижение степени окисления.

Ответ: Реакциями восстановления называют процессы присоединения электронов атомом, ионом или молекулой, что приводит к понижению степени окисления данного химического элемента. Реакция восстановления является неотъемлемой частью окислительно-восстановительной реакции.