Восстановление меди водородом. Получение металлов из оксидов с помощью восстановителей: водорода, алюминия, оксида углерода (II)

20.09.2019 -

Чистую сухую пробирку с небольшим количеством оксида меди СиО надевают на наклонную газоотводную трубку прибора для получения водорода. Наклон должен быть такой, чтобы порошок оксида меди не съезжал вниз по стенкам пробирки. К цинку, насыпанному в резервуар прибора, приливают раствор кислоты (стр. 59), испытывают чистоту водорода и надевают на газоотводную трубку пробирку с заранее насыпанным порошком оксида меди. Осторожно прогрев пламенем спиртовки пробирку (не приближать пламя к отверстию: водород вспыхнет и погасить его в этом случае будет трудно), нагревают оксид меди СиО на некотором расстоянии от дна пробирки. Как только начнется легкое раскаливание, спиртовку отставляют - экзотермическая реакция сама доходит до конца. На стенках пробирки конденсируются капельки воды. По окончании реакции вновь прогревают пробирку (не прекращая ток водорода), чтобы удалить со стенок воду (предосторожность, см. выше), и оставляют полученную медь для охлаждения в токе водорода, иначе в пробирку войдет воздух и не успевший остыть металл окислится. Порошок металлической меди высыпают на наковальню и расковывают молотком до получения небольших тонких пластинок. Можно растереть часть порошка в чистой фарфоровой ступке. На ее стенках образуется тонкий слой меди характерного цвета. Удалить его со стенок легко, смочив их азотной кислотой.

Опыт может быть выполнен в любом приборе, предназначенном для лабораторных работ учащихся с водородом и медью. Для этого нужно только заменить пробку с обычной газоотводной трубкой на пробку с наклонной трубкой. Если часть газоотводной трубки резиновая, к ней вместо короткого стеклянного наконечника присоединяют длинную (около 20 см ) стеклянную трубку, надевают на последнюю просверленную пробку и закрепляют в слегка наклонном положении в зажиме штатива. Так обычно оформляют демонстрационный опыт, для которого нужен более мощный источник водорода (аппарат Киппа или другой прибор автоматического действия). При использовании приборов автоматического действия и даже при наличии резиновой газоотводной трубки у прибора с воронкой сравнительно легко погасить пламя водорода, неожиданно вспыхнувшее у отверстия пробирки при прогревании, кратковременно закрыв кран или зажав резиновую трубку. Иногда для демонстрационного опыта вместо пробирки берут шариковую трубку, но особой необходимости в этом нет.

б) Если желательно собрать образующуюся при реакции воду, опыт проводят в приборе, изображенном на рисунке 81. Реакционную изогнутую и оттянутую трубку, длина которой около 18 см , наружный диаметр 1,5 см , можно изготовить из соответствующей стеклянной трубки на хорошей горелке (т. I, стр. 224) или заказать (лучше из тугоплавкого стекла). В трубку помещают зер неный или «проволочный» оксид меди СиО столбиком до 5 см между двумя рыхлыми пробками из прокаленной асбестовой ваты. Водород из аппарата Киппа сушат, пропуская его через серную кислоту. Образующаяся вода конденсируется в колбочке, опущенной в стакан с холодной водой. Она имеет изогнутую газоотводную трубку для отвода избытка водорода. У конца этой трубки испытывают чистоту выходящего водорода перед началом нагревания.

За неимением изогнутой реакционной трубки можно воспользоваться шариковой или прямой (диаметром 1,5 см ) трубкой с изогнутой под прямым углом газоотводной трубкой, а вместо колбочки применить охлаждаемую водой пробирку.

Свойства водорода восстанавливать металлы из оксидов обычно демонстрируют на его реакции с оксидом меди (II). Для этого водород, из аппарата Киппа (проверить на чистоту!) пропускают над нагреваемым оксидом меди (II). Пробирку закрепляют в штативе немного наклонно вниз отверстием, с тем чтобы образующаяся при реакции вода стекала. Для лучшего обнаружения красной меди остаток после опыта растирают в фарфоровой ступке, на которой при этом можно заметить налет металлической меди. Надо иметь в виду, что охлаждать полученную медь надо в токе водорода, иначе часть восстановленной меди снова окислится. Если взять побольше оксида меди (II), то после пропускания водорода и сильного нагревания ее можно на некоторое время отставить нагревательный прибор. Наблюдается самораскаливание оксида меди (II), так как восстановление ее водородом является реакцией экзотермической. (Этот же опыт можно проводить в установке (рис.) состоящей из сухой стеклянной трубки (4), закрытой с двух концов пробками (6) с трубками. В стеклянную трубку (4) поместите немного оксида меди (II) (5) и закрепите ее в штативе (9). Пропустите в трубку водород из пробирки (1), закрывающейся пробкой с газоотводной трубкой (2) и соединенной резиновым переходником (3) со стеклянной трубкой (4).

Визуальные наблюдения ___

__________________________________________

Рис. Восстановление оксида меди (II) водородом.

Уравнение реакций ______

_____________________

____________________________________________________________________

Опыт 3. Сравнение восстановительных свойств молекулярного и атомного водорода

Для изучения восстановительных свойств молекулярного и атомного водорода в первую пробирку налейте разбавленный раствор серной кислоты, добавьте несколько капель раствора перманганата калия и кусочек цинка, во вторую пробирку налейте разбавленный раствор H 2 SO 4 , добавьте несколько капель раствора КМпО 4 и пропустите водород из аппарата Кипа.

Визуальные наблюдения _______________________________________________

____________________________________________________________________

Уравнение реакций ___________________________________________________

____________________________________________________________________

Контрольные вопросы к лабораторной работе «ВОДОРОД».

1. Водород. Электронная структура атома. Изотопы.

2. Основные промышленные и лабораторные способы получения водорода.

3. Физические свойства водорода.

4. Химические свойства водорода.

5. В чем сходство водорода и галогенов, водорода и щелочных металлов?

6. Привести структурную формулу перекиси водорода и указать характер химических связей.

7. Написать уравнения реакций взаимодействия перекиси водорода с йодидом калия, нитритом калия, сульфидом свинца и оксидом серебра. Указать, окислителем или восстановителем является перекись водорода в данных реакциях.

8. Закончить уравнения химических реакций, назвать полученные вещества и указать тип химической связи:

Na + H 2 = H 2 + F 2 =

9. Напишите уравнения реакций, с помощью которых можно осуществить следующие превращения:

NaOH → H 2 → H 2 O → NaOH → NaHCO 3 → Na 2 SO 4

10. Какой объем водорода (н.у.) выделится при действии на алюминий массой 32,4 г раствора соляной кислоты объемом 200 мл (ρ=1,11г/см 3) с массовой долей 25%?

11. 12 г гидрида натрия растворили в 50 г воды. Определите массовую долю гидроксида натрия (в процентах) в полученном растворе.

12. Установить формулу соединения водорода с азотом, содержащего 12,5% водорода. Плотность паров этого вещества по воздуху равна 1,104.

Для заметок________________________________________ _______________

__________________________________________________________________

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №2.ГАЛОГЕНЫ

Опыт 1. Получение хлора и хлорной воды.

Поместите в колбу Вюрца, снабженную капельной воронкой (см. рис), оксид марганца (IV) и прилейте по каплям концентрированную соляную кислоту. Газоотводную трубку опустите в склянку для сбора хлора (или склянку с дистиллированной водой (для получения хлорной воды) или с раствором щелочи).

В 1 объеме воды при комнатной температуре растворяется 2,5 объема хлора. Раствор хлора в воде носит название хлорной воды. Для приготовления хлорной воды через холодную воду под тягой в течение 5-8 мин пропускают сильный ток хлора. Когда вода станет желтой, пропускание хлора заканчивают. Хлорную воду хранят в темноте, на холоде, в хорошо закрытой склянке, лучше с притертой стеклянной пробкой и притертым колпачком. В отсутствие тяги хлорную воду можно получить в приборе, изображенном на рисунке. В колбу наливают воду, излишек хлора поглощается раствором щелочи.

Склянку с хлорной водой закройте и сохраните для следующих опытов.

Визуальные наблюдения _______________________________________________

____________________________________________________________________

Уравнение реакций ___________________________________________________

____________________________________________________________________

Опыт 2. Обесцвечивание органических красителей хлором

В три пробирки налейте около 1 мл дистиллированной воды. В первую пробирку прибавьте 2-3 капли растворам лакмуса, во вторую – индиго, в третью – метилового фиолетового. Затем в каждую пробирку добавьте свежеприготовленной хлорной воды.

Визуальные наблюдения _____________________________________________

__________________________________________________________________

____ ______________________________________________________________

Опыт 3.Сравнительная характеристика окислительных свойств галогенов

В пробирку внесите 3-5 капель свежеприготовленного бромида натрия, в две другие по 3-5 капель йодида калия. Добавьте во все пробирки по 4-5 капель органического растворителя (бензола или бензина). В две пробирки, содержащие раствор бромида и йодида добавьте по 2-4 капли хлорной воды, в третью пробирку с раствором йодида – бромной воды.

Визуальные наблюдения _____________________________________________

________________________________________________________________________________________________________________________________________

Уравнение реакций ___________________________________________________

____________________________________________________________________

________________________________________________________________________________________________________________________________________

Опыт 4.Качественные реакции на галогенид-ионы

Внесите в три пробирки по 3-5 капель концентрированных растворов следующих солей: в первую пробирку - хлорида натрия, во вторую - бромида натрия, в третью - иодида калия. В каждую пробирку добавьте по 1-2 капли раствора нитрата серебра.

Визуальные наблюдения _____________________________________________

________________________________________________________________________________________________________________________________________

Уравнение реакций ___________________________________________________

____________________________________________________________________

________________________________________________________________________________________________________________________________________

Опыт 5. Возгонка иода.

Возгонку иода можно провести разными способами

а) В сухой пробирке нагревают 2-3 кристаллика иода. При этом пробирка наполняется фиолетовыми парами иода, которые, охлаждаясь, оседают на ее холодных стенках в виде блестящих мелких кристалликов.

Б) На дно стакана кладут несколько кристалликов иода, затем покрывают его фарфоровой чашечкой с водой и ставят на асбестированную сетку. После осторожного нагревания снизу появляются фиолетовые пары, а на холодных стенках стакана и на дне чашки выкристаллизовывается иод.

Визуальные наблюдения _____________________________________________

________________________________________________________________________________________________________________________________________

____________________________________________________________________

Уравнение реакций ___________________________________________________

____________________________________________________________________

________________________________________________________________________________________________________________________________________

Восстановление водородом оксида меди (II)

Сухую пробирку с небольшим количеством оксида меди (II) укрепите в лапке штатива в слегка наклонном положении так, чтобы дно ее было немного приподнято (зачем?).

Соберите прибор для получения водорода (рис. 5), состоящий из банки с разбавленным раствором серной кислоты, пробирки с отверстием в дне, вставленной в пробку, закрывающую банку (нижняя часть пробирки наполнена кусочками цинка), газоотводной трубки (с зажимом), служащей для отвода газа из пробирки.

Опустите пробирку с цинком в серную кислоту и, сняв зажим, убедитесь в чистоте выделяющегося водорода. После этого пропустите водород в пробирку с оксидом меди (II) сначала при комнатной температуре, а затем при нагревании. Наблюдайте изменения, происходящие с оксидом меди (II), и выделение капель на стенках пробирки. Когда весь оксид меди (II) прореагирует, прекратите нагревание и дайте содержимому пробирки охладиться в токе водорода. Объясните наблюдаемые явления и напишите уравнение реакции.

1. Зачем требуется охлаждать реакционную пробирку до комнатной температуры перед отключением тока водорода?

2. Как установить окончание восстановления оксида металла?

3. Оксиды каких металлов могут быть восстановлены водородом (при 200-500°С)?

Рис. 5. Восстановление оксида меди (II) водородом

Восстановление перманганата калия атомарным водородом (в момент выделения)

В разбавленный раствор серной кислоты добавьте несколько капель раствора перманганата калия и разлейте смесь в две пробирки. В одну из них бросьте кусочек цинка, в другую пропустите водород из аппарата Киппа. Сравните скорость изменения цвета раствора в пробирках. Объясните разницу в скорости изменения цвета. Напишите уравнение реакций.

ТРЕБОВАНИЯ К СОДЕРЖАНИЮ И ОФОРМЛЕНИЮ ОТЧЕТА

Отчет должен быть оформлен в соответствии с общими требованиями к текстовым документам (СТО 1.701-2010).

По каждому опыту необходимо описать наблюдаемые явления и сделать теоретическое объяснение в выводе.

Уравнения реакций должны быть составлены в молекулярном и ионном виде (коэффициенты в уравнениях ОВР расставляйте с помощью метода ионно-электронного баланса).

ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ

1. Почему температура пламени гремучего газа выше, чем температура пламени водорода, горящего на воздухе?

2. Приведите примеры, показывающие отличие химической активности молекулярного и атомарного водорода.

3. Сколько граммов воды получится при взрыве 6 л гремучего газа (при н.у.)?

4. Какой газ и в каком количестве (сколько граммов) не полностью войдет в реакцию при взрыве смеси, состоящей из 0,36 г водорода и 3,26 г кислорода?

5. Может ли существовать ион Н + ?

6. Гидрид кальция используют в лабораторной практике для восстановления металлов из оксидов. Напишите уравнение реакции восстановления высшего оксида ниобия.

7. Сколько литров водорода выделится при разложении водой 5,5 г гидрида кальция при температуре 17°С и 101,3 кПа?

8. Сколько гидрида кальция должно прореагировать с водой, чтобы выделившимся водородом восстановить 20 г оксида меди (II)?

ЛИТЕРАТУРА

1. Ахметов, Н.С. Общая и неорганическая химия: Учеб.для вузов / Н. С. Ахметов. – 7-е изд.,стер. – М.: Высшая школа, 2008. – 742 с.

2. Ахметов, Н.С. Лабораторные и семинарские занятия по общей и неорганической химии: Учеб.пособие для студентов ун-тов,хим.-технол.и пед.вузов / Н. С. Ахметов, М. К. Азизова, Л. И. Бадыгин. – 5-е изд.,испр. – М.: Высшая школа, 2003 (2002). – 366 с.

3. Гельфман, М.И. Неорганическая химия: Учеб.для вузов / М. И. Гельфман, В. П. Юстратов. – 2-е изд.,стер. – СПб.: Лань, 2009. – 527 с.

4. Практикум по неорганической химии: Учебное пособие для студ. высш. уч. заведений / В.А. Алешин, К.М. Дунаев, А.И. Жиров и др; под ред. Ю.Д. Третьякова. – М.: Издательский центр «Академия», 2004. – 384 с.

5. Неорганическая химия: В 3 т. / Под ред. Ю.Д. Третьякова. Т. 2: Химия непереходных элементов: Учебник для студ. высш. учеб. Заведений / А.А. Дроздов, В.П. Зломанов, Г.Н. Мазо, Ф.М. Спиридонов. – М.: Издательский центр «Академия», 2004. – 388 с.

Для получения металлов из оксидов используются различные восстановители. Использование водорода позволяет получать активные металлы, не восстанавливаемые оксидом углерода (II). Также этот способ применяется для получения металлов с низким содержанием примесей, например, для химической лаборатории. Стоимость этого способа довольно высока. В качестве примера можно привести реакцию восстановления меди из оксида меди (II) при нагревании в струе водорода:

CuO + H 2 = Cu + H 2 O

С указанием степени окисления элементов:

Cu +2 O + H 2 0 = Cu 0 + H 2 +1 O

Хотя реакция обратимая, но проведение ее в токе водорода, и, как следствие, удаление паров воды из зоны реакции позволяет сместить равновесие вправо и добиться полного восстановления меди.

Железо, поступающее в школьную лабораторию, часто на этикетке имеет надпись: «Восстановлено водородом»:

Fe 2 O 3 + 3H 2 = 2Fe + 3H 2 O

Способ восстановления металлов алюминием получил название «алюминотермия» или «алюмотермия». Алюминий является еще более активным восстановителем. Этим способом получают хром, марганец:

2Al + Cr 2 O 3 = Al 2 O 3 + 2Cr

При реакции оксида железа (III) с порошком алюминия (смесь необходимо поджечь магниевой лентой) выделяется много тепла:

2Al + Fe 2 O 3 = Al 2 O 3 + 2Fe

Алюминотермией получают некоторое количество кальция. Обратите внимание, что в электрохимическом ряду напряжений кальций находится левее алюминия, но это не делает невозможным данный способ - не следует забывать, что ряд напряжений говорит о возможности или невозможности протекания реакций только в растворах .

Оксид углерода (II) применяется наиболее широко. Например, при выплавке чугуна в доменной печи восстановителями являются кокс и образующийся оксид углерода(II). Суммарное уравнение получения железа из красного железняка:

Fe 2 O 3 + 3CO = 2Fe + 3CO 2

Чистые металлы в современной технике используются сравнительно редко. Чистые медь и алюминий применяются для изготовления электрических проводов. Цинк, никель, хром, золото наносятся на поверхность стальных изделий для защиты от коррозии и придания красивого внешнего вида.

Сплавы обладают более высокой прочностью. Легкие сплавы на основе алюминия, например, дуралюмины (содержат медь и магний) - особенно широко применяются в изготовлении летательных аппаратов, автомобилей, скоростных судов.

Сплавы на основе железа - чугун и сталь - основные конструкционные материалы современной техники. Чугун, благодаря более низкой стоимости, устойчивости к коррозии, хорошим литейным качествам широко применяется для изготовления станков, печных плит, декоративных садовых решеток и пр.

Сталь хорошо обрабатывается и обладает высокой прочностью. Добавление в сталь легирующих добавок позволяет придавать ей особые свойства: высокую твердость, устойчивость к коррозии (нержавеющие стали), кислотам (кислотоупорные), высоким температурам (жаропрочные) и т. д.

Сплавы на основе меди - латуни и бронзы - обладают хорошей теплопроводностью, устойчивостью к коррозии (в том числе в морской воде), красивым внешним видом. Применяются для изготовления радиаторов, в судостроении, для декоративных целей.

Сплавы олова и свинца - припо́и - обладают более низкой температурой плавления, чем олово и свинец в отдельности. Используются при пайке.

Восстановление меди водородом. Получение металлов из оксидов с помощью восстановителей: водорода, алюминия, оксида углерода (II)

Восстановление водородом оксида меди (II)

Свежие записи