Разработка тестовых заданий к допуску и защите лабораторных работ по химии для студентов химичес (стр. 2 из 7)
Молекула воды имеет почти тетраэдрическое строение, угол H–O–H равен 10430. Связи в молекуле частично ионные (30%) и частично ковалентные с высокой плотностью отрицательного заряда у кислорода и соответственно положительных зарядов у водорода:
Из-за высокой прочности связей H–O ион водорода с трудом отщепляется от кислорода и вода проявляет очень слабые кислотные свойства. Многие свойства воды определяются распределением зарядов. Например, молекула воды образует с ионом металла гидрат:
Одну электронную пару вода отдает акцептору, которым может быть H+:
Молекулы воды связываются друг с другом в большие агрегаты (H2O)x слабыми водородными связями (энергия связи ~21 кДж)
Вода в такой системе водородных связей подвергается диссоциации в очень слабой степени, достигающей концентрации 10–7 моль/л. Очевидно, расщепление связи, показанное квадратными скобками, приводит к образованию гидроксид-иона OH– и иона гидроксония H3O+:
Пероксид водорода.Другим соединением, состоящим только из водорода и кислорода, является пероксид водорода H2O2. Название «пероксид» принято для соединений, содержащих связь –O–O–. Пероксид водорода имеет строение асимметрично изогнутой цепи:
Пероксид водорода получают по реакции пероксида металла с кислотой
BaO2 + H2SO4 = BaSO4 + H2O2
Концентрированный раствор H2O2 может быть получен специальными методами дистилляции. Пероксид водорода используют как окислитель в двигателях ракет. Разбавленные растворы пероксида служат антисептиками, отбеливателями и мягкими окислителями.
2.2. Сера
Формы нахождения серы в природе разнообразны. Иногда она встречается в самородном состоянии, но основная ее масса связана с металлами в составе различных минералов, которые могут быть разбиты на две большие группы: сернистых и сернокислых соединений. Из минералов первого типа особое значение для технологии серы имеет пирит (FeS2 ). К минералам второго типа относится, например, гипс (CaSO4 . 2Н2 О).
Чистая сера представляет собой желтое кристаллическое вещество с плотностью около 2, плавящееся при 119°С и кипящее при 445°С. Она очень плохо проводит тепло и электричество. В водесера нерастворима. Лучшим ее растворителем является сероуглерод (CS2 ) органических растворителях (спиртах, бензоле, сероуглероде и др.).
Химические свойства. Сера относится к числу, довольно активных неметаллов. Она хорошо горит в кислороде, образуя диоксид серы: S + О2 = SO2
При горении серы в кислороде и на воздухе образуется также триоксид серы, количество которого в отсутствие катализа незначительно. При пропускании хлора через расплавленную серу образуется монохлорид серы S2Сl2, который затем превращается в SCl2:
2 S + Сl2 = S2Cl2 (хлоридсеры (I))
S2Cl2 + Cl2 = 2 SСl2 (хлорид серы (II))
Последнее соединение неустойчиво, поэтому при нагревании реакция сдвигается влево. При нагревании серы в атмосфере водорода образуется сероводород: S + Н2 = Н2S
Если смешать порошки серы и красного фосфора в мольном соотношении 2,5 : 1 и нагреть до начала реакции, то вся масса очень быстро превращается в темно-красную жидкость:
5 S + 2 Р = Р2S5 (сульфид фосфора (V))
С металлами сера взаимодействует в большинстве случаев при
нагревании, но с некоторыми металлами (например, ртутью) и при комнатной температуре: Zn + S = ZnS (сульфид цинка)
Нg + S = НgS (сульфид ртути (II))
Последняя реакция используется в лабораторной практике для связывания разлитой ртути, пары которой очень ядовиты. Для этого предполагаемое место нахождения мельчайших капелек ртути посыпают порошком серы.
Серу можно получить как из источников самородной серы, так и из ее соединений. В промышленности серу получают выплавкой самородной серы перегретым паром через скважины. Расплавленная сера выносится на поверхность, где ее разливают в формы.
В лаборатории серу можно получить из сульфида и сульфита натрия. Для этого нужно смешать их растворы в стехиометрическом соотношении и полученный раствор нейтрализовать соляной или серной кислотой:
2 Nа2S + Nа2SO3 + 6 НСl = 6 NаСl + 3 S + 3 Н2О
2 Nа2S + Nа2SO3 + 3 Н2SO4 = З Nа2SO4 + 3 S + 3 H2О
Сера выделяется в виде мелкодисперсного порошка, который при отстаивании осаждается. Практически серу в лаборатории получают очень редко.
Сероводород представляет собой бесцветный газ (т. пл. –86 СС, т. кип. –60 °С). Уже 1 ч. H2 S на 100 000 ч. воздуха обнаруживается по его характерному запаху (тухлых яиц). Сероводород весьма ядовит. Будучи подожжен на воздухе, он сгорает по одному из следующих уравнений:
2H2 S+ ЗО2 = 2H2 О + 2SO2 (при избытке кислорода)
2H2 S + O2 = 2H2 O + 2S (при недостатке кислорода)
сероводород является, сильным восстановителем. В водном растворе H2 S ведет себя как весьма слабая кислота. Средние соли этой сероводородной кислоты (с анионом S2-) называются сернистыми или сульфидами, кислые соли (с анионом HS–) – кислыми сернистыми или гидросульфидами.
Сероводородная кислота (К1 = 9·10–8 и К2 = 4·10–13) несколько слабее угольной.
При внесении в крепкий растворсульфида мелко растертой серы она растворяется с образованием соответствующего полисульфида (многосернистого соединения), например: (NH4 )2 S +( x– 1)S = (NH4 )2 Sx .
Сродство серы к галоидам по ряду F–Сl–Вr–J настолько быстро уменьшается, что ее йодистое производное получить вообще не удается. С остальными галоидами она более или менее легко соединяется. Из образующихся соединений наиболее интересна газообразная при обычных условиях шестифтористая сера (SF6 ). Она бесцветна, не имеет запаха и не ядовита. От других галоге–нидов серы SF6 отличается своей исключительной химической инертностью. Как газообразный изолятор, она находит применение в высоковольтных установках. Жидкая при обычных условиях хлористая сера (S2 CI2 ) используется в резиновой промышленности.
Заметное взаимодействие серы с кислородом наступает лишь при нагревании. Будучи подожжена на воздухе, она сгорает синим пламенем с образованием двуокиси по реакции:
S + O2 = SO2 + 71 ккал
Молекула O = S = O полярна (длина диполя 0,33 А).
Сернистый газ химически весьма активен. Характерные для него реакции можно разбить на три группы: а) протекающие без изменения валентностисеры, б) связанные с ее понижением и в) идущие с ее повышением.
Процессом первого типа является прежде всего взаимодействие сернистого газа с водой, ведущее к образованию сернистой кислоты (H2 SO3 ). Последняя, будучи кислотой средней силы, вместе с тем малоустойчива. Поэтому в водном растворесернистого газа одновременно имеют место следующие равновесия:
H2 O + SO2 < = > H2 SO4 < = > H· + HSO’3 < = > 2H· + SO’’3
При нагревании растворовсернистой кислоты SO2 улетучивается и приведенные выше равновесия смещаются влево. Кипячением раствора можно добиться полного удаления SO2 . Напротив, при прибавлении щелочейравновесия смещаются вправо (вследствие связывания ионов Н·) и жидкость, содержащая теперь уже соответствующие солисернистой кислоты (называемые сернистокислыми), перестает пахнуть сернистым газом..
Соли H2 SO3 получают обычно взаимодействием SO2 с гидроокисями или карбонатамиметаллов в водной среде.
При накаливании сульфитов активных металлов они около 600°С разлагаются с образованием соответствующих солей серной и сероводородной кислот, например, реакции:
4K2 SO3 = 3K2 SO4 +K2 S
Процесс этот аналогичен образованию перхлоратов и хлоридов при накаливании хлоратов.
Наиболее характерны для производных четырехвалентной серыреакции, связанные с повышением ее валентности: и сама сернистая кислота и ее соли являются сильными восстановителями. Растворы их уже при стоянии на воздухе постепенно (очень медленно) присоединяют кислород:
2Na2 SO3 + О2 = 2Na2 SO4
Несравненно быстрее (практически моментально) протекает окислениесернистой кислоты и сульфитов при действии таких окислителей, как КМnО4 , Вr2 , J2 и т. п. В результате окисления образуется серная кислота или ее соль, например, по реакции:
J2 + Н2О +Na2 SO3 = 2HJ + Na2 SO4
Наряду с кислородомсульфиты способны присоединять также серу, переходя при этом в соли серноватистой (иначе – тиосерной) кислоты по реакции, например:
Na2 SO3 + S = Na2 S2 O3
Как я в случае кислорода, присоединение серы идет медленно и для получения серноват истокислых солей (иначе – тиосульфатов) приходится реакционную смесь кипятить.
Серноватистой кислоте отвечает структурная формула:
Атомысеры в ней имеют разную валентность ( + 6 и –2). Это необходимо учитывать при составлении уравнений реакций, протекающих с участием H2 S2 O3 или ее солей.
Последнее применение основано на восстановительных свойствах гипосульфита, легко окисляющегося под действием хлора до серной кислоты: