Водень. Кисень. Пероксид водню

Мета роботи. Ознайомлення з методами добування, фізичними, хімічними властивостями водню та кисню. Добування пероксиду водню та його похідних, ознайомлення з якісною реакцією на Н₂О₂ та реакцією його каталітичного розкладу, вивчення окисно-відновних властивостей пероксиду водню.

2.1. Контрольні питання

1. Оцініть, наскільки обгрунтовано включення водню до VII та I груп Періодичної системи елементів.

2. Які валентності та ступені окиснення характерні для водню? Визначте ступінь його окиснення в іонах Н₃О⁺, ВН₄^-.

3. Які типи хімічних зв’язків утворюють атоми водню в газоподібних, полімерних та металевих гідридах?

4. У якому з перелічених гідридів: LiH, BeH₂, B₂H₆, CH₄, NH₃, H₂O - зв’язок Е-Н має найбільший ступінь іонности? Порівняйте термічну стійкість вказаних гідридів.

5. Якого типу реакції можуть перебігати при розчиненні гідридів металів та неметалів у воді?

6. У чому полягають застережні заходи при роботі з воднем?

7. Наведіть приклади реакцій, в яких водень виявляє відновні та окисні властивості.

8. Як можна пояснити парамагнітні властивості кисню?

9. Яка частинка міцніша: О₂, О₂⁺, О₂^-? Поясніть з позиції методу молекулярних орбиталей.

10. Чим зумовлена алотропія кисню? Опишіть структуру молекули озону.

11. У який бік зміститься рівновага оборотної реакції: 3О₂↔2О₃ - 288 кДж а) при підвищенні температури, б) при підвищенні тиску?

12. Наведіть формули чотирьох типів сполук кисню: оксидів, пероксидів, надпероксидів та озонідів.

13. Як змінюється міцність оксидів у періодах та групах?

14. З якими простими речовинами кисень безпосередньо не взаємодіє?

15. Як діє озон на: а) ртуть, б) оксид сірки (IV), в) пероксид водню, г) йодид калію?

16. Які забруднення в атмосфері Землі здатні загрожувати існуванню її озонового шару?

17. Назвіть ряд способів добування кисню в лабораторії.

18. Чи можна добути кисень шляхом електролізу розчинів солей, кислот, лугів? Відповідь обгрунтуйте прикладами електрохімічних процесів.

19. Чи можна добути пероксид водню при безпосередній взаємодії водню з киснем? При відповіді врахуйте, що стандартні ізобарно-ізотермічні потенціали утворення газоподібного та рідкого пероксиду водню дорівнюють -105,7 і -120,5 кДж/моль відповідно.

20. Як можна добути пероксид водню: а) електрохімічним способом; б) хімічним способом?

21. Враховуючи окисно-відновні потенціали напівреакцій

Н₂О₂ + 2Н⁺ + 2е^- = 2Н₂О, Е^о₂₉₈ = +1,776 В,

Н₂О₂ - 2е^- = О₂ + 2Н⁺, Е^о₂₉₈ = +0,682 В,

Н₂О₂ + 2е^- = 2ОН^-, Е^о₂₉₈ = +0,88 В,

НО₂^- + ОН^- - 2е^- = О₂ + Н₂О, Е^о₂₉₈ = -0,08 В,

розгляньте, як впливає рН розчину на окисні та відновні властивості пероксиду водню.

22. За допомогою яких реакцій можна довести, що пероксид водню є слабкою кислотою?

23. Закінчіть рівняння реакцій:

H₂O₂ + MgI₂ + H₂SO₄ ®,

Na₂O₂ + NaBr + H₂SO₄ ®,

H₂O₂ + KMnO₄ + H₂SO₄ ®,

H₂O₂ + PbS ®,

H₂O₂ + KMnO₄ ® MnO₂ + …,

H₂O₂ + HgO ® Hg + …,

H₂O₂ + O₃ ®.

24. Чим відрізняються діоксиди металів від пероксидів? Напишіть графічні формули сполук MnO₂, PbO₂, BaO₂ і дайте їм назви.

Задачі

1. Один грам цинку взаємодіє з розчином соляної кислоти і така ж маса алюмінію взаємодіє з розчином лугу. У якому випадку виділиться більше водню? Відповідь: у разі Al.

2. Знайдіть масу оксиду міді(II), яку можна відновити воднем, добутим при гідролізі 6,3 г гідриду кальцію. Скільки грамів міді при цьому виділиться? Відповідь: 24 г СuО; 19,2 г Сu.

3. Який об’єм водню, виміряного при 27 ^oC та тиску 101325 Па, буде потрібний для відновлення оксиду германію(IV) масою 1 г? Відповідь 0,471 л.

4. Скільки по масі перманганату калію, в якому масова частка домішок дорівнює 4%, слід узяти для добування кисню об’ємом 2,5 л при 37 ^оС і тиску 1,0133^.10⁵ Па? Відповідь: 32,35 г.

5. При пропусканні крізь розчин йодиду калію озонованого кисню об’ємом 10 л (н.у.) виділився йод масою 2,54 г. Обчисліть об’ємну частку (%) озону в озонованому кисні. Відповідь: 2,24 %.

6. Скільки літрів кисню (н.у.) знадобиться для окиснення до азотної кислоти 92 г оксиду азоту(IV)? Скільки грамів розчину азотної кислоти з масовою часткою 50% при цьому вийде? Відповідь: 11,2 л О₂; 252 г розчину.

7. Чи вистачить для окиснення 3,1 г фосфору до оксиду фосфору(III) кисню, добутого при взаємодії 8,7 г піролюзиту з концентрованою сірчаною кислотою? Відповідь: не вистачить.

8. Яку масу літію, натрію та калію можна окиснити однаковим об’ємом кисню? Як відносяться маси окиснених металів між собою? Відповідь: 28:46:39.

9. Знайдіть масу тіосульфату натрію, яка знадобиться для розчинення йоду, що утворився при взаємодії 62 мл 10%-ного розчину йодиду калію (r = 1,076 г/см³) з надлишком розчину H₂O₂ у кислому середовищі. Відповідь: 6,35 г.

10. Обчисліть об’єм кисню (н.у.), який можна добути при взаємодії 15,8 г KMnO₄ з надлишком розчину пероксиду водню у кислому середовищі, якщо дослід проводиться при температурі 20 ^оС і тиску 102825 Па. Відповідь: 5,9 л О₂.

11. Скільки мілілітрів 24%-ного розчину соляної кислоти (ρ = 1,119 г/см³) знадобиться для нейтралізації розчину гідроксиду натрію, що утворився при гідролізі 7,8 г пероксиду натрію? Відповідь: 27,2 мл.

12. До розчину сульфату мангану об’ємом 50 мл з концентрацією 0,2 н. додали надлишок розчину пероксиду водню з масовою долею Н₂О₂ 3% (r = 1,012 г/см³). Реакція проходила у слабколужному середовищі. До отриманого в результаті реакції осаду (який попередньо промили водою) додали концентровану хлороводневу кислоту. Який газ і в якому об’ємі був отриманий? Який об’єм 3% розчину Н₂О₂ прореагував?. Відповідь: V_Cl2= 0,224 л; V_H2O2= 11,2 мл.

2.3. Зразок завдання для поточного контролю

№ п/п	Задачі	Кількість балів
	Яка сполука переважно утворюється при згорянні сірки в кисні? 1) SO; 2) SO2; 3) SO3; 4) S2O3.
	Які солі при прожарюванні розкладаються з виділенням кисню? 1) KClO3; 2) KNO3; 3) CaCO3; 4) NH4NO3.
	Які метали взаємодіють з водою (при кімнатній температурі)? 1) Na; 2) Ca; 3) Zn; 4) Al.
	Як змінюється полярність зв’язку у ряді: CH4 - NH3 - H2O – HF? 1) не змінюється; 2) збільшується; 3) зменшується.
	З якими простими речовинами взаємодіє водень (при кімнатній температурі)? 1) O2; 2) N2; 3) F2; 4) S.
	Внаслідок яких реакцій утворюється пероксид водню? 1) BaO2 + H2SO4 ®; 2) H2S2O8 + H2O®; 3) Na2O2 + H2SO4 ®; 4) H2+ O2 ®.
	Закінчіть рівняння реакції: Fe + H2O (пара) ® (при високій температурі) та підрахуйте суму коефіцієнтів у лівій частині рівняння 1) 5; 2) 6; 3) 7; 4) 8.
	Закінчіть рівняння реакції: H2O2 + KMnO4 + H2SO4 ® і підрахуйте суму коефіцієнтів у правій частині рівняння 1) 9; 2) 10; 3) 13; 4) 16.
	Яка маса розчину з масовою часткою Н2О2 3,4 % необхідна для окиснення 100 мл 1 М розчину FeSO4 в присутності розбавленої сірчаної кислоти?
	Сума балів

2.4. Лабораторна робота. Водень. Кисень. Пероксид водню

Дослід 1. Добування водню

При роботі з воднем необхідно дотримуватися обережності. Водень з повітрям, з чистим киснем, а також із хлором, фтором та іншими речовинами утворює вибухові суміші. Активність водню особливо підвищується при нагріванні. При дослідах з воднем не можна запалювати водень, що виходить з приладу, не переконавшись заздалегідь у його чистоті, інакше вибух може відбутися усередині приладу і розірвати його.

Щоб переконатися у чистоті водню, що виділяється, необхідно після витіснення повітря з приладу наповнити суху пробірку воднем протягом 10-15 сек. Тримаючи пробірку з воднем догори дном, піднесіть її до полум’я пальника далеко від приладу з воднем і підпаліть зібраний газ. Якщо при підпалі відбувається різке хлопання, значить, водень змішаний із повітрям. Проводіть, міняючи пробірку, перевірку чистоти водню, що виділяється, доти, поки зібраний газ не спалахуватиме майже без звуку. Тільки переконавшись у чистоті водню, що виділяється, його можна нагріти і підпалити.

Добування водню при взаємодії металу та кислоти. До пробірки помістіть шматочок цинку (або заліза) та налийте 1-2 мл розбавленого розчину соляної або сірчаної кислоти. Закрийте отвір пробірки пробкою з відвідною трубкою (кінчик відвідної трубки повинен бути відтягнутий) і укріпіть пробірку вертикально у штативі (рис. 4). Перевірте водень, що виділяється, на чистоту!

· Як перевірити водень, що виділяється, на чистоту?

Переконавшись, що з приладу йде чистий водень, запаліть його біля отвору відтягнутої трубки. Потримайте якийсь час над полум’ям водню суху пробірку. Що утворюється на стінках пробірки? Напишіть рівняння реакцій добування водню, горіння водню.

· Чи утвориться водень при взаємодії цинку або заліза з концентрованою сірчаною кислотою?

Добування водню при взаємодії алюмінію та лугу. До пробірки налийте 1‑2 мл розчину їдкого натру з масовою часткою NaOH 10% та помістіть шматочок алюмінію. Закрийте отвір пробірки пробкою з відвідною трубкою (рис. 4). Зберіть газ, що виділяється, у пробірку і перевірте його на чистоту. Піднесіть до відвідної трубки сірник, що горить, і підпаліть газ, що виділяється. Напишіть рівняння реакції взаємодії алюмінію з розчином лугу з утворенням водню і тетрагідроксоалюмінату натрію.

· Яка роль лугу в процесі взаємодії NаOH з алюмінієм?

Дослід 2. Властивості водню

Відновлення воднем оксиду міді(II). Зберіть прилад, як показано на рис. 5. Невелику кількість оксиду міді(II) помістіть тонким шаром до зігнутої скляної трубки, закріпленої у гумовій пробці. Колбу місткістю 100-150 мл закріпіть у лапці штативу, налийте до неї 10-20 мл розчину сірчаної кислоти з молярною концентрацією 2 моль/л. Внесіть до колби 2-3 шматочки цинку та закрийте її пробкою з трубкою, до якої був поміщений оксид міді. Випробуйте водень, що виділяється, на чистоту. Через 2-4 хвилини, коли повітря з приладу буде витиснене воднем, нагрійте трубку з оксидом міді слабким полум’ям пальника. Як зміниться колір осаду? Аналогічним чином проведіть в цьому ж приладі відновлення воднем оксиду заліза(III). Напишіть рівняння реакцій.

Порівняння відновних властивостей молекулярного та атомарного водню. Налийте до пробірки 0,5-1 мл розчину перманганату калію та 2-3 краплі розчину сірчаної кислоти (1:1). До другої пробірки помістіть 0,5-1 мл розчину хлориду заліза(III), 2 краплі сірчаної кислоти (1:1) та 1 краплю розчину роданіду калію або амонію та спостерігайте появу інтенсивного червоного забарвлення. Крізь розчини у кожну пробірку пропустіть водень. Чи зміниться забарвлення розчину? До обох пробірок внесіть по шматочку цинку. Що відбувається у пробірках з розчинами KMnO₄ та FeCl₃ при дії молекулярного та атомарного (у момент виділення) водню? Напишіть рівняння реакцій.

· У якому стані – молекулярному або атомарному – водень є активнішим відновником?

Дослід 3. Добування кисню

Розклад пероксиду барію. Помістіть до пробірки близько 0,5 г пероксиду барію, укріпіть пробірку в штативі вертикально та нагрійте її у полум’ї пальника. Випробуйте газ, що виділяється, тліючою скіпкою. Напишіть рівняння реакції.

Розклад перманганату калію. Помістіть до пробірки близько 0,25 г кристалів KMnO₄, укріпіть пробірку в штативі вертикально та підігрійте полум’ям пальника. Напишіть рівняння реакції.

· Як довести виділення кисню?

Розклад хлорату калію (бертолетової солі). Помістіть до пробірки близько 0,5 г кристалів KClO₃, укріпіть пробірку в штативі вертикально та нагрійте до повного розплавлення солі.

· Які температури плавлення та розкладу має бертолетова сіль?

Випробуйте тліючою скіпкою, чи виділяється кисень. Відсуньте пальник, внесіть до розплавленої солі на кінчику шпателя, заздалегідь прожареного діоксиду мангану та знову підігрійте пробірку. Випробуйте газ, що виділяється, тліючою скіпкою.

Напишіть рівняння реакцій розкладу бертолетової солі у присутності та у відсутності діоксиду мангану.

Для очищення кисню від домішок (слідів хлору, діоксиду азоту, озону, пари води тощо) його пропускають крізь промивну склянку з розчином лугу, який затримує всі супроводжуючі його леткі сполуки кислотного характеру; крізь розчин йодиду калію для звільнення від озону; крізь концентровану сірчану кислоту, яка поглинає пари води.

· Навіщо необхідно прожарювати діоксид мангану? Яку роль відіграє діоксид мангану в цій реакції?