Практическая работа № 1. Получение, собирание и распознавание газов

Определения и обозначения

Получение газа — проведение реакции, при которой газ выделяется из исходных веществ. Например, водород образуется при взаимодействии цинка с разбавленной кислотой, кислород — при разложении пероксида водорода, а углекислый газ — при реакции карбоната с кислотой. Знание способа получения помогает подобрать исходные вещества и понять, какие условия реакции нужны.

Собирание газа — перенос выделившегося газа в сосуд с учётом его свойств. Можно вытеснять водой или воздухом: выбор зависит от растворимости газа в воде и его плотности относительно воздуха. Это нужно, чтобы газ не растворился, не улетучился и не смешался с воздухом сильнее, чем допускает опыт.

Распознавание газа — установление его присутствия по характерной реакции или физическому свойству. Например, кислород обнаруживают тлеющей лучинкой, а углекислый газ — по помутнению известковой воды. Такая проверка отличает один газ от другого, ведь одни лишь пузырьки показывают только факт выделения газа.

Катализатор — вещество, которое ускоряет химическую реакцию, но не расходуется в ней. При разложении пероксида водорода эту роль выполняет оксид марганца(IV), MnO₂. Катализатор позволяет быстрее получить кислород, поэтому его используют, когда без ускорения реакция идёт слишком медленно.

Как это устроено

Лабораторный способ получения выбирают по химическим свойствам исходных веществ и требуемого газа. Нужно, чтобы реакция шла с подходящей скоростью и выделяла нужное вещество, а не давала опасные побочные продукты. О газообразовании часто говорят пузырьки, шипение или увеличение объёма газа в приборе, но эти признаки не определяют состав выделившегося газа.

Водород получают действием разбавленной кислоты на активный металл, например цинк: Zn + 2HCl → ZnCl₂ + H₂↑. Атомы металла вытесняют водород из кислоты, и он выходит в виде пузырьков. Перед поджиганием порции проверяют её чистоту, потому что смесь водорода с воздухом может взорваться; первые порции не считают безопасными для поджигания.

Кислород можно получить разложением пероксида водорода: 2H₂O₂ → 2H₂O + O₂↑. Если добавить оксид марганца(IV), реакция ускорится, и кислород начнёт выделяться заметно быстрее. Катализатор меняет ход реакции так, что она происходит легче, но в целом остаётся неизрасходованным; это не значит, что он создаёт кислород сам по себе.

Если газ мало растворим в воде и не реагирует с ней, его удобно собирать вытеснением воды. Газ из прибора поступает в перевёрнутый, заполненный водой сосуд и постепенно занимает его объём, выталкивая воду наружу. Так можно собирать водород и кислород: при таком способе они меньше смешиваются с воздухом, чем при открытом сборе.

Для вытеснения воздуха учитывают относительную плотность: газ тяжелее воздуха подают в стоящий сосуд, а более лёгкий — в перевёрнутый. Например, углекислый газ тяжелее воздуха, поэтому его можно собирать в стоящий сосуд; водород легче, но обычно его собирают над водой. При распознавании водород поджигают только после проверки чистоты, кислород проверяют тлеющей лучинкой, а углекислый газ пропускают через известковую воду.

Получение, собирание и распознавание газов

Сначала сопоставьте свойства газа с условиями сбора: растворимость определяет, подходит ли вода, а плотность помогает выбрать положение сосуда. Затем проверьте полученный газ характерной пробой, не подменяя распознавание наблюдением пузырьков. При опытах с водородом не поджигайте газ без предварительной проверки чистоты.

Разбор задач

Задача 1. Цинк взаимодействует с разбавленной соляной кислотой. Запишите уравнение реакции и укажите, как собрать выделяющийся газ. Нужно определить продукт реакции металла с кислотой, а затем связать способ сбора со свойствами этого продукта.

1. При взаимодействии цинка с соляной кислотой образуются соль и водород. Составляем и уравниваем уравнение: Zn + 2HCl → ZnCl₂ + H₂↑.
2. Водород мало растворим в воде и не реагирует с ней в условиях опыта. Поэтому его можно собрать в перевёрнутый сосуд вытеснением воды.
3. Перед поджиганием собранной порции проверяют её чистоту, поскольку смесь водорода с воздухом опасна.

Ответ: выделяется H₂; его собирают вытеснением воды, а поджигают только после проверки чистоты.

Задача 2. Пероксид водорода разлагают в присутствии оксида марганца(IV). Определите выделяющийся газ и предложите способ его распознавания. Подсказку дают исходное вещество и известный результат его разложения, а проба должна подтвердить именно кислород.

1. При разложении пероксида водорода образуются вода и кислород: 2H₂O₂ → 2H₂O + O₂↑. MnO₂ ускоряет реакцию, но не является исходным веществом, из которого образуется газ.
2. Для распознавания в газ вносят тлеющую лучинку. В кислороде она вспыхивает, потому что этот газ поддерживает горение.
3. Пузырьки при реакции подтверждают выделение газа, но без качественной пробы не устанавливают, что это именно кислород.

Ответ: выделяется кислород O₂; его обнаруживают тлеющей лучинкой.

Задача 3. К газу, полученному действием кислоты на карбонат, поднесли горящую лучинку, а затем пропустили газ через известковую воду. Определите газ и объясните наблюдения. Здесь следует использовать оба результата проверки, а не только один из них.

1. Кислота с карбонатом образует соль, воду и углекислый газ. Например: CaCO₃ + 2HCl → CaCl₂ + H₂O + CO₂↑.
2. Углекислый газ не поддерживает горение, поэтому горящая лучинка гаснет. При пропускании газа через известковую воду образуется нерастворимый карбонат кальция.
3. Осадок делает известковую воду мутной: Ca(OH)₂ + CO₂ → CaCO₃↓ + H₂O. Совпадение двух признаков подтверждает вывод.

Ответ: это углекислый газ CO₂; он гасит пламя и мутнит известковую воду.

Типичные ошибки

Считать, что любой газ можно собирать над водой, — ошибка: некоторые газы хорошо растворяются в воде или реагируют с ней. Так газ будет теряться или изменится его состав, а наблюдаемый объём окажется меньше ожидаемого. Ошибку допускают, когда выбирают способ только по удобству прибора. Перед сбором проверьте растворимость и химическую устойчивость газа в воде.

Выбирать положение сосуда только по названию газа, не учитывая его плотность относительно воздуха, тоже неверно. Более тяжёлый газ накапливается в стоящем сосуде, а лёгкий — в перевёрнутом, если используют вытеснение воздуха. Название само по себе не подсказывает положение сосуда, поэтому сравните плотности. Дополнительно проверьте, не подходит ли для этого газа собирание над водой.

Пузырьки при реакции подтверждают выделение газа, но не доказывают его состав. Путаница возникает потому, что газообразование сразу заметно, а качественную пробу выполняют отдельно. Для проверки названия газа используйте характерную реакцию или физическое свойство, например тлеющую лучинку для кислорода. Если проба не проведена, вывод о составе делать нельзя.

Поджигать водород сразу после начала его выделения опасно: в газе может быть воздух, а такая смесь способна взорваться. Ошибку допускают, принимая первые пузырьки за чистый водород. Проверяйте чистоту только безопасным способом, который показывает учитель, и соблюдайте инструкцию по работе с огнём. При сомнении газ не поджигают.

Связь с другими темами

Для практической работы нужны умения составлять и уравнивать реакции, а также знания о свойствах кислот, металлов и карбонатов. Они позволяют заранее предсказать, какие вещества образуются и будет ли среди них газ. Без этих основ трудно выбрать подходящий способ лабораторного получения.

Плотность газов и их растворимость в воде объясняют выбор способа собирания и положения сосуда. Те же свойства важны при рассмотрении состава воздуха, атмосферы и поведения газовых смесей. Поэтому лабораторные приёмы связаны не только с химией, но и с физическими свойствами веществ.

Качественные реакции на кислород и углекислый газ помогают распознавать вещества в других химических процессах. Свойства кислорода связаны с окислительно-восстановительными реакциями, а углекислого газа — с круговоротом углерода в природе. Знакомые лабораторные пробы дают способ проверять эти вещества на практике.

Что запомнить

• Способ собирания газа выбирают с учётом его растворимости в воде и плотности относительно воздуха.
• Водород можно получить действием разбавленной кислоты на активный металл.
• Кислород поддерживает горение и обнаруживается тлеющей лучинкой.
• Углекислый газ мутнит известковую воду.
• Катализатор ускоряет реакцию, но не расходуется в ней.
• При работе с газами необходимо соблюдать правила безопасности.