Практическая работа № 4. Получение газов и изучение их свойств

Определения и обозначения

Получение газа — выделение газообразного вещества в результате химической реакции с последующим сбором. Иными словами, реагенты превращаются в продукт, который можно направить в отдельный сосуд. Такое определение помогает отличать получение газа от простого наблюдения пузырьков: нужно установить, что они возникли именно в ходе реакции.

Газосборник — сосуд для собирания и временного хранения полученного газа. Его соединяют с реакционной ёмкостью газоотводной трубкой, чтобы газ поступал внутрь, а не уходил в лабораторию. Подходящий сосуд выбирают с учётом способа собирания и свойств газа.

Сбор газа вытеснением воды — способ собирания газа над водой, применяемый для веществ, которые плохо растворяются и не реагируют с водой. Газ поступает в перевёрнутый, заполненный водой сосуд и постепенно вытесняет из него воду. Этот способ позволяет видеть момент заполнения газосборника, но не годится для хорошо растворимых газов.

Качественная реакция на газ — реакция, по характерному признаку которой распознают газ. Например, помутнение известковой воды служит пробой на углекислый газ. Такая проверка нужна, потому что само выделение пузырьков не доказывает, какой именно газ образовался.

Как это устроено

Для получения разных газов подбирают разные реакции: нужное вещество должно образовываться достаточно быстро, а исходные реагенты — быть доступными и пригодными для безопасного опыта. Например, карбонат реагирует с кислотой с выделением углекислого газа, а перекись водорода разлагается с образованием кислорода. Пузырьки появляются, когда газ образуется в жидкости и выходит из неё. Но пузырьки — только признак газовыделения, а не доказательство состава продукта.

Обычно установка состоит из пробирки или колбы с реагентами, закрытой пробкой с газоотводной трубкой, и сосуда для сбора газа. Газ движется по трубке в газосборник, потому что образуется в реакционной ёмкости и вытесняет оттуда воздух или воду. Если установка негерметична, часть газа выйдет через неплотности, и результат будет неточным. Поэтому до начала реакции соединения проверяют, а пробку устанавливают правильно.

Выбор способа собирания зависит прежде всего от растворимости газа в воде и его взаимодействия с ней. Малорастворимые газы, не реагирующие с водой, можно собирать вытеснением воды; растворимый газ при этом останется в жидкости или изменится. Если вода не подходит, учитывают плотность газа относительно воздуха: газ легче воздуха обычно собирают в перевёрнутый сосуд, а более плотный — в сосуд, из которого воздух вытесняется вверх. При этом учитывают и другие свойства вещества, включая токсичность и реакционную способность.

Свойства газа изучают по нескольким наблюдениям: отмечают цвет, осторожно выясняют запах только разрешённым способом, проверяют растворимость и горючесть. Отдельно устанавливают, поддерживает ли газ горение: тлеющая лучинка вспыхивает в кислороде, а углекислый газ гасит пламя. Индикаторы помогают определить среду раствора, если газ растворяется в воде и образует кислоту или основание. Несколько согласующихся признаков дают более обоснованный вывод, чем одно наблюдение.

Проверка герметичности нужна до добавления реагентов или нагревания: утечка мешает собрать газ и может привести к опасному накоплению вещества. Реагенты добавляют в установленном порядке, чтобы контролировать скорость реакции и не допускать резкого выброса содержимого. С газами работают в очках, не вдыхают их и не подносят к ним огонь без прямого указания методики. Особенно опасно смешение горючего газа с воздухом, поэтому порядок проверки должен быть безопасным.

Получение и распознавание газов

Таблица связывает способ получения с теми свойствами, по которым газ можно узнать, и с подходящим методом его собирания. Используй её как план: сначала проверь уравнение и способ сбора, затем выбери качественную пробу и меры предосторожности. Запись реакции получения должна соответствовать условиям конкретного опыта.

Разбор задач

Задача 1. Получить углекислый газ из карбоната кальция и соляной кислоты, собрать его и подтвердить наличие.

1. Записываем уравнение: CaCO₃ + 2HCl → CaCl₂ + H₂O + CO₂↑. По нему видно, что газ образуется при реакции карбоната с кислотой.
2. Выбираем сбор вытеснением воздуха: углекислый газ плотнее воздуха и не подходит для сбора над водой как наиболее удобного способа. Газ направляют в сосуд так, чтобы он вытеснял из него воздух.
3. Для подтверждения пропускаем небольшое количество газа через известковую воду. Если она мутнеет, это указывает на образование углекислого кальция.

Ответ: углекислый газ получают реакцией CaCO₃ с HCl, собирают вытеснением воздуха, наличие проверяют известковой водой.

Задача 2. Получить кислород разложением перекиси водорода, собрать газ и исследовать его действие на тлеющую лучинку.

1. Составляем уравнение: 2H₂O₂ → 2H₂O + O₂↑. Диоксид марганца MnO₂ можно использовать как катализатор: он ускоряет разложение, но сам в уравнении расходуемых веществ не указывают.
2. Кислород мало растворим в воде и не реагирует с ней в условиях опыта, поэтому его удобно собирать вытеснением воды. Установку сначала проверяют на герметичность, затем проводят реакцию.
3. В собранный газ вносят тлеющую лучинку. Её вспыхивание подтверждает, что кислород поддерживает горение.

Ответ: перекись разлагают в присутствии MnO₂, кислород собирают над водой, а его наличие подтверждают вспыхиванием тлеющей лучинки.

Задача 3. Сравнить способы собирания водорода и углекислого газа и предложить безопасную последовательность опытов.

1. Оба газа можно собирать вытеснением воды, если соблюдены условия опыта: водород и углекислый газ не вступают с водой в реакцию и растворяются в ней недостаточно для такого сбора. Углекислый газ также собирают вытеснением воздуха, поскольку он плотнее воздуха.
2. Водород легче воздуха, но его смесь с воздухом взрывоопасна. Поэтому выбирают подходящий сосуд и не подносят пламя к первой порции газа, которая может содержать воздух.
3. Сначала проверяют установку и готовят газосборник, затем проводят реакцию и собирают газ. Качественную пробу выполняют только безопасным способом по инструкции, не смешивая водород с воздухом в закрытом объёме.

Ответ: способ сбора выбирают по растворимости и плотности каждого газа; водород исследуют особенно осторожно, исключая его опасное смешивание с воздухом.

Типичные ошибки

Начинают нагревание или добавление кислоты до проверки герметичности установки. Так поступают, потому что хотят быстрее увидеть реакцию, но газ может выходить через неплотности, а утечка опасна. До опыта проверь соединения и убедись, что газ направляется в газосборник. Реактивы добавляй только после подготовки установки.

Сбор над водой выбирают для хорошо растворимого или реагирующего с водой газа. Ошибку допускают, когда ориентируются только на удобство метода и не проверяют свойства вещества. Сверься с данными о растворимости и взаимодействии с водой; для аммиака такой способ не подходит. Если газ поглощается водой, выбери другой способ собирания.

Пламя подносят к первой порции газа, хотя в ней может оставаться воздух. При проверке водорода это создаёт риск вспышки или взрыва из-за образования горючей смеси. Не считай первую порцию чистым газом и не проводи пробу пламенем без разрешения и инструкции. Сверь последовательность действий с правилами безопасности.

Пузырьки принимают за доказательство состава газа и сразу записывают название вещества. Пузырьки показывают лишь то, что газ выделяется или выходит из жидкости, но не определяют его природу. Проведи подходящую качественную пробу и сравни результат с ожидаемым признаком. Если проба не дала характерного результата, вывод о газе делать нельзя.

Связь с другими темами

Для работы нужны уравнения реакций, признаки химических превращений и знания свойств кислорода, водорода, углекислого газа и аммиака. Выбор газосборника опирается на растворимость газов и их относительную плотность по сравнению с воздухом. Навык пригодится при изучении химических производств и качественного анализа, где вещества распознают по характерным реакциям. Он также помогает решать экспериментальные задачи: планировать опыт, выбирать оборудование и обосновывать вывод.

Что запомнить

• Газ получают реакцией, которая протекает достаточно быстро и позволяет безопасно собрать продукт.
• Способ собирания выбирают по растворимости газа в воде и его плотности по сравнению с воздухом.
• Водород горюч и образует с воздухом взрывоопасную смесь.
• Кислород поддерживает горение, но сам не горит.
• Углекислый газ мутнит известковую воду и не поддерживает горение.
• Каждый газ распознают по характерной качественной реакции или физическому свойству.
• Перед опытом проверяют герметичность установки и соблюдают правила безопасности.