О.С.ЗАЙЦЕВ

УЧЕБНАЯ КНИГА ПО ХИМИИ

ДЛЯ УЧИТЕЛЕЙ СРЕДНИХ ШКОЛ,
СТУДЕНТОВ ПЕДАГОГИЧЕСКИХ ВУЗОВ И ШКОЛЬНИКОВ 9–10 КЛАССОВ,
РЕШИВШИХ ПОСВЯТИТЬ СЕБЯ ХИМИИ И ЕСТЕСТВОЗНАНИЮ

УЧЕБНИКЗАДАЧНИКЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМНАУЧНЫЕ РАССКАЗЫ ДЛЯ ЧТЕНИЯ

Продолжение. См. № 4–14, 16–28, 30–34, 37–44, 47, 48/2002;
1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23,
24, 25-26, 27-28, 29, 30, 31, 32, 35, 36, 37, 39, 41, 42, 43, 44 , 46, 47/2003;
1, 2, 3, 4, 5, 7, 11, 13, 14, 16, 17, 20, 22, 24/2004

§ 8.1. Окислительно-восстановительные реакции

ЛАБОРАТОРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
(продолжение)

2. Озон – окислитель.

Озон – важнейшее для природы и человека вещество.

Озон создает вокруг Земли на высоте от 10 до 50 км озоносферу с максимумом содержания озона на высоте 20–25 км. Находясь в верхних слоях атмосферы, озон не пропускает к поверхности Земли большую часть ультрафиолетовых лучей Солнца, губительно действующих на человека, животный и растительный мир. В последние годы обнаружены участки озоносферы с сильно пониженным содержанием озона, так называемые озоновые дыры. Неизвестно, образовывались ли озоновые дыры раньше. Также непонятны и причины их возникновения. Предполагают, что хлорсодержащие фреоны холодильников и парфюмерных баллончиков под действием ультрафиолетового излучения Солнца выделяют атомы хлора, которые реагируют с озоном и тем самым уменьшают его концентрацию в верхних слоях атмосферы. Опасность озоновых дыр в атмосфере крайне беспокоит ученых.
В нижних слоях атмосферы озон образуется в результате ряда последовательных реакций между кислородом воздуха и оксидами азота, выбрасываемыми плохо отрегулированными двигателями автомобилей и создающимися разрядами высоковольтных линий электропередач. Озон очень вреден для дыхания – он разрушает ткани бронхов и легких. Озон чрезвычайно ядовит (сильнее угарного газа). Предельно допустимая концентрация в воздухе – 10^–5%.
Таким образом, озон в верхних и в нижних слоях атмосферы оказывает противоположное по своим результатам воздействие на человека и животный мир.
Озон наряду с хлором используют для обработки воды, чтобы разрушить органические примеси и уничтожить бактерии. Однако как хлорирование, так и озонирование воды имеет свои преимущества и недостатки. При хлорировании воды уничтожаются практически полностью бактерии, но образуются вредные для здоровья органические вещества канцерогенного характера (способствуют развитию раковых опухолей) – диоксины и подобные им соединения. При озонировании воды такие вещества не образуются, но озон убивает не все бактерии, и оставшиеся живыми бактерии через некоторое время обильно размножаются, поглощая остатки убитых бактерий, и вода становится даже более загрязненной бактериальной флорой. Поэтому озонирование питьевой воды лучше применять при ее быстром использовании. Очень эффективно озонирование воды в бассейнах, когда вода непрерывно циркулирует через озонатор. Озон применяют также и для очистки воздуха. Он относится к числу экологически чистых окислителей, не оставляющих вредных продуктов своего распада.
Озон окисляет почти все металлы, кроме золота и металлов платиновой группы.

Химические способы получения озона неэффективны или слишком опасны. Поэтому советуем вам получить озон в смеси с воздухом в озонаторе (действие слабого электрического разряда на кислород), имеющемся в школьной физической лаборатории.

Озон чаще всего получают действием на газообразный кислород тихого электрического разряда (без свечения и искр), который происходит между стенками внутреннего и внешнего сосудов озонатора. Простейший озонатор нетрудно изготовить из стеклянных трубок с пробками. Как это сделать, вы поймете из рис. 8.4. Внутренний электрод – металлический стержень (длинный гвоздь), наружный электрод – проволочная спираль. Воздух можно продувать воздушным насосом для аквариума или резиновой грушей от пульверизатора. На рис. 8.4 внутренний электрод находится в стеклянной трубке (как вы думаете, почему?), но можно собрать озонатор и без нее. Резиновые пробки быстро разъедаются озоном.

Рис. 8.4. Схема простейшего озонатора

Высокое напряжение удобно получить от индукционной катушки системы зажигания автомобиля, непрерывно размыкая соединение с источником низкого напряжения (аккумулятор или выпрямитель тока на 12 В).
Выход озона – несколько процентов.

Качественно обнаружить озон можно при помощи крахмального раствора йодида калия. Этим раствором можно пропитать полоску фильтровальной бумаги или раствор добавить в озонированную воду, а воздух с озоном пропускать через раствор в пробирке. Кислород в реакцию с йодид-ионом не вступает.
Уравнение реакции:

2I^– + О₃ + Н₂О = I₂ + O₂ + 2ОН^–.

Напишите уравнения реакций приема и отдачи электронов.
Поднесите к озонатору полоску фильтровальной бумаги, смоченную этим раствором. (Зачем раствор йодида калия должен содержать крахмал?) Определению озона этим способом мешает пероксид водорода (почему?).
Рассчитайте ЭДС реакции, используя электродные потенциалы:

3. Восстановительные свойства сероводорода и сульфид-иона.

Сероводород – бесцветный газ с запахом тухлых яиц (в состав некоторых белков входит сера).
Для проведения опытов с сероводородом можно пользоваться газообразным сероводородом, пропуская его через раствор с изучаемым веществом, или приливать к исследуемым растворам заранее приготовленную сероводородную воду (это удобнее). Многие реакции можно проводить с раствором сульфида натрия (реакции на сульфид-ион S^2–).
Работать с сероводородом только под тягой! Смеси сероводорода с воздухом сгорают со взрывом.

Сероводород обычно получают в аппарате Киппа, действуя 25%-й серной (разбавленной 1:4) или 20%-й соляной (разбавленной 1:1) кислотой на сульфид железа в виде кусочков размером 1–2 см. Уравнение реакции:

FeS (кр.) + 2Н⁺ = Fe²⁺ + H₂S (г.).

Небольшие количества сероводорода можно получить, поместив кристаллический сульфид натрия в колбу с пробкой, через которую пропущены капельная воронка с краном и отводная трубка. Медленно приливая из воронки 5–10%-ю соляную кислоту (почему не серную?), колбу постоянно встряхивают покачиванием, чтобы избежать местного скопления непрореагировавшей кислоты. Если этого не делать, неожиданное смешение компонентов может привести к бурной реакции, выталкиванию пробки и разрушению колбы.
Равномерный ток сероводорода получается при нагревании с серой богатых водородом органических соединений, например парафина (1 часть парафина на 1 часть серы, 300 °С).
Для получения сероводородной воды через дистиллированную воду (или прокипяченную) пропускают сероводород. В одном объеме воды растворяется около трех объемов газообразного сероводорода. При стоянии на воздухе сероводородная вода постепенно мутнеет (почему?).
Сероводород – сильный восстановитель: галогены восстанавливаются им до галогеноводородов, серная кислота – до диоксида серы и серы.
Сероводород ядовит. Предельно допустимая концентрация в воздухе 0,01 мг/л. Даже при незначительных концентрациях сероводород раздражает глаза и дыхательные пути, вызывает головную боль. Концентрации выше 0,5 мг/л опасны для жизни. При более высоких концентрациях поражается нервная система. При вдохе сероводорода возможна остановка сердца и дыхания. Иногда сероводород скапливается в пещерах и канализационных колодцах, и попавший туда человек мгновенно теряет сознание и погибает.
В то же время сероводородные ванны оказывают лечебное действие на организм человека.

3а. Реакция сероводорода с пероксидом водорода.

Изучите действие раствора пероксида водорода на сероводородную воду или раствор сульфида натрия.
По результатам опытов составьте уравнения реакций. Рассчитайте ЭДС реакции и сделайте вывод о возможности ее прохождения.
Выберите нужные вам электродные потенциалы:

3б. Реакция сероводорода с серной кислотой.

В пробирку с 2–3 мл сероводородной воды (или раствора сульфида натрия) прилейте по каплям концентрированную серную кислоту (осторожно!) до появления мути. Что это за вещество? Какие другие продукты могут получиться в этой реакции?
Напишите уравнения реакций. Рассчитайте ЭДС реакции, используя электродные потенциалы:

4. Диоксид серы и сульфит-ион.

Диоксид серы, сернистый газ – важнейший загрязнитель атмосферы, выделяемый автомобильными двигателями при использовании плохо очищенного бензина и топками, в которых сгорают серосодержащие угли, торф или мазут. Ежегодно в атмосферу из-за сжигания угля и нефти выбрасываются миллионы тонн диоксида серы.
В природе диоксид серы встречается в вулканических газах. Диоксид серы окисляется кислородом воздуха в триоксид серы, который, поглощая воду (пары), превращается в серную кислоту. Выпадающие кислотные дожди разрушают цементные части построек, памятники архитектуры, высеченные из камня скульптуры. Кислотные дожди замедляют рост растений и даже приводят к их гибели, убивают живые организмы водоемов. Такие дожди вымывают из пашен малорастворимые в воде фосфорные удобрения, которые, попадая в водоемы, приводят к бурному размножению водорослей и быстрому заболачиванию прудов, рек.
Диоксид серы – бесцветный газ с резким запахом. Получать диоксид серы и работать с ним следует под тягой.

Сернистый газ можно получить, поместив в колбу, закрывающуюся пробкой с отводной трубкой и капельной воронкой, 5–10 г сульфита натрия. Из капельной воронки с 10 мл концентрированной серной кислоты (крайняя осторожность!) приливайте ее по каплям к кристаллам сульфита натрия. Вместо кристаллического сульфита натрия можно воспользоваться его насыщенным раствором.
Диоксид серы можно получить также реакцией между металлической медью и серной кислотой. В круглодонную колбу, снабженную пробкой с газоотводной трубкой и капельной воронкой, положите медные стружки или куски проволоки и прилейте из капельной воронки немного серной кислоты (на 10 г меди берется около 6 мл концентрированной серной кислоты). Для начала реакции слегка нагрейте колбу. После этого кислоту приливайте по каплям. Напишите уравнения приема и отдачи электронов и суммарное уравнение.
Свойства диоксида серы можно изучать, пропуская газ через раствор реагента, или в виде водного раствора (сернистой кислоты). Такие же результаты получаются при использовании подкисленных растворов сульфитов натрия Na₂SO₃ и калия К₂SO₃. В одном объеме воды растворяется до сорока объемов сернистого газа (получается ~6%-й раствор).
Диоксид серы токсичен. При легких отравлениях начинается кашель, насморк, появляются слезы, начинается головокружение. Увеличение дозы приводит к остановке дыхания.

4а. Взаимодействие сернистой кислоты с пероксидом водорода.

Предскажите продукты взаимодействия сернистой кислоты и пероксида водорода. Проверьте свое предположение опытом.
К 2–3 мл сернистой кислоты прилейте столько же 3%-го раствора пероксида водорода. Как доказать образование предполагаемых продуктов реакции?
Тот же опыт повторите с подкисленным и щелочным растворами сульфита натрия.
Напишите уравнения реакций и рассчитайте ЭДС процесса.
Выберите нужные вам электродные потенциалы:

4б. Реакция между сернистым газом и сероводородом.

Эта реакция проходит между газообразными SO₂ и H₂S и служит для получения серы. Реакция интересна также тем, что два загрязнителя атмосферы взаимно уничтожают друг друга. Проходит ли эта реакция между растворами сероводорода и сернистого газа? Ответьте на этот вопрос опытом.
Выберите электродные потенциалы для определения возможности прохождения реакции в растворе:

Попробуйте провести термодинамический расчет возможности прохождения реакций. Термодинамические характеристики веществ для определения возможности прохождения реакции между газообразными веществами следующие:

	Нобр,кДж/моль	S, Дж/(К•моль)
S (кр.)	0	31,9
SO2 (г.)	–296,9	248,1
H2S (г.)	–20,9	205,7
H2O (г.)	–241,7	188,7

При каком состоянии веществ – газообразном или в растворе – реакции более предпочтительны?