Книга по химии для домашнего чтения

6.19. ВУЛКАН НА СТОЛЕ

Если прикоснуться горящей спичкой к кучке оранжево-красных кристаллов дихромата аммония (NH₄)₂Cr₂O₇ произойдет нечто примечательное: начинается «извержение» маленького «вулкана». Из центра стремительно вылетают раскаленные докрасна частицы «пепла», размеры «вулкана» быстро увеличиваются.

Дихромат аммония (NH₄)₂Cr₂O₇ содержит атомы азота в низшей степени окисления (III) и хрома — в высшей степени окисления (+VI). Между этими атомами при поджигании происходит внутримолекулярный обмен электронами:

или

(NH₄)₂Cr₂O₇ = N₂↑ + Cr₂O₃ + 4Н₂O↑.

Эта реакция является экзотермической, протекающей с большим выделением энергии. Раскаленные частицы и зеленоватый «пепел» — это частицы оксида хрома Cr₂O₃, выбрасываемые при разложении дихромата аммония газообразным азотом N₂.

6.20. КАК ДОБЫТЬ ВОДОРОД?

Полки аэростатов заграждения блокадного Ленинграда обеспечивал водородом один из небольших химических заводов города, где добывали водород устаревшим железопаровым способом (см. 1.42). Водяной пар пропускали через раскаленное железо:

2Fe + 3Н₂O = Fe₂O₃ + 3Н₂↑.

Водорода для наполнения аэростатов постоянно не хватало, и приходилось использовать походные армейские установки, в которых для получения водорода использовали взаимодействие аморфного кремния Si с гидроксидом натрия:

Si + 4NaOH = Na₄SiO₄ + 2Н₂↑.

Воздух постоянно просачивался в наполненные водородом аэростаты. Когда концентрация водорода падала до 83%, аэростат уже становился взрывоопасным (смесь водорода и воздуха при соотношении 4:1 взрывается). Ленинградцы экономили водород как могли: ведь для производства каждого кубометра его требовались дефицитное топливо и реактивы; было даже предложено использовать отработанный водород как топливо для автомобильных двигателей.

6.21. ГИДРИДЫ — ИСТОЧНИКИ ВОДОРОДА

Вещества типа гидридов дают возможность получить водород в полевых условиях (см. 5.62). Дополнительно потребуется только вода, но это, как правило, не проблема. Из 1 кг гидрида кальция CaH₂ или гидрида лития LiH (сухого вещества) можно получить 1,1–3,2 м³ водорода:

CaH₂ + 2Н₂O = Ca(OH)₂ + 2Н₂↑,

2LiH + 2Н₂O = 2LiOH + 2Н₂↑.

А каждый килограмм комплексного соединения — тетрагидридобората лития Li(BH₄)-дает 4 м³ водорода:

Li(BH₄) + 4Н₂O = LiOH + B(OH)₃ + 4Н₂↑.

Хотя походные «патроны», снаряженные гидридами, довольно дороги, в перспективе их применение может оказаться весьма выгодным.

6.22. БЕЗЗАЩИТНЫЙ МЕТАЛЛ

Известно, что магний Mg с водой не взаимодействует. Но сохранит ли он свою химическую инертность к воде, если его в виде стружки или порошка опустить в водный раствор трихлорида железа FeCl₂?

Магний не взаимодействует с холодной водой из-за образования на его поверхности тонкого слоя малорастворимого в воде гидроксида Mg(OH)₂:

Mg + 2Н₂O = Mg(OH)₂ + H₂↑.

Эта реакция, только начавшись, сразу же прекращается: тонкий и прочный слой гидроксида надежно защищает металл от воздействия воды. А из водного раствора трихлорида железа магний выделяет водород. Почему? Трихлорид железа в воде подвергается сильному гидролизу: сначала он полностью распадается на ионы:

FeCl₃ = Fe³⁺ + 3Сl^-,

а затем катионы железа образуют в воде аквакомплексы:

Fe³⁺ + 6Н₂O = [Fe(H₂O)₆]³⁺,

которые являются довольно сильными кислотами, выбрасывающими в раствор протоны H ⁺ (см. 3.11):

[Fe(H₂O)₆]³⁺ + H₂O ↔ H₃O⁺ + [Fe(H₂O)₅OH]²⁺ ,

при этом протоны захватываются молекулами воды и превращаются в ионы оксония (H⁺ + H₂O = H₃O⁺ ). Эти ионы оксония взаимодействуют прежде всего с защитной пленкой гидроксида магния на поверхности металла:

Mg(OH)₂ + 2H₃O⁺ = Mg²⁺ + 4Н₂O.

«Обнаженный» металл взаимодействует уже и с ионами оксония, и с водой:

Mg + 2H₃O⁺ = Mg²⁺ + 2Н₂O + H₂↑.

6.23. ВРЕДНЫЙ КАТАЛИЗАТОР

Два инженера-химика разговорились вечером около открытой емкости с пероксидом водорода, подготовленным для розлива в бутыли и отправки заказчику. Один из инженеров работал в цехе производства диоксида марганца. На другой день заводская лаборатория, проверившая качество пероксида водорода, установила, что бутыли заполнены водой, содержащей только примесь пероксида водорода.

Концентрированные водные растворы пероксида водорода H₂O₂ (техническое название «пергидроль») медленно разлагаются при хранении с выделением кислорода и образованием воды (см. 5.63):

2Н₂O₂ = 2Н₂O + O₂↑.

Если же в пероксид водорода попадает хотя бы ничтожное количество диоксида марганца MnO₂, то реакция разложения сильно ускоряется. При этом сам MnO₂ не расходуется: он является лишь катализатором реакции. Можно полагать, что инженер из цеха диоксида марганца неосторожно отряхнул свою спецодежду, и следы диоксида марганца попали в емкость с пероксидом водорода. За ночь произошло почти полное разложение продукта. Хорошо, что это были лишь следы MnO₂: при более значительном количестве катализатора реакция разложения могла пойти очень бурно и привести к взрыву.

6.24. СНЕЖНАЯ ВОДА

Знаете ли вы, что снежная (от таяния естественного снега) вода содержит больше пероксида водорода, чем дождевая вода после града или грозы, а дождевая вода после грозы — больше, чем обычная дождевая вода?

Пероксид водорода H₂O₂ образуется не только при взаимодействии водорода с влажным кислородом при электрическом разряде, но и при реакции воды с озоном O₃, который появляется во время грозы под действием электрических разрядов:

3O₂ = 2O₃, O₃ + 3Н₂O = 3Н₂O₂.

Чем больше концентрация озона в воздухе, тем выше содержание пероксида водорода в атмосферных осадках. Отметим, что при температуре ниже 0ºC пероксид водорода разлагается очень медленно (см. 6.25).