в) в щелочном растворе (электролит NaOH)
катод 2Н2O + 2е- = Н2↑ + 2OН-
анод 4OН- – 4е- = O2↑ + 2Н2O
Один из методов обнаружения воды основан на переходе во влажной атмосфере белого сульфата меди(II) CuSO4 в голубой медный купорос CuSO4 5Н2O.
Известна изотопная разновидность воды — тяжелая вода D2O (2Н2O); в природных водах массовое отношение D2O: Н2O = 1: 6000.
Плотность, температуры плавления и кипения тяжелой воды выше, чем у обыкновенной. Растворимость большинства веществ в тяжелой воде значительно меньше, чем в обычной воде. Она ядовита, так как замедляет биологические процессы в живых организмах. Тяжелая вода накапливается в остатке электролита при многоразовом электролизе воды. Используется как теплоноситель и замедлитель нейтронов в ядерных реакторах.
Гидрид кальция СаН2. Бинарное соединение. Белый, имеет ионное строение Са2+(Н-)2. При плавлении разлагается. Чувствителен к кислороду воздуха. Сильный восстановитель, реагирует с водой, кислотами. Применяется как твердый источник водорода (1 кг СаН2 дает 1000 л Н2), осушитель газов и жидкостей, аналитический реагент для количественного определения воды в кристаллогидратах.
Уравнения важнейших реакций:
СаН2 = Н2 + Са (особо чистый) (выше 1000 °C)
СаН2 + 2Н2O = Са(ОН)2 + 2Н2↑
СаН2 + 2НCl (разб.) = СаCl2 + 2Н2↑
СаН2 + O2 = Н2O + СаО (особо чистый) (300–400 °C)
ЗСаН2 + N2 = ЗН2 + Ca3N2 (выше 1000 °C)
ЗСаН2 + 2КClO3 = 2КCl + ЗСаО + ЗН2O (450–550 °C)
СаН2 + H2S = CaS + 2Н2 (500–600 °C)
Получение: обработка нагретого кальция водородом.
7.2. Галогены
7.2.1. Хлор. Хлороводород
Хлор – элемент 3-го периода и VII А-группы Периодической системы, порядковый номер 17. Электронная формула атома [10Ne]3s23p5, характерные степени окисления 0, -I, +I, +V и +VII. Наиболее устойчиво состояние Cl-I. Шкала степеней окисления хлора:
Хлор обладает высокой электроотрицательностью (2,83), проявляет неметаллические свойства. Входит в состав многих веществ – оксидов, кислот, солей, бинарных соединений.
В природе – двенадцатый по химической распространенности элемент (пятый среди неметаллов). Встречается только в химически связанном виде. Третий по содержанию элемент в природных водах (после О и H), особенно много хлора в морской воде (до 2 % по массе). Жизненно важный элемент для всех организмов.
Хлор Cl2. Простое вещество. Желто-зеленый газ с резким удушливым запахом. Молекула Cl2 неполярна, содержит σ-связь CI–Cl. Термически устойчив, негорюч на воздухе; смесь с водородом взрывается на свету (водород сгорает в хлоре):
Хорошо растворим в воде, подвергается в ней дисмутации на 50 % и полностью – в щелочном растворе:
Раствор хлора в воде называют хлорной водой, на свету кислота НClO разлагается на НCl и атомарный кислород О0, поэтому «хлорную воду» надо хранить в темной склянке. Наличием в «хлорной воде» кислоты НСlO и образованием атомарного кислорода объясняются ее сильные окислительные свойства: например, во влажном хлоре обесцвечиваются многие красители.
Хлор очень сильный окислитель по отношению к металлам и неметаллам:
Реакции с соединениями других галогенов:
а) Cl2 + 2KBr(p) = 2КCl + Br2↑ (кипячение)
б) Cl2 (нед.) + 2KI(p) = 2КCl + I2↓
3Cl2 (изб.) + ЗН2O + KI = 6НCl + КIO3 (80 °C)
Качественная реакция – взаимодействие недостатка Cl2 с KI (см. выше) и обнаружение иода по синему окрашиванию после добавления раствора крахмала.
Получение хлора в промышленности:
и в лаборатории:
4НCl (конц.) + MnO2 = Cl2↑ + MnCl2 + 2Н2O
(аналогично с участием других окислителей; подробнее см. реакции для НCl и NaCl).
Хлор относится к продуктам основного химического производства, используется для получения брома и иода, хлоридов и кислородсодержащих производных, для отбеливания бумаги, как дезинфицирующее средство для питьевой воды. Ядовит.
Хлороводород НCl. Бескислородная кислота. Бесцветный газ с резким запахом, тяжелее воздуха. Молекула содержит ковалентную σ-связь Н – Cl. Термически устойчив. Очень хорошо растворим в воде; разбавленные растворы называются хлороводородной кислотой, а дымящий концентрированный раствор (35–38 %) – соляной кислотой (название дано еще алхимиками). Сильная кислота в растворе, нейтрализуется щелочами и гидратом аммиака. Сильный восстановитель в концентрированном растворе (за счет Cl-I), слабый окислитель в разбавленном растворе (за счет НI). Составная часть «царской водки».
Качественная реакция на ион Cl- – образование белых осадков AgCl и Hg2Cl2, которые не переводятся в раствор действием разбавленной азотной кислоты.
Хлороводород служит сырьем в производстве хлоридов, хлорорганических продуктов, используется (в виде раствора) при травлении металлов, разложении минералов и руд.
Уравнения важнейших реакций:
НCl (разб.) + NaOH (разб.) = NaCl + Н2O
HCl (разб.) + NH3 H2O = NH4Cl + Н2O
4HCl (конц., гор.) + МО2 = МCl2 + Cl2↑ + 2H2O (М = Mn, Pb)
16HCl (конц., гор.) + 2КMnO4(т) = 2MnCl2 + 5Cl2↑ + 8H2O + 2КCl
14HCl (конц.) + К2Cr2O7(т) = 2CrCl3 + ЗCl2↑ + 7H2O + 2КCl
6HCl (конц.) + КClO3(т) = КCl + ЗCl2↑ + 3H2O (50–80 °C)
4HCl (конц.) + Са(ClO)2(т) = СаCl2 + 2Cl2| + 2Н2O
2HCl (разб.) + М = МCl2 + H2↑ (М = Fe, Zn)
2HCl (разб.) + МСO3 = МCl2 + СO2↑ + H2O (М = Са, Ва)
HCl (разб.) + AgNO3 = HNO3 + AgCl↓
Получение НCl в промышленности – сжигание Н2 в Cl2 (см.), в лаборатории – вытеснение из хлоридов серной кислотой:
NaCl(т) + H2SO4 (конц.) = NaHSO4 + НCl↑ (50 °C)
2NaCl(т) + H2SO4 (конц.) = Na2SO4 + 2НCl↑ (120 °C)
7.2.2. Хлориды
Хлорид натрия NaCl. Бескислородная соль. Бытовое название поваренная соль. Белый, слабогигроскопичный. Плавится и кипит без разложения. Умеренно растворим в воде, растворимость мало зависит от температуры, раствор имеет характерный соленый вкус. Гидролизу не подвергается. Слабый восстановитель. Вступает в реакции ионного обмена. Подвергается электролизу в расплаве и растворе.
Применяется для получения водорода, натрия и хлора, соды, едкого натра и хлороводорода, как компонент охлаждающих смесей, пищевой продукт и консервирующее средство.
В природе – основная часть залежей каменной соли, или галита, и сильвинита (вместе с КCl), рапы соляных озер, минеральных примесей морской воды (содержание NaCl = 2,7 %). В промышленности получают выпариванием природных рассолов.
Уравнения важнейших реакций:
2NaCl(т) + 2H2SO4 (конц.) + MnO2(т) = Cl2↑ + MnSO4 + 2Н2O + Na2SO4 (100 °C)
10NaCl(т) + 8H2SO4 (конц.) + 2КMnO4(т) = 5Cl2↑ + 2MnSO4 + 8Н2O + 5Na2SO4 + K2SO4 (100 °C)
6NaCl(т) + 7H2SO4 (конц.) + К2Cr2O7(т) = ЗCl2 + Cr2(SO4)3 + 7Н2O + 3Na2SO4 + K2SO4 (100 °C)
2NaCl(т) + 4H2SO4 (конц.) + РЬO2(т) = Cl2↑ + Pb(HSO4)2 + 2Н2O + 2NaHSO4 (50 °C)
NaCl (разб.) + AgNO3 = NaNO3 + AgCl↓
Хлорид калия KCl. Бескислородная соль. Белый, негигроскопичный. Плавится и кипит без разложения. Умеренно растворим в воде, раствор имеет горький вкус, гидролиза нет. Вступает в реакции ионного обмена. Применяется как калийное удобрение, для получения К, КОН и Cl2. В природе основная составная часть (наравне с NaCl) залежей сильвинита.
Уравнения важнейших реакций одинаковы с таковыми для NaCl.
Хлорид кальция СаCl2. Бескислородная соль. Белый, плавится без разложения. Расплывается на воздухе за счет энергичного поглощения влаги. Образует кристаллогидрат СаCl2 6Н2O с температурой обезвоживания 260 °C. Хорошо растворим в воде, гидролиза нет. Вступает в реакции ионного обмена. Применяется для осушения газов и жидкостей, приготовления охлаждающих смесей. Компонент природных вод, составная часть их «постоянной» жесткости.
Уравнения важнейших реакций:
СаCl2(т) + 2H2SO4 (конц.) = Ca(HSO4)2 + 2НCl↑ (50 °C)
СаCl2(т) + H2SO4 (конц.) = CaSO4↓ + 2НCl↑ (100 °C)
