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).
