Синтез газов

Синтез газов осуществляют взаимодействием твердого вещества с жидкостью, взаимодействием двух жидких веществ или термическим разложением вещества.

Качество синтезируемых газов зависит от чистоты исходных веществ, а также от формы и размеров применяемых приборов. Форму и размеры приборов обычно выбирают в зависимости от характера реакций, лежащих в основе метода получения газа, требуемого количества газа и степени его чистоты.

Приборы для получения газов должны быть изготовлены из термически и химически устойчивых сортов стекла. Необходимо, чтобы соединения отдельных частей были герметичны; по возможности следует избегать соединений резиновыми или пластмассовыми трубками.

Одно из основных требований при выборе прибора - минимальная величина «вредных» объемов, из-за которых необходимо долго пропускать через прибор получаемый газ для удаления из него воздуха.



Удобен и весьма универсален лабораторный прибор для получения газов, образующихся при взаимодействии жидкостей с твердыми веществами (Н2, СO2, H2S) - стеклянный аппарат Киппа (рис. 147). Твердое вещество в реакторе 4 помещается на вкладыше 5 из винипласта; вкладыш имеет три отверстия диаметром 1,5-2 мм для стекания жидкости из реактора в нижнюю часть аппарата. Тубус реактора, служащий для отвода выделяющегося газа, соединен с краном отводной трубки 2.

Аппараты Киппа выпускаются вместимостью (по шару реактора) 500, 1000 и 2000 мл из толстостенного стекла ТХС1 или ТХС2.

Для подготовки аппарата к работе вынимают резиновую пробку 3 из тубуса реактора 4 и вводят в реактор кусочки твердого реагента, например, мрамора (объем реагента не должен превышать 2/5 объема реактора). Пользоваться порошком не рекомендуется, так как в этом случае газ выделяется бурно и возможен его прорыв через воронку 1 аппарата. Затем пробку 3 вставляют в тубус реактора и при открытом кране отводной трубки 2 через воронку 1 наливают жидкость (например, разбавленный раствор НСl) в таком количестве, чтобы реактор был заполнен наполовину. Образующийся газ пропускают через отводную трубку в течение 7-10 мин для вытеснения воздуха из аппарата. При закрытом кране отводной трубки 2 выделяющийся газ выталкивает жидкость через нижнюю часть аппарата в воронку 1; при этом жидкость не контактирует с твердым веществом и газ не выделяется. При получении агрессивных или дурно пахнущих газов воронку 1 закрывают жидкостным затвором с нейтрализующим раствором. По окончании промывания аппарата выделяющимся газом газоотводную трубку с краном 2 соединяют с тем прибором, в который требуется пропускать газ.

Аппарат периодически очищают. Для этого осторожно при закрытом кране отводной трубки вынимают стеклянную пробку 6 и через нижний тубус сливают жидкость в заранее подготовленный сосуд, приоткрывая кран отводной трубки. Затем споласкивают аппарат водой, которую наливают через воронку 1.

Аппарат Киппа для получения газа

Несколько изменив аппарат, можно получить газ, практически не загрязненный воздухом. В приборе (рис. 148) предусмотрено соединение среднего и верхнего шаров трубкой с двумя трехходовыми кранами 1 и 2. Это простое приспособление позволяет, при установившейся работе прибора, заполнять все три шара чистым газом. При соответствующих положениях кранов 1 и 2 можно отбирать газ как из среднего, так и из верхнего шара. Для регулирования давления в приборе служит ртутный затвор 3. В средний шар загружают кусочки твердого вещества и из прибора полностью удаляют воздух, заполняя прибор и трубки свежепрокипяченной водой. Затем кран 4 соединяют с сосудом, содержащим жидкий реагент, и с помощью водоструйного насоса, присоединенного к трубке крана 1, отсасывают воду из среднего шара до тех пор, пока уровень жидкости в нижнем шаре не достигнет твердого реагента; при этом выделяется газ. Далее переключают краны и отсасывают воду из верхнего шара, пока жидкость не поднимется до половины объема шара. Снова переключают краны и засасывают жидкий реагент в средний шар; при этом газ начинает бурно выделяться. Краны переключают так, чтобы жидкость, вытесняемая газом, выливалась через ртутный затвор. Затем, пользуясь обоими кранами, регулируют давление газа в приборе.

В настоящем разделе рассматриваются наиболее доступные и проверенные в лабораторной практике методы получения СO2, СО, SO2, H2S, Cl2, НСl, HBr.

Синтез диоксида углерода

Диоксид углерода получают термическим разложением гидрокарбоната натрия NaHCO3 при 100-120 °С или взаимодействием мрамора CaCO3 с НСl:

Формулы

Термическое разложение NaHCO3 проводят в закрытой с одного конца стеклянной тугоплавкой трубке, соединенной последовательно с промывной склянкой, наполненной стеклянной ватой для задержания пыли, и промывной склянкой с конц. H2SO4 для осушения СO2. Трубку полностью заполняют кусочками NaHCO3 величиной с горошину, откачивают воздух водоструйным насосом и нагревают с закрытого конца.

Получение СO2 взаимодействием мрамора с НСl (1 об. ч. НСl (р = 1,19 г/см3) и 1 об. ч. дистиллированной воды) проводят в аппарате Киппа.

Небольшие кусочки мрамора предварительно очищают. Для этого мрамор помещают в фарфоровую чашку, заливают разбавленной НСl (1:2), перемешивают 5-10 мин, сливают кислоту, ополаскивают мрамор водой и кипятят в течение нескольких часов в дистиллированной воде.

Синтез оксида углерода

Наиболее целесообразный способ получения СО - обезвоживание концентрированной муравьиной кислоты, что достигается осторожным (по каплям) добавлением конц. H2SO4 к охлаждаемой льдом НСООН, либо холодной НСООН к конц. Н3РО4, нагретой до 80 °С:

Формулы

Равномерное и непрерывное выделение СО достигается нагреванием смеси конц. Н3РО4 и НСООН (1:1) при 80 °С. Образующийся СО содержит примесь паров воды и кислоты, которые можно удалить промыванием раствором КОН и высушиванием конц. H2SO4.

Синтез диоксида серы

Диоксид серы получают взаимодействием насыщенного водного раствора сульфита натрия Na2SO3 или пиросульфита натрия Na2S2O5 с конц. H2SO4:

Формулы

В колбу, снабженную капельной воронкой с капиллярной отводной и газоотводной трубками, помещают насыщенный водный раствор Na2SO3 или Na2S2O5 и прибавляют по каплям конц. H2SO4. Выделяющийся газ пропускают через две промывные склянки с конц. H2SO4 и сжижают в сосуде, охлаждаемом смесью льда и NaCl.

Синтез сероводорода

Сероводород высокой степени чистоты образуется при нагревании концентрированного раствора гидросульфида магния Mg(HS)2:

Формулы

Гидросульфид магния получается при смешивании конц. растворов MgCl2 и NaHS (мольное соотношение 1:2):

Формулы

В качестве реакционного сосуда может служить круглодонная колба вместимостью 1 л с резиновой пробкой, имеющей два отверстия, через которые проходят капельная воронка вместимостью 250 мл и газоотводная трубка. Из капельной воронки вначале приливают 250 мл насыщенного раствора MgCl2, затем столько же дистиллированной воды и, наконец, 250 мл насыщенного раствора NaHS. При незначительном нагревании (40-60 °С) реакционной колбы начинается выделение H2S равномерным током. Выход реакции около 80%, считая на NaHS.

Синтез хлора

Хлор высокой степени чистоты получают реакцией между НСl (3 об.ч. конц. НСl и 1 об.ч. дистиллированной воды) и твердым бихроматом калия K2Cr2O7, протекающей при нагревании:

Формулы

Твердый измельченный K2Cr2O7 помещают в круглодонную колбу, снабженную делительной воронкой и газоотводной трубкой. Колбу устанавливают в нагревательную жидкостную баню (солевую) и при нагревании приливают из капельной воронки НСl. Интенсивность выделения Сl2 регулируют нагреванием бани. Хлор осушают конц. H2SO4 и СаСl2.

Синтез хлористого водорода

Легко регулируемый ток хлористого водорода получают прибавлением чистой конц. соляной кислоты к конц. H2SO4 или наоборот.

Для получения относительно небольших количеств НСl можно использовать толстостенную колбу для фильтрования под вакуумом, снабженную пробкой и воронкой, оттянутый конец которой доходит почти до дна колбы. Склянку наполняют конц. H2SO4, а воронку - соляной кислотой. Из капельной воронки постепенно добавляют соляную кислоту к серной; при этом следует предварительно заполнить оттянутый конец отводной трубки капельной воронки соляной кислотой, чтобы обеспечить гидростатическое давление, необходимое для вытекания кислоты у дна сосуда.

Приборы для получения хлористого и бромистого водорода

Равномерного выделения НСl можно также достигнуть при приливании конц. H2SO4 к кашице, состоящей из смеси тонкоизмельченного NaCl и конц. НСl.

Относительно большие количества НСl целесообразно получать в приборе, изображенном на рис. 149, а. При закрытом кране 5 в склянку 1 наливают конц. соляную кислоту, а из делительной воронки 3 постепенно приливают конц. H2SO4. Газообразный НСl поднимается в колонку навстречу току H2SO4 и выходит через боковую трубку 4. Отработанную кислоту периодически выпускают из склянки 1 через тубус с краном. Хлористый водород осушают Конц. H2SO4 или СаСl2.

Синтез бромистого водорода

Бромистый водород получают гидролизом бромидов фосфора, образующихся при взаимодействии фосфора и брома, или действием брома на тетралин (тетрагидронафталин). Последний способ более удобен и обеспечивает получение сухого бромистого водорода:

Формулы

Для этого используют прибор, изображенный на рис. 149,б. В колбу 1, снабженную делительной воронкой 3 и колонкой с кольцами Рашига 2, загружают 200-250 мл тетралина и 3-5 г железных опилок. Тетралин предварительно высушивают над Na2SO4 и перегоняют при атмосферном давлении и 206-208 °С. Реакционную колбу с тетралином помещают на силиконовую баню. К кипящему тетралину из делительной воронки постепенно добавляют бром. Образующийся HBr и пары тетралина поднимаются по колонке 2, где тетралин конденсируется, а бромистый водород выходит из прибора. Колонка 2 соединена с капельной воронкой 3 трубкой, уравнивающей давление, что позволяет осуществить непрерывную подачу брома. Бромистый водород пропускают через промывную склянку с тетралином (для улавливания паров брома) и осушают CaBr2.