Получение и собирание газов: выбор способа и чтение схем

В уравнении реакции рядом с формулой появился знак ↑. Значит ли это, что в приёмнике уже находится чистый газ? Нет: вещество ещё нужно направить в подходящий сосуд, отделить от первоначального воздуха и проверить состав. Выбор приёмника связан с растворимостью газа, его плотностью и условиями задачи. Разберём школьные схемы для кислорода, водорода, углекислого газа и аммиака.

Материал помогает читать рисунки и объяснять наблюдения на уроке. Реальные опыты выполняют по инструкции учителя в оборудованной лаборатории; приведённые схемы показывают только приёмники и не заменяют инструкцию по сборке установки.

Получить, собрать и распознать — разные действия

Получение создаёт газ в химической реакции или выделяет его из смеси. Собирание позволяет накопить газ в приёмнике. Распознавание проверяет, какое вещество присутствует в образце.

Например, при каталитическом разложении пероксида водорода образуется кислород. Оксид марганца(IV) ускоряет процесс; в суммарном уравнении его указывают как катализатор, а не расходуемый реагент:

2H₂O₂ → 2H₂O + O₂↑, катализатор MnO₂.

Это уравнение описывает получение O₂, но не положение сосуда и не чистоту собранного образца. Даже правильная реакция не исправляет неподходящий способ собирания. И наоборот: газ может накапливаться в приёмнике, однако без дополнительной проверки нельзя заключить, что это именно кислород.

Другой учебный пример — выделение углекислого газа при действии кислотных протонов на карбонат кальция:

CaCO₃ + 2H⁺ → Ca²⁺ + CO₂↑ + H₂O.

Пузырьки подтверждают выделение газа, но сами по себе не устанавливают его состав. Подробные реакции распознавания приведены в практикуме по качественному анализу.

Сначала проверяют растворимость

При собирании над водой газ занимает пространство, которое раньше занимала вода. Приёмник первоначально заполнен водой и перевёрнут открытым горлом вниз; отверстие находится под поверхностью воды в общей ёмкости. Поступающий газ накапливается в верхней части приёмника, а вода выходит через нижнее отверстие.

Такое описание предполагает, что потери на растворение и реакцию с водой достаточно малы для цели опыта. Для O₂ и H₂ это допустимое школьное приближение. Выражение «малорастворим» не означает строго нулевую растворимость: часть вещества всё же может переходить в воду.

Аммиак NH₃ очень хорошо растворяется в воде и частично реагирует с ней. Для его обычного школьного собирания водяной приёмник не подходит. CO₂ занимает промежуточное положение: растворяется заметнее, чем O₂ и H₂, поэтому контакт с водой способен уменьшать собранное количество. Его нельзя объявлять абсолютно нерастворимым.

Газ, собранный над водой, содержит водяной пар. Его нельзя автоматически считать сухим газом, даже если в приёмнике не видно капель.

Затем сравнивают плотность с воздухом

Если используют вытеснение воздуха, важна ориентация приёмника. В упрощённой модели более плотный газ подают к нижней части сосуда, стоящего открытым горлом вверх; воздух выходит вверх. Менее плотный газ направляют к верхней закрытой части перевёрнутого сосуда, у которого открытое горло направлено вниз; воздух выходит вниз.

Чтобы не перепутать названия, всегда уточняйте, что движется. При собирании CO₂ газ направляют вниз, но вытесняемый воздух движется вверх. Для NH₃ ситуация обратная: газ направляют вверх, воздух вытесняется вниз. Одно слово «вниз» без названия потока двусмысленно.

При одинаковых температуре и давлении плотности газов в приближении идеального газа пропорциональны их молярным массам. Для сухого воздуха берут среднюю молярную массу около 29 г/моль:

D_{по воздуху} = ρ(газа) / ρ(воздуха) ≈ M(газа) / 29.

Это отношение безразмерно. Значение больше единицы соответствует большей плотности; меньше единицы — меньшей. Вода, водяной пар, жидкий аммиак и газообразный NH₃ — разные объекты, поэтому сравнивать нужно именно плотности газов при одинаковых условиях.

Таблица выбора для четырёх газов

В таблице использованы округлённые школьные молярные массы. Способ выбирают для конкретного учебного опыта, учитывая требуемую чистоту и допустимые потери.

На узком экране таблицу и схему ниже можно прокрутить в сторону.

Слово «сухой» в последней строке относится к приёмнику. Оно не доказывает отсутствия водяного пара в самом газе. Осушение образца — отдельная операция с подходящим веществом, которое не должно поглощать искомый газ или реагировать с ним.

Как читать положение приёмника на рисунке

Схема А: над водой собирают газ с достаточно малыми потерями на растворение. Схема Б: приёмник горлом вверх подходит для учебной модели собирания CO₂ вытеснением воздуха. Схема В: приёмник горлом вниз соответствует газу менее плотному, например NH₃. Схемы показывают направления потоков, а не порядок монтажа оборудования.

Газ и воздух не образуют неподвижных слоёв с резкой границей: они смешиваются вследствие диффузии и движения потоков. Цвет на рисунке условный; все четыре рассматриваемых газа бесцветны. Открытый сосуд не является герметичной ёмкостью для хранения.

Чистота образца и достоверность наблюдений

До начала реакции в частях установки обычно находится воздух. Поэтому первая газовая смесь не обязана иметь состав, предсказанный только уравнением реакции. Образование нескольких пузырьков не означает полного удаления воздуха. Порядок контроля и обращения с этой смесью задаёт лабораторная инструкция.

Для кислорода в школьной демонстрации известен признак усиления горения тлеющей лучинки. Однако отсутствие такого наблюдения может объясняться примесью воздуха и условиями проверки. Для аммиака изменение цвета влажного индикатора связано с щелочной средой, но капля щёлочи на бумаге способна дать похожий результат. Наблюдение оценивают вместе с условиями и возможными помехами.

В расчётных задачах различайте количество образовавшегося газа и количество, которое удалось собрать. Растворение, утечки, примесь воздуха и водяной пар по-разному влияют на измеренный объём. Нельзя всякое расхождение автоматически называть «неправильной реакцией».

Способ собирания не устанавливает состав и безопасность образца. Водород не проверяют самостоятельным поджиганием, а аммиак — вдыханием. Выбор оборудования и контроль опыта относятся к работе учителя.

Частые ошибки

• Выбирать воду только потому, что газ легче воздуха: растворимость проверяют отдельно.
• Считать CO₂ нерастворимым, а газ над водой — сухим.
• Путать направление входящего газа с направлением выходящего воздуха.
• Называть перевёрнутый приёмник подходящим для любого газа.
• Считать цвет заливки на схеме реальной окраской или границей несмешивающихся газов.

Шесть заданий

1. Ученику показали три карточки: «в реакции появился O₂», «газ накопился над водой», «состав проверен отдельной пробой». Соотнесите их с получением, собиранием и распознаванием. Доказывает ли вторая карточка наличие именно кислорода?
2. Для газа X дано M = 17 г/моль и указана очень высокая растворимость в воде. Найдите относительную плотность по воздуху. Выберите схему А, Б или В для школьной модели собирания вытеснением воздуха. Достаточна ли одна молярная масса, чтобы назвать вещество?
3. На рисунке CO₂ подают к верхней части перевёрнутого открытого сосуда горлом вниз. Объясните, почему это неудачный выбор для вытеснения воздуха. Как ориентируют приёмник и куда направлены два потока в подходящей модели?
4. Два одинаковых образца O₂ и NH₃ предполагают собирать над водой. Для какого газа этот способ допустим в обычном школьном приближении? Почему рассуждение «оба газа бесцветны» не помогает выбрать метод?
5. В условии расчётной задачи из реакции должно образоваться 0,010 моль газа. В приёмнике учли 0,0080 моль именно этого вещества, отдельно от примесей; условия сравнения одинаковы. Найдите долю собранного газа. Доказывают ли эти данные, что 20% исходного реагента не прореагировало?
6. После собирания газа над водой написали: «В приёмнике сухой чистый газ: вода прозрачна, капель на стенке нет». Назовите два необоснованных вывода. Какую дополнительную информацию нужно запросить для точного расчёта количества искомого газа по объёму?

Ответы с объяснениями

1. Первая карточка — получение, вторая — собирание, третья — распознавание. Над водой могут собираться разные газы и их смеси; положение приёмника не является качественной реакцией на O₂.

2. По данным условия:

   D_{по воздуху} ≈ 17/29 ≈ 0,59.

   Газ менее плотный, чем воздух; для вытеснения воздуха выбирают В, открытым горлом вниз. Вода не подходит из-за высокой растворимости. NH₃ соответствует этим характеристикам, но одна молярная масса не устанавливает химическое строение неизвестного вещества.

3. CO₂ плотнее воздуха и будет уходить через нижнее отверстие. В подходящей модели приёмник стоит горлом вверх; CO₂ направляют вниз, к нижней части, а воздух выходит вверх. Формулировка «газ подают вниз» не означает «воздух вытесняется вниз».

4. Для O₂ потери на растворение можно принять малыми по условиям школьного опыта. NH₃ интенсивно переходит в воду, поэтому такой приёмник мешает накоплению газа. Цвет не определяет ни растворимость, ни направление вытеснения воздуха.

5. Доля собранного вещества:

   n(собранного) / n(образовавшегося) = 0,0080/0,010 = 0,80 = 80%.

   Недостающие 20% могли раствориться или уйти из приёмника. Данные о сборе не доказывают неполного превращения реагента: для этого нужны сведения о самой реакции и материальном балансе.

6. Отсутствие капель не исключает водяной пар, а прозрачность воды не подтверждает чистоту газа. Нужны температура, давление газовой смеси, сведения о примеси воздуха и содержании водяного пара. При наличии жидкой воды для точного расчёта учитывают парциальное давление её пара; если уровни воды различаются, учитывают также разность давлений. Упрощениями можно пользоваться только когда они оговорены.

Связанные темы и источники

Повторите лабораторную безопасность, кислород, водород, оксиды углерода и аммиак. Для расчётов используйте закон Авогадро.

Учебный охват: ФРП химии 8–9 классов, 2025: с. 26–27, 42, 45, 58 и 70. Методы собирания: Royal Society of Chemistry — Generating, collecting and testing gases; Purdue University — Collection of Gas Over Water. Положение приёмника для NH₃: RSC — Changes of state using volume differences. Плотность и водяной пар: OpenStax Chemistry 2e, раздел 9.3. Схема и задания составлены для этой статьи.