5.3: Просто тому, що ви можете написати це, не означає, що це станеться

Last updated
Save as PDF

Page ID: 18728

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Той факт, що можна записати збалансоване хімічне рівняння, не обов'язково означає, що відбудеться хімічна реакція, яку воно представляє. Як приклад, відомо, що ряд металів вступить в реакцію з кислотою, щоб вивільнити елементарний водневий газ і виробляти сіль металу. _{Наприклад, якщо залізний дріт, Fe, поміщається в розчин сірчаної кислоти, виділяється газ Н _{2 SO ₄, H 2},}

\[\ce{Fe(s) + H2SO4(aq) \rightarrow H2(g) + FeSO4(aq)}\]

залишивши в розчині сіль FeSO ₄. Також відомо, що існує мідна сіль, CuSo ₄. Тож можна вважати, що його можна приготувати, реагуючи мідний метал з H _{2 SO} ₄:

\[\ce{Cu(s) + H2SO4 (aq) \rightarrow H2(g) + CuSO4 (aq)}\]

Це рівняння збалансоване, і, схоже, це може статися. Але, поміщаючи мідний метал в розчин H ₂ SO ₄ в лабораторії призводить — нічого. Реакція просто не відбувається. Урок тут полягає в тому, що збалансоване хімічне рівняння не є достатньою підставою для висновку, що відбудеться реакція.

Оскільки відомо, що CuSo ₄ існує, повинен бути спосіб його підготувати. Є, по суті, кілька способів. Один шлях до отримання цієї солі, починаючи з мідного металу, полягає в тому, щоб спочатку реагувати мідь з киснем при відносно високій температурі для отримання оксиду міді:

\[\ce{2Cu(s) + O2(g) \rightarrow 2CuO(s)}\]

Продукт CuO реагує з сірчаною кислотою, даючи сіль CuSo ₄:

\[\ce{CuO(s) + H2SO4(aq) \rightarrow CuSO4(aq) + H2O(l)}\]

Альтернативні шляхи реакції в зеленій хімії

Значна частина науки зеленої хімії передбачає прийняття рішень про альтернативні хімічні реакції, щоб вибрати реакцію або послідовність реакції, яка забезпечує максимальну безпеку, виробляє мінімальний побічний продукт, і використовує легкодоступні матеріали. Розглянемо два способи приготування залізного купоросу, FeSO ₄. Ця хімічна речовина зазвичай використовується для лікування (уточнення) води, оскільки, коли вона додається до води, а повітря прокидається через воду, вона виробляє Fe (OH) ₃, желатинову тверду речовину, яка осідає у воді і несе з собою зважену грязь та інші частинки. Розглянемо два можливих способи виготовлення FeSO ₄. Перший з них був показаний раніше і складається з реакції металу заліза з сірчаною кислотою:

\[\ce{Fe(s) + H2SO4(aq) \rightarrow H2(g) + FeSO4(aq)}\]

\[\ce{Cu(s) + H2SO4(aq) \rightarrow H2(g) + CuSO4(aq)}\]

\[\ce{2Cu(s) + O2(g) \rightarrow 2CuO(s)}\]

Продукт CuO реагує з сірчаною кислотою, даючи сіль CuSo ₄:

\[\ce{CuO(s) + H2SO4(aq) \rightarrow CuSO4(aq) + H2O(l)}\]

Альтернативні шляхи реакції в зеленій хімії

\[\ce{Fe(s) + H2SO4(aq) \rightarrow H2(g) + FeSO4(aq)}\]

Другим шляхом було б реагувати оксид заліза, FeO, з сірчаною кислотою:

\[\ce{FeO(s) + H2SO4(aq) \rightarrow FeSO4(aq) + H2O(aq)}\]

Яка з цих реакцій була б кращим вибором? Обидва працювали б. Перша реакція генерує елементарний газ Н ₂ як побічний продукт. Це має потенційний недолік, оскільки елементарний водень є дуже вибухонебезпечним та легкозаймистим і може спричинити вибух або пожежу. Але в містилася реакційній посудині, яка дозволяла захоплювати H ₂, елементарний водень може бути використаний як паливо або реагувати безпосередньо в паливному елементі для виробництва електроенергії (Розділ 3.2 та рис. 3.2). Крім того, металобрухт та відходи сірчаної кислоти є загальними матеріалами, які слід переробляти, а синтез FeSo ₄ прямою реакцією двох може підготувати корисний матеріал з двох речовин, що підлягають вторинній переробці.

Друга реакція (5.3.6) також дає потрібний продукт. Єдиним його побічним продуктом є нешкідлива вода. І ніякої небезпеки від елементарного водню немає. В принципі, необхідний FeO можна було б зробити шляхом реагування металобрухту з киснем з повітря.

\[\ce{2Fe + O2 \rightarrow 2FeO}\]

але на практиці реакція має тенденцію виробляти інші оксиди заліза, зокрема Fe ₂ O ₃ і Fe ₃ O ₄.