Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки РФ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

"Новосибирский государственный педагогический университет"

Институт естественных и социально - экономических наук

Кафедра химии

Курсовая работа

по неорганической химии

Бромоводород. Лабораторное получение бромоводорода

Выполнил студент группы 140

Тушканова А.М.

Научный руководитель

к.х.н., доц. каф. хим. НГПУ А.Ф. Марков

Новосибирск

Содержание

• Введение
• 1. История открытия и производства
• 2. Нахождение в природе
• 3. Свойства бромоводорода
• 3.1 Особенности строения и физические свойства
• 3.2 Химические свойства
• 4. Экспериментальная часть
• 4.1 Оборудование
• 4.2 Получение бромоводорода
• 5. Другие методы получения бромоводорода
• 6. Применение
• Заключение
• Список литературы

Введение

За последнее десятилетие появилось значительное число публикаций, освещающих отдельные аспекты химии и технологии брома и его соединений.

Бром - один из самых редких в земной коре элементов. В свободном виде в природе он не встречается. Поэтому налажено столь масштабное производство брома и его соединений, в том числе бромоводорода и бромидов. Этот элемент входит в такие соединения, как бромид натрия, магния, калия. Собственные минералы брома - эмболит и бромаргирит - весьма редки. Соответственно производство бромоводорода должно быть с максимальным выходом продуктов. Что и будет представлено в данной работе.

Бромоводород не только широко применяют для синтеза органических веществ, но и для использования в фармакологии. Активная деятельность человека вызывает неуклонное возрастание потребления брома и его соединений, а так же все больше влияет на круговорот этого элемента в природе.

Данная работа посвящена изучению самого важного соединения брома - бромоводорода. Будут представлены свойства и строения этого вещества, получение и применение. Это даст возможность оценить значимость бромоводорода не только в жизни человека, а и в науке в целом.

1. История открытия и производства

В 1825 г. А.-Ж. Балар при обработке соляного рассола КВr смесью пиролюзита и H₂SО₄ открыл и выделил элементный бром. Конечно, окрашенный раствор в бурый цвет имел так же в своем составе бромоводород. За это время бром и его соединения получили много важных практических приложений.

Промышленное производство брома и его соединений началось в середине XIX в. Тогда же начали активно использовать бромиды и они активно исследовались академиком Павловым и его учениками.

Еще в тридцатых годах XIX в. бром был обнаружен в рапе многих соляных озер России (Сакское, Эльтон, Индер). Однако первый бромный завод был построен на Сакском соляном промысле только в 1917 г. Широко развиваться бромная промышленность начала только при советской власти.

На первых бромных заводах в СССР (Сакский и Перекопский) жидкий бром получали по паровому способу, используя для этого рассолы с высоким содержанием брома (естественную или сконцентрированную озерную рапу). В дальнейшем в различных районах страны было построено несколько заводов, где бром (в виде бромистого железа) начали получать по воздушному способу из озерных и подземных рассолов и щелоков калийного производства. Бромистое железо используется в дальнейшем в качестве исходного продукта для получения всевозможных бромистых соединений.

2. Нахождение в природе

В чистом виде бромоводород в природе не встречается. Он может образовываться за счет сложных процессов и при высоком содержании бромидов в морской воде или воде соленых озер.

Бром находится в морской воде в виде иона Вr^-. При расчете солевого состава морской воды принимают, что бром связан с магнием (MgBr₂) или (реже) с калием (КВr). Среднее содержание брома в морской воде при ее солености 3,5% равно 66 г/м³. Всего в мировом океане содержится около 10¹⁴ т брома.

Одной из основных характеристик морской воды является отношение содержания хлора к содержанию брома. Для мирового океана оно равно 293. Для пресных вод это отношение значительно выше, поэтому и для окраинных морей, куда поступает большое количество поверхностных вод, оно имеет также более высокое значение. Для изолированных водоемов, таких, например, как Каспийское или Аральское море, это отношение еще выше.

Бром является постоянным спутником хлора; он содержится в рапе многих соляных озер. Концентрация брома в рапе соляных озер может достигать значительных величин, поэтому рапа многих озер представляет собой ценное сырье для добычи брома.

В процессе концентрирования морской воды бром накапливается в жидкой фазе и переходит в твердую фазу только при кристаллизации калийных солей. Наиболее богатыми бромом калийными минералами являются карналлит (KCl-MgCl₂-6H₂0) и сильвин (КСl). Бром содержится в них в виде изоморфной примеси.

Эти минералы редко встречаются в отложениях в чистом виде, так как они кристаллизуются совместно с другими солями, в первую очередь с хлористым натрием, образуя карналлитовую и сильви-нитовую породы. Редкие минералы представлены бромаргиритом AgBr (42,6% Br), иодобромитом 2AgCL *2AgBr-AgJ (17,8% Br) и имеющим переменный состав эмболитом Ag (CI, Br).

3. Свойства бромоводорода

3.1 Особенности строения и физические свойства

В таблице 1. и таблице 2. представлены особенности строения атома брома и бромоводорода соответственно.

Таблица 1. Особенности строения брома

Таблица 2. Свойства и особенности строения бромоводорода

В бромоводороде осуществима ковалентная связь за счет неспаренного электрона водорода и неспаренного электрона в броме.

Рис. 1. Строение молекулы бромоводорода.

В данном случае форма молекулы асимметрична, то есть молекула полярна. Полярность несимметричной по форме молекулы вытекает из полярности ковалентных связей между атомами элементов с разной электроотрицательностью.

Бромистый водород и его водный раствор - бромистая кислота, относятся к числу наиболее важных бромирующих средств. Оба они являются весьма реакционноспособными веществами и могут быть использованы как сырье для получения большого количества полезных соединений брома, как органических, так и неорганических.

Бромистый водород представляет собой бесцветный газ с резким запахом и кислым вкусом, конденсирующая в жидкость с температурой кипения -67^оС и температурой затвердевания -84 ^оС. При сильном нагревании бромистый водород подвергается термической диссоиации на 1,1% при 1200 ^оС, проявляя большую устойчивость, чем HI, но меньшую, чем HCl. Растворимость HBr в воде очень велика: 600 объемов в 1 объем воды при 0 ^оС, при низких температурах образуется несколько кристаллогидратов: HBr*4H2O с t _пл. = -56 ^оС, HBr*3H2O с t _пл. = -48 ^оС, HBr*2H2O с t _пл. = -11,3^оС и HBr*H2O, который под давлением 1 атм разлагается при температуре -28,5 ^оС. Водный раствор бромистого водорода носит название бромистоводородной кислоты.

С водой бромистый водород образует азеотропную смесь; она содержит 47,6% НВr и кипит при 124,3° (760 мм рпг. ст.).

Бромистоводородная кислота может быть получена в любых концентрациях, примерно до 70%-ой, но промышленностью она поставляется обычно с содержанием в растворе 34, 40, 48 или 62% бромистого водорода. Например ее водный азеотроп при 760 мм рпг. ст. кипит при 124,3°С и содержит 47,6% НВr. По силе восстановительных свойств эта кислота занимает промежуточное положение между йодоводородной и соляной. Чистая кислота не проводит электрический ток, и в отсутствии воды при обычной температуре очень мало реакционноспособна. В твердом состоянии образует молекулярную решетку. Кристаллизуется выше 98^оС, соответственно 111^оК - в кубической гранецентрированной решетке, при более низкой температуре - в ромбической решетке, с выше 119^оК HBr существует в три модификации с достаточно сложной решеткой. В водных растворах почти нацело диссоциирована и хорошо проводит электрический ток. Бромистоводородная кислота (реактив), выпускаемая промышленностью, должна отвечать требованиям ГОСТ 2062- 43. Продукт марки "чистый для анализа" и "чистый" должен содержать не менее 40% НВr и примесей не более, чем 0,6 %.

3.2 Химические свойства

1. Водный раствор бромистого водорода образует сильную одноосновную кислоту:

HBr + H₂O - Br^- + H₃O⁺ pK = -9

2. Термически HBr очень устойчив, при температуре 1000 °C разлагаются около 0,5 % молекул:

2HBr - H₂ + Br₂

3. Как кислота реагирует с металлами, их оксидами, основаниями:

2HBr + Mg > MgBr₂ + H₂^

2HBr + CaO > CaBr₂ + H₂O

HBr + NaOH > NaBr + H₂O

4. Является восстановителем, медленно окисляется на воздухе, из-за чего водные растворы, со временем, окрашиваются в бурый цвет:

4HBr + O₂ > 2Br₂ + 2H₂O

5. Восстанавливает концентрированную серную кислоту:

HBr + H₂SO₄ > Br₂ + SO₂ +2H₂O

4. Экспериментальная часть

4.1 Оборудование

- Воронка Бюхнера

- Холодильник Либиха

- Водяная баня

- Фильтровальная бумага

- Плоскодонные колбы на 200 и 250 мл

- Круглодонная колба на 500 мл

- Мерные пипетки на 20 и 50 мл

- Градусник водяной

Реактивы:

- Серна кислота H₂SO₄, концентрированная 96,5 %

- Бромид калия KBr

- Дистиллированная вода

4.2 Получение бромоводорода

Получение НВr обработкой бромидов серной кислотой.

При обработке бромидов 30-40%-ной серной кислотой получают бромистоводородную кислоту. В случае применения более концентрированной серной кислоты бромистый водород разлагается; это можно предотвратить, добавляя в реакционную смесь хлористое олово или другой восстановитель. Разложения бромистого водорода можно избежать путем строгого соблюдения соответствующего соотношения между бромидом и водой и правильного дозирования серной кислоты. При этом способе удобно пользоваться бромидами металлов, которые образуют нерастворимые сернокислые соли.

Методика

К 200 мл воды прибавляют 120 г измельченного бромида калия. Сосуд помещают в холодную воду, затем прибавляют 90 мл концентрированной серной кислоты, с такой скоростью, чтобы не образовывался свободный бром. Температура не должна подниматься выше 75°. Образование небольших количеств брома не особенно мешает, так как он перегоняется вместе с фракцией, кипящей при температуре от 100 до 115°. После прибавления серной кислоты раствор охлаждают до комнатной температуры и кислый сернокислый калий отфильтровывают на воронке Бюхнера через толстую фильтровальную бумагу. Фильтрат наливают в перегонную колбу емкостью 500 мл с холодильником и нагревают на проволочной сетке. Если примесь 0,01-0,015% сульфат-иона несущественна, то собирают дистиллят, начинающий перегоняться на 1° ниже температуры кипения постоянно кипящей смеси. Перегонку прекращают в тот момент, когда температура начинает падать. Удельный вес раствора не является постоянным, так как состав дистиллята изменяется в зависимости от атмосферного давления.

5. Другие методы получения бромоводорода

Газообразный бромистый водород может быть получен несколькими способами.

Получение НВr из элементов. При комнатной температуре бром не взаимодействует с водородом. Реакция начинается лишь при температуре около 200°, но и при 300° она еще идет медленно. При температуре красного каления реакция сопровождается выделением желтовато-зеленого пламени и может протекать со взрывом. В присутствии катализаторов, а также на свету реакция ускоряется. Механизм реакции брома с водородом носит цепной характер. бромистый водород горелка фосфор

Процесс получения бромистого водорода из элементов осуществляют путем сжигания водорода в парах брома в колонне, снабженной специальной горелкой. Смесь газов можно также пропускать через платиновую сетку (при 700-800°), платинированный асбест (при 200-300°) или древесный уголь (при 600° и выше). Бромоводородную смесь, необходимую для синтеза бромистого водорода, получают, пропуская тщательно очищенный от кислорода водород через жидкий бром. Состав газовой смеси регулируют путем изменения температуры брома и скорости подачи водорода. Для того чтобы исходные вещества полностью превратились в бромистый водород, в смеси должен быть избыток водорода.

Получение НВr из брома и воды в присутствии красного фосфора. Этот метод основан на взаимодействии фосфора с бромом и последующем гидролизе трехбромистого фосфора:

2Р + ЗВr₂ = 2РВr₃

РВr₃ + ЗН₂O = Н₃РO₃ + ЗНВr

Красный фосфор должен быть предварительно очищен от примеси желтого фосфора путем кипячения с едкой щелочью (раствор 400-500 г/л); при этом желтый фосфор реагирует со щелочью по следующему уравнению:

4Р + ЗКОН + ЗН₂O = РН₃ + ЗКН₂РO₂

Обработка фосфора щелочью сопровождается образованием чрезвычайно ядовитого фосфористого водорода, поэтому при очистке фосфора необходимо соблюдать меры предосторожности. Очищенный фосфор нейтрализуют кислотой (Н ₃РO₄ или НВr), отмывают водой от кислоты и сушат. После этого его используют для получения бромистого водорода.

Реакцию получения НВr проводят в реакторе (стеклянном или фарфоровом), снабженном рубашкой для охлаждения водой. Во избежание потерь брома температура в реакторе не должна быть выше 20-25°. Для смягчения условий проведения процесса мелко измельченный фосфор смешивают с песком, затем его загружают в реактор, заливают воду и после этого (под воду) подают точно определенное количество брома. Скорость подачи брома зависит от того, насколько хорошо охлаждается реактор. После введения примерно половины рассчитанного количества брома скорость его подачи может быть увеличена вдвое.

Выделившийся в реакторе бромистый водород очищают от паров брома в аппарате, заполненном отрезками стеклянных трубок или какой-либо другой насадкой и влажным фосфором, а от мышьяка - в барботажном аппарате, заполненном бромистоводородной кислотой. Очищенный бромистый водород поглощают водой.

Получение НВr из брома и паров воды в присутствии восстановителей. В качестве восстановителей для этой реакции можно применять железо в виде стружки или уголь.

Процесс получения бромистого водорода в присутствии железной стружки ведут на воздухе при температуре около 400°. Концентрация получаемой кислоты не превышает 21%.

К числу восстановителей, в присутствии которых можно получать бромистый водород из брома и воды, относятся сероводород и сернистые соединения:

2H₂S + 3Br₂ = S₂Br₂ + 4HBr

BaS + 4Br₂ + 4Н₂О = BaSО₄ + 8HBr

а также сернистый газ или сернистая кислота. Если эти реакции проводить в присутствии избытка воды, то можно получить бромистоводородную кислоту желаемой концентрации. Бромистоводородная кислота получается также в процессе перегонки смеси ее с серной кислотой, образующейся при поглощении брома из бромо-воздушной смеси с помощью сернистого газа.

Получение НВr из брома и органических веществ. Для этой цели лучше всего пользоваться тетрагидронафталином. При этом следует учитывать, что половина брома расходуется на образование тетрабромтетрагидронафталина:

С₁₀Н₁₂ + 4Вr₂ = С₁₀Н ₈Вr₄ + 4НВr

Получение НВr из бромного железа. Для получения бромистого водорода бромное железо обрабатывают паром при 350- 380°. Регулируя количество подаваемого воздуха, можно достигнуть больших скоростей реакции, полного разложения бромного железа и, следовательно, увеличения концентрации бромистого водорода.

Полученный описанными способами бромистый водород растворяют в воде.

6. Применение

Бромоводород используют для создания (синтеза) различных органических производных брома и для приготовления бромидов различных металлов. Его так же применяют главным образом для лабораторных работ, в производстве чистых солей и некоторых медикаментов.

В общей сложности бромистые соединения применяют главным образом (около 90% всей мировой выработки брома) в производстве антидетонаторов для моторных топлив. В состав так называемой "этиловой жидкости", добавляемой к автомобильным и авиационным бензинам для повышения их детонационной стойкости, вводят тетраэтилсвинец и галоидированные углеводороды. При взаимодействии с последними свинец, выделяющийся при сгорании топлива, содержащего тетраэтилсвинец, переходит в летучие галоидные соединения, которые выносятся из двигателя с выхлопными газами. Если в бензин не добавлять галоидных соединений, то при сгорании тетраэтилсвинца образуется окись свинца, которая отлагается на деталях двигателя, что приводит к быстрому выходу двигателя из строя. Необходимо отметить, что для указанной цели лучше применять бромистые соединения, чем хлористые.

Бромпроизводные применяются для тушения пожаров в электро- и радиоаппаратуре. Из неорганических соединений: бромид лития применяется в абсорбционных холодильных машинах и установках для кондиционирования воздуха, бромид кальция - для приготовления тяжелых жидкостей, используемых при бурении нефтяных и газовых скважин.

Неорганические соединения брома интересны как катализаторы органических реакций и гидрофилизаторы текстильных волокон; их применяют в качестве добавок к светочувствительным фотографическим эмульсиям, лазерам и в качестве оптических материалов для ИК-спектроскопии.

Заключение

Как видно из изложенного материала работы бромоводородная кислота представляет большую сферу, как производства, так и применения. Причем в больших масштабах.

Хоть бромоводорода нет в чистом виде в природе, но его производство набрало больших темпов за счет широкого применения в медицине и химической промышленности. По сути, основываясь на бромоводород можно получить почти любой бромид. Так же за счет особенности строения он пользуется успехом в синтезе органических соединений, что не маловажно для науки.

Хотелось бы подметить, что получение бромоводорода можно было связать с производством фосфора. Или же сам бромоводород с производством аммиака для получения бромид аммония.

Конечно, производство как бромоводорода так и некоторых бромидов имеет весьма опасных характер, так как применяются такие вещества как аммиак, сероводород, серная кислота, фосфор и т.д. Наверняка поэтому многие методы получения бромпроизводных убрали из производства.

Несмотря на все преимущества и недостатки получения бромоводорода, а так же на незначительное и редкое нахождение в природе данное соединение достойно особого внимания. Это объясняется широким применением в области фармакологии, медицины, ветеренарии, нефтяной промышленности, пожарном деле, холодильной промышленности, катализе, синтезе органических соединений, текстильной промышленности, в кино- и фотографии.

Для качественного и безопасного получения бромоводорода необходимо в первую очередь найти методы получения с применением наиболее безопасных веществ. Осуществить как можно лучшую очистку от примесей продуктов производства для повышения качества бромоводорода и бромидов. А так же найти не только дополнительные источники для производства этих веществ, кроме минералов, но и более широкое применение, за счет которого увеличится спрос потребления.

Список литературы

1. Ахметов И.С. Общая и неорганическая химия. М.: "Высшая школа", 1998

2. Глинка Н.Л. Общая химия. - Л.: Химия, 2003.

3. Ксензенко В.И., Стасиневич Д.С. Химия и технология брома, иода и их соединений: Учебное пособие для вузов. 2-е изд. перераб. и дол. -М.: "Химия". 1995. - 432 с.

4. Ксензенко В.И., Стасиневич Д.С. Технология брома и иода: Под редакц. Уразова Г.Г. - М.: ГНТИХЛ. 1960. - 304 с.

5. Неорганическая химия: В 3 т. / Под ред. Ю.Д. Третьякова. Т. 2: Химия непереходных элементов: Учебник для студ. высш. учеб. заведений / А.А. Дроздов, В.П. Зломанов, Г.Н. Мазо, Ф.М. Спиридонов. - М.: Издательский центр "Академия", 2004. - 368 с.

6. Полянский Н.Г. Аналитическая химия брома: М.: "Наука". 1980. - 247 с.

7. Рабинович В.А., Хавин З.Я. Краткий химический справочник. - Л.: Химия, 1977.

8. Угай Я.А. Общая и неорганическая химия: Учеб. для вузов. 2-е изд., испр. - М.: Высш. шк., 2000 - 527 с.

Размещено на Allbest.ru