О.С.ЗАЙЦЕВ

УЧЕБНАЯ КНИГА ПО ХИМИИ

ДЛЯ УЧИТЕЛЕЙ СРЕДНИХ ШКОЛ,
СТУДЕНТОВ ПЕДАГОГИЧЕСКИХ ВУЗОВ И ШКОЛЬНИКОВ 9–10 КЛАССОВ,
РЕШИВШИХ ПОСВЯТИТЬ СЕБЯ ХИМИИ И ЕСТЕСТВОЗНАНИЮ

УЧЕБНИКЗАДАЧНИКЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМНАУЧНЫЕ РАССКАЗЫ ДЛЯ ЧТЕНИЯ

Продолжение. См. № 4–14, 16–28, 30–34, 37–44, 47, 48/2002;
1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23,
24, 25-26, 27-28, 29, 30, 31, 32, 35, 36, 37, 39, 41, 42, 43, 44, 46, 47/2003;
1, 2, 3, 4, 5, 7, 11, 13, 14, 16, 17, 20, 22, 24, 29, 30, 31, 34, 35, 39, 41, 42, 45/2004;
2, 3, 5, 8, 10, 16, 17/2005;
1, 2, 10/2006

§ 8.3. Реакции и равновесия
в растворах комплексных солей

(окончание)

Лабораторные исследования

14. Получение и изучение двойной соли Na₂SO₄•2K₂SO₄•10H₂O.

Смешайте в узком маленьком стакане или большой пробирке 0,1 моль сульфата натрия Na₂SO_4•10H₂O (глауберова соль, мирабилит) и 0,2 моль сульфата калия K₂SO₄ и к этой смеси при перемешивании приливайте небольшими порциями горячую дистиллированную воду до растворения кристаллов и получения насыщенного раствора.

Покажите оценочным (не точным) расчетом, что кристаллы растворятся в горячей воде, если растворимость исходных веществ такова:

Раствор оставьте остывать в темной комнате. При образовании кристаллов двойной соли Na₂SO₄•2K₂SO₄•10H₂O возникают искры, причина которых окончательно не объяснена. Можно предположить, что при образовании зародыша кристалла двойной соли выделяется энергия в виде не теплоты, а видимого света.

Отфильтруйте кристаллы двойной соли Na₂SO₄•2K₂SO₄•10H₂O. Желательно промыть кристаллы спиртом или очень небольшим количеством холодной дистиллированной воды. Высушите кристаллы на фильтровальной бумаге.

Докажите, что образовались кристаллы двойной соли.

Немного сохранившихся кристаллов растворите в воде и докажите (как?), что в растворе присутствуют одновременно ионы калия и натрия.

Составьте план вашего исследования, после чего проверьте, насколько он совпадает с приводимым ниже.

Приготовьте очень небольшие порции растворов Na₂SO₄ и К₂SO₄. Колечко прокаленной в пламени газовой горелки железной проволоки, впаянной в стеклянную палочку, опустите в один из растворов и затем в бесцветное пламя газовой (спиртовой) горелки. Отметьте окраску пламени, которую вы увидите. При изучении второго раствора не забудьте прокаливать проволоку до исчезновения окраски пламени.

Натрий окрашивает пламя в желтый цвет, калий – в фиолетовый.

Теперь проволоку внесите в раствор двойной соли и затем в пламя горелки. Вы заметили изменение окраски пламени? Возможно, вам не удастся заметить изменения окраски пламени при внесении в него двойной соли, т.к. натрий маскирует окраску пламени калием. Чтобы определить калий в присутствии натрия, рекомендуют смотреть на пламя через синее стекло или растворы индикаторов индиго или метилового фиолетового. При этом появляется розово-фиолетовая окраска пламени от калия.

Докажите, что кристаллы содержат молекулы воды. Попытайтесь определить (приближенно) температуру, при которой двойная соль теряет воду (Na₂SO₄•10H₂O обезвоживается при 32 °С). Если в школьной лаборатории есть весы, вы можете определить количество воды в кристаллах двойной соли (это новое научное исследование).

Вы можете провести исследование по определению числа молекул воды в формуле полученной соли.

15. Получение железоаммонийных квасцов и изучение их свойств.

Квасцы – это двойные соли. Формула железоаммонийных квасцов может быть написана двумя способами:

NH₄Fe(SO₄)₂•12H₂O и (NH₄)₂SO₄• Fe₂(SO₄)₃•24H₂O.

Получение железоаммонийных квасцов основано на зависимости растворимости исходных веществ и квасцов от температуры:

Рассчитайте количества (NH₄)₂SO₄ и Fe₂(SO₄)₃, которые требуется взять для получения 10 г двойной соли. Вещества растворите отдельно при нагревании до 60–70 °С в минимальном (как вы это сделаете?) количестве воды. Растворы смешайте. Полученный раствор охладите и отделите (как?) выпавшие кристаллы.

Другой простой способ получения железоаммонийных квасцов: в одной пробирке при нагревании на водяной бане растворите 2 г сульфата железа Fe₂(SO₄)₃ в 1 мл воды, в другой – 1 г сульфата аммония (NH₄)₂SO₄ в 1 мл воды, растворы смешайте и охладите в струе холодной водопроводной воды, кристаллы отделите и высушите на фильтровальной бумаге.

Белые кристаллы NH₄Fe(SO₄)₂•12H₂O при 35 °С приобретают коричневую окраску, при 40 °С плавятся, при 115 °С теряют 11,5 молекулы воды (напишите формулу получающегося соединения, но с целым числом молекул воды) и при 750 °С становятся безводными. Проверьте некоторые из этих данных.

Какова среда раствора этой соли? Предскажите и проверьте опытом.

Докажите, что при растворении двойной соли в воде происходит диссоциация на составляющие соль ионы. Докажите присутствие в растворе ионов Fe³⁺ (или [Fe(Н₂О)₆]³⁺) и SО₄^2–. С реакциями на эти ионы вы знакомы.

Щелочи (гидроксид натрия или калия) при нагревании с солями аммония выделяют аммиак:

NH₄⁺ + OH^– = NH₃ + H₂O.

Поместите в пробирку несколько капель раствора соли, содержащей ион аммония, добавьте несколько капель раствора гидроксида натрия (или калия), подогрейте раствор на водяной бане. Выделяющийся аммиак обнаруживается по запаху или по посинению влажной красной лакмусовой бумажки, а бумажка, смоченная раствором фенолфталеина, краснеет. Бумажки следует держать в самом верху пробирки, остерегаясь попадания на них щелочного раствора. Если же к отверстию пробирки поднести стеклянную палочку, смоченную соляной кислотой, образуется «дым» хлорида аммония.

Нагрейте в пробирке пламенем горелки немного кристаллического NH₄Fe(SO₄)₂•12H₂O. Определите (предположите) состав образовавшейся твердой фазы и выделившихся газов. Напишите уравнение реакции.

16. Получение и изучение малахита.

При сливании растворов сульфата меди и карбоната натрия обычный карбонат меди CuCO₃ не образуется, что объясняют полным гидролизом СuCO₃:

СuCO₃ (кр.) + H₂O = Cu(OH)₂ (кр.) + CO₂ (г.).

Поскольку образования карбоната меди не обнаружено, то уравнение реакции лучше записывать так:

Сu²⁺ + CO₃^2– + H₂O = Cu(OH)₂ (кр.) + CO₂ (г.).

Но и это уравнение не соответствует составу образующегося осадка. При взаимодействии ионов меди с карбонат-ионами осаждаются малорастворимые основные карбонаты, встречающиеся в природе в виде очень красивых минералов – зеленого малахита CuCO₃•Cu(OH)₂ и синего азурита 2CuCО₃•Cu(OH)₂ (используется для получения синей краски). Эти соединения мало растворимы в воде, и их считают двойными солями. Таким образом, образование комплексного соединения приводит к увеличению устойчивости карбоната меди.

Cостав этих соединений зависит от температуры и концентрации растворов. Предскажите условия для получения этих карбонатов. Напишите уравнение реакции разложения малахита при нагревании (выше 220 °С).

Дополнительно скажем, что на меди и ее сплавах (например, бронзе) во влажном воздухе образуется зеленоватая пленка состава, близкого к малахиту Сu(OH)₂•CuCO₃. Известен комплексный карбонат меди K₂[Cu(CO₃)₂]•3H₂O, благодаря образованию которого осадок основных карбонатов меди растворяется в концентрированном растворе карбоната калия. Обработкой основных карбонатов меди диоксидом углерода под давлением и повышенной температуре был получен нормальный карбонат меди CuСО₃. Этот карбонат меди под действием воды быстро превращается в гидроксид меди:

СuСО₃ + Н₂О = Сu(ОН)₂ (кр.) + СО₂ (г.).

Вам предлагается провести два эксперимента.

1. В одном литературном источнике сказано, что при действии на раствор сульфата меди раствором соды образуется гидроксид меди Сu(OH)₂, но при действии раствором гидрокарбоната натрия NаНСО₃ образуется осадок малахита:

2CuSO₄ + 4NaHCO₃ = Сu(OH)₂•CuCO₃ + 2Na₂SO₄ + 3CO₂ + H₂O,

или

2Cu²⁺ + 4HCO₃^– = Сu(OH)₂•CuCO₃ + 3CO₂ + H₂O.

В этом исследовательском эксперименте вам предстоит проверить правильность этого утверждения. Как вы докажете присутствие в осадке карбоната меди? Не забудьте, что осадки следует несколько раз промыть дистиллированной водой.

2. В другом литературном источнике описано приготовление основного карбоната меди, соответствующего составу малахита CuCO₃•Cu(ОН)₂.

В фарфоровой ступке смешайте и разотрите в тонкий порошок 3,1 г медного купороса CuSO₄•5Н₂О и 2,4 г NaНСО₃ (объясните, почему взяты такие количества веществ). Полученную смесь шпателем небольшими порциями высыпайте в стакан с 25 мл очень горячей воды. Новую порцию смеси вносите в раствор после того, как закончится образование пены. После окончания реакции раствор с осадком рекомендуют прокипятить 10 мин. Дайте суспензии отстояться, затем промойте осадок декантацией до прекращения реакции на сульфат-ионы (какой реактив?). Осадок отфильтруйте и высушите (можно при 80–100 °С).

Докажите, что полученное вещество содержит ионы меди и карбонат-ионы.

При температуре около 200 °С вещество чернеет. Что образуется? Растворяется ли вещество в растворах кислот, гидроксида натрия или аммиака? Напишите уравнения тех реакций, которые протекают.

17. Получение и изучение комплекса йода с йодид-ионами.

Йод почти не растворим в воде, но, если кристаллы йода поместить в раствор йодида калия, йод растворяется и раствор быстро приобретает коричневую окраску благодаря образованию комплексных ионов:

I₂ + I^– = [I₃]^–.

Поместите в пробирку с водой кристаллик йода. Тщательно взболтайте жидкость. Растворился йод в воде? Теперь в ту же пробирку положите щепотку кристаллического йодида калия. Как изменилось поведение йода в растворе йодида калия?

Изучите факторы, смещающие равновесие реакции образования [I₃]^– в ту или иную сторону. Если вы обнаружите влияние температуры, предскажите знак теплового эффекта (изменения энтальпии) реакции (реакция образования комплексного иона сопровождается выделением теплоты).

Предложите способы разрушения иона [I₃]^– и проверьте их опытами.

18. Изучение аптечной йодной настойки.

Купите в аптеке пузырек с йодной настойкой для обработки (стерилизации) небольших ран. Это может быть раствор йода в спирте или раствор йода в йодиде калия. Как узнать, какой раствор вы имеете? Если у вас спиртовый раствор, испарите спирт, получите несколько кристалликов йода и сравните его растворимость в воде и в растворе йодида калия.

Если у вас есть раствор йода в водном растворе йодида калия, то вспомните, в виде какого иона йод находится в растворе, и напишите уравнение реакции его образования.

Ответ. Уравнение реакции: I^– + I₂ = I₃^–.

Если у вас раствор с I₃^–, испарите воду из раствора и посмотрите, что останется на часовом стекле (опыт проводите под тягой). Кристаллы какого вещества вы получили? (Какая окраска кристаллов?) Как эти кристаллы относятся к нагреванию? Что остается после нагревания?

Подействуйте на раствор йода раствором гидроксида натрия. Изменилась ли окраска раствора? Каково уравнение реакции?

Ответ. В щелочной среде йод участвует в такой реакции:

I₂ + 2OH^– = I^– + IO^– + H₂O.

Уравнение реакции может быть и таким:

3I₂ + 6OH^– = 5I^– + IO₃^– + 3H₂O.

Уравнение реакции с участием комплексного иона:

3I₃^– + 6OH^– = 8I^– + IO₃^– + 3H₂O.

Йодат-ион – ион йодноватой кислоты. Йодноватая кислота образуется при действии хлора на водный раствор йода:

I₂ + 5Cl₂ + 6H₂O = 2HIO₃ + 10HCl.

Поэтому при приливании хлорной воды к раствору йодида образующаяся вначале окраска йода через некоторое время исчезает. Напишите уравнение реакции с участием иона I₃^–.

Эта же кислота образуется при действии концентрированной азотной кислоты на йод:

I₂ + 10HNO₃ = 2HIO₃ + 10NO₂ + 4H₂O.

Напишите уравнение реакции с участием иона I₃^–.

Йодноватая кислота может быть выделена в виде кристаллов, устойчивых при комнатной температуре.

Прилейте к раствору йода хлорную воду, раствор пероксида водорода. Составьте уравнения реакций с комплексным ионом [I₃]^–.

Ответ. Уравнения реакций приведены без учета того, что йод находится в растворе в форме иона [I₃]^–. Перепишите уравнения с использованием этой формулы.

При добавлении к раствору йода хлорной воды образуются йодноватая и хлороводородная кислоты:

I₂ + 5Cl₂ + 6H₂O = 2IO₃^– + 10Cl^– + 12H⁺.

При окислении йода пероксидом водорода в кислотной среде протекает реакция:

I2 + 5Н₂О₂ = 4Н₂О + 2IO₃^– + 2H⁺.

В аптеке продаются йодные настойки, различающиеся содержанием йода: 5%-я настойка содержит 5 г йода, 2 г йодида калия, 50 мл воды и 50 мл 95%-го спирта; 10%-я настойка – 10 г йода и 95%-го спирта до 100 мл.