Повторите правила техники безопасности при работе в химическом кабинете.
Ни одно действие в лаборатории нельзя выполнять вслепую или наобум поэтому обязательно надевают лабораторные очки и перчатки, работают в хорошо вентилируемом помещении или под тягой, не пробуют вещества на вкус и не нюхают их прямо из пробирки, все реактивы должны иметь этикетки и храниться по группам, при работе с газообразными или летучими продуктами пользуются вытяжным шкафом, острые предметы и горячие тигли держат под контролем, при разливе кислот и оснований немедленно нейтрализуют пролитое и смывают водой, при пожаре или выбросе токсичных газов следуют планам эвакуации и вызывают преподавателя, отходы утилизируют согласно правилам а не в раковину, и в конце работы тщательно моют руки и рабочее место.
1. Докажите, что в сульфате натрия находится примесь хлорида натрия. Напишите уравнение химической реакции в молекулярном, пол-ном и сокращённом ионном виде.
Для пробы растворяют образец в воде и добавляют раствор нитрата серебра AgNO₃. Если в растворе присутствует хлорид натрия появляется белый осадок нитрата серебра хлорида серебра AgCl который не даёт осадка при чистом сульфате натрия. Молекулярное уравнение реакции выглядит так NaCl + AgNO₃ → AgCl↓ + NaNO₃. Полное ионное представление Na⁺ + Cl⁻ + Ag⁺ + NO₃⁻ → AgCl↓ + Na⁺ + NO₃⁻. Сокращённое ионное уравнение демонстрирует сущность реакции Ag⁺ + Cl⁻ → AgCl↓. Появление осадка AgCl является доказательством примеси хлорида.
2. Выданы вещества: кристаллогидрат сульфата меди(II), карбонат магния, гидроксид натрия, железо, соляная кислота, хлорид железа(III). Пользуясь этими веществами, получите: а) оксид железа(III); б) оксид магния; в) медь; г) хлорид магния. Составьте уравнения проведённых вами реакций в молекулярном, полном и сокращённом ионном виде.
Чтобы получить оксид железа(III) берём хлорид железа(III) и осаждаем гидроксид железа(III) осаждение переводим в оксид нагреванием. Молекулярно FeCl₃ + 3 NaOH → Fe(OH)₃↓ + 3 NaCl. Полное ионное представление Fe³⁺ + 3 Cl⁻ + 3 Na⁺ + 3 OH⁻ → Fe(OH)₃↓ + 3 Na⁺ + 3 Cl⁻. Сокращённое ионное уравнение Fe³⁺ + 3 OH⁻ → Fe(OH)₃↓. Дальше при прокаливании 2 Fe(OH)₃ → Fe₂O₃ + 3 H₂O превращается гидроксид в оксид железа(III). Оксид магния можно получить разложением карбоната магния нагреванием или пропусканием через кислоту и осаждением гидроксида с последующим прокаливанием. Самое простое молекулярное уравнение теплового разложения MgCO₃ → MgO + CO₂↑. Ионно это эквивалентно MgCO₃(тв) → MgO(тв) + CO₂(г) а если растворять и действовать кислотой MgCO₃ + 2 HCl → MgCl₂ + H₂O + CO₂↑ и затем из MgCl₂ осаждать гидроксид NaOH → Mg(OH)₂ и прокаливать до MgO. Сокращённая ионная схема для разложения с кислотой SO₃²⁻ и т.д не требуется поскольку тепловое разложение простое. Медь добывают из кристаллогидрата сульфата меди(II) реагированием с железом по реакции замещения железо отдаёт электроны и медь выпадает в металлическом виде. Молекулярно CuSO₄ + Fe → FeSO₄ + Cu↓. Полное ионное представление Cu²⁺ + SO₄²⁻ + Fe → Fe²⁺ + SO₄²⁻ + Cu. Сокращённое ионное уравнение Cu²⁺ + Fe → Fe²⁺ + Cu. Хлорид магния получают действием кислоты на карбонат магния молекулярно MgCO₃ + 2 HCl → MgCl₂ + H₂O + CO₂↑. Полное ионное представление MgCO₃(s) + 2 H⁺ + 2 Cl⁻ → Mg²⁺ + 2 Cl⁻ + H₂O + CO₂↑. Сокращённое ионное уравнение CO₃²⁻ + 2 H⁺ → H₂O + CO₂ и при этом остаётся Mg²⁺ в растворе который в виде MgCl₂ используется далее.
3. В трёх пробирках без надписей даны кристаллические вещества: сульфат натрия, карбонат натрия, хлорид натрия. Опытным путём определите, какое вещество находится в каждой из пробирок. Составьте уравнения соответствующих реакций в молекулярном, полном и сокращённом ионном виде.
Правильная методика состоит в том чтобы поочерёдно брать небольшие пробирки и добавлять кислоты и реактивы. Если в пробирке при добавлении разбавленной соляной кислоты появляется бурление выделяется газ углекислый то это карбонат натрия. Молекулярное уравнение Na₂CO₃ + 2 HCl → 2 NaCl + H₂O + CO₂↑. Полное ионное представление CO₃²⁻ + 2 H⁺ → H₂O + CO₂ даёт сокращённое ионное уравнение. Если при добавлении раствора нитрата серебра AgNO₃ образуется белый осадок AgCl то в пробирке хлорид натрия. Молекулярно NaCl + AgNO₃ → AgCl↓ + NaNO₃, и сокращённо Ag⁺ + Cl⁻ → AgCl↓. Если при добавлении раствора хлорида бария BaCl₂ появляется белый тугоплавкий осадок BaSO₄ то это сульфат натрия. Молекулярно Na₂SO₄ + BaCl₂ → BaSO₄↓ + 2 NaCl, сокращённо Ba²⁺ + SO₄²⁻ → BaSO₄↓. Эти опыты выполняют в малых объёмах под вытяжкой и с соблюдением мер предосторожности.
4. В пробирках даны твёрдые вещества: а) сульфат натрия, сульфид натрия, сульфит натрия; б) карбонат калия, сульфат калия, хлорид аммония; в) сульфат калия, сульфит натрия, карбонат кальция. Опре-делите, в какой пробирке находится каждое из веществ.
Для набора а содержащего сульфат натрия Na₂SO₄ сульфид натрия Na₂S и сульфит натрия Na₂SO₃ удобно использовать действие разбавленной HCl. Сульфид при кислоте выделяет газ сероводород H₂S с характерным запахом и тёмным потемнением бумаги с раствором свинца например. Молекулярно Na₂S + 2 HCl → 2 NaCl + H₂S↑. Сокращённое ионное S²⁻ + 2 H⁺ → H₂S↑. Сульфит даёт при действии кислоты газ SO₂ который потрескивает и имеет резкий запах и обесцвечивает перманганат. Молекулярно Na₂SO₃ + 2 HCl → 2 NaCl + H₂O + SO₂↑. Сокращённое ионное SO₃²⁻ + 2 H⁺ → H₂O + SO₂↑. Сульфат Na₂SO₄ при HCl не выделяет газов и не реагирует заметно с кислотой; для него применяют BaCl₂ и получают нерастворимый BaSO₄. Молекулярно Na₂SO₄ + BaCl₂ → BaSO₄↓ + 2 NaCl и сокращённо Ba²⁺ + SO₄²⁻ → BaSO₄↓. По результатам этих проб можно установить какие пробирки содержат S²⁻ SO₃²⁻ и SO₄²⁻.
5. Осуществите практически следующие превращения: а) CaCO3→CO2→CaCO3→Ca(HCO3)2→CaCl2→AgCl б) CuO→CuSO4→BaSO ↓ CuCl2→Cu(OH)2→CuO. Отчёт о работе выполните в произвольной форме.
а) Превращения начинаю с известного камешка мрамора, то есть карбоната кальция. Беру примерно 5 граммов CaCO₃ и медленно добавляю к нему 50 миллилитров раствора соляной кислоты концентрации около 1 моль на литр. Реакция даёт активное выделение газа углекислого CO₂ и образует раствор хлорида кальция. Молекулярное уравнение выглядит так CaCO₃ + 2 HCl → CaCl₂ + H₂O + CO₂↑. Полное ионное представление H⁺ + H⁺ + Cl⁻ + CaCO₃²⁻ → Ca²⁺ + 2 Cl⁻ + H₂O + CO₂↑, сокращённое ионное уравнение CO₃²⁻ + 2 H⁺ → H₂O + CO₂↑. Наблюдение состоит в бурлении и помутнении, остаток твердого CaCO₃ исчезает по мере реакции. Получили CO₂ в газовой фазе.
Дальше восстанавливаю CO₂ обратно в карбонат кальция, пропуская выделившийся газ через суспензию известкового молока, то есть разбавленного раствора гидроксида кальция. Газ CO₂ реагирует с Ca(OH)₂ и выпадает белый осадок карбоната кальция. Молекулярное уравнение Ca(OH)₂ + CO₂ → CaCO₃↓ + H₂O. Полное ионное уравнение Ca²⁺ + 2 OH⁻ + CO₂ → CaCO₃↓ + H₂O, сокращённое ионное CO₃²⁻ + Ca²⁺ → CaCO₃↓ если считать, что CO₂ сначала превращается в CO₃²⁻ в щелочной среде. Наблюдение белого осадка, который оседает.
Чтобы превратить карбонат в растворимый гидрокарбонат, помещаю небольшой избыток CO₂ в воду с мелкими частицами CaCO₃ и немного помешиваю. В таких условиях образуется растворимый гидрокарбонат кальция по уравнению CaCO₃ + CO₂ + H₂O → Ca(HCO₃)₂. В ионной форме Ca²⁺ + 2 HCO₃⁻ в растворе. Наблюдение отсутствие осадка и прозрачный раствор гидрокарбоната.
Перевожу раствор гидрокарбоната в хлорид кальция простым действием соляной кислоты или концентрированием с выделением CO₂. Практически пишу Ca(HCO₃)₂ + 2 HCl → CaCl₂ + 2 H₂O + 2 CO₂↑. Сокращённое ионное уравнение HCO₃⁻ + H⁺ → H₂O + CO₂↑. После удаления газа остаётся раствор CaCl₂, который можно выпарить для получения твёрдого CaCl₂ или оставить в растворе для дальнейшей реакции.
Последний шаг получение хлорида серебра AgCl выполняю добавлением к раствору CaCl₂ эквивалентного количества раствора нитрата серебра AgNO₃. Молекулярное уравнение CaCl₂ + 2 AgNO₃ → 2 AgCl↓ + Ca(NO₃)₂. Полное ионное представление Ca²⁺ + 2 Cl⁻ + 2 Ag⁺ + 2 NO₃⁻ → 2 AgCl↓ + Ca²⁺ + 2 NO₃⁻, сокращённое ионное уравнение Ag⁺ + Cl⁻ → AgCl↓. Наблюдение появления белого творожистого осадка AgCl, чувствительного к свету, при дневном свете и частично темнеющего при длительном воздействии света.
Краткие замечания по технике безопасности и утилизации реактивов. Все работы с кислотами и щелочами выполнять в вытяжном шкафу или под тягой, носить защитные очки и перчатки. Газ CO₂ удалять в вытяжку, AgCl собирать как твёрдый отход и сдавать для утилизации как серебросодержащие отходы, не сбрасывать в канализацию. Растворы солей кальция и нитратов удалить по правилам школы или лаборатории.
б) Второй набор превращений начинаю с оксида меди(II) чёрного порошка CuO. Для получения сульфата меди растворяю CuO в разбавленной серной кислоте под нагреванием. Молекулярное уравнение CuO + H₂SO₄ → CuSO₄ + H₂O. В результате раствор окрашивается в ярко-синий цвет характерной меди сернокислой соли. Полное ионное уравнение CuO + 2 H⁺ + SO₄²⁻ → Cu²⁺ + SO₄²⁻ + H₂O, сокращённо CuO + 2 H⁺ → Cu²⁺ + H₂O если выделять ионы меди.
Для осаждения сульфата бария добавляю к полученному раствору CuSO₄ насыщенный раствор хлорида бария BaCl₂. Молекулярное уравнение CuSO₄ + BaCl₂ → BaSO₄↓ + CuCl₂. Сокращённое ионное уравнение Ba²⁺ + SO₄²⁻ → BaSO₄↓. Наблюдение появления тонкого белого осадка BaSO₄, который не растворим в разбавленных кислотах, и при этом в растворе остаётся хлорид меди CuCl₂, дающий зелёно-голубую окраску при подходящей концентрации.
Далее от хлорида меди переход к гидроксиду меди(II) осуществляю добавлением раствора гидроксида натрия или аммиака. Молекулярное уравнение CuCl₂ + 2 NaOH → Cu(OH)₂↓ + 2 NaCl. Сокращённое ионное уравнение Cu²⁺ + 2 OH⁻ → Cu(OH)₂↓. Наблюдение голубовато-зелёного осадка гидроксида меди(II) который при прокаливании превращается в чёрный оксид меди CuO по уравнению Cu(OH)₂ → CuO + H₂O. Таким образом последовательность возвращает нас к исходному оксиду меди.
Для полноты отчёта даю также полные ионные представления ключевых шагов. При растворении CuO в H₂SO₄ образуется Cu²⁺ + SO₄²⁻ в растворе. Добавление Ba²⁺ переводит SO₄²⁻ в BaSO₄ осадок, оставляя Cu²⁺ превращённым в CuCl₂ после введения Cl⁻. Добавление OH⁻ даёт твёрдый осадок Cu(OH)₂, и прокаливание даёт CuO.
Наблюдения и качественные характеристики. CuO чёрный порошок, раствор CuSO₄ ярко-синий, при добавлении BaCl₂ белый труднорастворимый осадок BaSO₄, при добавлении NaOH голубовато-зелёный осадок Cu(OH)₂, при нагревании осадок темнеет до чёрного CuO. Запахов и газов при описанных реакциях, кроме CO₂ в первой серии, нет.