Занятие 8. Химия углерода и кремния

Опыт 1. Горение угля в расплаве нитрата калия.

Реактивы. Кристаллический нитрат калия KNO₃, углерод C (древесный уголь).

Посуда и приборы. Кварцевая чашка диаметром 60-80 мм, щипцы, штатив с кольцом, газовая горелка, фарфоровая чашка с песком, белый экран.

Описание опыта. Насыпают в кварцевую чашку на 1/3 объема нитрат калия, ставят ее на кольцо штатива и расплавляют соль при помощи газовой горелки (нитрат калия плавится при 334⁰С). Кусочек угля берут щипцами, зажигают в пламени газовой горелки и опускают в расплав. Кварцевую чашку с помощью щипцов ставят в фарфоровую чашку с песком и наблюдают, как уголек, попав на поверхность расплава, энергично сгорает с потрескиванием:

C + 2KNO₃ = CO₂ + 2KNO₂

Для большей наглядности опыта за чашкой помещают белый экран и гасят свет в аудитории.

Примечание. Горящий уголь может быть выброшен из чашки, поэтому не следует над ней наклоняться. Глаза необходимо защитить очками.

Исторические сведения. Эта реакция впервые была описана в сочинениях немецкого алхимика-епископа Альберта Великого (1193-1280), который много занимался поисками зажигательных составов и смесей. В 1247 г. об этом писал также английский ученый, философ и алхимик Роджер Бэкон (1214-1292).

Опыт 2. Получение диоксида углерода в аппарате Киппа.

Реактивы. Дробленый мрамор – карбонат кальция CaCO₃, разбавленная (1:1) хлороводородная кислота HCl, концентрированная серная кислота H₂SO₄.

Посуда и приборы. Аппарат Киппа, две склянки Тищенко, стеклянная чаша и цилиндр с пришлифованной пластинкой для сбора углекислого газа, резиновые трубки, лучинки.

Описание опыта. Для получения углекислого газа аппарат Киппа следует сначала проверить на герметичность и сохранность вкладыша, представляющего собой стеклянный конус с рифленой боковой поверхностью. Вкладыш свободно пропускает кислоту, но задерживает мелкие зерна мрамора. После проверки снимают предохранительную воронку, вынимают пробку с газоотводной трубкой и загружают в средний резервуар кусочки мрамора. Через воронку наливают в аппарат кислоту в таком количестве, чтобы средний резервуар был заполнен на половину. При этом начинается выделение углекислого газа в результате реакции:

CaCO₃ + 2HCl = CaCl₂ + CO₂↑ + H₂O

Кран на газоотводной трубке держат открытым 5 – 8 мин, чтобы вытеснить воздух из аппарата Киппа выделяющимся диоксидом углерода, затем этот кран закрывают. Кислород под давлением все еще образующегося диоксида углерода вытесняется через вкладыш и нижний резервуар в воронку, освобождая кусочки мрамора. Реакция постепенно затухает. Чтобы воспрепятствовать выделению аэрозоля хлороводорода в аудиторию, аппарат закрывают предохранительной воронкой, заполненной небольшим количеством воды. Для получения углекислого газа открывают кран. Этот же кран регулирует количество выделяемого диоксида углерода. Скорость подачи газа определяют, следя за прохождением пузырьков через склянку Тищенко, наполненную водой, улавливающей аэрозоль хлороводорода. Вторую склянку Тищенко заполняют концентрированной серной кислотой для осушки газа. Диоксид углерода собирают для опытов в цилиндр, наполненный водой, опущенный в чашку с водой и удерживаемый в вертикальном положении кольцом штатива (растворимость диоксида углерода в воде невелика, поэтому можно собирать его над водой). После заполнения цилиндра газом его закрывают под водой стеклянной пластинкой и вынимают из чашки. Затем, перевернув цилиндр, зажигают лучинку, сдвигают пластинку и медленно опускают горящую лучинку в цилиндр. Лучинка гаснет: диоксид углерода не поддерживает горение.

Исторические сведения. Природу диоксида углерода – «лесного газа» - первым установил в 1620 г. голландский врач и алхимик Иоганн Баптист Ван Гельмонт (1579-1644). Он получал углекислый газ действием кислот на мел и известняк. Аппарат для получения газов изобрел в 1853 г. голландский химик и аптекарь Петер Якоб Кипп (1808-1864).

Опыт 3. Тушение пламени диоксидом углерода.

Реактивы. Мрамор (карбонат кальция) CaCO₃, разбавленная (1:4) хлороводородная кислота HCl для аппарата Киппа.

Посуда и приборы. Аппарат Киппа для получения диоксида углерода, стеклянный цилиндр или высокий стакан емкостью 3-5 л, изогнутая «лесенкой» медная, латунная или алюминиевая пластинка толщиной 1-2 мм и шириной 20-30 мм, с глубиной ступеньки 30-40 мм, высотой ступенек 40-50 мм и их общим числом не более пяти (высота всей конструкции должна позволять помещать ее в стакан или цилиндр – так, чтобы свеча, установленная на верхней ступеньке, выступала за край стакана); маленькие парафиновые или стеариновые свечи или огарки свечей.

Описание опыта. В цилиндр или стакан опускают «лесенку» с установленными на ее ступеньках горящими свечами, а потом туда же опускают трубку, подводящую диоксид углерода от аппарата Киппа. При подаче сильного тока углекислого газа он постепенно заполняет цилиндр, вытесняя воздух (диоксид углерода в полтора раза тяжелее воздуха). Горящие свечи гаснут одна за другой по мере наполнения цилиндра диоксидом углерода; остается гореть только самая верхняя, выступающая из цилиндра.

Примечание. «Лесенку» можно изготовить из проволоки (медной или алюминиевой) толщиной 3-4 мм. Другой вариант демонстрации этого опыта – установка на дно цилиндра кружка картона с несколькими свечами разной высоты, одна из которых выступает за верхний край сосуда.

Исторические сведения. Английский философ и монах Роджер Бэкон (1214-1292) в 1260 г. обнаружил, что горение веществ в закрытых сосудах прекращается из-за отсутствия воздуха.

Опыт 4. Взаимодействие диоксида углерода с гидроксидом калия.

Реактивы. Твердый гидроксид натрия NaOH или гидроксид калия KOH, газообразный диоксид углерода CO₂ из аппарата Киппа или из баллона.

Посуда и приборы. Аппарат Киппа для получения диоксида углерода, круглодонная колба с резиновой пробкой, штатив с кольцом, чаша с водой, щипцы, резиновые перчатки.

Описание опыта. На горло колбы надевают кольцо штатива, чтобы удержать ее в вертикальном положении, опускают в колбу почти до ее дна стеклянную трубку, соединенную шлангом с аппаратом Киппа или газовым баллоном с диоксидом углерода. Пропускают в колбу углекислый газ, проверяя достаточность ее наполнения горящей лучинкой. Надев резиновые перчатки, с помощью щипцов быстро бросают в колбу несколько гранул (или кусков) гидроксида натрия или гидроксида калия, заранее подготовленных к работе, и закрывают колбу резиновой пробкой. Осторожно встряхивают колбу с гидроксидом натрия или калия и диоксидом углерода в течение 2-3 мин, а затем погружают горло колбы в чашу с водой и открывают пробку. Вода тут же заполняет колбу почти целиком. Реакцию

2NaOH + CO₂ = Na₂CO₃ + H₂O

можно обнаружить не только по подъему воды вследствие поглощения щелочью углекислого газа и образовавшегося вакуума в колбе, но и по появлению на стенках колбы капелек воды и разогреванию колбы. Расплавленный воск, нанесенный на дно колбы (снаружи), стекает по ее стенкам.

Исторические сведения. Впервые сведения о характере взаимодействия диоксида углерода с гидроксидами натрия и калия были опубликованы в 1852 г. немецким ученым – минералогом и кристаллографом Густавом Розе (1798-1873).

Опыт 5. Получение монооксида углерода из муравьиной кислоты.

Реактивы. Муравьиная кислота HCOOH (плотность 1,2 г/мл), концентрированная серная кислота H₂SO₄, водный (8-10%-ный) раствор гидроксида натрия NaOH.

Посуда и приборы. Колба Вюрца емкостью 200-300 мл с капельной воронкой, пробирка, два штатива, лапка и два кольца с муфтами, склянка Тищенко, чашка и 2-3 цилиндра с пришлифованными стеклянными пластинками, газовая горелка или спиртовка, асбестированная сетка, лучинки.

Описание опыта. Заранее собирают установку для опыта, закрепляя на кольце с асбестированной сеткой и в лапке штатива колбу Вюрца. Наполняют склянку Тищенко раствором гидроксида натрия NaOH, а цилиндр и стеклянную чашку – водой, надевают на цилиндр кольцо штатива. Наливают в колбу на ¼ ее объема серную кислоту. Затем в колбу осторожно опускают пробирку и вставляют капельную воронку так, чтобы ее ножка вошла в пробирку на ¾ ее длины (пробирка нужна для предотвращения выброса монооксида углерода через капельную воронку). В капельную воронку наливают 15 – 20 мл муравьиной кислоты. Помещают установку под вытяжной зонт демонстрационного стола. Нагревают колбу Вюрца на небольшом пламени до 50-80⁰С, убирают горелку из-под колбы и по каплям добавляют к серной кислоте в колбе муравьиную кислоту из капельной воронки. Тотчас же начинается выделение монооксида углерода:

HCOOH = CO↑ + H₂O

Серная кислота действует как мощное водоотнимающее средство. Об интенсивности выделения газа судят по скорости прохождения его пузырьков через склянку Тищенко. Сначала монооксид углерода вытесняет весь воздух из установки; наличие примеси воздуха в собираемом газе устанавливают, собирая его в небольшую пробирку, заполненную водой, и поджигая. Если при этом происходит небольшой хлопок, в газе есть примесь воздуха. Бесшумно сгорающий при пробе монооксид углерода не содержит примесей. Чистый газообразный продукт – монооксид углерода направляют в цилиндр. Если интенсивность выделения газа падает, то колбу снова подогревают. Чтобы закончить получение монооксида углерода, газоотводную трубку вынимают из воды, закрывают кран капельной воронки, убирают горелку, а на колбу кладут влажную фильтровальную бумагу. Цилиндр с собранным газом закрывают под водой стеклянной пластинкой, вынимают из чаши с водой, ставят на стол и, сдвинув пластинку, поджигают газ, который горит спокойным синим пламенем:

2CO + O₂ = 2CO₂; ∆H⁰₂₉₈ = -565 кДж

Сжигают и остальной газ, собранный при завершении опыта (монооксид углерода – «угарный газ» - ядовит). Если в цилиндр во время горения монооксида углерода вливать по стенке воду из стакана, то язык пламени будет все время виден над отверстием сосуда.

По окончании опыта ставят зажимы на резиновые трубки.

Примечание. Данный опыт требует наличие хорошей вытяжной вентиляции.

Исторические сведения. О существовании монооксида углерода впервые узнал в 1799 г. английский химик Джозеф Пристли (1733-1804), а муравьиную кислоту открыл в 1749 г. немецкий химик Андреас Сигизмунд Маргграф (1709-1782).

Опыт 6. Взаимодействие монооксида углерода с дихроматом калия.

Реактивы. Водный (5-10%-ный) раствор дихромата калия K₂Cr₂O₇, разбавленная (1:5) серная кислота H₂SO₄, разбавленный (5%-ный) водный раствор нитрата ртути (II) Hg(NO₃) ₂, монооксид углерода CO, полученный как в опыте 5.

Посуда и приборы. Установка для получения монооксида углерода, склянка Дрекселя, капельница для раствора нитрата ртути (II), белый экран.

Описание опыта. Склянку Дрекселя на ½ ее объема заполняют раствором дихромата калия. Подкисляют его серной кислотой и добавляют 5-6 капель раствора нитрата ртути (II), который будет выступать в роли катализатора окислительно-восстановительные реакции. Присоединяют склянку Дрекселя к склянке Тищенко для пропускания монооксида углерода, а на выходе из склянки Дрекселя подводят резиновую трубку под цилиндр, заполненный водой, для сбора неизрасходованного в реакции газа. Пропускают умеренный ток монооксида углерода и наблюдают, как раствор в склянке Дрекселя постепенно меняет свой оранжевый цвет на зеленый, характерный для солей хрома (III):

K₂Cr₂O₇ + 4H₂SO₄ + 3CO = K₂SO₄ + Cr₂(SO₄)₃ + 4H₂O + 3CO₂↑

Наглядность опыта увеличивается, если за склянкой Дрекселя поместить белый экран.

Исторические сведения. Первым установил наличие окислительных свойств дихромата калия немецкий химик Мартин Генрих Клапрот (1743-1817). Позднее взаимодействие производных хрома (VI) c монооксидом углерода наблюдали Э. Людвиг (в 1872 г.) и Ф.Филлипс (в 1894 г.).

Опыт 7. Получение аморфного кремния.

Реактивы. Твердый диоксид кремния (мелкий кварцевый песок, растертое в ступке битое кварцевое стекло или белый прокаленный речной или морской песок), металлический магний в виде порошка, разбавленная (1:3) хлороводородная кислота HCl, оксид магния.

Посуда и приборы. Фарфоровая ступка с пестиком, штатив с кольцом, пробирка, железный тигель диаметром 4-5 см, держатель для пробирки, химический стакан емкостью 250-400 мл, керамическая плитка, шпатель - ложечка, пинцет, капельница для раствора хлороводородной кислоты, бюкс, газовая горелка, затемненный экран, защитные очки.

Описание опыта. Сухой кварцевый песок (7-10 г) тщательно растирают в ступке с порошком магния (10-15 г). Смесь помещают в пробирку, заполняя ее на 1/3 объема, закрепляют в держателе и осторожно прогревают в пламени газовой горелки. Затем нагревают сильным пламенем только место расположения смеси. С началом реакции, которая обнаруживается по мощному тепло- и световыделению, нагрев извне прекращают; процесс дальше идет самопроизвольно. Взаимодействие магния с диоксидом кремния, приводящее к выделению аморфного кремния:

SiO₂ + 2Mg = Si + 2MgO

и образованию силицида магния в результате реакции:

SiO₂ + 4Mg = Mg₂Si + 2MgO

протекает бурно и распространяется по всей массе смеси с излучением ослепительного света. Поэтому демонстрацию опыта ведут, надев защитные очки, а перед аудиторией ставят защитный экран. Одновременно выделяется немного дыма, состоящего из частичек оксида магния. Пробирке дают остыть, а потом разбивают ее в фарфоровой ступке, убирают пинцетом наиболее крупные осколки стекла. Оставшуюся часть спёка высыпают в химический стакан, наполненный на ¾ объема водой, подкисленной раствором хлороводородной кислоты. Темно-бурый порошок аморфного кремния с осколками стекла падает на дно стакана, а на поверхности раствора наблюдаются вспышки, сопровождаемые легкими хлопками и образованием белого дыма. Это воспламеняется силан, который образуется при взаимодействии с водой силицида магния:

Mg₂Si + 4HCl = 2MgCl₂ + SiH₄↑

SiH₄ + 2O₂ = SiO₂ +2H₂O

Одновременно химически растворяется другой продукт реакции – оксид магния. Бурый осадок аморфного кремния высушивают и хранят в бюксе для последующих опытов.

Примечание. Чтобы реакция магнийтермического восстановления кремния протекала более спокойно, рекомендуют добавлять к реакционной смеси 3-4г оксида магния.

Исторические сведения. Аморфный кремний впервые получил в 1824 г. шведский химик Йенс Якоб Берцелиус (1779-1848), кристаллический кремний выделил в 1854 г. французский химик Анри Этьенн Сент-Клер Девиль (1818-1881).

Опыт 8. Получение ортокремниевой кислоты.

Реактивы. Свежеприготовленный водный 10%-ный раствор полисиликата натрия (Na₂SiO₃)_x, разбавленная (2:1) хлороводородная кислота HCl (плотностью 1,12 г/мл), водный (20-30%-ный) раствор гидроксида натрия NaOH, спиртовой раствор индикатора фенолфталеина.

Посуда и приборы. Высокий химический стакан емкостью 400 – 600 мл или стеклянный цилиндр такой же емкости, стеклянная палочка, черный экран, капельница для раствора индикатора.

Описание опыта. В химический стакан наливают 200 мл раствора полисиликата натрия (или 200 мл воды, к которой добавлено 10-15 мл «жидкого стекла»), и, помешивая раствор стеклянной палочкой, добавляют 10 мл раствора хлороводородной кислоты. Вскоре раствор начинает опалесцировать, а через 2-3 мин содержимое стакана застывает в сплошную студенистую массу беловато-серого цвета. Если в этот момент палочку держать в стакане вертикально, то она и останется в этом положении. Образование «студня» объясняет уравнение реакции:

(Na₂SiO₃)_x + 2xHCl + (y-x)H₂O = xSiO₂ · yH₂O↓ + 2xNaCl

В жидкой фазе в равновесии с полигидратом диоксида кремния находится ортокремниевая кислота; упрощенная трактовка данного процесса отождествляет ее с малорастворимым полигидратом диоксида кремния.

Исторические сведения. Впервые выделение студенистой массы поликремниевых кислот под действием хлороводородной кислоты на полисиликат натрия наблюдал в 1855 г. немецкий химик Юстус Либих (1803-1873).

Опыт 9. Гидролиз полисиликата натрия в водном растворе.

Реактивы. Полисиликата натрия (Na₂SiO₃)_x, спиртовой раствор индикатора фенолфталеина.

Посуда и приборы. Полилюкс с экраном, стеклянная палочка размером 25×25 см, чашка Петри, стеклянная палочка, капельница для раствора индикатора, шпатель, бюкс.

Описание опыта. На кадровом окне полилюкса устанавливают стеклянную пластинку, ставят на нее чашку Петри и наливают в нее воду слоем толщиной 5-7 мм. Добавляют в чашку 3-4 капли раствора фенолфталеина и шпателем из бюкса вносят немного полисиликата натрия в центр чашки. На экране появляется темное пятно (изображение внесенного вещества), вокруг которого появляется розово-малиновое окрашивание, постепенно распространяющееся от центра к краям чашки при растворении полисиликата натрия в воде. Происходящие при гидролизе процессы весьма сложны. Схематически их можно выразить уравнениями:

(Na₂SiO₃)_x + xH₂O _←^→ (NaHSiO₃)_x + NaOH

2(NaHSiO₃)_{x ←}^→ xNa₂Si₂O₅ + xH₂O

Примечание. Степень гидролиза полисиликата натрия в 1М водном растворе может достигать 32%.

Исторические сведения. Полисиликат натрия («жидкое стекло») впервые получил в 1648 г. немецкий химик и аптекарь Иоганн Рудольф Глаубер (1604-1670), а его гидролиз одним из первых исследовал немецкий физико-химик Фридрих Вильгельм Георг Кольрауш (1840-1910) в 1893 г.