Занятие 9. Химия азота
Опыт 1. Получение азота взаимодействием нитрита натрия и хлорида аммония.
Реактивы. Концентрированные водные растворы нитрита натрия NaNO2 (60 г в 100 мл воды) и хлорида аммония NH4Cl (95 г в 100 мл воды), концентрированный (20-30%-ный) водный раствор гидроксида натрия NaOH.
Посуда и приборы. Высокий и узкий стакан емкостью 2-3 л, две стеклянные чашки, два стакана емкостью по 600 мл, два треножника с металлическими сетками, две газовых горелки или электрических плитки; колба Вюрца емкостью 250-350 мл с пробкой и капельной воронкой, склянка Тищенко с раствором гидроксида натрия, газоотводная трубка с загнутым концом, цилиндр с пришлифованной стеклянной пластинкой, штатив с кольцом и муфтой, водяная баня с электро- или газовым подогревом, стеклянная палочка, термометр, хлопчатобумажные перчатки, лучинка.
Описание опыта. Первая часть опыта посвящена демонстрации выделения азота при взаимодействии нитрита натрия и хлорида аммония при нагревании.
Большой химический стакан помещают в стеклянную чашу, а в стаканы емкостью 600 мл наливают наполовину их объема раствор нитрита натрия и хлорида аммония. Оба раствора нагревают одновременно на пламени газовых горелок или на электроплитках до 60-700С, контролируя температуру с помощью термометра. Затем надевают хлопчатобумажные перчатки и из обоих стаканов одновременно сливают нагретые растворы в большой стакан, после чего перемешивают смесь стеклянной палочкой. Тотчас же начинается бурная реакция с выделением газа и обильным образованием пены:
NaNO2 + NH4Cl = NaCl + N2↑ + 2H2O
Если реакция протекает чересчур энергично, то в стакан бросают кусочек льда или приливают холодную воду. Горящая лучинка, опущенная в стакан (туда, где нет пены), гаснет: азот не поддерживает горения. Вторая часть опыта решает задачу получения и сбора газообразного азота. Для этого собирают установку, изображенную на рис.3.
Рис.3. Получение азота: 1 – капельная воронка; 2 – колба Вюрца; 3 - пробирка; 4 – штативы; 5 – промывная склянка Тищенко; 6 – цилиндр; 7 - газоотводная трубка; 8 – чаша с водой.
В колбу Вюрца 2 на 1/3 ее объема заливают раствор хлорида аммония, закрывают ее резиновой пробкой с капельной воронкой 1, которую заполняют раствором нитрита натрия. Боковой отросток колбы подводят к склянке Тищенко 5 с раствором гидроксида натрия для удаления примеси оксидов азота, а к склянке присоединяют изогнутую газоотводную трубку 7. Цилиндр 6 для сбора газа наполняют водой и погружают в чашу 8, надев на него кольцо штатива. Колбу нагревают на водяной бане до 80-900С, затем баню убирают и по каплям приливают раствор нитрита натрия. Интенсивность выделения азота контролируют по движению пузырьков газа через склянку Тищенко и регулируют скоростью приливания в колбу раствора нитрита натрия. После вытеснения воздуха из прибора (считают, что для этого достаточно двух-трех минут) газоотводную трубку подводят под цилиндр и собирают выделяющийся азот. Цилиндр закрывают под водой стеклянной пластинкой, вынимают, ставят на демонстрационный стол и, сдвинув пластинку, вносят в него зажженную лучинку, которая тотчас же гаснет.
Исторические сведения. Впервые нитрит натрия получил в 1862 г. немецкий химик Харкурт при взаимодействии пероксида натрия с оксидом диазота, а взаимодействие нитрита натрия с хлоридом аммония первым описал в 1890 г. другой немецкий химик – Теодор Курциус (1857-1928). Хлорид аммония был известен уже арабским и египетским алхимикам в V-VI вв. н. э. Азот был открыт в 1772 г. почти одновременно несколькими химиками: генри Кавендишем (1731-1810), Джозефом Пристли (1733-1804) и Антуаном Лораном Лавуазье (1743-1794). Официально открытие азота приписывают шотландскому химику Даниелю Резефорду (1749-1819). Кавендиш называл азот «вредным испарением земли», Шееле – «испорченным воздухом», а Резефорд – «зловредным воздухом».
Опыт 2. Взаимодействие гидрата аммиака с перманганатом калия.
Реактивы. Водный (10%-ный) раствор аммиака NH3 (гидрат аммиака NH3 · H2O), водный (3%-ный) раствор перманганата калия KMnO4.
Посуда и приборы. Магнитная мешалка с электроподогревом, химический стакан емкостью 400-800 мл, химические стаканы емкостью 250 мл (2 шт.).
Описание опыта. В химический стакан на 1/3 его емкости наливают раствор перманганата калия. Затем, поместив стакан на магнитную мешалку и включив перемешивание в умеренном режиме, добавляют гидрат аммиака и нагревают реакционную смесь. Наблюдают изменение цвета раствора от фиолетового до бурого и выпадение осадка диоксида марганца вследствие окислительно-восстановительной реакции:
2NH3 +2 KMnO4 = N2 + 2MnO2 + 2KOH + 2H2O
Эта реакция идет самопроизвольно, так как соблюдается критерий ее протекания: стандартные потенциалы окислительно-восстановительной пары MnO4-/MnO2 (+0.652) больше, чем для N2/NH3 · H2O (-0.737 В).
Исторические сведения. Изучение взаимодействия аммиака с перманганатом калия начали в 1858 г. французские химики Ф. С. Клоэз (1817-1883), Э. Гинье, Л. Пеан де Сен-Жиль (1832-1863) и немецкий химик Кристиан Фридрих Шенбейн (1799-1868). Много позже - в 1944 г - В. Гурка и И. Руджич предложили использовать эту реакцию для аналитического определения аммиака.
Опыт 3. Окислительно-восстановительные свойства нитритов.
Реактивы. Водные (8-10%-ные) растворы нитрита калия KNO2 и иодида калия KI, бромная вода Br2(р), разбавленный водный раствор перманганата калия KMnO4, разбавленная (1:5) серная кислота H2SO4, свежеприготовленный крахмальный раствор.
Посуда и приборы. Полилюкс с экраном, стеклянная пластинка размером 25×25, три чашки Петри, две капельницы для бромной воды и для серной кислоты.
Описание опыта. На стеклянную пластинку, которой покрывают световое окно полилюкса, помещают две чашки Петри. В одну из них тонким слоем наливают раствор иодида калия и вносят 5-6 капель крахмального раствора, а в другую – раствор перманганата калия. В каждую чашку добавляют 5-6 капель раствора серной кислоты, а затем – немного раствора нитрита калия. В первой чашке появляется синяя окраска жидкости (за счет взаимодействия выделяющегося иода с крахмалом):
2KI + 2KNO2 + 2H2SO4 = 2NO↑ + I2 + 2K2SO4 + 2H2O,
а во второй – обесцвечивание раствора:
2KMnO4 + 5KNO2 + 3H2SO4 = 5KNO3 + 2MnSO4 + K2SO4 + 3H2O
Снимают с полилюкса эти две чашки и помещают на световое окно третью чашку с раствором нитрита калия, налитым тонким слоем, к которому добавлено 5-6 капель раствора серной кислоты. На экране проекция чашки приобретает слабо-голубоватую окраску. Добавляют в чашку бромную воду, которая тут же обесцвечивается:
KNO2 + Br2 + H2O = 2HBr + KNO3
Нитрит калия в кислотной среде (точнее, слабая азотистая кислота) проявляет и окислительные, и восстановительные свойства: значения стандартных потенциалов окислительно-восстановительных пар HNO2/NO и NO3-/HNO2 составляют соответственно +1.004 В и +0.930 В.
Исторические сведения. Результаты своих исследований реакции нитритов с галогенами опубликовал в 1847 г. немецкий химик Кристиан Фридрих Шенбейн (1799-1868). Данные о взаимодействии нитритов с перманганатом калия также получил Шёнбейн в 1861 г., а двумя годами раньше - французский ученый Л. Пеан де Сен-Жиль (1832-1863). В 1852 г. реакцию азотистой кислоты с иодидом калия изучил английский химик Д. С. Прайс.
Опыт 4. Получение аммиака нагреванием нашатырного спирта.
Реактивы. Нашатырный спирт NH3 (25%-ный р-р).
Посуда и приборы. Штатив, спиртовка, круглодонная колба емкостью 250 мл, круглодонная колба емкостью 500 мл, резиновая пробка с отверстием, стеклянная трубка, асбестовая сетка.
Описание опыта. Собирают прибор, представленный на рисунке 4.
Рис. 4 Получение аммиака нагреванием нашатырного спирта.
В колбе нагревают нашатырный спирт, он разлагается на аммиак и воду.
NH4OH = NH3 + H2O
Длинная трубка, вставленная в верхнюю колбу, служит не только для выхода аммиака, но и для конденсации водяных паров. Аммиак собирают в опрокинутую вверх дном колбу (цилиндр).
Опыт 5. Растворение в воде аммиака.
Реактивы. Аммиак NH3 (газ.), р-р индикатора фенолфталеина.
Посуда и приборы. Кристаллизатор, круглодонная колба емкостью 500 мл, резиновая пробка с отверстием, стеклянная трубка.
Описание опыта. При комнатной температуре 1 объем воды растворяют 700 объемов аммиака. Такая большая растворимость показывает, что, кроме обычного растворения, в данном случае протекает химическая реакция. Для демонстрации растворимости аммиака можно провести опыты, аналогичные для хлороводорода. Только при «аммиачном фонтане» жидкость меняет свою окраску: из красной (лакмус) превращается в синюю (фенолфталеин из бесцветной в малиновую). Опыт эффективен с большим количеством аммиака (рис.5).
Рис. 5. Растворение аммиака в воде.
NH3 + H2O = NH4OH
Опыт 6. Взаимодействие аммиака с кислотой.
Реактивы. Концентрированная соляная кислота НСl, нашатырный спирт NH3 (25%-ный р-р).
Посуда и приборы. 2 стеклянные палочки, тигель, стакан емкостью 50 мл.
Описание опыта.а) К стеклянной палочке, смоченной соляной кислотой, подносят стеклянную палочку, смоченную нашатырным спиртом. Наблюдается обильное выделение дыма, образующегося из хлорида аммония.
HCl + NH3 = NH4Cl
б) Тигель с концентрированным нашатырным спиртом (1-2 мл) прикрывают стаканом, смоченным соляной кислотой, наблюдается выделение белого дыма.
Опыт 7. Разложение хлорида аммония.
Реактивы. Хлорид аммония NH4Cl.
Посуда и приборы. Пробирка, спиртовка, пробиркодержатель.
Описание опыта. При нагревании в пробирке небольшого количества нашатыря заметно выделение белого дыма и образование налета соли на холодных стенках, так как получившиеся при разложении хлорида аммония газы снова соединяются.
NH4Cl = HCl + NH3
Опыт 8. Получение оксида азота (II).
Реактивы. Медная стружка (опилки, проволока), разбавленая азотная кислота.
Посуда и приборы. Колба Вюрца емкостью 250 мл, капельная воронка, спиртовка, асбестовая сетка, стеклянный цилиндр, стеклянная пластина, штатив.
Описание опыта. Для получения оксида азота в колбу кладут медь (в виде стружки, опилок, проволоки) и приливают слегка разбавленную азотную кислоту – на 1 объем концентрированной азотной кислоты берут 1 объем воды (рис.6). Для начала опыта колбу слегка подогревают. Так как в колбе содержится кислород воздуха, то сначала она заполняется оксидом азота (IV) (образующийся оксид азота (II) окисляется). Надо выждать, когда из колбы вытеснятся газы, затем собрать оксид азота (II) над водой в цилиндр (банку) и закрыть стеклянной пластинкой. Работать под тягой!
Рис. 6. Получение оксида азота (II).
3Cu + 8HNO3 = 3Cu(NO3)2 + 2NO + 4H2O
Опыт 9. Окисление оксида азота (II).
Реактивы. Оксид азота (II), собранный в предыдущем опыте, кислород (газ.).
Посуда и приборы. 2 стеклянных цилиндра, 2 стеклянные пластины,
Описание опыта. а) С цилиндра (банки) с оксидом азота (II) снимают стеклянную пластину. В результате окисления оксида азота (II) сверху сосуда появляется газ бурого цвета - оксид азота (IV). Если сосуд передвигать вверх и вниз, то в результате перемешивания оксида азота (II) с воздухом побурение наступает во всем сосуде.
б) Для быстрого окисления на цилиндр с оксидом азота (II), прикрытый стеклом, ставят цилиндр с кислородом, также закрытый стеклом. Пластины вынимают, начинается быстрое окисление оксида азота (II) кислородом.
2NO + O2 = 2NO2
Опыт 10. Получение оксида азота (IV).
Реактивы. Медная стружка (опилки, проволока), концентрированная азотная кислота (конц., ρ=1,4 г/см3).
Посуда и приборы. Колба Вюрца емкостью 250 мл, капельная воронка, спиртовка, асбестовая сетка, стеклянный цилиндр, стеклянная пластина, штатив.
Описание опыта. Для поведения опыта используется прибор, как при получении оксида азота (II). Только к меди в колбу приливают азотную кислоту (конц., ρ=1,4 г/см3). Реакция идет без нагревания.
Cu + 4HNO3 = 3Cu(NO3)2 + 2NO2 + 2H2O
Собирать оксид азота (IV) над водой нельзя, так как он реагирует с ней.
Опыт 11. Химические свойства оксида азота (IV).
Реактивы. Оксид азота (IV), собранный в предыдущем опыте, дистиллированная вода, р-р индикатора лакмуса (метилоранжа).
Посуда и приборы. Стеклянный цилиндр.
Описание опыта. В сосуд с оксидом азота (IV) наливают воду; бурая окраска исчезает, так как оксид азота (IV) будучи кислотным оксидом, реагирует с водой.
4NO2 + 2H2O + O2 = 4HNO3
Полученный раствор исследуется лакмусом или другим индикатором.
Опыт 12. Разложение солей азотной кислоты тяжелых металлов.
Реактивы. Нитрат свинца Pb(NO3)2 (крист.).
Посуда и приборы. Пробирка, пробиркодержатель, спиртовка.
Описание опыта. Эти соли при нагревании разлагаются на оксид металла, оксид азота (IV) и кислород (например, нитраты меди, железа, свинца и др.). В пробирку кладут несколько кристаллов нитрата свинца и нагревают. Выделяется бурый газ оксид азота (IV).
2Pb(NO3)2 = 2PbO + 4NO2 + O2
Опыт 13. Разложение солей азотной кислоты легких металлов.
Реактивы. Нитрат калия KNO3 (крист.), крист. сера S, древесный уголь C.
Посуда и приборы. Пробирка, штатив, асбестовая сетка или чашка с песком, спиртовка.
Описание опыта. Эти соли разлагаются на нитриты и кислород. Пробирку на 1/5 её объема заполняют нитратом калия и вертикально закрепляют её в лапке штатива. Соль расплавляется и, когда появляются пузырьки кислорода, в пробирку бросают кусочек угля. Он ярко горит, «бегая» по расплавленной поверхности нитрата. После него в пробирку опускают кристаллик серы, который ярко горит. При больших количествах селитры и серы пробирка может расплавиться и упасть. Поэтому под неё следует положить асбестовую сетку или чашку с песком.
2KNO3 = 2 KNO2 + O2
C + O2 = CO2
S + O2 = SO2