Занятие 12. Химия металлов
Опыт 1. Взаимодействие лития, натрия и калия с водой.
Реактивы. Металлы: литий Li, натрий Na и калий K, дистиллированная вода, спиртовой раствор индикатора фенолфталеина.
Посуда и приборы. Полилюкс с экраном, чашки Петри (3 шт.), пинцет или щипцы, скальпель или острый нож, кюветы для отрезания металлов, три бюкса с вазелиновым маслом или обезвоженным керосином, капельница для раствора фенолфталеина, фильтровальная бумага, штатив с лапкой, два стекла размером 25×25 см.
Описание опыта. Заранее отрезают ножом в кювете под слоем керосина от кусков щелочных металлов небольшие, величиной с горошину, «дольки» (по 4-5 для каждого из металлов) и помещают их в бюксы с сухим вазелиновым маслом. Чашки Петри моют раствором стирального порошка, щелочи или соды; особое внимание обращают на чистоту бортиков, чтобы избежать прилипания к ним во время опытов расплавленных шариков натрия и калия (это ведет к перегреву и разрушению чашки и может вызвать порчу полилюкса). Кадровое световое окно полилюкса покрывают стеклянной пластинкой; на расстоянии 8-10 см над этим стеклом укрепляют в лапке штатива вторую стеклянную пластинку для предохранения объектива от возможных брызг. Включают полилюкс и помещают на нижнюю стеклянную пластинку, закрывающую световое окно прибора, три чашки Петри с водой, к которой добавлено несколько капель раствора фенолфталеина. Затем поочередно вынимают пинцетом кусочки лития, натрия и калия из бюксов, обсушивают их фильтровальной бумагой и опускают в чашки. Прежде чем взять очередной кусочек металла, тщательно протирают концы пинцета фильтровальной бумагой, чтобы не занести в бюксы воду. На экране будут видны изображения «бегающих» по поверхности воды шариков расплавленного металла, причем движение калиевого шарика более стремительно, чем натриевого. Вскоре он даже загорается синевато-фиолетовым пламенем. За каждым из «бегающих» шариков остается малиновый шлейф из-за того, в результате реакций:
2Na + 2H2O = 2NaOH + H2↑
2K + 2H2O = 2KOH + H2↑
образуется щелочной гидроксид (сильное основание), который окрашивает фенолфталеин в малиново-фиолетовый цвет.
Кусочек лития плавает более спокойно в окружении мелких пузырьков водорода, окрашивая за собой воду в розово-фиолетовый цвет:
2Li + 2H2O = 2LiOH + H2↑
На основании результатов данного опыта можно сделать вывод о росте восстановительной активности щелочных металлов в ряду литий – натрий – калий (т.е. сверху вниз по группе IA).
Исторические сведения. Металлические натрий и калий впервые получил в 1807 г. английский химик Гэмфри Дэви (1778-1829); позднее, в 1818 г., ему удалось выделить и литий. Он же первым наблюдал реакции взаимодействия этих металлов с водой.
Опыт 2. Окрашивание пламени солями щелочных металлов.
Реактивы. Концентрированные водные растворы хлорида лития LiCl, хлорида натрия NaCl, хлорида калия KCl, разбавленная (1:2) хлороводородная кислота HCl.
Посуда и приборы. Три химических стакана емкостью 100 мл для растворов солей, три стеклянные палочки с впаянной платиновой проволокой в виде двух-трех витков (можно использовать также вольфрамовую, молибденовую или нихромовую проволочки), штатив с тремя пробирками, наполненными хлороводородной кислотой (для каждой из проволочек), газовая горелка (спиртовка, сухое горючее).
Описание опыта. Пламя газовой горелки регулируют так, чтобы оно было большим и почти бесцветным. Очищенную многократным опусканием в раствор хлороводородной кислоты и прокаливанием в пламени газовой горелки платиновую проволоку вносят в раствор хлорида лития, а потом в огонь. Пламя приобретает малиновый цвет. Аналогичные операции проводят с растворами хлорида натрия и хлорида калия, получая ярко – желтое и бледно – фиолетовое пламя. Можно показать, что соединения лития присутствуют в табачной золе, предварительно растворив собранную золу в хлороводородной кислоте.
Исторические сведения. Раньше всех (в 1546 г.) заметил окрашивание пламени солями щелочных элементов немецкий химик и металлург Георгиус Агрикола (1494-1555). Он же и предложил использовать это явление для характеристики сжигаемого вещества. Много позже (в 1859 г.) немецкие ученые – химик Роберт Вильгельм Бунзен (1811-1899) и физик Густав Кирхгоф (1824-1887) разработали принципы спектрального анализа и приступили к открытию новых химических элементов с помощью нового метода. Таким образом, они открыли в 1860-1861 гг. новые щелочные элементы рубидий и цезий.
Опыт 3. Горение магния на воздухе.
Реактивы. Магний Mg в виде металлической ленты длиной 15-20 см, спиртовой раствор индикатора фенолфталеина.
Посуда и приборы. Полилюкс с экраном, фарфоровая чашка диаметром 10-15 см, тигельные щипцы, капельница для раствора фенолфталеина, чашка Петри, наждачная бумага, фильтровальная бумага, газовая горелка, темные очки, затемненное стекло, штатив с лапкой, стеклянная палочка.
Описание опыта. Перед опытом зачищают мелкозернистой наждачной бумагой магниевую ленту, протирают ее фильтровальной бумагой и свертывают в спираль, туго накручивая на стеклянную палочку. При помощи штатива с лапкой размещают перед аудиторией затемненное стекло, которое будет служить защитным экраном от слишком яркого светового излучения пламени горящего магния. Надевают темные очки, берут щипцами магниевую «спираль» и поджигают ее в пламени газовой горелки. Горящую магниевую ленту держат над фарфоровой чашкой.
Магний горит на воздухе очень ярким пламенем:
2Mg(т) + O2(г) = 2MgO(т); ΔH0298 = -1202 кДж
Одновременно идет взаимодействие магния с азотом атмосферного воздуха с образованием нитрида магния:
3Mg(т) + N2 = Mg3N2(т); ΔH0298 = -461 кДж
Образовавшийся белый порошок (оксид магния с примесью нитрида магния) в фарфоровой чашке обрабатывают небольшим количеством воды при перемешивании стеклянной палочкой, дают суспензии отстояться, а потом осторожно сливают жидкость в чашку Петри и ставят на световое окно включенного полилюкса. Добавляют несколько капель раствора фенолфталеина и наблюдают на экране розовую окраску. Щелочная среда образовавшейся жидкой фазы обусловлена тем, что при обработке водой смеси оксида и нитрида магния протекают реакции:
MgO + H2O = Mg(OH)2
Mg3N2 + 8H2O = 3Mg(OH)2 + 2(NH3 ∙ H2O)
продуктом которых является гидроксид магния. Малорастворимый (ПР = 6,8·10-12) Mg(OH)2 тем не менее создает в насыщенном растворе достаточно высокую (около 0,0001 моль/л) концентрацию гидроксид-ионов:
Mg(OH)2 ←→ Mg2+ + 2OH-
Поэтому при введении индикатора фенолфталеина обнаруживается щелочная среда раствора.
Примечание. Если нет магниевой ленты, то можно для проведения этого эффектного опыта использовать магниевый порошок: взять полоску фильтровальной бумаги шириной 1 см и длиной 10-12 см, смазать ее крахмальным клейстером или казеиновым клеем и густо посыпать порошком магния. После высушивания полоску бумаги берут щипцами и поджигают.
Исторические сведения. Впервые магний получил в 1808 г. английский химик Гэмфри Дэви (1778-1829). Он же наблюдал и его горение на воздухе. А оксид магния был известен задолго до этого: его впервые получил в чистом виде в 1754 г. шотландский химик Джозеф Блек (1728-1799) разложением карбоната магния при нагревании (причем ни состав карбоната магния, ни состав оксида магния – «белой магнезии» - тогда еще не был известен). Что касается нитрида магния, то он был получен впервые в 1863 г. французским химиком Анри Этьеном Сент-Клер Девиллем (1818-1881).
Опыт 4. Взаимодействие магния с водой.
Реактивы. Металлический магний Mg (порошок или стружка), дистиллированная вода, водный (10-15%-ный) раствор хлорида аммония NH4Cl, спиртовой раствор индикатора фенолфталеина.
Посуда и приборы. Химические стаканы емкостью 400-600 мл (2 шт.), электрическая плитка или газовая горелка и треножник с металлической сеткой, капельница для раствора фенолфталеина, стеклянная палочка, боковой осветитель, черный и белый экраны.
Описание опыта. В химический стакан наливают на половину его емкости дистиллированную воду, добавляют несколько капель раствора фенолфталеина и устанавливают его на электроплитку. Вносят в стакан 1-2 г магниевого порошка или стружки. Взаимодействие между магнием и водой без нагревания не идет: хотя чрезвычайно низкие значения стандартного потенциала φ0 для пар Mg2+/Mg и Mg(OH)2/Mg (-2.370 и -2,689 В соответственно) должны позволять непосредственное взаимодействие с водой, такая реакция не идет из-за наличия на поверхности металла оксидной пленки.
Отметив отсутствие реакции на холоду, включают нагревание, начинается выделение газообразного водорода и образование белых хлопьев гидроксида магния; одновременно раствор приобретает розоватый цвет (щелочная среда).
Во втором стакане поводят те же операции, но без нагревания и без введения раствора фенолфталеина. После внесения магния в стакан доливают раствор хлорида аммония. В этом случае через несколько минут тоже начинается реакция взаимодействия магния с водой с выделением водорода:
Mg + 2H2O + 2NH4Cl = MgCl2 + H2↑+ 2(NH3 ∙ H2O)
Исторические сведения. См. Опыт 3.
Опыт 5. Получение и свойства гидроксида магния.
Реактивы. Концентрированные водные растворы хлорида магния MgCl2 и хлорида аммония NH4Cl, водные растворы хлороводородной кислоты HCl (4 моль/л) и гидроксида натрия NaOH (4 моль/л).
Посуда и приборы. Магнитная мешалка, 3 предметных (подъемных) столика, химические стаканы емкостью 500 мл, боковой осветитель, черный экран.
Описание опыта. В стакан наливают около 100 мл раствора хлорида магния, ставят его на магнитную мешалку и включают перемешивание в умеренном режиме. Затем добавляют порциями, не прекращая перемешивания, раствор гидроксида натрия. Образуется белая суспензия гидроксида магния:
MgCl2 + 2NaOH = Mg(OH)2↓ + 2NaCl
Суспензию разливают равными порциями по трем стаканам. В первый стакан добавляют избыток раствора гидроксида натрия и показывают аудитории отсутствие изменений. Амфотерные свойства гидроксида магния отсутствуют, реакция с избытком щелочи не идет.
Второй стакан с суспензией ставят на магнитную мешалку и, включив перемешивание, добавляют раствор хлороводородной кислоты до исчезновения суспензии:
Mg(OH)2 + 2HCl = MgCl2 + 2H2O
Третий стакан ставят на магнитную мешалку и при перемешивании добавляют раствор хлорида аммония до полного растворения гидроксида магния. Растворение в этом случае идет за счет связывания катионами аммония гидроксид-ионов из насыщенного раствора над осадком гидроксида магния:
Mg(OH)2(т) ←→ Mg2+ + 2OH-
Mg(OH)2(т) + 2NH4+ = Mg2+ + 2(NH3 ∙ H2O)
в виде слабого основания – гидрата аммиака. Суммарное уравнение реакции в молекулярном виде таково:
Mg(OH)2 + 2NH4Cl = MgCl2 + 2(NH3 ∙ H2O)
Исторические сведения. Соли магния впервые обнаружил в естественных минеральных водах немецкий химик-аналитик и профессор медицины Фридрих Гофман (1660-1742). Свойства оксида и гидроксида магния впервые изучил английский химик Гэмфри Дэви (1778-1829), которому принадлежит приоритет открытия магния.
Опыт 6. Окрашивание пламени хлоридами кальция, стронция и бария.
Реактивы. Концентрированные водные растворы хлорида кальция CaCl2, хлорида стронция SrCl2, хлорида бария BaCl2, разбавленная (1:2) хлороводородная кислота HCl.
Посуда и приборы. Три химических стакана емкостью 100 мл для растворов солей, три стеклянные палочки с впаянной платиновой проволокой в виде двух-трех витков (можно использовать также вольфрамовую, молибденовую или нихромовую проволочки), штатив с тремя пробирками, наполненными хлороводородной кислотой (для каждой из проволочек), газовая горелка (спиртовка, сухое горючее).
Описание опыта. Пламя газовой горелки регулируют так, чтобы оно было большим и почти бесцветным. Очищенную многократным опусканием в раствор хлороводородной кислоты и прокаливанием в пламени газовой горелки платиновую проволоку вносят в раствор хлорида кальция, а потом – в огонь. Пламя приобретает кирпично-красный цвет. Аналогичные операции проводят с растворами хлорида стронция и хлорида бария, получая соответственно карминово-красное и светло-зеленое пламя.
Исторические сведения. См. опыт 2.
Опыт 7. Окрашивание пламени борной кислотой.
Реактивы. Кристаллическая борная кислота B(OH)3, разбавленная (1:2) хлороводородная кислота HCl.
Посуда и приборы. Газовая горелка, спиртовка или твердое горючее, стеклянная палочка с впаянной в нее платиновой проволочкой с витком на конце (см. опыты 2, 6), штатив с пробиркой для хлороводородной кислоты, бюкс для борной кислоты, белый экран.
Описание опыта. Регулируют пламя газовой горелки так, чтобы оно было большим и почти бесцветным. Стеклянную палочку с проволочкой окунают в раствор хлороводородной кислоты и прокаливают в пламени, а затем опускают в бюкс с измельченными кристаллами борной кислоты и захватывают петлей проволоки несколько крупинок этого вещества. Вносят проволоку в пламя и наблюдают зеленое окрашивание, характерное для соединений бора.
Исторические сведения. Окраску пламени в зеленый цвет при внесении борной кислоты наблюдали французский химик Этьен Франсуа Жоффруа (1672-1731), а также немецкий ученый Иоганн Генрих Потт (1692-1777).
Опыт 8. Взаимодействие алюминия с водой.
Реактивы. Металлический алюминий Al в виде стружки, концентрированные водные растворы нитрата ртути (II) Hg(NO3)2, хлорида меди (II) CuCl2, водный (15-20%-ный) раствор гидроксида натрия NaOH, этанол C2H5OH или ацетон (CH3) 2CO.
Посуда и приборы. Полилюкс с экраном, чашка Петри, стеклянная пластина размером 25×25 см, химические стаканы емкостью 100-200 мл (3 шт.), мелкозернистая наждачная бумага, фильтровальная бумага, газовая горелка или электрическая плитка для подогрева раствора нитрата ртути, щипцы или пинцет, коническая колба емкостью 100 мл с пришлифованной пробкой. Для сборки установки (рис. 13) – химический стакан 3, стеклянная воронка 2, цилиндр 1 с пришлифованной стеклянной пластинкой.
Описание опыта. Заранее обезжиривают алюминиевую стружку, погружая ее в ацетон в колбе с пришлифованной пробкой и встряхивая колбу в течение 5-10 мин (либо оставляют стоять на несколько часов). Обезжиривание можно также вести кипячением стружек алюминия в этаноле в течение 3-4 мин. Затем стружки промывают водой, и погружают в нагретый раствор гидроксида натрия на 15-20 сек, вынимают их из раствора пинцетом и опускают в стакан с водой для ополаскивания. После этого стружки вытаскивают из воды и погружают для амальгамирования (покрытия поверхности ртутью с образованием амальгамы алюминия) на полминуты в горячий раствор нитрата ртути (II), приготовленный смешиванием 2-5 мл концентрированного раствора Hg(NO3)2 и 100 мл воды. Затем стружки с помощью пинцета снова кладут в стакан с водой, вынимают и быстро обсушивают, промокая фильтровальной бумагой, а потом сразу же опускают в чашку Петри с водой, установленную на включенном полилюксе. Для демонстрации достаточно двух-трех кусочков стружки. На экране будут хорошо видны «кружева» из пузырьков выделяющегося водорода, которые появляются вокруг черных пятен – изображений алюминиевой стружки:
2Al(Hg) + 6H2O = 2Al(OH)3 + 3H2↑ + 2Hg
Хорошо демонстрируется реакция взаимодействия амальгамированного алюминия с водой при помощи установки, изображенной на рис. 13.
Рис. 13. Взаимодействие амальгамированного алюминия с водой: 1 – цилиндр; 2 – воронка; 3 – стакан с водой; 4 – амальгамированный алюминий.
В стакан 3 (рис. 13) опускают алюминиевую стружку, подготовленную указанным выше способом, а над ней устанавливают воронку 2 и цилиндр 1, заполненный водой. Водород вытесняет воду из цилиндра. Когда он будет заполнен выделившимся газом, его под водой закрывают стеклянной пластинкой и вынимают из стакана. Затем зажигают лучинку и, сдвигая пластинку, поджигают водород.
Появление защитной пленки на поверхности алюминия можно предотвратить не только амальгамированием, но и обработкой раствором хлорида меди. Для этого обезжиренную стружку на 10-15 сек, погружают в нагретый раствор хлорида меди (концентрированный раствор хлорида меди разбавляют водой пополам) и ополаскивают в стакане с водой, а потом погружают в чашку Петри, установленную на включенном полилюксе. На экране будут видны пузырьки выделяющегося водорода:
2Al + 3CuCl2 = 3Cu↓+ 2AlCl3
2Al(Cu) + 6H2O = 2Al(OH)3 + 3H2↑ + 2Cu
Взаимодействию алюминия с водой способствует еще и образование гальванической пары. Таким образом, после удаления защитной пленки на поверхности алюминия этот активный металл в полной мере проявляет свои восстановительные свойства и при взаимодействии с водой выделяет из нее водород, что согласуется со справочными данными для окислительно-восстановительных потенциалов:
Al + 3OH- - 3ē = Al(OH)3; φ0 = -1,538 В
2H2O + 2ē = H2↑ + 2OH- ; φ0 = -0,828 В
Δφ0 = -0,828 + 1,538 = 0,710 В
Поскольку Δφ0 больше нуля, данная реакция самопроизвольно протекает в стандартных условиях.
Исторические сведения. Свойства амальгамы алюминия изучал немецкий химик Иоханнес Вислицениус (1835-1902), а первым ее получил датский физик Ханс Кристиан Эрстед (1777-1851), выделивший алюминий нагреванием безводного хлорида алюминия с амальгамой натрия.
Опыт 9. Взаимодействие алюминия с серной кислотой.
Реактивы. Разбавленная (1:5) серная кислота H2SO4, стружка алюминия Al.
Посуда и приборы. Химический стакан емкостью 600-1000 мл, стеклянная палочка, черный экран, боковой осветитель.
Описание опыта. В стакан на 2/3 его объема наливают разбавленную серную кислоту и вносят алюминиевую стружку. Наблюдают интенсивное выделение водорода и химическое растворение алюминия:
2Al + 3H2SO4 = Al2(SO4)3 + 3H2↑
Протекание данной реакции в стандартных условиях самопроизвольно, поскольку алюминий находится в электрохимическом ряду напряжений левее водорода и значение стандартного электродного потенциала φ0 для пары Al3+/Al составляет -1,700 В.
Исторические сведения. Впервые металлический алюминий выделил в 1825 г. датский физик Ханс Кристиан Эрстед (1777-1851). Он же первым наблюдал и взаимодействие полученного металла с растворами кислот.
Опыт 10. Взаимодействие алюминия со щелочами.
Реактивы. Концентрированный (20-30%-ный) водный раствор гидроксида калия KOH или натрия NaOH, металлический алюминий Al (обезжиренная алюминиевая стружка).
Посуда и приборы. Химический стакан емкостью 400 мл, стеклянная палочка, темный экран, боковой осветитель.
Описание опыта. В химический стакан на 2/3 его объема наливают раствор гидроксида калия или натрия и вносят алюминиевую стружку. Начинается реакция с выделением водорода и образованием гидроксокомплекса алюминия:
2Al + 2KOH + 6H2O = 2K[Al(OH)4] + 3H2
Взаимодействие алюминия в сильнощелочной среде с водой протекает в стандартных условиях самопроизвольно, поскольку значение разности стандартных электрохимических потенциалов для полуреакций:
Al + 4OH-- 3ē = [Al(OH)4]-; φ0 = -2,336 В
2H2O + 2ē = H2↑ + 2OH- ; φ0 = -0,828 В
больше нуля (Δφ0= -0,828 + 2,336 = 1,508 В).
Исторические сведения. Впервые металлический алюминий выделил в 1825 г. датский физик Ханс Кристиан Эрстед (1777-1851), нагревая безводный хлорид алюминия с амальгамой натрия. Он же, по-видимому, первым наблюдал, и взаимодействие полученного металла с раствором щелочи.
Опыт 11. Взаимодействие алюминия с серой.
Реактивы. Металлический алюминий Al в виде пудры, порошкообразная сера S8 («серный цвет»).
Посуда и приборы. Железный лист размером 25×25 см, стеклянный колпак диаметром 25-30 см и высотой 40-60 см, фарфоровая чашка, фарфоровый шпатель, два бюкса – для алюминиевой пудры и для «серного цвета», сухое горючее («твердый спирт»).
Описание опыта. Тщательно смешивают в фарфоровой чашке шпателем алюминиевую пудру (2-3 г) и порошок серы (4-5 г). Смесь горкой насыпают на асбестовый лист, сверху присыпают немного порошка серы, на вершину горки кладут кусочек сухого горючего и поджигают его.
Закрывают асбестовый лист с подожженной смесью стеклянным колпаком. Реакция начинается почти сразу и протекает с воспламенением смеси и выделением дыма, состоящего из частичек сульфида алюминия:
2Al(т) + 3S(т) = Al 2S3(т); ΔH0298 = -1018 кДж
Примечание. Опыт требует наличия хорошей вытяжной вентиляции, поскольку одновременно с основной реакцией идет сгорание серы с образованием газообразного диоксида серы SO2, сильно раздражающего органы дыхания. Для демонстрации можно использовать стеклянный колпак со штуцером, к которому подсоединяют водоструйный насос. Создание под колпаком небольшого разряжения сделает опыт безопасным.
Исторические сведения. Металлический алюминий выделил в 1825 г. датский физик Ханс Кристиан Эрстед (1777-1851), он же изучил важнейшие свойства нового элемента. Реакции металлического алюминия с окислителями изучал также французский химик Анри Этьенн Сент-Клер Девилль (1818-1881).
Опыт 12. Амфотерность гидроксида алюминия.
Реактивы. Водный (10-15%-ный) раствор хлорида алюминия AlCl3 или сульфата алюминия Al2(SO4)3, разбавленный (1:5) водный раствор аммиака (гидрат аммиака NH3·H2O), разбавленная (1:3) хлороводородная кислота HCl, водный (15-20%-ный) раствор гидроксида калия KOH.
Посуда и приборы. Магнитная мешалка, химические стаканы емкостью 500 мл (3 шт.), стеклянная палочка.
Описание опыта. В химический стакан наливают на 1/3 его объема раствор хлорида алюминия или сульфата алюминия, ставят его на магнитную мешалку и включают перемешивание в умеренном режиме. Добавляют раствор аммиака до образования студенистого осадка гидроксида алюминия. Затем, не прекращая перемешивания, доливают в стакан воду до ¾ его емкости. Выключают мешалку и разливают суспензию гидроксида алюминия равными порциями в три стакана. Первый стакан оставляют для сравнения, а во второй и третий добавляют соответственно растворы хлороводородной кислоты и гидроксида калия, добиваясь образования в обоих случаях прозрачного раствора.
Растворение осадка гидроксида алюминия происходит за счет связывания гидроксид-ионов и образования аквакатиона алюминия [Al(H2O)6]3+ во втором стакане и за счет образования тетрагидроксоалюминат-аниона – в третьем. Это указывает на амфотерный характер Al(OH)3.
Примечание. Образование тетраэдрического тетрагидроксоалюминат-иона происходит при высокой щелочности раствора (рН > 11) и большом избытке гидроксид-ионов. В интервале значений рН 7÷11 координационная сфера алюминия (III) достраивается до координационного числа 6 за счет молекул воды. В результате в растворе присутствует тетрагидроксоалкваалюминат-ион [Al(H2O)2(OH)4]-.
Исторические сведения. Химическое растворение гидроксида алюминия в щелочи первым наблюдал в 1844 г. французский химик Эдмонд Фреми (1814-1894), а в кислотах – английский химик Р. Филипс в 1848 г. и французский ученый Л. Пеан де Сен-Жиль (1832-1863) в 1856 г.