Занятие 2. Классы химических веществ

Опыт 1. Получение оксида и гидроксида кальция.

Реактивы. Карбонат кальция (известняк или мрамор) CaCO₃, дистиллированная вода, разбавленная (1:2) хлороводородная кислота HCl, спиртовой раствор индикатора фенолфталеина.

Посуда и приборы. Муфельная или тигельная печь, фарфоровая чашка, эксикатор с натронной известью в качестве поглотителя, промывалка для дистиллированной воды, химические стаканы емкостью 400-600 мл (2 шт.), стеклянная палочка, шпатель, капельница для раствора индикатора.

Описание опыта. Кусок мрамора или известняка в фарфоровой чашке заранее прокаливают в печи при 900-1000º С, а затем охлаждают в эксикаторе над натронной известью. При прокаливании карбонат кальция разлагается:

CaCO₃→ CaO + CO₂↑

Демонстрацию основных свойств оксида кальция ведут, обливая кусок прокаленного вещества в чашке водой из промывалки. При этом происходит превращение оксида кальция в гидроксид в соответствии с химической реакцией:

CaO + H₂O → Ca(OH)₂

Этот химический процесс сопровождается большим тепловыделением. Образуется гашенная известь – «пушёнка».

Часть полученного вещества с помощью шпателя переносят в химический стакан, добавляют 200-300 мл воды и 4-5 капель раствора фенолфталеина. Жидкость (суспензия гидроксида кальция в воде) окрашивается в малиновый цвет: среда становится щелочной, поскольку происходит реакция:

Ca(OH)₂ = Ca²⁺ + 2OH^-

К окрашенному фенолфталеином содержимому стакана при постоянном перемешивании добавляют разбавленную хлороводородную кислоту, добиваясь исчезновения окраски и превращения суспензии в прозрачный раствор:

Ca(OH)₂ + 2HCl = CaCl₂ + 2H₂O

Исторические сведения. Образование гашеной извести Ca(OH)₂ и негашеной извести CaO – процессы, известные с глубокой древности. Систематическое исследование разложения карбоната кальция и взаимодействия его с водой первым проверил в 1754-1757 гг. шотландский химик Джозеф Блэк (1728-1799). Его прогрессивные по тому времени взгляды на природу этого вещества позднее оспаривал немецкий химик и аптекарь Иоганн Фридрих Мейер (1705-1765) в своей монографии «Химические опыты для более близкого познания негашеной извести как чистейшей сущности огня и первоначальной всеобщей кислоты» (1764).

Опыт 2. Получение гидроксида натрия.

Реактивы. Металлический натрий Na, дистиллированная вода, разбавленная (1:2) хлороводородная кислота HCl, спиртовой раствор индикатора фенолфталеина.

Посуда и приборы. Полилюкс, стеклянная чашка Петри, пинцет, фильтровальная бумага, стеклянная палочка, капельницы для раствора индикатора и разбавленной хлороводородной кислоты, белый экран.

Описание опыта. Чашку Петри помещают на световое окно полилюкса, защитив его большой (25×25) стеклянной пластиной, включают лампу полилюкса и регулируют резкость изображения чашки на экране. Наливают в чашку воду и вносят несколько капель фенолфталеина. Затем с помощью пинцета кладут в чашку небольшой (величиной с горошину) кусочек металлического натрия. Предварительно поверхность металла, который хранится под слоем керосина, тщательно вытирают фильтровальной бумагой.

После внесения натрия в воду сразу же начинается бурная реакция, приводящая к выделению водорода и образованию гидроксида натрия:

2Na + 2H₂O = 2NaOH + H₂↑

Поскольку реакция сопровождается большим тепловыделением, металлический натрий плавиться и, увлекаемый пузырьками образующегося водорода, «бегает» по поверхности воды, оставляя за собой «шлейф» раствора гидроксида натрия, окрашенный в ярко-малиновый цвет. Все это весьма эффектно выглядит на экране. Гидроксид натрия – сильное основание, и в водной среде нацело диссоциирует, чем вызвана окраска индикатора в растворе:

NaOH = Na⁺ + OH^-

После окончания бурной реакции взаимодействия натрия с водой перемешивают раствор гидроксида натрия стеклянной палочкой, добиваясь равномерно розовой его окраски, а затем добавляют по каплям хлороводородную кислоту. В растворе возникают неокрашенные области, поскольку идет реакция нейтрализации щелочи кислотой, приводящая к образованию соли:

NaOH + HCl = NaCl + H₂O

Исторические сведения. Впервые наблюдал взаимодействие металлического натрия с водой английский химик Гэмфри Дэви (1778-1829), который в 1807 г. выделил металлический натрий из расплава его соли электролизом.

Опыт 3. Получение и свойства оксида фосфора (V) и ортофосфорной кислоты.

Реактивы. Красный фосфор Р_x, дистиллированная вода, водный раствор индикатора метилоранжа.

Посуда и приборы. Штатив, железная пластинка, большая стеклянная воронка, промывалка для дистиллированной воды, химический стакан емкостью 600 мл, шпатель, стеклянная палочка, капельницы для раствора индикатора.

Описание опыта. Небольшую порцию красного фосфора (не более 0,5 г) кладут на железную пластинку, над ним укрепляют в штативе перевернутую отводной трубкой вверх стеклянную воронку так, чтобы между краями воронки и пластиной оставалось расстояние 1-1,5 см. Красный фосфор поджигают. Яркое пламя горящего фосфора должно находиться под стеклянной воронкой, а выделяющийся по реакции:

4P + 5O₂ = P₄O₁₀

оксид фосфора (V) (белый «дым»)- конденсироваться на внутренней поверхности воронки. После окончания горения фосфора и остывания воронки ее вынимают из лапки штатива и смывают быстро расплывающийся белый твердый оксид фосфора (V) обильной струей воды из промывалки, собирая образующийся раствор в стакан. После окончания этой операции (когда объем жидкости в стакане достигает 2/3 его емкости) добавляют к раствору несколько капель раствора метилоранжа. Раствор окрашивается в ярко-розовый цвет, поскольку при взаимодействии Р₄О₁₀ с избытком воды образовалась ортофосфорная кислота:

P₄O₁₀ + 6H₂O = 4Н₃РО₄

которая в водной среде подвергается обратимому протолизу и создает в растворе кислотную среду:

Н₃РО₄ + H₂O = Н₂РО₄^- + H₃O⁺

Исторические сведения. Фосфор выделил и изучил в 1669 г. немецкий химик Хённиг Бранд (1630-1710), и это было первое датированное открытие химического элемента.

Опыт 4. Получение и свойства гидроксидов бериллия, алюминия и хрома(III).

Реактивы. Разбавленные (5%-ные) водные растворы хлорида бериллия BeCl₂, хлорида алюминия AlCl₃ и сульфата хрома(III)-калия KCr(SO₄)₂ , разбавленная (1:2) хлороводородная кислота HCl, водный (10%-ный) раствор гидроксида натрия NaOH, разбавленный (1:5) раствор аммиака (гидрат аммиака NH₃ · H₂O).

Посуда и приборы. Магнитная мешалка, химические стаканы емкостью 400 мл (8 шт).

Описание опыта. Стакан с раствором хлорида бериллия ставят на магнитную мешалку и включают перемешивание в умеренном режиме. Небольшими порциями, не прекращая перемешивания, вносят в стакан гидрат аммиака до выпадения студенистого осадка гидроксида бериллия:

BeCl₂ + 2( NH₃ · H₂O) = Be(OH)₂↓ + 2NH₄Cl

Прекращают перемешивание, суспензию гидроксида бериллия делят пополам: одну часть оставляют в стакане, где проводилось осаждение, а вторую переносят в следующий стакан. В первый стакан добавляют раствор хлороводородной кислоты до растворения осадка гидроксида бериллия и получения раствора соли бериллия:

Be(OH)₂ + 2HCl = BeCl₂ + 2H₂O,

А во второй – раствор гидроксида натрия до получения тетрагидроксобериллата натрия: Be(OH)₂ + 2NaOH = Na₂[Be(OH)₄].

Таким образом, доказывают, что амфотерный гидроксид бериллия реагирует со щелочами, и с кислотами с образованием солей. Аналогичные операции проводят с растворами хлорида алюминия и сульфата хрома(III)-калия. При этом происходят реакции осаждения бесцветного гидроксида алюминия:

AlCl₃ + 3(NH₃ · H₂O) = Al(OH)₃↓ + 3NH₄Cl

И химического растворения его в кислоте и в щелочи:

Al(OH)₃ + 3HCl = AlCl₃ +2H₂O

Al(OH)₃ + NaOH = Na[Al(OH)₄]

А также осаждения серо-зеленого гидроксида хрома:

2KCr(SO₄)₂ + 6(NH₃ · H₂O) = 2Cr(OH)₃↓ + 3(NH₄)₂SO₄ + K₂SO₄

И химического растворения его с образованием солей при взаимодействии с кислотой и щелочью:

Cr(OH)₃ + 3HCl = CrCl₃ + 3H₂O

Cr(OH)₃ + 3NaOH = Na₃[Cr(OH)₆]

Исторические сведения. Понятие «амфотерность» ввели в химию в 1814 г. французские химики Жозеф Луи Гей-Люссак (1778-1850) и Луи Жак Тенар (1777-1857).

Опыт 5. Получение гидроксида-хлорида кобальта (II).

Реактивы. Разбавленный (5%-ный) водный раствор хлорида кобальта (II) CoCl_2, водный (5%-ный) раствор гидроксида натрия NaOH.

Посуда и приборы. Магнитная мешалка, два химических стакана емкостью 250-400 мл, стеклянная палочка.

Описание опыта. Стакан с раствором хлорида кобальта ставят на магнитную мешалку и включают перемешивание умеренного режима, затем постепенно, небольшими порциями вносят раствор гидроксида натрия до появления голубого осадка основной соли гидроксида-хлорида кобальта:

CoCl₂ + NaOH = CoCl(OH)↓ + NaCl

Отметив характерную окраску осадка и не прекращая перемешивания, добавляют новые порции раствора гидроксида натрия до получения розового гидроксида кобальта Co(OH)₂:

CoCl(OH) + NaOH = Co(OH)₂ + NaCl

Исторические сведения. Классификацию солей по типам (нормальные, или средние, кислые и основные) предложил в 1754 г. французский химик и крупный педагог Гийом Франсуа Руэль (1703-1770).

Опыт 6. Сульфит и гидросульфит бария.

Реактивы. Разбавленный (5%-ный) водный раствор Ba(OH)_2, водный (5%-ный) раствор гидроксида натрия NaOH, газообразный диоксид серы SO₂ из газометра или установки.

Посуда и приборы. Химические стаканы емкостью 250-400 мл (3 шт.), стеклянная палочка, капельница для раствора гидроксида натрия, электрическая плитка или газовая горелка со штативом, газометр или установка для получения диоксида серы.

Описание опыта. В стакан с раствором гидроксида бария опускают отводную стеклянную трубку и начинают пропускать газообразный диоксид серы. Через 1-2 мин содержимое стакана мутнеет из-за образования суспензии сульфида бария в соответствии с уравнением реакции:

Ba(OH)₂ + SO₂ = BaSO₃↓ + H₂O

Продолжают пропускать газ в образовавшуюся суспензию вплоть до растворения осадка за счет образования кислой соли – гидросульфита бария:

BaSO₃ + SO₂ + H₂O = Ba(НSO₃)₂

Полученный бесцветный раствор переливают в равных количествах во второй и третий стаканы, оставляя часть его в первом стакане для сравнения. К раствору во втором стакане добавляют из капельницы немного раствора гидроксида натрия до выпадения осадка:

Ba(НSO₃)₂ + 2NaOH = Na₂SO₃ + BaSO₃↓ + 2H₂O

Третий стакан с раствором нагревают, добиваясь выпадения осадка сульфита бария:

Ba(НSO₃)₂ = BaSO₃ + SO₂↑ + H₂O

Наблюдаемые эффекты показывают процессы получения, и разрушения кислой соли и превращения ее в среднюю.

Исторические сведения. См. опыт 5.