Занятие 5. Дисперсные системы. Растворы

Опыт 1. Получение суспензий.

Реактивы. Разбавленные (0,001 моль/л) водные растворы нитрата свинца и ртути (II) Pb(NO₃)₂ и Hg(NO₃)₂, хлорида или сульфата магния MgCl₂ или MgSO₄, сульфида натрия Na₂S, иодида калия KI и карбоната натрия Na₂CO₃.

Посуда. Высокие стеклянные цилиндры емкостью 0,5-1,0 л с пришлифованной стеклянной пробкой (3 шт.), химические стаканы емкостью 100 мл (3 шт.).

Описание опыта. В первый цилиндр, наполняя его на ½ объема, наливают раствор нитрата свинца, во второй – раствор нитрата ртути, в третий – раствор хлорида или сульфата магния. Затем из химических стаканов небольшими порциями добавляют, пока не образуется окрашенная взвесь, в первый цилиндр – раствор сульфида натрия, во второй – раствор иодида калия, в третий – раствор карбоната натрия.

В результате необратимых реакций:

Pb(NO₃)₂ + Na₂S = PbS +2NaNO₃

Hg(NO₃)₂ + 2KI = HgI₂ + 2KNO₃

MgCl₂ + Na₂CO₃ = MgCO₃ + 2NaCl

в первом цилиндре образуется суспензия черного сульфида свинца PbS, во втором – суспензия красного иодида ртути(II) HgI₂, а в третьем – суспензия белого карбоната магния MgCO₃. Цилиндры могут быть использованы для демонстрации суспензий многократно, в течение нескольких лет.

Исторические сведения. Сульфид свинца впервые выделил немецкий химик Иоганн Генрих Потт (1692-1777). Иодид ртути получил в 1813 г. французский химик Жозеф Луи Гей-Люссак (1778-1850). Состав карбоната магния установил в 1754 г. шотландский химик Джозеф Блэк (1728-1799).

Опыт 2. Образование эмульсии.

Реактивы. Бензол C₆H₆, тетрахлорид углерода CCl₄, кристаллический иод I₂, раствор натриевого мыла C₁₇H₃₅COONa (2 г стеарата натрия в 100 мл воды), дистиллированная вода.

Посуда. Стеклянные цилиндры с пришлифованной стеклянной пробкой емкостью 0,5-1,0 л (4 шт.), бюкс для кристаллического иода, стеклянный шпатель.

Описание опыта. В первый и во второй цилиндры наливают на ½ их объема воду, а затем – бензол слоем 2-3 см. после этого в каждый из цилиндров высыпают немного иода со шпателя. Во второй цилиндр добавляют еще 15-20 мл водного раствора натриевого мыла. Цилиндры закрывают пробками и энергично встряхивают, после чего ставят на демонстрационный стол. В первом цилиндре эмульсия быстро разделяется на два слоя: верхний бензольный, окрашенный иодом в фиолетовый цвет, и нижний – бесцветный, содержащий воду с примесью растворенного бензола.

Во втором цилиндре эмульсия молочно-белого цвета с фиолетовым оттенком долго сохраняется благодаря присутствию стабилизатора эмульсии (эмульгатора) – натриевого мыла. Аналогичные операции выполняют с водой и тетрахлоридом углерода в третьем и четвертом цилиндрах. В цилиндре без эмульгатора быстро образуются два слоя – нижний, состоящий из тетрахлорида углерода, окрашенного иодом в фиолетовый цвет, и верхний, бесцветный, водный с небольшой примесью растворенного CCl₄.

Исторические сведения. Природу эмульсий установил в 1845 г. итальянский химик Франческо Сельми (1817-1871), хотя эмульсии изучали и ранее. В частности, расслаивание жидкостей при разрушении эмульсии наблюдал в 1773 г. французский аптекарь Антуан Боме.

Опыт 3. Получение коллоидного раствора метагидроксида железа.

Реактивы. Водный (10%-ный) раствор хлорида железа (III) FeCl₃, не содержащий примеси хлороводородной кислоты, водный (5%-ный) раствор сульфата аммония (NH₄)₂SO₄, дистиллированная вода.

Посуда и приборы. Магнитная мешалка с электронагревателем, химические стаканы емкостью 600-1000 мл (2 шт.), капельница для раствора хлорида железа.

Описание опыта. Химический стакан наполняют дистиллированной водой (500 мл), ставят на магнитную мешалку и нагревают при перемешивании до кипения. В кипящую воду, не прекращая перемешивания, добавляют из капельницы раствор FeCl₃ до образования прозрачного раствора красно-бурого цвета. Так получается коллоидный раствор FeO(OH), в соответствии с уравнением реакции:

FeCl₃ + 2H₂O = FeO(OH) + 3HCl

Во второй стакан вливают 500 мл холодной дистиллированной воды и добавляют такое же количество раствора FeCl₃. В этом случае содержимое стакана остается почти бесцветным, поскольку железосодержащий продукт пиролиза, идущего по первой стадии, слабо окрашен:

[Fe(H₂O)₆]³⁺ + H₂O _←^→ [Fe(H₂O)₅OH]²⁺ + H₃O⁺

Коллоидные частицы метагидроксида железа FeO(OH) в первом стакане несут положительный заряд за счет адсорбции протонов хлороводородной кислоты. Они могут осаждаться (коагулировать) под действием многозарядных ионов, например таких, как сульфат-анион SO₄^2-. Если в стакан с данным коллоидным раствором добавить водный раствор сульфата аммония(NH₄)₂SO₄, то в растворе появятся хлопья осадка метагидроксида железа «ржавого» цвета; они постепенно будут опускаться на дно стакана, а раствор над осадком станет бесцветным. Избытка сульфат-анионов следует избегать, так как может произойти перезарядка коллоидных частиц, и они останутся в растворе.

Исторические сведения. Природу коллоидных растворов впервые установил в 1861 г. английский химик Томас Грэм (1805-1869). До него эти растворы не отличали от истинных.

Опыт 4. Растворимость хлороводорода в воде.

Реактивы. Кристаллический хлорид натрия NaCl, предварительно растертый в ступке, разбавленная (1:1) серная кислота H₂SO₄, концентрированная серная кислота H₂SO₄, водный (5%-ный) раствор гидроксида натрия NaOH, дистиллированная вода, водный раствор индикатора метилоранжа, лакмусовая бумага (синяя).

Посуда и приборы. Штатив, колба Вюрца емкостью 0,5 л, капельная воронка, склянка Тищенко для жидкостей, короткая пробирка, круглодонная колба из толстого стекла емкостью 1,0-2,0 л и пробка к ней с двумя отверстиями, химический стакан емкостью 600-1000 мл, стеклянная воронка, стеклянные трубки диаметром 5-6 мм (прямая с оттянутым концом и согнутая под прямым углом), резиновые трубки, винтовые зажимы, колбонагреватель, капельницы для растворов гидроксида натрия и индикатора метилоранжа.

Рис.1. Получение хлороводорода: 1 – капельная воронка; 2 – колба Вюрца; 3- пробирка; 4 – колбонагреватель; 5 – промывная склянка Тищенко; 6-зажим Гофмана; 7 – трубка.

Описание опыта. В колбу Вюрца 2 (рис. 1) засыпают 20-50 г хлорида натрия, а затем, наклонив колбу, вставляют капельную воронку 1 вместе с пробиркой 3. Затем закрепляют колбу в штативе, установив ее в колбонагревателе 4. Пользуясь стеклянной воронкой, в капельную воронку наливают разбавленную серную кислоту. При помощи резиновой трубки присоединяют колбу Вюрца к склянке Тищенко 5, наполненной на ¼ объема концентрированной серной кислотой, и открывают зажим 6. Открывают кран капельной воронки и выпускают серную кислоту в колбу небольшими порциями так, чтобы ножка воронки 1 и пробирка 3 были заполнены кислотой; это создает гидравлический затвор, исключающий прорыв газообразного хлороводорода HCl через капельную воронку.

Интенсивность выделения HCl зависит от температуры процесса. Без нагревания идет реакция:

NaCl + H₂SO₄ = NaHSO₄ + HCl↑

При нагревании образуется не гидросульфат, а сульфат натрия, и реакция идет более активно:

2NaCl + H₂SO₄ = Na₂SO₄ + 2HCl↑

В вытяжном шкафу некоторое время медленно пропускают хлороводород через склянку Тищенко, следя за пузырьками газа, чтобы вытеснить воздух из прибора. Надо учесть, что HCl тяжелее воздуха. Чтобы проконтролировать заполнение всего объема прибора хлороводородом, направляют конец резиновой трубки 7 на влажную синюю лакмусовую бумагу. Покраснение бумаги и появление белого «дыма» у конца резиновой трубки 7 свидетельствует о заполнении прибора хлороводородом. С этого момента закрывают кран капельной воронки и после того, как прекратится прохождение пузырьков газа в склянке Тищенко. Зажимают трубку 7 зажимом 6. Все описанные операции проводят перед показом опыта по растворению Hcl. Сам опыт начинается с того, что собирают газообразный хлороводород из установки (рис.1) в предварительно тщательно высушенную круглодонную колбу. Для этого к резиновой трубке 7 установки для получения HCl подсоединяют согнутую под прямым углом трубку и опускают ее до самого дна круглодонной колбы, поставленной горлом вверх. Газ пропускают до тех пор, пока около горла колбы не появятся густые клубы тумана. После этого колбу закрывают резиновой пробкой с двумя стеклянными трубками с винтовыми зажимами и закрепляют ее в штативе, как это на рисунке 2.

Рис. 2. Растворение хлороводорода в воде: 1 – круглодонная колба; 2 - пробка; 3 – стеклянная трубка с каплей воды; 4 – трубка; 5 – зажим Гофмана; 6 – стакан с водой; 7 – штатив.

Вставленная в пробку 2 трубка 3 с оттянутым концом содержит немного воды. Эту воду выжимают в колбу после ее закрывания. Трубку 4 опускают в стакан 6 с водой, куда предварительно добавляют несколько капель раствора гидроксида натрия и раствора метилоранжа (раствор имеет желтый цвет).

Хлороводород, собранный в колбе, растворяется в воде (что создает сильное разрежение) и взаимодействует с ней:

HCl + H₂O = H₃O⁺ + Cl^-

Как только будет открыт зажим на трубке 4, в колбе начинает фонтанировать вода (точнее – очень разбавленный раствор щелочи, подкрашенный индикатором метилоранжем в желтый цвет); постепенно этот раствор становится ярко-розовым из-за сильно кислотной среды раствора хлороводорода в воде.

Примечание. В 1 л воды при 20⁰С растворяется 442 л HCl, и этот процесс сопровождается выделением большого количества теплоты.

Исторические сведения. Получение хлороводорода действием серной кислоты на хлорид натрия и растворение его в воде с образованием хлороводородной кислоты («соляного спирта») описал немецкий алхимик монах Василий Валентин еще в XV в.

Опыт 5. Демонстрация растворения хлороводорода в воде с использованием стеклянного цилиндра.

Реактивы. Дистиллированная вода, водный (5%-ный) раствор гидроксида натрия NaOH, водный раствор индикатора метилоранжа.

Посуда и приборы. Высокий стеклянный цилиндр небольшого диаметра с пришлифованной стеклянной пластинкой, стеклянная чашка емкостью 1-2 л.

Описание опыта. Цилиндр наполняют хлороводородом из установки, описанной в опыте 4, и закрывают стеклянной пластинкой, предварительно смазав пришлифованные поверхности силиконовой смазкой или просто вазелином. Переворачивают цилиндр и погружают его в стеклянную чашку с водой, куда предварительно внесли несколько капель раствора метилоранжа (этот раствор имеет желтый цвет). Сдвигают под водой стеклянную пластинку и вынимают ее из чашки, а цилиндр держат за верхнюю часть рукой. Вода вначале медленно, а потом быстрее входит в цилиндр и поднимается в нем, заполняя его почти целиком. При этом она окрашивается в красный цвет.

Опыт 6. Растворимость глицерина в воде.

Реактивы. Глицерин C₃H₅(OH)₃, серная кислота H₂SO₄, разбавленная водой (1:5), дистиллированная вода, водный раствор индикатора метилоранжа или лакмуса.

Посуда. Высокий стеклянный цилиндр емкостью 0,5-1,0 л с пришлифованной стеклянной пробкой, химический стакан емкостью 250-400 мл, стеклянная палочка, капельница для раствора индикатора.

Описание опыта. Глицерин из стакана по стеклянной палочке наливают в цилиндр, заполняя 1/3 его емкости, добавляют 3-5 капель раствора серной кислоты и несколько капель раствора индикатора до получения после перемешивания красной окраски глицерина. Затем осторожно по стенке цилиндра, используя стеклянную палочку, чтобы избежать разбрызгивания, приливают такой же объем воды. Образуются два слоя жидкости: нижний – глицерина (глицерин тяжелее воды) красного цвета и верхний – воды. Цилиндр закрывают пробкой и хорошо взбалтывают. Граница раздела двух жидких фаз исчезает, происходит полное взаимное растворение воды и глицерина. Раствор приобретает розовую окраску. При стоянии разделения воды и глицерина на два слоя не произойдет: эти жидкости в обычных условиях неограниченно смешиваются друг с другом.

Исторические сведения. Глицерин впервые получил в 1779 г. шведский химик и аптекарь Карл Вильгельм Шееле (1742-1786) действием оксида свинца на оливковое масло при нагревании; он же наблюдал растворение глицерина в воде. Шееле назвал новое вещество «сладким началом жиров» за его своеобразный вкус.

Опыт 7. Растворимость фенола в воде.

Реактивы. Фенол C₆H₅OH (температура плавления 41⁰С), дистиллированная вода, разбавленный (5%-ный) водный раствор хлорида железа (III) FeCl₃, подкисленный хлороводородной кислотой HCl.

Посуда и приборы. Магнитная мешалка с электронагревателем, узкий высокий стакан емкостью 600 мл и второй стакан емкостью 2,0 л для охлаждения первого, термометр с интервалом измерения 0-100⁰С, капельница для раствора хлорида железа (III) FeCl₃.

Описание опыта. В стакан емкостью 600 мл наливают на 1/3 его объема воду и до половины этого объема добавляют фенол, ставят стакан на магнитную мешалку и тщательно перемешивают до образования эмульсии молочно-белого цвета. После этого мешалку выключают, и смеси дают отстояться. Через некоторое время образуются два слоя: нижний – раствор воды в феноле (28,7% воды) и верхний – раствор фенола в воде (8,7% фенола). Чтобы граница раздела фаз выглядела более контрастно, перед перемешиванием полезно добавить к смеси несколько капель раствора FeCl₃ , образующего с фенолом комплексное соединение, окрашенное в фиолетовый цвет. После демонстрации «двухслойной жидкости» включают мешалку и электронагреватель. При нагревании сначала образуется молочно-лиловая эмульсия. Затем по мере повышения температуры взаимная растворимость воды и фенола увеличивается. При 68,5⁰ С образуется однофазная смесь: растворимость воды в феноле и фенола в воде отвечает содержанию 66% воды и 34% фенола. Раствор приобретает однородность и становится прозрачным со слабо-фиолетовой окраской. При стоянии такого раствора (если температуру не понижать) двух жидких фаз не возникает. Выключают магнитную мешалку и нагреватель, а стакан с раствором помещают для охлаждения во второй, большего объема, наполненный холодной водой. При охлаждении сначала наблюдается помутнение раствора, опалесценция, а ниже 68,5⁰ С жидкость становится молочно-лиловой, превращаясь в эмульсию. Вскоре происходит разделение эмульсии на два слоя (нижний фиолетовый и верхний со слабо-лиловым оттенком). Полученная смесь может служить для многократного повторения опыта, если хранить ее в колбе, закрытой пробкой.

Исторические сведения. Фенол впервые получил в 1834 г. немецкий физик-органик Фридлиб Фердинанд Рунге (1794-1867), перегоняя каменноугольный деготь. Рунге назвал новое вещество «карболовой кислотой» и сообщил первые сведения о растворимости его в воде.

Опыт 8. Получение пересыщенного раствора ацетата натрия и его кристаллизация.

Реактивы. Кристаллический тригидрат ацетата натрия CH₃COONa×3H₂O, дистиллированная вода, глицерин C₃H₅(OH)₃.

Посуда и приборы. Плоскодонная колба емкостью 0,5-1,0 л, водяная баня с электрическим или газовым подогревом, вмещающая эту колбу, капельница для глицерина, часовое стекло, штатив, шпатель, темный экран.

Описание опыта. В плоскодонную колбу, не имеющую на внутренней поверхности царапин и сколов, засыпают 500 г тригидрата ацетата натрия и заливают 300 мл воды. Затем колбу погружают в водяную баню, укрепляя ее в штативе так, чтобы она не касалась ни дна, ни стенок бани; под колбу подкладывают керамическую или фторопластовую пластинку, чтобы предотвратить местный перегрев. Воду в бане подогревают до кипения, пока вся соль не растворится. Если полученный раствор окажется мутным, то соль перекристаллизовывают из водного раствора или берут ацетат натрия более высокой квалификации по чистоте. К полученному прозрачному раствору добавляют из капельницы 2-3 капли глицерина, который способствует образованию более крупных кристаллов. Горло колбы закрывают часовым стеклом и осторожно кипятят 2-3 мин для того, чтобы конденсат смыл с внутренней части горловины колбы остатки раствора. Затем колбу осторожно вынимают из бани, не снимая часового стекла, и медленно охлаждают, оберегая колбу от толчков. Охлажденный пересыщенный раствор ацетата натрия используют для демонстрации кристаллизации соли. Для этого в раствор высыпают со шпателя несколько кристалликов ацетата натрия. Как только кристаллики попадают в пересыщенный раствор, вокруг них начинается массовая кристаллизация, охватывающая весь объем раствора. Для большей наглядности позади колбы помещают темный экран.

Исторические сведения. Впервые получил ацетат натрия и наблюдал его кристаллизацию из раствора немецкий физик-химик Иоганн Кристиан Швейгер (1779-1857) в 1828 г.