Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Основы общей и неорганической химии. Учебное пособие
.pdf
компонент распределяется между раствором и органическим растворителем. В качестве растворителей часто используются бензол, диэтиловый эфир, толуол, хлороформ и др. Например, соединения трёхвалентного железа очищают от соединений двухвалентного железа экстракцией эфиром, галогены из водных растворов экстрагируют бензолом, редкоземельные элементы и некоторые соединения урана – трибутилфосфатом.
Рис. 2.2. Установка для перегонки при атмосферном
давлении:
1 – круглодонная колба; 2 – насадка Вюрца; 3 – термометр;
4 – холодильник Либиха; 5 – аллонж; 6 – приемник;
7 – колбонагреватель (стрелками указано направление
движения воды для охлаждения холодильника)
В лаборатории процесс экстракции обычно проводят в делительных воронках. С их помощью можно также разделить смесь двух нерастворимых друг в друге жидкостей после ее отстаивания.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Цель работы
Ознакомиться с наиболее распространенными в неорганическом синтезе методами очистки веществ. Освоить простейшие способы разделения и очистки веществ: декантацию, фильтрование, перегонку и перекристаллизацию.
21
Опыт 1. Очистка воды от нерастворимого твердого вещества
декантацией
К водопроводной воде, налитой в два химических стакана, добавьте
соответственно глину и песок или мелко измельченный мел и песок, хорошо перемешайте и наблюдайте отстаивание твердых частиц. В каком
стакане отстаивание происходит быстрее? Осторожно слейте отстоявшуюся жидкость с осадков. В каком случае
это сделать проще?
В отчете опишите опыт, отметьте скорость процесса, объясните, по-
чему песок отстаивается быстрее второго твердого вещества. В выводе
сформулируйте сущность, область применения, преимущества и недостатки метода декантации.
Для ускорения процесса отстаивания и декантации проведите (де-
монстрационное) центрифугирование части приготовленной суспензии
глины или мела. Для сохранения равновесия
и исключения вибрации
в противоположную часть ротора центрифуги поместите такую же пробирку с водой. Центрифугат от осадка можно отделить пипеткой или
декантацией. В отчете дайте определение методу центрифугирования,
отметьте его преимущества и недостатки, области применения.
Опыт 2. Очистка нерастворимого твердого вещества
от примесей при фильтровании
В ходе опыта необходимо очистить песок от примесей хлорида калия и сульфата меди (II) методом фильтрования. Для этого взвесьте на
технических весах около 5,0 г песка, добавьте к нему по 0,5 г хлорида
калия и сульфата меди (II). Полученную смесь перенесите в стеклянный
стакан и, добавив около 30 мл дистиллированной воды, переведите
в раствор, подогревая на электроплитке и размешивая взвесь стеклянной палочкой.
Для проведения опыта соберите установку для фильтрования с использованием бумажного фильтра (см. рис. 2.1). Придерживая рукой
фильтр, налейте в воронку немного дистиллированной воды и дайте ей
стечь. Затем отфильтруйте взвесь, перенося ее с помощью стеклянной
палочки на фильтр. Фильтрат соберите в приемный стакан. При этом
песок остается на фильтре, а растворенные примеси в виде фильтрата
переходят в приемник.
Используя качественные реакции и ориентируясь на цвет раствора,
убедитесь в наличии в фильтрате ионов растворенных солей, т. е. ионов
2
Cu2+, Cl–,
SO
. Для этого на предметное или часовое стекло нанесите
4
22
несколько капель фильтрата и проведите качественные реакции с нитратом серебра, затем с хлоридом бария. Что наблюдается? Образуются
ли осадки? О присутствии ионов Cu2+ можно судить по цвету раствора.
Составьте ионные уравнения качественных реакций.
Тщательно промойте песок на фильтре дистиллированной водой
2
и проверьте отсутствие ионов Cl–,
SO ,
выполнив еще раз качествен-
4
ные реакции. Если примеси остались, промывку песка повторите.
По окончании фильтрования, подцепив край фильтра каким-нибудь
острым предметом, выньте его вместе с осадком из воронки и высушите
на воздухе или в сушильном шкафу.
В отчете сформулируйте правила проведения очистки от примесей
нерастворимого твердого вещества при фильтровании.
Опыт 3. Очистка воды перегонкой
Для проведения опыта соберите установку для перегонки при атмосферном давлении (см. рис. 2.2). В круглодонную колбу налейте наполовину объема профильтрованной воды, добавьте несколько кристалликов перманганата калия для окисления возможных примесей органических веществ. Туда же поместите капиллярные трубки или кусочки
красного кирпича (кипелки) для равномерного кипения. Присоедините
колбу с помощью насадки Вюрца, в которую вставлен термометр, к холодильнику и заполните его водой. Поток воды следует подавать снизу
вверх по принципу противотока. На нижнюю часть холодильника
наденьте аллонж, конец которого поместите в колбу-приемник. Отогнав
примерно 10–20 мл воды, сравните ее цвет до и после перегонки. Сравните содержание примесей в очищенной воде с водопроводной. Для
этого на два часовых стекла налейте по одному миллилитру той и другой воды и выпарите на спиртовке или электроплитке досуха. О чистоте
воды можно судить по наличию налета сухого вещества на стекле.
В отчете нарисуйте установку, опишите опыт и результаты сравнения чистоты воды. В выводе сформулируйте сущность, область применения, достоинства и недостатки метода дистилляции.
Опыт 4. Очистка сульфата меди перекристаллизацией
При перекристаллизации безводного сульфата меди из его насыщенного раствора при охлаждении будут выпадать кристаллы синего
цвета – медный купорос СuSO4 ꞏ 5Н2О.
23
Выполнение опыта
1. Перед началом эксперимента, пользуясь таблицей растворимости
безводного сульфата меди, вычислите, какое количество воды и соли
надо взять для приготовления такого количества насыщенного при
80 °С раствора соли, из которого при последующем охлаждении до
20 °С выделилось бы 5 г СuSO4 ꞏ 5Н2О. Соли меди могут содержать не-
большое количество хлористого калия, от которого можно очиститься
при перекристаллизации, а также нерастворимые примеси (песок, кусочки угля). Поэтому навеску соли нужно взять на 10 % больше вычисленного.
С увеличением температуры растворимость сульфата меди СuSO
возрастает, что видно из справочных данных, приведенных в таблице.
Растворимость сульфата меди, г в 100 г раствора
4
Формула
соли
СuSO4 12,9 14,8 17,2 20,0 22,8 25,1 28,1 34,9 42,4
0 10 20 30 40 50 60 80 100
Температура, ºС
2. Взвесьте на технохимических весах необходимое количество
в граммах сульфата меди. Отмерьте цилиндром вычисленное количество дистиллированной воды, вылейте в стакан и нагрейте до 80 °С. Растворите в воде при перемешивании стеклянной палочкой навеску соли.
3. Для проверки, содержатся ли в приготовленном растворе ионы
хлора, налейте в пробирку 3–4 капли раствора, добавьте одну каплю
раствора AgNO3 и две капли раствора азотной кислоты. При выпадении
осадка отметьте его цвет. В отчете напишите уравнения реакций в молекулярном и ионном виде.
4. После испытания на хлорид-ионы для отделения нерастворимых
механических примесей раствор, нагретый до 80…85 °С, отфильтруйте
через воронку для горячего фильтрования со складчатым фильтром.
Насыщенный раствор при таком фильтровании не будет охлаждаться,
а значит, вещество не будет кристаллизоваться на фильтре и тем самым затруднять процесс фильтрования. Простейшее приспособление
для горячего фильтрования водных растворов состоит из термостойкого стакана, в который наливают немного воды, и укороченной воронки с фильтром (рис. 2.3).
Верхний диаметр воронки должен быть немного больше диаметра
стакана. Воду в стакане доводят до кипения и после того, как пары
24
прогреют воронку, наливают на фильтр разделяемую суспензию. Воронку необходимо накрыть часовым стеклом во избежание охлаждения
раствора с поверхности. Во время фильтрования раствор в стакане должен слабо кипеть.
5. Помешивая фильтрат стеклянной палочкой, охладите его до
20 °С, поместив в кристаллизатор с холодной водой.
После охлаждения выпавшие кристаллы соли отделите от маточного
раствора фильтрованием. Лучше процесс фильтрования проводить под
вакуумом. Почему? Для проведения фильтрования под вакуумом соберите установку, представленную на рис. 2.4.
Рис. 2.3. Приспособление
для горячего фильтрования
Рис. 2.4. Установка для фильтрования
под вакуумом:
1 – воронка Бюхнера; 2 – резиновая пробка;
3 – трубка, подключенная к водоструйному
насосу; 4 – колба Бунзена
Фарфоровую воронку Бюхнера 1 с резиновой пробкой 2 вставьте
в колбу Бунзена 4 (толстостенная колба с отростком). На пористое дно
воронки положите обрезанный по диаметру воронки бумажный фильтр,
который смочите дистиллированной водой. Боковой отросток 3 соедините с водоструйным насосом и наблюдайте плотное прилегание фильтра к перфорированной поверхности воронки. После этого наполните
воронку фильтруемым раствором с осадком. Фильтрование считается
законченным, когда из воронки перестанут стекать капли раствора. После окончания фильтрования рекомендуется промыть кристаллы соли
в 5–10 мл холодной дистиллированной воды (уточните, зачем). Сравните скорость данного процесса со скоростью обычного фильтрования.
25
6. По окончании промывки снимите кристаллы соли с воронки
и отожмите их между листами фильтровальной бумаги до тех пор, пока
они не перестанут прилипать к сухой стеклянной палочке.
7. Полученную соль взвесьте на технохимических весах. Опреде-
лите в процентах выход соли, принимая количество СuSO4 ꞏ 5Н2О, которое должно было выделиться, за 100 %.
8. Из очищенной соли приготовьте 2–3 мл раствора и испытайте его
на присутствие хлорид-ионов. Что наблюдается? Удалось ли вам добиться очистки исходной соли от хлорид-ионов?
В отчете кратко опишите опыт, зарисуйте схему установки для
фильтрования под вакуумом, перечислив необходимое оборудование.
Приведите результаты расчетов, объясните причины потерь сульфата
меди в процессе перекристаллизации. В выводе сформулируйте сущность, область применения, достоинства и недостатки метода перекристаллизации.
Контрольные вопросы
1. Классификация химических реактивов по степени чистоты.
2. В каких случаях необходимо проводить очистку веществ перед
началом эксперимента?
3. Как декантировать раствор над осадком из сосуда большого объ-
ема?
4. Какие способы фильтрования существуют? Какие фильтрующие
материалы могут быть использованы для процесса фильтрования?
От каких примесей происходит очистка при фильтровании?
5. Приведите по одному примеру использования для разделения или
очистки веществ следующих методов: а) выпаривания; б) отстаивания.
6. На чем основан метод простой перегонки? Какие виды вы знаете?
Когда применяют этот метод? Сформулируйте правила проведения перегонки при атмосферном давлении. Что такое дефлегматор? В каких
установках и для чего он применяется?
7. От каких примесей нельзя очистить воду простой перегонкой?
Как перегонять жидкости с высокой температурой кипения?
8. Для каких целей используют делительные воронки? На чем осно-
ван метод экстракции? Какие виды экстракции существуют? Какова область применения этого метода?
26
9. Что такое перекристаллизация? Опишите суть и область примене-
ния этого метода. Почему при перекристаллизации происходит очистка
от растворимых примесей?
10. Насыщенный раствор сульфата натрия приготовлен при 20 °С. Ка-
кими двумя способами из этого раствора можно приготовить ненасыщенный раствор?
11. Какие вещества и от каких примесей можно очистить методом
сублимации? В чем преимущества и недостатки этого метода перед перегонкой и перекристаллизацией?
12. Что называется процессом центрифугирования? В каких случаях
он применяется?
27
Х
Х
Глава 3
ЗАКОН ЭКВИВАЛЕНТОВ. ОПРЕДЕЛЕНИЕ
МОЛЯРНОЙ МАССЫ ЭКВИВАЛЕНТА ЭЛЕМЕНТА
Химический эквивалент (Э) – это реальная или условная частица
вещества Х, которая может присоединять, высвобождать или быть каким-либо другим способом равноценна одному атому (иону) водорода
в обменных (кислотно-основных) реакциях или одному электрону
в окислительно-восстановительных реакциях.
Фактор эквивалентности
экв
доля реальной частицы вещества Х эквивалентна одному иону водорода
в данной кислотно-основной реакции или одному электрону в данной
окислительно-восстановительной реакции:
экв
– число, показывающее, какая
()f
1
экв
,(f Хz
)
где
– число эквивалентности (эквивалентное число) – величина,
z
экв
обратная фактору эквивалентности, которая показывает, сколько химических эквивалентов содержит одна формульная единица вещества Х.
Фактор эквивалентности может быть равен или меньше единицы.
Например,
экв
Mg 1/ 2()f
;
экв
= 1;
()Naf
KMnO 1 / 5()f
экв 4
(кислая
среда).
Масса одного моля эквивалента вещества Х, равная произведению
фактора эквивалентности на молярную массу вещества Х, называется
молярной массой эквивалента:
()
M Х M Х f
экв экв
() .()
28
M
z
экв
Зная массу вещества и молярную массу эквивалентов этого веще-
Х
Х
A
D
ства, можно определить количество вещества эквивалентов (число молей эквивалентов данного вещества Х):
()
n Х
экв
m Х
M
экв
.
()
()
Для веществ, находящихся в газообразном состоянии, можно опре-
делить эквивалентный объем
экв
.
()V
Эквивалентный объем газа (Х) равен произведению его молярного
объема
на фактор эквивалентности:
V
m
.
VVf
экв экв
m
Эквивалентный объем зависит от свойств и состава газа, участвующего в реакции, измеряется в л/моль. Для газообразных водорода и кислорода:
H1 /2 22,4л/моль 11, 2 л/моль;()V
экв 2
О 1/4 22,4 л/моль 5,6 л/моль.()V
экв 2
Для выполнения расчетов, связанных с взаимодействием различных
веществ, используют закон эквивалентов: массы реагирующих между
собой веществ, а также массы продуктов реакции пропорциональны молярным массам химических эквивалентов этих веществ. Для условной
реакции
AB D F
BDF
где А, В, D, F – участники реакции;
ABDF
,
– соответствующие
,, ,
стехиометрические коэффициенты, числа молей химических эквивалентов
n участников реакции одинаковы:
экв
.
nnnn
экв экв экв экв
ABDF
Обозначая массы реагирующих веществ через m, для предложенной
химической реакции можно записать:
M
m
mM
экв
экв
A
;
A
BB
M
m
mM
экв
A
экв
;
m
mM
FF
экв
экв
A
.
A
A
D
M
29
Если реакция протекает в газовой фазе, то можно использовать со-
D
ответствующие объемные соотношения:
V
V
VV
экв
A
BB
A
;
экв
V
V
VV
экв
A
экв
A
;
D
V
V
VV
экв
A
FF
A
.
экв
В случае, когда А – твердое вещество, а В – газ, справедливо выражение
M
m
VV
BB
экв
экв
A
.
A
В стехиометрических расчетах, основанных на законе эквивалентов,
важным является установление чисел эквивалентности
z участников
экв
реакции. В обменных реакциях число эквивалентности вещества определяется стехиометрическим уравнением реакции. Если известно число
эквивалентности
выше, то число эквивалентности
вещества А в условной реакции, приведенной
z
экв A
вещества В можно найти из со-
z
экв B
отношения
A
zz
экв экв
BA
.
B
Числа эквивалентности веществ в реакциях, протекающих без изменения степеней окисления элементов, можно рассчитать, используя состав формульной единицы вещества. Так, в обменных реакциях только
одноосновные кислоты, однокислотные основания, их соли и оксиды
имеют постоянное значение числа эквивалентности
(1).z
экв
Для много-
основных кислот, многокислотных оснований, их солей и оксидов значение числа эквивалентности зависит от стехиометрического уравнения
и условий протекания реакции.
Например, для двухосновной кислоты
HSO
24
экв
2z
в реакции об-
разования средней соли
H SO 2NaOH Na SO 2H O
24 24 2
и
1z в реакции образования кислой соли
экв
HSO NaOH NaHSO HO.
24 4 2
30
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]