Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Химия элементов. Лабораторный практикум
.pdf
Жесткость воды
Под жесткостью воды понимают совокупность приобретенных водой
свойств, обусловленных содержанием в воде катионов Ca2+ и Mg
2+
─ мыло
при стирке не мылится, при кипячении образуется накипь, пищевые
продукты с трудом развариваются, сваренные овощи невкусные, плохо
заваривается чай, очень вредна для металлических конструкций,
трубопроводов, кожухов охлаждаемых машин (корродируют).
Методы устранения жесткости воды называют методами умягчения
воды.
Жесткость воды обусловлена содержанием в ней растворимых солей
щелочноземельных металлов: Ca(HCO₃)₂, Mg(HCO₃)₂, CaCl₂, MgCl₂,
MgSO₄ и CaSO₄. При этом различают временную (устранимую
кипячением) и постоянную жесткость воды. Первая из них определяется
содержанием в воде гидрокарбонатов кальция и магния Ca (HCO₃)₂ и Mg
(HCO₃)₂, а вторая – содержанием в ней других растворимых в воде солей
этих металлов. При кипячении воды растворимые в ней гидрокарбонаты
разлагаются и выпадают в осадок:
tº 95-98ºС
Ca (HCO₃)₂ Ca CO₃↓ + CO₂ ↑+ H₂O;
tº кип.
Mg (HCO₃)₂ MgCO₃↓ + CO₂↑ + H₂O;
tº кип.
2Mg CO₃ + H₂O (MgOН)2 CO3↓ + CO₂↑;
Таким образом, при кипячении воды временная жесткость ее
устраняется. Сумма временной и постоянной жесткости воды составляет ее
общую жесткость.
Выражается жесткость воды в миллиэквивалентах (мэкв) катионов
Ca2+ и Mg2+, содержащихся в 1 литре воды (мэкв/л)
21
Лабораторная работа № 2
Опыт 1. Определение временной жесткости
Определение временной жесткости производится непосредственным
титрованием 100-200 мл воды 0,1н раствором HCl (соляной кислоты) в
присутствии индикатора метилоранжа:
Ca (HCO₃)₂ + 2 HCl = CaCl₂ + 2 H₂O + 2 CO₂↑;
Mg (HCO₃)₂ + 2 HCl = MgCl₂ + 2 H₂O + 2 CO₂↑;
В коническую плоскодонную колбу для титрования на 250 мл
налейте 200мл воды, временную жесткость который необходимо
определить, и добавьте 2-3 капли индикатора метилоранж. Из бюретки
осторожно добавляйте при активном перемешивании 0,1н соляную
кислоту (HCl) до перехода окраски с желтой до малиновой. Отметьте
объем 0,1н раствора соляной кислоты (HCl).
Пример: на 200 мл воды израсходовано при титровании 2,0 мл 0,1 н
соляной кислоты (НCl). Отсюда временная жесткость воды определяется:
2,0мл · 0,1н · 1000мл
Вр. ж. = = 1,0 мэкв/л
200мл
Опыт 2. Определение общей жесткости воды
Оттитрованную при определении временной жесткости воду в
течение 5-10 мин прокипятите для удаления из нее CO₂ и прилейте к ней
50 мл смеси из равных объемов 0,1 н растворов NaOH и Na2CO3 и снова
кипятите в течении 10 мин. При этом все ионы Ca2+ и Mg2+ связываются в
осадок:
CaCl₂ + Na₂ CO₃ = Ca CO₃↓ + 2NaCl;
MgSO₄ + 2NaOH = Mg (OH)2 ↓+ 2Na₂ SO₄ и т.д.
После этого воду охладите до комнатной температуры, перенесите
без потерь в мерную колбу емкостью на 500 мл, долейте до метки
дистиллированной водой, тщательно перемешайте и отфильтруйте через
сухой складчатый фильтр в сухую колбу.
Затем отмерьте 200 мл полученного при этом фильтрата и избыток
прилитой к ней щелочи оттитруйте 0,1н соляной кислотой в присутствии
метилоранжа. Разница между количеством добавленной к воде щелочи и
количеством кислоты, пошедшей на обратное титрование щелочи даст
общую жесткость воды.
22
Пример. К 200 мл нейтрализованной по метилоранжу воды прилито
25 мл 0,1 н раствора NаОН и 25мл 0,1н раствора Nа₂СО₃. После кипячения с
этой смесью вода разбавлена до 500 мл, отфильтрована и на 200 мл
фильтрата израсходовано при титровании 19,05 мл 0,1н раствора НСl. Из этих
данных следует, что к 500 мл исследуемой воды добавлено (25мл • 0,1н) +
(25мл • 0,1н) = 5 мэкв/л щелочи.
Израсходовано на обратное титрование, т.е. на избыток прилитой к
воде щелочи 19,05мл • 0,1н • 500мл/200мл = 4,7625 мэкв/л. Следовательно, 5 4,7625 = 0,2375 мэкв/л щелочи израсходовалось на осаждение всех ионов
кальция и магния, содержащихся в воде. Отсюда общая жесткость воды
равна: Об. ж. = 0,2375 · 1000 / 200 = 1,1875 мэкв/л; а постоянная: Пост.ж. =
1,1875 – 1,0 = 0,1875 мэкв/л.
Примечание. Вода, имеющая общую жесткость 1,5 - 4 мэкв/л, считается
мягкой, от 4 до 8 мэкв/л - умеренно жесткой и свыше 8 мэкв/л - жесткой.
Контрольные вопросы
1. Общая характеристика атомов щелочноземельных металлов.
2. Кальций и магний в природе, их свойства.
3. Физические и химические свойства щелочноземельных металлов.
4. Общая характеристика важнейших соединений щелочноземельных
металлов: гидридов, оксидов, гидроксидов.
5. Жесткость воды и способы ее устранения.
Задания для самопроверки
1. Напишите уравнения реакций, при помощи которых можно
осуществить следующие превращения:
а) Ba → Ba3N2 → Ba(OH)2 → Ba(NO3)
→ Ba 3(PO4)2 ;
2
б) Mg → MgO → MgCl2 → Mg(OH)2 → MgO → MgC2 ;
в) Ca → Ca(ОН)2 → CaС12 → CaCO3 → СaO → Ca(ОН)2 ;
г) Be→ Na2[Be(OH)4] → Be(OH)2 → BeO → Be2C → CH4 .
2. Металлический кальций оставили на воздухе на некоторое время.
Кусочек кальция, покрытые белым налетом, растворили в воде, а
выделившийся газ собрали. К этому газу добавили равный объем хлора и
взорвали. Полученный при этом газ пропустили через раствор,
полученный при растворении кусочка кальция в воде. Что можно
наблюдать при добавлении к полученному раствору нескольких капель
фенолфталеина? Напишите уравнения реакций, иллюстрирующих все
описанные превращения.
23
3. Оксид кальция в смеси с коксом нагревали в электропечи.
Полученный твердый продукт обработали водой, выделившийся газ при
27°С и давлении 1,2 атм занимал объѐм 20,5 л Какие массы оксида
кальция и кокса вступили в реакцию?
4. Образец окисленного магния был обработан раствором соляной
кислоты. При этом было затрачено 116,14 мл 20%-го раствора HCI
(пл.1,1гр/мл) и собрано 6,7л газа (н.у.). Вычислите массовую долю оксида
в исходном образце.
5. Образец оксида кальция долгое время хранился на воздухе. При
обработке такого образца раствором азотной кислоты было получено 0,56
л газа (н.у.) и затрачено 222,4 мл 5,5%-ного раствора азотной кислоты
(пл.1,03). Вычислите процентный состав такого образца.
6. Смесь опилок кальция и магния сожгли в кислороде и получили
2,448 г смеси оксидов, такое же количество исходной смеси опилок при
взаимодействии с азотом может образовать 2,088 г смеси нитридов.
Вычислите массовые доли металлов в смеси.
Проверь себя.
Сa3 N2 (тв.) CaCl2 (тв.) CaH
→ Ca(OH)
(ТВ.)
2
2
↑ ↓
Сa → Ca(NO
→ CaF2 → HF
3)2
↓
CaO(ТВ.) Ca(HCO3)
Сa ↓ ↑↓
Сa(NO3)2 Ca (OH)
СaСO
СO
3
СаС
2
Ca(OСl)2 ● CaCl2
2
(водн., тв.) → CaCO
2
+Cl2
Белильная известь
3
(водн)
2
(ТВ.)
24
ТЕМА 3. Элементы III – А группы. Бор. Алюминий
Плотность,
г/см3
t°
пл.
С
t°
кип.
С
φ°
Ме
3+
/
Ме,
В
B
2,34
2075
3700
-
Al
2,70
660
2500
- 1,700
Ga
5,90
29,8
2205
- 0, 560
In
7,31
156,4
2000
- 0, 338
Tl
11,85
304
1475
+ 0, 741
Главную подгруппу третьей группы (подгруппу бора)
составляют элементы бор, алюминий, галлий, индий и таллий. Некоторые
свойства этих элементов приведены в таблице.
Физические свойства элементов III – А группы. Таблица 3
Все элементы этой подгруппы относятся к p-элементам. Их атомы на
внешнем энергетическом уровне имеют по три электрона, чем объясняется
сходство в ряде свойств.
С увеличением порядкового номера элемента радиус атома
увеличивается от бора к алюминию и от галлия к таллию. Радиус атома
галлия чуть меньше, чем у атома алюминия, что объясняется строением
атомов этих элементов:
5B 1s2 │2s2 2p
1
13Al 1s22s2 2p6 │3s23p1
31Ga 1s22s2 2p63s2 3p6 │4s2 3d104p1
49In 1s22s2 2p63s2 3p64s2 3d
10 4p6
│5s2 4d105p1
81Tl 1s22s2 2p63s2 3p64s2 3d
валентные электроны
10 4p6 5s2 4d105p6
│6s2 4f
14 5d106p1
Заполненный 3-й d-подуровень приводит к уменьшению радиуса
атома галлия (так называемое d-сжатие). Заряд атома Ga на 18 единиц
больше, чем заряд ядра атома А1, в то время как при переходе от В к А1
заряд ядра атома увеличивается только на 8. Увеличение заряда ядра на 18
единиц приводит к более сильному притяжению электронов к ядру и
уменьшению радиуса атома.
Атомы элементов подгруппы бора образуют следующие виды химической связи: ковалентная полярная, ковалентная неполярная (В),
металлическая (Al—T1), ионная. Необходимо отметить, что отрицательная
степень окисления харакерна только для бора.
25
Устойчивая степень окисления для всех элементов, кроме таллия,
+ 3. Для таллия устойчивая степень окисления +1, так разность энергий nр
и ns орбиталей увеличивается с ростом значения n и у элементов VI
периода будет настолько значительной, что s электроны гораздо труднее
образуют химические связи.
Металлические свойства элементов подгруппы бора выражены
значительно слабее, чем у элементов подгруппы бериллия. Так, элемент
бор, который в периоде расположен между бериллием и углеродом,
относится к элементам-неметаллам. Он имеет наибольшую энергию
ионизации атома. Алюминий уже металл, но не типичный. Его гидроксид
обладает амфотерными свойствами. У таллия более сильно выражены
металлические свойства, а в степени окисления +1 он близок к элементамметаллам подгруппы лития. Все элементы подгруппы бора образуют
оксиды типа Э2O3. Им отвечают гидроксиды состава Э(OH)3, в водных
растворах они могут находиться в виде гидратированных ионов [Э (Н2О)6
]3+ (кроме бора). Бор — кислотообразующий элемент. Из металлов главной
подгруппы III группы наибольшее значение имеет алюминий.
В природе элементы подгруппы бора встречаются только в виде
соединений. Простые вещества этих элементов, кроме бора, будут
обладать восстановительными свойствами. Бор может быть как
окислителем, так и восстановителем. Соединения таллия в высшей степени
окисления +3 — сильные окислители. Соединения бора в степени
окисления —3, за счет бора, — только восстановители.
Свойства бора.
→H2 не реагирует
(но образует бороводороды - бораны в реакции НСl c Mg
→Cl2 tº ВCl
3
→Мg tº Mg3B2 (бориды)
3B2
)
В → → N
1100° С BN (боразон)
2
→O2 700° С B2O
→ C t° В4C3
→ H
→3HNO
→H
O 560-600° С B
2
3 конц. H3
2SO4 конц.
26
2O3
BO3 + 3NO
2H3BO3 + 3SO
3
2
2
B2O
→ → H2O H3BO
3
(ортоборная кислота)
3
2 HBO
2BN + 3H
→ 100° С HBO
B(OH)
(или H3BO3) → NaOH Na
→
3
(метаборная кислота)
2
O B2O3 + 2NH
2
B2O3
+ H2O
2
2В4O7
(тетраборат натрия)
+ H2O
3
Производные:
1. 2BN + 3H2O = B2O3 + 2NH3 ↑;
tº
2. H3BO3 = HBO
tº
3. 2HBO2 = B2O
+ H2O;
2
+ H2O;
3
4. mНСl + nMg3B2 = 3nMgCl2 + 2ВnНm ;
В результате данной реакции образуются бороводороды - бораны сложная
смесь: В2Н6 (газ); В4Н10; В5Н9; В5Н11; В6Н
(жидкости); В10Н14 (тв.).
10
Главным продуктом взаимодействия является тетраборан В4Н
t
10.
5. В4Н
= В2Н6 + В2Н4;
10
6. В2Н6 + 6H2O = 2Н3 ВO3 + 6H2;
7. Na2В4O7 + H2 SO4 + 5H2O = Na2 SO4 + 4Н3 ВO3.
Лабораторная работа №3 (а)
Опыт 1. Получение борной ортокислоты
В пробирку налейте 5-6 капель горячего насыщенного раствора буры
Na2B4O7 ·10H2O и внесите 2-3 капли концентрированной серной кислоты.
Охладите пробирку со смесью под краном для уменьшения
растворимости полученной борной ортокислоты.
Отметьте выпадение белых кристаллов H3BO3.
Напишите уравнение реакции получения борной ортокислоты из
тетрабората натрия при взаимодействии с серной кислотой. Солью какой кислоты
является тетраборат натрия? Напишите формулу этой кислоты.
27
Опыт 2. Кислотные свойства борной ортокислоты
В пробирку налейте 2 мл дистиллированной воды и поместите два
микрошпателя кристаллической H3BO3.
Тщательно размешайте стеклянной палочкой.
Для увеличения растворимости H3BO3 пробирку нагрейте. Полученный
раствор разделите на 2 пробирки. В одну из них прибавьте 2-3 капли универсального
индикатора. Определите по цвету индикатора величину рН, сравните с цветом
эталона.
В другую пробирку опустите кусочек ленты или порошка магния.
Отметьте выделение газа. Напишите уравнения реакций:
а) электролитической диссоциации борной ортокислоты по 1-ой ступени
и сделайте вывод из табличных данных величины константы диссоциации 1-ой
ступени кислоты – сильным или слабым электролитом является борная
ортокислота;
б) взаимодействия борной ортокислоты с магнием, учитывая, что
получается метаборат магния.
Опыт 3. Получение и горение борноэтилового эфира
Поместите в фарфоровый тигелек 3-4 кристаллика борной ортокислоты,
смочите их 2-3 каплями концентрированной серной кислотой и прилейте
около 1 мл. этилового спирта.
Перемешайте смесь стеклянной палочкой и подожгите выделяющейся
борноэтиловый эфир.
Напишите уравнения реакций: а) получение борноэтилового эфира
взаимодействием борной ортокислоты и этилового спирта. Какова роль
концентрированной серной кислоты? б) горения борноэтилового эфира.
28
Свойства алюминия.
→H2 не реагирует
→Cl2 AlCl
→N2 tº AlN
Al → →S tº Al2S
→O2 Al2O
→I2 tº kat. H
O Al I
2
3
3
3
3
→C 1200° С Al4C3
→H
→HCl AlCl
→HNO
→HNO
→H
→NaOH(распл.) tº NaAlO
O Al(OH)
2
3 разб.
3 конц.
SO
2
.
4 конц
Al(NO3)3 + NH4NO3 + H2О
не реагирует (пассивируется)
не реагирует (пассивируется)
+ H
3
+ H2 ↑
3
→ NaOH( конц.) tº Na3AlO
↑(из амальгамы)
2
+ H2 ↑
2
+ H2 ↑
3
→ 2NaOH(р-р.) + 10H
→ Fe
tº (алюмотермия) Fe + Al2O
2O3
O 2Na[Al(OH)4 (H2O)2 ] + 3H2 ↑
2
→ HCl AlCl
→электролиз Al
Al
→ → Na2CO3 tº NaAlO
2O3
→NaOH(распл.) tº NaAlO
→ 2NaOH(р-р.) + 7H
O 2 Na[Al(OH)4 (H2O)2]
2
3
→ HCl AlCl
→ tº Al
Al(OH)
→ → NaOH(р-р. разб..) + 2H2 О Na[Al(OH)4 (H2O)2]
3
→NaOH(распл.) tº Na
2O3
AlO
3
3
3
CO
2 +
+ H2 О↑
2
3
2
или NaAlO
↑
2
→ 3NaOH(р-р. концентр.) Na
29
[Al(OH)6]
3
Лабораторная работа № 3 (б)
Опыт 4. Взаимодействие алюминия с кислотами
В 6 пробирок внесите по 5-8 капель – в первые три – 2н растворов
соляной, серной и азотной кислот, во вторые три пробирки внесите
концентрированные растворы соляной, серной и азотной кислот.
В каждую пробирку опустите по маленькому кусочку алюминиевой
проволоки. Как протекают реакции на холоде? Нагрейте пробирки. Как
влияет нагревание? С какими кислотами алюминий не реагирует? Почему?
Отметьте наблюдаемые явления.
Напишите уравнения реакций, учитывая, что при нагревании
азотная кислота восстанавливается в основном до диоксида азота, а
концентрированная серная кислота на холоде – до сернистого газа, при
нагревании – частично до свободной серы.
Опыт 5. Взаимодействие алюминия со щелочами
В пробирку внесите кусочек алюминиевой проволоки и добавьте 3-4
капли воды. Нагрейте пробирку.
Наблюдается ли выделение водорода?
Добавьте в пробирку 5-8 капель 2н раствора гидроксида натрия.
Отметьте интенсивное выделение водорода при нагревании.
Отсутствие взаимодействия алюминия с водой объясняется наличием на
его поверхности плотной защитной пленки оксида. Добавленная щелочь
растворяет оксидную пленку и создает возможность непосредственного
взаимодействия алюминия с водой. Напишите уравнения реакций.
Опыт 6. Получение и свойства гидроксида алюминия
В 2 пробирки внесите по 2-3 капли 2н раствора соли алюминия
Al2(SO4)3 –сульфата алюминия и по каплям добавьте2н растворы
гидроксида натрия до образования белого студенистого осадка гидроксида
алюминия Аl(ОН)3.
В одну пробирку к полученному осадку добавьте 2н раствор
соляной кислоты, в другую – 2н раствора гидроксида натрия до
растворения осадков. Напишите уравнения реакций. Сделайте вывод о
свойствах гидроксида алюминия.
30
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]