Khimia_002

Виконаємо демонстраційний дослід, відомий під назвою «неви# диме чорнило», і пересвідчимося у водовідбірних властивостях концентрованої сульфатної кислоти. Для цього на ватмані напи# шемо розбавленою сульфатною кислотою Н2SO4 (роль пензля ви# конає скляна паличка) (рис. 26а) й почнемо знизу нагрівати напис на помірному вогні, тримаючи папір від прямого вогню на відста# ні, що унеможливлює його займання. Мине небагато часу, й напис стане видимим — літери набудуть чорно#сірого кольору (рис. 26б).

Пояснюється це тим, що в процесі нагрівання через випарову# вання води з розчину концентрація сульфатної кислоти збільшилася настільки, що речовина почала проявляти свої окисні властивості. Як вам відомо з 9 класу, целюлоза (з неї виготовлено ватман) — при# родний полімер, склад якого можна записати формулою (С6Н10О5)n. Концентрована сульфатна кислота окиснює целюлозу з утворенням вуглецю (його колір проявився в написі) та води, що випарувалася.

На водовідбірних властивостях концентрованої сульфатної кисло# ти ґрунтується демонстраційний дослід «ескімо на паличці». Для його проведення цукрову пудру С12Н22О11 змочують невеликою кількістю концентрованої сульфатної кислоти й ретельно перемішують. Уміст посудини темніє (обвуглюється), збільшується в об’ємі настільки, що виходить за межі посудини, зберігаючи її контури (рис. 26в, г).

а

Рис. 26. Окиснення органічних речовин сульфатною кислотою

У реакціях з металами окиснювальні властивості концентрова# ної сульфатної кислоти проявляються в тому, що водень не виділя# ється, а утворюється сіль сульфатної кислоти, вода та один із про# дуктів відновлення Сульфуру (рис. 27).

Рис. 27. Схема взаємодії концентрованої сульфатної кислоти з металами

71

Концентрована сульфатна кислота взаємодіє з міддю, продук# том відновлення є сульфур(ІV) оксид:

Сu + 2H2SO4 = СuSO4 + 2H2O + SO2

У такий спосіб добувають сірчистий газ у лабораторії.

Користуючись схемою, складіть рівняння реакції цинку з концен# трованою сульфатною кислотою, якщо продуктом відновлення є сірка.

Якісна реакція на сульфат/іони. Наявність сульфат#іонів у розчині виявляють за допомогою катіонів Барію.

За таблицею розчинності переконайтеся, що з#поміж наведених у ній сульфатів барій сульфат є нерозчинною у воді речовиною.

Цю властивість барій сульфату використовують для якісного виявлення сульфат#іонів у розчині.

Проведемо демонстраційний дослід. В одну пробірку наллємо розчин сульфатної кислоти, у другу — розчин натрій сульфату, у третю — розчин купрум(ІІ) сульфату. До однієї з них доллємо розчин барій нітрату, до другої — розчин барій гідроксиду, до тре# тьої — розчин барій хлориду (рис. 28). У кожній з трьох пробірок утворився однаковий білий дрібнокристалічний осад. З’ясуємо, чому різні речовини утворили однаковий осад. Усі реагенти роз# чинні у воді, тож дисоціювали на йони:

H2SO4 = 2H+ + SO24–

Na2SO4 = 2Na+ + SO24–

CuSO4 = Cu2+ + SO24–

Ba(NO3)2 = Ba2+ + 2NO–3

Ba(OH)2 = Ba2+ + 2OH–

BaCl2 = Ba2+ + 2Cl–

З рівнянь електролітичної дисоціації бачимо, що розчини в пробірках мали спільні аніони SO24–, долиті до кожного з них розчини містять катіони Ba2+. Як свідчить таблиця розчинності, ка# тіони Барію із сульфат#аніонами утворюють нерозчинну сіль барій сульфат BaSO4.

Напишіть молекулярні та повні йонні рівняння реакцій, прове# дених у цьому демонстраційному досліді (у другій і третій про# бірках).

72

1 2 3

Рис. 28. Якісна реакція на сульфат!іони

Якісною реакцією на сульфат/аніони є взаємодія їх з катіонами Барію (розчинними у воді сполуками Барію), у результаті чого утворюється нерозчинний у воді і кислотах білий дрібнокристалічний

осад барій сульфату.

Скорочене йонне рівняння якісної реакції таке: Ba2+ + SO24– = BaSO4

Закріпіть знання про якісну реакцію на сульфат#іони, виконав# ши завдання лабораторного досліду 5.

Найважливіші природні сульфати — гіпс СаSO4 · 2Н2О; глау/ берова сіль Na2SO4 · 10H2О; гірка сіль MgSO4 · 7H2О. Із наведених формул стає зрозуміло, що це кристалогідрати, тобто вони містять кристалізаційну воду, яка при нагріванні випаровується. На цій властивості кристалогідратів ґрунтується виробництво алебастру 2СаSO4 · Н2О з природного гіпсу, який нагрівають до 120–190 °С, унаслідок чого він втрачає частину води. При змочу# ванні водою кімнатної температури алебастр легко приєднує воду й знову перетворюється на гіпс. Це відбувається щоразу при накладанні гіпсових пов’язок на травмовані частини тіла, під час виготовлення гіпсових виробів художнього та будівельного при# значення. Глауберову сіль Na2SO4 · 10H2О застосовують у вироб# ництві скла, соди, фарб, у медицині. Гірку сіль MgSO4 · 7H2О ви# користовують в обробці тканин, дубінні шкіри, виготовленні медичних препаратів.

Закріпіть знання про природні сполуки Сульфуру, виконавши завдання лабораторного досліду 4.

Застосування сульфатної кислоти. Розгляньте рисунок 29, який відображає застосування сульфатної кислоти й дає змогу зрозуміти, чому цю речовину називають «хлібом» хімічної промис# ловості.

73

Рис. 29. Схема застосування сульфатної кислоти

Найбільша кількість сульфатної кислоти використовується у виробництві мінеральних добрив, інших кислот, сульфатів, органічних речовин, очищенні нафтопродуктів тощо.

Охорона навколишнього середовища від забруднення вики/ дами сульфуровмісних речовин. Серед сульфуровмісних забруд# ників навколишнього середовища найбільш шкідливими є суль# фур(ІV) оксид і гідроген сульфід, або сірководень. Про шкідли# вість першої речовини ви дізналися в § 8.

Щодо гідроген сульфіду, то потрібно наголосити на високій токсичності цієї газуватої речовини з неприємним запахом тухлих яєць (утворюється при гнитті білка курячого яйця й спричинює його неприємний запах). Фізіологічна дія гідроген сульфіду про# являється в тому, що він блокує дихальний центр. Смертельною дозою для людини є вдихання протягом 5–10 хв повітря з об’єм# ною часткою гідроген сульфіду 0,08 %.

74

Забруднюють повітря сульфуровмісними речовинами вики# ди нафтопереробних заводів, теплові електростанції. Охорона навколишнього середовища полягає насамперед у зменшенні ви# кидів, а отже, у модернізації виробництва, запровадженні техно# логії замкненого циклу, коли гази, що є відходами названих ви# робництв, використовують як сировину для інших виробництв. Користь від цього подвійна — не забруднюється навколишнє се# редовище, а вироблена з гідроген сульфідних відходів нафтопе# реробної промисловості сульфатна кислота має найменшу вар# тість.

Удосконаленням технології виробництва сульфатної кислоти займався український хімік Іван Євграфович Ададуров (1879–1938).

Досліджуємо речовини та їх властивості

Лабораторний дослід 4. Ознайомлення із зразками

природних сполук Сульфуру.

Завдання. Ознайомтеся з виданими вам зразками сульфатів і сульфідів. Дослідіть агрегатний стан й такі їх фізичні властивості: колір, розчинність у воді. Викорис# товуючи міжпредметні зв’язки з географією, назвіть поклади природних сульфатів і сульфідів в Україні.

Одержані результати оформіть у робочому зошиті у вигляді таблиці.

Лабораторний дослід 5. Експериментальне виявлен/

ня сульфат/іонів.

Завдання 1. Проведіть якісну реакцію на сульфат# іони. Налийте в пробірку 1–2 мл розчину сульфатної кислоти, долийте 1 мл розчину барій нітрату чи барій хлориду. Спостерігаючи за змінами, що сталися, дайте їм пояснення. Напишіть повне та скорочене йонні рівняння проведеної реакції.

Завдання 2. Запропонуйте спосіб розпізнавання води, сульфатної кислоти й розчину натрій сульфату в пробір# ках без етикеток. Перевірте висунуту гіпотезу експе# риментально. Запишіть рівняння проведених реакцій.

75

2. Напишемо рівняння реакції:

BaCl2 + Na2SO4 = BaSO4 + 2NaCl

3. З’ясуємо за рівнянням реакції кількісні відношен# ня реагентів і нерозчинного продукту:

νBaCl2 : νNa2SO4 : νBaSO4 = 1 : 1 : 1

З’ясуємо кількісні відношення реагентів за умовою задачі. Для цього спочатку обчислимо кількість речови# ни кожного з реагентів за формулою ν = Мm :

41,6

νBaCl2 = 208 = 0,2 (моль)

42,6

νNa2SO4 = 142 = 0,3 (моль) νBaCl2 : νNa2SO4 = 0,2 : 0,3 = 2 : 3 = 1 : 1,5

Як бачимо, за умовою задачі з надлишком узято Na2SO4, а BaCl2 прореагує повністю. Тому обчислення маси утвореного осаду BaSO4 проводимо з використан# ням даних про BaCl2, а не про Na2SO4 — речовину, узяту

внадлишку.

4.Обчислюємо кількість речовини барій сульфату.

Оскільки кількісні відношення νBaCl2 : νBaSO4 у цій реакції становлять 1 : 1, то:

νBaSO4 = νBaCl2 = 0,2 моль

5. Обчислюємо масу барій сульфату кількістю речо# вини 0,2 моль за формулою:

m = ν· М

mBaSO4 = 0,2 моль · 233 г/моль = 46,6 г

Відповідь: маса утвореного осаду барій сульфату до# рівнює 46,6 г.

77

Запитання і завдання для самоконтролю знань

1. Виберіть правильне твердження щодо сульфатної кислоти А одноосновна Б двохосновна

В сильний електроліт Г слабкий електроліт Д оксигеновмісна

Ебезоксигенова

2.Як можна розпізнати розчини сульфатної кислоти, амоній хло# риду й амоній сульфату, що перебувають у пробірках без етикеток? Відповідь підтвердіть записом молекулярних та йонних рівнянь реакцій.

3.З якими з перелічених речовин взаємодіє розбавлена сульфат# на кислота: залізо, купрум(ІІ) оксид, мідь, натрій гідроксид, нітратна кислота, калій карбонат, нітроген(ІІ) оксид? Напишіть молекулярні рівняння реакцій, зазначте їх типи.

4*. Запропонуйте спосіб розпізнавання концентрованої та розбав# леної сульфатної кислоти, що перебувають у банках без етикеток. Мотивуйте його.

5*. Обчисліть масову частку кристалізаційної води в гіркій солі. 6*. Обчисліть масу амоній сульфату, який утвориться при пропус#

канні через розчин сульфатної кислоти масою 200 г з масовою часткою розчиненої речовини 9,8 % амоніаку об’ємом 11,2 л (н. у.).

§10. Нітратна кислота і нітрати

Як і сульфатна, нітратна кислота НNO3 належить до основних продуктів хімічної промисловості.

Фізичні властивості нітратної кислоти. Нітратна кислота — безбарвна рідина з густиною 1,51 г/см3 і різким характерним запа# хом. При зберіганні на світлі набуває бурого кольору внаслідок розкладу з виділенням нітроген(ІV) оксиду. Стійкою в зберіганні є нітратна кислота з масовою часткою розчиненої речовини 60–68 %. У разі потрапляння на шкіру зумовлює опіки, утворення жовтих плям (пригадайте кольорові реакції на білки). Увага! Поводитися з нітратною кислотою потрібно обережно.

Хімічні властивості нітратної кислоти. Нітратна кислота — сильний електроліт, що дисоціює на йони:

НNO3 Н+ + NO–3

78

Як і всі кислоти, нітратна кислота взаємодіє з: 1) металами; 2) основними та амфотерними оксидами; 3) основами; 4) ам фотерними гідроксидами; 5) солями, якщо під час реакції виділя# ється газ. Проте її взаємодія з металами відмінна від загальних властивостей кислот, а подібна на взаємодію з ними концентрова# ної сульфатної кислоти, тобто відбувається утворення солі, води й одного з продуктів відновлення кислоти (рис. 30).

Рис. 30. Схема взаємодії нітратної кислоти з металами

Концентрована нітратна кислота при нагріванні взаємодіє з більшістю металів, крім золота, платини та деяких інших. На холоді частина металів, зокрема залізо і хром, не взаємодіють

з нітратною кислотою.

Концентрована нітратна кислота в реакціях з металами і неме# талами відновлюється до нітроген(ІV) оксиду NO2:

Cu + 4HNO3 = Cu(NO3)2 + 2NO2 + 2H2O

S + 6HNO3 = H2SO4 + 6NO2 + 2H2O

У реакціях розбавленої нітратної кислоти з металами віді# грає роль активність металу та масова частка кислоти в розчині, проте найчастіше відновлення відбувається до нітроген(ІІ) ок# сиду NO:

3Cu + 8HNO3 = 3Cu(NO3)2 + 2NO + 4H2O

Взаємодія нітратної кислоти з основними та амфотерними оксидами, основами, амфотерними гідроксидами та солями відбу# вається так само, як і в інших кислот.

Напишіть рівняння реакцій нітратної кислоти з оксидом, гідро# ксидом і сіллю Магнію (зважте, що сіль має бути утворена кисло# тою слабким електролітом, наприклад карбонатною).

79

Ще одну властивість нітратної кислоти — розкладатися на світ# лі чи при нагріванні — ми вже згадували. Це відбувається за таким рівнянням:

4HNO3 = 4NO2 + 2H2O + О2

Ви дізнаєтеся також про взаємодію нітратної кислоти з органіч# ними речовинами, вивчаючи в 11 класі властивості органічних сполук.

Застосування нітратної кислоти відображено на рисунку 31.

Фотоплівка

Добрива

Рис. 31. Схема застосування нітратної кислоти

Вагомий внесок у розвиток технології виробництва нітратної кислоти з азоту повітря зробив український хімік доктор технічних наук, професор Василь Іванович Атрощенко (1906–1991).

Нітрати. За назвою нітрат#іону, який утворюється при дисоціа# ції нітратної кислоти, її солі називають нітратами. Нітрати Ка# лію, Натрію, амонію, Кальцію називають ще селітрами, наприк# лад: КNO3 — калій нітрат, або калієва селітра, Са(NO3)2 — кальцій

80