Номер 332, страница 227 - гдз по химии 10-11 класс задачник Еремин, Дроздов

7.332. При внесении в жидкое стекло растворимых солей различных металлов вырастает «неорганический сад», состоящий из полых трубок с полупроницаемыми мембранами, образованными нерастворимыми в воде силикатами и продуктами их гидролиза. Как объяснить образование «неорганического сада» и его рост?

Решение

Образование и рост «неорганического сада» — это наглядный пример химических процессов, в основе которых лежат реакции ионного обмена и физическое явление осмоса.

Процесс можно разбить на несколько ключевых этапов:

1. Образование первичной мембраны. При помещении кристалла растворимой соли переходного металла (например, сульфата меди(II) $CuSO_4$ или хлорида кобальта(II) $CoCl_2$) в раствор силиката натрия $Na_2SiO_3$ (жидкое стекло), на поверхности кристалла происходит быстрая реакция ионного обмена. Катионы металла ($Me^{n+}$) реагируют с силикат-анионами ($SiO_3^{2-}$) из раствора, образуя нерастворимый силикат металла. Например:

$CoCl_2 + Na_2SiO_3 \rightarrow CoSiO_3 \downarrow + 2NaCl$

Этот нерастворимый силикат вместе с продуктами гидролиза (например, гидроксидом металла и гелем кремниевой кислоты) формирует тонкую пленку вокруг кристалла соли. Эта пленка представляет собой полупроницаемую мембрану, способную пропускать молекулы воды, но задерживать более крупные гидратированные ионы металлов и силикат-ионы.

2. Осмос и создание давления. Внутри образовавшейся мембраны находится высококонцентрированный раствор соли металла (так как кристалл продолжает растворяться в небольшом объеме воды), а снаружи — более разбавленный раствор силиката натрия. В соответствии с законами осмоса, растворитель (вода) начинает двигаться через полупроницаемую мембрану из области с меньшей концентрацией растворенных веществ (снаружи) в область с большей концентрацией (внутрь). Этот поток воды создает внутри мембранного мешочка высокое осмотическое давление.

3. Рост и формирование трубок. Когда внутреннее давление становится достаточно большим, чтобы преодолеть прочность гелеобразной мембраны, она разрывается в самом слабом месте. Через образовавшееся отверстие в окружающий раствор жидкого стекла выбрасывается струйка концентрированного раствора соли металла. Эта струйка немедленно вступает в реакцию с силикат-ионами, образуя новую стенку из нерастворимого силиката, которая «залечивает» разрыв и формирует начало полой трубки.

Этот цикл — поступление воды по градиенту концентрации, рост давления, разрыв мембраны и образование новой — многократно повторяется. В результате от исходного кристалла вверх и в стороны растут причудливые полые «стебли» и «ветви», напоминающие водоросли или кораллы. Их цвет определяется катионом металла, из соли которого они образованы.

Ответ:

Образование «неорганического сада» объясняется первоначальным формированием полупроницаемой мембраны из нерастворимого силиката металла вокруг кристалла соли в растворе жидкого стекла. Рост сада обусловлен явлением осмоса: вода проникает внутрь мембраны, создавая избыточное давление, которое приводит к разрыву оболочки. Вытекающий через разрыв раствор соли металла немедленно реагирует с окружающим раствором силиката, образуя новую стенку и удлиняя полую трубку. Этот циклический процесс приводит к росту сложных, похожих на растения структур.