В свободное время, страница 79 - гдз по химии 11 класс учебник Еремин, Кузьменко

Параграф 16. Аммиак и соли аммония. Глава 1. Неметаллы - страница 79.

Условие.

В СВОБОДНОЕ ВРЕМЯ.

Изучите свойства нашатырного спирта — 10%-го раствора аммиака, который можно приобрести в аптеке. Осторожно понюхайте раствор. Аммиак легко распознать по характерному запаху. К небольшому количеству раствора аммиака добавляйте раствор лимонной кислоты до тех пор, пока запах аммиака не исчезнет. Как объяснить исчезновение запаха? Если к полученному раствору прибавить кальцинированную соду $Na_2CO_3$, запах аммиака появится вновь.

Приготовьте концентрированный раствор сульфата меди(II), растворив в воде медный купорос $CuSO_4 \cdot 5H_2O$ (он продаётся в хозяйственных магазинах). К полученному раствору по каплям прибавляйте раствор аммиака. Сначала выпадает голубой осадок основной соли $Cu_2(OH)_2SO_4 \cdot H_2O$, который при дальнейшем добавлении аммиака растворяется, образуя ярко-синий раствор комплексного соединения — аммиаката меди(II) $[Cu(NH_3)_4]SO_4$. Его можно выделить из раствора добавлением этилового спирта или ацетона. Если оставить раствор кристаллизоваться, через несколько дней в нём вырастут крупные кристаллы аммиаката.

Решение.

Решение 2.

В данном задании необходимо последовательно объяснить химические явления, наблюдаемые при изучении свойств 10%-го раствора аммиака (нашатырного спирта), описанные в тексте.

Как объяснить исчезновение запаха?
Раствор аммиака (нашатырный спирт) представляет собой водный раствор газа аммиака ($NH_3$). Аммиак — летучее соединение с характерным резким запахом. В воде аммиак образует гидрат $NH_3 \cdot H_2O$ (часто записываемый как гидроксид аммония $NH_4OH$), который является слабым основанием и частично диссоциирует на ионы. В растворе устанавливается равновесие:
$NH_3 + H_2O \rightleftharpoons NH_3 \cdot H_2O \rightleftharpoons NH_4^+ + OH^-$
Запах раствора обусловлен постоянным выделением газообразного $NH_3$ в воздух.
Лимонная кислота ($H_3C_6H_5O_7$) — это органическая кислота, которая реагирует с аммиаком как с основанием. Происходит реакция нейтрализации, в результате которой образуется соль — цитрат аммония, и вода:
$3(NH_3 \cdot H_2O) + H_3C_6H_5O_7 \rightarrow (NH_4)_3C_6H_5O_7 + 3H_2O$
Цитрат аммония — это ионное соединение, состоящее из ионов аммония ($NH_4^+$) и цитрат-ионов ($C_6H_5O_7^{3-}$). Ион аммония ($NH_4^+$) не является летучим и не имеет запаха. Таким образом, в ходе реакции весь летучий аммиак ($NH_3$) связывается в нелетучую ионную форму ($NH_4^+$), его концентрация в свободном виде в растворе стремится к нулю, и, как следствие, запах исчезает.
Ответ: Запах исчезает, так как летучий аммиак ($NH_3$), обладающий запахом, вступает в реакцию нейтрализации с лимонной кислотой с образованием нелетучей соли — цитрата аммония, которая не имеет запаха.

Как объяснить, что при добавлении кальцинированной соды $Na_2CO_3$ запах аммиака появляется вновь?
После реакции с лимонной кислотой в растворе находится соль цитрат аммония ($(NH_4)_3C_6H_5O_7$).
Кальцинированная сода (карбонат натрия, $Na_2CO_3$) является солью сильного основания ($NaOH$) и слабой кислоты ($H_2CO_3$). При растворении в воде она подвергается гидролизу по аниону, что создает в растворе щелочную среду из-за накопления гидроксид-ионов ($OH^-$):
$CO_3^{2-} + H_2O \rightleftharpoons HCO_3^- + OH^-$
В щелочной среде ионы аммония ($NH_4^+$) из цитрата аммония реагируют с гидроксид-ионами, смещая равновесие в сторону образования гидрата аммиака, который, в свою очередь, распадается на воду и летучий аммиак:
$NH_4^+ + OH^- \rightleftharpoons NH_3 \cdot H_2O \rightleftharpoons NH_3 \uparrow + H_2O$
Таким образом, нелетучий ион аммония ($NH_4^+$) снова превращается в летучий газообразный аммиак ($NH_3$), который выходит из раствора, и мы снова ощущаем его запах. По сути, более сильное основание (гидроксид-ион, образовавшийся при гидролизе соды) вытесняет более слабое основание (аммиак) из его соли.
Ответ: Карбонат натрия ($Na_2CO_3$) создает в растворе щелочную среду. В этих условиях ионы аммония ($NH_4^+$) превращаются обратно в летучий аммиак ($NH_3$), что приводит к возобновлению запаха.

Приготовьте концентрированный раствор сульфата меди(II), растворив в воде медный купорос $CuSO_4 \cdot 5H_2O$ (он продаётся в хозяйственных магазинах). К полученному раствору по каплям прибавляйте раствор аммиака. Сначала выпадает голубой осадок основной соли $Cu_2(OH)_2SO_4 \cdot H_2O$, который при дальнейшем добавлении аммиака растворяется, образуя ярко-синий раствор комплексного соединения — аммиаката меди(II) $[Cu(NH_3)_4]SO_4$.
Это описание эксперимента, который иллюстрирует двойственную роль аммиака: как слабого основания и как комплексообразователя (лиганда). Объясним наблюдаемые стадии.

1. Образование голубого осадка.
При добавлении первых порций раствора аммиака он действует как слабое основание ($NH_3 \cdot H_2O$). В создаваемой им слабощелочной среде ионы меди ($Cu^{2+}$) осаждаются. В присутствии сульфат-ионов ($SO_4^{2-}$) образуется не чистый гидроксид меди(II) $Cu(OH)_2$, а осадок основной соли — гидроксосульфата меди(II) $Cu_2(OH)_2SO_4 \cdot H_2O$.
$2CuSO_4 + 2(NH_3 \cdot H_2O) + H_2O \rightarrow Cu_2(OH)_2SO_4 \cdot H_2O \downarrow + (NH_4)_2SO_4$
Ответ: На начальном этапе аммиак действует как слабое основание, вызывая осаждение ионов меди в виде нерастворимой основной соли голубого цвета.

2. Растворение осадка.
При добавлении избыточного количества аммиака он начинает действовать как лиганд. Молекулы аммиака ($NH_3$) координируются вокруг иона меди($Cu^{2+}$), образуя очень прочный и хорошо растворимый в воде комплексный ион тетраамминмеди(II) — $[Cu(NH_3)_4]^{2+}$. Этот комплексный ион имеет характерный интенсивный сине-фиолетовый (васильковый) цвет. Образование этого стабильного комплекса приводит к растворению ранее выпавшего осадка.
$Cu_2(OH)_2SO_4 \cdot H_2O \downarrow + (NH_4)_2SO_4 + 6NH_3 \rightarrow 2[Cu(NH_3)_4]SO_4 + 3H_2O$
В растворе образуется комплексная соль — сульфат тетраамминмеди(II).
Ответ: В избытке аммиака он выступает в роли лиганда, образуя с ионами меди(II) растворимый комплексный ион $[Cu(NH_3)_4]^{2+}$ ярко-синего цвета, что приводит к растворению осадка.

3. Выделение комплексной соли.
Текст упоминает, что комплексное соединение можно выделить добавлением этилового спирта или ацетона. Сульфат тетраамминмеди(II) — ионная соль, хорошо растворимая в полярной воде. Спирт и ацетон — менее полярные органические растворители. Их добавление к водному раствору снижает общую полярность среды, что резко уменьшает растворимость ионной соли и заставляет ее выпадать в виде кристаллического осадка.
Ответ: Добавление менее полярного органического растворителя (спирта или ацетона) к водному раствору снижает растворимость комплексной соли, вызывая ее кристаллизацию.