Лабораторный опыт 12, страница 143 - гдз по химии 11 класс учебник Еремин, Кузьменко

Параграф 30. Соединения натрия и калия. Глава 3. Металлы главных подгрупп - страница 143.

Условие.

Лабораторный опыт 12. Свойства соединений щелочных металлов

1. Растворите в воде гранулу гидроксида натрия. Как изменяется температура раствора? Определите среду раствора при помощи индикатора. Нейтрализуйте полученный раствор кислотой. Как изменяется окраска индикатора? Если при этом наблюдается выделение газа, дайте объяснение этому факту.

2. В две одинаковые сухие пробирки насыпьте примерно одинаковые порции гидрокарбоната натрия. В одну из них прилейте воду и перемешайте. Что вы наблюдаете? Другую пробирку нагрейте в пламени спиртовки. Что вы наблюдаете? После того как выделение газа закончится и пробирка остынет, налейте в неё воды. Используя универсальный индикатор, определите $pH$ обоих растворов. Объясните различие. Напишите уравнение реакции.

3. Проверьте, содержит ли выданный вам образец хлорида калия примеси карбоната калия, хлорида натрия, сульфата калия.

Решение.

Решение 2.

1. При растворении гранулы гидроксида натрия ($NaOH$) в воде происходит экзотермическая реакция, то есть реакция с выделением большого количества теплоты. В результате этого температура раствора значительно повышается, стакан или пробирка становятся горячими на ощупь.

Гидроксид натрия является сильным основанием (щёлочью), которое в воде полностью диссоциирует на ионы: $NaOH \rightarrow Na^+ + OH^-$

Наличие в растворе большого количества гидроксид-ионов ($OH^-$) создает сильнощелочную среду. Среду раствора можно определить с помощью индикатора. Например, универсальный индикатор покажет pH в диапазоне 12-14 (окрасится в темно-синий или фиолетовый цвет), фенолфталеин станет малиновым, а лакмус — синим.

Для нейтрализации полученного щелочного раствора можно использовать сильную кислоту, например, соляную ($HCl$). Произойдет реакция нейтрализации, в ходе которой образуется соль и вода: $NaOH + HCl \rightarrow NaCl + H_2O$

В процессе добавления кислоты pH раствора будет постепенно снижаться. В точке эквивалентности (когда вся щелочь прореагирует с кислотой) среда станет нейтральной (pH ≈ 7). Это приведет к изменению окраски индикатора на нейтральную: малиновый раствор с фенолфталеином обесцветится, синий с лакмусом станет фиолетовым.

Выделение газа при добавлении кислоты к раствору гидроксида натрия не должно происходить в идеальных условиях. Однако, гидроксид натрия на воздухе легко реагирует с углекислым газом ($CO_2$), образуя примесь карбоната натрия ($Na_2CO_3$): $2NaOH + CO_2 \rightarrow Na_2CO_3 + H_2O$

Эта примесь карбоната натрия будет реагировать с добавленной кислотой с выделением углекислого газа, что и наблюдается как выделение пузырьков газа (вскипание): $Na_2CO_3 + 2HCl \rightarrow 2NaCl + H_2O + CO_2\uparrow$

Ответ: При растворении гидроксида натрия температура раствора повышается. Среда раствора сильнощелочная, что подтверждается изменением цвета индикатора. При нейтрализации кислотой окраска индикатора возвращается к нейтральному цвету. Выделение газа свидетельствует о наличии в гидроксиде натрия примеси карбоната натрия, который образовался при реакции щёлочи с углекислым газом из воздуха.

2. Пробирка 1: При добавлении воды к гидрокарбонату натрия ($NaHCO_3$, пищевая сода) он растворяется. Раствор прозрачный, бесцветный. Гидрокарбонат натрия — это соль, образованная сильным основанием ($NaOH$) и слабой кислотой ($H_2CO_3$). В водном растворе она подвергается гидролизу по аниону: $HCO_3^- + H_2O \rightleftharpoons H_2CO_3 + OH^-$

В результате образуются гидроксид-ионы ($OH^-$), которые создают слабощелочную среду. Универсальный индикатор покажет pH около 8-9.

Пробирка 2: При нагревании сухого гидрокарбоната натрия происходит его термическое разложение. Наблюдается выделение газа (смеси водяного пара и углекислого газа) и образование белого порошка — карбоната натрия ($Na_2CO_3$): $2NaHCO_3(тв) \xrightarrow{t} Na_2CO_3(тв) + H_2O(г) + CO_2(г)$

После того как пробирка остынет и в нее будет добавлена вода, образовавшийся карбонат натрия растворится. Карбонат натрия также является солью сильного основания и слабой кислоты, и он тоже подвергается гидролизу, причем в большей степени, чем гидрокарбонат: $CO_3^{2-} + H_2O \rightleftharpoons HCO_3^- + OH^-$

В результате в растворе образуется более высокая концентрация гидроксид-ионов, чем в первой пробирке. Среда будет более щелочной. Универсальный индикатор покажет pH около 10-11.

Различие: Раствор во второй пробирке (после прокаливания) имеет более высокое значение pH (является более щелочным), чем раствор в первой пробирке. Это объясняется тем, что при прокаливании гидрокарбонат натрия превращается в карбонат натрия, который является солью, гидролизующейся в большей степени и создающей более щелочную среду.

Ответ: В первой пробирке гидрокарбонат натрия растворяется, образуя слабощелочной раствор. Во второй пробирке при нагревании происходит разложение гидрокарбоната с выделением газа. Полученное вещество (карбонат натрия) при растворении в воде дает более щелочную среду, чем в первой пробирке. Различие в pH объясняется разной степенью гидролиза гидрокарбонат- и карбонат-ионов. Уравнения реакций: $2NaHCO_3 \xrightarrow{t} Na_2CO_3 + H_2O + CO_2$; $HCO_3^- + H_2O \rightleftharpoons H_2CO_3 + OH^-$; $CO_3^{2-} + H_2O \rightleftharpoons HCO_3^- + OH^-$.

3. Для проверки образца хлорида калия ($KCl$) на наличие примесей карбоната калия ($K_2CO_3$), хлорида натрия ($NaCl$) и сульфата калия ($K_2SO_4$) необходимо провести ряд качественных реакций. План эксперимента:

1. Растворить выданный образец в дистиллированной воде. Разделить полученный раствор на три части в разные пробирки.

2. Обнаружение карбонат-ионов ($CO_3^{2-}$): К первой пробе раствора добавить сильную кислоту, например, азотную ($HNO_3$) или соляную ($HCl$). Если в образце есть карбонат калия, будет наблюдаться выделение пузырьков бесцветного газа (вскипание). Это углекислый газ: $K_2CO_3 + 2HNO_3 \rightarrow 2KNO_3 + H_2O + CO_2\uparrow$ Отсутствие газа говорит об отсутствии примеси карбоната.

3. Обнаружение сульфат-ионов ($SO_4^{2-}$): Ко второй пробе раствора добавить несколько капель азотной кислоты (чтобы предотвратить осаждение других солей бария, например, карбоната, если он есть) а затем добавить раствор соли бария, например, нитрата бария ($Ba(NO_3)_2$). Появление белого мелкокристаллического осадка, нерастворимого в кислотах, указывает на наличие сульфат-ионов: $K_2SO_4 + Ba(NO_3)_2 \rightarrow BaSO_4\downarrow + 2KNO_3$ Ионное уравнение: $SO_4^{2-} + Ba^{2+} \rightarrow BaSO_4\downarrow$. Отсутствие осадка говорит об отсутствии примеси сульфата.

4. Обнаружение ионов натрия ($Na^+$): Проводится с помощью пламенной пробы. Чистую, прокаленную в пламени спиртовки или горелки платиновую или нихромовую проволоку опускают в сухой образец соли и вносят в пламя. Появление устойчивого ярко-желтого окрашивания пламени свидетельствует о присутствии ионов натрия. Ионы калия ($K^+$) окрашивают пламя в бледно-фиолетовый (сиреневый) цвет, но он легко маскируется интенсивным желтым цветом натрия.

Ответ: Для обнаружения примесей необходимо растворить образец в воде и провести следующие тесты: 1) добавить кислоту для обнаружения карбонат-ионов (выделение газа); 2) добавить раствор соли бария в подкисленной среде для обнаружения сульфат-ионов (белый осадок); 3) провести пламенную пробу для обнаружения ионов натрия (желтое окрашивание пламени).