Лабораторный опыт 4, страница 59 - гдз по химии 11 класс учебник Еремин, Кузьменко

Параграф 13. Серный ангидрид и серная кислота. Глава 1. Неметаллы - страница 59.

Условие.

Лабораторный опыт 4. Изучение свойств серной кислоты и её солей

1. Налейте в пробирку 1 мл разбавленной серной кислоты и добавьте в неё лакмус. Как изменился цвет индикатора?

2. Положите в пробирку кусочек железной проволоки и прилейте к ней разбавленную серную кислоту. Что вы наблюдаете? Проведите аналогичные опыты с алюминиевой, медной проволокой.

3. Получите осадок гидроксида меди(II) и прилейте к нему разбавленную серную кислоту. Что вы наблюдаете?

4. На кусок фильтровальной бумаги нанесите несколько капель раствора серной кислоты и осторожно нагрейте бумагу, держа над плиткой. Что происходит? Объясните наблюдения, зная, что при нагревании вода, содержащаяся в растворе кислоты, испаряется и концентрация кислоты возрастает.

5. К раствору серной кислоты добавьте одну-две капли раствора хлорида бария. Укажите цвет выпавшего осадка. Проделайте аналогичный опыт с растворами сульфата, карбоната и хлорида натрия. Как различить полученные осадки? Напишите уравнение качественной реакции на серную кислоту и её соли.

Решение.

Решение 2.

1. Налейте в пробирку 1 мл разбавленной серной кислоты и добавьте в нее лакмус. Как изменился цвет индикатора?

Решение: Серная кислота ($H_2SO_4$) является сильной кислотой. При растворении в воде она диссоциирует на ионы, образуя катионы водорода ($H^+$) и сульфат-анионы ($SO_4^{2-}$): $H_2SO_4 \rightarrow 2H^+ + SO_4^{2-}$

Наличие ионов водорода ($H^+$) создает в растворе кислую среду. Индикатор лакмус в кислой среде изменяет свой фиолетовый цвет на красный. Таким образом, при добавлении лакмуса в раствор серной кислоты наблюдается изменение цвета на красный.

Ответ: Цвет индикатора (лакмуса) изменился на красный.

2. Положите в пробирку кусочек железной проволоки и прилейте к ней разбавленную серную кислоту. Что вы наблюдаете? Проведите аналогичные опыты с алюминиевой, медной проволокой.

Решение: Взаимодействие металлов с разбавленными кислотами зависит от их положения в ряду активности металлов. Металлы, стоящие левее водорода, вытесняют его из разбавленных кислот. Металлы, стоящие правее водорода, не реагируют с разбавленными кислотами.

• Железная проволока (Fe): Железо стоит в ряду активности до водорода, поэтому оно реагирует с разбавленной серной кислотой. Наблюдается выделение пузырьков бесцветного газа (водорода) и постепенное растворение железа. Образуется раствор сульфата железа(II).
  Уравнение реакции: $Fe + H_2SO_4(\text{разб.}) \rightarrow FeSO_4 + H_2\uparrow$
• Алюминиевая проволока (Al): Алюминий — активный металл, стоящий в ряду активности значительно левее водорода. Он бурно реагирует с разбавленной серной кислотой с выделением водорода. Алюминий растворяется с образованием бесцветного раствора сульфата алюминия. (Примечание: реакция может начаться не сразу из-за прочной оксидной пленки на поверхности алюминия, которая сначала должна прореагировать с кислотой).
  Уравнение реакции: $2Al + 3H_2SO_4(\text{разб.}) \rightarrow Al_2(SO_4)_3 + 3H_2\uparrow$
• Медная проволока (Cu): Медь стоит в ряду активности после водорода. Поэтому она не способна вытеснять водород из разбавленных кислот, и реакция с разбавленной серной кислотой не идет. Видимых изменений не наблюдается.
  Уравнение реакции: $Cu + H_2SO_4(\text{разб.}) \rightarrow \text{реакция не идет}$

Ответ: При добавлении серной кислоты к железу и алюминию наблюдается выделение пузырьков газа (водорода), металлы растворяются. При добавлении кислоты к меди видимых изменений не происходит.

3. Получите осадок гидроксида меди(II) и прилейте к нему разбавленную серную кислоту. Что вы наблюдаете?

Решение: Гидроксид меди(II) ($Cu(OH)_2$) — это нерастворимое в воде основание голубого цвета. Основания (в том числе нерастворимые) реагируют с кислотами с образованием соли и воды (реакция нейтрализации). При добавлении разбавленной серной кислоты к осадку гидроксида меди(II) происходит химическая реакция.

Наблюдается растворение голубого студенистого осадка и образование прозрачного раствора голубого цвета. Голубой цвет раствору придают гидратированные ионы меди(II) ($Cu^{2+}$), входящие в состав образующейся соли — сульфата меди(II) ($CuSO_4$).

Уравнение реакции: $Cu(OH)_2 + H_2SO_4 \rightarrow CuSO_4 + 2H_2O$

Ответ: Голубой осадок гидроксида меди(II) растворяется, образуя прозрачный раствор голубого цвета.

4. На кусок фильтровальной бумаги нанесите несколько капель раствора серной кислоты и осторожно нагрейте бумагу, держа над плиткой. Что происходит? Объясните наблюдения, зная, что при нагревании вода, содержавшаяся в растворе кислоты, испаряется и концентрация кислоты возрастает.

Решение: При осторожном нагревании фильтровальной бумаги с каплями разбавленной серной кислоты вода испаряется. В результате концентрация серной кислоты на бумаге резко возрастает. Концентрированная серная кислота обладает сильными водоотнимающими свойствами.

Фильтровальная бумага состоит в основном из целлюлозы, углевода с общей формулой $(C_6H_{10}O_5)_n$. Концентрированная серная кислота отнимает от молекул целлюлозы элементы воды (водород и кислород), оставляя чистый углерод. Этот процесс называется обугливанием. $(C_6H_{10}O_5)_n \xrightarrow{H_2SO_4 (\text{конц.})} 6nC + 5nH_2O$

В результате на бумаге в месте нанесения кислоты появляется черное пятно (это и есть образовавшийся уголь), и структура бумаги разрушается.

Ответ: Бумага в месте нанесения кислоты чернеет и разрушается. Это происходит из-за того, что при нагревании кислота концентрируется и, являясь сильным водоотнимающим средством, обугливает целлюлозу.

5. К раствору серной кислоты добавьте одну-две капли раствора хлорида бария. Укажите цвет выпавшего осадка. Проделайте аналогичный опыт с растворами сульфата, карбоната и хлорида натрия. Как различить полученные осадки? Напишите уравнение качественной реакции на серную кислоту и ее соли.

Решение: 1. Серная кислота ($H_2SO_4$) + хлорид бария ($BaCl_2$): Выпадает обильный белый мелкокристаллический осадок сульфата бария ($BaSO_4$).
$H_2SO_4 + BaCl_2 \rightarrow BaSO_4\downarrow + 2HCl$

Аналогичные опыты:

• Сульфат натрия ($Na_2SO_4$) + хлорид бария ($BaCl_2$): Выпадает белый осадок сульфата бария ($BaSO_4$).
  $Na_2SO_4 + BaCl_2 \rightarrow BaSO_4\downarrow + 2NaCl$
• Карбонат натрия ($Na_2CO_3$) + хлорид бария ($BaCl_2$): Выпадает белый осадок карбоната бария ($BaCO_3$).
  $Na_2CO_3 + BaCl_2 \rightarrow BaCO_3\downarrow + 2NaCl$
• Хлорид натрия ($NaCl$) + хлорид бария ($BaCl_2$): Реакция не идет, так как все возможные продукты растворимы. Осадок не образуется.

Как различить полученные осадки: Оба осадка — сульфат бария ($BaSO_4$) и карбонат бария ($BaCO_3$) — белого цвета. Чтобы их различить, нужно к осадкам добавить сильную кислоту, например, соляную ($HCl$) или азотную ($HNO_3$).

• Сульфат бария ($BaSO_4$) не растворяется в кислотах. Осадок останется без изменений.
• Карбонат бария ($BaCO_3$) — соль слабой угольной кислоты. Он прореагирует с сильной кислотой, при этом осадок растворится и будет наблюдаться выделение пузырьков углекислого газа.
  $BaCO_3\downarrow + 2HCl \rightarrow BaCl_2 + H_2O + CO_2\uparrow$

Качественная реакция на серную кислоту и ее соли (сульфат-ионы $SO_4^{2-}$): Качественной реакцией на сульфат-ион является взаимодействие с растворимыми солями бария ($Ba^{2+}$). В результате реакции образуется белый осадок сульфата бария ($BaSO_4$), нерастворимый в воде и сильных кислотах.
Уравнение в ионном виде: $Ba^{2+} + SO_4^{2-} \rightarrow BaSO_4\downarrow$

Ответ: При добавлении хлорида бария к серной кислоте и сульфату натрия выпадает белый осадок. При реакции с карбонатом натрия также выпадает белый осадок, а с хлоридом натрия осадка нет. Различить осадки сульфата и карбоната бария можно с помощью сильной кислоты: карбонат бария растворится с выделением газа, а сульфат бария не изменится. Уравнение качественной реакции на сульфат-ион: $Ba^{2+} + SO_4^{2-} \rightarrow BaSO_4\downarrow$.