Номер 3, страница 439 - гдз по химии 11 класс учебник Еремин, Кузьменко

Практикум. Практическая работа - номер 3, страница 439.

Условие.

Практическая работа 3. Получение аммиака и изучение его свойств

Реактивы: хлорид аммония; гидроксид кальция; растворы аммиака, серной кислоты, хлорида (сульфата) алюминия, хлорида цинка, сульфата меди(II); фенолфталеин; бромная вода.

Оборудование: лабораторный штатив с лапкой, держатель для пробирок, спиртовка, спички, штатив для пробирок, пробирки (6 шт.), пробка с газоотводной трубкой, ложечка, стеклянная палочка, вата, кристаллизатор с водой, индикаторная бумага.

1. Получение и собирание аммиака.

В небольшую фарфоровую чашку или на лист бумаги насыпьте две ложечки хлорида аммония и одну ложечку гидроксида кальция. Смесь перемешайте стеклянной палочкой. Запах какого газа вы почувствовали?

Насыпьте смесь в сухую пробирку. Отверстие пробирки закройте пробкой с газоотводной трубкой. Укрепите пробирку в лапке штатива так, чтобы дно находилось несколько выше отверстия. В противном случае капли воды, образующейся в результате реакции, могут попасть на горячую часть пробирки, отчего она треснет. На газоотводную трубку наденьте другую пробирку, предназначенную для сбора аммиака. Эта пробирка, а также газоотводная трубка обязательно должны быть сухими. Объясните, почему аммиак собирают в пробирку, расположенную отверстием вниз. Можно ли собирать аммиак методом вытеснения воды? Почему?

Слегка прогрейте пробирку со смесью пламенем спиртовки, а затем нагревайте в том месте, где находится смесь. Какое вещество образуется на стенках пробирки? Поднесите к отверстию пробирки для сбора газа влажную индикаторную бумагу. Что вы наблюдаете? Повторяйте эту процедуру несколько раз до тех пор, пока не обнаружите аммиак. После этого прекратите нагревание. Напишите уравнение реакции.

2. Свойства аммиака.

Попробуйте поджечь выделяющийся газ, поднеся к отверстию газоотводной трубки зажжённую лучинку. Что вы наблюдаете? Удается ли получить устойчивое пламя? Напишите уравнение реакции.

В пробирку с аммиаком внесите на кончике шпателя свежеполученный оксид хрома(III), предварительно нагретый в пламени спиртовки. Закройте пробирку пробкой и встряхните. Напишите уравнение реакции каталитического окисления аммиака кислородом. Какую роль играет оксид хрома(III)?

К отверстию пробирки с аммиаком поднесите стеклянную палочку, смоченную соляной кислотой. Что происходит? Что представляет собой образовавшийся белый дым?

Аккуратно снимите пробирку с газоотводной трубки и тут же, не переворачивая, плотно закройте её отверстие большим пальцем руки. Опустите отверстие пробирки в кристаллизатор с водой и лишь после этого уберите палец. Что происходит? Почему вода поднялась в пробирке? (Если вода в пробирке не поднимается, закройте под водой отверстие пробирки пальцем, выньте её из сосуда, встряхните, затем, не отнимая палец, вновь погрузите в воду и откройте.)

Снова закройте пальцем отверстие пробирки под водой, выньте её из сосуда и переверните вниз дном. Вы получили водный раствор аммиака.

3. Свойства водного раствора аммиака.

Изучите свойства водного раствора аммиака, воспользовавшись как полученным вами продуктом, так и содержимым склянки, находящейся на столе. Налейте в пробирку 1–2 мл раствора аммиака и добавьте несколько капель фенолфталеина. Что наблюдаете? О чём свидетельствует появление окраски? Нагрейте раствор до кипения. Как изменяется окраска? Почему?

Налейте в пробирку 1–2 мл водного раствора аммиака, добавьте несколько капель фенолфталеина, а затем серной кислоты до исчезновения окраски. Напишите уравнение реакции.

К 1 мл бромной воды прилейте водный раствор аммиака до полного исчезновения окраски. Если реакция происходит медленно, аккуратно нагрейте пробирку. Что вы наблюдаете? Напишите уравнение реакции. Назовите окислитель и восстановитель.

Налейте в пробирку 1 мл раствора хлорида или сульфата алюминия и прибавьте к нему такое же количество раствора аммиака. Что происходит? Какое вещество выпадает в осадок? Напишите уравнение реакции. Проверьте, растворяется ли осадок гидроксида алюминия в избытке аммиака. Сделайте выводы о физических и химических свойствах аммиака.

Налейте в пробирку 1 мл раствора сульфата меди(II) и по каплям прибавляйте к нему водный раствор аммиака. Что вы наблюдаете? Напишите уравнение реакций. Проделайте аналогичный опыт с раствором соли цинка.

Решение.

Решение 2.

Практическая работа 3. Получение аммиака и изучение его свойств

1. Получение и собирание аммиака

При смешивании твердых хлорида аммония ($NH_4Cl$) и гидроксида кальция ($Ca(OH)_2$) ощущается характерный резкий, удушливый запах аммиака ($NH_3$). Реакция начинается уже при комнатной температуре, но для ее ускорения смесь необходимо нагреть.

При нагревании смеси в пробирке на ее холодных стенках конденсируются капли воды, так как вода является одним из продуктов реакции. Пробирку-приемник для сбора аммиака располагают отверстием вниз, поскольку аммиак значительно легче воздуха. Молярная масса аммиака составляет $17$ г/моль, в то время как средняя молярная масса воздуха – около $29$ г/моль. Из-за разницы в плотности аммиак, поступая в пробирку-приемник, вытесняет из нее воздух, заполняя ее снизу вверх (относительно перевернутой пробирки).

Собирать аммиак методом вытеснения воды нельзя, так как он очень хорошо растворяется в воде (в 1 объеме воды при 20°C растворяется около 700 объемов аммиака).

Для проверки заполнения пробирки-приемника к ее отверстию подносят влажную лакмусовую или универсальную индикаторную бумагу. При контакте с аммиаком бумага изменяет цвет (красная лакмусовая синеет, универсальная становится сине-фиолетовой). Это происходит потому, что аммиак, растворяясь во влаге на бумаге, образует гидроксид аммония ($NH_3 \cdot H_2O$) — слабое основание, которое создает щелочную среду: $NH_3 + H_2O \rightleftharpoons NH_4^+ + OH^-$.

Уравнение реакции получения аммиака:
$2NH_4Cl(тв) + Ca(OH)_2(тв) \xrightarrow{t} CaCl_2(тв) + 2NH_3\uparrow + 2H_2O\uparrow$

Ответ: При смешивании реагентов чувствуется резкий запах аммиака. Аммиак собирают в перевернутую пробирку, так как он легче воздуха, и его нельзя собирать над водой из-за высокой растворимости. На стенках пробирки с реагентами образуется вода. Влажная индикаторная бумага синеет в присутствии аммиака, что доказывает его основные свойства. Уравнение реакции: $2NH_4Cl + Ca(OH)_2 \rightarrow CaCl_2 + 2NH_3 + 2H_2O$.

2. Свойства аммиака

Горение аммиака: При поднесении зажженной лучинки к отверстию газоотводной трубки, из которой выходит аммиак, наблюдается горение газа желтовато-зеленым пламенем. Однако горение неустойчивое и прекращается, если убрать лучинку, так как аммиак горит в воздухе с трудом. Реакция горения аммиака в кислороде воздуха приводит к образованию азота и воды.
Уравнение реакции:
$4NH_3 + 3O_2 \xrightarrow{t} 2N_2 + 6H_2O$

Каталитическое окисление: В присутствии катализатора, такого как оксид хрома(III) ($Cr_2O_3$), окисление аммиака кислородом идет по-другому. Оксид хрома(III) в данной реакции играет роль катализатора, то есть вещества, которое ускоряет реакцию, но само в ней не расходуется. В результате образуется не азот, а оксид азота(II) ($NO$).
Уравнение реакции:
$4NH_3 + 5O_2 \xrightarrow{Cr_2O_3, t} 4NO + 6H_2O$

Взаимодействие с кислотами: При поднесении к отверстию пробирки с аммиаком стеклянной палочки, смоченной концентрированной соляной кислотой ($HCl$), наблюдается образование густого белого дыма. Этот дым представляет собой мельчайшие кристаллики твердого хлорида аммония ($NH_4Cl$), образующегося при взаимодействии газообразного аммиака и паров хлороводорода.
Уравнение реакции:
$NH_3(г) + HCl(г) \rightarrow NH_4Cl(тв)$

Растворимость в воде: Если пробирку, наполненную аммиаком, опустить отверстием в воду, вода быстро устремляется внутрь пробирки, заполняя ее. Это явление, известное как "аммиачный фонтан", демонстрирует чрезвычайно высокую растворимость аммиака в воде. Газ, растворяясь, создает внутри пробирки пониженное давление (вакуум), и атмосферное давление "заталкивает" воду внутрь.

Ответ: Аммиак с трудом горит в воздухе желто-зеленым пламенем, образуя азот и воду. В присутствии катализатора ($Cr_2O_3$) окисляется до оксида азота(II). С парами соляной кислоты образует белый дым — твердый хлорид аммония. Аммиак очень хорошо растворяется в воде.

3. Свойства водного раствора аммиака

Свойства как основания: При добавлении фенолфталеина к водному раствору аммиака (нашатырному спирту) раствор окрашивается в малиновый цвет. Это свидетельствует о щелочной среде раствора, которая возникает из-за образования гидроксид-ионов ($OH^-$) в результате обратимой реакции: $NH_3 + H_2O \rightleftharpoons NH_4^+ + OH^-$.
При нагревании этого раствора до кипения малиновая окраска исчезает. Это происходит потому, что растворимость аммиака в воде с повышением температуры резко уменьшается, и он улетучивается из раствора. Согласно принципу Ле Шателье, равновесие смещается влево, концентрация гидроксид-ионов падает, и среда становится нейтральной.

Нейтрализация: При добавлении к раствору аммиака с фенолфталеином серной кислоты ($H_2SO_4$) малиновая окраска исчезает. Происходит реакция нейтрализации, в ходе которой щелочь (гидроксид аммония) реагирует с кислотой с образованием соли (сульфата аммония) и воды.
Уравнение реакции:
$2(NH_3 \cdot H_2O) + H_2SO_4 \rightarrow (NH_4)_2SO_4 + 2H_2O$

Восстановительные свойства: При добавлении водного раствора аммиака к бромной воде (раствор $Br_2$ в воде), имеющей желто-бурую окраску, происходит ее обесцвечивание. Это результат окислительно-восстановительной реакции, в которой аммиак выступает в роли восстановителя, а бром — окислителя.
Уравнение реакции:
$8NH_3 + 3Br_2 \rightarrow N_2\uparrow + 6NH_4Br$
Окислитель: $Br_2$ (степень окисления брома меняется с $0$ до $-1$).
Восстановитель: $NH_3$ (степень окисления азота меняется с $-3$ до $0$).

Осаждение гидроксидов металлов: При добавлении раствора аммиака к раствору соли алюминия (например, $AlCl_3$) выпадает белый студенистый осадок гидроксида алюминия ($Al(OH)_3$).
Уравнение реакции:
$AlCl_3 + 3(NH_3 \cdot H_2O) \rightarrow Al(OH)_3\downarrow + 3NH_4Cl$
Гидроксид алюминия является амфотерным, но он не растворяется в избытке слабого основания, каким является водный раствор аммиака. Этот опыт показывает, что водный раствор аммиака является основанием, способным осаждать гидроксиды металлов из их солей.

Комплексообразование:
При добавлении по каплям раствора аммиака к раствору сульфата меди(II) ($CuSO_4$) сначала образуется голубой осадок гидроксида меди(II) ($Cu(OH)_2$):
$CuSO_4 + 2(NH_3 \cdot H_2O) \rightarrow Cu(OH)_2\downarrow + (NH_4)_2SO_4$
При дальнейшем добавлении избытка аммиака этот осадок растворяется с образованием раствора ярко-синего (василькового) цвета. Это происходит за счет образования комплексного иона тетраамминмеди(II) $[Cu(NH_3)_4]^{2+}$:
$Cu(OH)_2 + 4(NH_3 \cdot H_2O) \rightarrow [Cu(NH_3)_4](OH)_2 + 4H_2O$
Аналогичный опыт с солью цинка (например, $ZnSO_4$) также приводит к образованию сначала белого осадка гидроксида цинка ($Zn(OH)_2$), который затем растворяется в избытке аммиака с образованием бесцветного раствора комплексной соли тетраамминцинкат(II) $[Zn(NH_3)_4]^{2+}$:
$ZnSO_4 + 2(NH_3 \cdot H_2O) \rightarrow Zn(OH)_2\downarrow + (NH_4)_2SO_4$
$Zn(OH)_2 + 4(NH_3 \cdot H_2O) \rightarrow [Zn(NH_3)_4](OH)_2 + 4H_2O$

Ответ: Водный раствор аммиака является слабым основанием (окрашивает фенолфталеин в малиновый цвет, который исчезает при нагревании), вступает в реакции нейтрализации с кислотами, проявляет восстановительные свойства (обесцвечивает бромную воду), осаждает гидроксиды металлов (например, $Al(OH)_3$) из растворов их солей и способен образовывать комплексные соединения с некоторыми катионами (например, $Cu^{2+}$, $Zn^{2+}$), растворяя их первоначально выпавшие гидроксиды.