Номер 7, страница 443 - гдз по химии 11 класс учебник Еремин, Кузьменко

Практикум. Практическая работа - номер 7, страница 443.

Условие.

Практическая работа 7. Экспериментальное решение задач по теме «Металлы побочных подгрупп»

Реактивы: железо (порошок); растворы гидроксида натрия, хлорида железа($\text{III}$), сульфата железа($\text{III}$), сульфата меди($\text{II}$), хлорида цинка, хлорида кальция, хлорида бария, хлорида хрома($\text{III}$), дихромата калия, нитрата серебра, азотной кислоты, серной кислоты, соляной кислоты; пероксид водорода или бромной воды.

1. Из порошка железа получите гидроксид железа($\text{III}$).

2. Подтвердите опытным путём качественный состав:

а) хлорида железа($\text{III}$);

б) сульфата железа($\text{III}$).

3. Получите из раствора сульфата меди($\text{II}$) оксид меди($\text{II}$) и переведите его в нитрат меди($\text{II}$).

4. Распознайте при помощи одного реактива:

а) хлорид железа($\text{III}$) и сульфат железа($\text{III}$);

б) сульфата железа($\text{II}$) и сульфата железа($\text{III}$);

в) хлорид цинка и хлорид кальция.

5. Исходя из железа получите гидроксид железа($\text{II}$).

6. Получите гидроксид хрома($\text{III}$) и докажите его амфотерность.

7. Получите гидроксид цинка и докажите его амфотерность.

8. Получите хромат калия из гидроксида хрома($\text{III}$).

9. Получите из железа раствор хлорида железа($\text{II}$) и прилейте к нему раствор дихромата калия. Что вы наблюдаете? Чем вызвано изменение окраски раствора? Какое из соединений выступает в роли окислителя, а какое — в роли восстановителя?

10. Химическим путём очистите железный гвоздь от ржавчины.

Решение.

Решение 2.

1. Из порошка железа получите гидроксид железа(III).
Для получения гидроксида железа(III) из порошка железа необходимо провести трехстадийный процесс. Сначала растворим железо в соляной кислоте для получения хлорида железа(II). Затем окислим железо(II) до железа(III) с помощью пероксида водорода в кислой среде. Наконец, добавим щелочь для осаждения гидроксида железа(III).
1) Получение хлорида железа(II):
$Fe + 2HCl \rightarrow FeCl_2 + H_2 \uparrow$
2) Окисление хлорида железа(II) до хлорида железа(III):
$2FeCl_2 + H_2O_2 + 2HCl \rightarrow 2FeCl_3 + 2H_2O$
3) Получение гидроксида железа(III):
$FeCl_3 + 3NaOH \rightarrow Fe(OH)_3 \downarrow + 3NaCl$
В результате образуется бурый осадок гидроксида железа(III).
Ответ: Для получения гидроксида железа(III) нужно последовательно обработать порошок железа соляной кислотой, затем полученный раствор — пероксидом водорода, и в конце добавить раствор гидроксида натрия до выпадения бурого осадка.

2. Подтвердите опытным путём качественный состав:
а) хлорида железа(III);
Качественный состав хлорида железа(III) ($FeCl_3$) можно подтвердить, проведя реакции на катион железа($Fe^{3+}$) и на хлорид-анион ($Cl^−$).
- Наличие катиона $Fe^{3+}$: к раствору хлорида железа(III) добавить раствор гидроксида натрия. Наблюдается выпадение бурого студенистого осадка гидроксида железа(III).
$FeCl_3 + 3NaOH \rightarrow Fe(OH)_3 \downarrow + 3NaCl$
- Наличие хлорид-аниона $Cl^−$: к раствору хлорида железа(III) добавить раствор нитрата серебра. Наблюдается выпадение белого творожистого осадка хлорида серебра.
$FeCl_3 + 3AgNO_3 \rightarrow 3AgCl \downarrow + Fe(NO_3)_3$
Ответ: Наличие иона $Fe^{3+}$ доказывается добавлением раствора $NaOH$ (выпадает бурый осадок), а наличие иона $Cl^−$ — добавлением раствора $AgNO_3$ (выпадает белый осадок).

б) сульфата железа(III).
Качественный состав сульфата железа(III) ($Fe_2(SO_4)_3$) можно подтвердить, проведя реакции на катион железа($Fe^{3+}$) и на сульфат-анион ($SO_4^{2−}$).
- Наличие катиона $Fe^{3+}$: к раствору сульфата железа(III) добавить раствор гидроксида натрия. Наблюдается выпадение бурого студенистого осадка гидроксида железа(III).
$Fe_2(SO_4)_3 + 6NaOH \rightarrow 2Fe(OH)_3 \downarrow + 3Na_2SO_4$
- Наличие сульфат-аниона $SO_4^{2−}$: к раствору сульфата железа(III) добавить раствор хлорида бария. Наблюдается выпадение белого мелкокристаллического осадка сульфата бария, нерастворимого в кислотах.
$Fe_2(SO_4)_3 + 3BaCl_2 \rightarrow 3BaSO_4 \downarrow + 2FeCl_3$
Ответ: Наличие иона $Fe^{3+}$ доказывается добавлением раствора $NaOH$ (выпадает бурый осадок), а наличие иона $SO_4^{2−}$ — добавлением раствора $BaCl_2$ (выпадает белый осадок).

3. Получите из раствора сульфата меди(II) оксид меди(II) и переведите его в нитрат меди(II).
Процесс состоит из трех стадий. Сначала из сульфата меди(II) получаем гидроксид меди(II), затем разлагаем его нагреванием до оксида меди(II), и, наконец, растворяем оксид в азотной кислоте.
1) К раствору сульфата меди(II) ($CuSO_4$) приливаем раствор гидроксида натрия ($NaOH$). Выпадает голубой осадок гидроксида меди(II) ($Cu(OH)_2$).
$CuSO_4 + 2NaOH \rightarrow Cu(OH)_2 \downarrow + Na_2SO_4$
2) Полученный осадок гидроксида меди(II) отфильтровываем и прокаливаем. Голубой осадок превращается в черный порошок оксида меди(II) ($CuO$).
$Cu(OH)_2 \xrightarrow{t} CuO + H_2O$
3) К оксиду меди(II) добавляем азотную кислоту ($HNO_3$). Черный порошок растворяется с образованием голубого раствора нитрата меди(II) ($Cu(NO_3)_2$).
$CuO + 2HNO_3 \rightarrow Cu(NO_3)_2 + H_2O$
Ответ: К раствору $CuSO_4$ добавить $NaOH$ для получения осадка $Cu(OH)_2$, который затем прокалить для получения $CuO$. Полученный $CuO$ растворить в $HNO_3$ для образования $Cu(NO_3)_2$.

4. Распознайте при помощи одного реактива:
а) хлорид железа(III) и сульфат железа(III);
В обоих растворах содержится катион $Fe^{3+}$, поэтому распознавание нужно проводить по анионам ($Cl^−$ и $SO_4^{2−}$). В качестве реактива можно использовать раствор хлорида бария ($BaCl_2$).
- В пробирке с сульфатом железа(III) ($Fe_2(SO_4)_3$) при добавлении $BaCl_2$ выпадет белый осадок сульфата бария ($BaSO_4$).
$Fe_2(SO_4)_3 + 3BaCl_2 \rightarrow 3BaSO_4 \downarrow + 2FeCl_3$
- В пробирке с хлоридом железа(III) ($FeCl_3$) видимых изменений не произойдет.
Ответ: Реактив - раствор хлорида бария. В растворе сульфата железа(III) выпадет белый осадок.

б) сульфат железа(II) и сульфат железа(III);
В обоих растворах содержится сульфат-анион, поэтому распознавание нужно проводить по катионам ($Fe^{2+}$ и $Fe^{3+}$). В качестве реактива используем раствор гидроксида натрия ($NaOH$).
- В пробирке с сульфатом железа(II) ($FeSO_4$) при добавлении $NaOH$ выпадет серо-зеленый ("грязно-зеленый") осадок гидроксида железа(II) ($Fe(OH)_2$).
$FeSO_4 + 2NaOH \rightarrow Fe(OH)_2 \downarrow + Na_2SO_4$
- В пробирке с сульфатом железа(III) ($Fe_2(SO_4)_3$) при добавлении $NaOH$ выпадет бурый осадок гидроксида железа(III) ($Fe(OH)_3$).
$Fe_2(SO_4)_3 + 6NaOH \rightarrow 2Fe(OH)_3 \downarrow + 3Na_2SO_4$
Ответ: Реактив - раствор гидроксида натрия. С сульфатом железа(II) образуется серо-зеленый осадок, с сульфатом железа(III) - бурый.

в) хлорид цинка и хлорид кальция.
В обоих растворах содержится хлорид-анион, поэтому распознавание проводим по катионам ($Zn^{2+}$ и $Ca^{2+}$). В качестве реактива используем раствор гидроксида натрия ($NaOH$).
- К обоим растворам по каплям добавляем $NaOH$. В пробирке с хлоридом цинка ($ZnCl_2$) выпадет белый студенистый осадок гидроксида цинка ($Zn(OH)_2$).
$ZnCl_2 + 2NaOH \rightarrow Zn(OH)_2 \downarrow + 2NaCl$
- В пробирке с хлоридом кальция ($CaCl_2$) осадок не выпадает, так как гидроксид кальция является растворимым основанием (щелочью).
- Для большей достоверности можно продолжить добавлять $NaOH$ в пробирку с осадком $Zn(OH)_2$. Осадок растворится, так как гидроксид цинка амфотерен.
$Zn(OH)_2 + 2NaOH_{изб.} \rightarrow Na_2[Zn(OH)_4]$ (растворимый тетрагидроксоцинкат натрия).
Ответ: Реактив - раствор гидроксида натрия. С хлоридом цинка образуется белый осадок, который растворяется в избытке щелочи. С хлоридом кальция осадок не образуется.

5. Исходя из железа получите гидроксид железа(II).
1) Порошок железа растворяем в разбавленной серной кислоте. При этом образуется соль железа(II) - сульфат железа(II) - и выделяется водород.
$Fe + H_2SO_4 (разб.) \rightarrow FeSO_4 + H_2 \uparrow$
2) К полученному раствору сульфата железа(II) добавляем раствор гидроксида натрия. Выпадает серо-зеленый осадок гидроксида железа(II).
$FeSO_4 + 2NaOH \rightarrow Fe(OH)_2 \downarrow + Na_2SO_4$
Ответ: Железо растворить в серной кислоте, к полученному раствору сульфата железа(II) добавить раствор гидроксида натрия до выпадения серо-зеленого осадка.

6. Получите гидроксид хрома(III) и докажите его амфотерность.
1) Получение гидроксида хрома(III) ($Cr(OH)_3$): к раствору соли хрома(III), например, хлорида хрома(III) ($CrCl_3$), добавляем раствор гидроксида натрия ($NaOH$) до выпадения серо-зеленого осадка.
$CrCl_3 + 3NaOH \rightarrow Cr(OH)_3 \downarrow + 3NaCl$
2) Доказательство амфотерности: полученный осадок делим на две пробирки.
- В первую пробирку добавляем кислоту (например, $HCl$). Осадок растворяется, что доказывает его основные свойства.
$Cr(OH)_3 + 3HCl \rightarrow CrCl_3 + 3H_2O$
- Во вторую пробирку добавляем избыток концентрированного раствора щелочи ($NaOH$). Осадок растворяется с образованием раствора изумрудно-зеленого цвета, что доказывает его кислотные свойства.
$Cr(OH)_3 + NaOH \rightarrow Na[Cr(OH)_4]$ (тетрагидроксохромат(III) натрия)
Ответ: $Cr(OH)_3$ получают реакцией $CrCl_3$ с $NaOH$. Амфотерность доказывается растворением осадка как в кислоте ($HCl$), так и в избытке щелочи ($NaOH$).

7. Получите гидроксид цинка и докажите его амфотерность.
1) Получение гидроксида цинка ($Zn(OH)_2$): к раствору соли цинка, например, хлорида цинка ($ZnCl_2$), добавляем по каплям раствор гидроксида натрия ($NaOH$) до выпадения белого студенистого осадка.
$ZnCl_2 + 2NaOH \rightarrow Zn(OH)_2 \downarrow + 2NaCl$
2) Доказательство амфотерности: полученный осадок делим на две пробирки.
- В первую пробирку добавляем кислоту (например, $HCl$). Осадок растворяется, что доказывает его основные свойства.
$Zn(OH)_2 + 2HCl \rightarrow ZnCl_2 + 2H_2O$
- Во вторую пробирку добавляем избыток раствора щелочи ($NaOH$). Осадок растворяется с образованием бесцветного раствора, что доказывает его кислотные свойства.
$Zn(OH)_2 + 2NaOH \rightarrow Na_2[Zn(OH)_4]$ (тетрагидроксоцинкат натрия)
Ответ: $Zn(OH)_2$ получают реакцией $ZnCl_2$ с $NaOH$. Амфотерность доказывается растворением осадка как в кислоте ($HCl$), так и в избытке щелочи ($NaOH$).

8. Получите хромат калия из гидроксида хрома(III).
Для получения хромата из гидроксида хрома(III) необходимо окислить хром со степени окисления +3 до +6 в щелочной среде. В качестве окислителя используем пероксид водорода, а в качестве щелочной среды - гидроксид натрия (так как гидроксид калия отсутствует в перечне реактивов, получим натриевую соль).
К серо-зеленому осадку гидроксида хрома(III) приливаем раствор гидроксида натрия и пероксид водорода, затем смесь нагреваем. Осадок растворяется, и раствор приобретает характерный желтый цвет из-за образования хромат-ионов ($CrO_4^{2−}$).
$2Cr(OH)_3 + 3H_2O_2 + 4NaOH \rightarrow 2Na_2CrO_4 + 8H_2O$
Ответ: К осадку $Cr(OH)_3$ добавить раствор $NaOH$ и $H_2O_2$ и нагреть. Раствор окрасится в желтый цвет, что свидетельствует об образовании хромат-ионов.

9. Получите из железа раствор хлорида железа(II) и прилейте к нему раствор дихромата калия. Что вы наблюдаете? Чем вызвано изменение окраски раствора? Какое из соединений выступает в роли окислителя, а какое – в роли восстановителя?
1) Получение хлорида железа(II): порошок железа растворяем в соляной кислоте.
$Fe + 2HCl \rightarrow FeCl_2 + H_2 \uparrow$
Образуется бледно-зеленый раствор хлорида железа(II).
2) К полученному раствору добавляем раствор дихромата калия ($K_2Cr_2O_7$).
Наблюдение: исходный оранжевый цвет раствора дихромата и бледно-зеленый цвет раствора хлорида железа(II) сменяются на зелено-коричневый цвет конечного раствора.
Изменение окраски вызвано протеканием окислительно-восстановительной реакции. Ионы $Fe^{2+}$ (бледно-зеленые) окисляются до ионов $Fe^{3+}$ (желто-коричневые). Ионы $Cr_2O_7^{2−}$ (оранжевые) восстанавливаются до ионов $Cr^{3+}$ (зеленые). Смешение этих цветов дает наблюдаемую окраску.
Роли соединений: - Окислитель: дихромат калия ($K_2Cr_2O_7$), так как хром понижает свою степень окисления с +6 до +3.
- Восстановитель: хлорид железа(II) ($FeCl_2$), так как железо повышает свою степень окисления с +2 до +3.
Уравнение реакции в кислой среде (создаваемой избытком $HCl$):
$6FeCl_2 + K_2Cr_2O_7 + 14HCl \rightarrow 6FeCl_3 + 2CrCl_3 + 2KCl + 7H_2O$
Ответ: Наблюдается изменение цвета раствора с оранжево-зеленого на зелено-коричневый. Изменение цвета вызвано окислением $Fe^{2+}$ до $Fe^{3+}$ и восстановлением $Cr_2O_7^{2−}$ до $Cr^{3+}$. Окислитель - $K_2Cr_2O_7$, восстановитель - $FeCl_2$.

10. Химическим путём очистите железный гвоздь от ржавчины.
Ржавчина представляет собой в основном гидратированный оксид железа(III) ($Fe_2O_3 \cdot nH_2O$). Для ее удаления можно использовать кислоту, которая растворяет оксиды. Из списка реактивов подойдут соляная или серная кислота.
Железный гвоздь следует поместить в разбавленный раствор кислоты (например, соляной) на короткое время. Ржавчина растворится в кислоте.
$Fe_2O_3 + 6HCl \rightarrow 2FeCl_3 + 3H_2O$
Сама кислота также реагирует с железом, но медленнее, чем с ржавчиной:
$Fe + 2HCl \rightarrow FeCl_2 + H_2 \uparrow$
Поэтому важно не передержать гвоздь в кислоте. После очистки гвоздь необходимо тщательно промыть водой для удаления остатков кислоты и высушить, чтобы предотвратить повторное ржавление.
Ответ: Поместить гвоздь в раствор соляной или серной кислоты на короткое время до растворения ржавчины, затем промыть водой и высушить.