Номер 8, страница 444 - гдз по химии 11 класс учебник Еремин, Кузьменко

Практикум. Практическая работа - номер 8, страница 444.

Условие.

Практическая работа 8. Получение соли Мора

Реактивы: сульфаты железа(II) и аммония.

Соль Мора — это шестиводный двойной сульфат железа(II)-аммония $(\text{NH}_4)_2\text{Fe}(\text{SO}_4)_2 \cdot 6\text{H}_2\text{O}$. Растворимость двойной соли меньше растворимости двух исходных средних солей, поэтому при сливании горячих растворов сульфатов железа(II) и аммония образуется раствор, из которого выделяются кристаллы соли Мора. Чем медленнее проводится охлаждение, тем крупнее её кристаллы.

1. Растворите при нагревании 8 г железного купороса $\text{FeSO}_4 \cdot 7\text{H}_2\text{O}$ в 10 мл воды. При отсутствии железного купороса его можно получить заранее из железа и серной кислоты.

2. Приготовьте концентрированный раствор сульфата аммония, растворив 4 г соли в 5 мл горячей воды.

3. Слейте горячие растворы, перемешайте их и оставьте кристаллизоваться. Что вы наблюдаете? Если кристаллизация не происходит, потрите о внутреннюю стенку сосуда стеклянной палочкой или бросьте в стакан затравку — кристаллик соли Мора, выданный учителем. Когда раствор остынет, поместите сосуд с раствором в ёмкость со льдом или снегом.

4. Выделившиеся кристаллы отфильтруйте, отожмите между листами фильтровальной бумаги. Опишите внешний вид вещества, его окраску, зарисуйте форму кристаллов.

5. При помощи качественных реакций докажите качественный состав соли Мора.

6. Высушите вещество и сдайте его учителю.

Решение.

Решение 2.

1. Растворите при нагревании 8 г железного купороса FeSO₄·7H₂O в 10 мл воды. При отсутствии железного купороса его можно получить заранее из железа и серной кислоты.

Для выполнения данного пункта необходимо провести расчет теоретического выхода соли Мора, чтобы в дальнейшем оценить эффективность синтеза. Расчет основан на массах исходных реагентов, указанных в пунктах 1 и 2.

Дано:

$m(FeSO_4 \cdot 7H_2O) = 8$ г

$m((NH_4)_2SO_4) = 4$ г

Перевод в систему СИ:

$m(FeSO_4 \cdot 7H_2O) = 0.008$ кг

$m((NH_4)_2SO_4) = 0.004$ кг

Найти:

Теоретическую массу соли Мора $m_{теор}((NH_4)_2Fe(SO_4)_2 \cdot 6H_2O)$.

Решение:

1. Уравнение реакции синтеза соли Мора:

$FeSO_4 + (NH_4)_2SO_4 + 6H_2O \rightarrow (NH_4)_2Fe(SO_4)_2 \cdot 6H_2O$

2. Рассчитаем молярные массы реагентов и продукта:

$M(FeSO_4 \cdot 7H_2O) = 56 + 32 + 4 \cdot 16 + 7 \cdot 18 = 278$ г/моль

$M((NH_4)_2SO_4) = 2 \cdot (14+4) + 32 + 4 \cdot 16 = 132$ г/моль

$M((NH_4)_2Fe(SO_4)_2 \cdot 6H_2O) = 2 \cdot (14+4) + 56 + 2 \cdot (32 + 4 \cdot 16) + 6 \cdot 18 = 392$ г/моль

3. Найдем количество вещества (моль) исходных солей:

Количество вещества железного купороса (он же сульфат железа(II) гептагидрат):

$n(FeSO_4 \cdot 7H_2O) = \frac{m}{M} = \frac{8 \text{ г}}{278 \text{ г/моль}} \approx 0.0288$ моль

Количество вещества сульфата аммония:

$n((NH_4)_2SO_4) = \frac{m}{M} = \frac{4 \text{ г}}{132 \text{ г/моль}} \approx 0.0303$ моль

4. Определим, какой из реагентов находится в недостатке. Согласно уравнению реакции, сульфат железа(II) и сульфат аммония реагируют в мольном соотношении 1:1. Сравнивая полученные количества веществ:

$n(FeSO_4) = n(FeSO_4 \cdot 7H_2O) = 0.0288$ моль

$n((NH_4)_2SO_4) = 0.0303$ моль

Так как $0.0288 < 0.0303$, сульфат железа(II) является лимитирующим реагентом. Расчет теоретического выхода продукта ведем по нему.

5. Рассчитаем теоретическую массу соли Мора. Из уравнения реакции следует, что из 1 моль $FeSO_4$ образуется 1 моль соли Мора:

$n((NH_4)_2Fe(SO_4)_2 \cdot 6H_2O) = n(FeSO_4) = 0.0288$ моль

$m_{теор} = n \cdot M = 0.0288 \text{ моль} \cdot 392 \text{ г/моль} \approx 11.29$ г

Ответ: Теоретический выход соли Мора составляет 11.29 г. При выполнении работы 8 г железного купороса (кристаллы светло-зеленого цвета) растворяют в 10 мл воды при слабом нагревании. В случае отсутствия готового реактива, его получают взаимодействием железных стружек с разбавленной серной кислотой: $Fe + H_2SO_4 \rightarrow FeSO_4 + H_2 \uparrow$.

2. Приготовьте концентрированный раствор сульфата аммония, растворив 4 г соли в 5 мл горячей воды.

Сульфат аммония $(NH_4)_2SO_4$ представляет собой белое кристаллическое вещество. 4 грамма этой соли растворяют в 5 мл горячей воды для получения насыщенного раствора. Растворение происходит полностью, образуется прозрачный бесцветный раствор.

Ответ: При растворении 4 г белых кристаллов сульфата аммония в 5 мл горячей воды образуется прозрачный бесцветный концентрированный раствор.

3. Слейте горячие растворы, перемешайте их и оставьте кристаллизоваться. Что вы наблюдаете? Если кристаллизация не происходит, потрите о внутреннюю стенку сосуда стеклянной палочкой или бросьте в стакан затравку — кристаллик соли Мора, выданный учителем. Когда раствор остынет, поместите сосуд с раствором в ёмкость со льдом или снегом.

При смешивании горячего раствора сульфата железа(II) (светло-зеленый) и горячего раствора сульфата аммония (бесцветный) образуется прозрачный раствор светло-зеленого цвета. Соль Мора имеет меньшую растворимость по сравнению с исходными солями, и ее растворимость сильно уменьшается при охлаждении. Поэтому при остывании раствора начинается процесс кристаллизации: из раствора выпадают кристаллы.

Наблюдение: По мере остывания смеси на дне и стенках стакана начинают образовываться довольно крупные, правильно ограненные кристаллы светло-зеленого цвета. Чем медленнее происходит охлаждение, тем крупнее и совершеннее получаются кристаллы.

Если кристаллизация не начинается самопроизвольно (раствор стал пересыщенным), ее можно инициировать. Трение стеклянной палочкой о стенку сосуда создает микроскопические царапины, которые служат центрами кристаллизации. Внесение "затравки" (маленького кристаллика соли Мора) также предоставляет готовую поверхность для роста новых кристаллов. Помещение сосуда в ледяную баню значительно ускоряет охлаждение и снижает растворимость соли, что приводит к более полному и быстрому выпадению кристаллов из раствора.

Ответ: При смешивании горячих растворов и последующем охлаждении наблюдается образование и рост светло-зеленых кристаллов соли Мора. Для инициации или ускорения процесса можно потереть стенку стакана палочкой, добавить затравку или охладить раствор в ледяной бане.

4. Выделившиеся кристаллы отфильтруйте, отожмите между листами фильтровальной бумаги. Опишите внешний вид вещества, его окраску, зарисуйте форму кристаллов.

После завершения кристаллизации кристаллы отделяют от маточного раствора методом фильтрования (например, на воронке Бюхнера под вакуумом для большей эффективности). Затем кристаллы промывают небольшим количеством ледяной воды для удаления примесей и осушают, аккуратно отжимая между листами фильтровальной бумаги.

Описание вещества:

• Внешний вид и окраска: Полученное вещество представляет собой сыпучую массу кристаллов. Кристаллы соли Мора прозрачные, имеют характерный светло-зеленый или голубовато-зеленый оттенок.
• Форма кристаллов: Кристаллы соли Мора относятся к моноклинной сингонии. Они имеют форму вытянутых призм или табличек с хорошо выраженными гранями.

Ответ: Выделенные кристаллы соли Мора — прозрачные, светло-зеленого цвета, имеют форму призм (моноклинная сингония).

5. При помощи качественных реакций докажите качественный состав соли Мора.

Качественный состав соли Мора $(NH_4)_2Fe(SO_4)_2 \cdot 6H_2O$ можно доказать, проведя реакции на ионы $Fe^{2+}$, $NH_4^+$ и $SO_4^{2-}$. Для этого небольшое количество полученных кристаллов растворяют в дистиллированной воде и делят раствор на три пробирки.

1. Обнаружение иона железа(II) $Fe^{2+}$

К первой порции раствора добавляют несколько капель раствора красной кровяной соли (гексацианоферрата(III) калия $K_3[Fe(CN)_6]$). Наблюдается образование темно-синего осадка "турнбулевой сини".

Ионное уравнение реакции: $3Fe^{2+} + 2[Fe(CN)_6]^{3-} \rightarrow Fe_3[Fe(CN)_6]_2 \downarrow$

2. Обнаружение иона аммония $NH_4^+$

Ко второй порции раствора добавляют раствор щелочи (например, $NaOH$) и осторожно нагревают. Выделяется газ с резким запахом — аммиак. Его можно обнаружить по посинению влажной красной лакмусовой бумажки, поднесенной к отверстию пробирки.

Ионное уравнение реакции: $NH_4^+ + OH^- \xrightarrow{t} NH_3 \uparrow + H_2O$

3. Обнаружение сульфат-иона $SO_4^{2-}$

К третьей порции раствора добавляют несколько капель раствора хлорида бария ($BaCl_2$) или нитрата бария ($Ba(NO_3)_2$), предварительно подкислив раствор соляной или азотной кислотой (для предотвращения осаждения других солей бария). Наблюдается выпадение белого мелкокристаллического осадка сульфата бария, нерастворимого в кислотах.

Ионное уравнение реакции: $Ba^{2+} + SO_4^{2-} \rightarrow BaSO_4 \downarrow$

Ответ: Наличие ионов $Fe^{2+}$ доказано реакцией с $K_3[Fe(CN)_6]$ (синий осадок), ионов $NH_4^+$ — реакцией со щелочью при нагревании (выделение аммиака), а сульфат-ионов $SO_4^{2-}$ — реакцией с раствором соли бария (белый осадок).

6. Высушите вещество и сдайте его учителю.

Высушивание соли Мора следует проводить осторожно, так как это кристаллогидрат, который может терять кристаллизационную воду (выветриваться) при нагревании или на слишком сухом воздухе. Оптимальный способ — высушивание на воздухе при комнатной температуре, разложив кристаллы тонким слоем на листе фильтровальной бумаги.

После высушивания вещество взвешивают для определения практического выхода. Например, если масса полученного продукта составила 9.8 г, то практический выход реакции можно рассчитать по формуле:

$\eta = \frac{m_{практ}}{m_{теор}} \cdot 100\%$

Подставляя ранее рассчитанное теоретическое значение:

$\eta = \frac{9.8 \text{ г}}{11.29 \text{ г}} \cdot 100\% \approx 86.8\%$

Высушенные кристаллы сдаются учителю для оценки.

Ответ: Высушенные при комнатной температуре кристаллы соли Мора взвешиваются для определения практического выхода (в данном примере 86.8%) и сдаются учителю.