Лабораторный эксперимент, страница 106 - гдз по химии 11 класс учебник Габриелян, Остроумов

Вопрос в параграфе. Параграф 21. Соли. Глава III. Вещества и их свойства - страница 106.

Условие.

ЛАБОРАТОРНЫЙ ЭКСПЕРИМЕНТ

Соберите прибор для получения газов и проверьте его герметичность. В пробирку налейте 3—4 мл соляной кислоты и опустите в неё 2—3 небольших кусочка мрамора. Закройте пробирку пробкой с газоотводной трубкой. Конец трубки опустите в другую пробирку объёмом 20 мл с 5—6 мл известковой воды. Пропускайте через известковую воду полученный оксид углерода(IV). Что наблюдаете? Продолжайте пропускать углекислый газ до растворения осадка. Объясните наблюдаемые явления.

Полученную жёсткую воду разлейте в три пробирки.

К содержимому первой пробирки добавьте немного раствора мыла, закройте её пробкой и сильно встряхните. Что наблюдаете? Почему?

Вторую пробирку закрепите в пробиркодержателе и нагрейте до кипения. Прекратите нагревание и рассмотрите содержимое. Объясните наблюдаемое явление.

В третью пробирку добавьте раствор стиральной соды. Что наблюдаете?

Сделайте вывод о свойствах жёсткой воды и возможности её применения в технических и пищевых целях, а также о способах устранения жёсткости воды.

Решение.

Решение 2.

При пропускании полученного оксида углерода(IV) через известковую воду наблюдается её помутнение, выпадает белый осадок. Это происходит потому, что углекислый газ ($CO_2$) реагирует с гидроксидом кальция ($Ca(OH)_2$), образуя нерастворимый карбонат кальция ($CaCO_3$).

Уравнение реакции: $CO_2 + Ca(OH)_2 \rightarrow CaCO_3 \downarrow + H_2O$

При дальнейшем пропускании углекислого газа осадок постепенно растворяется, и раствор снова становится прозрачным. Это объясняется тем, что нерастворимый карбонат кальция в присутствии избытка углекислого газа и воды превращается в растворимый гидрокарбонат кальция ($Ca(HCO_3)_2$). Полученный раствор является моделью воды с временной (карбонатной) жёсткостью.

Уравнение реакции: $CaCO_3 + H_2O + CO_2 \rightarrow Ca(HCO_3)_2$

К содержимому первой пробирки добавьте немного раствора мыла, закройте её пробкой и сильно встряхните. Что наблюдаете? Почему?

При встряхивании пробирки с жёсткой водой и мылом образуется очень мало пены. Вместо этого появляются белые хлопья нерастворимого осадка. Это происходит потому, что ионы кальция ($Ca^{2+}$), обуславливающие жёсткость воды, реагируют с солями высших жирных кислот (компонентами мыла, например, стеаратом натрия $C_{17}H_{35}COONa$), образуя нерастворимые соли, такие как стеарат кальция. В результате моющая способность мыла резко снижается.

Пример реакции: $Ca(HCO_3)_2 + 2C_{17}H_{35}COONa \rightarrow (C_{17}H_{35}COO)_2Ca \downarrow + 2NaHCO_3$

Ответ: Наблюдается образование белых хлопьев и незначительное пенообразование, так как ионы кальция в жёсткой воде образуют с мылом нерастворимые соли.

Вторую пробирку закрепите в пробиркодержателе и нагрейте до кипения. Прекратите нагревание и рассмотрите содержимое. Объясните наблюдаемое явление.

При нагревании (кипячении) жёсткой воды раствор снова мутнеет, и на дне и стенках пробирки образуется белый осадок (накипь). Это явление объясняется термическим разложением растворимого гидрокарбоната кальция. При высокой температуре он распадается на нерастворимый карбонат кальция ($CaCO_3$), воду и углекислый газ. Таким образом, кипячение является способом устранения временной жёсткости воды.

Уравнение реакции: $Ca(HCO_3)_2 \xrightarrow{t^\circ} CaCO_3 \downarrow + H_2O + CO_2 \uparrow$

Ответ: Наблюдается помутнение раствора и выпадение белого осадка (накипи) из-за термического разложения гидрокарбоната кальция до нерастворимого карбоната кальция.

В третью пробирку добавьте раствор стиральной соды. Что наблюдаете?

При добавлении в жёсткую воду раствора стиральной соды (карбоната натрия $Na_2CO_3$) также наблюдается выпадение белого осадка. Карбонат натрия реагирует с гидрокарбонатом кальция, в результате чего образуется нерастворимый карбонат кальция. Этот химический метод позволяет устранять как временную, так и постоянную жёсткость воды.

Уравнение реакции: $Ca(HCO_3)_2 + Na_2CO_3 \rightarrow CaCO_3 \downarrow + 2NaHCO_3$

Ответ: Наблюдается образование белого осадка карбоната кальция.

Сделайте вывод о свойствах жёсткой воды и возможности её применения в техниче-ских и пищевых целях, а также о способах устранения жёсткости воды.

Жёсткая вода обладает рядом специфических свойств: она плохо мылится, увеличивая расход моющих средств, а при нагревании образует накипь.
В технических целях (например, в системах охлаждения, паровых котлах) использование жёсткой воды крайне нежелательно, так как накипь ухудшает теплопередачу, что приводит к перерасходу энергии и выходу оборудования из строя.
В пищевых целях употребление жёсткой воды в целом безопасно, однако она может ухудшать вкус напитков (чая, кофе) и увеличивать время приготовления некоторых продуктов (например, бобовых).
Основными способами устранения жёсткости воды являются:
1. Термический (кипячение): эффективен только для устранения временной (карбонатной) жёсткости.
2. Химический (реагентный): добавление химических веществ, осаждающих ионы кальция и магния (например, соды $Na_2CO_3$, гашёной извести $Ca(OH)_2$).
3. Ионообменный: фильтрация воды через специальные смолы, которые заменяют ионы жёсткости ($Ca^{2+}$, $Mg^{2+}$) на ионы натрия ($Na^{+}$) или водорода ($H^{+}$).

Ответ: Жёсткая вода вызывает образование накипи при кипячении и снижает эффективность моющих средств. Её применение в технике нежелательно, а в быту неудобно. Устранить жёсткость можно кипячением (временную) или с помощью химических реагентов и ионообменных фильтров (любую).