Страница 257 - гдз по химии 9 класс учебник Еремин, Кузьменко

Практическая работа 3

Получение углекислого газа и изучение его свойств

Оборудование и реактивы: лабораторный штатив с лапкой, аппарат Кирюшкина (либо прибор, состоящий из колбы на 100 мл и пробки с газоотводной трубкой), стакан на 100 мл, кусок бумаги, спиртовка, держатель для пробирок, лучинка, две пробирки, известковая вода (раствор гидроксида кальция), лакмус.

1. Изучите выданный вам прибор Кирюшкина для получения газов (рис. 133). Он состоит из пробирки с трубкой для выхода газа и вставленной в нее пробкой с длинной воронкой, на нижней части которой укреплена прокладка. Газоотводная трубка снабжена краном, регулирующим ток выделяющегося газа. Выньте пробку с воронкой из пробирки, но не полностью, а на 2–3 см и в образовавшийся зазор опустите несколько кусочков мрамора так, чтобы они оказались на прокладке. После этого плотно закройте пробирку пробкой. Налейте в воронку 10%-й раствор соляной кислоты в таком количестве, чтобы кислота полностью закрыла мрамор. Закройте кран на газоотводной трубке. Что происходит? Если кислота поднимается вверх по воронке, значит, прибор герметичен и готов к использованию. Если в школьной лаборатории нет приборов Кирюшкина, для получения углекислого газа можно восполь

Рис. 133. Прибор Кирюшкина для получения газов

Рис. 134. Прибор для получения углекислого газа

зоваться колбой, закрытой пробкой с помещенной в нее газоотводной трубкой (рис. 134). В колбу кладут кусочки мрамора (или насыпают порошок мела) и заливают 10%-м раствором соляной кислоты. В чем состоит недостаток такого прибора по сравнению с прибором Кирюшкина?

2. Заполните углекислым газом химический стакан. Для этого опустите конец газоотводной трубки на дно стакана и откройте кран. Чтобы углекислый газ не смешивался с воздухом, отверстие стакана закройте листом бумаги, в котором сделайте отверстие для газоотводной трубки. Через несколько минут приподнимите бумагу и поднесите к отверстию стакана зажжённую лучинку. Что наблюдаете? Продолжайте заполнение стакана углекислым газом до тех пор, пока лучинка не станет гаснуть. После этого закройте кран на аппарате Кирюшкина. Напишите уравнение реакции получения углекислого газа. Можно ли собирать углекислый газ в сосуд, расположенный вверх дном? Почему?

3. «Перелейте» собранный углекислый газ в две пробирки. При помощи зажжённой лучинки убедитесь в том, что они заполнены углекислым газом. В одну пробирку прилейте 1 мл фиолетового раствора лакмуса. Что наблюдаете? О чём свидетельствует изменение окраски индикатора? Напишите уравнение реакции.

4. К другой пробирке с углекислым газом прилейте 1 мл известковой воды (раствор гидроксида кальция). Какое вещество выпадает в осадок? Напишите уравнение реакции.

5. В пробирку с осадком карбоната кальция поместите конец газоотводной трубки аппарата Кирюшкина и откройте кран. Пропускайте углекислый газ до тех пор, пока весь осадок не растворится. Какое вещество находится в растворе? После этого нагрейте раствор в пробирке до кипения. Напишите в тетрадь уравнения реакций.

6. Сделайте выводы о физических и химических свойствах углекислого газа.

1. Изучите выданный вам прибор Кирюшкина для получения газов (рис. 133). Он состоит из пробирки с трубкой для выхода газа и вставленной в неё пробки с длинной воронкой, на нижней части которой укреплена прокладка. Газоотводная трубка снабжена краном, регулирующим ток выделяющегося газа. Выньте пробку с воронкой из пробирки, но не полностью, а на 2—3 см и в образовавшийся зазор опустите несколько кусочков мрамора так, чтобы они оказались на прокладке. После этого плотно закройте пробирку пробкой. Налейте в воронку 10%-й раствор соляной кислоты в таком количестве, чтобы кислота полностью закрыла мрамор. Закройте кран на газоотводной трубке. Что происходит? Если кислота поднимается вверх по воронке, значит, прибор герметичен и готов к использованию.

Если в школьной лаборатории нет приборов Кирюшкина, для получения углекислого газа можно воспользоваться колбой, закрытой пробкой с помещённой в неё газоотводной трубкой (рис. 134). В колбу кладут кусочки мрамора (или насыпают порошок мела) и заливают 10%-м раствором соляной кислоты. В чём состоит недостаток такого прибора по сравнению с прибором Кирюшкина?

Решение:

Прибор Кирюшкина (аппарат Киппа в миниатюре) позволяет управлять процессом выделения газа. Когда кран на газоотводной трубке закрыт, выделяющийся углекислый газ $CO_2$ создаёт избыточное давление внутри пробирки. Это давление вытесняет соляную кислоту $HCl$ из зоны реакции вверх по воронке, отделяя её от кусочков мрамора $CaCO_3$. В результате реакция прекращается. При открытии крана давление падает, кислота снова вступает в контакт с мрамором, и реакция возобновляется. Таким образом, можно начинать и останавливать получение газа по необходимости.

Прибор, изображённый на рис. 134 (колба с газоотводной трубкой), не имеет такой возможности. После того как кислота залита в колбу с мрамором, реакция начинается и продолжается непрерывно до тех пор, пока не израсходуется один из реагентов (либо мрамор, либо кислота). Регулировать или остановить выделение газа в таком приборе невозможно.

Ответ: Недостаток прибора на рис. 134 по сравнению с прибором Кирюшкина заключается в том, что он не позволяет регулировать и останавливать реакцию получения газа. Реакция в нём протекает непрерывно до полного расходования реагентов.

2. Заполните углекислым газом химический стакан. Для этого опустите конец газоотводной трубки на дно стакана и откройте кран. Чтобы углекислый газ не смешивался с воздухом, отверстие стакана закройте листом бумаги, в котором сделайте отверстие для газоотводной трубки. Через несколько минут приподнимите бумагу и поднесите к отверстию стакана зажжённую лучинку. Что наблюдаете? Продолжайте заполнение стакана углекислым газом до тех пор, пока лучинка не станет гаснуть. После этого закройте кран на аппарате Кирюшкина. Напишите уравнение реакции получения углекислого газа. Можно ли собирать углекислый газ в сосуд, расположенный вверх дном? Почему?

Решение:

При поднесении зажжённой лучинки к отверстию стакана, заполняемого углекислым газом, наблюдается, что пламя лучинки гаснет. Это происходит потому, что углекислый газ не поддерживает горение. Когда стакан полностью заполнится газом, лучинка будет гаснуть сразу при поднесении к его краю.

Уравнение реакции получения углекислого газа при взаимодействии карбоната кальция (мрамора) с соляной кислотой:

$CaCO_3 + 2HCl \rightarrow CaCl_2 + H_2O + CO_2 \uparrow$

Собирать углекислый газ в сосуд, расположенный вверх дном (методом вытеснения воздуха), нельзя. Это связано с тем, что углекислый газ тяжелее воздуха. Молярная масса углекислого газа $M(CO_2) = 12 + 2 \cdot 16 = 44$ г/моль. Средняя молярная масса воздуха составляет примерно 29 г/моль. Поскольку углекислый газ значительно тяжелее, он будет опускаться вниз и не сможет накопиться в перевёрнутом сосуде, а будет просто "вытекать" из него.

Ответ: При поднесении зажжённой лучинки к стакану с $CO_2$ она гаснет. Уравнение реакции: $CaCO_3 + 2HCl \rightarrow CaCl_2 + H_2O + CO_2 \uparrow$. Собирать углекислый газ в сосуд, расположенный вверх дном, нельзя, так как $CO_2$ тяжелее воздуха и будет вытекать из такого сосуда.

3. «Перелейте» собранный углекислый газ в две пробирки. При помощи зажжённой лучинки убедитесь в том, что они заполнены углекислым газом. В одну пробирку прилейте 1 мл фиолетового раствора лакмуса. Что наблюдаете? О чём свидетельствует изменение окраски индикатора? Напишите уравнение реакции.

Решение:

При добавлении раствора лакмуса в пробирку с углекислым газом наблюдается изменение окраски индикатора с фиолетовой на красную (или розово-красную). Это свидетельствует об образовании кислой среды в растворе.

Изменение среды происходит потому, что углекислый газ ($CO_2$), являясь кислотным оксидом, растворяется в воде ($H_2O$), которая является основой раствора лакмуса, и вступает с ней в реакцию с образованием слабой угольной кислоты ($H_2CO_3$).

Уравнение реакции:

$CO_2 + H_2O \rightleftharpoons H_2CO_3$

Ответ: Наблюдается изменение цвета фиолетового лакмуса на красный. Это свидетельствует об образовании угольной кислоты и кислой среде в растворе. Уравнение реакции: $CO_2 + H_2O \rightleftharpoons H_2CO_3$.

4. К другой пробирке с углекислым газом прилейте 1 мл известковой воды (раствор гидроксида кальция). Какое вещество выпадает в осадок? Напишите уравнение реакции.

Решение:

При пропускании углекислого газа через известковую воду (раствор гидроксида кальция $Ca(OH)_2$) наблюдается помутнение раствора, так как выпадает белый осадок. Это качественная реакция на углекислый газ.

Вещество, выпадающее в осадок, — это карбонат кальция ($CaCO_3$), нерастворимая в воде соль.

Уравнение реакции:

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

Ответ: В осадок выпадает карбонат кальция ($CaCO_3$). Уравнение реакции: $CO_2 + Ca(OH)_2 \rightarrow CaCO_3 \downarrow + H_2O$.

5. В пробирку с осадком карбоната кальция поместите конец газоотводной трубки аппарата Кирюшкина и откройте кран. Пропускайте углекислый газ до тех пор, пока весь осадок не растворится. Какое вещество находится в растворе? После этого нагрейте раствор в пробирке до кипения. Напишите в тетрадь уравнения реакций.

Решение:

При дальнейшем пропускании углекислого газа через раствор с осадком карбоната кальция, осадок постепенно растворяется. Это происходит потому, что нерастворимый карбонат кальция ($CaCO_3$) реагирует с избытком углекислого газа в водной среде с образованием растворимой кислой соли — гидрокарбоната кальция ($Ca(HCO_3)_2$).

Уравнение реакции растворения осадка:

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

После растворения осадка в растворе находится гидрокарбонат кальция.

При нагревании этого раствора до кипения гидрокарбонат кальция, будучи термически неустойчивым соединением, разлагается. В результате снова образуется белый осадок карбоната кальция ($CaCO_3$), а также выделяются вода и углекислый газ.

Уравнение реакции при нагревании:

$Ca(HCO_3)_2 \xrightarrow{t} CaCO_3 \downarrow + H_2O + CO_2 \uparrow$

Ответ: При пропускании избытка $CO_2$ осадок растворяется, в растворе образуется гидрокарбонат кальция $Ca(HCO_3)_2$. Уравнения реакций: $CaCO_3 + H_2O + CO_2 \rightarrow Ca(HCO_3)_2$ (растворение); $Ca(HCO_3)_2 \xrightarrow{t} CaCO_3 \downarrow + H_2O + CO_2 \uparrow$ (нагревание).

6. Сделайте выводы о физических и химических свойствах углекислого газа.

Решение:

На основе проделанных опытов можно сделать следующие выводы о свойствах углекислого газа ($CO_2$):

Физические свойства:

• Бесцветный газ (визуально не наблюдается при заполнении стакана).
• Газ без запаха.
• Тяжелее воздуха (удалось собрать методом вытеснения воздуха в стакан, стоящий дном вниз, и "перелить" в пробирки).
• Растворим в воде (реакция с водой при добавлении лакмуса).

Химические свойства:

• Не поддерживает горение (зажжённая лучинка гаснет в атмосфере $CO_2$).
• Проявляет свойства кислотного оксида: реагирует с водой с образованием слабой угольной кислоты ($CO_2 + H_2O \rightleftharpoons H_2CO_3$), которая изменяет окраску индикатора лакмуса на красную.
• Реагирует с основаниями (щелочами), например с гидроксидом кальция, с образованием соли и воды ($CO_2 + Ca(OH)_2 \rightarrow CaCO_3 \downarrow + H_2O$).
• Способен реагировать с нерастворимыми карбонатами в водной среде с образованием растворимых гидрокарбонатов ($CaCO_3 + H_2O + CO_2 \rightarrow Ca(HCO_3)_2$).

Ответ: Углекислый газ — это бесцветный, не имеющий запаха газ, который тяжелее воздуха, растворим в воде, не поддерживает горение. Является кислотным оксидом: реагирует с водой, образуя угольную кислоту, и с основаниями, образуя соли (карбонаты и гидрокарбонаты).