Страница 259 - гдз по химии 9 класс учебник Еремин, Кузьменко

Практическая работа 5

Экспериментальное решение задач по теме «Металлы»

Реактивы: карбонаты натрия, магния и кальция, железный купорос, хлорид кальция, гидрокарбонат натрия; растворы: роданид железа($\text{III}$), хлорид натрия, хлорид кальция, хлорид алюминия, гидроксид натрия, карбонат натрия, соляная кислота, хлорная вода, известковая вода, серная кислота, лакмус.

1. В пробирках находятся карбонаты натрия, магния и кальция. Определите опытным путём, какое вещество находится в каждой из пробирок.

2. Докажите опытным путём, что образец железного купороса содержит ионы железа($\text{III}$).

3. Исходя из алюминия, получите раствор алюмината натрия.

4. Определите опытным путём, в какой из выданных вам пробирок находится раствор хлорида кальция, в какой — хлорида натрия, а в какой — хлорида алюминия.

5. Исходя из железа, получите хлорид железа($\text{III}$).

6. Докажите опытным путём, что выданное вам вещество — это гидрокарбонат натрия.

7. Докажите опытным путём, что выданное вам вещество — это хлорид кальция.

1. В пробирках находятся карбонаты натрия, магния и кальция. Определите опытным путём, какое вещество находится в каждой из пробирок.

Решение

Для определения веществ в трёх пробирках воспользуемся их различными физическими и химическими свойствами.

1. Растворимость в воде. Карбонат натрия ($Na_2CO_3$) хорошо растворим в воде, в то время как карбонаты магния ($MgCO_3$) и кальция ($CaCO_3$) практически нерастворимы. Добавим в каждую из пробирок дистиллированную воду и перемешаем. В той пробирке, где твёрдое вещество полностью растворится, находится карбонат натрия.

2. Различение карбонатов магния и кальция. В две оставшиеся пробирки с нерастворимыми осадками добавим соляную кислоту ($HCl$). Оба карбоната прореагируют с выделением углекислого газа, образуя растворимые хлориды:

$MgCO_3 + 2HCl \rightarrow MgCl_2 + H_2O + CO_2 \uparrow$

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

Теперь у нас есть растворы хлорида магния и хлорида кальция. Чтобы их различить, добавим к каждому из полученных растворов серную кислоту ($H_2SO_4$).

В пробирке, где изначально был карбонат кальция, образуется белый осадок сульфата кальция ($CaSO_4$):

$CaCl_2 + H_2SO_4 \rightarrow CaSO_4 \downarrow + 2HCl$

В пробирке с хлоридом магния видимых изменений не произойдёт, так как сульфат магния ($MgSO_4$) хорошо растворим в воде.

Ответ: Сначала добавляем воду, чтобы определить растворимый карбонат натрия. Затем к двум оставшимся веществам добавляем соляную кислоту, а после в полученные растворы — серную кислоту. Выпадение белого осадка укажет на пробирку, где был карбонат кальция.

2. Докажите опытным путём, что образец железного купороса содержит ионы железа(III).

Решение

Железный купорос — это сульфат железа(II) ($FeSO_4$). На воздухе он частично окисляется до сульфата железа(III) ($Fe_2(SO_4)_3$). Для обнаружения ионов $Fe^{3+}$ используется качественная реакция с раствором роданида калия ($KSCN$) или аммония ($NH_4SCN$), который в списке реактивов указан как «роданид железа(III)» (предполагается, что это реактив для определения ионов железа(III), т.е. раствор роданид-ионов).

1. Растворим небольшой кристаллик железного купороса в воде.

2. Добавим к полученному раствору несколько капель раствора роданида.

Появление интенсивного кроваво-красного окрашивания свидетельствует о наличии в растворе ионов $Fe^{3+}$, которые образуют с роданид-ионами комплексные соединения:

$Fe^{3+} + nSCN^- \rightarrow [Fe(SCN)_n]^{(3-n)+}$

Ответ: При добавлении к раствору железного купороса раствора роданида появляется кроваво-красное окрашивание, что доказывает присутствие ионов железа(III).

3. Исходя из алюминия, получите раствор алюмината натрия.

Решение

Алюминий является амфотерным металлом, то есть он реагирует как с кислотами, так и с щелочами. Для получения алюмината натрия необходимо провести реакцию алюминия с раствором гидроксида натрия ($NaOH$).

1. Поместим в пробирку немного алюминиевой стружки или фольги.

2. Прильём раствор гидроксида натрия. Для ускорения реакции можно немного подогреть пробирку.

Произойдёт реакция с растворением металла и выделением водорода, в результате которой образуется раствор тетрагидроксоалюмината натрия (который является формой существования алюмината натрия в водном растворе):

$2Al + 2NaOH + 6H_2O \rightarrow 2Na[Al(OH)_4] + 3H_2 \uparrow$

Ответ: Раствор алюмината натрия можно получить, подействовав на металлический алюминий раствором гидроксида натрия.

4. Определите опытным путём, в какой из выданных вам пробирок находится раствор хлорида кальция, в какой — хлорида натрия, а в какой — хлорида алюминия.

Решение

Для распознавания трёх бесцветных растворов ($CaCl_2$, $NaCl$, $AlCl_3$) можно использовать раствор карбоната натрия ($Na_2CO_3$).

1. Отберём в три отдельные пробирки пробы из каждого выданного раствора.

2. В каждую пробирку добавим по несколько капель раствора карбоната натрия.

3. Наблюдаем за результатами:

- В пробирке с хлоридом натрия ($NaCl$) видимых изменений не произойдёт.

- В пробирке с хлоридом кальция ($CaCl_2$) выпадет белый осадок карбоната кальция:

$CaCl_2 + Na_2CO_3 \rightarrow CaCO_3 \downarrow + 2NaCl$

- В пробирке с хлоридом алюминия ($AlCl_3$) произойдёт необратимый гидролиз с образованием белого студенистого осадка гидроксида алюминия и выделением углекислого газа:

$2AlCl_3 + 3Na_2CO_3 + 3H_2O \rightarrow 2Al(OH)_3 \downarrow + 6NaCl + 3CO_2 \uparrow$

Таким образом, по характеру наблюдаемых явлений можно однозначно идентифицировать содержимое каждой пробирки.

Ответ: При добавлении раствора карбоната натрия к пробам, отсутствие реакции укажет на хлорид натрия, выпадение белого осадка — на хлорид кальция, а выпадение осадка с одновременным выделением газа — на хлорид алюминия.

5. Исходя из железа, получите хлорид железа(III).

Решение

Получение хлорида железа(III) ($FeCl_3$) из железа ($Fe$) в лабораторных условиях проводится в две стадии, так как прямое действие соляной кислоты на железо приводит к образованию хлорида железа(II) ($FeCl_2$).

1. Получение хлорида железа(II). В пробирку с железными стружками (или гвоздём) приливаем соляную кислоту ($HCl$). Наблюдаем растворение железа и выделение водорода. Образуется бледно-зелёный раствор хлорида железа(II).

$Fe + 2HCl \rightarrow FeCl_2 + H_2 \uparrow$

2. Окисление железа(II) до железа(III). К полученному раствору хлорида железа(II) добавляем сильный окислитель — хлорную воду ($Cl_2(aq)$). Раствор меняет окраску с бледно-зелёной на жёлто-бурую, что свидетельствует об окислении ионов $Fe^{2+}$ до $Fe^{3+}$ и образовании хлорида железа(III).

$2FeCl_2 + Cl_2 \rightarrow 2FeCl_3$

Ответ: Сначала на железо действуют соляной кислотой для получения хлорида железа(II), а затем полученный раствор обрабатывают хлорной водой для окисления до хлорида железа(III).

6. Докажите опытным путём, что выданное вам вещество — это гидрокарбонат натрия.

Решение

Для доказательства того, что вещество является гидрокарбонатом натрия ($NaHCO_3$), необходимо подтвердить наличие гидрокарбонат-иона ($HCO_3^-$).

1. Реакция с кислотой. При добавлении к веществу (или его раствору) соляной кислоты ($HCl$) будет наблюдаться бурное выделение газа. Это указывает на присутствие карбонат- или гидрокарбонат-иона.

$NaHCO_3 + HCl \rightarrow NaCl + H_2O + CO_2 \uparrow$

Для подтверждения, что выделяющийся газ — это диоксид углерода, его пропускают через известковую воду ($Ca(OH)_2$), которая должна помутнеть из-за образования осадка $CaCO_3$.

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

2. Отличие от карбоната. Чтобы отличить гидрокарбонат от карбоната (например, $Na_2CO_3$), можно использовать раствор хлорида кальция ($CaCl_2$). Раствор карбоната натрия даст немедленное выпадение белого осадка $CaCO_3$. Раствор гидрокарбоната натрия с хлоридом кальция не даст видимой реакции в холодной воде. Однако при нагревании этого раствора выпадет белый осадок $CaCO_3$, так как растворимый гидрокарбонат кальция разлагается.

$2NaHCO_3 + CaCl_2 \rightarrow Ca(HCO_3)_2(р-р) + 2NaCl$

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

Ответ: Вещество реагирует с кислотой с выделением углекислого газа. Его раствор не даёт осадка с хлоридом кальция на холоде, но даёт осадок при кипячении. Это доказывает, что вещество — гидрокарбонат.

7. Докажите опытным путём, что выданное вам вещество — это хлорид кальция.

Решение

Для идентификации хлорида кальция ($CaCl_2$) необходимо провести качественные реакции на ион кальция ($Ca^{2+}$) и хлорид-ион ($Cl^-$). С данными реактивами возможно достоверно определить только ион кальция.

1. Качественная реакция на ион кальция ($Ca^{2+}$). Растворим выданное вещество в воде. Разделим раствор на две пробирки.

- В первую пробирку добавим раствор карбоната натрия ($Na_2CO_3$). Наблюдаем выпадение обильного белого осадка карбоната кальция.

$CaCl_2 + Na_2CO_3 \rightarrow CaCO_3 \downarrow + 2NaCl$

- Во вторую пробирку добавим раствор серной кислоты ($H_2SO_4$). Наблюдаем выпадение белого осадка сульфата кальция.

$CaCl_2 + H_2SO_4 \rightarrow CaSO_4 \downarrow + 2HCl$

2. Качественная реакция на хлорид-ион ($Cl^-$) требует наличия раствора нитрата серебра, который отсутствует в списке реактивов. Однако, совокупность свойств (белое кристаллическое вещество, хорошо растворимое в воде и дающее положительные реакции на ион $Ca^{2+}$) позволяет с высокой долей уверенности сделать вывод, что это хлорид кальция.

Ответ: Раствор данного вещества даёт белый осадок как с раствором карбоната натрия, так и с серной кислотой. Это доказывает наличие ионов кальция, а следовательно, вещество является солью кальция, предположительно — хлоридом кальция.