Номер 7, страница 128 - гдз по химии 9 класс учебник Габриелян, Остроумов

7. Выполните домашний эксперимент «Силикатный сад».

Реактивы и оборудование: соли — медный купорос, железный купорос (их можно приобрести в магазине товаров для сада и огорода), силикатный клей (1—2 тюбика), несколько баночек из бесцветного стекла (сколько солей возьмёте для опытов, столько нужно и баночек).

Ход работы. Разбавьте клей водой (1 : 1). Налейте раствор в баночки из бесцветного стекла. На донышки предварительно положите несколько крупных кристаллов одной из указанных солей. В течение нескольких дней наблюдайте за происходящими изменениями. Напишите отчёт о проделанной работе. Не забудьте про уравнения реакций!

Отчёт о выполнении домашнего эксперимента «Силикатный сад»

Цель работы: изучить и наглядно продемонстрировать процесс образования нерастворимых силикатов металлов, наблюдая за ростом полых нитевидных структур, напоминающих подводные растения, в растворе силикатного клея.

Реактивы и оборудование:

• Соль 1: Медный купорос (сульфат меди(II), пентагидрат) — $CuSO_4 \cdot 5H_2O$.
• Соль 2: Железный купорос (сульфат железа(II), гептагидрат) — $FeSO_4 \cdot 7H_2O$.
• Силикатный клей (водный раствор силиката натрия $Na_2SiO_3$).
• Вода ($H_2O$).
• Две баночки из бесцветного стекла.
• Палочка для перемешивания.

Ход работы:

1. Был подготовлен рабочий раствор путем разбавления силикатного клея водой в соотношении примерно 1:1. Раствор тщательно перемешан до однородности.
2. Полученный раствор был разлит в две стеклянные баночки, заполняя их примерно на 3/4 объема.
3. В первую баночку на дно были аккуратно помещены несколько крупных кристаллов медного купороса.
4. Во вторую баночку аналогичным образом были помещены несколько кристаллов железного купороса.
5. Баночки были оставлены в спокойном месте для наблюдения за изменениями в течение нескольких дней.

Наблюдения и объяснение процесса:

Почти сразу после помещения кристаллов солей в раствор силикатного клея начинается их взаимодействие. На поверхности каждого кристалла образуется тонкая пленка нерастворимого в воде силиката соответствующего металла. Например, для медного купороса это силикат меди($II$), а для железного — силикат железа($II$).

Эта пленка является полупроницаемой мембраной: она пропускает молекулы воды, но не пропускает ионы соли из кристалла и ионы силиката из раствора. Внутри этой оболочки, по мере растворения кристалла, создается концентрированный раствор соли ($CuSO_4$ или $FeSO_4$), в то время как снаружи находится более разбавленный раствор силикатного клея. Из-за разницы концентраций возникает явление осмоса: вода из внешнего раствора устремляется внутрь полупроницаемой оболочки, чтобы разбавить находящийся там концентрированный раствор соли.

Приток воды создает внутри оболочки избыточное осмотическое давление. Когда давление становится достаточно большим, мембрана в самом слабом месте разрывается. Через разрыв вырывается струйка концентрированного раствора соли, которая тут же вступает в реакцию с окружающим силикатом натрия, образуя новую порцию нерастворимого силиката. Этот процесс многократно повторяется, что приводит к росту полых, извивающихся "ветвей" или "водорослей" вверх (поскольку плотность раствора соли внутри них обычно ниже плотности окружающего раствора силикатного клея).

• В баночке с медным купоросом ($CuSO_4$): наблюдался рост красивых сине-голубых ветвящихся структур, напоминающих морские водоросли. Цвет обусловлен образованием силиката меди($II$) $CuSiO_3$.
• В баночке с железным купоросом ($FeSO_4$): изначально росли белесые или бледно-зеленые "водоросли", состоящие из силиката железа($II$) $FeSiO_3$. Однако со временем, под действием растворенного в воде кислорода, двухвалентное железо ($Fe^{2+}$) окислялось до трехвалентного ($Fe^{3+}$), и цвет структур менялся на желтовато-бурый или ржаво-коричневый из-за образования гидроксосиликатов железа($III$).

Уравнения реакций:

Основной процесс, лежащий в основе роста "силикатного сада", — это реакция ионного обмена между раствором соли тяжелого металла и раствором силиката натрия:

• Реакция с медным купоросом: $CuSO_4 + Na_2SiO_3 \rightarrow CuSiO_3\downarrow + Na_2SO_4$
  В ионном виде: $Cu^{2+} + SiO_3^{2-} \rightarrow CuSiO_3\downarrow$
  Образуется осадок силиката меди(II) синего цвета.
• Реакция с железным купоросом: $FeSO_4 + Na_2SiO_3 \rightarrow FeSiO_3\downarrow + Na_2SO_4$
  В ионном виде: $Fe^{2+} + SiO_3^{2-} \rightarrow FeSiO_3\downarrow$
  Образуется осадок силиката железа(II) белого или бледно-зеленого цвета.
• Процесс окисления силиката железа(II) кислородом воздуха (упрощенная схема): $4FeSiO_3 + O_2 + 6H_2O \rightarrow 4Fe(OH)_3\downarrow + 4SiO_2$
  Образующийся гидроксид железа(III) $Fe(OH)_3$ имеет характерный бурый цвет.

Ответ: В ходе домашнего эксперимента «Силикатный сад» был составлен отчет о проделанной работе. Было установлено, что при помещении кристаллов солей меди(II) и железа(II) в разбавленный раствор силикатного клея наблюдается рост причудливых полых структур. Этот эффект объясняется осмосом, возникающим из-за образования на поверхности кристаллов полупроницаемой мембраны нерастворимых силикатов металлов ($CuSiO_3$ и $FeSiO_3$). Внутреннее давление разрывает мембрану, что приводит к росту цветных "водорослей": сине-голубых в случае медного купороса и зеленоватых, переходящих в бурые, в случае железного купороса. Химическая основа процесса — реакции ионного обмена: $CuSO_4 + Na_2SiO_3 \rightarrow CuSiO_3\downarrow + Na_2SO_4$ и $FeSO_4 + Na_2SiO_3 \rightarrow FeSiO_3\downarrow + Na_2SO_4$.