Практическая работа 7, страница 177 - гдз по химии 9 класс учебник Рудзитис, Фельдман

Глава 7. Металлы. Параграф 50. Практическая работа 7. Решение экспериментальных задач по теме «Металлы» - страница 177.

Условие.

● Повторите правила техники безопасности при работе в химической лаборатории.

● Повторите качественные реакции на катионы и анионы.

Вариант I

1. В четырёх пробирках даны следующие вещества в твёрдом виде: а) хлорид магния; б) гидроксид натрия; в) карбонат натрия; г) нитрат натрия. При помощи химических реакций определите, в какой пробирке находится каждое из этих веществ.

2. При помощи характерных реакций докажите, что выданное вам вещество — сульфат алюминия.

3. В одной пробирке дан раствор хлорида натрия, во второй — раствор хлорида стронция, а в третьей — раствор хлорида алюминия. Определите, в какой пробирке находится каждое из выданных веществ.

4. Практически осуществите следующие превращения:

$Fe \longrightarrow FeCl_2 \longrightarrow Fe(OH)_2 \longrightarrow Fe(OH)_3 \longrightarrow Fe(NO_3)_3$

Вариант II

1. В четырёх пробирках даны следующие твёрдые вещества: а) карбонат кальция; б) нитрат стронция; в) сульфат натрия; г) сульфид натрия. Определите, в какой пробирке находится каждое из перечисленных веществ.

2. Докажите, что кристаллы сульфата железа(II) частично окислились и содержат примеси ионов $Fe^{3+}$.

3. В двух склянках дана вода. В одной из них вода содержит сульфат магния, а в другой — гидрокарбонат кальция. Проделайте опыты, при помощи которых можно устранить постоянную и временную жёсткость воды.

4. Практически осуществите следующие превращения:

$Al \longrightarrow Al_2(SO_4)_3 \longrightarrow Al(OH)_3 \longrightarrow Na[Al(OH)_4]$

5. Отчёт о работе оформите в произвольной форме.

Решение.

Решение 2.

Вариант I

1. В четырёх пробирках даны следующие вещества в твёрдом виде: а) хлорид магния; б) гидроксид натрия; в) карбонат натрия; г) нитрат натрия. При помощи химических реакций определите, в какой пробирке находится каждое из этих веществ.

Для определения каждого вещества в пронумерованных пробирках необходимо провести ряд последовательных химических реакций.

Шаг 1: Растворение и проверка на карбонат-ион.

Во все четыре пробирки добавляем дистиллированную воду для растворения твёрдых веществ. Затем в каждую пробирку добавляем по каплям раствор сильной кислоты, например, соляной ($HCl$). В пробирке, где наблюдается бурное выделение бесцветного газа без запаха (углекислого газа), находится карбонат натрия ($Na_2CO_3$).

Уравнение реакции:

$Na_2CO_3 + 2HCl \rightarrow 2NaCl + H_2O + CO_2\uparrow$

Шаг 2: Определение хлорида магния.

К растворам в оставшихся трёх пробирках добавляем по несколько капель ранее определённого раствора карбоната натрия. В пробирке, где образуется белый осадок (карбонат магния), находится хлорид магния ($MgCl_2$).

Уравнение реакции:

$MgCl_2 + Na_2CO_3 \rightarrow MgCO_3\downarrow + 2NaCl$

Шаг 3: Определение гидроксида натрия.

В оставшиеся две пробирки (с предполагаемыми гидроксидом натрия и нитратом натрия) добавляем по несколько капель ранее определённого раствора хлорида магния. В пробирке, где выпадает белый студенистый осадок (гидроксид магния), находится гидроксид натрия ($NaOH$).

Уравнение реакции:

$2NaOH + MgCl_2 \rightarrow Mg(OH)_2\downarrow + 2NaCl$

Шаг 4: Определение нитрата натрия.

В последней оставшейся пробирке находится нитрат натрия ($NaNO_3$). Он не вступал в реакции с образованием видимых изменений (осадка или газа) с использованными реагентами.

Ответ: Карбонат натрия определяется по выделению газа при реакции с кислотой. Хлорид магния определяется по образованию осадка с раствором карбоната натрия. Гидроксид натрия определяется по образованию осадка с раствором хлорида магния. Оставшееся вещество — нитрат натрия.

2. При помощи характерных реакций докажите, что выданное вам вещество — сульфат алюминия.

Чтобы доказать, что вещество является сульфатом алюминия ($Al_2(SO_4)_3$), необходимо провести качественные реакции на катион алюминия ($Al^{3+}$) и сульфат-анион ($SO_4^{2-}$).

1. Качественная реакция на катион алюминия ($Al^{3+}$)

К раствору исследуемого вещества добавляем по каплям раствор щёлочи, например, гидроксида натрия ($NaOH$). Наблюдаем образование белого студенистого осадка гидроксида алюминия ($Al(OH)_3$).

$Al^{3+} + 3OH^- \rightarrow Al(OH)_3\downarrow$

При добавлении избытка раствора щёлочи этот осадок растворяется, так как гидроксид алюминия проявляет амфотерные свойства. Это подтверждает наличие иона $Al^{3+}$.

$Al(OH)_3 + OH^- \rightarrow [Al(OH)_4]^-$ (растворимый тетрагидроксоалюминат-ион)

2. Качественная реакция на сульфат-анион ($SO_4^{2-}$)

К раствору исследуемого вещества добавляем раствор хлорида бария ($BaCl_2$) или нитрата бария ($Ba(NO_3)_2$). Наблюдаем выпадение белого мелкокристаллического осадка сульфата бария ($BaSO_4$), который не растворяется в кислотах (например, в $HCl$ или $HNO_3$).

$Ba^{2+} + SO_4^{2-} \rightarrow BaSO_4\downarrow$

Ответ: Положительные результаты обеих реакций (образование белого осадка, растворимого в избытке щёлочи, и образование белого осадка с ионами бария, нерастворимого в кислотах) доказывают, что выданное вещество является сульфатом алюминия.

3. В одной пробирке дан раствор хлорида натрия, во второй — раствор хлорида стронция, а в третьей — раствор хлорида алюминия. Определите, в какой пробирке находится каждое из выданных веществ.

Для определения каждого вещества в пронумерованных пробирках необходимо провести качественные реакции на катионы $Na^+$, $Sr^{2+}$ и $Al^{3+}$.

Шаг 1: Добавление щёлочи.

В каждую из трёх пробирок добавляем по каплям раствор сильной щёлочи, например, гидроксида натрия ($NaOH$).

• В пробирке, где не наблюдается никаких видимых изменений, находится раствор хлорида натрия ($NaCl$).
• В пробирке с хлоридом стронция ($SrCl_2$) образуется белый осадок гидроксида стронция ($Sr(OH)_2$). $SrCl_2 + 2NaOH \rightarrow Sr(OH)_2\downarrow + 2NaCl$
• В пробирке с хлоридом алюминия ($AlCl_3$) образуется белый студенистый осадок гидроксида алюминия ($Al(OH)_3$). $AlCl_3 + 3NaOH \rightarrow Al(OH)_3\downarrow + 3NaCl$

Шаг 2: Различение осадков.

Чтобы различить пробирки с $SrCl_2$ и $AlCl_3$, продолжаем добавлять раствор щёлочи ($NaOH$) в пробирки, где выпал осадок.

• Осадок гидроксида алюминия ($Al(OH)_3$) растворится в избытке щёлочи, так как он является амфотерным. $Al(OH)_3 + NaOH \rightarrow Na[Al(OH)_4]$ (растворимый комплекс)
• Осадок гидроксида стронция ($Sr(OH)_2$) в избытке щёлочи не растворяется.

Таким образом, мы однозначно идентифицируем все три вещества.

Ответ: В пробирке, где при добавлении щёлочи нет реакции, — хлорид натрия. В пробирке, где выпадает осадок, нерастворимый в избытке щёлочи, — хлорид стронция. В пробирке, где выпадает осадок, растворимый в избытке щёлочи, — хлорид алюминия.

4. Практически осуществите следующие превращения: $Fe \rightarrow FeCl_2 \rightarrow Fe(OH)_2 \rightarrow Fe(OH)_3 \rightarrow Fe(NO_3)_3$.

Для осуществления данной цепочки превращений необходимо провести следующие реакции:

1. $Fe \rightarrow FeCl_2$

К железным стружкам или порошку железа ($Fe$) приливаем раствор соляной кислоты ($HCl$). Наблюдается растворение металла и выделение пузырьков газа (водорода).

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

2. $FeCl_2 \rightarrow Fe(OH)_2$

К полученному раствору хлорида железа(II) ($FeCl_2$) добавляем раствор щёлочи, например, гидроксида натрия ($NaOH$). Выпадает осадок гидроксида железа(II) ($Fe(OH)_2$) грязно-зелёного цвета.

$FeCl_2 + 2NaOH \rightarrow Fe(OH)_2\downarrow + 2NaCl$

3. $Fe(OH)_2 \rightarrow Fe(OH)_3$

Осадок гидроксида железа(II) оставляем на воздухе. Он постепенно окисляется кислородом воздуха, меняя цвет с грязно-зелёного на бурый. Процесс можно ускорить, пропуская через суспензию воздух или добавив окислитель, например, пероксид водорода ($H_2O_2$).

$4Fe(OH)_2 + O_2 + 2H_2O \rightarrow 4Fe(OH)_3\downarrow$

При добавлении $H_2O_2$: $2Fe(OH)_2 + H_2O_2 \rightarrow 2Fe(OH)_3\downarrow$

Образуется бурый осадок гидроксида железа(III) ($Fe(OH)_3$).

4. $Fe(OH)_3 \rightarrow Fe(NO_3)_3$

К полученному осадку гидроксида железа(III) приливаем раствор азотной кислоты ($HNO_3$). Осадок растворяется с образованием раствора нитрата железа(III) ($Fe(NO_3)_3$) жёлто-коричневого цвета.

$Fe(OH)_3 + 3HNO_3 \rightarrow Fe(NO_3)_3 + 3H_2O$

Ответ: Цепочка превращений осуществляется последовательным действием соляной кислоты, щёлочи, кислорода воздуха (или пероксида водорода) и азотной кислоты.

Вариант II

1. В четырёх пробирках даны следующие твёрдые вещества: а) карбонат кальция; б) нитрат стронция; в) сульфат натрия; г) сульфид натрия. Определите, в какой пробирке находится каждое из перечисленных веществ.

Для определения каждого вещества в пронумерованных пробирках проведем следующие опыты.

Шаг 1: Проверка на растворимость в воде.

Во все четыре пробирки добавляем дистиллированную воду и перемешиваем. Вещество, которое не растворилось и осталось в виде белого осадка, — это карбонат кальция ($CaCO_3$). Таким образом, пробирка (а) определена.

Шаг 2: Проверка на сульфид-ион.

К растворам в трёх оставшихся пробирках добавляем по каплям раствор сильной кислоты, например, соляной ($HCl$). В пробирке, где выделяется газ с неприятным запахом тухлых яиц (сероводород), находится сульфид натрия ($Na_2S$). Таким образом, пробирка (г) определена.

Уравнение реакции:

$Na_2S + 2HCl \rightarrow 2NaCl + H_2S\uparrow$

Шаг 3: Различение нитрата стронция и сульфата натрия.

Осталось определить две пробирки с растворами нитрата стронция ($Sr(NO_3)_2$) и сульфата натрия ($Na_2SO_4$). К обоим растворам добавим раствор карбоната натрия ($Na_2CO_3$).

• В пробирке, где выпадает белый осадок (карбонат стронция), находится нитрат стронция. Таким образом, пробирка (б) определена. $Sr(NO_3)_2 + Na_2CO_3 \rightarrow SrCO_3\downarrow + 2NaNO_3$
• В пробирке с сульфатом натрия видимых изменений не произойдёт.

Таким образом, последняя оставшаяся пробирка (в) содержит сульфат натрия.

Ответ: Карбонат кальция определяется по нерастворимости в воде. Сульфид натрия — по выделению сероводорода при действии кислоты. Нитрат стронция — по образованию осадка с раствором карбоната натрия. Оставшееся вещество — сульфат натрия.

2. Докажите, что кристаллы сульфата железа(II) частично окислились и содержат примеси ионов $Fe^{3+}$.

Для доказательства необходимо провести качественные реакции, подтверждающие одновременное присутствие в растворе образца ионов железа(II) ($Fe^{2+}$) и ионов железа(III) ($Fe^{3+}$).

1. Обнаружение ионов $Fe^{2+}$

К свежеприготовленному раствору исследуемого вещества добавляем несколько капель раствора красной кровяной соли (гексацианоферрата(III) калия, $K_3[Fe(CN)_6]$). Образование тёмно-синего осадка (турнбулевой сини) свидетельствует о наличии ионов $Fe^{2+}$.

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

2. Обнаружение ионов $Fe^{3+}$

К другой пробе раствора исследуемого вещества добавляем несколько капель раствора роданида калия ($KSCN$) или аммония ($NH_4SCN$). Появление интенсивного кроваво-красного окрашивания раствора из-за образования роданидных комплексов железа(III) доказывает присутствие ионов $Fe^{3+}$.

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

Ответ: Одновременное получение тёмно-синего осадка с гексацианоферратом(III) калия и кроваво-красного окрашивания с роданид-ионами доказывает, что в образце присутствуют как ионы $Fe^{2+}$, так и ионы $Fe^{3+}$, а значит, сульфат железа(II) частично окислился.

3. В двух склянках дана вода. В одной из них вода содержит сульфат магния, а в другой — гидрокарбонат кальция. Проделайте опыты, при помощи которых можно устранить постоянную и временную жёсткость воды.

Вода, содержащая гидрокарбонат кальция ($Ca(HCO_3)_2$), обладает временной (карбонатной) жёсткостью. Вода, содержащая сульфат магния ($MgSO_4$), обладает постоянной (некарбонатной) жёсткостью.

1. Устранение временной жёсткости (для воды с $Ca(HCO_3)_2$)

Временную жёсткость можно устранить кипячением. При нагревании воды, содержащей гидрокарбонат кальция, он разлагается с образованием нерастворимого карбоната кальция ($CaCO_3$), который выпадает в осадок. После этого воду можно отфильтровать или аккуратно слить (декантировать).

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

Жёсткость воды при этом снижается.

2. Устранение постоянной жёсткости (для воды с $MgSO_4$)

Постоянная жёсткость не устраняется кипячением. Для её устранения необходимо использовать химические реагенты. Одним из распространённых способов является добавление кальцинированной соды (карбоната натрия, $Na_2CO_3$). При этом ионы магния, вызывающие жёсткость, связываются в нерастворимый осадок карбоната магния ($MgCO_3$).

$MgSO_4 + Na_2CO_3 \rightarrow MgCO_3\downarrow + Na_2SO_4$

После выпадения осадка его отделяют фильтрованием.

Ответ: Временную жёсткость (из-за $Ca(HCO_3)_2$) устраняют кипячением. Постоянную жёсткость (из-за $MgSO_4$) устраняют добавлением реагентов, например, карбоната натрия ($Na_2CO_3$), с последующим отделением осадка.

4. Практически осуществите следующие превращения: $Al \rightarrow Al_2(SO_4)_3 \rightarrow Al(OH)_3 \rightarrow Na[Al(OH)_4]$.

Данная цепочка превращений осуществляется следующим образом:

1. $Al \rightarrow Al_2(SO_4)_3$

Алюминий ($Al$) растворяют в разбавленной серной кислоте ($H_2SO_4$). Реакция может потребовать небольшого нагрева для её начала, так как алюминий покрыт прочной оксидной плёнкой.

$2Al + 3H_2SO_4 \rightarrow Al_2(SO_4)_3 + 3H_2\uparrow$

2. $Al_2(SO_4)_3 \rightarrow Al(OH)_3$

К полученному раствору сульфата алюминия ($Al_2(SO_4)_3$) добавляют раствор основания, например, водный раствор аммиака ($NH_3 \cdot H_2O$) или осторожно, по каплям, раствор гидроксида натрия ($NaOH$) до образования максимального количества осадка. Выпадает белый студенистый осадок гидроксида алюминия ($Al(OH)_3$).

$Al_2(SO_4)_3 + 6(NH_3 \cdot H_2O) \rightarrow 2Al(OH)_3\downarrow + 3(NH_4)_2SO_4$

3. $Al(OH)_3 \rightarrow Na[Al(OH)_4]$

К полученному осадку гидроксида алюминия добавляют избыток концентрированного раствора сильной щёлочи, например, гидроксида натрия ($NaOH$). Осадок растворяется, так как $Al(OH)_3$ является амфотерным гидроксидом. Образуется прозрачный раствор комплексной соли — тетрагидроксоалюмината натрия ($Na[Al(OH)_4]$).

$Al(OH)_3 + NaOH \rightarrow Na[Al(OH)_4]$

Ответ: Превращения осуществляются последовательным действием разбавленной серной кислоты на алюминий, затем действием основания (например, раствора аммиака) на сульфат алюминия, и, наконец, действием избытка раствора щёлочи на гидроксид алюминия.