С.Ф. Дунаев - Вводная работа к практическим занятиям по общей химии

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТИМЕНИ М.В. ЛОМОНОСОВАХимический факультетКафедра общей химииВводная работак практическим занятиям по общей химииУчебное пособие.Составлено под ред. профессора С.Ф. Дунаевадля студентов I курсов естественных факультетов МГУМосква 2011 г.2Предлагаемая работа является дополнением к практикуму по общейхимии и предназначена для первого знакомства студентов нехимическихспециальностей с работой в химической лаборатории и практического изучения ими простейших химических реакций между веществами, принадлежащими к важнейшим классам химических соединений.3Вводная работа. Важнейшие классы неорганических соединений и реакции между представителями разных классов.К числу важнейших классов неорганических соединений относятсякислоты, основания и соли.Кислоты – это вещества, молекулы которых при растворении в водераспадаются (диссоциируют) на катионы водорода H+ и анионы кислотного остатка, например:HCl = H+ + Cl–.Про растворы кислот говорят, что они имеют кислую (или кислотную)среду.Основания в водных растворах образуют гидроксид-ионы OH–, например:NaOH = OH– + Na+.Среда растворов оснований называется оснóвной (или щелочной).Растворы и жидкости, в которых количества ионов водорода и гидроксид-ионов равны, называют нейтральными.

Например, нейтральнойявляется вода, очищенная от всех примесей.Растворы кислот можно отличить от растворов оснований при помощи кислотно-оснóвных индикаторов. Индикаторы – это вещества, цветкоторых изменяется в зависимости от того, какие ионы – H+ или OH– –преобладают в растворе. Например, индикатор метиловый оранжевыйимеет красный цвет в кислой среде и желтый – в нейтральной и щелочнойсреде. Индикатор фенолфталеин бесцветен в кислой и нейтральной среде,но приобретает малиновый цвет в щелочных растворах. Широко используют универсальный индикатор, который представляет собой смесь различных индикаторов.

Он изменяет свой цвет постепенно, будучи яркокрасным в кислой среде, желтым – в слабокислой, желто-зеленым – в нейтральной, зеленым – в слабощелочной и синим – в сильнощелочной среде.При взаимодействии кислот с основаниями ионы водорода связываются с гидроксид-ионами, образуя молекулы воды:4H+ + OH– = H2O.Если записать уравнение этой реакции в молекулярном виде, то мы получим реакцию нейтрализации кислоты основанием, например:HCl + NaOH = NaCl + H2O.Продуктами реакции нейтрализации являются вода и соль – вещество, состоящее из анионов кислотного остатка и катионов основания. В приведенном примере соль – это хлорид натрия NaCl, состоящий из катионовNa+ и анионов Cl–.Если кислота взята с большим избытком, могут образовываться такназываемые кислые соли, в которых только часть ионов H+ замещена ионами металла или аммония.

Например, при пропускании диоксида углеродаCO2 через водный раствор гидроксида кальция Ca(OH)2 образуется угольная кислота, которая сразу же вступает в реакцию нейтрализации:CO2 + H2O = H2CO3,H2CO3 + Ca(OH)2 = CaCO3↓ + H2O.При этом образуется осадок малорастворимого в воде карбоната кальцияCaCO3. Однако если продолжать пропускание CO2 через раствор, то избыток угольной кислоты вступает в реакцию с CaCO3 и образуется кислаясоль Ca(HCO3)2 – гидрокарбонат кальция:CaCO3 + CO2 + H2O = Ca(HCO3)2.Помимо нейтрализации, растворы кислот и оснований способнывступать и в другие реакции.

Например, кислоты могут реагировать с металлами, оснóвными и амфотерными оксидами, а также вытеснять другиекислоты из их солей. Основания также могут вступать в реакции с некоторыми металлами, вытеснять другие основания из их солей и взаимодействовать с кислотными и амфотерными оксидами.Возможность протекания реакции между кислотой и металлом и состав ее продуктов зависит как от природы и концентрации кислоты, так иот свойств данного металла.Обычные кислоты, такие как соляная HCl, разбавленная сернаяH2SO4, ортофосфорная H3PO4 и т.д., реагируют с металлами, стоящими в5ряду напряжений левее водорода. При этом образуется соль металла и выделяется газообразный водород H2. Например, соляная кислота реагирует сжелезом и алюминием:2HCl + Fe = FeCl2 + H2↑,6HCl + 2Al = 2AlCl3 + 3H2↑.Особняком стоят концентрированная серная кислота и азотная кислота HNO3 любых концентраций.

Эти кислоты могут взаимодействоватьдаже с некоторыми металлами, стоящими в ряду напряжений правее водорода, например с медью. При этом выделяется не водород, а газы, являющиеся продуктами восстановления кислотного остатка (т.е. сульфат-ионаSO42– или нитрат-иона NO3–). Как правило, при реакциях металлов с концентрированной серной кислотой выделяется диоксид серы SO2, а при реакциях с азотной кислотой высокой или средней концентрации – диоксидазота NO2:6H2SO4(конц.) + 2Fe = Fe2(SO4)3 + 3SO2↑ + 6H2O4HNO3(конц.) + Cu = Cu(NO3)2 + 2NO2↑ + 2H2OОба этих газа имеют резкий неприятный запах. Диоксид серы бесцветен, адиоксид азота имеет красновато-бурый цвет.Названные кислоты обладают способностью пассивировать, т.е. делать малоактивной, поверхность некоторых металлов.

Например, концентрированная HNO3 пассивирует алюминий.При реакциях кислот с оснóвными и амфотерными оксидами образуются соли и вода:2HCl + CaO = CaCl2 + H2O,H2SO4 + ZnO = ZnSO4 + H2O.Поэтому, например, малорастворимый в воде CaO легко растворяется в соляной кислоте.Реакция вытеснения кислоты из ее соли протекает наиболее полно,если вытесняемая кислота малоустойчива и разлагается, или если она малорастворима в воде и выпадает в осадок. Например, соляная кислота вытесняет угольную H2CO3 и кремниевую H2SiO3 кислоты из их солей – кар-6бонатов и силикатов, соответственно; при этом угольная кислота разлагается на диоксид углерода CO2 и воду, а кремниевая кислота выпадает восадок:2HCl + CaCO3 = CaCl2 + CO2↑ + H2O,2HCl + Na2SiO3 = 2NaCl + H2SiO3↓.Растворы оснований взаимодействуют с активными металлами, стоящими в ряду напряжений левее водорода, если гидроксиды этих металловрастворимы в воде или проявляют амфотерные свойства.

Например, алюминий реагирует с раствором гидроксида натрия:2Al + 2NaOH + 6H2O = 2Na[Al(OH)4] + 3H2 .В этой реакции образуются газообразный водород и тетрагидроксоалюминат натрия – соль, образованная амфотерным гидроксидом алюминияAl(OH)3.РеактивыТвердые вещества: металлы Al, Fe, Cu; мрамор (кусочки), CaO,Ca(OH)2, Al2O3, Fe2O3, MgO, CuO, ZnO, уголь (кусочки).Растворы: 1 M и 0,1 М HCl, 1 M и 0,1 M NaOH, 2 М NH3, растворысолей Al3+, Fe3+, Ca2+, Cu2+, Mg2+, Zn2+, метиловый оранжевый, фенолфталеин, универсальный индикатор, 24% HCl, 1:1 HNO3, 6 M NaOH, Na2SiO3(насыщ.).Примечание.

Обозначение 0,1 M означает, что в 1 л раствора содержится 0,1 моль растворенного вещества. Соответственно, 6 M обозначаетконцентрацию раствора 6 моль/л.Оборудование:Пробирки, штативы для пробирок, пипетки и насосы для пипеток,водяные бани, пробирки с газоотводной трубкой, колбы конические на 250мл, ложки для сжигания с пробками, горелки, стаканчики на 25 мл, защитные очки.7Что должен представить студент преподавателю для сдачи работы1. Описание наблюдений2. Уравнения всех проведенных реакций.3. Ответы на вопросы к опытамЭкспериментОпыт 1. Определение кислот и оснований при помощи индикаторовВ 3 тщательно вымытые пробирки налейте 0,1 М HCl примерно на1/4 их объема.

В первую пробирку добавьте 1 каплю метилового оранжевого, во вторую – 1 каплю фенолфталеина, в третью – 1 каплю универсального индикатора. Перемешайте содержимое пробирок и занесите наблюдаемый цвет растворов в табл. 1.Tаблица 1РастворЦвет индикатораметиловогооранжевогофенолфталеинауниверсальногоиндикатора0,1 М HCl0,1 M NaOHДистиллированнаяводаКонтрольный растворПовторите опыт, налив в 3 пробирки (также примерно на 1/4 их объема) 0,1 М NaOH.

Результаты наблюдений занесите в табл. 1.Повторите опыт, налив в пробирки дистиллированную воду. Запишите результаты наблюдений.8Возьмите у преподавателя пробирку с контрольным раствором. Разделите ее содержимое на 3 части и к каждой из них добавьте один из индикаторов. Результаты наблюдений занесите в табл. 1.Вопросы и задания1. Какие кислоты и основания Вы знаете? Напишите их химические формулы и названия (не менее чем по 4 примера).2. О присутствии каких ионов в растворе свидетельствует окрашиваниеа) метилового оранжевого в красный цвет;б) фенолфталеина в фиолетовый цвет?3. Какая среда называется нейтральной?4.

Каким – кислым, нейтральным или основным – является выданный Вамконтрольный раствор?5. Какой цвет приобрел универсальный индикатор в дистиллированной воде? Какой среде соответствует этот цвет? Как объяснить, почему дистиллированная вода имеет такую среду?Опыт 2. Взаимодействие кислоты и основанияВ пробирку налейте примерно 0,5 мл (около 20 капель) 0,1 М HCl идобавьте 1 каплю универсального индикатора. Постоянно встряхивая пробирку, добавляйте по каплям 0,1 М NaOH. Отметьте, как изменяется цветраствора. Добавление NaOH продолжайте до тех пор, пока раствор не приобретет желто-зеленый цвет. После этого добавьте еще 1 каплю NaOH, апотом еще 5 капель.

Запишите в журнал, как изменялся при этом цвет раствора в пробирке.Вопросы и задания1. Какой цвет имел раствор до начала добавления NaOH? Как он изменялсяпо мере добавления основания и какой цвет приобрел в конце опыта?2. О чем свидетельствовало наблюдавшееся изменение цвета?3. Какая среда образовалась в растворе в тот момент, когда его цвет сталжелто-зеленым?94. Напишите уравнение реакции, протекающей при добавлении к растворуHCl раствора NaOH.5. Вспомните не менее 5 примеров различных солей.

Напишите их химические формулы и названия. Из каких кислот и оснований они могут бытьполучены?Опыт 3. Взаимодействие кислот и оснований с металламиВ этом опыте используются концентрированные растворы кислот и щелочей. При работе с ними следует избегать их попадания наодежду, руки и лицо. Для защиты глаз оденьте защитные очки. Припопадании реактивов на кожу или одежду их надо сразу же смытьбольшим количеством воды.В 3 конические пробирки поместите по кусочку алюминия.