Гроссе Э., Вайсмантель Х. - Химия для любознательных (1985). Химия для любознательных. Основы химии и занимательные опыты
 Скачать 1.07 Mb.
|
|
H+ + ОН- ( Н2О Это уравнение лежит в основе нашего метода. К известному объему известного вещества неизвестной концентрации будем добавлять известное вещество известной концентрации до тех пор, пока индикатор не покажет, что произошла нейтрализация. Иначе говоря, мы титруем основание кислотой. (Слово это происходит от французского le titre - содержание.) Раствор, который необходимо исследовать (анализируемый раствор), обозначим индексом 1, а индексом 2 - раствор с известным содержанием - (титрующий раствор). В процессе нейтрализации всегда реагируют равные количества эквивалентов веществ nэ. Число эквивалентов равно произведению числа молей п на валентность Z. При этом имеется в виду валентность металла в основании или валентность кислотного остатка в кислоте (основность). Например, для НСl Z = 1, для Н2SO4 Z = 2, для NaOH Z = 1, для Са(ОН)2 Z = 2 и т. д. Очевидно, что при Z = 1 число молей взятого вещества равно числу эквивалентов. При Z ( 1 в одном моле вещества содержится число эквивалентов равное валентности Z. Таким образом, взяв 1 моль, мы тем самым берем соответственно Z эквивалентов. Иначе говоря: nэ=Zn Так как валентность - величина безразмерная, то число эквивалентов будет выражено в молях. С другой стороны, при расчете эквивалентной массы следует мольную массу разделить на валентность: Эквивалентная масса = мольная масса/Z (кг/моль) Число эквивалентов, отнесенное к объему раствора, называют эквивалентной концентрацией или нормальностью Сн. Раствор называется нормальным, если в одном литре его содержится один эквивалент вещества; Сн=nэ/V; Cн=nZ/V Например, в одном литре 1 н. раствора соляной кислоты содержится 36,5 г НСl, серной кислоты -49 г H2SO4, гидроксида натрия - 40 г NaOH и гидроксида кальция - 37 г Са(ОН)2. Часто применяемые на практике растворы не являются точно нормальными. Поэтому при обработке результатов опыта необходимо ввести поправочный фактор. Он определяется экспериментально, называется фактором раствора и обозначается F. Если F 1, то, наоборот, - слабее. Зачастую применяют и более слабые растворы, например 0,5 н., 0,1 н. При вычислениях будем исходить из утверждения о взаимодействии равных количеств эквивалентов: nЭ1 = nЭ2 или CН1V1 = СН2V2 Пользуясь этим уравнением, можно (при нейтрализации анализируемого раствора) вычислить его концентрацию: СН1=СН2*V2/V1 Массу содержащегося в нем вещества получим из следующего уравнения: m1=V2CH2M1/Z1 где V2 - объем используемого для нейтрализации раствора, Сн2 - нормальность этого раствора, M1 - молярная масса используемого вещества, Z1 - валентность исследуемого вещества. Но довольно теории! Перейдем теперь к исследованию раствора гидроксида натрия. Будем добавлять к точно отмеренному объему щелочи соляную кислоту известной концентрации до тех пор, пока добавленный в небольшом количестве индикатор не укажет на переход от основной среды к кислой. Индикатор меняет окраску не при определенном значении рН, а в некотором интервале на шкале рН. Индикатор только тогда пригоден для титрования, когда эквивалентная точка титрования лежит в области перехода данного индикатора. При титровании сильной кислоты сильным основанием эквивалентная точка лежит в области, где значение рН равно 4 или 5. Для такого титрования можно применить метиловый оранжевый или фенолфталеин. Для того чтобы провести титрование слабой кислоты (или слабого основания), надо познакомиться с соответствующей литературой и затем выбрать подходящий индикатор. Отберем мерной пипеткой три пробы по 5 мл исследуемого раствора гидроксида натрия, перенесем их в широкогорлые колбы Эрленмейера вместимостью 100 мл. К каждой пробе добавим около 15 мл дистиллированной воды и 3-4 капли индикатора. Если титрование надо проводить довольно часто, можно применять в качестве индикатора бромтимоловый синий, который очень резко меняет свой цвет на желтый. Метиловый оранжевый меняет окраску с желтой на красную, а красный фенолфталеин обесцвечивается. Бюретку сначала промоем 2-3 мл 0,1 н. раствора НСl, затем вставим воронку и заполним бюретку кислотой; откроем кран, чтобы заполнить носик бюретки; вытащим воронку; подождем полминуты и после этого отметим и запишем исходное положение мениска А. Будем теперь по капле добавлять кислоту из бюретки в колбу. Левой рукой управляем краном бюретки, а в правой держим колбу, постоянно перемешивая содержимое. Под колбу рекомендуется подложить лист белой бумаги, чтобы точнее заметить момент изменения цвета от желтого к красному. В этот момент зафиксируем показания на бюретке Е, затем добавим еще 1-2 капли кислоты и посмотрим, не станет ли окраска интенсивнее. Если это произойдет, то прибавим обе капли к уже отмеченному расходу кислоты Е, в противном случае оставим его значение неизменным. Повторим опыт еще два раза. Результат внесем в следующую таблицу: Пробы 1 2 3 Е 11,3 22,55 33,88 А 0.0 11,3 22,55 V2, мл 11,3 11,25 11,33 Среднее значение объема израсходованного на титрование раствора НСl 11,29 мл. Подставим его в соответствующие формулы и вычислим либо массу, либо нормальность анализируемого раствора: m1=11,29*0,1*40/(1*1); m1=4,516 мг/л СН1=0,1*11,29/(1*5); СН1=0,26 моль/л При определении концентрации раствора весовым методом приходилось тратить много времени и энергии на выпаривание и взвешивание. Титрование значительно сокращает время определения. А заменив визуальное наблюдение за изменением окраски индикатора электрохимическими методами, можно автоматизировать этот процесс. Так называемые автоматы для титрования уже не редкость на крупных производствах. Тот кто обслуживает эти установки, должен обладать хорошей теоретической подготовкой. Этот раздел знакомит читателя с титрованием лишь в общих чертах. ОПЫТЫ С ХЛОРОМ Теперь займемся хлором, который получается при электролизе раствора поваренной соли. Но имеющегося у нас количества мало для дальнейших опытов. Поэтому надо получить газ из других соединений хлора. Самым подходящим и дешевым исходным веществом является соляная кислота. Получим хлор Эрленмейеровскую колбу на 250 мл закроем пробкой с двумя отверстиями. В одно вставим капельную воронку, в другое - согнутую под прямым углом газоотводную трубку. На дно колбы положим несколько кристалликов перманганата калия, а капельную воронку до середины заполним концентрированной соляной кислотой. Когда соляная кислота будет капать на перманганат калия, образуется желто-зеленый газ, он постепенно наполнит колбу и затем начнет проходить через трубку. Перманганат калия КМnО4 (калиевая соль марганцевой кислоты НМnО4) является сильным окислителем. Он окисляет до воды содержащийся в соляной кислоте водород и освобождает хлор: 2КМnО4 + 16НСl ? 2КС1 + 2MnCl2 + 8H2O + 5Cl2 В качестве окислителей можно применить также оксид марганца (IV) МnО2 (пиролюзит) или бихромат калия К2Сr2О7. Хлор - сильный яд. Он раздражает слизистые оболочки, поражает дыхательные пути и при длительном вдыхании приводит к смерти в результате разрушения легких. Поэтому опыты с хлором нужно проводить обязательно в вытяжном шкафу или на открытом воздухе. Избыток хлора можно связать, пропуская его через концентрированные растворы щелочей, с которыми он реагирует по следующему уравнению: 2NаОН + Cl2 ? NaClO + NaCl + Н2О Для связывания остатка хлора применяется также раствор тиосульфата (гипосульфита) натрия Na2S2O3. Простые опыты с хлором Заполним хлором несколько больших пробирок, для этого подведем в них сверху газ, используя опущенную на дно сосуда трубку. Хлор в 2,5 раза тяжелее воздуха, поэтому он полностью вытеснит последний из пробирки. В первую пробирку поместим зеленые листочки и цветы разной окраски, в другую - несколько полосок голубой и красной лакмусовой бумаги, несколько цветных лоскутков материи, а также влажный лист бумаги, на котором сделаны надписи простым карандашом, чернилами и разноцветными химическими карандашами. Закроем пробирки корковыми пробками и оставим на некоторое время. Части растений, лакмусовая бумага, следы карандаша (кроме простого), а также некоторые окрашенные лоскутки ткани обесцветятся. Дело в том, что при взаимодействии хлора с водой в испытываемых объектах происходит реакция: Н2О + Cl2 ? НСlO + НСl Хлорноватистая кислота НClO, которая образуется наряду с соляной кислотой, полностью разлагается с выделением чрезвычайно реакционноспособного атомарного кислорода: НСlO ? НСl + О Ему в конечном счете и следует приписать отбеливающий эффект. Отбеливающие средства на основе хлора часто применяются в текстильной промышленности, а дезинфицирующие - для обеззараживания воды. Хлор может отбелить также жиры и масла. Насыплем в заполненную хлором пробирку порошок железа (0,25-0,5 г), который предварительно нагреем на железном шпателе или на полоске жести. Железный порошок взаимодействует с хлором с появлением пламени. В результате образуется хлорид железа (III): 2Fe+ 3Cl2 ? 2FеСl3 Если опыт не удался, значит, хлор был влажный. Для того чтобы его высушить, пропустим через промывную склянку с концентрированной серной кислотой. Другие металлы (цинк, медь, олово и т. д.) тоже взаимодействуют с хлором, образуя соответствующие хлориды. Эти реакции дали повод назвать хлор и родственные ему элементы- фтор, бром и иод - галогенами, что в переводе означает "рождающий соль" Синтез хлористого водорода Для синтеза нам нужны два аппарата для получения газов. В одном будем получать водород из разбавленной серной кислоты и цинка, а в другом - хлор из соляной кислоты и перманганата калия. Пропустив оба газа через концентрированную серную кислоту, высушим их и затем, сжигая водород в атмосфере хлора, получим хлористый водород. Закроем ламповое стекло или широкий стеклянный цилиндр двумя пробками с двумя отверстиями в каждой (см. рисунок). В одно из отверстий в нижней пробке вставим согнутую под прямым углом трубку для подвода хлора, второе - диаметром не менее 10 мм - закроем пробкой. В отверстия в верхней пробке вставим кусок стеклянной трубки, на которую надет шланг с зажимом, и согнутую под прямым углом трубку, которую отведем в сосуд с водой. Оттуда полученный газ будет поступать в сосуд с раствором тиосульфата натрия. Прежде всего заполним цилиндр хлором (второе нижнее отверстие плотно закрыто!). В это время получим в аппарате Киппа водород. Еще раз напоминаем: его необходимо высушить, пропустив через концентрированную серную кислоту. Укрепим на промывной склянке кусок шланга длиной не менее 20 см и вставим в конец шланга стеклянную трубку с оттянутым носиком, на которую надета пробка, точно соответствующая диаметру широкого отверстия. Если проба на гремучий газ дала отрицательный результат, то подожжем водород, выходящий из оттянутого конца стеклянной трубки. Тем временем цилиндр наполнится хлором. Удалим маленькую пробку и быстро (чтобы не зажечь резину) вставим трубку с пламенем водорода на конце. Обратим внимание на то, чтобы оба газа поступали в цилиндр с одинаковой скоростью. Водород сгорает в атмосфере хлора с появлением бледного пламени. В результате образуется хлористый водород, который мы можем обнаружить, если откроем верхний зажим и подержим перед отверстием шланга стеклянную палочку, смоченную гидроксидом аммония - образуется туман нашатыря. Если пламя начинает угасать, необходимо немедленно перекрыть подачу водорода, так как в цилиндре образуется чрезвычайно взрывоопасный хлористоводородный гремучий газ. (Цилиндр хорошо проветрить!) Это опасный опыт, и его можно проводить только под руководством специалиста. Газообразный хлористый водород растворяется в первой промывной склянке (абсорбере), в результате получается соляная кислота. Проверим наличие кислой среды с помощью лакмуса, а хлорид-ионы обнаружим, добавив нитрат серебра По окончании реакции сначала надо прекратить подачу водорода а затем отсоединить цилиндр от абсорбера. Если этого не сделать, то вода потечет из абсорбера в цилиндр, так как хлористый водород чрезвычайно хорошо растворяется в воде (1 объемная часть воды растворяет при комнатной температуре около 450 объемных частей хлористого водорода). Хлористый водород мы можем получить также при взаимодействии хлорида натрия и концентрированной серной кислоты 2NaCI + Н2SО4 ? Na2SO4 + 2НС1 а затем провести с ним опыт с образованием фонтана (см. раздел "Аммиачный фонтан"). Когда мы разберем аппаратуру, все резиновые части следует промыть разбавленным раствором едкого натра или водой. Хлор сильно разрушает резину, она становится твердой и хрупкой. Хлористый водород - бесцветный газ с резким запахом, он тяжелее воздуха и во влажном воздухе образует белый туман. В промышленности хлористый водород получают почти исключительно синтезом из элементов. В кварцевой горелке которая состоит из центральной трубы и внешней рубашки, водород пропускают через рубашку, а хлор - по внутренней трубе. Оба газа вступают во взаимодействие только в пламени. Таким образом удается избежать взрыва хлористоводородного гремучего газа. Горячий газообразный хлористый водород охлаждают и, растворяя в воде, получают соляную кислоту. Концентрированной считают 39 %-ную соляную кислоту, а разбавленной - 10 %-ную. Сырая (техническая) соляная кислота чаще всего желтоватая из-за примеси FеСl3, чистая кислота представляет собой бесцветную жидкость. КАК ИЗГОТОВЛЯЮТ СОДУ Еще в давние времена были известны стекло и мыло. Для их изготовления применяли карбонат натрия (соду), который добывали на берегах содовых озер в Африке и Америке или получали из золы морских и прибрежных растений на побережьях Европы. Примерно 150 лет назад соду стали производить химикотехнологическим методом. Первый процесс изготовления соды разработал француз Леблан. Но с 1870 г. более рентабельный способ бельгийца Сольве стал вытеснять метод Леблана, и в 1916 г. закрылась последняя фабрика, работающая по этому методу. Сода имеет исключительно важное значение для народного хозяйства. Она используется в производстве моющих и очищающих средств, в стекольной и текстильной промышленности. В металлургии ее применяют для удаления серы из железа и стали; сода используется в производстве силиката натрия, фосфатов, селитры и алюминия, эмалей, смоляных красок и в фармацевтической промышленности. В соде нуждаются кожевенная, резиновая, сахарная промышленность, производство продуктов питания, фотопринадлежностей, она является необходимым компонентом при очистке воды. В районах Магдебурга и Галле в достаточном количестве имеются исходные продукты для производства соды - известь, поваренная соль, уголь и вода. Предприятие им. Карла Маркса в Бернбурге является центром производства соды в ГДР. Два простых химических уравнения воспроизведут реакции, протекающие в многочисленных технологических установках. Сначала из аммиака, диоксида углерода и воды получают гидрокарбонат аммония NH4НСО3, который при взаимодействии с раствором поваренной соли даст в результате гидрокарбонат натрия NaHCO3 и хлорид аммония NH4Cl: NaCI + NH4HCO3 ? NaHCO3 + NH4Cl Выпадает плохо растворимый гидрокарбонат натрия, его отделяют фильтрованием, а в результате прокаливания ( кальцинирования) он переходит в карбонат натрия: 2NaHCO3 ? Na2CO3 + Н2О + CO2 ( Особенно рентабельным делает процесс регенерация аммиака и частично диоксида углерода. Получение соды Для этого опыта применим аппарат, в котором при небольшом давлении получим диоксид углерода (углекислый газ). Подсоединим к газоотводной трубке этого аппарата Т-образную трубку, одно колено которой свяжем с капельной воронкой (см. рисунок). Диоксид углерода получим при взаимодействии кусочков мрамора и 20%-ного раствора соляной кислоты. Чтобы проконтролировать количество образующегося газа, подсоединим к газообразователю промывную склянку, частично наполненную водой. Диоксид углерода должен проходить через реакционный сосуд в виде мелких пузырьков. Для этой цели приобретем в зоологическом магазине не слишком большой пористый камень, который применяется в аэрационной установке аквариума (Например, кусок пемзы или туфа, - Прим. ред.). Напильником придадим ему круглую форму, чтобы он подошел к стеклянной трубке, имеющей внутренний диаметр 15-20 мм (трубка для сжигания длиной примерно 30 см). Трубку, подводящую газ, приклеим к камню водостойким клеем. Диаметр ее должен быть не менее 6 мм. Перед сборкой аппаратуры проверим проницаемость камня, погружая его в воду и пропуская через него воздух. Реакционный сосуд укрепим на штативе. Избыток диоксида углерода улетучится в воздух через открытую вверху трубку. Если имеется подходящее оборудование, можно сделать вокруг реакционного сосуда охлаждающую рубашку (так как температура при реакции не должна превышать 30 ±С), а реакционный сосуд закрыть сверху пробкой с двумя отверстиями, в одном из которых помещается термометр, а в другом - отводная трубка (как показано на рисунке). Но можно использовать и более простую установку. Применяя трубку длиной 30 см и диаметром 2 см, мы используем 60 мл реакционного раствора. Его мы можем приготовить двумя путями: или смешав 20 мл концентрированного раствора гидроксида аммония с 40 мл насыщенного раствора поваренной соли (14 г NaCl в 40 мл Н2О), или растворив до насыщения поваренную соль в концентрированном растворе гидроксида аммония. Примерно через 20 мин после начала опыта раствор помутнеет - это началось выделение гидрокарбоната натрия. Теперь необходимо внимательно следить за реакцией в трубе, так как выпадающая соль может закрыть поры в камне. Из-за этого в промывной склянке и газообразователе повысится давление газа. Надо тотчас же отсоединить реакционную трубу и промывную склянку и зажать шланг. Затем приостановим образование диоксида углерода. Оставим еще на некоторое время раствор в трубе для охлаждения; выделение гидрокарбоната натрия при этом продолжится. Наконец, отфильтруем и просушим соль, отжав ее между листами фильтровальной бумаги и оставив в умеренно теплом месте. Мы получим более 5 г гидрокарбоната натрия, который необходимо еще кальцинировать. Поместим его в пробирку из термостойкого стекла, закроем ее пробкой со вставленной газоотводной трубкой и укрепим на штативе. Сначала сильно нагреем гидрокарбонат натрия на пламени горелки. Выделяющийся газ соберем в пневматической ванне. Докажем с помощью горящей лучины и взаимодействием с известковой водой, что это диоксид |