Демонстрационные
опыты по химии
элементов

Заглавная

Аннотация

Содержание

Приложения

Литература

 

Глава 3. Химия элементов IIIA-группы

Опыт 3.1. Окрашивание пламени гидроксидом бора

Реактивы. Кристаллический гидроксид бора B(OH)3, разбавленная (1:2) соляная кислота HCl.

Посуда и приборы. Газовая горелка или спиртовка, стеклянная палочка с впаянной в нее платиновой или нихромовой проволочкой с витком на конце, бюкс для борной кислоты.

Описание опыта. Стеклянную палочку с проволочкой окунают в разбавленную соляную кислоту и прокаливают в пламени, а затем опускают в бюкс с измельченными кристаллами B(OH)3 и захватывают петлей проволоки несколько крупинок этого вещества. Вносят проволоку в пламя и наблюдают зеленое окрашивание, характерное для соединений бора.

Опыт 3.2. Получение борноэтилового эфира

Реактивы. Кристаллический гидроксид бора B(OH)3, этанол C2H5OH, концентрированная серная кислота H2SO4.

Посуда и приборы. Круглодонная колба емкостью 250-350 мл с пробкой, в которую вставлена стеклянная трубка диаметром 8-10 мм и длиной 50-60 см со слегка оттянутым концом, штатив с лапкой, электрический колбонагреватель, электрическая плитка или песчаная баня.

Описание опыта. В колбу засыпают 5-10 г B(OH)3, заливают 50-100 мл этанола и 5-10 мл серной кислоты, вставляют пробку с трубкой и закрепляют в лапке штатива. Затем ставят ее в колбонагреватель или на электрическую плитку (в обоих случаях следует подложить под колбу асбестовый картон), либо ставят на песчаную баню.

Нагревают колбу до умеренного кипения содержимого и после того, как по трубке начнет стекать конденсат, поджигают пары эфира у конца трубки. Образуется большой язык пламени, окрашенный в красивый ярко-зеленый цвет.

В результате реакции B(OH)3 с этанолом в присутствии концентрированной серной кислоты (в роли водоотнимающего средства) образуется борноэтиловый эфир:

B(OH)3 + 3 C2H5OH = B(OC2H5)3 + 3 H2O

Борноэтиловый эфир отгоняется из смеси в виде азеотропной смеси с этанолом. Реакция горения борноэтилового эфира отвечает уравнению:

2 B(OC2H5)3 + 18O2 = B2O3 + 15 H2O + 12CO2

Примечание. Можно проводить нагревание колбы открытым пламенем (газовой горелки или спиртовки). В этом случае следует следить за тем, чтобы пламя было небольшим и не достигало вставленной в пробку трубки.

Опыт 3.3. Гидролиз тетрабората натрия

Реактивы. Кристаллический декагидрат тетрабората натрия Na2B4O7 . 10 H2O (бура), дистиллированная вода, спиртовой раствор индикатора фенолфталеина.

Посуда и приборы. Чашка Петри, капельница для раствора фенолфталеина, бюкс для тетрабората натрия, шпатель.

Описание опыта. В чашку с водой наливают воду слоем толщиной около 1 см и добавляют в нее несколько капель раствора фенолфталеина. Шпателем из бюкса извлекают немного декагидрата тетрабората натрия и высыпают в воду в середину чашки. При растворении кристаллов из центра чашки струйками распространяется розовое окрашивание раствора.

При растворении тетрабората натрия в воде происходит диссоциация соли с образованием гидратированного аниона:

Na2B4O7 + 2 H2O = 2 Na+ + [B4O5(OH)4]2-

Гидратированный тетраборат-ион имеет сложное строение. Два атома бора находятся в тетраэдрическом окружении (sp3-гибридизация атомных орбиталей) и еще два – в плоско-треугольном (sp2-гибридизация атомных орбиталей).

При дальнейшем взаимодействии с водой этот сложный анион превращается в четыре молекулы B(OH)3 и выделяет два гидроксид-иона, которые и обеспечивают щелочную реакцию раствора. Реакция протолиза отвечает уравнению:

B4O7 2- + 11 H2O 4 [B(H2O)(OH)3] + 2 OH-

Опыт 3.4. Горение алюминия

Реактивы. Металлический алюминий Al в виде пудры.

Посуда и приборы. Сухое горючее (газовая горелка, спиртовка), бюкс для алюминиевой пудры, стальной шпатель, асбестовый лист размером 25´25 см.

Описание опыта. Поджигают сухое горючее на асбестовом листе. Взяв шпателем из бюкса немного алюминиевой пудры, небольшими порциями ссыпают ее сверху в пламя горелки. Металл вспыхивает ярким пламенем, разбрасывая искры и выделяя белый дым (аэрозоль оксида алюминия). При сгорании алюминия выделяется большое количество теплоты:

4 Al(т) + 3 O2(г) = 2 Al2O3(т) ; D H° 298 = -3350 кДж

Опыт 3.5. Пассивирование алюминия

Реактивы. Концентрированная (98%-ная) азотная кислота HNO3 с плотностью 1,50 г/мл, разбавленная (1:2) соляная кислота HCl, алюминий Al (проволока или пластинка).

Посуда и приборы. Химические стаканы емкостью 600–1000 мл, промывалка с дистиллированной водой, фильтровальная бумага, мелкозернистая наждачная бумага.

Описание опыта. В первый стакан на 1/3 его объема наливают разбавленную соляную кислоту, а во второй – концентрированную азотную кислоту на 1/2 его объема.

Алюминиевую проволоку зачищают наждачной бумагой, ополаскивают водой, протирают фильтровальной бумагой и затем с помощью щипцов опускают в стакан с раствором соляной кислоты. Начинается энергичная реакция с выделением водорода:

2 Al + 6 HCl = 2 AlCl3 + 3 H2­

Затем проволоку вынимают из стакана, тщательно обмывают водой из промывалки над пустым стаканом и промокают фильтровальной бумагой. После этого опускают ее на 2–3 минуты в стакан с концентрированной азотной кислотой. Следует обратить внимание аудитории на отсутствие выделения каких бы то ни было газов (если будут выделяться оксиды азота – значит, концентрация взятой азотной кислоты недостаточно высока).

Вынув алюминиевую проволоку из азотной кислоты, промывают ее водой и снова погружают в разбавленную соляную кислоту. Выделения водорода теперь не наблюдается. Это означает, что выдерживание в концентрированной азотной кислоте изменило свойства поверхности алюминия; на ней образовалась тончайшая защитная пленка оксида алюминия. Пассивированная поверхность алюминия химически инертна по отношению к разбавленной соляной кислоте.

Опыт 3.6. Взаимодействие амальгамированного алюминия с водой

Реактивы. Алюминий Al (проволока или пластинка), концентрированный водный раствор нитрата ртути(II) Hg(NO3)2, водный (15-20%-ный) раствор гидроксида натрия NaOH, этанол C2H5OH или ацетон (CH3)2CO.

Посуда и приборы. Химические стаканы емкостью 100-250 мл, мелкозернистая наждачная бумага, фильтровальная бумага, щипцы или пинцет, коническая колба емкостью 100 мл с пришлифованной пробкой для спирта или ацетона, штатив с лапкой, черная бумага, газовая горелка или сухое горючее.

Описание опыта. Алюминиевую проволоку погружают в пробирку с раствором гидроксида натрия и нагревают на огне. Начинается бурная реакция с выделением водорода и образованием гидроксокомплекса алюминия:

2 Al + 2NaOH + 6 H2O = 2 Na[Al(OH)4] + 3 H2­

Взаимодействие алюминия в сильнощелочной среде с водой протекает в стандартных условиях самопроизвольно, поскольку значение разности стандартных электрохимических потенциалов для полуреакций

Al + 4 OH- - 3 e- = [Al(OH)4]- ; j ° = -2,336 B

2 H2O + 2 e- = H2­ + 2 OH- ; j ° = -0,828 B

больше нуля: D j ° = - 0,828 – (–2,336) = 1,508 B.

Затем вынимают проволоку из раствора гидроксида натрия и опускают ее в стакан с водой для ополаскивания. После этого проволоку на некоторое время погружают в раствор нитрата ртути(II) для амальгамирования (покрытия поверхности металла ртутью с образованием амальгамы алюминия).

После появления на поверхности алюминия тонкого слоя амальгамы проволоку вынимают щипцами из стакана с раствором нитрата ртути(II) и опускают ее в стакан с водой. Наблюдается интенсивное выделение водорода:

2 Al(Hg) + 6 H2O = 2 Al(OH)3 + 3 H2­ + 2 Hg
Значение стандартного электрохимического потенциала j ° для пары Al(OH)3 / Al равно –1,538 В.

Опыт 3.7. Взаимодействие пероксида натрия с алюминием

Реактивы. Пероксид натрия Na2O2, алюминиевая пудра Al, вода.

Посуда и приборы. Керамическая пластинка или асбестовый картон размером 10´10 см, шпатель, бюксы для пероксида натрия и для алюминиевой пудры, капельница с водой.

 Описание опыта. На керамическую пластинку при помощи шпателя насыпают из бюксов в равных объемах пероксид натрия и алюминиевую пудру и осторожно перемешивают их, делая горку высотой 1- 2 см с углублением на вершине. В углубление вносят 2- 3 капли воды и сразу же убирают руки подальше. Через 5- 10 секунд смесь воспламеняется и сгорает со вспышкой:

2 Al + 3 Na2O2 = Al2O3 + 3 Na2O

Al2O3 + Na2O = 2 NaAlO2

Опыт 3.8. Амфотерность гидроксида алюминия

Реактивы. Водный (10–15%-ный) раствор хлорида алюминия AlCl3, разбавленный (1:5) водный раствор аммиака (гидрат аммиака NH3 . H2O), разбавленная (1:3) соляная кислота HCl, водный (15–20%-ный) раствор гидроксида калия KOH.

Посуда и приборы. Химические стаканы емкостью 500 мл, стеклянная палочка.

Описание опыта. В химический стакан наливают на 1/3 его объема раствор хлорида алюминия или сульфата алюминия. Затем небольшими порциями добавляют раствор аммиака до образования студенистого осадка гидроксида алюминия:

[Al(H2O)6]3+ + 3 NH3 . H2O = Al(OH)3¯ + 3 NH4+ + 6 H2O

Разливают суспензию гидроксида алюминия равными порциями в три стакана. Первый стакан оставляют для сравнения, а во второй и третий добавляют, соответственно, растворы соляной кислоты и гидроксида калия, добиваясь образования в обоих случаях прозрачного раствора:

Al(OH)3 + 3 H3O+ = [Al(H2O)6]3+

Al(OH)3 + OH- = [Al(OH)4]-

Растворение осадка гидроксида алюминия происходит за счет связывания гидроксид-ионов катионами оксония и образования аквакатиона алюминия [Al(H2O)6]3+ во втором стакане и за счет образования тетрагидроксоалюминат-иона – в третьем. Это указывает на амфотерный характер Al(OH)3.

Примечание. Образование тетраэдрического тетрагидроксоалюминат-иона происходит при высокой щелочности раствора (рН > 11) и большом избытке гидроксид-ионов. В интервале значений рН 7–11 координационная сфера алюминия (III) достраивается до координационного числа 6 за счет молекул воды. В результате в растворе присутствует тетрагидроксодиакваалюминат-ион [Al(H2O)2(OH)4] -.

Опыт 3.9. Совместный гидролиз аквакатиона алюминия и карбонат-иона

Реактивы. Разбавленные (5–10%-ные) водные растворы хлорида алюминия AlCl3 и карбоната натрия Na2CO3, дистиллированная вода.

Посуда и приборы. Химические стаканы емкостью 400 мл, стеклянная палочка.

Описание опыта. В стакан наливают на 1/3 объема раствор хлорида алюминия. Затем добавляют раствор карбоната натрия. Наблюдают выпадение студенистого осадка гидроксида алюминия и вспенивание смеси из-за выделения газообразного диоксида углерода:

2 AlCl3 + 3 Na2CO3 + 3 H2O = 2 Al(OH)3¯ + 3 CO2­ + 6 NaCl

Примечание. Вместо хлорида алюминия можно использовать любую растворимую соль алюминия, вместо карбоната натрия – карбонат калия или аммония.

_________________________

Отвечать на вопросы >>>

Приложения >>>

Содержание >>>

Заглавная страница >>>