Химический эксперимент по неорганической химии в системе проблемного обучения (стр. 11 из 16)
Опыт 5. Учащимся предлагается более сложное задание.
УЧИТЕЛЬ. Вы знаете, что металлы, основные оксиды и нерастворимые соли могут взаимодействовать с растворами средних солей, хотя на первый взгляд это противоречит теоретическим представлениям. Подумайте, какую еще необычную для средних солей реакцию можно провести. Проведите ее и объясните наблюдаемые явления (о п ы т 5).
Учитель предлагает проанализировать продукты реакции, объяснить происходящие явления, написать уравнения соответствующих реакций.
Обсуждение результатов эксперимента
Опыт 1. Соль Na2CO3 в растворе подвергается гидролизу по аниону:
CO32– + H2O <=>HCO3– + OH–,
Na2CO3 + Н2O <=>NaHCO3 + NaOH. (1)
Амфотерный оксид алюминия, образующий защитную пленку на поверхности алюминия, взаимодействует со щелочью, полученной по уравнению (1):
Al2O3 + 2NaOH + 3H2O = 2Na[Al(OH)4]. (2)
Алюминий, лишенный оксидной пленки, взаимодействует с водой:
2Al + 6H2O = 2Al(OH)3 ↓ + 3H2
. (3)Гидроксид алюминия, образовавшийся в реакции (3), взаимодействует с гидроксидом натрия, полученным по реакции (1), т.к. Al(OH)3 – амфотерный гидроксид:
Al(OH)3 + NaOH = Na[Al(OH)4], (4)
Al(OH)3 + OH– = [Al(OH)4]–.
Поскольку гидроксид-ионы связываются гидроксидом алюминия, равновесие гидролиза (1) смещается вправо, идет вторая ступень гидролиза:
HCO3– + H2O <=>OH– + H2CO3 (H2O + CO2
),NaHCO3 + H2O <=>NaOH + H2CO3 (H2O + CO2
). (5)В ходе эксперимента учащиеся наблюдают выделение газов, которые представляют собой смесь водорода и углекислого газа.
Кроме того, наблюдается выпадение осадка. Если раствор карбоната натрия был разбавленным и взят не в избытке, то этот осадок не растворяется до конца. Поэтому есть возможность проанализировать этот осадок.
Учащиеся предполагают, что в осадке Al2(CO3)3. Однако при добавлении кислоты к осадку, промытому от раствора Na2CO3, углекислый газ не выделяется. Надо догадаться, что осадок – Al(OH)3. Гидроксид алюминия – амфотерный, он должен взаимодействовать и с кислотами, и со щелочами. При экспериментальной проверке, действительно, осадок растворяется и в соляной кислоте, и в растворе гидроксида калия:
Al(OH)3 + 3HCl = AlCl3 + 3H2O,
Al(OH)3 + 3H+ = Al3+ + 3H2O;
Al(OH)3 + KOH = K[Al(OH)4],
Al(OH)3 + OH– = [Al(OH)4]–.
Мы считаем, что не следует писать суммарное уравнение реакции алюминия с карбонатом натрия. Достаточно обсудить процессы, которые идут в исследуемой системе, описанные уравнениями реакций (1–5).
Опыт 2. Алюминий реагирует с раствором хлорида железа(III). Во-первых, алюминий более активный металл, чем железо, поэтому алюминий вытесняет железо из раствора его соли:
Al + FeCl3 = AlCl3 + Fe.
В осадке можно обнаружить частички железа, например, с помощью магнита.
Кроме того, было замечено выделение газа, и в осадке наряду с частицами железа обнаружены бурые частицы другого вещества. Анализ газа (характерный хлопок при поджигании) показал, что этот газ – водород.
Логично предположить, что хлорид железа(III) подвергается гидролизу по катиону:
Fe3+ + H2O <=>FeOH2+ + H+,
FeCl3 + H2O <=>FeOHCl2 + HCl. (1)
Получившаяся в результате реакции (1) кислота взаимодействует с алюминием и с образующимся железом с выделением водорода:
2Al + 6HCl = 2AlCl3 + 3H2
, (2)2Al + 6H+ = 2Al3+ + 3H2
;Fe + 2HCl = FeCl2 + H2
, (3)Fe + 2H+ = Fe2+ + H2
.Алюминий и железо связывают ионы H+, равновесие гидролиза смещается в сторону его продуктов, гидролиз идет по 2-й и 3-й ступеням:
FeOH2+ + H2O <=>Fe(OH)2+ +H+,
FeOHCl2 + H2O <=>Fe(OH)2Cl + HCl;
Fe(OH)2+ + H2O <=>Fe(OH)3↓ + H+,
Fe(OH)2Cl + H2O <=>Fe(OH)3↓ + HCl.
Следовательно, бурые частицы осадка – это гидроксид железа(III), не растворимый в воде и щелочах, но растворимый в кислотах. Это можно проверить экспериментально:
2Fe(OH)3 + 3H2SO4 = Fe2(SO4)3 + 6H2O,
Fe(OH)3 + 3H+ = Fe3+ + 3H2O.
В растворе щелочи осадок Fe(OH)3 не растворяется.
Опыт 3. Учащиеся знают, что нерастворимые соли (СaCO3) не должны взаимодействовать с другими солями. Однако в системе FeСl3 + CaCO3 они наблюдают бурное выделение газа и выпадение бурого осадка. Для выяснения, какой это газ, в реакционную пробирку вносят горящую лучину, она гаснет. Следовательно, выделяющийся газ – CO2. Анализ осадка проводят аналогично опыту 2. Итак, при взаимодействии FeCl3 c CaCO3 образовались углекислый газ и гидроксид железа(III). Учащиеся объясняют, что образовавшаяся при гидролизе FeCl3 соляная кислота реагирует с CaCO3:
FeCl3 + H2O <=>FeOHCl2 + HCl,
Fe3+ + H2O <=>FeOH2+ + H+;
2HCl + CaCO3 = CaCl2 + H2O + CO2
,2H+ + CaCO3 = Ca2+ + H2O + CO2
.Поскольку ионы H+ реагируют с CaCO3, то гидролиз FeCl3 идет по 2-й и 3-й ступеням:
FeOH2+ + H2O <=>Fe(OH)2+ + H+,
Fe(OH)2+ + H2O <=>Fe(OH)3 + H+.
Опыт 4. Учащиеся замечают изменение окраски раствора. Бесцветный раствор становится голубым, что явно свидетельствует о появлении в растворе гидратированных ионов меди Cu2+. Как это объяснить, если известно, что средние соли не реагируют с основными оксидами?
Сульфат алюминия гидролизуется по катиону:
Al3+ + H2O <=>AlOH2+ + H+,
Al2(SO4)3 + 2H2O <=>2AlOHSO4 + H2SO4;
AlOH2+ + H2O <=>Al(OH)2+ + H+,
2AlOHSO4 + 2H2O <=> (Al(OH)2)2SO4 + H2SO4.
Образующаяся серная кислота при нагревании взаимодействует с оксидом меди(II). Ионы Cu2+ переходят в раствор и придают ему голубую окраску.
CuO + H2SO4 = СuSO4 + H2O,
CuO + 2H+ = Сu2+ + H2O.
Учащиеся анализируют раствор на содержание ионов Cu2+. Для этого прибавляют к фильтрату раствор щелочи, наблюдается выпадение голубого осадка:
CuSO4 + 2NaOH = Cu(OH)2↓ + Na2SO4,
Cu2+ + 2OH– = Cu(OH)2↓.
Опыт5.Учащиеся исходят из следующих представлений. При гидролизе соли может образоваться кислота. Кислоты взаимодействуют с металлами, стоящими в ряду активности до водорода, основными оксидами, нерастворимыми солями (если при этом образуется газ), нерастворимыми основаниями и амфотерными гидроксидами. Первые три случая рассмотрены выше (см. опыты 2–4), следовательно, можно предположить, что растворы солей, гидролизующихся по катиону, будут растворять основания и амфотерные гидроксиды. Продукт такого гидролиза – кислота – будет взаимодействовать с основаниями и амфотерными гидроксидами. Например, в растворе Al2(SO4)3 растворится основание Cu(OH)2, а в растворе FeCl3 растворится амфотерный гидроксид Al(OH)3:
Al2(SO4)3 + 2H2O <=>2AlOHSO4 + H2SO4,
H2SO4 + Cu(OH)2 = CuSO4 + 2H2O;
FeCl3 + H2O <=>FeOHCl2 + HCl,
3HCl + Al(OH)3 = AlCl3 + 3H2O.
Учащиеся проводят эти реакции, доказывая, что их гипотеза верна: Cu(OH)2 растворяется в растворе сульфата алюминия, а Al(OH)3 растворяется в растворе хлорида железа(III).
Можно показать такой «фокус». Нерастворимое основание Fe(OH)3 взаимодействует с раствором FeCl3, осадок растворяется:
FeCl3 + H2O <=>FeOHCl2 + HCl,
Fe(OH)3 + 2HCl = FeОНCl2 + 2H2O.
(Советуем учителю заранее подобрать нужные концентрации растворов, чтобы ожидаемые эффекты реакций, которые будут проводить учащиеся и сам учитель, наблюдались.)
Вывод. Если к раствору соли, подвергающейся гидролизу, добавить вещество, способное взаимодействовать с кислотами или щелочами, то это вещество взаимодействует с продуктами гидролиза – кислотами или щелочами.
Занятие № 8. Тема «Гидролиз солей»
Предлагаемая форма проведения проблемного эксперимента может быть осуществлена на уроке, в классе с углубленным изучением химии или на факультативном занятии.
Работу можно провести в парах учащихся, а обсуждение ведется в форме эвристической беседы. Возможно также выполнение эксперимента в группах, с последующей защитой каждого опыта.
Цель работы: изучение совместного гидролиза солей
Реактивы и оборудование: 20%-ые растворы: карбоната натрия, нитрата бария, сульфата алюминия, хлорида бария, хлорида алюминия, сульфата меди (II), хлорида железа(III); пробирки.
Ход работы: Учащиеся получают задание – выполнить 5 опытов.
Опыт 1. К раствору карбоната натрия добавить раствор нитрата бария. Описать наблюдаемые явления, объяснить их, написать уравнение происходящей реакции в молекулярной, полной и сокращенной ионных формах. Проанализировать полученные вещества.