Определяем состав 2-го набора пробирок

Определение солей во втором наборе пробирок может быть сделано несколькими способами. Приведём один из вариантов определения.

Возьмём семь чистых пробирок и в каждую из них перенесём по несколько капель определяемых растворов и будем добавлять по каплям раствор HCl.

В одной из пробирок выпадет осадок, а в другой будет выделяться газ. В остальных пробирках никаких эффектов наблюдаться не будет. Подогреем пробирку с осадком на водяной бане. Осадок растворится, а при охлаждении раствора выпадет снова. Это может быть только осадок PbCl₂, а соль – Pb(CH₃COO)₂.

Pb(CH₃COO)₂. + 2HCl = PbCl₂↓ + 2CH₃COOH

При нагревании другой пробирки усиливается выделение газа. Это газ – CO₂, а соль – Na₂CO₃.

Na₂CO₃ + 2HCl = 2NaCl + CO₂↑ + H₂O

Две пробирки мы определили. Это - Pb(CH₃COO)₂ и Na₂CO_{3 .}

Осталось 5 пробирок с неизвестными солями. Возьмём пять чистых пробирок и в каждую из них перенесём по несколько капель растворов определяемых веществ и будем добавлять по каплям раствор H₂SO₄. Только в одной из пробирок выпадет осадок. Это осадок BaSO₄, который не растворяется в HCl.

BaCl₂ + H₂SO₄ = BaSO₄↓ + 2HCl

Мы определили BaCl₂.

Возьмём четыре чистые пробирки и в каждую из них перенесём по несколько капель растворов определяемых веществ и будем добавлять по каплям раствор Ba(OH)₂. В трёх пробирках выпадут осадки, а одна пробирка останется без изменений. Эта пробирка содержит раствор NH₄Cl. Подтвердим это. Возьмём чистую пробирку, перенесём в неё несколько капель предполагаемого раствора NH₄Cl, добавим несколько капель раствора NaOH и накроем пробирку предметным стеклом, предварительно смочив его водой и приклеив к нему фенолфталеиновую бумагу. Поставим пробирку на водяную баню. Через некоторое время фенолфталеиновая бумага покраснеет. Это доказывает, что в пробирке находится раствор NH₄Cl.

NH₄Cl + NaOH = (t) NaCl + NH₃↑ + H₂O

Остались растворы Na₂SO₄, MnSO₄, Al₂(SO₄)₃.. Возьмём три чистые пробирки и в каждую из них перенесём по несколько капель растворов определяемых веществ и будем добавлять медленно по каплям раствор NaOH.

В одной пробирке никакого эффекта не наблюдаем. В этой пробирке находится раствор Na₂SO₄. В двух других пробирках наблюдаем следующие эффекты. В пробирках с растворами MnSO₄ и Al₂(SO₄)₃ выпадут осадки, причём в пробирке, содержащей раствор MnSO₄, выпавший осадок будет медленно буреть на воздухе, а в пробирке, содержащей Al₂(SO₄)₃, осадок будет растворяться в избытке реактива.

MnSO₄ +2NaOH = Mn(OH)₂↓ + Na₂SO₄

2 Mn(OH)₂ + O₂ = 2MnO(OH)₂ (или 2H₂MnO₃ или MnO₂ + H₂O)

Al₂(SO₄)₃ + 6NaOH = 2Al(OH)₃↓ + 3Na₂SO₄

Al(OH)₃ + NaOH = Na[Al(OH)₄] (или Na₃[Al(OH)₆])

Мы определили MnSO₄ и Al₂(SO₄)₃.

Система оценивания.

1. Правильное заполнение таблицы 3 б

2. Определение веществ в 1-м наборе пробирок (0,5 б за 1вещество) 2 б

3. Определение веществ во 2-м наборе пробирок (2 б за 1вещество) 14 б

4. Запись последовательности действий, наблюдаемых явлений

и их объяснение 3 б

5. Уравнения реакции (1 б за 1-й набор пробирок и по 1 б за каждое вещество из 2-го набора пробирок) 8 б

Итого 30 б

Всероссийская олимпиада школьников по химии

______________________________________________________________________________________________________

Десятый класс

Задание: В 10 пронумерованных пробирках выданы растворы следующих индивидуальных соединений: KI, NaOH, NaHCO₃, Na₂S, Na₂S₂O₃, NaNO₂, BaCl₂, Ca(NO₃)₂, NH₃, [Zn(NH₃)₄]SO₄. Кроме этого, на столах имеется следующий набор веществ или их растворов: CaCO₃, Cu₂(OH)₂CO₃, H₂SO₄, HCl, NaHCO₃, NaOH, ZnO.

Предложите реактив, синтезируемый с использованием некоторых из этих веществ и представляющий собой раствор индивидуального вещества, который позволит идентифицировать все соединения в пронумерованных пробирках (для идентификации каждого из соединений можно использовать только синтезированный вами реактив, использовать другие выданные вещества или другие растворы в пронумерованных пробирках в качестве реагентов нельзя). Напишите формулу реактива и покажите ее преподавателю.

Опишите последовательность Ваших действий при синтезе реактива и наблюдаемые явления. Напишите уравнение реакции синтеза.

Напишите уравнения взаимодействия реактива с идентифицируемыми соединениями (там, где это важно, укажите, что находится в избытке, а что – в недостатке). Зафиксируйте Ваши наблюдения. Решение представьте в виде таблицы:

Реактивы: CaCO₃ (тв.), Cu₂(OH)₂CO₃ (тв.), H₂SO₄ (5 %), HCl (5 %), NaHCO₃ (тв.), NaOH (5 %), ZnO (тв.).

Оборудование: штативы с пробирками (10 пробирок с растворами и 10 чистых пробирок), 2 пипетки, стакан на 50 – 100 мл с дистиллированной водой (для промывания пипеток), пустой стакан на 50 – 100 мл и стеклянная палочка для синтеза реактива.

Решение: Автор – В.В. Апяри

Опыт 1. Первая серия экспериментов будет посвящена исследованию качественного состава соли Мора – гексагидрата сульфата железа(II)‑аммония.

Приведите химическую формулу соли Мора.

а) Для доказательства того, что соль Мора является кристаллогидратом, поместите ее небольшое количество в сухую чистую пробирку (так, чтобы дно пробирки немного было покрыто твердым веществом) и слегка нагрейте.

Отметьте, что конденсируется на холодных стенках пробирки (в верхней ее части). Напишите уравнение реакции.

б) Предварительно подготовьте влажную фенолфталеиновую бумагу. Для этого на выданную Вам фильтровальную бумагу поместите 1 каплю раствора фенолфталеина, дайте впитаться индикатору и слегка увлажните полученную бумагу 1‑2 каплями дистиллированной воды. Для доказательства того, что в состав соли Мора входят катионы NH₄⁺ и Fe²⁺, поместите небольшое количество твердой соли Мора в пробирку (как было описано ранее), добавьте ~1 мл раствора щелочи и подогрейте содержимое. Осторожно поднесите подготовленную Вами влажную индикаторную бумагу к отверстию пробирки так, чтобы она не касалась стенок пробирки.

Отметьте все изменения, которые произошли при проведении этого опыта (цветовые изменения фенолфталеиновой бумаги осадка в пробирке). Напишите уравнения реакций, объясняющие Ваш ответ.

в) Растворите немного соли Мора в воде и проведите качественную реакцию, доказывающую присутствие сульфат ‑ ионов в растворе.

Опишите наблюдаемые явления и приведите уравнение реакции.

Опыт 2. Известно, что для получения некоторых кислот в лабораторной практике зачастую используют взаимодействие солей этих кислот с раствором серной кислоты. Однако при этом не всегда удается получить кислоты.

Налейте в первую пробирку ~1 мл раствора нитрита натрия, а во вторую – столько же раствора тиосульфата натрия. В обе пробирки добавьте по ~1 мл раствора серной кислоты.

Что наблюдаете? Напишите уравнения реакций, объясняющих результаты опыта.

Опыт 3. В две пробирки поместите по небольшому кусочку (размером с горошину) школьного мела. В первую пробирку налейте ~1 мл 1 М раствора уксусной кислоты, а во вторую – столько же 1 М раствора серной кислоты.

Отметьте интенсивность выделения газа в обеих пробирках. Напишите уравнения происходящих реакций.

Почему при взаимодействии мела с растворами упомянутых кислот в первый момент времени реакция протекает одинаково бурно, а спустя некоторое время в одной из пробирок газ выделяется значительно медленнее?

Опыт 4. В две пробирки налейте по ~1 мл раствора серной кислоты. Осторожно нагрейте раствор в одной из пробирок. В обе пробирки (не дожидаясь остывания нагретого раствора) поместите по 1 грануле металлического цинка.

Отметьте интенсивность выделения газа в каждой из пробирок. Напишите уравнение происходящей реакции.

Почему интенсивность газовыделения в одной из пробирок заметно выше?

Опыт 5. Для проведения этого и следующего опыта используйте гранулы цинка после проведения опыта 4, предварительно промыв их в воде и высушив с помощью фильтровальной бумаги.

Налейте в пробирку ~2 мл раствора серной кислоты и поместите в нее гранулу цинка. Аккуратно внесите в пробирку медную проволоку так, чтобы она сначала не касалась цинковой гранулы, но находилась в растворе.

Теперь, не вынимая медную проволоку из раствора, коснитесь ею гранулы цинка.

Что наблюдаете? Объясните, почему при контакте меди с цинком на поверхности проволоки образуются пузырьки газа. Напишите уравнения процессов, происходящих на грануле цинка и медной проволоке.

Опыт 6. Сделаем еще один эксперимент с участием цинковой гранулы и раствора H₂SO₄. Налейте в пробирку ~1 мл раствора серной кислоты, добавьте к нему 4‑5 капель раствора дихромата калия и нагрейте содержимое пробирки. К горячему раствору добавьте гранулу цинка и наблюдайте за происходящими изменениями в течение 50‑60 минут.

Отметьте цветовые изменения с раствором в пробирке. Напишите уравнение реакции.

Как Вы думаете, будут ли наблюдаться какие-то изменения, если вместо использования реакции Zn с раствором H₂SO₄, через раствор дихромата калия пропускать газообразный водород (например, из баллона)? Дайте краткий обоснованный ответ.

Опыт 7. В две пробирки налейте по ~1 мл раствора гидроксида натрия. Раствор в одной из пробирок нагрейте. В обе пробирки (не дожидаясь пока охладится нагретый раствор) добавьте равный объем раствора соли меди(II).

Отметьте цвета осадков, образовавшихся в обеих пробирках. Напишите уравнения реакций, объясняющие различия в проведенных экспериментах.

Опыт 8. Налейте в пробирку ~1 мл раствора ацетата натрия и добавьте к нему 1‑2 капли фенолфталеина. Нагрейте раствор в пробирке и отметьте изменение окраски индикатора при нагревании. Охладите раствор до комнатной температуры и вновь отметьте изменения.

Почему изменяется окраска индикатора при нагревании и охлаждении раствора? Дайте обоснованный ответ и напишите уравнение соответствующей реакции.

Опыт 9. Налейте в пробирку ~1 мл раствора ацетата натрия и добавьте к нему равный объем раствора соли алюминия. Нагрейте раствор в пробирке.

Что наблюдаете? Напишите уравнение реакции, поясняющее Ваш ответ.

Опыт 10. Предварительно подготовьте влажную фенолфталеиновую бумагу, как это было описано в опыте 1 (б). На дно пробирки поместите немного (на кончике шпателя) твердого хлорида аммония и смочите его 5‑6 каплями раствора карбоната натрия. Нагрейте содержимое пробирки и осторожно поднесите подготовленную Вами влажную фенолфталеиновую бумагу к отверстию пробирки так, чтобы она не касалась стенок пробирки.

Отметьте изменение цвета фенолфталеиновой бумаги. Напишите уравнение реакции, объясняющее результат опыта.

Опыт 11. Налейте в первую пробирку ~1 мл раствора соли алюминия, во вторую – столько же раствора соли меди(II). В обе пробирки добавьте равный объем раствора карбоната натрия.

Что происходит? Напишите уравнения проведенных реакций.

Опыт 12. К ~1 мл раствора соли алюминия добавьте (при перемешивании) по каплям раствор гидроксида натрия сначала до образования осадка, а затем до полного его растворения.

К полученному раствору добавьте немного (на кончике шпателя) твердого хлорида аммония.

Отметьте все наблюдения и напишите уравнения реакций, объясняющих результаты эксперимента.

Опыт 13. Растворы некоторых из используемых Вами сегодня веществ были приготовлены незадолго до проведения эксперимента, поскольку при хранении они постепенно «портятся». Один из таких растворов – KI.

Налейте в пробирку ~1 мл раствора иодида калия, подкислите его несколькими каплями раствора серной кислоты и оставьте на 10‑15 минут.

Что происходит (для более четкой фиксации изменений рассмотрите содержимое пробирки на фоне белого листа бумаги)?

Напишите уравнение реакции, происходящей с раствором KI на воздухе.

Растворы каких из предложенных Вам сегодня веществ (в том числе, изначально выданных в твердом виде), постепенно «портятся» при хранении на воздухе? Поясните Ваш ответ соответствующими уравнениями реакций.

Опыт 14. В пробирку, содержащую ~1 мл раствора соли меди(II) добавьте 2‑3 капли раствора иодида калия.

К образовавшейся реакционной смеси добавляйте (при перемешивании) по каплям раствор тиосульфата натрия сначала до обесцвечивания раствора, а затем до растворения первоначально образовавшегося осадка.

Отметьте все наблюдения и напишите уравнения соответствующих реакций.

Опыт 15. В две пробирки налейте по ~1 мл раствора дихромата калия.

а) К раствору в первой пробирке добавьте равный объем раствора гидроксида натрия. Образовавшийся раствор подкислите 4‑5 каплями раствора серной кислоты.

Отметьте цветовые изменения и напишите уравнения реакций.

б) К раствору дихромата калия во второй пробирке добавьте равный объем раствора соли бария. Дайте немного (2‑3 минуты) отстояться реакционной смеси и аккуратно (не перемешивая осадок и раствор) слейте бóльшую часть раствора над осадком.

Укажите цвет образовавшегося осадка. Напишите уравнение реакции, сопоставив цвет образовавшегося осадка с цветовыми переходами в опыте 15 (а).

Надеемся, Вы успешно провели все предложенные эксперименты
и смогли объяснить их результаты!

Решение: Автор – Ильин М.А.

Опыт 1. Соль Мора – (NH₄)₂Fe(SO₄)₂ × 6H₂O.

а) При нагревании (при ~100 С) твердой соли Мора в сухой пробирке молекулы кристаллизационной воды отщепляются, и конденсируется в виде капель на холодных стенках пробирки:

(NH₄)₂Fe(SO₄)₂ × 6H₂O (NH₄)₂Fe(SO₄)₂ + 6H₂O­.

б) При взаимодействии соли Мора с раствором щелочи при небольшом нагревании по появлению малиновой окраски влажной фенолфталеиновой бумаги можно обнаружить выделение аммиака. При этом в пробирке образуется гидроксид железа(II), который быстро (особенно при нагревании) окисляется до гидроксида железа(III) – цвет осадка постепенно меняется с грязно-зеленого (с синеватым оттенком) до темно-бурого:

(NH₄)₂Fe(SO₄)₂ × 6H₂O + 4NaOH 2NH₃­ + Fe(OH)₂¯ + 2Na₂SO₄ + 8H₂O,

4Fe(OH)₂ + O₂ + 2H₂O ® 4Fe(OH)₃¯

(вместо образования Fe(OH)₃ в качестве верного ответа принимается образование FeO(OH)).

в) Обнаружить присутствие сульфат‑ионов в растворе соли Мора можно с помощью реакции образования нерастворимого белого осадка BaSO₄:

Ba²⁺ + SO₄^2- ® BaSO₄¯.

Опыт 2. При взаимодействии NaNO₂ и Na₂S₂O₃ с раствором серной кислоты при комнатной температуре не образуются соответствующие кислоты ввиду их неустойчивости:

2NaNO₂ + H₂SO₄ ® Na₂SO₄ + NO₂­ + NO­ + H₂O,

(наблюдается выделение бурого газа)

Na₂S₂O₃ + H₂SO₄ ® Na₂SO₄ + SO₂­ + S¯ + H₂O.

(наблюдается образование светло-желтого осадка и выделение газа с резким запахом)

Опыт 3. В случае с обеими кислотами в первый момент наблюдается довольно бурное выделение углекислого газа:

CaCO₃ + 2CH₃COOH ® (CH₃COO)₂Ca + CO₂­ + H₂O,

CaCO₃ + H₂SO₄ ® CaSO₄ + CO₂­ + H₂O.

Однако в пробирке с серной кислотой через некоторое время интенсивность газовыделения резко падает. Это обусловлено образованием на поверхности кристаллов СаСО₃ малорастворимого сульфата кальция, который препятствует дальнейшему взаимодействию H₂SO₄ и CaCO₃.

Опыт 4. При взаимодействии цинка с серной кислотой выделяется водород:

Zn + H₂SO₄ ® ZnSO₄ + H₂­.

В случае нагретого раствора интенсивность выделения H₂ заметно выше, поскольку при повышении температуры скорость протекания большинства реакций выше (вспомните эмпирическое правило Вант-Гоффа, согласно которому при повышении температуры на каждые 10° скорость большинства реакций увеличивается в среднем в 2‑4 раза; в качестве более строгого объяснения можно также привести зависимость константы скорости от температуры – уравнение Аррениуса ).

Опыт 5. При соприкосновении медной проволоки с цинковой гранулой, помещенной в раствор серной кислоты, образуется гальваническая пара, в которой цинк является анодом, а медь – катодом:

При этом цинковый анод постепенно растворяется и катионы Zn²⁺ переходят в раствор, а на медном катоде происходит восстановление частиц Н⁺, вследствие чего на медной проволоке появляются пузырьки H₂.

Опыт 6. Зеленая окраска раствора, образовавшегося при взаимодействии K₂Cr₂O₇ с цинком в присутствии серной кислоты («водород в момент выделения») обусловлена присутствием гидратированных ионов Cr³⁺:

K₂Cr₂O₇ + 3Zn + 7H₂SO₄ ® K₂SO₄ + 3ZnSO₄ + 7H₂O + Cr₂(SO₄)₃

(допускается также описание этого процесса в виде:

Zn + H₂SO₄ ® ZnSO₄ + 2H⁰­ (в данном случае – не Н₂­),

K₂Cr₂O₇ + 6H⁰ + 4H₂SO₄ ® K₂SO₄ + 7H₂O + Cr₂(SO₄)₃).

Если проводить восстановление дихромат‑иона молекулярным водородом Н₂ (например, из баллона) смены оранжевой окраски раствора наблюдаться не будет, поскольку молекулярный водород обладает заметно меньшей восстановительной активностью, чем «водород в момент выделения» (Zn + H₂SO_{4 р-р}).

Опыт 7. Гидроксид меди(II) – термически нестабильный гидроксид, который уже при 60‑70 °С разлагается. В случае использования горячего раствора щелочи образуется CuO, а не Cu(OH)₂:

CuSO₄ + 2NaOH ® Cu(OH)₂¯ + Na₂SO₄,

(образуется голубовато-синий осадок)

CuSO₄ + 2NaOH CuO¯ + H₂O + Na₂SO₄.

(образуется черный осадок)

Опыт 8. В водном растворе ацетат натрия подвержен частичному гидролизу:

CH₃COO^- + H₂O D CH₃COOH + OH^-.

При нагревании степень гидролиза увеличивается, поэтому добавленный к раствору фенолфталеин приобретает светло-малиновую окраску. Охлаждение раствора приводит к уменьшению степени гидролиза и ослаблению интенсивности окраски индикатора (раствор практически бесцветный).

Опыт 9. В водном растворе соли алюминия подвержены частичному гидролизу по катиону, однако выпадение основных солей при этом не наблюдается и растворы остаются прозрачными. Добавление раствора ацетата натрия (который гидролизуется по аниону) при нагревании приводит к смещению равновесия гидролиза солей алюминия и наблюдается выпадение белых оснóвных солей:

Al³⁺ + 2CH₃COO^- + H₂O Al(OH)(CH₃COO)₂¯ + H⁺

(или Al³⁺ + CH₃COO^- + 2H₂O Al(OH)₂(CH₃COO)¯ + 2H⁺).

(возможно образование аналогичных по составу оснóвных хлоридов алюминия; образование Al(OH)₃ в данном случае маловероятно, поскольку уксусная кислота не является настолько слабой кислотой, чтобы протекал полный гиролиз).

Опыт 10. При нагревании солей аммония с растворами карбонатов щелочных металлов выделяется аммиак (влажная фенолфталеиновая бумага при этом становится малиновой):

2NH₄Cl + Na₂CO₃ 2NH₃­ + CO₂­ + H₂O + 2NaCl.

или

2NH₄Cl + Na₂CO₃ NH₃­ + NH₄НCO₃ + 2NaCl.

Опыт 11. При взаимодействии раствора карбоната натрия с растворами солей алюминия вследствие протекания полного гидролиза образуется белый студенистый осадок Al(OH)₃, а при взаимодействии Na₂CO₃ c растворами солей меди вследствие частичного гидролиза образуется плохорастворимый голубовато-зеленый оснóвный карбонат меди(II):

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

4CuSO₄ + 4Na₂CO₃ + 2H₂O ® 2Cu₂(OH)₂CO₃¯ + 2CO₂­ + 4Na₂SO₄.

Опыт 12. При добавлении по каплям раствора щелочи к раствору соли алюминия сначала образуется белый студенистый осадок:

AlCl₃ + 3NaOH_{недост.} ® Al(OH)₃¯.

Добавление избытка раствора щелочи приводит к растворению Al(OH)₃ и образованию бесцветного раствора:

Al(OH)₃ + NaOH ® Na[Al(OH)₄].

(допускается написание образования Na₃[Al(OH)₆] или Na[Al(OH)₄(H₂O)₂])

При добавлении к полученному бесцветному раствору твердого NH₄Cl вновь наблюдается выпадение осадка Al(OH)₃:

Na[Al(OH)₄] + NH₄Cl ® Al(OH)₃¯ + NH₃ + H₂O + NaCl.

Опыт 13. При хранении раствора иодида калия на воздухе (особенно в кислой среде) происходит его медленное окисление и спустя некоторое время появляется слабо-желтая окраска:

4KI + 2H₂SO₄ + O₂ ® 2I₂ + 2K₂SO₄ + 2H₂O.

Из предложенного списка веществ, помимо KI, долгое время на воздухе нельзя хранить растворы: NaOH (вследствие поглощения CO₂ из воздуха), Na₂CO₃ (вследствие поглощения CO₂ из воздуха), NaNO₂ (вследствие окисления), соль Мора (вследствие окисления ионов Fe(II)), Na₂S₂O₃ (вследствие окисления).

2OH^- + CO₂ ® CO₃^2- + H₂O,

CO₃^2- + H₂O + CO₂ ® 2HCO₃^-,

2NO₂^- + O₂ ® 2NO₃^-,

4Fe²⁺ + 4SO₄^2- + O₂ + 2H₂O ® 4Fe(OH)SO₄¯,

2S₂O₃^2- + O₂ ® 2SO₄^2- + 2S¯.

Опыт 14. При взаимодействии раствора соли меди(II) с раствором иодида калия образуется садок CuI, а раствор при этом окрашивается в темно-коричневый цвет за счет образования I₂:

2CuSO₄ + 4KI ® 2CuI + I₂ + 2K₂SO₄.

Раствор тиосульфата натрия обесцвечивает раствор I₂ (эта реакция используется в количественном анализе при иодометрическом титровании):

2Na₂S₂O₃ + I₂ ® Na₂S₄O₆ + 2NaI.

Избыток раствора тиосульфата натрия взаимодействует с осадком CuI с образованием бесцветного раствора тиосульфатного комплекса меди(I):

CuI + 2Na₂S₂O₃ ® Na₃[Cu(S₂O₃)₂] + NaI.

(допускается также написание Na₂[Cu₂(S₂O₃)₂] и Na₅[Cu(S₂O₃)₃])

Опыт 15. а) В щелочной среде дихромат‑ион в водном растворе превращается в желтый хромат‑ион:

Cr₂O₇^2- + 2OH^- ® 2CrO₄^2- + H₂O.

Подкисление образовавшегося желтого раствора, содержащего хромат‑ионы, приводит вновь к образованию оранжевого раствора:

2CrO₄^2- + 2H⁺ ® Cr₂O₇^2- + H₂O.

б) При добавлении раствора соли бария к раствору дихромата калия образуется желтый осадок хромата бария:

Cr₂O₇^2- + 2Ba²⁺ + H₂O ® 2BaCrO₄ + 2Н⁺.

Система оценивания.