Khimia_002

Виконаємо демонстраційний дослід, відомий під назвою «неви# диме чорнило», і пересвідчимося у водовідбірних властивостях концентрованої сульфатної кислоти. Для цього на ватмані напи# шемо розбавленою сульфатною кислотою Н2SO4 (роль пензля ви# конає скляна паличка) (рис. 26а) й почнемо знизу нагрівати напис на помірному вогні, тримаючи папір від прямого вогню на відста# ні, що унеможливлює його займання. Мине небагато часу, й напис стане видимим — літери набудуть чорно#сірого кольору (рис. 26б).

Пояснюється це тим, що в процесі нагрівання через випарову# вання води з розчину концентрація сульфатної кислоти збільшилася настільки, що речовина почала проявляти свої окисні властивості. Як вам відомо з 9 класу, целюлоза (з неї виготовлено ватман) — при# родний полімер, склад якого можна записати формулою (С6Н10О5)n. Концентрована сульфатна кислота окиснює целюлозу з утворенням вуглецю (його колір проявився в написі) та води, що випарувалася.

На водовідбірних властивостях концентрованої сульфатної кисло# ти ґрунтується демонстраційний дослід «ескімо на паличці». Для його проведення цукрову пудру С12Н22О11 змочують невеликою кількістю концентрованої сульфатної кислоти й ретельно перемішують. Уміст посудини темніє (обвуглюється), збільшується в об’ємі настільки, що виходить за межі посудини, зберігаючи її контури (рис. 26в, г).

а

б

в

г

Рис. 26. Окиснення органічних речовин сульфатною кислотою

У реакціях з металами окиснювальні властивості концентрова# ної сульфатної кислоти проявляються в тому, що водень не виділя# ється, а утворюється сіль сульфатної кислоти, вода та один із про# дуктів відновлення Сульфуру (рис. 27).

м

один з продуктів

е

H2SO4

сіль

відновлення кислоти:

т

+

=

+

вода

+

(конц.)

(сульфат)

+4

0

–2

а

SO2,

S,

H2S

л

Рис. 27. Схема взаємодії концентрованої сульфатної кислоти з металами

71

Концентрована сульфатна кислота взаємодіє з міддю, продук# том відновлення є сульфур(ІV) оксид:

Сu + 2H2SO4 = СuSO4 + 2H2O + SO2

У такий спосіб добувають сірчистий газ у лабораторії.

Користуючись схемою, складіть рівняння реакції цинку з концен# трованою сульфатною кислотою, якщо продуктом відновлення є сірка.

Якісна реакція на сульфат/іони. Наявність сульфат#іонів у розчині виявляють за допомогою катіонів Барію.

За таблицею розчинності переконайтеся, що з#поміж наведених у ній сульфатів барій сульфат є нерозчинною у воді речовиною.

Цю властивість барій сульфату використовують для якісного виявлення сульфат#іонів у розчині.

Проведемо демонстраційний дослід. В одну пробірку наллємо розчин сульфатної кислоти, у другу — розчин натрій сульфату, у третю — розчин купрум(ІІ) сульфату. До однієї з них доллємо розчин барій нітрату, до другої — розчин барій гідроксиду, до тре# тьої — розчин барій хлориду (рис. 28). У кожній з трьох пробірок утворився однаковий білий дрібнокристалічний осад. З’ясуємо, чому різні речовини утворили однаковий осад. Усі реагенти роз# чинні у воді, тож дисоціювали на йони:

H2SO4 = 2H+ + SO24–

Na2SO4 = 2Na+ + SO24–

CuSO4 = Cu2+ + SO24–

Ba(NO3)2 = Ba2+ + 2NO–3

Ba(OH)2 = Ba2+ + 2OH–

BaCl2 = Ba2+ + 2Cl–

З рівнянь електролітичної дисоціації бачимо, що розчини в пробірках мали спільні аніони SO24–, долиті до кожного з них розчини містять катіони Ba2+. Як свідчить таблиця розчинності, ка# тіони Барію із сульфат#аніонами утворюють нерозчинну сіль барій сульфат BaSO4.

Напишіть молекулярні та повні йонні рівняння реакцій, прове# дених у цьому демонстраційному досліді (у другій і третій про# бірках).

72

1 2 3

Рис. 28. Якісна реакція на сульфат!іони

Якісною реакцією на сульфат/аніони є взаємодія їх з катіонами Барію (розчинними у воді сполуками Барію), у результаті чого утворюється нерозчинний у воді і кислотах білий дрібнокристалічний

осад барій сульфату.

Скорочене йонне рівняння якісної реакції таке: Ba2+ + SO24– = BaSO4

Закріпіть знання про якісну реакцію на сульфат#іони, виконав# ши завдання лабораторного досліду 5.

Найважливіші природні сульфати — гіпс СаSO4 · 2Н2О; глау/ берова сіль Na2SO4 · 10H2О; гірка сіль MgSO4 · 7H2О. Із наведених формул стає зрозуміло, що це кристалогідрати, тобто вони містять кристалізаційну воду, яка при нагріванні випаровується. На цій властивості кристалогідратів ґрунтується виробництво алебастру 2СаSO4 · Н2О з природного гіпсу, який нагрівають до 120–190 °С, унаслідок чого він втрачає частину води. При змочу# ванні водою кімнатної температури алебастр легко приєднує воду й знову перетворюється на гіпс. Це відбувається щоразу при накладанні гіпсових пов’язок на травмовані частини тіла, під час виготовлення гіпсових виробів художнього та будівельного при# значення. Глауберову сіль Na2SO4 · 10H2О застосовують у вироб# ництві скла, соди, фарб, у медицині. Гірку сіль MgSO4 · 7H2О ви# користовують в обробці тканин, дубінні шкіри, виготовленні медичних препаратів.

Закріпіть знання про природні сполуки Сульфуру, виконавши завдання лабораторного досліду 4.

Застосування сульфатної кислоти. Розгляньте рисунок 29, який відображає застосування сульфатної кислоти й дає змогу зрозуміти, чому цю речовину називають «хлібом» хімічної промис# ловості.

73

			Виробництво	Пластмаси
	Барвники
			кислот		Лікарські
			H3PO		препарати
Добрива
			H2SO4
	Свинцеві
акумулятори
	У хромуванні			Очистка нафти
	металевих виробів				Хімічні волокна
					(віскоза, шовк,
					поліамідні волокна)
Миючі засоби
					Вибухові
					речовини

Рис. 29. Схема застосування сульфатної кислоти

Найбільша кількість сульфатної кислоти використовується у виробництві мінеральних добрив, інших кислот, сульфатів, органічних речовин, очищенні нафтопродуктів тощо.

Охорона навколишнього середовища від забруднення вики/ дами сульфуровмісних речовин. Серед сульфуровмісних забруд# ників навколишнього середовища найбільш шкідливими є суль# фур(ІV) оксид і гідроген сульфід, або сірководень. Про шкідли# вість першої речовини ви дізналися в § 8.

Щодо гідроген сульфіду, то потрібно наголосити на високій токсичності цієї газуватої речовини з неприємним запахом тухлих яєць (утворюється при гнитті білка курячого яйця й спричинює його неприємний запах). Фізіологічна дія гідроген сульфіду про# являється в тому, що він блокує дихальний центр. Смертельною дозою для людини є вдихання протягом 5–10 хв повітря з об’єм# ною часткою гідроген сульфіду 0,08 %.

74

Забруднюють повітря сульфуровмісними речовинами вики# ди нафтопереробних заводів, теплові електростанції. Охорона навколишнього середовища полягає насамперед у зменшенні ви# кидів, а отже, у модернізації виробництва, запровадженні техно# логії замкненого циклу, коли гази, що є відходами названих ви# робництв, використовують як сировину для інших виробництв. Користь від цього подвійна — не забруднюється навколишнє се# редовище, а вироблена з гідроген сульфідних відходів нафтопе# реробної промисловості сульфатна кислота має найменшу вар# тість.

Удосконаленням технології виробництва сульфатної кислоти займався український хімік Іван Євграфович Ададуров (1879–1938).

Досліджуємо речовини та їх властивості

Лабораторний дослід 4. Ознайомлення із зразками

природних сполук Сульфуру.

Завдання. Ознайомтеся з виданими вам зразками сульфатів і сульфідів. Дослідіть агрегатний стан й такі їх фізичні властивості: колір, розчинність у воді. Викорис# товуючи міжпредметні зв’язки з географією, назвіть поклади природних сульфатів і сульфідів в Україні.

Одержані результати оформіть у робочому зошиті у вигляді таблиці.

Сполука			Фізичні властивості
		Агрегат/			Поклади
				Розчин/
		ний стан			в Україні
Назва	Формула		Колір	ність
				у воді

Лабораторний дослід 5. Експериментальне виявлен/

ня сульфат/іонів.

Завдання 1. Проведіть якісну реакцію на сульфат# іони. Налийте в пробірку 1–2 мл розчину сульфатної кислоти, долийте 1 мл розчину барій нітрату чи барій хлориду. Спостерігаючи за змінами, що сталися, дайте їм пояснення. Напишіть повне та скорочене йонні рівняння проведеної реакції.

Завдання 2. Запропонуйте спосіб розпізнавання води, сульфатної кислоти й розчину натрій сульфату в пробір# ках без етикеток. Перевірте висунуту гіпотезу експе# риментально. Запишіть рівняння проведених реакцій.

75

Для тих, хто вивчає хімію на академічному рівні

Розрахункові задачі: обчислення маси (об’єму, кількості речовини) продукту реакції за масою (об’ємом, кількістю речовини) реагентів, один з яких узято в надлишку.

Для проведення хімічної реакції можна взяти будь# яку масу чи об’єм реагентів, але це зовсім не означає, що вони без залишку перетворяться на продукти реакції. Кожна з них прореагує в кількості, на яку вказують кіль# кісні відношення речовин у реакції. Наприклад, взаємо# дію нітратної кислоти з магній оксидом відображає рів# няння реакції:

2HNO3 + 1MgO = 1Mg(NO3)2+ H2O

Коефіцієнти перед формулами реагентів свідчать про те, що речовини взаємодіють без залишку, якщо для про# ведення реакції нітратну кислоту й магній оксид брати у кількісному відношенні 2:1. Реагент, кількість речовини якого за умовою задачі менша, аніж у встановленому за рівнянням реакції кількісному відношенні 2:1, перебуває в недостачі й у реакції витратиться повністю. Другий реагент прореагує неповністю, і якась його порція зали# шиться. Про такий реагент кажуть, що його узято з над#

лишком.

Задача, в умові якої вказані маса, об’єм чи кількість речовини обох реагентів, потребує з’ясування

їх кількісного відношення. І якщо один з реагентів узято в надлишку, то задачу розв’язують, користуючись даними про речовину, що перебуває в недостачі.

Задача. Обчислити масу осаду, який утвориться з ба# рій хлориду масою 41,6 г і натрій сульфату масою 42,6 г.

Ро з в’ я з а н н я

1.Запишемо скорочений запис умови задачі.

Дано:

mBaCl2 = 41,6 г mNa2SO4 = 42,6 г

mосаду — ?

76

2. Напишемо рівняння реакції:

BaCl2 + Na2SO4 = BaSO4 + 2NaCl

1 моль 1 моль

1 моль

3. З’ясуємо за рівнянням реакції кількісні відношен# ня реагентів і нерозчинного продукту:

νBaCl2 : νNa2SO4 : νBaSO4 = 1 : 1 : 1

З’ясуємо кількісні відношення реагентів за умовою задачі. Для цього спочатку обчислимо кількість речови# ни кожного з реагентів за формулою ν = Мm :

41,6

νBaCl2 = 208 = 0,2 (моль)

42,6

νNa2SO4 = 142 = 0,3 (моль) νBaCl2 : νNa2SO4 = 0,2 : 0,3 = 2 : 3 = 1 : 1,5

Як бачимо, за умовою задачі з надлишком узято Na2SO4, а BaCl2 прореагує повністю. Тому обчислення маси утвореного осаду BaSO4 проводимо з використан# ням даних про BaCl2, а не про Na2SO4 — речовину, узяту

внадлишку.

4.Обчислюємо кількість речовини барій сульфату.

Оскільки кількісні відношення νBaCl2 : νBaSO4 у цій реакції становлять 1 : 1, то:

νBaSO4 = νBaCl2 = 0,2 моль

5. Обчислюємо масу барій сульфату кількістю речо# вини 0,2 моль за формулою:

m = ν· М

mBaSO4 = 0,2 моль · 233 г/моль = 46,6 г

Відповідь: маса утвореного осаду барій сульфату до# рівнює 46,6 г.

77

Запитання і завдання для самоконтролю знань

1. Виберіть правильне твердження щодо сульфатної кислоти А одноосновна Б двохосновна

В сильний електроліт Г слабкий електроліт Д оксигеновмісна

Ебезоксигенова

2.Як можна розпізнати розчини сульфатної кислоти, амоній хло# риду й амоній сульфату, що перебувають у пробірках без етикеток? Відповідь підтвердіть записом молекулярних та йонних рівнянь реакцій.

3.З якими з перелічених речовин взаємодіє розбавлена сульфат# на кислота: залізо, купрум(ІІ) оксид, мідь, натрій гідроксид, нітратна кислота, калій карбонат, нітроген(ІІ) оксид? Напишіть молекулярні рівняння реакцій, зазначте їх типи.

4*. Запропонуйте спосіб розпізнавання концентрованої та розбав# леної сульфатної кислоти, що перебувають у банках без етикеток. Мотивуйте його.

5*. Обчисліть масову частку кристалізаційної води в гіркій солі. 6*. Обчисліть масу амоній сульфату, який утвориться при пропус#

канні через розчин сульфатної кислоти масою 200 г з масовою часткою розчиненої речовини 9,8 % амоніаку об’ємом 11,2 л (н. у.).

§10. Нітратна кислота і нітрати

Як і сульфатна, нітратна кислота НNO3 належить до основних продуктів хімічної промисловості.

Фізичні властивості нітратної кислоти. Нітратна кислота — безбарвна рідина з густиною 1,51 г/см3 і різким характерним запа# хом. При зберіганні на світлі набуває бурого кольору внаслідок розкладу з виділенням нітроген(ІV) оксиду. Стійкою в зберіганні є нітратна кислота з масовою часткою розчиненої речовини 60–68 %. У разі потрапляння на шкіру зумовлює опіки, утворення жовтих плям (пригадайте кольорові реакції на білки). Увага! Поводитися з нітратною кислотою потрібно обережно.

Хімічні властивості нітратної кислоти. Нітратна кислота — сильний електроліт, що дисоціює на йони:

НNO3 Н+ + NO–3

78

Як і всі кислоти, нітратна кислота взаємодіє з: 1) металами; 2) основними та амфотерними оксидами; 3) основами; 4) ам фотерними гідроксидами; 5) солями, якщо під час реакції виділя# ється газ. Проте її взаємодія з металами відмінна від загальних властивостей кислот, а подібна на взаємодію з ними концентрова# ної сульфатної кислоти, тобто відбувається утворення солі, води й одного з продуктів відновлення кислоти (рис. 30).

м

один з продуктів

е

сіль

відновлення кислоти:

т

+

HNO3

=

+

вода

+

(нітрат)

+4

+2

+1

0

–3

а

NO2,

NO,

N2O,

N2,

NH3

л

Рис. 30. Схема взаємодії нітратної кислоти з металами

Концентрована нітратна кислота при нагріванні взаємодіє з більшістю металів, крім золота, платини та деяких інших. На холоді частина металів, зокрема залізо і хром, не взаємодіють

з нітратною кислотою.

Концентрована нітратна кислота в реакціях з металами і неме# талами відновлюється до нітроген(ІV) оксиду NO2:

Cu + 4HNO3 = Cu(NO3)2 + 2NO2 + 2H2O

S + 6HNO3 = H2SO4 + 6NO2 + 2H2O

У реакціях розбавленої нітратної кислоти з металами віді# грає роль активність металу та масова частка кислоти в розчині, проте найчастіше відновлення відбувається до нітроген(ІІ) ок# сиду NO:

3Cu + 8HNO3 = 3Cu(NO3)2 + 2NO + 4H2O

Взаємодія нітратної кислоти з основними та амфотерними оксидами, основами, амфотерними гідроксидами та солями відбу# вається так само, як і в інших кислот.

Напишіть рівняння реакцій нітратної кислоти з оксидом, гідро# ксидом і сіллю Магнію (зважте, що сіль має бути утворена кисло# тою слабким електролітом, наприклад карбонатною).

79

Ще одну властивість нітратної кислоти — розкладатися на світ# лі чи при нагріванні — ми вже згадували. Це відбувається за таким рівнянням:

4HNO3 = 4NO2 + 2H2O + О2

Ви дізнаєтеся також про взаємодію нітратної кислоти з органіч# ними речовинами, вивчаючи в 11 класі властивості органічних сполук.

Застосування нітратної кислоти відображено на рисунку 31.

	Хімічні
	волокна
Нітролаки		Барвники
	HNO3
Вибухові		Пластмаси
речовини

Фотоплівка

Добрива

Дезінфікуючі засоби

Лікарські засоби

Рис. 31. Схема застосування нітратної кислоти

Вагомий внесок у розвиток технології виробництва нітратної кислоти з азоту повітря зробив український хімік доктор технічних наук, професор Василь Іванович Атрощенко (1906–1991).

Нітрати. За назвою нітрат#іону, який утворюється при дисоціа# ції нітратної кислоти, її солі називають нітратами. Нітрати Ка# лію, Натрію, амонію, Кальцію називають ще селітрами, наприк# лад: КNO3 — калій нітрат, або калієва селітра, Са(NO3)2 — кальцій

80