Тема: Азот, фосфор и их соединения

Реклама
Лабораторная работа № 3
Часть 1
Тема: Азот, фосфор и их соединения
Цель работы: Получить аммиак, Изучить его свойства. Научиться обнаруживать ион аммония
в растворах. Изучить окислительные свойства азотной кислоты, свойства ее солей. Получить
соли ортофосфорной кислоты. Наблюдать различную растворимость фосфатов, гидрофосфатов
и дигидрофосфатов, их гидролиз.
Теоретическое введение. VА группу Периодической системы химических элементов
составляют пять р-элементов: азот, фосфор, мышьяк, сурьма, висмут. Атомы этих элементов на
внешнем энергетическом уровне содержат по 5 электронов s2p3. Поэтому высшая степень
окисления их в соединениях равна +5, низшая -3, характерна также и +3. Наличие трех
неспаренных электронов на внешнем энергетическом уровне говорит о том, что в
невозбужденном состоянии атомы элементов имеют валентность равную трем. Азот в
свободном состоянии химически инертен. Фосфор же активен, особенно его аллотропная
модификация – белый фосфор
С водородом азот и фосфор образуют соединения NH3 – аммиак и PH3 – фосфин, которые
проявляют восстановительные свойства. Аммиак взаимодействует с водой с образованием
щелочи.
С кислородом азот образует ряд оксидов N2O, NO, N2O3, NO2, N2O4, N2O5. Все химически
активны. Начиная с N2O3, они являются кислотными оксидами, образующими азотную или
азотистую кислоты. N2O3+H2O=2HNO2 - Азотистая кислота - слабая кислота, обладает и
окислительными и восстановительными свойствами. N2O3+H2O=2HNO2 -Азотная кислота сильная кислота и сильный окислитель. Взаимодействует почти со всеми металлами, при этом
водород никогда не выделяется, он окисляется, образуя воду. Кислота же, в зависимости от
концентрации и активности металла, может восстанавливаться до NO2, NO, N2O, N2, NH3.
Фосфор образует два оксида: P2O3, P2O5. Они тоже проявляют кислотные свойства. Соединяясь
с водой, образуют кислоты: H3PO3 - фосфористая, HPO3 -метафосфорная, H3PO4 –
ортофосфорная, H4P2O7 – пирофосфорная.
1
Обеспечение работы:
Посуда и принадлежности







Пробирки
Газовая горелка
Стеклянная палочка
Пробирка с газоотводной
трубкой
Штатив с лапкой и
муфтой
Пробирка – приемник
Стеклянный стакан
емкостью 0,5л























Реактивы (часть 1)
Гидроксид кальция (гашеная известь), Ca(OH)2, порошок
Хлорид аммония, NH4Cl, кристаллический и раствор
Индикаторы: фенолфталеин, красный лакмус
Гидроксид калия , KOH , 2М раствор
Соляная кислота, HCl, концентрированная
Гидроксид аммония, NH4OH, 25%-ный раствор
Перманганат калия , KMnO4, раствор
Ортофосфат аммония, (NH4)3PO4, кристаллический и раствор
Реактив Несслера, K2[HgI4] щелочной раствор
Азотная кислота, HNO3, концентрированная и разбавленная
Медь, Cu, стружка
Нитрат калия, KNO3, кристаллический
Иодид калия, КJ, р-р.
Серная кислота, Н2SO4, 2М раствор
Йодная вода, J2+H2 О
Ортофосфат натрия, Na3PO4, кристаллический и раствор
Гидрофосфат натрия, Na2HPO4, кристаллический и раствор
Дигидрофосфат натрия, NaH2PO4, кристаллический и раствор
Уксусная кислота. CH3COOH, раствор
Хлорид железа (III), FeCl3, раствор
Сульфат алюминия, Al2(SO4)3, раствор
Ацетат натрия, Na(CH3COO), раствор
Хлорид кальция
Ход работы
Опыт 1. Получение аммиака и исследование его свойств
Для получения аммиака использовать пробирку с газоотводной трубкой, закрепленную в лапке
штатива. В фарфоровой ступке приготовить небольшое количество смеси из хлорида аммония и
гашеной извести (примерно по 0,5 г) и тщательно растереть ее пестиком.
В реакционную пробирку насыпать приготовленную смесь, закрыть пробкой с газоотводной
трубкой, на конец которой надеть сухую пробирку. Отверстие пробирки закрыть ватой.
Собранную установку закрепить в штативе. Приготовить широкий стеклянный стакан
емкостью 0,5 л, наполовину заполненный водой. В стакан с водой добавить 3–4 капли
фенолфталеина. Пробирку со смесью осторожно нагреть. Почувствовав резкий запах аммиака,
снять пробирку - приемник с полученным газом, закрыв ее отверстие пальцем. Не
переворачивая (пробирка в положении вверх дном), быстро опустить ее в стакан с водой
(убрать палец под водой! ).
 Наблюдать происходящее. Почему вода поднялась в пробирке? Снова закрыть отверстие
пробирки под водой и вынуть ее и воды.
 Почему аммиак собирают перевернутую вверх дном пробирку? Чем вызвано появление
малиновой окраски?
Смочить стеклянную палочку концентрированной соляной кислотой, поднести ее к концу
газоотводной трубки.
 Как объяснить образование белого дыма или налета?
Написать уравнения реакций: получения аммиака при нагревании смеси хлорида аммония и
гидроксида кальция; растворения аммиака в воде; диссоциации гидроксида аммония;
взаимодействия аммиака с хлористым водородом.
Опыт 2. Восстановительные свойства аммиака
а) Восстановление аммиаком иода. Внести в пробирку 3-4 капли иодной воды и 2-3 капли
25%-ного раствора аммиака. Наблюдать изменение окраски иодной воды. Объяснить причину
2
этого. Написать уравнение реакции, учитывая, что аммиак окисляется иодом до свободного
азота.
б) Восстановление перманганата калия. Внести в пробирку 3-5 капель перманганата калия и
3-5 капель 25%-ного раствора аммиака. Смесь слегка подогреть на маленьком пламени горелки.
 Что происходит с окраской раствора?
 Написать соответствующее уравнение реакции, учитывая, что аммиак окисляется в
основном до свободного азота, а осадок представляет собой диоксид марганца MnO2.
Опыт 3. Гидролиз солей аммония
В две пробирки с нейтральным раствором лакмуса (по 3-5 капель) внести: в одну –
микрошпатель кристаллов хлорида аммония, в другую – сульфата аммония.
 Как изменился цвет раствора?
 На появление каких ионов указывает это изменение?
 Написать уравнения реакций гидролиза хлорида и сульфата аммония. Сильным или слабым
основанием является гидроксид аммония?
Опыт 4. Термическая непрочность солей аммония
Большинство солей аммония непрочны и сравнительно легко разлагаются при нагревании.
Характер разложения зависит от аниона кислоты. Если соль образована летучей кислотой, то
продуктом разложения является кислота и аммиак, которые при охлаждении могут снова
соединяться, образуя исходную соль. Если кислота многоосновна, нелетуча и не является
окислителем, то при разложении образуется аммиак и кислая соль аммония (при более
полном разложении – кислота). Если же аммонийная соль образована кислотой, анион которой
является сильным окислителем, то разложение соли сопровождается окислением аммиака до
свободного азота и иногда до оксидов азота.
а) Термическая диссоциация хлорида аммония. Несколько кристаллов хлорида аммония
поместить в пробирку и укрепить ее в штативе почти горизонтально. Очень маленьким
пламенем горелки нагреть дно пробирки только в том месте, где лежит соль, стараясь сохранить
холодной верхнюю часть пробирки. Наблюдать осаждение хлорида аммония на холодной
поверхности пробирки и уменьшение количества соли на дне пробирки.
 Написать уравнение обратимой реакции разложения соли и указать, экзо- или
эндотермическим является процесс разложения хлорида аммония.
б)Разложение нитрата аммония
 Написать уравнение реакции разложения нитрата аммония, не проводя опыт.
Опыт 5. Реакция обнаружения ионов аммония в растворе
а) Обнаружение NH4+ - иона действием щелочей на соли аммония. В пробирку внести
равные объемы (по 3-4 капли) растворов какой-либо соли аммония и 2М раствора щелочи.
Раствор в пробирке нагреть почти до кипения и в парах подержать красную лакмусовую
бумажку. Обратить внимание на изменение цвета лакмусовой бумажки и запах аммиака,
выделяющегося из пробирки.

Написать уравнение реакции, объясняющей появление аммиака в парах исследуемого
раствора.
б) Открытие NH4+-иона реактивом Несслера. Реактив Несслера представляет собой
щелочной раствор комплексного соединения ртути K2[HgI4] – тетраиодогидраргират калия.
В пробирку внести 4-5 капель реактива Несслера и одну каплю раствора соли аммония.
Наблюдать образование красно-бурого осадка.
 Уравнение реакции:
3
Опыт 6. Окислительные свойства азотной кислоты. Взаимодействие разбавленной и
концентрированной азотной кислоты с медью
В одну пробирку внести 3-4 капли разбавленной, в другую – столько же концентрированной
азотной кислоты. Опустить в каждую по маленькому кусочку меди.
Отметить, что без нагревания в первой пробирке реакция идет с образованием, главным
образом, бесцветного газа NO и нитрата меди (II). Легкое побурение газа в начале реакции
объясняется частичным окислением оксида азота кислородом воздуха, который находился в
пробирке. Написать уравнение реакции. Посмотреть, что происходит во второй пробирке без
нагревания. Осторожно подогреть пробирку.
Отметить свои наблюдения и написать соответствующие уравнения реакций, считая, что

азотная кислота восстанавливается до NO2.
Опыт 7. Разложение солей азотной кислоты, разложение нитрата калия
2-3 микрошпателя сухого нитрата калия поместить в пробирку. Укрепить ее наклонно в
штативе и нагревать маленьким пламенем горелки до расплавления соли. Внести тлеющую
лучинку в отверстие пробирки и установить, какой газ выделяется. Нагревание продолжать до
прекращения выделения пузырьков газа. Написать уравнение реакции разложения нитрата
калия.
Пробирку охладить. В охлажденную пробирку добавить 5-7 капель воды и, помешивая
стеклянной палочкой, растворить твердый остаток. Убедиться, что полученный раствор
содержит нитрит калия. Для этого в одной пробирке приготовить подкисленный раствор
иодида калия (4-6 капель KI и 2-3 капли 2М раствора серной кислоты), в другой –
подкисленный раствор перманганата калия. В обе пробирки внести по 2-4 капли испытуемого
раствора. Как изменилась окраска растворов? На что это указывает? Напишите уравнения
соответствующих реакций.
Опыт 8. Соли фосфорной кислоты
а) Ортофосфаты натрия и их гидролиз. Найти константы диссоциации фосфорной
ортокислоты и определить, подвергаются ли гидролизу ортофосфаты щелочных металлов. На
какой ступени должен практически остановиться гидролиз ортофосфата натрия?
Проверить свои предположения таким опытом. В три пробирки внести по 5-6 капель раствора
нейтрального лакмуса. В одну добавить несколько кристаллов ортофосфата натрия, в другую –
столько же дигидрофосфата натрия, третью оставить в качестве контрольной. Размешать
содержимое в первой и второй пробирках стеклянными палочками до полного растворения
взятых солей. Отметить изменение окраски лакмуса в каждой из них и сравнить с контрольной.
Написать уравнение гидролиза ортофосфата натрия по первой ступени.
 Накопление каких ионов препятствует гидролизу этой соли по второй ступени?
 Накопление каких ионов вызывает изменение окраски лакмуса в растворе дигидрофосфата?
б) Гидро- и дигидрофосфаты кальция. В две пробирки внести по 3-5 капель соли кальция и
добавить столько же в первую пробирку гидрофосфата натрия, во вторую – дигидрофосфата
натрия. В обеих ли пробирках выпал осадок? К полученному осадку прибавить по каплям
раствор уксусной кислоты до растворения осадка. Гидрофосфат кальция растворяется и в
других органических кислотах. Написать уравнения реакций получения гидрофосфата кальция
и его растворения в уксусной кислоте.
в) Получение фосфатов железа и алюминия. В две пробирки внести по 3-4 капли растворов
следующих солей: в первую – хлорида железа (III, во вторую – сульфата алюминия. Добавить в
каждую пробирку по 2-3 капли растворов ацетата натрия или калия NaCH3COO и гидрофосфата
натрия Na2HPO4. Отметить цвет выпавших осадков.

Написать уравнения реакций получения ортофосфатов железа и алюминия, учитывая, что
ацетат-ионы связывают ионы Н+. В отсутствии NaCH3COO осадки не выпадают, так
как в сильно кислой среде ортофосфаты железа и алюминия растворимы.

Проверить растворимость ортофосфата железа и алюминия в кислотах, для чего к
полученным осадкам добавить по каплям соляную кислоту до их полного растворения.
4
Часть 2
Тема: Углерод и его соединения
Цель работы: Получить углерод, изучить его восстановительные и адсорбционные свойства.
Получить средние, кислые и основные соли угольной кислоты. Изучить их свойства
(растворимость, гидролиз)
Теоретическое введение. В состав IV А группы входят углерод, кремний, германий, олово и
свинец. Атомы этих элементов на внешнем энергетическом уровне содержат по 4 электрона
(s2p2), из них два неспаренных электрона. Имея на внешнем энергетическом уровне свободные
р-орбитали, атомы этих элементов при возбуждении могут приобретать четыре неспаренных
электрона за счет распаривания электронов s-подуровня. В соединениях эти элементы
проявляют степень окисления, равную −4 и +4, а также степень окисления +2, причем
последняя с увеличением заряда ядра становится более характерной. С ростом порядкового
номера увеличивается атомный радиус и уменьшается энергия ионизации атома, т.е.
неметаллические свойства ослабевают, металлические усиливаются, поэтому углерод и
кремний – неметаллы, германий причисляют и к металлам и к неметаллам, олово и свинец –
металлы.
В обычных условиях углерод и кремний весьма
инертны, но при высоких температурах они
становятся
химически
активными
по
отношению ко многим металлам и неметаллам.
С водородом углерод образует очень большое
число
соединений
–
углеводородов,
простейшим из которых является метан СН4.
Кремний же непосредственно с водородом не
соединяется. Кремневодороды, в отличие от
углеводородов, неустойчивы.
С кислородом углерод и кремний образуют
оксиды типа ЭО и ЭО2 . Гидраты высших
оксидов обладают кислотными свойствами. Им
соответствуют кислоты угольная Н2СО3 и
кремниевая Н2SiO3 . Кислотные свойства
кремниевой кислоты выражены слабее, чем
угольной.
Углерод и кремний в свободном состоянии, и
их соединения со степенью окисления +2
проявляют восстановительные свойства. Диоксид углерода при высоких температурах
проявляет окислительные свойства. Вода и разбавленные кислоты не действуют на углерод и
кремний. Кремний взаимодействует со щелочами, вытесняя из них водород и образуя соли
кремниевой кислоты.
Угольная кислота образует два ряда солей: средние – карбонаты и кислые – гидрокарбонаты.
Гидрокарбонаты кальция и магния, присутствующие в воде обусловливают ее карбонатную
жесткость. Некарбонатная жесткость вызывается сульфатами, хлоридами и др. солями кальция
и магния
5
Обеспечение работы:
Посуда и принадлежности
•
Пробирки
•
Газовая горелка
•
Стеклянная палочка
•
Газоотводные трубки
•
Штатив с лапкой и
муфтой
•
Фарфоровый
треугольник
•
Тигель
•
Эксикатор
•
Колонка с
активированным углем
•
Лучинка
•
Cтупка с пестиком
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Реактивы (часть 2)
Сахар
Оксид меди, CuO (II), порошок
Активированный уголь, C
Индикаторы (лакмус, фенолфталеин)
Карбонат натрия, Na2CO3 или карбонат калия, K2CO3 раствор
Хлорид или нитрат бария, BaCl2, Ba(NO3)2, раствор
Хлорид или нитрат стронция, SrCl2, Sr(NO3)2 , раствор
Нитрат серебра, AgNO3, раствор
Хлорид или нитрат меди, CuCl2, Cu(NO3)2, раствор
Хлорид или нитрат никеля, NiCl2, Ni(NO3)2, раствор
Хлорид или нитрат магния, MgCl2, Mg(NO3)2 , раствор
Карбонат аммония, (NH4)2CO3 , кристаллический
Гидрокарбонат натрия, NaHCO3, кристаллический
Известковая вода, Ca(OH)2
Основной карбонат меди, CuCO3*Cu(OH)2, кристаллический
Хлорид или нитрат алюминия, AlCl3, Al(NO3)3, раствор
Хлорид хрома, CrCl3, раствор
Уксусная кислота, CH3COOH, 2М раствор
Ход работы:
Опыт 1. Получение чистого угля из сахара
В фарфоровый треугольник поставить тигель и сильно нагреть его на пламени горелки. В
нагретый тигель небольшими порциями постепенно бросить около 2г измельченного сахара.
Сахар плавится, масса при этом сильно вспенивается вследствие образования летучих
продуктов, которые обычно загораются. В остатке получается уголь в виде объемистой массы,
которую перед добавлением следующей порции сахара нужно разбить стеклянной палочкой.
После использования всего сахара полученный уголь прокалить 10 мин, затем тигель охладить
в эксикаторе.
Поскольку в сахаре не содержится других элементов, кроме углерода, водорода и кислорода,
данный метод используют для получения угля высокой чистоты. Полученный уголь сохранить
для следующего опыта.
Опыт 2. Восстановительные свойства угля
Тщательно перемешать и растереть в ступке 1г окиси меди и небольшое количество
полученного в предыдущем опыте угля. При помощи листа бумаги смесь пересыпать в сухую
пробирку из тугоплавкого стекла. Пробирку закрепить в штативе и сильно нагреть в пламени
горелки. Следует иметь в виду, что наиболее горячей частью пламени является его верхняя
зона. Через некоторое время черный цвет смеси исчезнет и появится красный цвет
металлической меди.
Опыт 3. Адсорбция на активированном угле
ДЕМОНСТРАЦИОННЫЙ ОПЫТ!
Добавить к воде несколько капель чернил или какого либо индикатора. Полученный раствор
пропустить 1-2 раза через колонку, наполненную активированным углем.
 Что наблюдаете?
Тот же опыт повторить с растворами других окрашенных веществ. Сделать вывод о процессе
абсорбции.
Опыт 4. Соли угольной кислоты
Угольная кислота образует соли: средние – карбонаты и кислые – гидрокарбонаты. Карбонаты
всех щелочных металлов, кроме лития, растворимы в воде, гидрокарбонаты – так же; карбонаты6
щелочноземельных металлов практически нерастворимы в воде, гидрокарбонаты –
растворимы.
а) Получение малорастворимых карбонатов бария, стронция, серебра. В три пробирки
внести по 4-6 капель раствора карбоната калия и добавить по 4-6 капель растворов: в одну –
соли бария, в другую – соли стронция, в третью – соли серебра. Отметить выпадение осадков и
их цвет.
 Написать уравнения реакций в молекулярном и ионном виде.
Пробирку с осадком карбоната серебра слегка нагреть. Наблюдать потемнение осадка
вследствие разложения карбоната серебра с образованием оксида серебра. К осадкам карбоната
бария и стронция добавить по несколько капель 2М уксусной кислоты. Наблюдать растворение
осадков (отличие от сульфатов).
Какой газ выделяется?
 Написать уравнения соответствующих реакций
б) Получение основных карбонатов. К растворам солей Co2+, Ni2+, Cu2+, Mg2+ добавить
раствор Na2CO3. Наблюдать образование основных карбонатов указанных металлов.
 Написать уравнения реакций их образования
Опыт 5. Гидролиз солей угольной кислоты
а) Гидролиз карбоната и гидрокарбоната натрия или калия. В две пробирки внести по 5-8
капель нейтрального раствора лакмуса. В одну пробирку добавить 1-2 микрошпателя карбоната
натрия или калия, в другую – столько же соответствующего гидрокарбоната.
 Отметить различие в окраске лакмуса. Как изменилась концентрация водородного иона в
растворе лакмуса в обоих случаях?
 Написать уравнения реакций гидролиза карбоната и гидрокарбоната натрия. В каком случае
гидролиз протекает слабее? Почему?
б) Совместный гидролиз солей алюминия Al3+ и Cr3+ и Na2CO3. К растворам солей алюминия
Al3+ и Cr3+ добавить раствор Na2CO3. Происходит взаимное усиление гидролиза, в осадок
выпадают гидроксиды и выделяется двуокись углерода.
 Написать уравнения реакций совместного гидролиза двух солей.
Опыт 6. Термическое разложение карбонатов, гидрокарбонатов и основных карбонатов
В пробирке с газоотводной трубкой нагреть поочередно (NH4)2CO3, NaHCO3, Cu2(OH)2CO3.
Выделяющийся газ пропустить через известковую воду.
 Написать уравнения соответствующих реакций.
Самостоятельно.
1. Написать уравнения реакций в молекулярной и ионной формах.
P  P2 O5  H 3 PO4  Ca3 ( PO4 ) 2  H 3 PO4
2. Составьте уравнения реакций гидролиза нитрата и нитрита аммония. В растворе какой соли,
при их одинаковой концентрации, рН ниже?
3. Напишите уравнения реакций гидролиза фосфата натрия и нитрата меди. Какую реакцию
среды имеют водные растворы этих солей? Изменением каких условий можно подавить
гидролиз каждой соли?
4.
При пропускании избытка аммиака через раствор массой 600 г с массовой долей азотной
кислоты 42 % получили нитрат аммония массой 300 г. Определите выход нитрата аммония
(в %).
7
5. Какая масса оксида фосфора (V) образуется при полном сгорании фосфина, полученного из
фосфида кальция массой 18,2 г?
6. Массовая доля фосфора в одном из его оксидов равна 56,36 %. Плотность паров этого
вещества по воздуху равна 7,58. Установите молекулярную формулу этого оксида.
7. Написать уравнения реакций в молекулярной и ионной форма
C  CH 4  CO  CO2  CaCO3  Ca( HCO3 ) 2  CaCO3  CO2  O2
8. При пропускании 2 м3 воздуха через раствор гидроксида кальция образовалось 3 г карбоната
кальция. Каково содержание углекислого газа в воздухе?
9. Какой объем ацетилена (н.у.) можно получить из карбида кальция, на образование которого
пошло 5,6 г оксида кальция?
10. Сколько килограммов кремния и какой объем 32 %-ного раствора NaOH (ρ=1,35)
потребуется для получения 15 м3 водорода?
11. При действии на 1,5 г мрамора соляной кислотой, выделилось 210 мл углекислого газа при
н.у. Вычислите процентное содержание карбоната кальция в мраморе.
12. Сколько тонн аммиачной селитры, содержащей 98% NH4NO3, понадобится для внесения на
15 га под пшеницу и на 10 га под картофель при следующих нормах: для пшеницы 50 кг
азота на 1 га, для картофеля 60 кг азота на 1 га?
13. Сколько килограмм фосфора заключается в 50 кг костей, содержащих 58% ортофосфата
кальция?
14. Газ, полученный при нагревании 26,4 г сульфата аммония с избытком гидроксида натрия,
был поглощен раствором, содержащим 39,2 г фосфорной кислоты. Какая соль образовалась
при этом.
15. Мочевина, или карбамид (NH2)2CO, применяется и как азотное удобрение, и как кормовая
добавка. Вычислите содержание азота в % в этом соединении и сравните с содержанием
азота в удобрениях состава: KNO3, NaNO3, NH4NO3, (NH4)2SO4, NH4Cl, (NH4)2CO3
16. При обжиге 100 г известняка получилось 40 г углекислого газа. Считая, что разложился весь
карбонат кальция, найдите содержание его (в процентах) в этом образце известняка
17. Сколько кг углекислого газа должно выделиться при обжиге 500 кг известняка,
содержащего 92% карбоната кальция.
18. При анализе меал одного из месторождений было найдено CaO 55,6% и СО2 43,9 %.
Содержит ли мел этого месторождения примеси других карбонатов?
Студент ................................................................................................
Работа выполнена: ...........................................
Преподаватель: .................................
Дата
Работа защищена:................................................................................
Подпись преподавателя, дата:.............................................
8
Скачать