лабораторные работы по химии

гидроксиды проявляют свойства оснований, а при взаимодействии с основаниями - свойства кислот:

водорода, способные замещаться на катионы металлов, и кислотные остатки (анионы). В зависимости от числа атомов водорода в молекуле кислоты, способных замещаться на металл, кислоты делятся на одно- и многоосновные. Например, НСl(соляная) и НNО3 (азотная) – одноосновные кислоты, H2SO4 (серная) - двухосновная, Н3РО4 (фосфорная) - трёхосновная.

По составу кислотные остатки делятся на кислосодержащие и бескислородные. Например, НNО3, H2SO4 и все остальные кислоты, в состав которых входит кислород, относится к кислосодержащим. Кислоты типа НСl, H2S являются бескислородными.

3.5.Химические свойства кислот

1.Водные растворы кислот взаимодействуют с металлами, стоящими в ряду напряжения до водорода, с образованием соли выделения водорода (исключение НNО3):

Zn+2HCl → ZnCl2+H2↑

2. Кислоты взаимодействуют с основными оксидами и основаниями с образованием соли и воды:

CuO+ H2SO4 → CuSO4+H2O

NaOH+HCl → NaCl+ H2O (реакция нейтрализации)

3. Кислоты взаимодействуют с амфотерными оксидами с образованием соли и воды:

Cr2O3+6HCl → 2CrCl3 +3H2O

4. При нагревании некоторые кислоты разлагаются. Как правило, образуется кислотный оксид и вода:

H2SiO3 → SiO2+H2O

Соли - это продукты полного или частичного замещения атомов водорода в кислоте на атомы металла или гидроксогрупп в основании на кислотные остатки. В случае полного замещения образуются средние (нормальные соли). В случае частичного замещения получаются кислые и основные соли.

Средние соли образуются при взаимодействии кислот с основаниями, когда кол-во взятых веществ достаточно для полного замещения атомов водорода в кислоте на атом металлов или гидроксильных групп в основании на кислотный остаток:

Al(OH)3+3HCl → AlCl3+ 3H2O

хлорид

алюминия Кислые соли образуются многоосновными кислотами при

взаимодействии кислот с основаниями в тех случаях, когда кол-во взятого основания недостаточно для образования средней соли, например:

34

H2SO4+NaOH → NaHSO4+ H2O

гидросульфат

натрия Как видно из реакции, гидроксида натрия взято вдвое меньше, чем это

требовалось бы для полного замещения атомов водорода на атом металла. При добавлении к раствору кислой соли получается кислая соль:

NaHSO4+NaOH → Na2SO4+ H2O

Основные соли могут быть образованны только многокислотными основаниями и в тех случаях, когда взятого кол-ва кислоты недостаточно для образования средней соли, например:

Fe(OH)3+H2SO4 → FeOHSO4+2H2O

Гидросульфат железа (III) или сульфат гидроксожелеза (III)

При добавлении к основной соли кислоты можно получить среднюю, например:

2FeOHSO4+H2SO4 → Fe2(SO4)3+2H2O.

сульфат железа (III)

Двойные соли – продукты полного замещения водорода кислоты двумя металлами.

KAl(SO4)2 - сульфат калия-алюминия NH4Fe(SO4)2 - сульфат аммония-железа (II).

Комплексные соли - вещества, содержащие сложный комплексный ион, способный к самостоятельному существованию.

[Cu (NН3)4] SO4 сульфат тетроаммин меди (II) K3 [ Fe(CN)6] гексацианоферрат калия (III) K4 [Fe(CN)6] гексацианоферрат калия (II)

В таблице 3 приведены традиционные названия (номенклатура) анионов наиболее часто встречающихся кислот.

4. ОБЪЕКТ ИССЛЕДОВАНИЯ.

Основные классы неорганических соединений: оксиды, кислоты, соли.

5.КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ.

1. Написать формулы и определить степень окисленности каждого элемента в соединениях: сульфат калия, гидрофосфат железа, нитрат кальция, оксид марганца (VI), сульфат гидроксокобальта.

2.Дать определение понятиям: оксид, гидроксид, соль. Привести

примеры.

3.Дописать уравнения реакций (получить среднюю, кислую, основную

соли):

KOH+H2CO3→

Zn(OH)2+HCl→

4. Доказать амфотерный характер гидроксида, рассматривая его взаимодействие с кислотой и щелочью.

6. ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ И ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ ОПЫТА.

35

I часть. Получение оксидов и гидроксидов

1.Несколько кристалликов дихромата аммония нагрейте на спиртовке. Напишите уравнение реакции.

2.К 2-3 мл соляной кислоты прибавьте кусочек мела. Обратите внимание на выделение пузырьков газа. Напишите уравнение реакции.

3.В металлической ложечке в пламени спиртовки сожгите немного красного фосфора. Что при этом получится? Напишите уравнение реакции.

4.К 2-3 мл нитрата ртути (II) прибавьте гидроксида натрия. Что выпало в

осадок?

Напишите уравнение реакции

5.К 2-3 мл сульфата меди (II) прибавьте щелочи. Обратите внимание на Cu(OH)2. Напишите уравнение реакции. Разделите осадок на 2 части. Одну нагрейте на спиртовке. Что произошло с цветом осадка? Напишите уравнение реакции. Другую часть осадка сохраните для опыта 7.

6.К 2-3 мл сульфата хрома (III) прилейте до осадка гидроксида натрия. Выпавший осадок разделите пополам. К одной части осадка прилейте еще гидроксида натрия, а к другой – раствора соляной кислоты. Что наблюдаете? Напишите уравнения происходящих реакций.

II часть. Получение солей

7.К полученному в опыте 5 осадку гидроксида меди (II) прилейте соляной кислоты. Напишите уравнение реакции. Назовите образующуюся соль.

8.К раствору нитрата свинца (II) прилейте раствор иодида калия. Обратите внимание на осадок выпавшей соли. Напишите уравнение реакции. Назовите соли.

9.В раствор разбавленной азотной кислоты опустите кусочек меди. Нагрейте содержимое. Напишите уравнение реакции, если в результате образуется соль, газ (одноокись азота) и вода.

10.К раствору сульфата меди (II) прилейте раствора гидроксида аммония до появления светло – зеленного осадка основной соли. Напишите уравнение реакции. Назовите соли.

11.Через раствор хлорида кальция пропустите диоксид углерода (из аппарата Киппа). Выпадет осадок карбоната кальция. Продолжайте пропускать диоксид. Осадок исчезнет, т.е. образуется растворимая соль гидрокарбоната кальция. Напишите уравнение реакции.

В таблице 3 приведены традиционные названия (номенклатура) анионов наиболее часто встречающихся кислот.

36

VI. Рекомендации по планированию и проведению эксперимента

При выполнении работы приливать вещества в указанном порядке и объеме. Соблюдать осторожность при работе с кислотами и щелочью.

37

VII. Составление отчета

1.Цель работы, задание

2.Порядок проведения опытов

3.Химические реакции.

4.Ответы на контрольные вопросы.

5.Вывод.

6.Решить предложенный вариант

Вариант 1

1.Дайте определение понятию «оксид». Назовите группы оксидов. Приведите примеры.

2.Укажите валентность кислотных остатков, входящих в состав солей,

формулы которых MgBr2; Ca3(PO4)2; KMnO4; NaCO3; CuSO4; Fe(NO3)3.

3.Написать структурные формулы веществ: Al(OH)3; Ca(NO3)2.

4.Напишите формулы кислотных оксидов, соответствующих указанным кислотам: угольная, серная азотная.

5.Получить кислую и нормальную (среднюю) соли при взаимодействии угольной кислоты с гидроксидом кальция. Написать уравнения реакций.

Назвать получившиеся соли.

Вариант 2

1.Дайте определение понятию «гидроксид». Назовите группы гидроксидов. Приведите примеры.

2.Из следующего перечня солей, формулы которых приведены ниже,, выберите отдельно а) основные соли; б) средние (нормальные) соли; в)

кислые соли: NaHCO3; K2SO4; Cu2(OH)2CO3; CaCO3; BaCl2; Mg(OH)Cl.

3.Напишите структурные формулы гидроксидов следующих металлов: лития (I), свинца (II), марганца (IV), хрома (III). От чего зависит количество гидроксильных групп в основаниях?

4.Напишите формулы ниже перечисленных кислот и дайте название соответствующим солям: азотистая, сернистая, хромовая.

5.Получить основную и нормальную (среднюю) соли при взаимодействии серной кислоты с гидроксидом кальция.

Вариант 3

1.Дайте определение понятию «соль». Назовите группы солей. Приведите примеры.

2.Напишите формулы оксидов K, Ba, Al, Si, P, S, N, зная, что валентность соответствует номеру группы периодической системы.

3.Приведите по одной формуле кислот разной основности. Напишите по одной формуле сильной и слабой кислот. Дайте названия.

4. Назвать вещества: K2Cr2O7 , MgOHCl , ZnO, Al(OH)3.

5.Написать структурные формулы указанных веществ: NaHSO4; H3PO4. Определить степени окисления всех элементов в соединениях.

38

Вариант 4

1.Какова валентность марганца в оксидах, формулы которых Mn2O3; MnO; MnO2; Mn2O7; MnO3. К какой группе оксидов относятся примеры приведенных веществ? Ответ обосновать.

2.Напишите формулы следующих солей: сульфата калия, нитрата бария, карбоната натрия, хлорида меди, сульфита натрия, иодида калия.

3.Напишите структурные формулы следующих веществ: Al2O3, Ba(OH)2, HNO2.

4.Определить степени окисления всех элементов в соединениях: KMnO4;

H2Cr2O7; H2SO4; Na2O; P2O3; SiO2.

5.Получить основную и нормальную (среднюю) соли при взаимодействии азотной кислоты и гидроксида железа (II). Назвать получившиеся соли.

Вариант 5

1.Напишите формулы по названиям приведенных гидроксидов: гидроксид натрия, гидроксид кальция, гидроксид бария, гидроксид алюминия, гидроксид хрома, гидроксид цинка. Назовите среди указанных гидроксидов амфотерные.

2.Из перечня веществ выпишите отдельно формулы: а) оксидов; б) кислот; в)солей:

ZnS,Na2CO3,P2O5,H2SO3,KCl,SiO3,CuO,Al2O3,BaSO4,NaBr,H3PO4,CaO,CuCl2,HNO3,CO2.

Получить кислую и нормальную (среднюю) соли при взаимодействии сернистой кислоты с гидроксидом натрия. Написать уравнения реакций. Назвать получившиеся соли.

3.Написать структурные и молекулярные формулы следующих веществ: сульфат железа (III), азотная кислота, гидроксид хрома (III).

39

гальванических цехов от ионов хрома.

2.РАБОЧЕЕ ЗАДАНИЕ: проведение очистки сточных вод от соединений хрома (VI) химическим методом осаживания.

3. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ:

3.1 Методы и оборудование для очистки сточных вод.

Методы очистки сточных вод можно разделить на регенерационные и деструктивные. В регенерационных методах примеси извлекаются из воды без разрушения с целью их дальнейшего использования (утилизации), захоронения или перевода в нетоксичные вещества. В деструктивных методах примеси разрушаются непосредственно в сточной воде(СВ) .

К растворённым примесям относятся органические вещества (пестициды), ПАВ (поверхностноактивные вещества), ингибиторы коррозии и др.; частично растворяются нефть и нефтепродукты – масла, смазки и т.п.). Из органических веществ наибольшую опасность представляют ионы металлов (свинец, ртуть, хром, никель, цинк и др.). Для очистки недиссоциированных примесей (органических) применяются следующие методы: сорбционный, окислительный, электрохимический и др.

Для очистки от диссоциированных веществ (электролитов) применяют ионный обмен, электродиализ, обратный осмос, химические осаждения и другие методы.

3.2 Метод ионного обмена.

Для очистки СВ этим методом используют ионообменные смолы (иониты). Органические иониты – это высокомолекулярные соединения, содержащие подвижные ионы, способные обмениваться на ионы пропускаемых через иониты растворов. При этом, если обмениваются катионы, иониты называются катионитами, а при обмене анионов – анионитами.

Ионный обмен нашел применение при извлечении токсичных катионов тяжелых и цветных металлов из СВ гальванических цехов, удалении катионов кальция и магния при подготовке питательной воды для парогенераторов.

Метод ионного обмена экономически целесообразен при концентрации растворенных солей до 1,5 г/л.

3.3 Мембранные методы очистки сточных вод.

Эти методы осуществляются с помощью полупроницаемых мембран и основаны на том, что некоторые компоненты системы проходят через мембрану медленнее других или совсем задерживаются ею.

ОБРАТНЫЙ ОСМОС – представляет собой процесс, основанный на фильтрации под давлением (3 - 8 МПа) через полупроницаемую мембрану, пропускающую воду и задерживающую молекулы или ионы растворенного вещества. В основе метода лежит явление осмоса – самопроизвольного перехода растворителя через полупроницаемую мембрану (рис.1).

40

Рис.1. Принципиальная схема установки обратного осмоса.

1.подача загрязненной воды;

2.ёмкость;

3.полупроницаемая перегородка;

4.отвод очищенной воды;

5.отвод рассола.

Вода подается в ёмкость 2, разделенную полупроницаемой перегородкой: через нее продавливается вода, но задерживаются растворенные вещества. При использовании данного метода очистки, СВ должны быть очищены от механических примесей.

СВ подают под давлением 3 – 8 МПа. Материалами для мембран служат металлическая фольга, керамика, стекло, но в большинстве случаев используются полимерные органические материалы (ацетат – целлюлоза).

3.4Электродиализ.

Вэтом методе удаление ионов из воды осуществляется под действием электрического поля и при прохождении через анионитовые и катионитовые диафрагмы (рис.2). В электродиализаторе протекает электролиз воды:

на катоде: 2H2O+2e→H2+2OH- на аноде: 2H2O-4e→O2+4H+

Рис.2. Схема электродиализатора.

1.катод;

2.катионитовая диафрагма;

3.анионитовая диафрагма;

4.анод;

5.ёмкость.

41

Электродиализ используют для удаления из СВ нитратов и фосфатов, причем, при хорошем подборе мембран можно удалить следы этих соединений. Для глубокой очистки воды электродиализ не экономичен.

Химические методы предусматривают использование химических реагентов. Так, например, для очистки СВ широко применяется метод коагуляции электролитами. На границе капелек и воды существует двойной электрический слой (ДЭС), обеспечивающий отталкивание частиц друг от друга, то есть устойчивость эмульсии. Введение электролита приводит к сжатию ДЭС и способствует слипанию частиц.

Комбинированные методы представляют собой сочетание различных методов, часто обеспечивающих очистку не только эмульгированных, но и других примесей. На судах для очистки СВ от нефтепродуктов в основном применяется три типа судовых сепарационных установок:

1)отстойные; 2)флотационные; 3) с предварительным и конечным отстоем.

3.5 Биологическая очистка сточных вод.

Этот метод является наиболее распространенным и относительно недорогим способом очистки СВ от большинства органических примесей. Очистные сооружения стационарного типа применяются для очистки стоков городов, крупных предприятий. Локальные установки применяются на судах (в основном пассажирских).

Метод основан на способности микроорганизмов потреблять органические вещества из СВ в качестве пищи. При этом происходит окисление и восстановление органических соединений с образованием безвредных оксидов азота, углерода и др. Чаще применяют аэробные бактерии, окисляющие органику, поэтому для осуществления процесса требуется подача воздуха или кислорода.

Процесс биоокисления можно разделить на две стадии:

1.Массопередача органических веществ и кислорода из объема СВ к поверхности клеток микробов.

2.Диффузия кислорода и органических соединений через клеточную мембрану, их окисление и синтез клеточного вещества. Например, окисление нитросоединений протекает по реакции:

фермент

С5 Н7 NO2+5O2→5CO2↑+2H2O+NH3↑

Сообщества микроорганизмов, применяемых в биоочистке, образуют так называемый «активный ил». Этот ил имеет очень развитую поверхность, около 100м2 на 1г сухого вещества. Интенсивность жизнедеятельности организмов, а, следовательно, и процесс окисления зависит от концентрации кислорода, рН среды, температуры, величины окислительно-восстановительного потенциала и ряда других факторов. Для биоочистки наибольшее распространение получили аэроционные сооружения (аэротенки) и биофильтры. В последнее время начали применяться малогабаритные установки

42

4.ОБЪЕКТ ИССЛЕДОВАНИЯ.

Сточные воды гальванических цехов содержат триоксид хрома (CrO3),

концентрация которого в отработанных растворах после хромирования составляет 100 – 250 г/л. Разбавление водой приводит к образованию хромсодержащих анионов: , . Концентрация их в СВ достигает 0,2 г/л. ПДК (предельно допустимая концентрация) составляет 0,1 мг/л (в пересчете на

CrO3).

Для удаления хрома из СВ гальванических участков применяют химический метод, сущность которого заключается в осаждении хрома в виде Cr(OH)3 и его фильтровании. Задача данного опыта состоит в проведении очистки СВ от соединений хрома химическим методом осаждения.

Вкачестве восстановителя применяют соединения, содержащие ионы SO32-

,HSO3- , S2- (обычно в виде солей Na2SO3 , Na HSO3, Na2S). При использовании Na2SO3 протекает следующая реакция:

Для образования осадка Cr(OH)3, полученный после восстановления кислый раствор необходимо нейтрализовать до рН = 8.

Cr2(SO4)3 + 6NaOH → 3 Na2SO4 + 2 Cr(OH)3

5.КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ.

1.Объяснить процесс биологической очистки.

2.Назовите известные вам санитарно – гигиенические показатели для воздушного и водного бассейна.

3.Ионитный способ очистки воды. Катиониты и аниониты.

4.Электродиализ и его применение.

5.Применение озона и других окислителей для обеззараживания воды.

6.Обратный осмос.

7.Физические методы очистки воды.

6. ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ И ПОРЯДОК ПРОВЕДЕНИЯ ОПЫТА.

1) В коническую колбу налить отмеренные с помощью мерного цилиндра 50 мл сточной воды, содержащей ионы Cr2O7 2- (раствор

K2Cr2O7 1н).

2)Туда же добавить 2 мл 2н раствора серной кислоты (H2SO4).

3)Добавить в колбу сухого Na2SO3 до изменения окраски.

4)Смесь в колбе перемешать и выдержать в течение 5 минут. Объяснить причину изменения окраски в колбе.

5)Нейтрализовать смесь в колбе до рН = 8. Для этого добавьте по каплям из капельницы 30% раствор NaOH при перемешивании. Контроль за изменением рН проводится с помощью универсальной индикаторной бумаги (рН = 8 соответствует зеленому цвету бумаги).

43