Жанр: Учеба
Химия для любознательных. Занимательные опыты.
...аты, в аптеке,
хозяйственном магазине, в специализированном магазине реактивов и т. д.
В химии металлы классифицируют по их положению в периодической
системе элементов - таблица помещена на внутренней стороне переплета (на
форзаце). Практики, кроме того, подразделяют металлы на тяжелые и
легкие, благородные и неблагородные, тугоплавкие и легкоплавкие, а также
классифицируют их с других точек зрения.
Периодическая система состоит, как известно, из групп, которые в свою
очередь включают в себя главные и побочные подгруппы элементов,
обладающих схожими химическими свойствами, - в таблице они расположены
друг под другом. В главной подгруппе первой группы находятся щелочные
металлы - литий, калий, натрий, рубидий и цезий, а в побочной подгруппе
первой группы - медь, серебро и золото. В главную подгруппу второй группы
включены щелочноземельные металлы бериллий, магний, кальций, стронций,
барий, радий, а в побочную - цинк, кадмий и ртуть. Третья группа
начинается с неметалла бора, затем идут металлы, образующие "земли":
алюминий, скандий, иттрий, 15 редкоземельных элементов и радиоактивный
актиний. В соответствующей побочной подгруппе находятся мало известные
металлы галлий, индий и таллий. В главных подгруппах четвертой и пятой
групп металлический характер обнаруживают только последние члены группы,
а в главных подгруппах шестой, седьмой и восьмой групп находятся только
неметаллы. Но элементы побочных подгрупп этих групп периодической
системы являются металлами. Особенно важны так называемые переходные
металлы побочной подгруппы восьмой группы, которые образуют три подгруппы.
Здесь содержатся металлы подгруппы железа и платины.
Разделение на группы можно объяснить с помощью атомной теории, но
здесь это было бы излишним. Рассмотрим свойства групп и отдельных металлов
с помощью опытов.
ЩЕЛОЧНЫЕ МЕТАЛЛЫ (ГЛАВНАЯ ПОДГРУППА I ГРУППЫ)
Щелочные металлы химически очень активны и бурно реагируют с водой, в
результате чего образуются сильные основания. С солями щелочных металлов
калия и натрия мы уже познакомились.
Аналитически обнаружить эти металлы сложно, так как они не образуют
нерастворимых солей при взаимодействии с наиболее употребимыми кислотами,
поэтому реакции осаждения возможны лишь со сложными реагентами.
Не известны также характерные цветные реакции с простыми реагентами в
нерастворенном или твердом состоянии. По окраске пламени натрием и
калием их можно обнаружить качественно.
Обнаружение калия и натрия
В несветящемся пламени бунзеновской горелки будем держать палочки
магнезии до тех пор, пока не исчезнет начальная окраска пламени. Затем
нанесем на палочку чуть-чуть поваренной соли и опять поместим ее в
пламя, которое окрасится в яркий желтый цвет. Так как окраска очень интенсивна,
а натрий является почти непременной примесью в солях, всегда
следует убедиться, сравнивая полученную окраску пламени с окраской
пламени чистого соединения натрия, находится ли элемент в виде примеси
или в виде основного компонента.
Калий окрашивает пламя в красно-фиолетовый цвет. Чтобы избавиться от
мешающего желтого цвета, в который окрашивает пламя присутствующий тут
же натрий, воспользуемся голубым фильтром (кобальтовым стеклом). Таким
образом можно проверить содержание калия в некоторых солях.
При наличии небольшого количества солей лития можно наблюдать
окрашивание этим элементом пламени в чудесный красный цвет.
МЕТАЛЛЫ ПОБОЧНОЙ ПОДГРУППЫ I ГРУППЫ
В противоположность щелочным металлам, медь, серебро и золото очень
инертны. Они обладают незначительным сродством к кислороду, их оксиды
очень легко восстанавливать и металлы встречаются в природе в элементарной
форме (золото чаще всего). Благородный характер металлов
усиливается от меди к серебру, а от него - к золоту. Для остальных побочных
групп периодической системы также существует правило, что с увеличением
порядкового номера элемента убывает его активность. Разбавленными
кислотами металлы побочной подгруппы 1 группы не разрушаются. Но медь и
серебро растворяются в сильной азотной кислоте, а золото в царской водке
(смесь одной объемной части азотной и трех частей соляной кислоты).
Общими свойствами щелочных металлов и металлов подгруппы меди
являются их одновалентность во многих соединениях, а также отличная
электропроводность. Правда, иногда медь и серебро могут быть двухвалентными,
а золото может образовывать даже трехвалентные соединения.
Некоторые свойства и характерные реакции рассматриваемых металлов
изучим в следующих опытах.
Окисление и восстановление меди
В несветящееся пламя бунзеновской горелки внесем пинцетом кусочек
медной проволоки. Медь начнет интенсивно окисляться: сначала на поверхности
появятся цвета побежалости, затем медь окрасится в черный цвет, так
как образуется слой оксида меди (II) CuO. При обычной температуре очень
быстро возникает слой красного оксида меди (1) Cu2O, который постоянно
существует на поверхности.
Если внести окисленную медь в восстановительную зону пламени бунзеновской
горелки (верхняя часть конуса), то оксид восстановится водородом,
и мы увидим, что чистый металл красного цвета.
Летучие соединения меди окрашивают пламя в зеленый цвет. В этом мы
убедимся, если погрузим медную проволоку в соляную кислоту и затем
внесем ее в несветящуюся часть пламени. В этом случае образуется некоторое
количество летучего хлорида меди CuCl2, который и окрашивает пламя,
Тонкая медная проволока плавится в несветящемся пламени бунзеновской
горелки при 1084 °С. Чтобы нагреть больший кусок меди до этой
температуры, нужно применить стеклодувную горелку.
Любую соль меди можно легко восстановить до металлической меди, если
расплавить ее с содой на древесном угле с помощью паяльной трубки.
Смешаем очень малое количество безводного сульфата меди с безводной содой
в соотношении 1:3 и внесем смесь в углубление на кусочке древесного
угля. (Обе соли высушим, прокаливая, содержащие воду кристаллы в
пробирках из тугоплавкого стекла или в фарфоровых тиглях на пламени
бунзеновской горелки.) Затем направим на смесь восстановительное пламя
паяльной лампы. Через некоторое время охладим смесь и обнаружим в углублении
красные крупинки металлической меди.
Обнаружение меди в сплавах
На присутствие меди укажет уже окраска. Если у сплава красный или
желтый оттенок, вероятно, в нем имеется медь. Правда, например, сплавы
меди с серебром даже при высоком содержании меди имеют серебристый цвет.
Старые, так называемые серебряные монеты содержат от 10 до 75% меди!
Предварительную пробу проведем, капнув на металл азотной кислотой. На
присутствие меди укажет появляющаяся чаще всего после высыхания зеленая
кромка нитрата меди (похожую реакцию дает никель). Исследуем полученное
соединение с помощью перла буры. Для этого нагреем палочку магнезии в
несветящемся пламени и горячей погрузим ее в буру. Прилипнувшая соль сплавится,
в результате получится стекловидный шарик. Этот шарик в горячем
состоянии положим на след соединения меди, например, на кромку нитрата,
образовавшегося в предыдущем опыте. После нагревания в окислительном
пламени перл буры окрасится в зеленый цвет, который при охлаждении
изменится на голубой. Соединение никеля в этом случае окрасит буру в
коричневый цвет.
Наконец, растворим немного металла в азотной кислоте. Как при всех
аналитических реакциях, будем применять как можно меньшее количество
вещества. Вполне достаточно будет кусочка, величиной с булавочную головку.
Зальем в пробирке металл азотной кислотой. Он растворится с образованием
ядовитых красно-коричневых паров оксида азота. Поэтому будем проводить
опыт обязательно на открытом воздухе или под тягой.
Если раствор окрасится в голубовато-зеленый цвет, то, вероятно, в сплаве
присутствует медь. Чтобы убедиться в этом наверняка, разбавим
раствор дистиллированной водой и разделим его. К первой порции добавим
по каплям гидроксид аммония (нашатырный спирт). Если в сплаве
присутствует медь, то сначала выпадет в осадок гидроксид меди Сu(ОН)2,
который при добавлении избытка гидроксида аммония растворится, окрасив
раствор в темно-синий цвет. При быстром добавлении нашатырного спирта
осадок не выпадает, а сразу наблюдается синяя окраска:
Сu2+ + 2NH4OH ® Cu(OH)2 + 2NH4+
Cu(OH)2+ 4NH4OH- [Cu(NH3)4] (OH)2+ 4H2O
В результате этой реакции образуется гидроксидтетраммин меди (II).
Это пример комплексного соединения. Для того чтобы понять его строение,
представим себе, что четыре группы NН3 располагаются вокруг иона меди и
образуют вместе с ним один большой катион, который в свою очередь связан
с ионами гидроксида.
Такие комплексы могут быть очень устойчивы. Если в растворе
присутствует медь, то она не даст осадка при взаимодействии с NaOH, но
при добавлении сероводородной воды выпадет в осадок черно-коричневый
сульфид меди.
Ко второй порции растворенной металлической пробы добавим немного
раствора желтой кровяной соли (гексациано-(II)феррат калия). (Осторожно!
Яд!) Если выпадет красно-коричневый осадок, то наличие меди будет
доказано.
Прежде чем проводить все аналитические реакции обнаружения, следует
поставить вопрос, достаточно ли они отчетливы.
Например, если в растворе содержится ион никеля, то при добавлении
аммиака будет наблюдаться такая же окраска раствора, которая образуется
при наличии меди, а в присутствии железа, напротив, обе пробы могут быть
неотчетливо выражены. Поэтому для точного определения меди необходим совпадающий
результат всех предварительных проб и реакций.
Если же в растворе имеются ионы железа, то иногда металлы следует
химически разделить.
Укажем также на то, что соли меди ядовиты (как большинство солей
тяжелых металлов). Раствор сульфата меди, например, действует как рвотное
средство.
Опыты с серебром
Мы часто использовали раствор нитрата серебра для определения соляной
кислоты или хлоридов. Так как нитрат серебра нелегко достать, то получим
небольшое количество его, растворив кусочек старого серебряного предмета
(серебряной монеты, обломка ложки, украшения или цепочки). Серебряные
предметы, однако, состоят не из чистого металла, а из сплавов, которые
часто содержат в качестве второго компонента медь. Она придает металлу
большую твердость, а при высоком содержании способствует растягиванию.
Чтобы получить чистый нитрат серебра, необходимо разделить оба металла.
Сначала растворим наш металл в чистой азотной кислоте, разбавленной
водой в соотношении 1:1. При этом выделяется большое количество оксидов
азота. (Опыт проводить только под тягой или на открытом воздухе. Газы не
вдыхать!) При замедлении реакции слегка подогреем раствор для полного
растворения. Благодаря наличию меди раствор окрасится в сине-зеленый
цвет. Готовый раствор разбавим троекратным количеством дистиллированной
воды и отфильтруем в химический стакан.
Тем временем приготовим крепкий раствор поваренной соли в дистиллированной
воде и будем добавлять его к азотнокислому раствору металла до
тех пор, пока не перестанут образовываться хлопья осадка. Далее в
течение 10 минут будем нагревать жидкость на водяной бане, при этом очень
тонкий осадок укрупнится и выпадут большие хлопья. Эти хлопья состоят
из хлорида серебра, растворимость которого равна 1,5 мг на литр
воды. Отфильтровав, отделим осадок от содержащего медь раствора и многократно
промоем его теплой водой. Последние промывные воды не должны
давать голубого окрашивания при взаимодействии с аммиаком!
Теперь восстановим хлорид серебра до чистого металлического серебра.
Поместим осадок вместе с вдвое большим (по массе) количеством кусочков
цинка или алюминия в химический стакан и зальем разбавленной (10 %-ной)
соляной кислотой. Цинк или алюминий растворятся с выделением водорода,
причем одновременно хлорид серебра восстановится до серебра - серого
металлического порошка. Этот порошок отфильтруем и растворим (на
открытом воздухе или под тягой) в чистой азотной кислоте. Последняя ни в
коем случае не должна содержать соляной кислоты, иначе снова образуется
хлорид серебра. Разбавим раствор дистиллированной водой и выпарим, в
результате получится твердый нитрат серебра. Можно сохранить и азотнокислый
раствор и применять его как реагент. Для всех реакций
обнаружения применяются сильноразбавленные растворы, но использовать для
разбавления следует только дистиллированную воду, так как водопроводная
вода содержит следы хлоридов и дает с раствором нитрата серебра помутнение
(проверить!).
Твердый нитрат серебра и его концентрированные растворы очень едкие;
поэтому соль раньше называли адским камнем. Крепкие растворы оставляют
на коже черные пятна, которые очень трудно удалить, они возникают в
результате восстановления соли до тонкодисперсного серебра. С небольшой
частью раствора нитрата серебра проведем следующую реакцию.
При добавлении раствора соляной кислоты или хлорида натрия опять
выпадут творожистые хлопья хлорида серебра. Эта реакция служит для
обнаружения серебра или хлорид-ионов. Кроме серебра нерастворимые или
труднорастворимые хлориды образуют ртуть и свинец. Серебро можно
идентифицировать, добавив избыток нашатырного спирта. Хлорид серебра при
этом полностью растворяется с образованием комплексного диамминохлорида
серебра, в то время как осадки хлоридов ртути и свинца остаются неизменными.
К другой части раствора нитрата серебра добавим несколько миллилитров
раствора бихромата калия. Если раствор имеет кислую реакцию, сначала
нейтрализуем его разбавленным раствором щелочи (NaOH). Выпадающий
красно-коричневый осадок хромата серебра, также может служить для
обнаружения серебра.
Чтобы обнаружить серебро в любом металлическом изделии, спилим на
незаметном месте небольшое количество металла и растворим его в чистой
азотной кислоте (без примеси соляной кислоты). Если при этом выпадет
осадок или раствор помутнеет, то либо азотная кислота была загрязнена,
либо в пробе присутствовали олово, сурьма или висмут. С раствором
проведем обе описанные выше реакции обнаружения.
Так же как при идентификации меди, обнаружению мешает одновременное
присутствие в пробе некоторых металлов. Если, например, проба содержит
свинец, ртуть, алюминий или цинк, то осадок хлорида серебра растворяется
в аммиаке не полностью. Аналитик должен тогда провести химическое
разделение.
При добавлении сероводородной воды из растворов солей серебра
выпадает в осадок черный сульфид серебра. Он образуется также, если
серебро находится в атмосфере, содержащей следы соединений серы. Это
бывает, например, в воздухе промышленных местностей или на кухне, где
горит газовая плита. Серебряные предметы со временем покрываются коричневым
или черным налетом. Его можно удалить разбавленными кислотами,
нашатырным спиртом или имеющимся в продаже средством для чистки серебра.
Основной процесс фотографии
В умеренно темном помещении осадим некоторое количество хлорида
серебра из раствора, слегка подогреем его, чтобы осадок уплотнился, и
отфильтруем, причем шпателем распределим хлорид серебра на фильтре по
возможности равномерно. Или можно смешать суспензию хлорида серебра с
раствором желатины и намазать кашицу на гладкий картон или стеклянную
пластинку. Положим на фильтр или на пластину кусок черной бумаги,
который затемнит часть покрытия, и выставим на некоторое время (около 1
часа) на солнечный свет. Затем осмотрим слой в умеренно темном
помещении. В тех местах, куда попадал свет, соль приобрела фиолетовую
окраску. Под воздействием света некоторое количество хлорида серебра
разложилось и образовались зародыши элементарного серебра.
Во втором опыте добавим к некоторому количеству хлорида серебра
раствор тиосульфата натрия Na2S2O3. Осадок быстро растворится, при этом
образуется комплексная соль:
AgCl + 2Na2S2O3 ® Na3[Ag(S2O3)2] + NaCl
В фотографии хлорид серебра используют главным образом для
светочувствительной бумаги. Пленки и фотопластинки покрыты бромидом и
иодидом серебра, так как эти соли обладают большей светочувствительностью,
чем хлорид серебра. Экспонированные слои обрабатывают восстановителями
(проявитель). При этом в местах, подвергшихся воздействию
света, где уже образовались зародыши металла, протекает дальнейшее
восстановление до металлического серебра. Избыточная соль серебра
растворяется в растворе тиосульфата натрия (фиксаж). Изображение после
этого остается устойчивым при воздействии света.
Серебро с нескольких проявленных фотопластинок можно растворить небольшим
количеством разбавленной азотной кислоты и затем обнаружить его в
растворе, как было описано выше.
Пробирное искусство
Для быстрого определения подлинности золотых и серебряных изделий
проводят так называемую пробу на выдержку. Прежде всего с предмета (в
незаметном месте) снимем тончайший слой золотого или серебряного
покрытия (Для этого достаточно один раз провести по предмету надфилем.
Прим. ред.). Затем проведем этим местом по тонкому камню для пробы на
золото, на котором останется металлическая полоска. В качестве пробного
камня используется разновидность черного сланца. Но можно взять и кусок
обыкновенного сланца (только очистим его азотной кислотой) или обломок
фарфора, хотя на нем штрихи видны не так отчетливо.
Для определения серебра приготовим пробирную кислоту из 1 части
чистой азотной кислоты и 1 части бихромата калия. Если испытуемый
материал содержит больше 0,3 серебра, то смоченное кислотой место
окрасится в красный цвет, так как образуется хромат серебра. При
известном навыке по оттенку цвета можно установить приблизительное ЩЕЛОЧНОЗЕМЕЛЬНЫЕ МЕТАЛЛЫ (ГЛАВНАЯ ПОДГРУППА II ГРУППЫ)
Среди элементов этой подгруппы только магний и кальций имеют большое
значение. В то время как металлический кальций бурно реагирует с влагой
воздуха и с водой, магний покрыт пленкой оксида, которая защищает его от
дальнейшего разрушения. С помощью подходящих добавок можно еще более
повысить устойчивость магния. Благодаря этому свойству его используют в
сплавах, из которых изготовляют изделия, работающие в тяжелых погодных
условиях (несущие поверхности самолетов и т. д.), а также корпуса
двигателей сгорания. Важнейшие сплавы магния известны под названием
электрон. Так называют группу сплавов, которые содержат около 90 % магния
и различное количество добавок марганца, алюминия, цинка или других
компонентов. Тонкими полосками такого сплава можно пользоваться в большинстве
опытов наряду с чистым металлом.
Свойства и обнаружение магния
Кусочек ленты магния или стружку электрона с помощью тигельных щипцов
осторожно поместим в пламя бунзеновской горелки. При температуре выше
500 °С металл воспламенится и сгорит с появлением очень яркого белого
пламени. (Защитим глаза темными очками или темными стеклами.) При этом
образуется тонкодисперсный оксид магния, который некоторое время будет в
виде белого тумана висеть в воздухе, а позже осядет вокруг.
Можно получить безопасную вспышку магния, если немного порошка магния
поместить в открытый конец стеклянной трубки длиной не менее 60 см, а
затем быстро ввести его в несветящееся пламя бунзеновской горелки, дунув
в другой конец этой трубки. При этом предметы отбросят четкую тень на
освещенные солнцем поверхности, доказав таким образом чрезвычайную
яркость магниевого пламени. Она обусловлена высокой (более 2000 °С)
температурой сгорания магния, при которой интенсивно светится
образовавшийся оксид магния. Высокая температура, в свою очередь,
объясняется недостатком газообразных продуктов сгорания, которые обычно
быстро рассеивают тепло при других подобных процессах.
Магний очень бурно реагирует с твердыми окислителями, как это видно
из следующего опыта.
Разотрем в ступке кусочек перманганата калия величиной с горошину и
насыплем порошок на лист бумаги. Потом смешаем его с полуторным (по
объему) количеством магниевого порошка. Хотя эта смесь не очень
чувствительна к удару (в противоположность смесям порошка магния с
другими окислителями), будем из осторожности перемешивать ее гусиным пером.
Готовую смесь поместим в пакетик, который закроем, загнув бумагу.
Разожжем на открытом воздухе в безопасном месте (!) небольшой костер из
бумаги и хвороста и внесем в пламя пакетик, привязанный к концу палки
длиной 2 м. Через некоторое время последует глухой взрыв. (При опыте
необходимо надеть защитные очки. Указанные количества ни в коем случае
не превышать!) Через некоторое время, если имеется влага, например снег,
вокруг костра появится фиолетовое пятно - это разбрызгивался перманганат
калия. Мы должны категорически предостеречь от приготовления других
взрывоопасных смесей на свой страх и риск. Легкомысленное проведение
взрывов не имеет ничего общего с серьезными химическими опытами.
Предметы из сплава электрон можно отличать по матовому серому цвету и
легкости. Для определения плотности металла погрузим изделие в мерный
цилиндр, частично наполненный водой, и по разности положений воды
определим его объем. Плотность получим, разделив массу предмета на его
объем. Она составит для чистого магния только 1,74 г/см3, а для
алюминия, например, 2,7 г/см3, то есть примерно на 40 % больше.
Теперь приготовим немного опилок магния и проведем с ними
предварительную пробу в пламени.
Для химического обнаружения магния растворим очень небольшой его
кусочек в соляной кислоте. Разбавим раствор равным количеством воды и
для нейтрализации частями добавим концентрированный раствор гидроксида
аммония. При этом образуется плотный туман хлорида аммония. Если возникает
осадок, добавим немного концентрированного раствора хлорида
аммония. Ежели после этого осадок не растворится, значит он содержит
другой металл и осадок следует отфильтровать. В чистый фильтрат добавим
концентрированный раствор гидрофосфата натрия, который приготовим
заранее. Если в фильтрате находится магний, то тотчас или через некоторое
время выпадет белый осадок двойного фосфата магния - аммония. Если
же раствор в течение нескольких часов останется чистым, значит проба не
содержит магния, но нужно проверить, правильно ли были соблюдены условия
опыта, добавив для контроля в раствор немного соли магния.
Обнаружение кальция
Кальций в природе встречается в виде соединений. Для обнаружения
кальция к водному раствору вещества добавляют некоторое количество
раствора оксалата аммония или другой соли щавелевой кислоты. (Осторожно!
Щавелевая кислота и ее соли ядовиты!) При этом выпадет белый осадок
оксалата кальция, который не растворяется в уксусной кислоте. Если на
соединение, содержащее кальций, капнуть соляной кислоты и внести его в
пламя, то оно окрасится в кирпичный цвет. Ученые с помощью спектрометра
обнаруживают двойную красную и зеленую спектральные линии.
МЕТАЛЛЫ ПОБОЧНОЙ ПОДГРУППЫ II ГРУППЫ
Из металлов побочной подгруппы II группы рассмотрим здесь только
цинк. Хотя цинк активнее железа, он обладает большей стойкостью в
атмосфере, так как покрыт защитной пленкой. Но цинк очень легко
растворяется в разбавленных кислотах. Плотность цинка 7 г/см3, плавится
он при температуре 419 °С, а кипит при 906 °С, то есть может испариться
уже в пламени бунзеновской горелки. Раньше из цинка изготавливали водосточные
кровельные желобы, бачки для воды, ванны и т. д. Сейчас он почти
полностью вытеснен из этих областей потребления, но по-прежнему
применяется для изготовления литых изделий. Так, ручки дверей и детали
отделки легковых автомашин (например, "Вартбург") представляют собой
никелированные цинковые литые изделия. Кроме того, цинк применяют для
изготовления металлических электродов сухих элементов в батарейках
карманных фонариков и анодных батареях. Из его сплавов наиболее известна
латунь, которая наряду с медью содержит 18-50 % цинка. Наконец, необходимо
упомянуть об оксиде цинка, который широко используется как краска
(цинковые белила).
Опыты с цинком
Нагреем немного цинка на древесном угле в окислительном пламени паяльной
лампы. Металл расплавится и при высокой температуре начнет
испаряться. Одновременно, однако, он будет сгорать с появлением голубовато-белого
пламени. На поверхности около пламени выпадет оксид цинка;
в нагретом состоянии он желтого цвета, а в холодном - белый.
Для проведения пробы на цинк растворим кусочек металла в соляной
кислоте, разбавим ее и нейтрализуем раствором едкого натра, который осторожно
добавим по частям. Выпадает студенистый осадок гидроксида цинка
Zn(OH)2, который растворяется в избытке щелочи. При этом образуется
цинкат натрия Na[Zn(OH)3]. Это соединение можно рассматривать как
натриевую соль цинковой кислоты. С другой стороны, цинк при
взаимодействии с кислотами образует соли, в которых выступает в качестве
катиона. То есть, в соединениях он может быть не только катионом, но и
анионом, и образовывать, соответственно, кислоты и основания.
Если к осадку гидроксида цинка добавить разбавленной соляной кислоты,
то он растворится в ней, при этом образуется хлорид цинка. Гидроксиды с
таким двойственным характером называются амфотерными. Похожим образом
ведет себя, н
...Поділитися у соцмережах
