Глава II. Важнейшие представители неорганических веществ. Количественные отношения в химии. Домашний эксперимент. Выращивание кристаллов алюмокалиевых квасцов или медного купороса — с. 98
Домашний эксперимент. Выращивание кристаллов алюмокалиевых квасцов или медного купороса. [Вопрос в начале: Учебный эксперимент проводят в химическом кабинете (лаборатории). Так требуют правила техники безопасности. Но нет правил без исключений. Почему предлагаемая работа является таким исключением?] Алюмокалиевые квасцы относятся к особой группе солей, которые называются двойными. Это такие соли, в которых с одним и тем же ионом кислотного остатка связаны ионы разных металлов. Формулу алюмокалиевых квасцов можно записать так: KAl(SO₄)₂ · 12H₂O. Обратите внимание на то, что в кристаллической соли на каждую формульную единицу соли приходится определённое число связанных с ней молекул воды. Такие соли называются кристаллогидратами. Некоторые из них вам могут быть знакомы: сода кристаллическая Na₂CO₃ · 10H₂O, гипс CaSO₄ · 2H₂O, медный купорос CuSO₄ · 5H₂O. Алюмокалиевые квасцы продаются в аптеке в виде порошка как присыпка для кожи и бактерицидное средство, которое не вызывает аллергии. Обратите внимание на этикетку аптечной упаковки. На ней обозначены не просто квасцы, а квасцы жжёные, т. е. такие, из которых выпарили воду (рис. 65). Их ещё называют обезвоженными. Добавляйте квасцы в тёплую воду и растворяйте до тех пор, пока соль не перестанет растворяться. Вы приготовили раствор, который называют насыщенным. Отфильтруйте его. Через несколько дней на дне сосуда появятся небольшие кристаллы. Отберите из них 3–4 кристалла правильной формы и поместите в другой сосуд. Залейте эти кристаллы раствором из первого сосуда, осторожно переливая раствор во второй сосуд. Через несколько дней маленькие кристаллы превратятся в большие красивые кристаллы (рис. 66, а). Можно изменить вторую часть работы по выращиванию кристаллов. С этой целью отобранные маленькие кристаллы приклейте к концам прочных нитей водостойким клеем. Затем привяжите второй конец нити к середине карандаша на такую высоту, чтобы кристалл был в растворе, но не касался дна и стенок сосуда. Раз в два-три дня растущие кристаллы следует переносить в новый стакан, а раствор фильтровать и снова заливать им кристаллы, подвешенные на нитях. Аналогично можно вырастить очень красивые окрашенные в яркий синий цвет кристаллы медного купороса (рис. 66, б). Оформите отчёт о проделанной работе. В нём представьте: а) график роста кристаллов (их величину или массу) в зависимости от продолжительности эксперимента (в днях); б) фото кристаллов. Лучшие кристаллы аккуратно просушите бумажной салфеткой, покройте бесцветным лаком, чтобы они не расплывались, и продемонстрируйте учителю и одноклассникам. Проведите следующие расчёты: а) вычислите молярную массу безводных алюмокалиевых квасцов, рассчитайте массовые доли металлов в сульфате; б) вычислите молярную массу медного купороса и рассчитайте массовую долю воды и сульфата меди(II) в кристаллогидрате.
Почему работа — исключение. Работа безопасна: используются нетоксичные вещества (квасцы, в аптеке их продают как присыпку), нет нагревания открытым пламенем, едких, ядовитых и летучих реактивов, опыт идёт медленно и спокойно, поэтому его можно выполнять дома. Для медного купороса нужна аккуратность: он ядовит, поэтому посуду для него не используют для еды, работают в перчатках, после работы моют руки.
Ход работы (образец).
1. В стакан с тёплой водой (около 50 °C) небольшими порциями добавляли квасцы, помешивая, пока соль не перестала растворяться и на дне не остался нерастворённый порошок. Получили насыщенный раствор. Его отфильтровали через бумажный фильтр (или вату) в чистый сосуд и накрыли бумагой от пыли.
2. Через 2–4 дня на дне появились мелкие прозрачные кристаллы, так как при охлаждении и медленном испарении воды растворимость соли падает и раствор становится пересыщенным. Выбрали 3–4 наиболее правильных кристалла (октаэдры), перенесли их в другой сосуд и осторожно залили профильтрованным раствором.
3. Для получения крупных кристаллов закрепили кристалл на тонкой нити (приклеили водостойким клеем), другой конец привязали к карандашу, положенному поперёк стакана, так чтобы кристалл был в растворе и не касался дна и стенок. Раз в 2–3 дня переносили кристалл в свежий насыщенный раствор, а старый раствор фильтровали и использовали снова.
4. Через 1–2 недели кристаллы выросли до 1–2 см: прозрачные, бесцветные, с чёткими гранями (октаэдры). Кристаллы медного купороса выращивают так же; они ярко-синие, имеют форму неправильных призм.
Отчёт. Пример данных (масса кристалла квасцов, г): 0 дней — 0,5; 3 дня — 1,2; 6 дней — 2,5; 9 дней — 4,3; 12 дней — 6,5. На графике по оси x откладывают время в днях, по оси y — массу; кривая поднимается всё круче, так как у большего кристалла больше поверхность роста. К отчёту прикладывают фотографии кристаллов. Готовые кристаллы осторожно просушили салфеткой и покрыли бесцветным лаком, чтобы они не выветривались и не мутнели.
Расчёты.
а) M(KAl(SO₄)₂) = 39 + 27 + 2 · (32 + 4 · 16) = 39 + 27 + 192 = 258 г/моль.
w(K) = 39 : 258 · 100 % ≈ 15,1 %; w(Al) = 27 : 258 · 100 % ≈ 10,5 %. Всего металлов ≈ 25,6 %. (Для сравнения: w(SO₄) = 192 : 258 · 100 % ≈ 74,4 %.)
б) M(CuSO₄ · 5H₂O) = 64 + 32 + 4 · 16 + 5 · (2 · 1 + 16) = 160 + 90 = 250 г/моль.
w(H₂O) = 90 : 250 · 100 % = 36 %; w(CuSO₄) = 160 : 250 · 100 % = 64 %.
Вывод: из насыщенного раствора при медленном охлаждении или испарении воды можно вырастить крупные правильные кристаллы кристаллогидратов; в медном купоросе на 1 формульную единицу соли приходится 5 молекул воды (36 % массы).
Ход работы (образец).
1. В стакан с тёплой водой (около 50 °C) небольшими порциями добавляли квасцы, помешивая, пока соль не перестала растворяться и на дне не остался нерастворённый порошок. Получили насыщенный раствор. Его отфильтровали через бумажный фильтр (или вату) в чистый сосуд и накрыли бумагой от пыли.
2. Через 2–4 дня на дне появились мелкие прозрачные кристаллы, так как при охлаждении и медленном испарении воды растворимость соли падает и раствор становится пересыщенным. Выбрали 3–4 наиболее правильных кристалла (октаэдры), перенесли их в другой сосуд и осторожно залили профильтрованным раствором.
3. Для получения крупных кристаллов закрепили кристалл на тонкой нити (приклеили водостойким клеем), другой конец привязали к карандашу, положенному поперёк стакана, так чтобы кристалл был в растворе и не касался дна и стенок. Раз в 2–3 дня переносили кристалл в свежий насыщенный раствор, а старый раствор фильтровали и использовали снова.
4. Через 1–2 недели кристаллы выросли до 1–2 см: прозрачные, бесцветные, с чёткими гранями (октаэдры). Кристаллы медного купороса выращивают так же; они ярко-синие, имеют форму неправильных призм.
Отчёт. Пример данных (масса кристалла квасцов, г): 0 дней — 0,5; 3 дня — 1,2; 6 дней — 2,5; 9 дней — 4,3; 12 дней — 6,5. На графике по оси x откладывают время в днях, по оси y — массу; кривая поднимается всё круче, так как у большего кристалла больше поверхность роста. К отчёту прикладывают фотографии кристаллов. Готовые кристаллы осторожно просушили салфеткой и покрыли бесцветным лаком, чтобы они не выветривались и не мутнели.
Расчёты.
а) M(KAl(SO₄)₂) = 39 + 27 + 2 · (32 + 4 · 16) = 39 + 27 + 192 = 258 г/моль.
w(K) = 39 : 258 · 100 % ≈ 15,1 %; w(Al) = 27 : 258 · 100 % ≈ 10,5 %. Всего металлов ≈ 25,6 %. (Для сравнения: w(SO₄) = 192 : 258 · 100 % ≈ 74,4 %.)
б) M(CuSO₄ · 5H₂O) = 64 + 32 + 4 · 16 + 5 · (2 · 1 + 16) = 160 + 90 = 250 г/моль.
w(H₂O) = 90 : 250 · 100 % = 36 %; w(CuSO₄) = 160 : 250 · 100 % = 64 %.
Вывод: из насыщенного раствора при медленном охлаждении или испарении воды можно вырастить крупные правильные кристаллы кристаллогидратов; в медном купоросе на 1 формульную единицу соли приходится 5 молекул воды (36 % массы).