Химический анализ и лабораторная работа

Химия — экспериментальная наука: свойства веществ наблюдают в лаборатории, смеси разделяют, ионы и газы определяют качественными реакциями. На экзамене регулярно встречаются вопросы о технике безопасности, приборах, способах разделения, собирании газов и вопросы вида «каким реактивом обнаружить?». Если знать причину каждого правила, заучивать их не придётся.

§1. Техника безопасности

• Кислоту льют в воду, а не наоборот. При смешивании концентрированной H₂SO₄ с водой выделяется много теплоты. Если лить воду в кислоту, вода вскипает на поверхности и разбрызгивает кислоту.
• Вещества не пробуют на вкус и не нюхают вплотную — запах направляют к себе движением руки.
• При нагревании пробирку не направляют отверстием на себя и других; сначала прогревают всю пробирку равномерно.
• Горючие жидкости (спирт, эфир, бензин) держат вдали от огня. Спиртовку гасят колпачком, а не задувают.
• При попадании кислоты на кожу — много воды, затем раствор NaHCO₃ (питьевой соды); щёлочи — много воды, затем слабый раствор уксусной или борной кислоты.
• С ядовитыми и пахучими газами (Cl₂, H₂S, NO₂) работают в вытяжном шкафу; очки и халат обязательны.

§2. Лабораторная посуда и приготовление растворов

• Посуда: пробирка, химический стакан, коническая и плоскодонная колбы, фарфоровая чашка (для выпаривания), тигель (для сильного прокаливания).
• Мерная посуда: мензурка (мерный цилиндр), пипетка, бюретка (при титровании), мерная колба, весы.
• Прочее оборудование: штатив, спиртовка, воронка, делительная воронка, аппарат Киппа (для получения газов), термометр.

При отсчёте объёма глаз должен быть на уровне мениска; для водных растворов отсчёт ведут по нижнему краю вогнутого мениска.
Для приготовления раствора используют массовую долю:

Пример

Сколько соли и воды нужно для приготовления 200 г 15%-ного раствора NaCl?

1. m(NaCl) = 200·0,15 = 30 г.
2. m(воды) = 200 − 30 = 170 г (при плотности 1 г/мл это 170 мл).
3. Соль взвешивают на весах, воду отмеряют мензуркой, перемешивают в стакане стеклянной палочкой.

§3. Способы разделения смесей

Способ выбирают по различию физических свойств веществ:

• Отстаивание и декантация — тяжёлое нерастворимое вещество оседает, жидкость осторожно сливают.
• Фильтрование — нерастворимое твёрдое вещество + жидкость (песок + вода). На фильтре остаётся осадок, проходит фильтрат.
• Выпаривание — выделение растворённого твёрдого вещества (соль из раствора поваренной соли).
• Кристаллизация — использует зависимость растворимости от температуры.
• Перегонка (дистилляция) — жидкости с разной температурой кипения; так получают дистиллированную воду.
• Делительная воронка — несмешивающиеся жидкости (масло + вода).
• Магнит — отделение железных опилок; хроматография — разделение смеси красителей.

Пример

Как разделить смесь поваренной соли, песка и железных опилок?

1. Магнитом извлекают железные опилки.
2. Остаток растворяют в воде — соль растворяется, песок нет.
3. Фильтруют: песок остаётся на фильтре.
4. Фильтрат выпаривают — получают поваренную соль.

§4. Получение, собирание и распознавание газов

Способ собирания зависит от плотности газа по воздуху (M(воздуха) = 29) и растворимости в воде:

Получение в лаборатории:

• Zn + 2HCl → ZnCl₂ + H₂↑
• 2KMnO₄ → K₂MnO₄ + MnO₂ + O₂↑ (нагревание); 2H₂O₂ → 2H₂O + O₂↑ (катализатор MnO₂)
• CaCO₃ + 2HCl → CaCl₂ + H₂O + CO₂↑
• 2NH₄Cl + Ca(OH)₂ → CaCl₂ + 2NH₃↑ + 2H₂O (нагревание)

Распознавание газов:

• CO₂ — мутит известковую воду: Ca(OH)₂ + CO₂ → CaCO₃↓ + H₂O;
• O₂ — тлеющая лучинка вспыхивает;
• H₂ — при поднесении к огню слышен хлопок;
• NH₃ — резкий запах, влажная красная лакмусовая бумажка синеет;
• Cl₂ — жёлто-зелёный цвет, иодкрахмальная бумажка синеет.

Пример

Каким способом собирают хлор?

1. M(Cl₂) = 71, D(возд) = 71/29 ≈ 2,45 > 1 — тяжелее воздуха.
2. Сосуд держат дном вниз; хлор ядовит, поэтому работают в вытяжном шкафу.

§5. Качественные реакции на ионы и индикаторы

Окраска пламени: Na — жёлтая, K — фиолетовая, Ca — кирпично-красная, Li — карминово-красная, Ba — жёлто-зелёная, Cu — зелёная.
Индикаторы:

• Лакмус: в кислоте красный, в нейтральной среде фиолетовый, в щёлочи синий.
• Фенолфталеин: в кислой и нейтральной среде бесцветный, в щелочной — малиновый.
• Метилоранж: в кислоте красный (розовый), в нейтральной — оранжевый, в щёлочи — жёлтый.

Пример

В трёх пробирках растворы NaCl, Na₂SO₄ и Na₂CO₃. Как их распознать?

1. Ко всем добавляем HCl: выделяется газ — Na₂CO₃.
2. К двум оставшимся BaCl₂: белый осадок — Na₂SO₄.
3. К последней AgNO₃: белый творожистый осадок — NaCl.

Порядок важен: AgNO₃ может давать осадки и с карбонатом, и с сульфатом, поэтому его используют последним.

§6. Лабораторные расчёты: разбавление и объём газа

В практической работе чаще всего встречаются два вида расчётов. Первый — разбавление раствора: при добавлении воды к готовому концентрированному раствору масса растворённого вещества не меняется, растёт только масса раствора. Второй — объём выделяющегося газа: находят количество вещества (моль) и умножают на молярный объём при нормальных условиях (н. у.).

Пример

Сколько воды нужно добавить к 50 г 20%-ного раствора NaCl, чтобы получить 10%-ный раствор?

1. Масса соли: 50·0,20 = 10 г — она не меняется.
2. Масса нового раствора: 10/0,10 = 100 г.
3. Добавить воды: 100 − 50 = 50 г.

Пример

13 г цинка полностью растворили в соляной кислоте. Сколько литров водорода (н. у.) выделилось?

1. Zn + 2HCl → ZnCl₂ + H₂↑, n(Zn) = 13/65 = 0,2 моль.
2. По уравнению n(H₂) = n(Zn) = 0,2 моль.
3. V(H₂) = 0,2·22,4 = 4,48 л.

На практике объём газа получается немного меньше: часть остаётся в приборе, на поверхности цинка есть оксидная плёнка. Поэтому в лаборатории рассчитывают и практический выход η = V(практ.)/V(теор.).

Проверьте себя

1. Какой из газов H₂, CO₂, O₂ собирают в сосуд, перевёрнутый вверх дном?

2. Какой реактив нужен для обнаружения сульфат-иона?

3. Как выделить соль из раствора поваренной соли?

4. Какого цвета фенолфталеин в растворах NaOH и HCl?

5. Сколько граммов соли и воды нужно для 150 г 10%-ного раствора?

6. Какой газ мутит известковую воду? Уравнение реакции?

7. Сколько литров кислорода (н. у.) выделится при нагревании 31,6 г KMnO₄?

8. Смешали 100 г 30%-ного и 200 г 15%-ного растворов. Какова массовая доля?

Типичные ошибки

• Запоминать, что фенолфталеин краснеет в кислоте, — в кислоте он бесцветен.
• Собирать NH₃ в сосуд дном вниз или над водой (он легче воздуха и очень хорошо растворим в воде).
• Лить воду в концентрированную кислоту.
• Пытаться отделить растворённое вещество фильтрованием — раствор целиком проходит через фильтр.
• Добавлять AgNO₃ первым в качественном анализе и неверно толковать результат.
• При расчёте раствора путать массу воды и массу раствора.
• Считать, что при разбавлении меняется и масса растворённого вещества, — добавляется только вода.