Лабораторный опыт 4, страница 181 - гдз по химии 9 класс учебник Шиманович, Василевская

Лабораторный опыт 4

Качественная реакция на карбонат-ионы

Обнаружение солей угольной кислоты имеет большое практическое значение. В геологии эта реакция дает возможность отличить гранит от мрамора, известняк от гипса, в строительстве — мел от извести, а в быту — соду от поваренной соли и др.

Вам выданы две пробирки. В первой из них находится небольшое количество карбоната натрия, во второй — столько же карбоната кальция. Прилейте в каждую пробирку по 1 см³ воды. Обратите внимание на отношение карбонатов к воде. Затем в каждую пробирку добавьте по 1–2 см³ соляной кислоты. Что при этом наблюдается? Запишите уравнения соответствующих реакций в молекулярной и сокращенной ионной формах. Имеет ли значение растворимость карбонатов в воде для реакции с более сильной соляной кислотой?

Сделайте выводы из проделанной работы. Какой другой кислотой вы могли бы воспользоваться для проведения данной реакции?

Превращения карбонатов и гидрокарбонатов

Если пропустить углекислый газ через раствор гидроксида кальция (см. рис. 101, на с. 178), то будет наблюдаться помутнение раствора за счет выпадения осадка:

$$\text{CO}_2 + \text{Ca(OH)}_2 = \text{CaCO}_3\downarrow + \text{H}_2\text{O}$$

При дальнейшем пропускании углекислого газа жидкость снова станет прозрачной, карбонат кальция превратится в растворимый гидрокарбонат:

$$\text{CaCO}_3 + \text{CO}_2 + \text{H}_2\text{O} = \text{Ca(HCO}_3)_2$$

При нагревании растворимый гидрокарбонат кальция превращается в карбонат:

$$\text{Ca(HCO}_3)_2 \stackrel{t}{=} \text{CaCO}_3\downarrow + \text{H}_2\text{O} + \text{CO}_2\uparrow$$

Гидрокарбонаты можно перевести в карбонаты также действием избытка щёлочи:

$$\text{Ca(HCO}_3)_2 + \text{2NaOH} = \text{CaCO}_3\downarrow + \text{Na}_2\text{CO}_3 + \text{2H}_2\text{O}$$

Что при этом наблюдается?

При добавлении воды в пробирку с карбонатом натрия ($Na_2CO_3$) соль растворяется, образуя прозрачный раствор, так как карбонат натрия хорошо растворим в воде. В пробирке с карбонатом кальция ($CaCO_3$) при добавлении воды образуется мутная взвесь (суспензия), так как карбонат кальция практически нерастворим в воде.

При последующем добавлении соляной кислоты ($HCl$) в обе пробирки наблюдается бурная реакция с выделением пузырьков газа (вскипание). В пробирке с карбонатом кальция нерастворимый осадок также растворяется. Выделяющийся газ — это углекислый газ ($CO_2$).

Ответ: В пробирке с $Na_2CO_3$ соль растворяется в воде, а при добавлении $HCl$ выделяется газ. В пробирке с $CaCO_3$ соль не растворяется в воде, образуя осадок, который при добавлении $HCl$ растворяется с выделением газа.

Запишите уравнения соответствующих реакций в молекулярной и сокращенной ионной формах.

1. Реакция карбоната натрия с соляной кислотой:

• Молекулярное уравнение:
  $Na_2CO_3 + 2HCl \rightarrow 2NaCl + H_2O + CO_2\uparrow$
• Полное ионное уравнение:
  $2Na^+ + CO_3^{2-} + 2H^+ + 2Cl^- \rightarrow 2Na^+ + 2Cl^- + H_2O + CO_2\uparrow$
• Сокращенное ионное уравнение:
  $CO_3^{2-} + 2H^+ \rightarrow H_2O + CO_2\uparrow$

2. Реакция карбоната кальция с соляной кислотой:

• Молекулярное уравнение:
  $CaCO_3 + 2HCl \rightarrow CaCl_2 + H_2O + CO_2\uparrow$
• Полное ионное уравнение (учитывая, что $CaCO_3$ — нерастворимое вещество):
  $CaCO_3\downarrow + 2H^+ + 2Cl^- \rightarrow Ca^{2+} + 2Cl^- + H_2O + CO_2\uparrow$
• Сокращенное ионное уравнение:
  $CaCO_3\downarrow + 2H^+ \rightarrow Ca^{2+} + H_2O + CO_2\uparrow$

Ответ: Для $Na_2CO_3$: молекулярное $Na_2CO_3 + 2HCl \rightarrow 2NaCl + H_2O + CO_2\uparrow$; сокращенное ионное $CO_3^{2-} + 2H^+ \rightarrow H_2O + CO_2\uparrow$. Для $CaCO_3$: молекулярное $CaCO_3 + 2HCl \rightarrow CaCl_2 + H_2O + CO_2\uparrow$; сокращенное ионное $CaCO_3\downarrow + 2H^+ \rightarrow Ca^{2+} + H_2O + CO_2\uparrow$.

Имеет ли значение растворимость карбонатов в воде для реакции с более сильной соляной кислотой?

Растворимость карбонатов в воде не имеет принципиального значения для возможности протекания реакции с сильной кислотой, такой как соляная. Реакция происходит в обоих случаях, так как соляная кислота значительно сильнее угольной кислоты ($H_2CO_3$), соли которой (карбонаты) вступают в реакцию. Сильная кислота вытесняет более слабую (и неустойчивую) угольную кислоту из ее солей, независимо от их растворимости. Неустойчивая угольная кислота сразу разлагается на воду и углекислый газ. Таким образом, и растворимый карбонат натрия, и нерастворимый карбонат кальция будут реагировать с соляной кислотой. Растворимость может повлиять лишь на скорость реакции: реакция с раствором протекает быстрее, чем с твердым веществом.

Ответ: Нет, растворимость не имеет значения для возможности протекания реакции, так как сильная соляная кислота в любом случае вытеснит слабую угольную кислоту из ее солей.

Сделайте выводы из проделанной работы.

На основе проделанного опыта можно сделать следующие выводы:

1. Качественной реакцией на карбонат-ион ($CO_3^{2-}$) является его взаимодействие с сильной кислотой, в результате которого наблюдается выделение углекислого газа ($CO_2$).
2. Эта реакция характерна для всех карбонатов, как растворимых в воде (например, $Na_2CO_3$), так и нерастворимых (например, $CaCO_3$).
3. Суть реакции заключается во взаимодействии ионов водорода ($H^+$) из кислоты с карбонат-ионами ($CO_3^{2-}$) соли с образованием слабой и неустойчивой угольной кислоты, которая разлагается на воду и углекислый газ.

Ответ: Выделение газа при действии сильной кислоты является качественной реакцией на карбонат-ион, которая применима как к растворимым, так и к нерастворимым карбонатам.

Какой другой кислотой вы могли бы воспользоваться для проведения данной реакции?

Для проведения данной реакции можно использовать любую кислоту, которая сильнее угольной. Подойдут как сильные неорганические кислоты, так и некоторые органические кислоты.

Примеры:

• Азотная кислота ($HNO_3$)
• Серная кислота ($H_2SO_4$). Стоит отметить, что при реакции серной кислоты с карбонатом кальция образуется малорастворимый сульфат кальция ($CaSO_4$), который может покрыть поверхность исходного вещества и замедлить реакцию.
• Уксусная кислота ($CH_3COOH$). Хотя она и является слабой, но она сильнее угольной кислоты, поэтому реакция также будет протекать с выделением газа.

Ответ: Для проведения реакции можно воспользоваться азотной кислотой ($HNO_3$), серной кислотой ($H_2SO_4$) или уксусной кислотой ($CH_3COOH$).