Реактивы и оборудование: алюминий (гранулы), оксид меди (II), твёрдый карбонат кальция, 10 %-ые растворы: карбоната натрия, хлорида железа (III), сульфата алюминия, концентрированный раствор хлорида железа (III); пробирки, спиртовка, спички.

Ход работы: Учащиеся получают задание: выполнить 5 опытов.

Опыт 1. Поместить гранулу алюминия в раствор карбоната натрия и нагреть реакционную смесь.

Опыт 2. Поместить гранулу алюминия в раствор хлорида железа(III) и нагреть реакционную смесь.

Опыт 3. Поместить в концентрированный раствор хлорида железа(III) кусочек карбоната кальция.

Опыт 4. Поместить в раствор сульфата алюминия немного (на кончике шпателя) оксида меди(II) и нагреть смесь.

Опыт 5. Учащимся предлагается более сложное задание.

УЧИТЕЛЬ. Вы знаете, что металлы, основные оксиды и нерастворимые соли могут взаимодействовать с растворами средних солей, хотя на первый взгляд это противоречит теоретическим представлениям. Подумайте, какую еще необычную для средних солей реакцию можно провести. Проведите ее и объясните наблюдаемые явления (о п ы т 5).

Учитель предлагает проанализировать продукты реакции, объяснить происходящие явления, написать уравнения соответствующих реакций.

Обсуждение результатов эксперимента

Опыт 1. Соль Na2CO3 в растворе подвергается гидролизу по аниону:

CO32– + H2O <=>HCO3– + OH–,

Na2CO3 + Н2O <=>NaHCO3 + NaOH. (1)

Амфотерный оксид алюминия, образующий защитную пленку на поверхности алюминия, взаимодействует со щелочью, полученной по уравнению (1):

Al2O3 + 2NaOH + 3H2O = 2Na[Al(OH)4]. (2)

Алюминий, лишенный оксидной пленки, взаимодействует с водой:

2Al + 6H2O = 2Al(OH)3 ↓ + 3H2. (3)

Гидроксид алюминия, образовавшийся в реакции (3), взаимодействует с гидроксидом натрия, полученным по реакции (1), т.к. Al(OH)3 – амфотерный гидроксид:

Al(OH)3 + NaOH = Na[Al(OH)4], (4)

Al(OH)3 + OH– = [Al(OH)4]–.

Поскольку гидроксид-ионы связываются гидроксидом алюминия, равновесие гидролиза (1) смещается вправо, идет вторая ступень гидролиза:

HCO3– + H2O <=>OH– + H2CO3 (H2O + CO2),

NaHCO3 + H2O <=>NaOH + H2CO3 (H2O + CO2). (5)

В ходе эксперимента учащиеся наблюдают выделение газов, которые представляют собой смесь водорода и углекислого газа.

Кроме того, наблюдается выпадение осадка. Если раствор карбоната натрия был разбавленным и взят не в избытке, то этот осадок не растворяется до конца. Поэтому есть возможность проанализировать этот осадок.

Учащиеся предполагают, что в осадке Al2(CO3)3. Однако при добавлении кислоты к осадку, промытому от раствора Na2CO3, углекислый газ не выделяется. Надо догадаться, что осадок – Al(OH)3. Гидроксид алюминия – амфотерный, он должен взаимодействовать и с кислотами, и со щелочами. При экспериментальной проверке, действительно, осадок растворяется и в соляной кислоте, и в растворе гидроксида калия:

Al(OH)3 + 3HCl = AlCl3 + 3H2O,

Al(OH)3 + 3H+ = Al3+ + 3H2O;

Al(OH)3 + KOH = K[Al(OH)4],

Al(OH)3 + OH– = [Al(OH)4]–.

Мы считаем, что не следует писать суммарное уравнение реакции алюминия с карбонатом натрия. Достаточно обсудить процессы, которые идут в исследуемой системе, описанные уравнениями реакций (1–5).

Опыт 2. Алюминий реагирует с раствором хлорида железа(III). Во-первых, алюминий более активный металл, чем железо, поэтому алюминий вытесняет железо из раствора его соли:

Al + FeCl3 = AlCl3 + Fe.

В осадке можно обнаружить частички железа, например, с помощью магнита.

Кроме того, было замечено выделение газа, и в осадке наряду с частицами железа обнаружены бурые частицы другого вещества. Анализ газа (характерный хлопок при поджигании) показал, что этот газ – водород.

Логично предположить, что хлорид железа(III) подвергается гидролизу по катиону:

Fe3+ + H2O <=>FeOH2+ + H+,

FeCl3 + H2O <=>FeOHCl2 + HCl. (1)

Получившаяся в результате реакции (1) кислота взаимодействует с алюминием и с образующимся железом с выделением водорода:

2Al + 6HCl = 2AlCl3 + 3H2, (2)

2Al + 6H+ = 2Al3+ + 3H2;

Fe + 2HCl = FeCl2 + H2, (3)

Fe + 2H+ = Fe2+ + H2.

Алюминий и железо связывают ионы H+, равновесие гидролиза смещается в сторону его продуктов, гидролиз идет по 2-й и 3-й ступеням:

FeOH2+ + H2O <=>Fe(OH)2+ +H+,

FeOHCl2 + H2O <=>Fe(OH)2Cl + HCl;

Fe(OH)2+ + H2O <=>Fe(OH)3↓ + H+,

Fe(OH)2Cl + H2O <=>Fe(OH)3↓ + HCl.

Следовательно, бурые частицы осадка – это гидроксид железа(III), не растворимый в воде и щелочах, но растворимый в кислотах. Это можно проверить экспериментально:

2Fe(OH)3 + 3H2SO4 = Fe2(SO4)3 + 6H2O,

Fe(OH)3 + 3H+ = Fe3+ + 3H2O.

В растворе щелочи осадок Fe(OH)3 не растворяется.

Опыт 3. Учащиеся знают, что нерастворимые соли (СaCO3) не должны взаимодействовать с другими солями. Однако в системе FeСl3 + CaCO3 они наблюдают бурное выделение газа и выпадение бурого осадка. Для выяснения, какой это газ, в реакционную пробирку вносят горящую лучину, она гаснет. Следовательно, выделяющийся газ – CO2. Анализ осадка проводят аналогично опыту 2. Итак, при взаимодействии FeCl3 c CaCO3 образовались углекислый газ и гидроксид железа(III). Учащиеся объясняют, что образовавшаяся при гидролизе FeCl3 соляная кислота реагирует с CaCO3:

FeCl3 + H2O <=>FeOHCl2 + HCl,

Fe3+ + H2O <=>FeOH2+ + H+;

2HCl + CaCO3 = CaCl2 + H2O + CO2,

2H+ + CaCO3 = Ca2+ + H2O + CO2.

Поскольку ионы H+ реагируют с CaCO3, то гидролиз FeCl3 идет по 2-й и 3-й ступеням:

FeOH2+ + H2O <=>Fe(OH)2+ + H+,

Fe(OH)2+ + H2O <=>Fe(OH)3 + H+.

Опыт 4. Учащиеся замечают изменение окраски раствора. Бесцветный раствор становится голубым, что явно свидетельствует о появлении в растворе гидратированных ионов меди Cu2+. Как это объяснить, если известно, что средние соли не реагируют с основными оксидами?

Сульфат алюминия гидролизуется по катиону:

Al3+ + H2O <=>AlOH2+ + H+,

Al2(SO4)3 + 2H2O <=>2AlOHSO4 + H2SO4;

AlOH2+ + H2O <=>Al(OH)2+ + H+,

2AlOHSO4 + 2H2O <=> (Al(OH)2)2SO4 + H2SO4.

Образующаяся серная кислота при нагревании взаимодействует с оксидом меди(II). Ионы Cu2+ переходят в раствор и придают ему голубую окраску.

CuO + H2SO4 = СuSO4 + H2O,

CuO + 2H+ = Сu2+ + H2O.

Учащиеся анализируют раствор на содержание ионов Cu2+. Для этого прибавляют к фильтрату раствор щелочи, наблюдается выпадение голубого осадка: