Химия для любознательных. Основы химии и занимательные опыты

Аммиачный фонтан

Аммиак — бесцветный газ. Он раздражает дыхательные пути, а в больших концентрациях ядовит. Аммиак легче воздуха, 1 л газа весит 0,7709 г. Он чрезвычайно хорошо растворяется в воде, и в этом мы сейчас убедимся на опыте.

Из продажного 25%-ного раствора аммиака (гидроксида аммония, NH₄OH, нашатырного спирта) выделим при нагревании аммиак, который соберем в сухую круглодонную колбу. (Ни в коем случае нельзя использовать плоскодонную или эрленмейеровскую колбу! Эти сосуды не выдерживают вакуума и взрываются. Для этого опыта удобно также использовать нижние части склянок для промывания газов.) Затем закроем колбу резиновой пробкой, в отверстие которой вставлена оттянутая на конце стеклянная трубка. Большой химический стакан наполним водой с несколькими каплями фенолфталеина. Многократно погружая горлышко колбы в этот раствор, попытаемся ввести внутрь колбы через трубку несколько капель воды. Благодаря большой растворимости аммиака (в 1 объеме воды при 20 ⁰С растворяется 702 объема аммиака) большая часть газа растворится. В колбе возникнет разрежение, и внешнее давление воздуха выбросит с большой силой воду из химического стакана в колбу. Красная окраска индикатора в колбе указывает на наличие там основной среды.

Получим азотную кислоту

С помощью каталитического окисления (метод Оствальда) можно перевести аммиак в азотную кислоту. На химическом комбинате Биттерфельд, смесь аммиака и воздуха с большой скоростью пропускают над платино-кобальтовым катализатором. Возникающий при этом бесцветный монооксид азота NO сначала превращается на воздухе в коричневый диоксид азота NO₂, а затем при действии кислорода и воды — в азотную кислоту:

4NH₃ + 5O₂  4NO + 6H₂O

4NO+ 2O₂  4NO₂

4NO₂ + O₂ + 2Н₂О  4HNO₃

Мы же соберем установку, изображенную на рисунке.

Для того, чтобы приготовить катализатор, добавим по каплям раствор хлорида железа (III) к раствору гидроксида аммония. При этом выпадает коричневый осадок гидроксида железа (III). Отфильтруем его, промоем на фильтре холодной водой, смешаем сырую еще массу с асбестом (можно отщипнуть волокна от подставки под утюг, использовать кусочек асбестового шнура и т.п.) и сильно прокалим массу. При этом на асбесте выделится оксид железа (III).

Пропустим сначала через установку поток воздуха (кран I открыт, кран II закрыт) с помощью водоструйного насоса (в крайнем случае достаточно применить для отсоса воздуха резиновый вентилятор) и сильно нагреем катализатор. Затем закроем кран I и откроем кран II. Поток воздуха увлекает аммиак, который после сушки в U-образной трубке с негашеной известью СаО окисляется на катализаторе с образованием оксида азота. А он, взаимодействуя в конической колбе (так называемая колба Эрленмейера) с кислородом воздуха, превращается в диоксид. Наконец, в пробирке с боковой насадкой образуется азотная кислота. Хотя она очень разбавлена, мы можем обнаружить кислую среду с помощью лакмусовой бумажки, а наличие нитрат-иоиов — как описано в разделе «Анализ минеральных удобрений».

Азотная кислота — бесцветная, очень едкая жидкость. Концентрированная кислота, 69,2%-ная HNO₃ с плотностью 1,41 г/м³, относительно легко отдает кислород. Поэтому она является сильным окислителем. Благодаря этому свойству она растворяет различные неактивные металлы, такие как медь, ртуть и серебро. Золото она не разрушает, поэтому можно отделить золото от серебра с помощью азотной кислоты. Однако смесь одной объемной части концентрированной азотной кислоты и трех объемных частей соляной кислоты — царская водка — растворяет и золото и платину.

Если мы хотим получить азотную кислоту более высокой концентрации, то смешаем в реторте 56 г сухой тонкораспыленной калийной селитры КNО₃ с 32 мл концентрированной серной кислоты и перегоним получившуюся кислоту в хорошо охлаждаемый сборник. Если реторта с тубусом, закроем его корковой пробкой, обернутой алюминиевой фольгой. Горло реторты опустим как можно глубже в сборник, который будем охлаждать в стакане с ледяной водой или в проточной водопроводной воде. Для этой цели поместим сборник в воронку и укрепим над ретортой шланг, в который подается холодная вода. Из воронки с помощью шланга отведем холодную воду в ведро или раковину. На окончание опыта укажет выделение коричневых ядовитых паров NO₂:

2KNO₃ + Н₂SО₄  К₂SО₄ + 2HNO₃

Раньше азотную кислоту только таким методом и получали. Исходным продуктом служил встречающийся в Чили в больших количествах нитрат натрия NaNO₃ (натриевая, или чилийская селитра).

С помощью нескольких опытов мы можем познакомиться с важнейшими свойствами диоксида углерода, который является ангидридом угольной кислоты:

Н₂О + СО₂ = Н₂СО₃

Известно, что многие кислоты образуются в результате взаимодействия оксидов неметаллов с водой. Ангидриды — это химические соединения, которые возникают из других соединений при отделении воды, и, наоборот, переходят в исходные соединения при поглощении воды. Угольная кислота в чистом виде не существует. Равновесие изображенной выше реакции сильно сдвинуто в сторону исходных продуктов. Угольная кислота диссоциирует в две стадии и образует сначала гидрокарбонат-, затем карбонат-ионы:

Н₂СО₃ = Н⁺ +НСО₃^-

НСО₃^- = Н⁺ + СО₃^2-

Соответствующие соли называются гидрокарбонаты и карбонаты. Сложим оба равенства, в результате получим:

H₂CO₃ = 2H⁺ + CO₃^2-

Если записать равновесие диссоциации в виде закона действия масс, то константа диссоциации будет иметь вид:

K=C²(H⁺)*C(CO₃^2-)/C(H₂CO₃)

причем ее точное значение при 25 °С составит 2,4*10^-16 моль²/л². Из этого следует, что угольная кислота относится к слабым электролитам, то есть к таким, чья константа диссоциации меньше 10^-4 моль²/л².