Соединения азота
Лабораторная работа
Тема: «Соединения азота»
Анализ содержания экспериментальной части программы по
данной теме свидетельствует, что большинство продуктов реакций являются
минеральными удобрениями. Утилизировать отходы можно по следующей схеме:
продукты реакции сильно разбавить водой, кислые смеси нейтрализовать
известковой водой до слабого окрашивания с фенолфталеином, затем растворы
использовать в качестве подкормки комнатных растений или подкормки растений на
пришкольном участке. Работы, в которых используют серную кислоту, соединения
меди, снабжены указаниями по утилизации продуктов реакции.
Опыт №1.
Получение азота взаимодействием хлорида аммония с нитритом натрия
Оборудование
и реактивы: Хлорид аммония, нитрит натрия, водяная баня, плитка, колба Вюрца,
капельная воронка, пробирки, кристаллизатор с водой, стеклянные и резиновые
газоотводные трубки, шпатель.
Уравнения реакций:
NH4Cl + NaNO2 ® NH4NO2 + NaCl,
NH4NO2 ®
2 H2O + N2
– при нагревании
Ход
работы:
На холоде готовят насыщенный раствор хлорида аммония (на 100 мл воды – 35 г. соли)
и нитрита натрия (на 80 мл воды берут 50 г. соли). Колбу с газоотводной трубкой
заполняют на 1/3 объема раствором хлорида аммония и закрывают пробкой с
капельной воронкой, в которую наливают раствор нитрита натрия. Колбу нагревают
на водяной бане и по каплям наливают раствор нитрита натрия к раствору хлорида
аммония. Когда воздух из колбы будет вытеснен, азот собирают над водой в
газометр, цилиндр или пробирку. Для равномерного выделения газа не стоит
перегревать колбу и прибавлять слишком много нитрита натрия, иначе реакция идет
очень бурно, происходит энергичное вспенивание. Если реакция будет идти бурно,
то колбу опускают в холодную воду. Проверить качественной реакцией, что в
пробирку собран азот. Для этого опускают в сосуд с азотом горящую лучинку. Она
гаснет. Объясните, как отличить качественной реакцией азот от углекислого газа?
Техника
безопасности: Проверить исправность, целостность шнура, вилки, электроплитки
Примечание: Смесь для получения
азота можно использовать повторно.
Опыт №2.
Растворение аммиака в воде
Оборудование
и реактивы: U-образная
трубка, трубка заполненная активированным углем, раствор фенолфталеина, вода,
штатив с лапкой, спиртовка, спички, пробка, пробирка, хлорид аммония, гидроксид
кальция, газоотводная трубка, ступка с пестиком, шпатель.
Ход
работы:
Собрать прибор согласно рис. 12.
Уравнения
реакций: 2NH4Cl + Ca(OH)2 ® CaCl2 +2NH3+2H2O (нагревание).
NH3 + H2O ® NH4OH
Пробирку-реактор
на 1/3 объема заполняют смесью равных порций сухих хлорида аммония и гидроксида
кальция (предварительно тонко измельченных и перемешанных). В U-образную трубку наливают
воду с добавлением нескольких капель фенолфталеина (воды, примерно, 1/5 высоты
колена). U-образную
трубку и пробирку соединяют резиновой трубкой, пробирку-реактор нагревают. О
ходе реакции и выделения аммиака судят по изменению окраски воды в U-образной трубке, она
становится малиновой. Избыток токсичного аммиака поглощается активированным углем
в стеклянной трубке.
Техника
безопасности. 1. Использовать трубку с активированным углем в целях избежания
попадания аммиака в помещение. 2. Дно пробирки – реактора в лапке штатива
несколько приподнято во избежание стекания капель воды, образующихся в результате
реакции, и растрескивания пробирки.
Опыт №3.
Синтез аммиака
Оборудование
и реактивы: Штатив с лапкой, пробирка-реактор, пробка, газоотводная трубка,
пробирка с водой, насыщенные растворы нитрита натрия и хлорида аммония, цинк
гранулированный, серная кислота (1:5), железный порошок, вата, спиртовка,
спички, фенолфталеин, стеклянная трубка, пипетка, вода, фарфоровая чашка,
шпатель.
Ход
работы:
В сухую пробирку вставляют резиновый диск, вырезанный из пробки толщиной 0,3 см.
Диск срезают на 1/3 его диаметра. На дно пробирки наливают пипеткой серную
кислоту (1:5) и кладут несколько гранул цинка. На диск внутри пробирки помещают
ватный тампон, смоченный смесью насыщенных растворов нитрита натрия и хлорида
аммония. Пробирку закрывают пробкой с газоотводной трубкой. В горизонтальную
часть трубки помещают катализатор – порошок восстановленного железа. Конец
газоотводной трубки опускают в пробирку с небольшим количеством воды и 3–4
каплями фенолфталеина. Для начала реакции сильно нагревают железный порошок в
газоотводной трубке. За это время выделяющийся по реакции цинка с серной
кислотой водород вытеснит воздух из системы. Затем умеренно прогревают вату с
растворами нитрита натрия и хлорида аммония и вновь прогревают железо. Это
повторяется периодически до тех пор, пока вода в приемнике не окрасится в
малиновый цвет. Выразить процессы уравнениями реакций.
Утилизация: В
пробирке-реакторе осталась смесь ZnSO4 и H2SO4. Переработка смеси описана в теме: «Теория
электролитической диссоциации», опыт №1.
Опыт №4. Получение хлорида аммония
Вариант (а).
Оборудование и реактивы:
U-образная
трубка, пробка со стеклянной трубкой и влажным активированным углем, газоотводная
трубка, пробка, вода, хлорид аммония (крист.), гидроксид кальция (крист.),
соляная кислота (конц.), спиртовка, спички, ступка с пестиком, шпатель.
Ход работы: Смочить U-образную
трубку концентрированной соляной кислотой. В пробирку поместить измельченную и
перемешанную смесь равных частей кристаллических хлорида аммония и гидроксида
кальция на 2/3 ее высоты. Герметично соединить все элементы прибора. Нагреть
смесь веществ в пробирке. Идут следующие химические процессы:
2NH4Cl + Ca(OH)2 ® 2NH4OH + CaCl2; NH4OH ® NH3 + 2H2O
Аммиак, попавший в U-образную трубку,
взаимодействует с соляной кислотой. Появляется белый дым хлорида аммония.
Нагревание прекращают.
HCl + NH3 ® NH4Cl
Техника безопасности:
1. Мыть сосуды установки после охлаждения под тягой или на улице. 2. Пробирку-реактор
закрепляют в лапке штатива так, чтобы дно располагалось выше отверстия.
Вариант (б).
Оборудование и реактивы:
Два одинаковых цилиндра или стакана, две стеклянные пластинки, раствор аммиака
(конц.), соляная кислота (конц.).
Ход работы: Один
цилиндр или стакан ополаскивают концентрированным раствором аммиака, другой
цилиндр – концентрированным раствором соляной кислоты. Обе емкости закрывают
стеклянными пластинами, затем подносят отверстиями друг к другу, после чего
убирают стеклянные пластины. Цилиндр заполняется белым дымом.
Техника безопасности:
Цилиндры смачивать концентрированными растворами соляной кислоты и аммиака под
тягой.
Опыт №5.
Горение аммиака в кислороде
Вариант
(а).
Оборудование
и реактивы: Штатив с лапкой и кольцом, прокладки резиновые, круглодонная
колба, пробка, патрубок с пробкой и двумя отверстиями в ней, спиртовка, спички,
кислород, раствор аммиака (25%), лучина.
Ход работы: Колбу, заполняют на 1/5
объема концентрированным аммиаком, ставят на асбестовую сетку, закрывают
пробкой с прямой газоотводной трубкой, зауженный конец которой проходит через
пробку с патрубком (длина трубки 10–15 см). Колбу с концентрированным
аммиаком слабо нагревают. Когда появляется запах аммиака, включают ток
кислорода. Заполнение патрубка кислородом определяют тлеющей лучинкой, пламенем
которой и поджигают аммиак. Он горит зеленоватым пламенем. Если прекратить
подачу кислорода, то пламя аммиака гаснет. Пламя горящего аммиака может
сбиваться слишком сильным током аммиака.
Техника
безопасности: Смесь аммиака с кислородом – взрывоопасна. Не допускать сильного
нагревания раствора аммиака в колбе и, таким образом, не допускать сильного
тока аммиака.
Вариант
(б).
Оборудование
и реактивы: Химический стакан на 500 мл, пробирка круглодонная, штатив с
лапкой, прокладки резиновые, пробки с изогнутой газоотводной трубкой, кислород,
лучинки, хлорид аммония (кристал.), гидроксид кальция (кристал.), ступка с
пестиком, шпатель.
Техника
безопасности: Пробирку-реактор расположить в штативе так, чтобы дно было выше
отверстия.
Опыт №6.
Получение азотной кислоты из нитратов
Оборудование
и реактивы: Спиртовка, спички, пробирка Вюрца, химический стакан, лед, трубка
с активированным углем, кристаллический нитрат натрия, концентрированная серная
кислота, соединительная газоотводная трубка, пробирка-реактор, шпатель.
Ход
работы:
В пробирку–реактор с газоотводной трубкой помещают кристаллический нитрат
натрия (примерно две ложечки для сжигания) и смачивают концентрированной серной
кислотой. Пробирку соединяют короткой резиновой трубкой с сосудом Вюрца,
которую помещают в стакан со льдом. В отросток пробирки Вюрца через резиновый
шланг вставлена стеклянная трубка, заполненная активированным углем. При
нагревании смеси концентрированной серной кислоты и кристаллического нитрата
натрия в пробирке–реакторе получаются пары азотной кислоты, которые переходят в
пробирку Вюрца. Там пары конденсируются и на дне накапливается безводная
азотная кислота. Она имеет оранжевый цвет из-за растворенного в ней оксида
азота (IV).
Техника
безопасности: 1. Резиновые шланги использовать каждый раз новые, т. к. они
разрушаются горячей азотной кислотой. 2. Не держать руками спиртовку под
нагреваемой пробиркой-реактором. 3. Пробирка-реактор должна быть без дефектов.
4. Рекомендуется проводить опыт в реторте.
Утилизация: Пробирку-реактор со
смесью NaNO3 и H2SO4 поместить в кристаллизатор с известковым молоком. Довести раствор
до нейтральной среды по фенолфталеину. Сильно разбавить водой и использовать
для подкормки комнатных растений.
Опыт №7.
Взаимодействие концентрированной азотной кислоты с медью
Оборудование
и реактивы: Пробирка демонстрационная, хлоркальциевая трубка, заполненная
прокаленным активированным углем, порошок или стружки меди, концентрированная
азотная кислота, штатив с лапкой, резиновые прокладки, шпатель.
Ход
работы:
Собрать установку согласно рис. 17. В пробирку поместить медный порошок (со
спичечную головку) и залить концентрированной азотной кислотой. Пробирку быстро
закрыть пробкой с хлоркальциевой трубкой и активированным углем. Наблюдать
происходящие процессы. Записать уравнение реакции. Процесс вести до полного
растворения меди.
Техника
безопасности: Азотную кислоту наливать под тягой.
Утилизация: В пробирке-реакторе
осталась смесь HNO3 и Cu(NO3)2. Перенести содержимое в стакан с водой и добавлять
малыми порциями малахит до прекращения растворения малахита:
(CuOH)2CO3 + 4HNO3 ® 2Cu(NO3)2 + CO2 + 3H2O.
Раствор нитрата меди отделить фильтрованием от остатка
малахита, промыть малахит на фильтре, высушить. Фильтрат упарить до
концентрированного раствора (можно путем длительного, естественного испарения воды
из раствора в химическом стакане). Раствор Cu(NO3)2 использовать в качестве лабораторного
реактива.
Опыт №8. Превращение оксида азота (II) в оксид
азота (IV)
Оборудование и реактивы:
Круглодонная колба, капельная воронка, пробка с двумя отверстиями, газоотводная
трубка, кристаллизатор с водой, цилиндр, спиртовка, спички, медь (стружки),
азотная кислота (1:1), стеклянная пластина, шпатель.
Ход работы: В колбу
помещают стружки меди и приливают из капельной воронки раствор азотной кислоты
(1:1). Для начала опыта раствор в колбе можно слабо подогреть спиртовкой. Колба
содержит кислород воздуха, поэтому выделяющийся бесцветный оксид азота (II) частично
окисляется до бурого оксида азота (IV). Смесь газов из оксида азота (II) и оксида азота (IV) собирают
через некоторое время в цилиндре над водой. Оксид азота (IV)
растворяется в воде, а бесцветный газ заполняет цилиндр. После полного или
частичного заполнения, цилиндр переворачивают, закрывают отверстие стеклянной
пластинкой. Затем убирают пластину, бесцветный оксид азота (II) при
контакте с кислородом воздуха окисляется, превращаясь в оксид азота (IV) бурого
цвета. Напишите уравнения химических реакций, объясните происходящие явления.
Техника безопасности:
Работу выполнять под тягой, оксиды азота токсичные.
Утилизация: См. опыт №7.
Предворительно удаляют медь из раствора.
Оборудование и реактивы:
Плоскодонная колба, пробка со вставленной медной проволокой, на конце которой
намотан клубок из медной проволоки, спиртовка, спички, резиновая пробка для
колбы, концентрированный раствор аммиака.
Ход работы: Внутренние
стенки колбы смачивают раствором аммиака и закрывают пробкой. Прокаливают
проволоку на спиртовке до красного каления (свечения) и быстро, открыв колбу,
вносят медный клубок в колбу. Колбу закрывают плотно пробкой с медной
проволокой. Некоторое время медный клубок остается раскаленным, что указывает
на экзотермичность каталитической реакции окисления аммиака:
4NH3 + 5O2 ® 4NO + 6H2O + Q
Через некоторое время над раствором аммиака на дне колбы
появляется белый дым. Объясните явление, выразите уравнениями реакций.
Техника безопасности:
Колбу открывать под тягой, разбавить содержимое водой, использовать очень
разбавленный раствор продуктов реакции для полива комнатных растений.