Лабораторный опыт 8, страница 263 - гдз по химии 11 класс учебник Мычко, Прохоревич

Лабораторный опыт 8. Обнаружение ионов кальция в растворе

Реактивы: хлорид кальция, нитрат кальция, карбонат натрия, сульфат натрия.

1. В две пробирки налейте растворы хлорида и нитрата кальция. В обе пробирки добавьте раствор карбоната натрия. Обратите внимание на сходство осадков.

2. В две новые пробирки налейте растворы хлорида и нитрата кальция и добавьте раствор сульфата натрия. Обратите внимание на процесс образования осадков.

Сравните полученные осадки — карбонат и сульфат кальция.

Какой из реактивов — карбонат или сульфат натрия — предпочтительнее использовать для обнаружения ионов кальция?

1. При добавлении раствора карбоната натрия ($Na_2CO_3$) в пробирки с растворами хлорида кальция ($CaCl_2$) и нитрата кальция ($Ca(NO_3)_2$) в обоих случаях происходит реакция ионного обмена. Суть реакции заключается во взаимодействии ионов кальция $Ca^{2+}$ с карбонат-ионами $CO_3^{2-}$, что приводит к образованию белого осадка карбоната кальция ($CaCO_3$).

Уравнения реакций:

а) С хлоридом кальция:

Молекулярное: $CaCl_2 + Na_2CO_3 \rightarrow CaCO_3 \downarrow + 2NaCl$

Полное ионное: $Ca^{2+} + 2Cl^{-} + 2Na^{+} + CO_3^{2-} \rightarrow CaCO_3 \downarrow + 2Na^{+} + 2Cl^{-}$

б) С нитратом кальция:

Молекулярное: $Ca(NO_3)_2 + Na_2CO_3 \rightarrow CaCO_3 \downarrow + 2NaNO_3$

Полное ионное: $Ca^{2+} + 2NO_3^{-} + 2Na^{+} + CO_3^{2-} \rightarrow CaCO_3 \downarrow + 2Na^{+} + 2NO_3^{-}$

Для обеих реакций сокращенное ионное уравнение одинаково и показывает суть процесса:

$Ca^{2+} + CO_3^{2-} \rightarrow CaCO_3 \downarrow$

В обеих пробирках наблюдается выпадение одинакового по внешнему виду белого мелкокристаллического (или аморфного) осадка, который образуется практически мгновенно. Это подтверждает, что реакция характерна именно для иона кальция, независимо от аниона (хлорида или нитрата).

Ответ: При добавлении раствора карбоната натрия к растворам хлорида и нитрата кальция в обеих пробирках образуется идентичный белый осадок карбоната кальция ($CaCO_3$). Сходство осадков объясняется тем, что в обоих случаях протекает одна и та же реакция между ионами кальция и карбонат-ионами.

2. При добавлении раствора сульфата натрия ($Na_2SO_4$) к растворам солей кальция также происходит реакция ионного обмена, в результате которой образуется осадок сульфата кальция ($CaSO_4$).

Уравнения реакций:

а) С хлоридом кальция:

$CaCl_2 + Na_2SO_4 \rightarrow CaSO_4 \downarrow + 2NaCl$

б) С нитратом кальция:

$Ca(NO_3)_2 + Na_2SO_4 \rightarrow CaSO_4 \downarrow + 2NaNO_3$

Сокращенное ионное уравнение для обеих реакций:

$Ca^{2+} + SO_4^{2-} \rightarrow CaSO_4 \downarrow$

Сульфат кальция — это белый кристаллический осадок (известен в природе как гипс). Важной особенностью сульфата кальция является его малая, но заметная растворимость в воде (около 2 г/л). Из-за этого процесс образования осадка может быть не таким быстрым, как в случае с карбонатом. В разбавленных растворах сначала может наблюдаться лишь помутнение (опалесценция), и лишь со временем формируется отчетливый осадок. Иногда для ускорения процесса пробирку требуется потереть стеклянной палочкой о внутреннюю стенку.

Ответ: При добавлении раствора сульфата натрия к растворам солей кальция в обеих пробирках образуется белый кристаллический осадок сульфата кальция ($CaSO_4$). Процесс образования этого осадка может быть более медленным по сравнению с карбонатом кальция из-за большей растворимости сульфата кальция.

Сравните полученные осадки — карбонат и сульфат кальция. Какой из реактивов — карбонат или сульфат натрия — предпочтительнее использовать для обнаружения ионов кальция?

Основное различие между осадками карбоната кальция ($CaCO_3$) и сульфата кальция ($CaSO_4$) заключается в их растворимости в воде, что является ключевым фактором для качественного анализа.

Карбонат кальция ($CaCO_3$) является практически нерастворимым соединением. Его произведение растворимости (ПР) очень мало: $ПР(CaCO_3) \approx 3.3 \times 10^{-9}$ моль²/л². Это обеспечивает быстрое и полное выпадение осадка даже из растворов с низкой концентрацией ионов $Ca^{2+}$.

Сульфат кальция ($CaSO_4$) является малорастворимым соединением. Его произведение растворимости значительно больше: $ПР(CaSO_4) \approx 4.93 \times 10^{-5}$ моль²/л². Это означает, что для начала осаждения требуется более высокая концентрация ионов в растворе, и осаждение может быть неполным.

Для качественного обнаружения иона важно, чтобы реакция была как можно более чувствительной, то есть позволяла обнаружить ион при его минимальном содержании. Чувствительность реакции напрямую зависит от того, насколько малорастворимо образующееся соединение.

Поскольку $CaCO_3$ гораздо менее растворим, чем $CaSO_4$, реакция с карбонат-ионами является более чувствительной. Она дает быстрый, обильный и хорошо заметный осадок, что делает её более надежным и предпочтительным методом для обнаружения ионов кальция в растворе.

Ответ: Для обнаружения ионов кальция предпочтительнее использовать раствор карбоната натрия. Это связано с тем, что образующийся продукт реакции, карбонат кальция ($CaCO_3$), значительно менее растворим в воде, чем сульфат кальция ($CaSO_4$). Это обеспечивает более высокую чувствительность и наглядность анализа, позволяя обнаружить даже малые количества ионов кальция в растворе.