Практические навыки в химии II

WCH16 включает лабораторную работу Единиц 4 и 5 и требует её защиты: какой это катион, когда два осадка выглядят одинаково, почему объем одного реагента не должен быть точным, какие титры входят в среднее значение и какова ценность наклона прямой линии в кДж·моль⁻¹. Работа вознаграждает химика, знающего почему каждый шаг произошел — и она с удовольствием проверит схему дословно.

WCH16/01 Практические навыки в химии II длится 1 час 20 минуты, оценивается в 50 баллов, все задания обязательны, в основном по разделам 4–5, но можно использовать материалы разделов 1–2. Оцениваемые способности соответствуют разделу 3 — практическое решение задач, методы, математические вычисления, оборудование — теперь применяемые к равновесиям, кинетике, переходным металлам и органическому синтезу.

С водным гидроксидом натрия: Cu²⁺ даёт бледно-голубой осадок (темно-синий раствор в избытке аммиака); Fe²⁺ — зелёный осадок, буреющий на воздухе; Fe³⁺ — ржаво-коричневый осадок; Mn²⁺ — бледно-коричневый осадок, темнеющий при стоянии — катион 2025 бумаги; NH₄⁺ осадка не образует, но при нагревании выделяется аммиак, окрашивающий влажную красную лакруму в синий цвет. Ионные уравнения могут быть записаны в любом виде:

Растворение гидроксида железа(III) в серной кислоте даёт желто-коричневый $[\mathrm{Fe(H_2O)_6}]^{3+}$ комплекс. Неизвестное вещество с $M_r$ 197.9 и анализом Mn²⁺/Cl⁻ представляет собой MnCl₂·4H₂O: $197.9 - (54.9 + 71.0) = 72.0 = 4 \times 18.0$. Соль, содержащая два катиона (зелёный осадок + аммиак при нагревании + белый осадок с подкисленным хлоридом бария), — это соль Мора, (NH₄)₂Fe(SO₄)₂.

Тиосульфат добавляют в малом известном количестве к смеси перодисульфата и йодида: он реагирует с образующимся йодом ($2\mathrm{S_2O_3^{2-}} + \mathrm{I_2} \rightarrow \mathrm{S_4O_6^{2-}} + 2\mathrm{I^-}$), поэтому изменение цвета запаздывает до полного расхода тиосульфата (реакция «часов») — затем следующая порция йода окрашивает крахмал в сине-чёртый (из бесцветного). Поскольку в каждой точке конца титрования накапливается одно и то же малое количество йода, $1/t$ пропорциональна начальной скорости. В схеме 2025 скрыты два балла за технику: бюретка (а не мерный цилиндр) добавляет даже крахмал, так как сохранение общего объёма одинаковым обеспечивает постоянство концентраций реагентов между опытами — а не потому, что бюретки точнее; обе пробирки выдерживают в водяной бане перед смешиванием, при этом температуру фиксируют в самой реакционной смеси.

Заполнение таблицы требует арифметической дисциплины: $T(\mathrm{K}) = T(^\circ\mathrm{C}) + 273$, $1/t$ до 3 значащих цифр, $\ln(1/t)$ до 2 знаков после запятой. Прямая линия зависимости $\ln(1/t)$ от $1/T$ имеет наклон $m = -E_a/R$, где $E_a$ — это энергия активации:

Положительное значение, кДж моль⁻¹, без знака минус — знак уже заложен в наклоне графика.

Опыт с гидроксидом кальция демонстрирует полную цепочку. Зачем ждать день? Чтобы достичь равновесия — насыщенного раствора. Индикатор: метилоранж (жёлтый → оранжевый) или фенолфталеин (розовый → бесцветный). Титры 9.95, 9.55 и 9.45 см³: первый не является согласованным и исключается — среднее $= (9.55 + 9.45)/2 = 9.50$ см³. Ожидаемый титр 0.100 моль дм⁻³ HCl из справочных данных о растворимости (1.56 г дм⁻³):

Средний титр меньше ожидаемого, учитывая, что растворимость снижается с ростом температуры, означает, что опыт проводился при температуре выше, чем 20 °C. Наконец $K_c = [\mathrm{Ca^{2+}}][\mathrm{OH^-}]^2 = 0.0190 \times (0.0380)^2 = 2.74 \times 10^{-5}\ \mathrm{mol^3\,dm^{-9}}$ — единицы выводятся, а не запоминаются.

Приготовление бензоата фенила (бензоилхлорид + фенол в гидроксиде натрия) является эталонным примером.

• Безопасность: перчатки при взвешивании фенола (токсичен через кожу); вытяжной шкаф, так как бензоилхлорид токсичен при вдыхании.
• Почему объем может быть неточным: покажите расчетом, какой реагент находится в недостатке. $9\ \mathrm{cm^3} \times 1.21 = 10.89$ г $= 0.0775$ моль бензоилхлорида против $5.00/94.0 = 0.0532$ моль фенола — бензоилхлорид находится в избытке, поэтому его точный объем не влияет на выход продукта.
• Промывание водой удаляет растворимые примеси: избыток бензоилхлорида (гидролизованного), HCl, NaOH, NaCl. Никогда не говорите «нерастворимые примеси» — схема это отвергает.
• Перекристаллизация: растворяют в минимальном объёме горячего растворителя — при 60 °C, ниже точки кипения этанола и, что важно, ниже температуры плавления продукта (71 °C), чтобы кристаллы не расплавились; охлаждают в ледяной воде; фильтруют; промывают холодным растворителем, который удаляет растворимые примеси, пока кристаллы почти не растворяются. Резкая температура плавления, соответствующая справочному значению, подтверждает чистоту.

Разбор проверки (выход). $n$(фенол) $= 5.00/94.0 = 0.0532$ моль; 1:1 стехиометрия; теоретическая масса $= 0.0532 \times 198.0 = 10.5$ г; при 65.0 % выходе масса $= 6.85$ г.

Как и во всей этой квалификационной программе, письменная работа проверяет ваше понимание практической работы: наблюдения, причины, арифметику и выводы. Практическое мастерство — чёткий конец титрования, рабочая трубка Тилье, количественный перенос — отрабатывается на занятиях через сами ключевые практические задания.

1. Светло-коричневый осадок, темнеющий на воздухе: какой это катион и что вызывает потемнение?
2. Напишите две допустимые ионные уравнения образования зеленого осадка при взаимодействии NaOH(aq) с раствором Fe²⁺.
3. Соль B образует зелёный осадок с NaOH, аммиаком при нагревании и белый осадок с подкисленным хлоридом бария. Определите соль.
4. Почему тиосульфат добавляют в реакцию «часы», и что завершает отсчёт времени?
5. Титры 9.95, 9.55, 9.45 см³ — какие включаются в среднее значение и каково оно?
6. Из наклона графика ln(1/t)–1/T, равного −6045 К, вычислите $E_a$ с единицей измерения.
7. Почему грубое твердое вещество растворяют при 60 °C, а не при температуре кипения этанола?
8. Назовите две вещи, которые удаляет промывка водой из грубого бензоата фенила, и одну фразу, которую схема отвергает.
9. Нарисуйте или опишите apparatus для определения температуры плавления, назвав три подписанные части.
10. 5.00 г фенола (Mr 94.0) при 65.0 % выходе дают какую массу бензоата фенила (Mr 198.0)?

Ответы: 1 Mn²⁺; воздух окисляет бледно-коричневый Mn(OH)₂ до более тёмного оксида/гидроксида марганца(III/IV); 2 $\mathrm{Fe^{2+}} + 2\mathrm{OH^-} \rightarrow \mathrm{Fe(OH)_2}$, либо $[\mathrm{Fe(H_2O)_6}]^{2+} + 2\mathrm{OH^-} \rightarrow \mathrm{Fe(OH)_2(H_2O)_4} + 2\mathrm{H_2O}$; 3 (NH₄)₂Fe(SO₄)₂ — NH₄⁺, Fe²⁺ и SO₄²⁻; 4 он реагирует с йодом по мере его образования, откладывая изменение цвета крахмала до накопления фиксированного малого количества йода; сине-чёрный цвет; 5 9.55 и 9.45 (согласованные в пределах 0.2 см³); среднее 9.50 см³; 6 $E_a = 6045 \times 8.31 = 50.2$ кДж моль⁻¹; 7 точка кипения этанола (78 °C) выше температуры плавления продукта (71 °C) — при кипении кристаллы расплавились бы; 60 °C растворяет без плавления; 8 удаляет избыток бензоилхлорида, HCl, NaOH или NaCl (растворимые) — «нерастворимые примеси» отвергается; 9 трубка Тилье (или пробирка/стакан), заполненная маслом, с помеченным термометром в жидкости, капиллярной трубкой с кристаллами, нагревается пламенем (не электричеством); 10 $n = 5.00/94.0 = 0.0532$ моль; $0.0532 \times 198.0 \times 0.650 = 6.85$ г.