Химия · Химия элементов · 8 класс

Известь и классы соединений

Как жжёная и гашёная известь на стене снова превращается в известняк?

Ситуация

В селе мастер, чтобы побелить стены дома, купил на базаре белые комья извести. Когда он бросил известь в ведро с водой, ведро нагрелось и зашипело; полученным «известковым молоком» побелили стену, и за несколько недель оно затвердело и стало прочным. Сама известь получается обжигом известняка в печи. Известняк → известь → известковое молоко → снова известняк: через какие классы веществ проходит вещество в этой цепочке и почему стена твердеет на воздухе?

Тема

Классы неорганических соединений: генетическая связь на примере извести. Обжиг известняка, гашение извести и побелка стены: CaCO₃ → CaO → Ca(OH)₂ → CaCO₃ — стена твердеет от CO₂ воздуха

Ключевые понятия

Оксид, основание, кислота, соль
Генетическая связь
Амфотерность

Формулы

CaCO_{3} \overset{\overset{}{t}}{\to} CaO + CO_{2} ↑

Обжиг известняка: температура, при которой CO₂ свободно выходит при 1 атм, — 898 °C; ΔH ≈ +178 кДж/моль (теплота поглощается).

CaO + H_{2} O \overset{}{\to} Ca (OH)_{2}

Гашение: ΔH ≈ −65 кДж/моль — смесь нагревается.

Ca (OH)_{2} + CO_{2} \overset{}{\to} CaCO_{3} ↓ + H_{2} O

Помутнение известковой воды и твердение побелённой стены.

Zn (OH)_{2} + 2 HCl \overset{}{\to} ZnCl_{2} + 2 H_{2} O Zn (OH)_{2} + 2 NaOH \overset{}{\to} Na_{2} [Zn (OH)_{4}]

Амфотерный гидроксид растворяется и в кислоте, и в щёлочи.

m (CaO) = m (C a C O_{3}) \cdot \frac{M (CaO)}{M (C a C O_{3})} = m \cdot \frac{56,08}{100,09}

Расчёт по уравнению реакции: из 100 г известняка получается 56 г извести и 44 г CO₂.

Теория

Основные классы неорганических соединений

Оксиды — соединения двух элементов, один из которых кислород: основные (CaO, CuO — им соответствуют основания), кислотные (CO₂, P₂O₅ — им соответствуют кислоты) и амфотерные (ZnO, Al₂O₃). Основания — атом металла и гидроксогруппы OH: растворимые в воде — щёлочи (NaOH, Ca(OH)₂), нерастворимые — Cu(OH)₂, Mg(OH)₂. Кислоты — атомы водорода и кислотный остаток: кислородсодержащие (H₂SO₄) и бескислородные (HCl); основность — число замещаемых атомов H. Соли — катион металла и кислотный остаток: средние (CaCO₃), кислые (NaHCO₃), основные ((CuOH)₂CO₃). Кристаллогидраты — соли, в кристаллах которых есть вода (гипс, медный купорос).

Генетическая связь

Из вещества одного класса можно получить вещество другого — это генетическая связь. Ряд металла: металл → основный оксид → основание → соль ( $Ca \overset{}{\to} CaO \overset{}{\to} Ca (OH)_{2} \overset{}{\to} CaCO_{3}$ ). Ряд неметалла: неметалл → кислотный оксид → кислота → соль ( $C \overset{}{\to} CO_{2} \overset{}{\to} H_{2} CO_{3} \overset{}{\to} CaCO_{3}$ ). Оба ряда встречаются в соли: основание с кислотой (или их оксиды) образуют соль. Известь — естественное звено этой связи: известняк обжигают, получая известь, известь гасят, получая основание, а основание поглощает CO₂ из воздуха и снова возвращается в известняк. На доске подсвечивается активное звено.

Известь: обжиг, гашение, твердение

Известняк (мел и мрамор — тоже CaCO₃) при нагревании разлагается. Это обратимый процесс: при каждой температуре у CO₂ есть равновесное давление — при 800 °C ≈ 24 кПа, при 898 °C 101 кПа (1 атм). Выше этой температуры газ свободно уходит, поэтому в известковых печах поддерживают около 900–1000 °C; при 700 °C давление всего ≈ 3 кПа — разложение очень медленное. Гашение сильно экзотермично: 1 моль CaO выделяет 65 кДж теплоты. Ca(OH)₂ малорастворим в воде (1,73 г/л при 20 °C): избыток плавает в виде «известкового молока», а прозрачный фильтрат — это известковая вода (pH ≈ 12,4). Известь, нанесённая на стену, поглощает CO₂ из воздуха и медленно превращается в CaCO₃, твердея; это можно проверить фенолфталеином: свежий слой розовеет, затвердевший остаётся бесцветным. При избытке CO₂ осадок переходит в растворимый Ca(HCO₃)₂ — отсюда жёсткость природных вод.

Амфотерность (лабораторная работа 1)

Амфотерный гидроксид проявляет свойства и основания, и кислоты. Если в пробирку с раствором ZnSO₄ по каплям добавлять NaOH, выпадает белый хлопьевидный осадок Zn(OH)₂: 1 моль Zn²⁺ на 2 моль OH⁻. Осадок делят на две части: к одной добавляют HCl — растворяется ( $Zn (OH)_{2} + 2 HCl \overset{}{\to} ZnCl_{2} + 2 H_{2} O$ ), к другой — избыток NaOH — тоже растворяется, образуется тетрагидроксоцинкат натрия ( $Zn (OH)_{2} + 2 NaOH \overset{}{\to} Na_{2} [Zn (OH)_{4}]$ ); на это уходит ещё 2 моль OH⁻. Al(OH)₃ тоже амфотерен (осаждается при 3 моль OH⁻, растворяется при 4 моль). Mg(OH)₂ и Cu(OH)₂ — основные: в избытке щёлочи не растворяются. На графике количество осадка видно в зависимости от добавленного OH⁻: для цинка — «треугольник», для магния — «ступенька».

Кальций и магний (9 класс)

Оба относятся к группе II A — это щёлочноземельные металлы, на внешнем слое 2 электрона, в соединениях +2. Кальций активнее: с холодной водой реагирует бурно ( $Ca + 2 H_{2} O \overset{}{\to} Ca (OH)_{2} + H_{2} ↑$ ), а магний с холодной водой почти не реагирует, в горячей воде медленно выделяет водород. Магний горит на воздухе ослепительно белым пламенем: $2 Mg + O_{2} \overset{}{\to} 2 MgO$ — масса образовавшегося оксида в 1,66 раза больше массы металла (присоединяется кислород). Гипс $CaSO_{4} \cdot 2 H_{2} O$ при нагревании примерно до 150 °C теряет три четверти воды и превращается в алебастр $CaSO_{4} \cdot \frac{1}{2} H_{2} O$ (масса уменьшается на 15,7 %); если алебастр замесить с водой, он снова превращается в гипс и быстро твердеет — отсюда гипсовые повязки, скульптуры и ганчевые узоры. Ионы Ca²⁺ и Mg²⁺ создают жёсткость воды (подробнее — в эксперименте «Очистка и умягчение воды»).

Безопасность и модель

Безопасность: негашёная известь и щёлочи обжигают кожу и глаза — надевайте защитные очки и перчатки; при попадании в глаза промойте большим количеством воды и обратитесь к врачу. Кислоту вливайте в воду, а не наоборот. Нагреваемый тигель и пробирку держите щипцами, не направляйте отверстие пробирки на себя и других. Не смотрите прямо на пламя магния. Модель: скорость обжига упрощена — считается пропорциональной разности равновесного давления CO₂ и давления CO₂ в воздухе, а большой образец нагревается медленнее; время для печи и гипса ускорено (1 с ≈ 1 мин), показания весов — точная стехиометрия. Считается, что CO₂, пропущенный через известковую воду, поглощается полностью. Скорость реакции Ca и Mg с водой показана качественно, а объём выделившегося H₂ — по уравнению (н. у.). Термохимические значения — из энтальпий образования справочника CRC.

Знаете ли вы?

Резные ганчевые украшения Узбекистана делают из смеси гипса и глины: гипс в обожжённом ганче, как алебастр, твердеет после замешивания с водой. Мастер наносит на стену два слоя — нижний быстро схватывается, верхний дольше остаётся мягким, и на нём вырезают узор.
В конце XIX века фотографы снимали в тёмной комнате, поджигая магниевый порошок: пламя магния даёт очень яркий белый свет — так появились первые фотовспышки.

Что внутри эксперимента

Эксперимент начинается с жизненной ситуации: вы предсказываете результат, меняете параметры, проводите опыт и делаете вывод. Внутри — задания, теория, тест и экскурсия: камера сама движется и объясняет главное.

Другие эксперименты раздела

Воздух: состав и загрязнение — 7 класс
Кислород и озон — 7 класс
Водород — самый лёгкий газ — 7 класс
Вода: состав и свойства — 7 класс
Полезные ископаемые — 7 класс
Неметаллы и галогены — 8 класс
Хлор и соляная кислота — 8 класс
Группа кислорода и сера — 8 класс
Серная кислота и контактный способ — 8 класс
Азот, аммиак и азотная кислота — 8 класс