АЗОТ и ФОСФОР

Этот опыт входит в программу химии как лабораторный. То есть, его школьники делают сами. Опыт знакомит с правилами получения газообразных веществ, способом собирания газа, способом идентификации аммиака. Он достаточно прост и вполне безопасен. Его можно провести буквально «на коленке» – в домашних условиях, точнее на даче или огороде, смешав аммиачную селитру с гашеной известью. Так можно найти аммиачный азот среди удобрений. Нельзя забыть запах аммиака!

Этот лабораторный опыт очень эффектен, и никого не оставляет равнодушным. Можно после этой демонстрации предложить школьникам сделать его в упрощенной форме. Собирают аммиак в СУХУЮ пробирку, проверяют наличие аммиака ВЛАЖНОЙ индикаторной бумагой. Закрывают горлышко колбы большим пальцем, опускают горлышко пробирки в кристаллизатор с водой. Там открывают палец, заталкивают в пробирку каплю воды, плотно закрывают горлышко пробирки пальцем, вынимают пробирку из воды и встряхивают её. В этот момент они испытывают острые ощущения, которые выплескиваются наружу: палец ощутимо засасывается в пробирку! Затем надо быстро опустить горлышко опять под воду и открыть его. Внимание: увидим, что вода поднялась в пробирку. Закрываем пробирку пальцем под водой, достаем  и показываем, сколько в пробирке воды. Значит, (столько аммиака собрал) аммиак растворился в воде! Опыт важно обсудить. Задать учащимся вопрос: почему вода поднимается вверх в пробирке? У опыта хороший потенциал для проведения межпредметных связей. Целесообразно попросить привести пример растворимости газа в воде (жидкости) из обычной жизни. (Всем знакомо «вскипание» жидкости при открывании бутылки с газированной водой.) Полезно посмотреть опыт «Кипение жидкости при пониженном давлении» в альбоме «Молекулярная физика» и провести аналогии в происходящих явлениях.

В опыте есть тонкости, которые хорошо было бы обсудить. Например, почему вначале наливают соляную кислоту, а потом раствор аммиака. Это – не случайно. Когда соединяют стаканы, почему стакан с аммиаком опускают дном вниз, а стакан с хлороводородом держат вверх дном? Это – тоже не случайно. Следует подчеркнуть разную плотность газов относительно воздуха. Полезно спросить: в чём отличие дыма от тумана? Дым образуется благодаря присутствию микроскопических твёрдых частиц, а туман состоит из капелек жидкости. В опыте – дым. Его образуют частички твёрдого вещества - соли, состоящей из ионов. Опыт похож на фокус: вдруг из «ничего» появляется «что-то». А по сути: молекулы, соединяясь, образуют ионы. Отсюда и второе название опыта: "дым без огня".

Раствор аммиака – щелочь. Важно показать, что его основные свойства выявляются «главным» щелочным индикатором – фенолфталеином. Продемонстрирована самая важная реакция любого основания – реакция с кислотой, реакция нейтрализации.

Существенное отличие раствора аммиака от обычных щелочей – его отношение к нагреванию. При нагревании растворимость газов в воде резко уменьшается. Следует подчеркнуть, что раствор аммиака – слабая щелочь, не смотря на растворимость (т.е. в ионных уравнениях мы пишем недиссоциированные молекулы). Поэтому его правильно называть именно так: раствор аммиака (с водой реагируют только 3% растворенных в воде молекул аммиака) или нашатырный спирт.

Чрезвычайно важно этот опыт увидеть и обсудить.

Во-первых, реакция меди (металл, стоящий в ряду активности после водорода) с разбавленной азотной кислотой (она и в растворе – сильный окислитель за счёт азота +5). Наглядно виден признак – растворение меди с образованием раствора голубого цвета и выделение бесцветного газа.

Во-вторых, оксид азота (II) бесцветен и не растворим в воде.

В-третьих, он при обычных условиях окисляется кислородом воздуха.

В-четвёртых, при окислении получается газ бурого цвета, который прекрасно растворим в воде.

В-пятых, при растворении получена кислота. При натурной демонстрации в классе все эти нюансы не так легко показать, как в видеозаписи.

Здесь показано, как можно перенести твёрдое вещество в чистую (!) пробирку из склянки в отсутствии шпателя. Можно видеть, что резиновая пробка не столько вставляется, сколько вкручивается в пробирку мягкими движениями.

Термическая неустойчивость нитратов – одна из главных особенностей солей азотной кислоты. Кроме этого, наглядно видно, как собирают газ, который тяжелее воздуха и растворим в воде: только способом вытеснения воздуха. Опыт хорошо запоминается: окрашенных газов в природе немного.

Этот опыт очень важен для демонстрации перехода одного аллотропного состояния элемента в другое. Пожалуй, так наглядно, как в этом опыте, этот переход нигде и не показать. Специально подчеркнуто, что обычно красный фосфор – мокрый потому, что впитывает воду. Воду притягивает оксид фосфора, который всё-таки медленно образуется при хранении во влажном воздухе. Поэтому обычно перед опытом красный фосфор промывают водой на фильтре от фосфорных кислот, а потом высушивают в эксикаторе. В этом опыте получен желтый фосфор. Так называют неочищенный белый фосфор. Отсюда и «следовые количества». Очень важно подчеркнуть восстановительную активность белого фосфора: лёгкость воспламенения на воздухе и лёгкость окисления ионом меди. Следует помнить, что белый фосфор сильно ядовит. По технике безопасности посуду перед мытьем обязательно замачивают в растворе сульфата меди. Как правило, на сутки.

Опыт лучше показать в сравнении с горением фосфора в чистом кислороде. (Альбом «8 класс. Кислород»). Хорошо видна разница в скорости реакций. Можно видеть летучесть оксида фосфора, хотя его молекула достаточно тяжелая. Изменение окраски лакмуса показывает силу ортофосфорной (вначале метафосфорной) кислоты как кислоты средней силы. Этот опыт – самая яркая и доступная демонстрация свойств кислотного оксида.

Можно обратить внимание на поведение фосфорного ангидрида на воздухе. Порошок прилипает к шпателю и с трудом сбрасывается с него, т.к. вещество активно поглощает пары воды из воздуха. Именно поэтому обычно склянку с оксидом фосфора открывают на минимальное время, а после использования сверху поверх крышки затягивают резиновой перчаткой.

Очень полезно использовать этот опыт параллельно с реакцией нитрата серебра с растворимыми галогенидами и карбонатами. Тогда будет наглядно видна разная реакция солей серебра на действие азотной кислоты. Следует подчеркнуть, что эта реакция проходит только для гидрофосфатов и средних ортофосфатов, имеющих щелочную или слабощелочной среду. Дигидрофосфат не осаждается нитратом серебра из-за слабокислой реакции раствора. Средние соли легко растворяются в фосфорной и азотной кислоте. Напитки типа Колы или Фанты  в качестве регулятора кислотности содержат ортофосфорную кислоту, которая разрушает зубную эмаль. Поэтому при попадании в рот эти напитки дают неповторимые ощущения, как будто зубы становятся «голыми».

Важно подчеркнуть, что реакция основана на окислительной способности нитратов, взятых в виде порошка. Раствор нитрата для этой реакции не подходит. Но его можно выпарить. Реакцию можно провести на даче «в полевых условиях», если не ясно, в каком пакете селитра, в каком – аммофос.

Это, пожалуй, самая надежная реакция по обнаружению нитрат-иона. Так как основана на обнаружении бурого газа, который мог появиться только из нитрата-иона. Реакция достаточно капризная. Исходный раствор нитрата хорошо бы сделать более концентрированным, т. е. выпарить. Серную кислоту взять концентрированную, так как из очень разбавленного раствора бурый газ может просто не выделиться. Он прекрасно растворим в воде. Рядом обязательно должен быть кристаллизатор с водой. Крайне важно  соблюдать технику безопасности, т.к. бурый газ – боевое отравляющее вещество!

Эта реакция кажется весьма удобной в работе: две капли на стекле, обычные условия, яркий признак. Следует помнить, что основана она на легкости окисления дифениламина, т. е. она может пройти и с другим окислителем, и признак реакции может быть похожим. Более того, реактив очень чувствителен к окислителям вообще, и даже при хранении может приобрести голубую окраску. И, конечно, он небезопасен, т.к. дифениламин растворяется только в концентрированной серной кислоте. Соблюдаем технику безопасности!