Мрамор, бетон и соляная кислота / Marble, concrete and hydrochloric acid

Предисловие, оно же - лирическое отступление. Поскольку текущие лабораторные возможности ограничены кухней, решил использовать то, что есть под рукой. Например, заснять качественную реакцию на карбонаты.

Карбонаты металлов реагируют с кислотами - сильными и слабыми (за исключением очень слабых), образуя угольную кислоту. Угольная кислота неустойчива и тут же распадается на воду и углекислый газ. Для примера - реакция карбоната натрия (кальцинированная сода) и соляной кислоты:

Na₂CO₃ + 2HCl = 2NaCl + H₂CO₃
H₂CO₃ = H₂O + CO₂

Вторая реакция обратима, хотя и сильно смещена вправо: углекислый газ реагирует с водой, образуя угольную кислоту. Но, поскольку, углекислый газ растворим в воде не очень хорошо, он выделяется в газообразную фазу, покидая сферу реакции, что еще больше смещает равновесие вправо. Правда, не полностью. В воздухе содержится небольшое количество углекислого газа, потому обычная дистиллированная вода содержит растворенный углекислый газ и имеет слабокислую реакцию (рН примерно 5.5-6.5). Чтобы его удалить, нужно кипячение в колбе, изолированной от воздуха хлоркальциевой трубкой, заполненной натронной известью (она поглощает углекислый газ и не дает ему попадать в воду вновь).

Аналогично карбонатам ведут себя гидрокарбонаты.

Реакция карбонатов с сильными кислотами обычно идет очень бурно и может быть использована для обнаружения иона карбоната в твердых образцах или в растворе (качественная реакция на карбонаты). Если при добавлении кислоты выделяется газ - без запаха, который не горит и не поддерживает горение, значит, в образце присутствует карбонат. Сульфиты и многие сульфиды тоже выделяют газ при действии кислот, но в первом случае ощутим запах сернистого ангидрида, во втором - сероводорода.

Итак, чтобы заснять качественную реакцию на карбонаты, решил взять два образца: тот, который дает положительную реакцию и тот, который дает отрицательную реакцию. Недавно возле опор моста пространство посыпали какими-то блестящими белыми камешками. Решил, что это либо мрамор (карбонат кальция), либо кварц (оксид кремния). Один из участников форума написал, что он лично взял эти камни и попробовал провести их реакцию с соляной кислотой: "Сначала была слабая реакция (реагировала всякая пыль), потом реакция прекратилась". Фотографии камней даже привел... Отлично! Значит, это - кварц: образец, который даст отрицательную пробу на карбонаты, есть. Можно было, конечно, взять что-то вроде гранита, но кварц похож на мрамор.

Образец, который даст положительную пробу на карбонаты? Не долго думая, взял кусок бетона. Бетон получают при застывании смеси воды и цемента с разными наполнителями: песок, щебень и т.п. А сам цемент - спеканием глины и оксида кальция. Разумеется, в техническом продукте остается некоторое количество свободного оксида кальция, который при контакте с воздухом поглощает углекислый газ. Образуется карбонат кальция - он даст выделение газа, если бетон поместить в кислоту.

Итак, взял я белые камушки и поместил в концентрированную соляную кислоту. Ожидал: либо ничего не произойдет, либо сначала будет слабое выделение газа, которое вскоре прекратится (примеси карбонатов прореагируют - и все). Но сразу же началось активное выделение СО₂, которое со временем не ослабевало. Стакан пришлось накрыть чашкой Петри, чтобы не нюхать аэрозоль и пары соляной кислоты. В результате два белых камня растворились полностью. Сомнений не было: это - мрамор, причем довольно чистый.

Видимо, человек решил выдать себя за химика, но поленился хотя бы кинуть эти камни в уксус (если соляной кислоты нет). Верь после этого людям... Ученым нарекать не приходится: научный принцип: "Не доверяй и перепроверяй". Кроме случаев умышленной фальсификации возможны различные ошибки в ходе экспериментов или наблюдений. Некоторые из этих ошибок насколько трудно обнаружить, что они годами гуляют из статьи в статью, из книги в книгу.

Добавил в стакан новую порцию белых камней, чтобы на этот раз мрамор остался в избытке: соляная кислота прореагирует, в растворе останется хлорид кальция (для следующих опытов). В чем прелесть карбонатов: из них легко получить соли данного металла с другими кислотами: побочными продуктами реакции являются вода и углекислый газ.

В другой стакан налил соляную кислоту (1 : 1) и поместил туда кусок бетона. Началось выделение газа средней интенсивности, которое постепенно ослабло. Раствор окрасился сначала в буро-зеленый, потом - в коричневый цвет: такие цвета характерны для железа. По-видимому, железо содержалось в исходной глине (если вы возьмете железобетон - в нем дополнительно есть железная арматура и продукты ее коррозии). Когда выделение газа прекратилось, от камня отделилось немного песка, но основная масса не потеряла целостности и прочности.

Какие подручные объекты можно взять для реакции с кислотой (чтобы получить положительную пробу на карбонаты)? Много что, например: мел, штукатурку, гашенную известь, яичную скорлупу, раковины моллюсков, питьевую или кальцинированную соду.

В заключение скажу, что многие качественные реакции можно использовать "в обе стороны". Например, если раствор нитрата серебра служит для обнаружения иона хлорида, аналогично ион хлорида можно использовать для качественного определения серебра в растворе (выпадает белый творожистый осадок хлорида серебра, а при низких концентрациях появляется белая муть). Разумеется, не все качественные реакции специфичны именно на конкретный ион: часто аналогичную (или внешне похожую) реакцию могут давать и другие ионы. Причем, если использовать одну и ту же реакцию, сначала для определения одного иона (серебра), потом - другого (хлорида) - тут не действует принцип симметрии. В обоих случаях мешающие вещества будут разными. Например, с хлоридом белый осадок дают не только соли серебра, но и свинца. С серебром белые осадки образует не только хлорид, но также сульфат и карбонат.

Теперь вернемся к качественной реакции на карбонаты. С помощью этой реакции можно не только обнаружить карбонаты действием кислот, но и кислоты - действием карбонатов. В лаборатории кислоты обнаруживают действием универсальной индикаторной бумажки, растворами индикаторов или с помощью рН-метра. Но при их отсутствии можно воспользоваться раствором соды (гидрокарбоната или карбоната натрия). Если в кислый раствор добавить несколько капель раствора соды - раздастся характерное шипение и выделится углекислый газ.

В детстве таким способом убедился, что кислоты часто содержатся не только в плодах растений, но также листьях (щавель) и побегах (виноград). Аналогично некоторые напитки: кефир, квас, лимонады, соки, прокисшее молоко, вино... Например, возьмите яблочный сок или яблочную мякоть и добавьте раствор соды. Выделится углекислый газ. Такой эксперимент легко провести самостоятельно.

Итак, для дальнейших опытов у нас есть раствор хлорида кальция и кислотная вытяжка бетона, содержащая хлорид железа (III).

Download the Video / Скачать Видео (69 Мб, .avi )

Хлорид кальция и гидрокарбонат натрия / Calcium chloride and sodium bicarbonate

После реакции соляной кислоты с мрамором в стакане остался раствор хлорида кальция с двумя кусками мрамора на дне. Соляная кислота прореагировала, а остаток мрамора можно удалить, просто слив с него раствор. Теперь можно провести качественную реакцию на кальций. Первое, что приходит в голову, - образование малорастворимого белого осадка сульфата кальция. Для этого к хлориду кальция нужно добавить раствор какого-то сульфата или серной кислоты. Реакция неспецифична: стронций, барий, свинец и серебро также дают белые осадки сульфатов. Растворимость сульфата кальция в воде значительна, поэтому в разбавленных растворах осадок может не образоваться (или образоваться с задержкой). К этой реакции мы вернемся чуть позже.

Вместо сульфата можно взять раствор карбоната: выпадет белый осадок карбоната кальция, растворимый в уксусной и соляной кислотах. Реакция еще менее специфична: кроме перечисленных металлов (стронций, барий, свинец и серебро) белые осадки малорастворимых карбонатов (точнее - основных карбонатов) дают также цинк и кадмий.

Но с помощью комбинации этих двух реакций можно внести бОльшую ясность. Например, если испытуемый раствор дал осадок с карбонатом, но не дал с сульфатом, значит, кальция (стронция, бария, свинца, серебра) в нем нет, но могут быть магний, цинк, кадмий.

А что, если вместо раствора карбоната натрия (кальцинированная сода) к хлориду кальция добавить раствор гидрокарбоната натрия (питьевая сода)? Вопрос не так прост, как кажется. Возьмем таблицу растворимости, например, эту:

Кальций: сульфат - малорастворим, карбонат - нерастворим, гидрокарбонат… растворим. Значит, при добавлении гидрокарбоната натрия к хлориду кальция никакого осадка выпасть не должно. Более того, гидрокарбонат кальция и гидрокарбонат магния ответственны за т.н. временную жесткость природной воды, которую еще называют карбонатной жесткостью. При кипячении воды анион гидрокарбоната разлагается до карбоната, в результате карбонаты кальция и магния выпадают в осадок. Жесткость воды уменьшается, а на стенках чайника или внутри трубок котла образуется налет солей. В одних случаях он почти безобиден (как в чайнике), в других - может стать причиной серьезных аварий и даже взрывов.

А теперь попробуйте поискать информацию про гидрокарбонат кальция (или магния) - не про раствор, а про его свойства как твердого вещества. Стоит дойти до более солидного источника, чем русскоязычная Википедия, и мы узнаем, что гидрокарбонат кальция (магния) известен только в растворе. При попытках выделить его упариванием раствора (даже без нагревания) гидрокарбонат кальция (как и магния) разлагается с образованием карбоната:

2Ca(HCO₃)₂ = 2CaCO₃ + H₂O + CO₂

Реакция обратима: при пропускании углекислого газа сквозь суспензию мела он растворяется с образованием гидрокарбоната кальция.

Отложения кальцита (карбонат кальция) в пещерах (в частности - сталактиты и сталагмиты) образуются благодаря гидрокарбонату кальция и этой реакции. При испарении капель с растворенным гидрокарбонатом кальция выпадает карбонат. Капля за каплей и за многие годы вырастают сталактиты, сталагмиты и другие чудесные структуры.

Значит, если к раствору хлорида кальция добавить раствор гидрокарбоната натрия, ничего не произойдет. Зато, если этот раствор нагреть, выпадет осадок карбоната кальция и выделится углекислый газ. Логично, но это только одна из версий.

Другую версию я считал более вероятной. Все описанное с гидрокарбонатом кальция относится к довольно разбавленным растворам. Я же взял концентрированную соляную кислоту и растворял в ней мрамор до тех пор, пока кислота не прореагировала. Раствор питьевой соды взял насыщенный - встряхнул, настоял над осадком, потом профильтровал. При таких концентрациях гидрокарбонат кальция, скорее всего, будет разлагаться еще в растворе без всякого нагревания. Именно такой процесс идет, если раствор данной соли постепенно испарять при комнатной температуре. Т.е. при смешивании растворов в нашем случае сразу должен выпасть белый осадок и выделиться газ.

Попробовал - так и произошло. К хлориду кальция добавил гидрокарбонат натрия. Сразу же выделился газ, верхняя часть раствора стала бело-мутной. Нижняя часть - первоначально без изменений. Перемешал. Добавлял все новые порции соды при перемешивании. Выделение газа и образование осадка усилились. При стоянии раствора белый осадок выпал на дно. Из растворенного мрамора мы получили мел.

CaCO₃ + 2HCl = CaCl₂ + H₂O + CO₂
CaCl₂ + 2NaHCO₃ = Ca(HCO₃)₂ + 2NaCl
2Ca(HCO₃)₂ = 2CaCO₃ + H₂O + CO₂

Download the Video / Скачать Видео (64 Мб, .avi )

Обнаружение железа в бетоне (качественная реакция с роданидом) / Detection of iron in concrete (qualitative reaction with thiocyanate)

После прошлых экспериментов у нас остался раствор, полученный действием соляной кислоты на бетон. Теперь - качественная реакция на железо. Один из самых простых вариантов - образование красного комплекса с роданидом (тиоцианатом) калия или аммония. Точнее, там не один комплекс, а целое семейство, но для нас важно, что при взаимодействии солей трехвалентного железа с роданидом возникает интенсивная красная окраска.

Для начала наскреб остатки реактива из банки с роданидом калия, приготовил примерно насыщенный раствор. Добавлять его в кислотную вытяжку бетона не стал (равно, как и поступать наоборот: капать неразведенную вытяжку в роданид). Реакция очень чувствительна, насколько чувствительна, что позволяет обнаружить следы железа во многих продажных реактивах. Поэтому вытяжку бетона нужно сильно разбавить, чтобы не было слишком интенсивной окраски комплекса.

Взял примерно 80 мл воды, капнул в нее несколько капель вытяжки, перемешал. Потом добавил в стакан несколько капель раствора роданида калия. Содержимое окрасилось в коричнево-красный цвет. Железо (III) обнаружено.

На этом можно было закруглиться, но я добавил в стакан немного н-бутанола, перемешал. Бутанол растворим в воде, но лишь частично, поэтому он всплывает и собирается в отдельный слой, экстрагируя из воды роданид железа. В результате слой бутанола окрасился в интенсивный коричнево-красный цвет, а водный слой заметно побледнел. В случае качественного определения железа такая экстракция излишня (разве что сам анализируемый раствор интенсивно окрашен или если нужно повысить чувствительность реакции), а в случае определения кобальта так и поступают: при взаимодействии ионов Co(II) с тиоцианатом заметная окраска комплекса не возникает. Добавляют н-бутанол (в классическом варианте - диэтиловый эфир) и встряхивают. Слой органического растворителя окрашивается в голубой цвет.

Download the Video / Скачать Видео (51 Мб, .avi )

<Качественные реакции. Количественный анализ / Qualitative and Quantitative Chemical Analysis> <Щелочноземельные металлы> <Железо, кобальт, никель, марганец, рений>

<Качественный анализ (качественные реакции, разделение...) (Обсудить на форуме)> <Кальций, Стронций и Барий(Обсудить на форуме)> <Железо, его Соединения и Сплавы (Обсудить на форуме)> [Отправить Комментарий / Сообщение об ошибке]