Гидролиз (водопроводная вода). Hydrolysis (tap water)

В данном эксперименте мы продемонстрируем гидролиз воды. Первое предложение содержит явную ошибку (гидролиз - реакция разложения веществ водой), но даже в откровенной ерунде может быть зерно истины: для наблюдения гидролиза солей нам понадобится только вода (а еще - нагреватель и индикатор), но никаких дополнительных реактивов. Соли? Они уже есть в водопроводной воде - в растворенном виде.

В одном практикуме (увы, дело было давно, поэтому название вспомнить не удалось) я прочитал описание такого эксперимента - передаю своими словами по памяти:

В стакан налейте водопроводной воды, прибавьте несколько капель раствора фенолфталеина. Вода в стакане останется бесцветной. Нагрейте воду до кипения. В результате нагревания усилится гидролиз растворенных в воде солей, и фенолфталеин окрасится в малиновый цвет. После охлаждения через некоторое время окраска индикатора исчезнет.

Попробовал повторить этот эксперимент в немного измененном виде. В один стакан налил дистиллированную воду, в другой - водопроводную воду. В оба стакана добавил по несколько капель спиртового раствора фенолфталеина, перемешал. Вода в стаканах осталась бесцветной.

Поместил стаканы на электрическую плитку, начал греть. Дистиллированная вода просто закипела: ее окраска в ходе эксперимента не изменилась. Логично.

Водопроводная вода сначала оставалась бесцветной, но потом появился слабый розовый оттенок, который по мере нагревания стал усиливаться. Когда вода закипела, ее цвет стал малиновым, по ходу кипячения интенсивность окраски постепенно увеличивалась, пока содержимое стакана не стало интенсивно-малиновым. Переход от светло-розового до интенсивно-малинового цвета произошел не моментально: на это потребовалось несколько минут (когда кипение стало интенсивным, скорость увеличения интенсивности значительно возросла).

Охладил, оставил стаканы стоять. Прошло семь часов, а водопроводная вода все еще интенсивно-малинового цвета: окраска немного ослабла, но не исчезла. Оставил на ночь - окраска еще ослабела, но все еще осталась интенсивной. Но полного исчезновения окраски фенолфталеина после охлаждения и стояния водопроводной воды (обещанного в практикуме) не произошло. Почему? Сказать по правде, это не стало неожиданностью.

Какие ионы есть в водопроводной воде? В водопроводной воде присутствуют: натрий, калий, кальций и магний (опустим клинические случаи, вроде наличия в воде железа - ржавые трубы и даже наличия марганца). Из анионов - хлорид, сульфат, гидрокарбонат. Кальций и магний способны дать легенькое закисление (если они связаны с анионами сильных кислот), зато гидрокарбонат при нагревании разлагается, давая карбонат и углекислый газ. Углекислый газ улетает из кипящей воды, а карбонаты натрия и калия в результате последующего гидролиза дают щелочную среду. Настолько щелочную, что фенолфталеин окрашивается в малиновый цвет.

Именно потому переход окраски фенолфталеина при нагревании водопроводной воды произошел не моментально, а плавно: по сути, мы наблюдали кинетику разложения аниона гидрокарбоната до карбоната и испарения углекислого газа из кипящего раствора.

Обратный переход окраски при охлаждении? А с какой стати? Растворы карбоната натрия и калия окрашивают фенолфталеин в малиновый цвет и при комнатной температуре (гидролиз этих солей все равно идет в достаточной степени). Разве что в воде карбонатов будет очень мало и, в результате постепенного поглощения водой углекислого газа из воздуха, карбонат перейдет в гидрокарбонат, и окраска фенолфталеина постепенно исчезнет. В нашем случае при охлаждении и стоянии воды на воздухе окраска индикатора не исчезла, а только ослабла.

Оставил стакан с водой (в открытом виде), чтобы наблюдать, что будет дальше - в надежде, что окраска фенолфталеина со временем все-таки исчезнет. Результат: через 48 часов окраска сильно ослабла (расвтор розовый), 60 часов - раствор уже бледно-розовый, 76 часов - раствор почти обесцветился, но еще заметен легкий розовый оттенок.

В предыдущей статье было описано поведение водопроводной воды при нагревании: растворенные в ней гидрокарбонаты натрия и калия при кипячении разлагаются до карбонатов. Карбонаты дают щелочную реакцию среды, благодаря чему фенолфталеин меняет окраску с бесцветной на малиновую (точка перехода pH = 8.2).

Для сравнения была использована дистиллированная вода - в ней окраска индикатора не изменилась при кипячении. В дистиллированной воде нет растворенных солей в количествах, достаточных, чтобы окраска фенолфталеина изменилась при кипячении. Но это - не проблема: из дистиллированной воды можно легко сделать "водопроводную", добавив немного гидрокарбоната натрия (разумеется, вода из-под крана содержит не только примеси катиона натрия и аниона гидрокарбоната, но в нашем случае это несущественно).

Итак, я взял стакан с дистиллированной водой, в которую было добавлено немного фенолфталеина (той самой, которая использовалась в упомянутом эксперименте для сравнения). Добавил в него четверть чайной ложки соды (точнее - немного меньше), размешал. В момент добавления соды появилась слабая розовая окраска фенолфталеина, но при перемешивании она почти исчезла. По-видимому, пищевой гидрокарбонат натрия содержал примесь карбоната натрия, которая дала розовую окраску с фенолфталеином, но при взаимодействии примеси карбоната натрия с растворенным в воде углекислым газом образовался гидрокарбонат, и окраска сильно ослабла.

При нагревании на плитке слабый розовый оттенок раствора гидрокарбонат натрия стал постепенно усиливаться - точно так же, как при нагревании водопроводной воды с фенолфталеином. В результате через несколько минут цвет раствора стал интенсивно-малиновым. Потом произошло два события.

Во-первых, раствор резко вскипел - с интенсивным выделением газа и образованием большого количества пены. Это было не просто кипение воды, но разложение гидрокарбоната натрия:

2NaHCO₃ = Na₂CO₃ + H₂O + CO₂

постепенно оно происходило и до этого момента (о чем свидетельствует малиновая окраска фенолфталеина), но теперь началось бурное разложение с активным выделением углекислого газа.

Во-вторых, у меня треснул стакан - в нижней части, параллельно дну образовалась трещина. Несмотря на это, удалось заснять эксперимент до конца: раствор, который вытекал сквозь трещину, сразу испарялся, оставляя после себя твердый карбонат натрия, который препятствовал жидкости вытекать дальше.

Выделение углекислого газа становилось все сильнее, пена почти достигла верха стакана, но потом она начала спадать. Интенсивность нагрева я не уменьшал, но "кипение" раствора постепенно ослабевало: гидрокарбонат натрия в растворе заканчивался - он перешел в карбонат. Осталось наблюдать только кипение воды - интенсивное, но не бурное. Во время активного выделения газа раствор стал темно-малиновым.

Аналогичное бурное выделение углекислого газа наблюдалось и при осаждении основного карбоната магния из раствора гидрокарбоната магния (кипячение сульфата магния с гидрокарбонатом натрия), см. статью: Гидрокарбонат магния и основный карбонат магния / Magnesium bicarbonate and basic magnesium carbonate [ссылка].

После прекращения съемок перенес треснувший стакан вместе с плиткой и подставкой в раковину и осторожно снял горячим: я уже знал, что после охлаждения стакан треснет полностью и содержимое вытечет. Подержал немного в раковине и приподнял: стакан оказался в руках, а его дно - осталось лежать на том же месте в раковине.

Вспомнил интересный случай, который произошел у нас в лаборатории, - в первой лаборатории, где я работал. Одна из важнейших обязанностей химика в лаборатории - приготовление и употребление чая. Электрические чайники тогда еще не получили распространения (про советские чайники из стали - молчу: они часто горели, еще чаще - текли). Поэтому воду мы грели кипятильником в банке. Один раз во время нагревания литровая банка треснула, но вода не вытекла: ее удалось успешно нагреть до кипения. Аспирантка выключила кипятильник, отлила половину банки, чтобы заварить нам чай - это прошло безнаказанно, и долила в банку холодный дистиллят. Банка моментально разлетелась.

Download the Video / Скачать Видео (111 Мб, .avi )

Разложение гидрокарбоната натрия. Decomposition of sodium bicarbonate

Разложение гидрокарбоната натрия в водном растворе

<Растворы (физическая химия)> <Углерод, Кремний, Германий, Олово, Свинец>

<Растворы (физическая химия) (Обсудить на форуме)> <Углерод (модификации), оксид и диоксид углерода, карбонаты (Обсудить на форуме)> [Отправить Комментарий / Сообщение об ошибке]