- Rót 20ml dung dịch H2SO3 đậm đặc vào bình thuỷ tinh.
7. THÍ NGHIỆM VỀ KIM LOẠI KIỀM – KIỀM THỔ
Mục tiêu:
Qua các thí nghiệm về kim loại kiềm – kiềm thổ sinh viên cần nắm vững: + Kỹ thuật tiến hành các thí nghiệm nghiên cứu tính chất của kim loại kiềm và kiềm thổ đó là:
- Tính chất dễ nóng chảy, ánh kim và tính khử mạnh của kim loại kiềm như tác dụng với oxi, nước, axit. Từ đó mà nắm vững phương pháp bảo quản, sử dụng natri, kim loại kiềm trong khi thí nghiệm.
- Tính chất của kim loại kiềm thổ như phản ứng của Mg, Ca với nước. + Phương pháp điều chế các hợp chất quan trọng của kim loại kiềm và kiềm thổ như: NaOH (bằng phương pháp điện phân dung dịch NaCl), CaO.
+ Khái niệm về nước cứng và phương pháp khử tính cứng của nước.
+ Từ các kiến thức, kĩ năng thí nghiệm, sinh viên nắm được phương pháp sử dụng các thí nghiệm này trong dạy học các chương kim loại kiềm, kiềm thổ; vận dụng kiến thức giải thích sâu sắc các hiện tượng xảy ra trong các thí nghiệm và trong thực tếđời sống.
Thí nghiệm 1: Quan sát ánh kim của kim loại kiềm (Na, K)
Kim loại kiềm hoạt động mạnh dễ tác dụng với không khí nên phải bảo quản trong dầu hoả và khó quan sát vẻ sáng lóng lánh của nó. Có thể tạo ra một lớp kim loại kiềm sáng lóng lánh lâu bị mờ đi do bị oxi hoá.
Hoá chất: Kim loại natri hoặc kali, parafin.
Dụng cụ: Đèn cồn, cặp gỗ, 2 ống nghiệm có thể lồng vào nhau vừa khít, ống thủy tinh đường kính 7 – 8 mm.
Cách tiến hành:
- Lấy ống nghiệm to hơn nhưng ngắn hơn ống nghiệm kia nhúng vào nước nóng hoặc hơ nóng rồi bỏ vào đó 1 mẩu Na hoặc K đã thấm khô dầu và làm sạch. Khi mẩu Na đã nóng chảy, lấy ống nghiệm nhỏ lồng vào ống nghiệm lớn và ấn nhẹ để đẩy kim loại đã nóng chảy lên khoảng giữa hai ống. Dùng parafin gắn kín
khoảng không trên miệng ống nghiệm to. Ta sẽ thấy vẻ sáng lóng lánh của lớp kim loại này. Nếu gắn kín, có thể giữ được vẻ sáng của kim loại kiềm hàng tháng.
Hình 2.7.1.
- Có thể quan sát được vẻ sáng của kim loại kiềm lâu hơn ta tiến hành bằng cách sau: Lấy 1 ống thuỷ tinh sạch, khô dài 20cm có đường kính 7 – 8 mm. Lấy miếng natri (hoặc kali) ra khỏi dầu hoả, lau khô dầu bằng giấy lọc, cắt bỏ lớp oxit ở trên mặt và cắt lấy một miếng dày 5 – 8 mm. Đặt miếng natri trên giấy lọc, đặt ống thuỷ tinh lên miếng natri và ấn mạnh, (vừa ấn vừa xoay) ta sẽ có 1 miếng natri hình trụ lọt vào trong ống thuỷ tinh. Dùng đũa thuỷ tinh đẩy miếng kim loại vào giữa ống và dùng 1 đũa khác đẩy ở đầu phía kia của ống thuỷ tinh để nén khối kim loại. Ta quan sát thấy vẻ sáng lóng lánh của cột kim loại natri qua thành ống thuỷ tinh. Nếu hàn kín hai đầu ống ta sẽ được mẩu kim loại natri và quan sát được vẻ sáng của nó trong nhiều năm.
Chú ý: - Các mẩu natri cắt ra dù rất nhỏ cũng phải bỏ vào lọ dầu hoả. Không bỏ vào thùng rác hoặc nước sẽ gây nổ, cháy.
Thí nghiệm 2: Tính dễ nóng chảy của kim loại kiềm
Hoá chất: Natri, kali.
Dụng cụ: Ống nghiệm, cốc thủy tinh 50ml, đèn cồn, kiềng sắt hoặc giá sắt có vòng cặp, cặp gỗ, giấy lọc.
115
Đặt cốc nước lên kiềng sắt và đun sôi cho vào ống nghiệm khô 1 mẩu kali đã cắt bỏ lớp vỏ và thấm khô dầu. Nhúng ống nghiệm có kali vào nước sôi, kali sẽ nóng chảy ngay thành chất lỏng sáng óng ánh. Nhiệt độ nóng chảy của kali là 63,50C. Với natri ta phải để lâu hơn trong nước sôi vì nhiệt độ nóng chảy của natri là 980C. Vì vậy ta nên làm thí nghiệm với kali thì nhanh hơn.
Thí nghiệm 3: Natri tác dụng với oxi, không khí
Hoá chất: KClO3, MnO2 (điều chế O2), natri kim loại.
Dụng cụ: Đèn cồn, giá sắt, ống nghiệm, nút có ống dẫn, chậu nước, muôi sắt, bình thủy tinh thu O2, giấy lọc, nút bấc, dao.
Cách tiến hành:
- Lắp dụng cụ điều chế và thu đầy 2 bình khí oxi và nút kín.
- Lấy miếng natri, thấm khô dầu hoả, dùng dao cắt đôi miếng natri. Quan sát vẻ sáng của natri trên mặt cắt và bị mờ dần nhanh khi tiếp xúc với không khí. Như vậy natri đã tác dụng nhanh chóng với O2, H2O, CO2 trong không khí tạo ra các hợp chất bao phủ bề mặt miếng natri.
- Cắt bỏ lớp vỏ và lấy 1 mẩu natri bằng hạt đỗ, lau khô dầu hoả. Bỏ mẩu natri vào muôi sắt và đun nóng chảy hoàn toàn trên ngọn lửa đèn cồn (natri chuyển thành giọt tròn, có ánh kim sáng) thì đưa vào bình oxi (xem hình 3.2.4). Natri cháy sáng, ngọn lửa vàng rực, có khói trắng tạo thành, phản ứng toả nhiệt mạnh.
Để chứng minh sản phẩm phản ứng có tạo ra Na2O và Na2O2 ta cho 1ml nước vào bình hoà tan sản phẩm. Gạn dung dịch sản phẩm ra hai ống nghiệm.
- Ống 1: Nhỏ 1, 2 giọt phenolphtalein, dung dịch có màu hồng.
- Ống 2: Nhỏ vào 1ml dung dịch KMnO4 đã có 2 – 3 giọt dung dịch H2SO4. Dung dịch thuốc tím mất màu. Hãy giải thích và viết phương trình phản ứng.
Chú ý: - Nếu lấy mẩu Na quá nhỏ thì sẽ tác dụng hết với không khí trước khi đưa vào bình O2. Thí nghiệm không thành công.
- Nếu đun Na chưa nóng chảy hoàn toàn thì đưa vào bình O2 phải một lúc lâu sau mới có phản ứng.
- Nếu dùng muôi sắt, Na dễ có thêm khói màu nâu do Fe3O4 tạo ra. Có thể dùng muôi bằng nhôm để khắc phục hiện tượng này.
Thí nghiêm 4: Natri tác dụng với nước
Hoá chất: Nước, natri, phenolphtalein.
Dụng cụ: Giá sắt, ống nghiệm, phễu nhỏ cuỗng phễu có ống vuốt nhọn, đèn cồn, que đóm, giấy lọc, dao.
Hình 2.7.3. Natri tác dụng với nước
Cách tiến hành: Có thể tiến hành thí nghiệm theo các cách sau:
Cách 1: Lấy ống nghiệm đựng 9/10 thể tích nước và lắp lên trên giá. Cắt mẩu natri bằng hạt đậu, thấm sạch dầu hoả và cho vào ống nghiệm. Úp phễu nhỏ có ống vuốt nhọn lên miệng ống nghiệm sao cho miệng ống nghiệm khít vào thành phễu. Khí H2 thoát ra ở đầu ống vuốt nhọn. Dùng que đóm châm lửa đốt H2 cháy, ngọn lửa xanh mờ. Khi phản ứng kết thúc, nhỏ 1 – 2 giọt phenolphtalein vào ống nghiệm. Quan sát và mô tả hiện tượng thí nghiệm.
Cách 2: Có thể chưng minh sản phẩm của phản ứng có H2 thoát ra bằng cách tạo hỗn hợp nổ với O2 trong không khí. Ta cũng cho vào ống nghiệm gần đầy nước một mẩu natri sạch rồi úp ngược một ống nghiệm khác lớn hơn lên trên ống nghiệm đó để thu H2 (như hình vẽ bên), khi mẩu natri đã phản ứng xong thì đưa miệng ống nghiệm đã thu đầy khí H2 lại gần ngọn lửa đèn cồn sẽ có tiếng nổ nhỏ. Khi nhỏ 1 – 2 giọt phenolphtalein vào dung dịch thì dung dịch chuyển màu hồng.
117
Cách 3: Ta cũng có thể tiến hành thí nghiệm trong cốc thuỷ tinh nhỏ, chứa 2/3 nước. Bỏ vào 1 mẩu natri và dùng phễu thủy tinh (có miệng lớn hơn miệng cốc) úp lên trên. Cuống phễu được úp 1 ống nghiệm to để thu H2. Quan sát hiện tượng qua thành phễu. Phản ứng kết thúc ta cũng đốt H2 trong ống nghiệm và nhỏ phenolphtalein vào dung dịch trong cốc.
Chú ý: - Với cách thứ 3 đảm bảo an toàn hơn có thể tiến hành thí nghiệm với các kim loại kiềm khác.
- Với cách 1, 2 không lấy miếng natri quá to và phải có kẹp giữ cho phễu hoặc ống nghiệm úp lên trên đề phòng miếng natri bị bắn lên thành ống gây nổ.
- Trong cách 1: Không đốt khí H2 ngay từ khi mới bỏ natri vào, tránh hiện tượng H2 mới sinh tạo với không khí còn trong phễu một hỗn hợp nổ.
Thí nghiệm 5: Natri tác dụng với axit clohiđric đặc
Hoá chất: Natri, HCl 30%
Dụng cụ: ống nghiệm, giá sắt, phễu nhỏ có ống vuốt, đèn cồn, đóm.
Cách tiến hành: Cho vào ống nghiệm 3/4 thể tích HCl đặc 30% và cặp lên giá sắt, cắt một miếng natri bằng hạt đậu, thấm sạch dầu và cho vào ống nghiệm. Đậy ống nghiệm bằng phễu nhỏ, có ống vuốt nhọn (như dụng cụ của thí nghiệm natri tác dụng với nước) ở cuỗng phễu. Châm lửa đốt H2 tạo ra ở cuống phễu. Natri phản ứng với HCl đặc, natri chuyển giọt tròn, chạy lung tung trên mặt dung dịch, có khí H2 thoát ra và các tinh thể muối NaCl màu trắng tạo ra lắng dần xuống đáy ống nghiệm.
Chú ý: Khi nghiên cứu tác dụng của kim loại kiềm với axit chỉ nên làm thí nghiệm của natri với HCl đậm đặc nồng độ từ 26 – 36%.
- Không dùng axit HCl loãng (dưới 18%), H2SO4, HNO3 vì sẽ gây nổ và cực kì nguy hiểm.
- Mọi thí nghiệm với natri, các mảnh nhỏ cắt bỏ phải thu gom bỏ vào lọ có dầu hoả, không vứt vào nước, thùng rác sẽ gây cháy nổ nguy hiểm.
Thí nghiệm 6: Điều chế natri hiđroxit bằng phương pháp điện phân dung
Hoá chất: NaCl, KI, hồ tinh bột, phenolphtalein.
Dụng cụ: Giá sắt, ống chữ U, điện cực than chì, nguồn điện 1 chiều (8 – 10V) dây dẫn.
Cách tiến hành: Pha dung dịch NaCl bão hoà và đổ vào ống chữ U, cách miệng ống 2cm rồi cặp lên giá sắt. Lấy hai sợi dây điện
1 đầu buộc chặt vào hai điện cực than chì, đặt 2 điện cực vào 2 nhánh của ống chữ U (hình 2.7.4). Nối 2 điện cực với một nguồn điện một chiều có thế hiệu 8 – 10V (acqui) pin hoặc điện đèn qua chỉnh lưu, biến áp) quan sát hiện tượng xảy ra trong 2 nhánh chữ U. Ở điện cực âm
(catốt) có H2 thoát ra và NaOH tạo thành, nhỏ vào đó 1 – 2 giọt phenolphtalein, dung dịch có màu hồng.
Ở cực dương (anốt) có khí Cl2 thoát ra: nhỏ vào đó 3 – 4 giọt dung dịch KI và 2 – 3 giọt hồ tinh bột. Clo đẩy I2 ra khỏi KI và làm xanh hồ tinh bột, dung dịch có màu xanh.
Chú ý: - Không nên tiến hành thí nghiệm quá lâu vì các dung dịch ở 2 điện cực sẽ bị trộn lẫn tạo nước javen màu hồng ở dung dịch bên cực âm sẽ dần biến mất.
- Có thể tiến hành đơn giản hơn bằng cách: Đặt miếng giấy lọc có tẩm dung dịch NaCl bão hoà lên tấm kính. Nhỏ vài giọt dung dịch phenolphtalein lên giấy lọc. Lấy hai dây đồng nối với hai cực của pin đèn (1) pin 1,5V, hoặc acqui rồi đặt đầu kia của hai dây đồng xuống hai điểm trên giấy lọc. Màu hồng xuất hiện rất nhanh trên giấy lọc phía cực âm. Nếu dùng ngòi bút làm cực âm thì khi viết đến đâu, có chữ màu hồng hiện lên đến đó.
Thí nghiệm 7: Xác định ion kim loại kiềm – kiềm thổ dựa vào màu ngọn lửa
Hoá chất: LiCl, NaCl, BaCl2, CaCl2, Sr(NO3)2, nước.
Dụng cụ: 6 cốc thủy tinh (50ml), biến thế, đũa thuỷ tinh, dây platin hoặc thanh nhôm, dây điện.
Cách tiến hành: Có thể tiến hành thí nghiệm này theo các cách khác nhau:
−−−− +
dd NaCl bão hòa
119
a) Dùng ngọn lửa hồ quang điện để nhận ra ion kim loại
Hình 2.7.5.
Ta có thể dùng 2 thanh nhôm đã cắt nhọn đầu hoặc hai đoạn dây platin 5cm nối với hai dây điện. Dùng dây cách điện buộc chặt hai thanh nhôm (hoặc Pt) vào đũa thuỷ tinh sao cho chúng hơi cách xa nhau, hai đầu so le nhau khoảng 1cm (như hình vẽ 2.7.5) nối hai đầu dây điện với nguồn điện đèn qua biến thế.
- Các muối được pha thành dung dịch bão hoà chứa vào các cốc có dán nhãn ghi tên các muối và chuẩn bị 1 cốc nước để rửa đầu dây nhôm (hoặc Pt). Cầm đũa thủy tinh nhúng đầu nhọn của 2 thanh nhôm (hoặc Pt) ngập vào dung dịch muối bão hoà rồi nhấc nhẹ lên để đầu nhọn của 1 thanh nhôm vừa lên khỏi mặt dung dịch, còn dầu nhọn của thanh kia vẫn ngập dưới dung dịch. Điều chỉnh con chạy của biến thế để có hiệu điện thế đủ lớn, hồ quang điện được tạo thành, ta nghe thấy tiếng kêu của sự phóng điện giữa 2 điện cực qua dung dịch, những tia lửa hồ quang trên mặt dung dịch nhuốm màu đặc trưng của ion kim loại trong muối.
Với dung dịch LiCl ngọn lửa có màu đỏ tía, với dung dịch NaCl ngọn lửa màu vàng, dung dịch KCl ngọn lửa màu tím đỏ. Dung dịch muối SrCl2 ngọn lửa màu đỏ son, dung dịch muối bari ngọn lửa màu xanh nõn chuối, dung dịch muối canxi ngọn lửa màu đỏ gạch.
Chú ý: - Sau mỗi lần thí nghiệm phải rửa kĩ hai thanh nhôm (hoặc Pt) bằng cách nhúng vào cốc nước cất.
dd muối bão hòa +
- Dùng dây Pt thì lâu mòn hơn nhưng đắt và cũng khó kiếm hơn.
b) Dùng ngọn lửa đèn cồn để nhận các ion kim loại kiềm, kiềm thổ
Ngoài các dung dịch muối kim loại kiềm, kiềm thổ bão hoà cần chuẩn bị thêm HCl đặc, đèn cồn tốt, 1 đoạn dây platin hoặc dây niken – crom (từ dây bếp điện) hoặc đoạn dây kim loại như dây tóc bóng đèn hỏng. Ta có thể cuốn đoạn dây kim loại trên vào đầu đũa thuỷ tinh hoặc hơ nóng đầu đũa thuỷ tnh trên ngọn lửa đèn khí (hoặc đèn cồn) đến khi mềm. Cắt 1 đoạn dây Pt hoặc dây bếp điện khoảng 5cm, dùng kìm cắm vào đầu đũa thủy tinh đã được nung mềm. Làm nguội đũa thủy tinh từ từ trong không khí rồi dùng kìm uốn đầu dây còn lại thành vòng tròn nhỏ. Nhúng dây kim loại này vào axit clohiđric đặc rồi đốt trên ngọn lửa đèn cồn để loại hết chất bẩn. Lặp lại động tác này 2 – 3 lần đến khi ngọn lửa đèn cồn không màu. Nhúng dây kim loại này vào dung dịch muối NaCl bão hoà đưa vào ngọn lửa đèn cồn (hoặc đèn khí). Ngọn lửa đèn cồn nhuốm màu vàng. Sau đó phải rửa dây kim loại trong HCl đặc và nung đỏ trước mỗi lần thử với các muối khác. Màu của ngọn lửa đèn cồn cũng nhuốm màu đặc trưng của các ion kim loại kiềm như trên.
c) Dùng cồn (rượu etylic) để nhận màu ngọn lửa các ion kim loại kiềm
Đổ 2 – 3 ml cồn đốt vào 3 chén sứ rộng miệng, lòng chén càng nông càng tốt. Đốt cho cồn cháy ngọn lửa càng to càng tốt, lấy tinh thể khô của các muối kim loại kiềm đã tán nhỏ, rắc dần lên khắp ngọn lửa và dùng đũa thuỷ tinh khuấy trong chén. Ngọn lửa của cồn cháy trong chén cũng nhuốm màu đặc trưng của kim loại rất rõ.
Thí nghiệm 8: Magiê tác dụng với oxi
Hoá chất: Mg kim loại, nước cất, dung dịch phenolphtalein. Dụng cụ: Đèn cồn, ống nghiệm, chén sứ, cặp panh.
Cách tiến hành:
- Cặp một băng magiê và đốt trên ngọn lửa đèn cồn Mg cháy sáng chói, ta đưa nhanh lên miệng chén sứ khô. MgO tạo ra dạng bột xốp, MgO tan một ít và rất chậm trong nước. Thêm 2 – 3 ml nước cất vào chén, lắc đều. Quan sát khả
121
năng tan của MgO trong nước. Rót dung dịch thu được vào ống nghiệm và thêm vào vài giọt dung dịch phenolphtalein. Nhận xét hiện tượng.
Dung dịch có màu hồng, Mg)OH)2 là bazơ trung bình.
Chú ý: Nếu không có dây magiê, chỉ có Mg bột ta có thể làm như sau: Lấy 1 dải giấy rộng 1cm, dài 10 – 12cm. Bôi hồ dán lên giấy rồi rắc bột Mg lên. Làm khô dải giấy ta sẽ sử dụng được như một dây magiê.
Thí nghiệm 9: Magiê tác dụng với nước
Hoá chất: Mg, H2O, phenolphtalein, cát sạch.
Dụng cụ: Đèn cồn, thìa sắt cán dài, chậu thủy tinh, giá sắt, ống nghiệm, nút cao su có ống dẫn khí cong.
Cách tiến hành: Ta có thể tiến hành thí nghiệm bằng hai cách:
a) Lấy thìa sắt cán dài và uốn cong. Đổ vụn hay vỏ bào Mg vào đầy thìa. Đốt cho vụn Mg cháy chậm trong không khí. Khi tất cả lớp Mg trên mặt thìa sắt đã cháy đỏ thì nhúng từ từ thìa sắt cháy đỏ thì đưa từ từ thìa sắt tiếp xúc với bề mặt chậu nước nóng (30 – 400C). Hơi nước tại đó bốc lên làm Mg cháy mạnh hơn. Từ từ nhúng sâu thìa sắt vào trong chậu nước, Mg cháy bùng lên sáng chói, khí H2