Клуб «Юный химик»: О воде и накипи// Химия и жизнь. — 1988. — 11. — С. 70-72.
Мы продолжаем обсуждать работы юных химиков, присланные на экспериментальный конкурс. Напомним, что он был объявлен в №10 прошлого года.
2.Осторожно, чтобы не поцарапать эмаль, соскребите накипь с внутренних стенок чайника и попытайтесь проанализировать, из каких веществ она состоит. Подробно опишите весь ход анализа, не забыв указать использованную литературу.
Это задание выполнили большинство участников конкурса. Многие работы обстоятельны, с продуманной методикой, чётко изложены. Вероятно, это можно объяснить разнообразием и большей доступностью литературы по анализу неорганических соединений. Например, недавно издательство «Просвещение» выпустило учебное пособие В.И.Астафурова для учащихся 9-10 классов «Основы химического анализа». Издано и множество других книг и пособий по качественному и количественному анализу.
Как же узнать состав накипи? Многие участники конкурса справедливо указывают, что состав накипи отражает так называемую временную (карбонатную) жёсткость воды, которая отличается от её исходного состава. Накипь, часто окрашенная, на стенках чайника содержит, как пишет С.Пучков, соединения Са, Mg, Fe и образуется при разложении растворимых гидрокарбонатов; кальций и магний осаждаются в виде карбонатов, а железо в результате реакций гидролиза и окисления образует гидроксиды. В кипяченой воде остаются такие соли, как CaCl2, MgCl2 и т.п. Учитывая это, некоторые школьники анализировали не накипь, а остаток, получаемый после полного выпаривания воды.
Сначала рассмотрим результаты анализа самой накипи. Все участники конкурса без труда обнаружили в ней карбонаты — под действием кислот выделялся газ, который мутил известковую воду. Также почти везде, независимо от географии, в накипи были обнаружены соединения Ca и Mg. Вот что пишут по этому поводу А.Кабанцов и Д.Пашуков из Ижевска (свою работу они выполняли в химическом кружке городского Дворца пионеров и школьников). «В природе чистая вода не встречается, так как, взаимодействуя с минералами, она частично растворяет их. Поэтому в воде всегда присутствуют различные соли, которые, и придают ей неповторимый вкус. Самая чистая в природе — дождевая вода, но и она содержит незначительные количества различных примесей, захваченных из воздуха. Достаточно чиста и родниковая вода: ведь она фильтруется, проходя через различные породы. В воде очень часто встречаются катионы кальция и магния, потому что эти элементы одни из самых распространенных в земной коре».
Помимо указанных ионов ребята находили в накипи соединения железа. В зависимости от их содержания вода может быть от светло-жёлтого до бурого цвета. Есть и необычные результаты. Д.Полосков обнаружил в накипи соединения алюминия: под действием смеси NH4OH и NH4Cl выпал осадок, который не растворялся в избытке аммиака и дал положительную реакцию образования тенаровой сини. И.Михайлов сделал вывод о том, что в анализируемой им накипи содержится марганец: при добавлении щёлочи к раствору накипи в азотной кислоте выпал осадок белого цвета, а когда на этот осадок Игорь подействовал раствором H2O2, стал выделяться кислород, а осадок почернел.
Д.Арефьев попытался найти в накипи гидроксид-ионы. Он смешал сухую накипь с порошком NH4Cl, растёр смесь в ступке и поднёс к ней красную лакмусовую бумажку. Бумажка чуть-чуть посинела, значит, в накипи содержались гидроксиды. Положительная реакция на гидроксиды получилась и в том случае, когда накипь нагревали с раствором NH4Cl. Значит, в накипи присутствуют не только карбонаты кальция, магния, железа, но и гидроксиды (или основные соли).
Те, кто анализировали не только накипь, но и саму воду, обнаруживали в ней также ионы Na+, Cl–, SO42– (в меньших количествах). Детальное исследование жёсткости воды из различных источников провела Н.Смаева (Арзамас), работа которой также публикуется в этом выпуске Клуба.
А теперь рассмотрим некоторые возможные источники ошибок при анализах. Чтобы перевести содержащиеся в накипи соединения в раствор, обычно использовали соляную или азотную кислоты. Иногда выбор кислоты не играет роли, но в некоторых случаях соляная кислота может оказаться предпочтительнее. Надо помнить, что азотная кисло
Распространенная ошибка — отсутствие чёткого указания на источник анализируемой воды и накипи, её цвет, количество, взятое для анализа, объём раствора после действия на накипь кислоты и т.д. На первый взгляд, это может показаться мелочью. Однако количество накипи и конечный объём раствора помогают оценить верхний предел содержания данного иона в случае отрицательной реакции на него: ведь каждая аналитическая реакция имеет свой предел чувствительности. Кстати, этот предел для реакций на разные ионы может отличаться на много порядков. Например, трудно найти объект, который не дал бы жёлтого окрашивания пламени из-за наличия следов натрия. В то же время для обнаружения ионов калия, дающих осадок с раствором гексанитрокобальтата(III) натрия Na3[Co(NO2)6] (эту реакцию проводил Д.Арефьев с помощью самостоятельно изготовленного реактива), требуются значительно большие концентрации ионов K+. Вообще реакции с выделением осадков, особенно бесцветных, обычно менее чувствительны, чем цветные реакции на катионы. Здесь прав Д.Арефьев, когда он решил ещё до исследования воды и накипи «набить руку» и провести контрольные реакции для распознавания разных анионов, чтобы освоить технику эксперимента и избежать в дальнейшем ошибок. К сожалению, никто из участников конкурса не попытался определить границу чувствительности использованных аналитических реакций.
Довольно распространенная ошибка — попытка проводить качественные реакции на ионы K+, Na+, NH4+, Cl– с раствором накипи в кислоте. Таким ионам неоткуда взяться в растворе — они полностью остаются в кипячёной воде. Положительная реакция на ионы NH4+ (проба на индикаторную бумажку при добавлении к анализируемому раствору щёлочи) вызывает сомнения: цвет индикатора мог измениться не от выделяющегося аммиака, а от попавшего на него щелочного раствора; во всяком случае, никто не сообщает о запахе аммиака, так же, как, впрочем, и о контрольных опытах. Наивно проводить и систематический анализ на все катионы всех аналитических групп в точном соответствии с руководством по аналитической химии. Ну откуда в питьевой воде могут взяться ионы меди, серебра, ртути, бария (а анализ на Ва2+ проводили почти все, хотя растворимые соединения бария очень ядовиты)? Даже если эти элементы в питьевой воде и присутствуют, то в таких ничтожных количествах, которых домашним анализом не определить. Здесь снова уместно процитировать Д.Арефьева: «Я пользовался книгой М.Э.Полесса и И.Н.Душечкиной «Аналитическая химия» (М.: Медицина, 1987). В ней дана таблица для анализа многих ионов, но я её упростил, исключив те катионы, которые не могут быть в накипи или же находятся в ней в очень малых количествах, например, серебро, ртуть, свинец, медь, марганец, висмут и др.». Такой же вывод делает Д.Полосков, резонно считая, что анализ на подобные катионы — напрасная трата времени, так как вода с этими солями была бы непригодна для питья.
На этом мы закончим анализ работ по второму заданию. Думаем, что проведенные эксперименты оказались не только полезными, но и интересными для участников конкурса.