Metody otrzymywania soli

Zapoznaj się z opisem laboratorium chemicznego i zapoznaj się doświadczeniami, w wyniku których można otrzymać chlorek glinu oraz chlorek miedzi(II),. Zapoznaj się z problemem badawczym, hipotezą, obserwacjami oraz wnioskami wyciągniętymi z eksperymentu.

Temat:

Otrzymywanie bromku glinu różnymi sposobami.

Problem badawczy:

Czy bromek glinu można otrzymać, stosując pięć różnych metod?

Hipoteza:

Bromek glinu można otrzymać, stosując pięć różnych metod.

Sprzęt laboratoryjny:

• probówki (x5) – podłużne naczynie szklane do przeprowadzania prostych reakcji chemicznych;

• statyw – prostokątny sprzęt laboratoryjny z rzędami otworów, w których umieszczane są probówki;

• łyżeczki – - długi trzonek wykonany ze szkła, porcelany lub metalu zakończony z jednej strony łyżeczką;

• pipety Pasteura – wąska rurka pobierania i przenoszenia niewielkiej ilości cieczy przy pomocy ssawki.

Odczynniki chemiczne:

• ${\text{Br}}_{\text{2}}$;

• 10% $\text{HBr(aq)}$;

• ${\text{BaBr}}_{\text{2}}\text{(aq)}$;

• ${\text{Al}}_{\text{2}}{\text{(SO}}_{\text{4}}{\text{)}}_{\text{3}}(aq)$;

• $\text{Al}$ (folia aluminiowa);

• ${\text{Al}}_{\text{2}}{\text{O}}_{\text{3}}$;

• ${\text{Al(OH)}}_{\text{3}}$.

Przebieg eksperymentu:
Lub w innej kolejności
Probówka 1 (${\text{Al(OH)}}_{\text{3}}$ + $\text{HBr}$)
Umieszczono w probówce za pomocą pipety Pasteura 3 ${\text{cm}}^{\text{3}}$ 10% roztworu kwasu bromowodorowego, a następnie dodano 1 g wodorotlenku glinu.

Probówka 2 ($\text{Al}$ + $\text{HBr}$)
Umieszczono w probówce za pomocą pipety Pasteura 3 ${\text{cm}}^{\text{3}}$ 10% roztworu kwasu bromowodorowego, a następnie dodano 1 g folii aluminiowej (zwiniętej w kulkę).

Probówka 3 (${\text{Al}}_{\text{2}}{\text{O}}_{\text{3}}$ + $\text{HBr}$)
Umieszczono w probówce za pomocą pipety Pasteura 3 ${\text{cm}}^{\text{3}}$ 10% roztworu kwasu bromowodorowego, a następnie dodano 1 g tlenku glinu.

Probówka 4 ($\text{Al}$ + ${\text{Br}}_{\text{2}}$)
Umieszczono w probówce za pomocą pipety jednorazowej 3 ${\text{cm}}^{\text{3}}$ bromu, a następnie dodano 2 g folii aluminiowej.

Probówka 5 (${\text{Al}}_{\text{2}}{\text{(SO}}_{\text{4}}{\text{)}}_{\text{3}}$ + ${\text{BaBr}}_{\text{2}}$)
Umieszczono w probówce za pomocą pipety jednorazowej 3 ${\text{cm}}^{\text{3}}$ siarczanu(VI) glinu, a następnie dodano 3 ${\text{cm}}^{\text{3}}$ bromku baru.

Obserwacje:
Lub w innej kolejności

Probówka 1 (${\text{Al(OH)}}_{\text{3}}$ + $\text{HBr}$) – ciało stałe roztwarza się i powstaje klarowny, bezbarwny roztwór.

Probówka 2 ($\text{Al}$ + $\text{HBr}$) – folia aluminiowa roztwarza się i powstaje klarowny, bezbarwny roztwór. Wydzielają się pęcherzyki bezbarwnego gazu.

Probówka 3 (${\text{Al}}_{\text{2}}{\text{O}}_{\text{3}}$ + $\text{HBr}$) – ciało stałe roztwarza się i powstaje klarowny, bezbarwny roztwór.

Probówka 4 ($\text{Al}$+ ${\text{Br}}_{\text{2}}$) – zawartość probówki zapala się. Po zakończeniu reakcji na dnie probówki widoczny jest biały osad.

Probówka 5 (${\text{Al}}_{\text{2}}{\text{(SO}}_{\text{4}}{\text{)}}_{\text{3}}$ + ${\text{BaBr}}_{\text{2}}$) – wytrąca się biały osad.

Wyniki:
Lub w innej kolejności

Probówka 1 (${\text{Al(OH)}}_{\text{3}}$ + $\text{HCl}$) – w wyniku reakcji powstaje dobrze rozpuszczalna sól – bromek glinu.

Probówka 2 ($\text{Al}$ + $\text{HBr}$) - w wyniku reakcji powstaje dobrze rozpuszczalna sól – bromek glinu. Wydzielającym się gazem jest wodór.

Probówka 3 (${\text{Al}}_{\text{2}}{\text{O}}_{\text{3}}$ + $\text{HBr}$) – w wyniku reakcji powstaje dobrze rozpuszczalna sól – bromek glinu.

Probówka 4 ($\text{Al}$+ ${\text{Br}}_{\text{2}}$) – reakcja jest silnie egzotermiczna (w jej wyniku wydziela się duża ilość energii). W jej wyniku powstaje sól – bromek glinu.

Probówka 5 (${\text{Al}}_{\text{2}}{\text{(SO}}_{\text{4}}{\text{)}}_{\text{3}}$ + ${\text{BaBr}}_{\text{2}}$) – w wyniku reakcji powstaje dobrze rozpuszczalna w wodzie sól – bromek glinu oraz trudno rozpuszczalna w wodzie sól – siarczan(VI) baru.

Wnioski: Bromek glinu można otrzymać, stosując pięć różnych metod. Hipoteza została potwierdzona.

Metody otrzymywania chlorku glinu w wirtualnym laboratorium chemicznym

Na podstawie  wirtualnego laboratorium chemicznego można przeanalizować różne metody preparatyki chlorku glinu $\text{(AlCl}$₃), które stanowią podstawowe zagadnienie chemii nieorganicznej. Wirtualne laboratorium przedstawia systematyczne podejście do syntezy soli przez demonstrację pięciu głównych metod otrzymywania chlorku glinu, każda z charakterystycznymi cechami mechanizmu reakcji, warunkami prowadzenia oraz produktami powstającymi w procesie.

1. Charakterystyka dostępnych odczynników i sprzętu laboratoryjnego

Wirtualne laboratorium zostało wyposażone w kompletny zestaw odczynników chemicznych oraz sprzęt laboratoryjny niezbędny do przeprowadzenia eksperymentów syntezy chlorku glinu. Dostępne są następujące substancje chemiczne:

• glin metaliczny $\text{(Al)}$,  

• miedź $\text{(Cu)}$, 

• wodorotlenek glinu $\text{Al(OH)}{}_{}$, 

• tlenek glinu $\text{Al}$₂O₃, 

• tlenek miedzi(II)$\text{CuO}$, 

• woda destylowana, 

• kwas chlorowodorowy $\text{(HCl)}$, 

• chlorek miedzi(II) $\text{CuCl}$₂, 

• siarczan(VI) miedzi(II) $\text{CuSO}$₄,

• wodorotlenek sodu $\text{NaOH}$, 

• gazowy chlor $\text{Cl}$₂. 

Sprzęt laboratoryjny obejmuje:

• probówki, 

• zlewki, 

• kolby stożkowe, 

• pipety, 

• palnik gazowy. 

Wybór odpowiednich odczynników w wirtualnym laboratorium uzależniony jest od konkretnej metody syntezy, przy czym każda z metod wymaga specyficznych warunków reakcji oraz oferuje różne możliwości obserwacji procesów chemicznych. 

2. Metody otrzymania chlorku glinu

a. Metoda pierwsza: reakcja glinu metalicznego z kwasem chlorowodorowym

Pierwsza metoda syntezy chlorku glinu opiera się na reakcji wypierania, w której metaliczny glin reaguje z kwasem chlorowodorowym zgodnie z równaniem: $\text{2Al}+\text{6HCl}\to \text{2AlCl}$₃+3H₂. Jest to jedna z najczęściej stosowanych metod laboratoryjnych ze względu na łatwość przeprowadzenia oraz spektakularne efekty wizualne.

Reakcja przebiega w temperaturze pokojowej, choć początkowo może wydawać się, że nic się nie dzieje. Jest to spowodowane obecnością naturalnej warstwy tlenku glinu $\text{(Al}$₂O₃) na powierzchni metalu, która działa jak bariera ochronna. Po przebicu tej warstwy przez kwas, reakcja gwałtownie przyspiesza i staje się wyraźnie egzotermiczną, co objawia się intensywnym wydzielaniem gazowych pęcherzyków wodoru oraz znacznym wzrostem temperatury.

Podczas procesu można zaobserwować charakterystyczne bąbelkowanie spowodowane uwalnianym wodorem oraz stopniowe rozpuszczanie się folii aluminiowej. Roztwór kwasu chlorowodorowego zmienia zabarwienie na szarawe w wyniku tworzenia się chlorku glinu, który w roztworze wodnym ulega częściowej hydrolizie, nadając mu charakterystyczne właściwości.

b. Metoda druga: reakcja tlenku glinu z kwasem chlorowodorowym

Druga metoda syntezy wykorzystuje reakcję kwas‑zasada między tlenkiem glinu a kwasem chlorowodorowym: $\text{Al}$₂O₃+6HCl→2AlCl₃+3H₂O.Tlenek glinu wykazuje właściwości amfoteryczne, co oznacza, że może reagować zarówno z kwasami jak i zasadami, czyniąc tę metodę szczególnie uniwersalną. 

Proces wymaga łagodnego podgrzewania w celu przyspieszenia reakcji rozpuszczania tlenku glinu. Tlenek glinu w postaci białego proszku stopniowo rozpuszcza się w kwasie chlorowodorowym, tworząc przezroczysty roztwór chlorku glinu. W przeciwieństwie do pierwszej metody, w tej reakcji nie wydziela gazowy wodór, a jedynym produktem ubocznym jest woda, co czyni metodę szczególnie czystą i kontrolowaną. 

c. Metoda trzecia: reakcja wodorotlenku glinu z kwasem chlorowodorowym

Trzecia metoda to klasyczna reakcja neutralizacji między wodorotlenkiem glinu a kwasem chlorowodorowym:$\text{Al(OH)}$₃+ 3HCl→AlCl₃+3H₂O. Wodorotlenek glinu również wykazuje właściwości amfoteryczne, co umożliwia jego reakcję z kwasami

Wodorotlenek glinu występuje naturalnie w postaci żelowatego, białego osadu, który w kontakcie z kwasem chlorowodorowym ulega całkowitemu rozpuszczeniu. Reakcja przebiega w temperaturze pokojowej i jest wyraźnie egzotermiczna, co można zaobserwować przez wzrost temperatury roztworu. Proces charakteryzuje się stopniowym znikaniem białego, galaretowatego osadu wodorotlenku glinu i tworzeniem przezroczystego roztworu. Mechanizm reakcji polega na bezpośredniej neutralizacji grup hydroksylowych $\text{(-OH)}$ w strukturze Al(OH)₃ przez protony z kwasu chlorowodorowego. Jest to najbardziej stechiometricznie efektywna metoda spośród wszystkich omawianych, ponieważ wymagana jest najmniejsza ilość kwasu do otrzymania jednego mola chlorku glinu.

d. Metoda czwarta: synteza bezpośrednia z glinu i chloru

Czwarta metoda to reakcja bezpośrednia między metalicznym glinem a gazowym chlorem: $\text{2Al}+\text{3Cl}$₂→2AlCl₃. Jest to metoda przemysłowa, stosowana na szeroką skalę w produkcji bezwodnego chlorku glinu.

Reakcja wymaga wysokich temperatur w zakresie $\text{650 - 750}°$C, co czyni ją trudną do przeprowadzenia w standardowych warunkach laboratoryjnych. Proces charakteryzuje się gwałtowną reakcją egzotermiczną, podczas której można zaobserwować jasny płomień oraz sublimację powstającego chlorku glinu. W wysokiej temperaturze reakcji AlCl₃ występuje w postaci gazowej i kondensuje się na chłodniejszych powierzchniach aparatury.

Metoda ta jest szczególnie ważna z przemysłowego punktu widzenia, ponieważ pozwala na otrzymanie bezwodnego chlorku glinu, który znajduje zastosowanie jako katalizator w reakcjach Friedela‑Craftsa oraz w innych procesach syntezy organicznej. Bezwodny chlorek glinu wykazuje silne właściwości higroskopijne i gwałtownie reaguje z wilgocią atmosferyczną.

e. Metoda piąta: reakcja wypierania z chlorkiem miedzi(II)

Piąta metoda wykorzystuje reakcję wypierania między glinem metalicznym a chlorkiem miedzi(II): $\text{2Al}+\text{3CuCl}$₂→2AlCl₃+3Cu. Jest to demonstracyjna reakcja redoks, która doskonale ilustruje szereg aktywności metali.

Proces wymaga podgrzewania roztworu chlorku miedzi(II) i dodawania glinu w postaci folii aluminiowej. Reakcja jest wysoce egzotermiczną i spektakularną pod względem wizualnym - można zaobserwować wytrącanie się metalicznej miedzi o charakterystycznej czerwonawej barwie oraz zmianę zabarwienia roztworu z niebieskiego na bezbarwny.

Mechanizm reakcji polega na redukcji jonów $\text{Cu}2+$ przez atomy glinu, przy jednoczesnej oksydacji glinu do jonów Indeks górny 3+³⁺. Reakcja ta jest termodynamicznie bardzo korzystna ze względu na dużą różnicę w potencjałach standardowych obu par redoks. Glin, będący znacznie wyżej w szeregu aktywności metali niż miedź, łatwo oddaje elektrony, redukując jony miedzi do metalicznej postaci.