ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 21. СВИНЕЦ И ЕГО КИСЛОРОДНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ

Цельработы

Ознакомление с экспериментальными методами получения металлического свинца, оксидов и гидроксидов свинца; изучение их кислотноосновных и окислительно-восстановительных свойств.

Краткиетеоретическиесведения

Свинец имеет порядковый номер 82 в периодической системе элементов. Электронная конфигурация валентного уровня 6s26p2 обуславливает переменную валентность II и IV. Стандартный электродный потенциал Å0Pb / Pb2+ = −0,13 Âопределяет его окислительно-восстановительные свойства.

В земной коре содержится 1,6 . 10−3 вес. % свинца. Очень редко он встречается в чистом состоянии. Наиболее важные минералы, используемые для получения металлического свинца: PbS – свинцовый блеск, PbSO4 – англезит, PbCO3 – церуссит. Свинец извлекают в основном из свинцового блеска (меньшее значение имеют англезит и церуссит) пирометаллургическими методами. Например:

2PbS + 3O2 → 2PbO + 2SO2 (основная реакция) PbS + 2O2 → PbSO4 (побочная реакция)

PbO + C → Pb + CO

PbSO4 + 2SiO2 → 2PbSiO3 + 2SO2 + O2

PbSiO3 + CaO + CO → Pb + CaSiO3 + CO2

В лаборатории металлический свинец можно получить восстановлением оксидов свинца, используя в качестве восстановителей водород, углерод, CO, натрий, бор и другие металлы, потенциал которых отрицательнее нормального потенциала Pb. Восстановление ведут при повышенных температурах или в мягких условиях в зависимости от природы восстановителя. Например:

PbO + H2	250−350 o С
	→ Pb + H2O
PbO + C	400−500 o С
	→ Pb + CO

2PbO + 2Na = 2Pb + Na2O2

3PbO + 2B = 3Pb + B2O3

Химия. Лаб. практикум

-184-

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 21. СВИНЕЦ И ЕГО КИСЛОРОДНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ

Краткие теоретические сведения

Очищают черновой свинец преимущественно электролитическим рафинированием. Свинец в свежем срезе имеет голубовато-серый цвет с блеском, на воздухе быстро покрывается окисной пленкой. Металл имеет плотность 11,34 г/см3 при 20 оС, мягкий (плотность всего 1,5 по шкале Мооса). Свинец диамагнитен, его температура плавления 327,4 оС, металл с невысокой электро- и теплопроводностью. Свинец хорошо поглощает проникающее α-, β-, γ-излучения и рентгеновские лучи. Известны многочисленные сплавы свинца преимущественно с s- и p-металлами. Сплавы свинца с Au, Hg, Sn и другими металлами легко получить путем диффузии металлического свинца в эти металлы.

По значению электродного потенциала свинец следует отнести к малоактивным металлам, однако во влажном воздухе, содержащем СО2, на поверхности металла образуется слой основного карбоната свинца 2PbCO3 ·Pb(OH)2. Горячие пары воды реагируют со свинцом:

Pb + H2O PbO + H2

Разбавленная соляная и 80 %-я серная кислоты взаимодействуют со свинцом только с поверхности, которая покрывается защитными пленками из PbCl2 и PbSO4 соответственно. Горячие концентрированные соляная и серная кислоты разрушают эти пленки, а следовательно, растворяют свинец:

PbCl2 + 2HCl = H2[PbCl]4

PbSO4 + H2SO4 = Pb(HSO4)2

В разбавленной азотной кислоте свинец легко растворяетcя:

3Pb + 8HNO3 = 3Pb(NO3)2 + 2NO + 4 H2O

Концентрированная азотная кислота на поверхности металлического свинца образует защитную пленку из Pb(NO3)2, мало растворимую в концентрированной азотной кислоте.

Разбавленная уксусная и другие органические кислоты в присутствии кислорода взаимодействуют с металлическим свинцом при нагревании, образуя соли двухвалентного свинца:

Pb + 2CH3COOH + 1/2O2 = Pb(CH3COO)2 + H2O

Концентрированные растворы щелочей при нагревании растворяют металлический свинец; образование гидроксоплюмбатов сопровождается выделением водорода:

Pb + 2KOH + 2H2O = K2[Pb(OH)4] + H2

При сплавлении металлического свинца с нитратом калия образуются нитрит калия и оксид свинца (II):

Химия. Лаб. практикум

-185-

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 21. СВИНЕЦ И ЕГО КИСЛОРОДНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ

Краткие теоретические сведения

Pb + КNO3 = KNO2 + PbO

Металлический свинец используют в радиохимии и ретгеновской технике для поглощения излучения, а также для изготовления контейнеров, в которых перевозят и хранят радиоактивные вещества. Из свинца делают оболочки телефонных и электрических кабелей, аккумуляторные пластины. Из свинца получают оксиды, входящие в состав стекол, эмалей, пигментов для масляных красок. Известны различные сплавы на основе свинца, такие как подшипниковые, типографские, припои.

Оксид свинца в воде растворяется трудно. Активно взаимодействует с кислотами и щелочами (основные свойства преобладают):

PbO + 2HNO3 = Pb(NO3)2 + H2O

PbO + KOH + H2O = K[Pb(OH)3]

Гидроокись двухвалентного свинца Pb(OH)2 получают действием сильных оснований на соли свинца (II):

Pb(NO3)2 + 2NH4OH = Pb(OH)2 + NH4NO3 Pb(CH3COO)2 + 2NaOH = Pb(OH)2 + 2CH3COONa

Основные свойства Pb(OH)2 выражены слабо. Гидроокись свинца (II) растворяется в концентрированных щелочах (pH~13) с образованием гидро-

ксоплюмбитов. Константы кислотной и щелочной диссоциации имеют зна-

чения: Ккисл = 1·10−12 и Косн = 2.·10−8.

Pb(OH)2 + 2KOH = K2[Pb(OH)4]

Двуокись свинца PbO2 в природе встречается редко. Её получают окислением соединений двухвалентного свинца в щелочной среде хлором, бромом, хлорной известью и другими окислителями, а также гидролизом солей четырёхвалентного свинца. Например:

PbSO4 + Cl2 + 4NaOH = PbO2 + 2NaCl + Na2SO4 + 2 H2O

Pb(SO4)2 + 2H2O ' PbO2 + 2H2SO4

Двуокись свинца проявляет амфотерный характер, взаимодействуя как с кислотами, так и с основаниями:

PbO2 + 2NaOH + 2 H2O = Na2[Pb(OH)6]

PbO2 + 4HCl = PbCl4 + 2 H2O

PbCl4 → PbCl2 + Cl2

Химия. Лаб. практикум

-186-

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 21. СВИНЕЦ И ЕГО КИСЛОРОДНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ

Краткие теоретические сведения

Преобладание кислотных свойств приводит к тому, что результатом сплавления PbO2 с основными окислами, такими как CaO или BaO, является образование ортоплюмбатов:

PbO2 + 2CaO = Ca2PbO4

В интервале температур 300−550 oC PbO2 разлагается через стадии образования смешанных оксидов Pb2O3 и Pb3O4 до оксида свинца (II).

Экспериментальнаячасть

Опыт 1 ВосстановлениекатионаPb2+ израствора

Впробирку поместите кусочек цинка и прибавьте 5-6 капель приготовленного раствора нитрата или ацетата свинца. Наблюдается выделение металлического свинца в виде блестящих кристаллов.

Результат опыта запишите в виде уравнения реакции в ионной форме. Какими металлами можно заменить в этом опыте цинк?

Опыт 2

Взаимодействиесвинцаскислотами

А. Действие на свинец разбавленных кислот. В три пробирки помес-

тите по маленькому кусочку свинца и прилейте по 6−8 капель 2 н. растворов кислот: в одну хлороводородную, в другую серную, в оставшуюся азотную. Нагрейте пробирки на слабом пламени спиртовки. Во всех ли пробирках протекает реакция? При охлаждении растворов во все пробирки прилейте по 2-3 капли раствора иодида калия. С какой кислотой в пробирке выпал осадок иодида свинца? На основании наблюдений сделайте вывод о растворимости свинца в кислотах, используемых в опыте. Напишите уравнение реакций.

Б. Действие на свинец концентрированных кислот. Осторожно вы-

лейте растворы кислот из пробирок предыдущего опыта, оставшиеся кусочки свинца промойте водой и подействуйте на свинец концентрированными кислотами: хлороводородной (плотность 1,19 г/см3), серной (плотность 1,84 г/см3), азотной (плотность 1,40 г/см3), добавляя их раздельно в каждую пробирку по 3−5 капель. Отметьте протекание реакций на холоде, а затем при осторожном нагревании на водяной бане. Запишите наблюдения в журнал.

При охлаждении растворов прилейте в пробирки по 3-4 капли воды и по 2-3 капли иодида калия. По результатам наблюдений сделайте вывод о том, в какой из кислот свинец наиболее растворим. Напишите уравнения реакций, учитывая, что при взаимодействии с концентрированной азотной кислотой образуется NO2, а с концентрированной серной кислотой − SO2. Во

Химия. Лаб. практикум

-187-

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 21. СВИНЕЦ И ЕГО КИСЛОРОДНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ

Экспериментальная часть

всех случаях свинец окисляется до Pb (II), давая с концентрированной серной кислотой гидросульфат свинца.

Опыт 3

Гидроксидсвинца(II) иегосвойства

В две пробирки поместите по 2-3 капли раствор соли свинца (II) и добавьте в каждую пробирку по нескольку капель 2 н. раствора гидроксида натрия до выпадения осадка. Для исследования свойств полученного гидроксида свинца добавьте в одну пробирку несколько капель 2 н. раствора азотной кислоты, в другую – 2 н. раствора гидроксида натрия. Размешайте растворы стеклянной палочкой до полного растворения осадков в обеих пробирках.

На основании результатов опытов сделайте вывод о свойствах гидроксида свинца. Напишите уравнения реакций получения гидроксида свинца, его диссоциации и растворения в кислоте и щелочи, учитывая образование в щелочной среде комплексного соединениягексагидроксоблюмбата (II) натрия.

Опыт 4

Окислениенитратасвинца(II) пероксидомводорода

К 2-3 каплям раствора (2 н.) нитрата свинца добавьте такое же количество 40 %-го раствора NaOH и 4−6 капель 10 %-го пероксида водорода. Полученный раствор гексагидроксоплюмбата (IV) натрия размешайте стеклянной палочкой и нагрейте на слабом пламени спиртовки. При этом наблюдается образование коричневого осадка диоксида свинца. После осаждения осадка жидкость из пробирки удалите пипеткой, промойте осадок 2-3 каплями воды, перемешивая стеклянной палочкой. Удалите воду фильтровальной бумагой, осадок сохраните.

Напишите уравнения реакций: взаимодействия нитрата свинца с избытком едкого натра и окисления полученного Na4[Pb(OH)6] пероксидом водорода.

Опыт 5 Амфотерныесвойствадиоксидасвинца

А. Взаимодействие диоксида свинца с хлороводородной кислотой.

Поместите в пробирку 2 микрошпателя диоксида свинца и добавьте к нему несколько капель концентрированной хлороводородной кислоты. При нагревании пробирки на слабом пламени спиртовки (в вытяжном шкафу) появляется желтая окраска, характерная для тетрахлорида свинца, и выделяется газообразный хлор, регистрируемый посинением йодкрахмальной бумажки у отверстия пробирки.

Химия. Лаб. практикум

-188-

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 21. СВИНЕЦ И ЕГО КИСЛОРОДНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ

Экспериментальная часть

Напишите уравнение реакций: взаимодействие диоксида свинца с хлороводородной кислотой и разложение тетрахлорида свинца (последнее указывает на его термическую лабильность).

Б. Взаимодействие диоксида свинца со щелочью. В тигелек поместите

0,2−0,3 г диоксида свинца и 10−12 капель 40 %-го раствора гидроксида натрия. Тигелек на сетке нагревайте слабым пламенем спиртовки, помешивая стеклянной палочкой, в течение 2-3 мин. После охлаждения и осаждения осадка 5-6 капель раствора перенесите в чистую пробирку. Добавьте к раствору несколько капель концентрированной хлороводородной кислоты. Появление желтой окраски указывает на образование тетрахлорида свинца.

Напишите уравнения реакций взаимодействия диоксида свинца с NaOH в присутствии воды, протекающего с образованием Na2[Pb(OH)6], взаимодействия гексагидроксоблюмбата (IV) натрия с HCl и разложения тетрахлорида свинца.

Опыт 6 Окислениеиодидакалия

Впробирку поместите на кончике шпателя диоксид свинца, добавьте 3−5 капель 2 н. раствора серной кислоты и 5−6 капель иодида калия. Нагрейте пробирку на водяной бане или на слабом огне спиртовки. Отметьте изменение цвета раствора. Перенесите стеклянной палочкой каплю этого раствора

впробирку с 6−8 каплями раствора крахмала. Появление синей окраски крахмального раствора указывает на наличие свободного йода.

Напишите уравнение реакции диоксида свинца с иодидом калия в кислой среде.

Опыт 7

Окислениесульфатамарганца(II)

В пробирку поместите на кончике микрошпателя диоксид свинца, добавить 6−8 капель 2 н. раствора азотной кислоты и одну каплю 1 н. раствора сульфата марганца. Содержимое пробирки осторожно прокипятите, охладите и дайте раствору отстояться. Отметите окраску раствора.

Напишите уравнение реакции, учитывая, что образовалась марганцовая кислота и соль свинца (II).

Контрольныевопросыизадачи

1.Объясните причину различного отношения свинца к хлороводородной, серной и азотной кислотам.

2.Какое соединение получается при взаимодействии свинца с азотной кислотой?

Химия. Лаб. практикум

-189-

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 21. СВИНЕЦ И ЕГО КИСЛОРОДНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ

Контрольные вопросы и задачи

3.Влияет ли на характер реакции свинца с хлороводородной кислотой её концентрация.

4.Почему в опыте 3 используется азотная кислота, а не хлороводородная или серная?

5.Можно ли Pb2+ окислить дихроматом калия? При ответе использовать данные редокс-потенциалов.

6.Какая степень окисления более характерна для свинца: +2 или +4? Ответ мотивируйте.

7.Какой из оксидов и почему проявляет более кислые свойства PbO

или PbO2?

8.Составьте ионное уравнение реакции: PbO2 + HBr →

9.На каких свойствах оксидов свинца основана работа свинцового аккумулятора? Напишите уравнения реакций, протекающих при разрядке и зарядке свинцового аккумулятора.

10.Вычислите произведение растворимости PbCl2, если растворимость его при комнатной температуре составляет 3,9·10−2 моль/л.

Химия. Лаб. практикум

-190-