1А,2А,6А и 7А, комментарии к практикуму
.pdfФедеральное агентство по образованию
Московская государственная академия
тонкой химической технологии им. М.В.Ломоносова
Кафедра неорганической химии
Михайлов В.А., Покровская Л.И., Гаврилова И.М.
ХИМИЯ ЭЛЕМЕНТОВ IА-, IIА-, VIА-,VIIА-ГРУПП
Комментарий к практикуму
по общей и неорганической химии
Учебное пособие
Москва, 2007
www.mitht.ru/e-library
Рецензенты:
д.х.н. проф. Кутвицкий В.А. (МИТХТ, кафедра стандартизации и
сертификации)
к.х.н. доц. Сорокина О.В. (МИТХТ, кафедра неорганической химии)
Михайлов В.А., Покровская Л.И., Гаврилова И.М.
Химия элементов IА-, IIА-, VIА-, VIIАгрупп. Комментарий к практикуму по общей и неорганической химии.
Учебное пособие
М.,МИТХТ им. М.В.Ломоносова, 2007 - 46с.
Утверждено Библиотечно-издательской комиссией МИТХТ им. М.В.Ломоносова в качестве учебного пособия.
Поз. /2007.
Данное учебное пособие предназначено для организации самостоятельной работы студентов всех направлений бакалавриата при подготовке и выполнении лабораторных работ по дисциплине “Химия элементов”. В нем содержатся комментарии к химическим реакциям,
изучаемым студентами в лабораторном практикуме.
Пособие составлено в полном соответствии с учебной программой.
©МИТХТ им. М.В.Ломоносова, 2007
2
www.mitht.ru/e-library
ОГЛАВЛЕНИЕ |
|
|
ВВЕДЕНИЕ............................................................................................... |
|
4 |
17. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА "ХИМИЯ S-ЭЛЕМЕНТОВ"................ |
5 |
|
17.1. ЭЛЕМЕНТЫ IА-ГРУППЫ |
(ЩЕЛОЧНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ)...... |
5 |
17.1.1. ПРОСТЫЕ ВЕЩЕСТВА........................................................ |
|
5 |
17.1.2. ОКСИДЫ, БИНАРНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ............................. |
8 |
|
17.1.3. ОКРАШИВАНИЕ ПЛАМЕНИ.............................................. |
8 |
|
17.1.4. МАЛОРАСТВОРИМЫЕ СОЛИ ЛИТИЯ.............................. |
9 |
|
17.2. ЭЛЕМЕНТЫ IIА-ГРУППЫ |
(БЕРИЛЛИЙ И МАГНИЙ)....... |
11 |
17.2.1. ПРОСТЫЕ ВЕЩЕСТВА...................................................... |
|
11 |
17.2.2. ОКСИДЫ, БИНАРНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ........................... |
12 |
|
17.2.3. ГИДРОКСИДЫ.................................................................... |
|
13 |
17.2.4. ГИДРОЛИЗ СОЛЕЙ............................................................ |
|
15 |
17.3. ЭЛЕМЕНТЫ IIА-ГРУППЫ |
(ЩЕЛОЧНОЗЕМЕЛЬНЫЕ |
|
ЭЛЕМЕНТЫ)....................................................................................... |
|
16 |
17.3.1. ПРОСТЫЕ ВЕЩЕСТВА...................................................... |
|
16 |
17.3.2. ГИДРОКСИДЫ.................................................................... |
|
16 |
17.3.3. ОКРАШИВАНИЕ ПЛАМЕНИ............................................ |
17 |
|
17.3.4. МАЛОРАСТВОРИМЫЕ СОЛИ.......................................... |
17 |
|
18. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА |
"ХИМИЯ ЭЛЕМЕНТОВ VIIA- |
|
ГРУППЫ"…………………………………………………………………19 |
||
18.1. ПРОСТЫЕ ВЕЩЕСТВА............................................................ |
|
20 |
18.1.1. ПОЛУЧЕНИЕ ПРОСТЫХ ВЕЩЕСТВ............................... |
20 |
|
18.1.2. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ С ВОДОЙ........................................ |
23 |
|
18.1.3. РАСТВОРИМОСТЬ В ОРГАНИЧЕСКОМ |
|
|
РАСТВОРИТЕЛЕ……………………………………......................24 |
||
18.1.4. ОКИСЛИТЕЛЬНЫЕ СВОЙСТВА...................................... |
24 |
|
18.1.5. КОМПЛЕКСООБРАЗОВАНИЕ.......................................... |
25 |
|
18.2. ГАЛОГЕНИДЫ .......................................................................... |
|
25 |
18.2.1. ПОЛУЧЕНИЕ....................................................................... |
|
25 |
18.2.2. ВОССТАНОВИТЕЛЬНЫЕ СВОЙСТВА............................ |
26 |
|
18.3. КИСЛОРОДНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ............................................ |
27 |
|
19. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА |
"ХИМИЯ ЭЛЕМЕНТОВ VIА- |
|
ГРУППЫ"…………………………………………………………………29 |
||
19.1.ПРОСТЫЕ ВЕЩЕСТВА............................................................. |
|
29 |
19.1.1. КИСЛОРОД ......................................................................... |
|
29 |
19.1.2. СЕРА.................................................................................... |
|
31 |
19.2. ХАЛЬКОГЕНИДЫ..................................................................... |
|
34 |
19.2.1. ВОДА И ПЕРОКСИД ВОДОРОДА.................................... |
34 |
|
19.2.2. СЕРОВОДОРОД.................................................................. |
|
36 |
19.2.3. РАСТВОРИМОСТЬ СУЛЬФИДОВ.................................... |
36 |
|
19.3. КИСЛОРОДНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ............................................ |
41 |
|
19.3.1. ДИОКСИД СЕРЫ................................................................ |
|
41 |
19.3.2. СЕРНАЯ КИСЛОТА............................................................ |
|
42 |
19.3.3.ТИОСУЛЬФАТЫ И ПЕРОКСОДИСУЛЬФАТЫ................ |
43 |
|
ЛИТЕРАТУРА ........................................................................................ |
|
45 |
3
www.mitht.ru/e-library
ВВЕДЕНИЕ
Учебное пособие составлено на основе “Практикума по общей и неорганической химии”, которым руководствуются студенты первого
курса при изучении химии элементов и их важнейших соединений.
Поскольку данное пособие дополняет практикум, названия и нумерация
лабораторных работ и их отдельных разделов аналогичны принятым в практикуме.
Издание является первой частью комментария к практикуму и
будет продолжено “Химией элементов IIIA-, IVA-, VA-групп” и “Химией d-элементов”.
Для успешного выполнения лабораторных работ студент должен освоить теоретический курс. Поэтому к каждому лабораторному занятию
нужно готовиться, предварительно прорабатывая теоретический
материал по теме работы. Для этого, наряду с учебниками и
конспектами лекций, следует изучить предлагаемый комментарий. В нем обсуждаются составление наиболее сложных уравнений химических
реакций, механизм их протекания и условия проведения опытов.
Комментарий поможет студентам в написании уравнений реакций и
выполнении опытов, так как практикум составлен в алгоритмической
форме.
При оформлении отчета о выполненной лабораторной работе студент найдет в пособии полезные сведения о физических и химических свойствах веществ, рекомендации по применению критериев протекания реакций к изучаемым процессам, расчеты констант
равновесия для некоторых сложных равновесий. На конкретных примерах показано, как на основе результатов опытов с привлечением литературных данных провести сравнительную оценку свойств
химических веществ и закономерностей их изменения в зависимости от положения элемента в Периодической системе.
Пособие будет также подспорьем для студентов при подготовке к
коллоквиумам и экзамену по химии элементов.
4
www.mitht.ru/e-library
17. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА
"ХИМИЯ S-ЭЛЕМЕНТОВ"
17.1. ЭЛЕМЕНТЫ IА-ГРУППЫ
(ЩЕЛОЧНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ)
17.1.1. ПРОСТЫЕ ВЕЩЕСТВА
На внешней электронной оболочке атомы щелочных элементов
имеют по одному электрону. На второй снаружи электронной оболочке у атома лития находятся два электрона, а у остальных щелочных элементов – по восемь электронов. Одинаковое строение не только
внешней, но и предпоследней электронной оболочки всех щелочных элементов, кроме лития, обусловливает большое сходство свойств этих
элементов. В то же время увеличение заряда ядра и общего числа
электронов в атоме при переходе сверху вниз по подгруппе создает
некоторые различия в их свойствах.
Таблица 17.1.
Некоторые свойства простых веществ щелочных элементов
Элемент |
Li |
Na |
K |
Rb |
Cs |
|
|
|
|
|
|
Атомный радиус, |
157 |
192 |
231 |
248 |
266 |
пм |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Ионный радиус, |
90 |
116 |
152 |
166 |
181 |
пм(к.ч.= 6) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Энергия |
5,39 |
5,14 |
4,34 |
4,18 |
3,89 |
ионизации, эВ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Плотность, г/см3 |
0,53 |
0,97 |
0,86 |
1,53 |
1,90 |
|
|
|
|
|
|
Температура |
180,5 |
97,9 |
63,5 |
39,3 |
28,5 |
плавления, оС |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
φo(M+/M), В |
-3,045 |
-2,711 |
-2,924 |
-2,925 |
-2,923 |
|
|
|
|
|
|
При отсутствии воздуха щелочные элементы представляют собой
серебристо-белые (за исключением желтоватого цезия) вещества с
металлическим блеском.
5
www.mitht.ru/e-library
Все щелочные металлы характеризуются небольшими плотностями, малой твердостью, низкими температурами плавления и кипения и хорошей электропроводностью. Благодаря малой плотности
Li, Na и K всплывают на поверхность воды, а Li - даже на поверхность керосина. Щелочные металлы легко режутся ножом; твердость наиболее
мягкого из них – цезия – не превышает твердости воска.
При соприкосновении с воздухом свежие разрезы натрия и калия
(в меньшей степени лития) тотчас покрываются рыхлой пленкой продуктов окисления, причем только литий окисляется до оксида,
остальные щелочные металлы образуют смесь оксидов М2О, пероксидов М2О2 и надпероксидов МО2 с преобладанием у натрия пероксида, у
калия – надпероксида.
Рубидий и цезий самовоспламеняются на воздухе с образованием надпероксидов:
4Li + O2(воздух) = 2Li2O
2Na + O2(воздух)=Na2O2
K + O2(воздух) = KO2
Rb + O2(воздух) = RbO2
Cs + O2(воздух) = СsO2
Единственный из щелочных металлов литий без нагревания взаимодействует не только с кислородом, но и с азотом воздуха с образованием бинарного соединения - нитрида лития:
6Li + N2(воздух) = 2Li3N
При горении натрия наряду с пероксидом образуется примесь оксида натрия:
4Na + O2(воздух) = 2Na2O (горение)
Все щелочные металлы при обычных условиях энергично разлагают воду до водорода:
2M + 2H2O = 2MOH + H2(г)
Их реакционная способность возрастает сверху вниз по группе – от лития к цезию. Литий реагирует с водой относительно спокойно. Натрий взаимодействует с водой энергичнее, чем литий, плавится на поверхности воды. Калий при взаимодействии с водой воспламеняется,
а у Rb и Cs реакция сопровождается взрывом.
6
www.mitht.ru/e-library
Особенности поведения щелочных металлов в воде можно понять, рассматривая наряду с их окислительно-восстановительными потенциалами и физические свойства металлов – плотность и
температуру плавления (см.таблицу 17,1).
Литий, натрий и калий легче воды, и реакция протекает на ее
поверхности. Температура плавления лития (1800С) достаточно высока,
и литий остается в твердом состоянии, в отличие от натрия и калия,
имеющих температуры плавления ниже 1000С и плавящихся за счет выделяющегося тепла реакции. Расплавленный металл (К или Na) в
виде капель непрерывно перемещается по поверхности воды, что увеличивает поверхность соприкосновения металла и воды и
интенсифицирует процесс взаимодействия легкоплавких металлов с
водой.
Рубидий и цезий, плотность которых выше плотности воды,
опускаются на дно реакционного сосуда, плавятся за счет тепла,
выделяющегося в процессе реакции с водой; на поверхности металла накапливается водород. Одновременно при повышении температуры из воды выделяется растворенный в ней воздух, создавая условия для
“микровзрывов” смеси H2 и O2 в массе раствора и способствуя диспергированию расплавленного металла в водном растворе. Всё это приводит к взрывоподобному характеру реакций.
Щелочные металлы образуют со ртутью амальгамы (жидкие или твердые) - интерметаллические соединения или сплавы:
2Hg(ж) + Na(т) = NaHg2 (состав условный)
Взаимодействие с водой амальгамы, содержащей натрий,
происходит более мягко, чем металлического натрия. Это обусловлено более низкой концентрацией натрия в амальгаме, чем в простом веществе. Кроме того, плотность амальгамы выше плотности воды и реакция будет проходить в объеме раствора, а не на его поверхности.
Натрий из амальгамы будет «вымываться» водой, образуя гидроксид натрия и диводород, на дне сосуда будет оседать ртуть:
2NaHg2 + 2H2O = 2NaOH + H2(г) +4Hg(ж)
7
www.mitht.ru/e-library
17.1.2. ОКСИДЫ, БИНАРНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ
Кислородные соединения щелочных элементов являются основными, при их взаимодействии с водой получаются щелочные
растворы.
Спёк, полученный в результате сгорания лития на воздухе,
состоит из оксида и нитрида лития. Взаимодействие их с водой приводит к получению щелочного раствора; реакция необратимого гидролиза
нитрида лития сопровождается образованием гидрата аммиака:
Li2O + H2O = 2LiOH
Li3N + 4 H2O = 3LiOH + NH3.H2O
При нагревании пробирки, содержащей гидрат аммиака и гидроксид
лития, газообразный аммиак будет выделяться из раствора, так как его
растворимость уменьшается с увеличением температуры. Среду полученного раствора определяют с помощью фильтровальной бумаги,
смоченной раствором индикатора – фенолфталеина, которая будет окрашиваться в малиновый цвет. Влажная красная лакмусовая бумага,
поднесенная к отверстию пробирки с выделяющимся аммиаком, изменит окраску на синюю.
Пероксид натрия, образующийся при горении натрия на воздухе,
является сильным окислителем. Водой он разлагается с выделением кислорода или с образованием пероксида водорода в зависимости от
температуры: |
|
2Na2O2 +2H2O(гор) = 4NaOH + O2 |
(1) |
Na2O2 + 2H2O(хол) = 2NaOH + H2O2 |
(2) |
При добавлении к раствору (2) подкисленного раствора иодида
калия пероксид водорода окисляет иодид-ион:
H2O2 + H2SO4 + 2KJ = J2 + K2SO4 + 2H2O
Реакцию проводят в присутствии растворимого крахмала, фиксирующего присутствие дииода окрашиванием раствора в синий цвет.
17.1.3.ОКРАШИВАНИЕ ПЛАМЕНИ
Впламени горелки соли щелочных элементов испаряются. В
газовой фазе катионы металлов присоединяют свободные электроны, в
изобилии присутствующие в пламени (по этой причине пламя электропроводно), и превращаются в нейтральные атомы. Под
8
www.mitht.ru/e-library
влиянием высокой температуры происходит возбуждение атомов и испускание ими света определенных длин волн, характерных для каждого элемента.
Например, атомы натрия (электронная конфигурация 1s22s22p63s1)
окрашивают пламя в желтый цвет. Их возбуждение приводит к переходу
внешних 3s-электронов на более высокие энергетические уровни.
Обратный "перескок" электронов на 3s-подуровень сопровождается
испусканием квантов энергии Ei=hνi=hc/λi с длинами волн, характерными для Na (линейчатый спектр натрия). Наиболее яркая спектральная линия натрия отвечает λ=588,9нм (желтый цвет пламени).
Характерное окрашивание пламени для лития – малиново-
красное, для калия, рубидия и цезия – розово-фиолетовое.
Примечания. Для получения характерного окрашивания пламя горелки должно быть бесцветным.
Интенсивность окрашивания пламени можно измерить с помощью специальных приборов – пламенных фотометров. По результатам измерения рассчитывают концентрацию щелочного элемента в растворе, внесенном в пламя.
17.1.4.МАЛОРАСТВОРИМЫЕ СОЛИ ЛИТИЯ
Всилу диагональной периодичности свойств элементов (в данном случае Li – Mg) некоторые соли лития (фторид, карбонат, ортофосфат)
малорастворимы в воде. подобно солям магния, и этим отличаются от аналогичных солей других щелочных элементов.
Уравнения реакций осаждения солей из водных растворов
записывают на левой странице раскрытого журнала – в молекулярной и ионной форме. Например:
LiCI + NH4F = LiF(т) + NH4CI
Li+ + F− = LiF(т)
Условие осаждения солей лития из водных растворов:
Cn(Li+)×C(An-) > ПР(LinA), где C(Li+) и C(An-) – молярные концентрации катионов и анионов в растворе, из которого выпадает осадок соли (это
не равновесные концентрации, поэтому они обозначены буквой C).
Вполученном насыщенном растворе устанавливается
гетерогенное (фазовое) равновесие между осадком соли и ее
9
www.mitht.ru/e-library
насыщенным раствором, которому соответствует константа фазового равновесия – произведение растворимости. Так, в случае фторида лития:
LiF(т) ↔ Li+ + F− |
(1); |
ПР = [Li+][F−] |
Возможна и другая форма записи фазового равновесия, которая |
||
совпадает с ионным уравнением реакции осаждения фторида лития: |
||
Li+ + F− ↔ LiF(т) |
(2) |
|
Константа этого фазового равновесия, по закону действующих масс,
будет равна величине, обратной ПР. Поэтому общепринята первая форма записи фазового равновесия в насыщенном растворе.
При введении в раствор избытка фторид-ионов фазовое
равновесие (1) смещается влево, при этом концентрация ионов лития в
растворе над осадком понижается, а полнота осаждения лития и масса
осадка увеличиваются.
Карбонат лития осаждают из горячего раствора. При нагревании
растворимость |
карбоната |
лития |
понижается. |
Растворимость |
Li2CO3, г/100г H2O: 1,27 при |
25оС; 0,85 при 75оC. Поэтому фазовое |
|||
равновесие |
|
|
|
|
Li2CO3(т) ↔ 2Li+ + CO32−
смещается при нагревании влево, полнота осаждения карбоната лития и масса осадка увеличиваются.
Для осаждения ортофосфата лития можно использовать ортофосфат-ионы (например, Na3PO4) и гидроортофосфат-ионы
(Na2HPO4):
3Li+ + PO43− = Li3PO4(т)
3Li+ + 2HPO42− = Li3PO4(т) +H2PO4−
Если осадитель – ортофосфат натрия, выпадает обильный белый осадок. Если же осадитель – гидроортофосфат натрия, наблюдаем лишь легкое помутнение. Для объяснения различия следует рассмотреть протолитические свойства гидроортофосфат-иона. Это – амфолит:
а) HPO42− + H2O ↔ H2PO4− + OH−;
Ко(H2PO4−/HPO42−) = 1,62×10−7
б) HPO42− + H2O ↔ PO43− + H3O+;
Кк(HPO42−/PO43−) = 4,57×10−13
Ко(H2PO4−/HPO42−) > Кк(HPO42−/PO43−), основные свойства преобладают,
10
www.mitht.ru/e-library