ХИМИЯ ЭЛЕМЕНТОВ

УФА 2001

УФИМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НЕФТЯНОЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ

ХИМИЯ ЭЛЕМЕНТОВ

Учебное пособие

Под общей редакцией профессора А.М. Сыркина

УФА 2001

ВВЕДЕНИЕ

Общие рекомендации для подготовки к лабораторным занятиям

Выполнение лабораторных работ призвано способствовать более глубокому усвоению студентами теоретического курса, приобретению навыков в проведении химических экспериментов, умению обобщать полученные данные и кратко излагать их в виде отчета.

Необходимым условием успешного качественного усвоения пройденного материала является самостоятельное и сознательное выполнение лабораторных работ. При этом важной и существенной частью работы является домашняя подготовка по учебникам, методическим пособиям и руководствам.

При изучении химии элементов и их соединений следует обратить внимание на следующие вопросы.

1.Положение элемента в периодической системе; электронная конфигурация атома; валентные электроны; характерные степени окисления элемента.

2.Простые вещества:

а) физические свойства модификаций простых веществ;

б) химическая активность, положение в ряду стандартных окислительно-восстановительных потенциалов;

в) взаимодействие с кислородом и другими неметаллами; взаимодействие с металлами;

г) отношение к воде, к водным растворам кислот (НСl, НNО₃ , Н₂SO₄) и щелочей;

д) нахождение в природе и получение простых веществ.

3. Характеристичные соединения: оксиды и гидроксисоединения (гидроксиды или кислоты):

а) растворимость в воде, взаимодействие с водой, кислотно-основная диссоциация, константы диссоциации;

б) взаимодействие с кислотами;

в) взаимодействие со щелочами в водном растворе и при сплавлении;

г) растворимость и гидролиз солей рассматриваемых гидроксидов или кислот.

4. Комплексные соединения элемента.

5. Окислительно-восстановительные свойства соединений элемента:

а) диаграмма Латимера (диаграмма с указанием стандартных окислительно-восстановительных потенциалов электрохимических систем, образуемых элементом);

б) окислительные свойства соединений;

в) восстановительные свойства соединений;

г) свойства соединений с двойственной окислительно-восстановительной способностью;

д) диспропорционирование;

е) влияние образования осадков и комплексов на окислительно-восстановительные свойства.

6. Термическая устойчивость соединений элемента.

7. Качественные реакции на характеристичные ионы.

8. Применение соединений элемента.

С первых дней работы в лаборатории студент должен приучать себя к аккуратности и вниманию, отсутствие которых бывает причиной искажения результатов эксперимента, а также может привести к несчастным случаям.

При выполнении практических работ все наблюдения следует записывать в специальную тетрадь – лабораторный журнал – непосредственно после каждого опыта. Не следует делать записи в черновиках и на отдельных листочках бумаги, так как они могут легко затеряться. По окончании опытов необходимо составить отчет о выполненной работе. Отчет следует начинать с названия и номера лабораторной работы, краткого изложения теории. Он должен содержать:

• номер и название опыта

• условия и особенности протекания реакции

• схемы приборов; схемы, иллюстрирующие проводимый эксперимент

• полученные результаты, наблюдаемые эффекты

• уравнения, протекающих реакций в молекулярной и ионной формах

• объяснения и выводы.

Отчет может быть оформлен либо в описательной форме, либо в форме таблицы на двух развернутых страницах:

Лабораторная работа № _____

Тема: ________________________________________________________

Опыт: ________________________________________________________

Условия опыта	Наблюдения	Уравнения реакций в молекулярном и ионном виде	Выводы
1	2	3	4

Основные правила безопасной работы в химической лаборатории

• соблюдение порядка, чистоты, тишины, дисциплины;

• выполнение только порученных преподавателем работ;

• перед выполнением работы необходимо ознакомиться с заданием, оборудованием, реактивами;

• работа выполняется на отведенном рабочем месте в спецодежде – халате;

• в лаборатории запрещается работать одному, принимать пищу, курить, загромождать рабочее место, оставлять работающие приборы без присмотра, включать приборы , не относящиеся к данной работе;

• реактивы, предназначенные для общего пользования, нельзя уносить на свое рабочее место; пипетки после отбора необходимого количества реактива следует немедленно возвращать в реактивную склянку;

• остатки реактивов и продуктов реакции сливать только в специальный слив; категорически запрещается сливать их в раковину и общую канализацию;

• следует экономно расходовать реактивы, электричество, воду; аккуратно и осторожно обращаться с химической посудой и приборами;

• при нагревании растворов в пробирке необходимо пользоваться держателем, отверстие пробирки должно быть обращено внутрь вытяжного шкафа;

• все опыты, связанные с применением или образованием ядовитых веществ, вредных паров и газов, а также концентрированных кислот и щелочей разрешается проводить только в вытяжном шкафу;

• по окончании работы необходимо вымыть посуду, убрать рабочее место, выключить электронагревательные приборы, воду и вымыть руки с мылом;

• ВНИМАНИЕ! о любых происшествиях немедленно сообщить преподавателю или лаборанту, которые ликвидируют опасность и окажут первую помощь;

• при воспламенении горючей жидкости на одежде работающего необходимо немедленно погасить пламя, завернув пострадавшего в одеяло;

• при ожогах концентрированными растворами кислот пораженное место промывают сильной струей воды в течение 2-3 минут, затем 2-3 %-ным раствором чайной соды, после чего накладывают марлевую повязку, смоченную 1-2%-ным раствором перманганата калия; при сильных ожогах после оказания первой помощи следует обратиться к врачу;

• при ожогах концентрированными растворами щелочей обожженное место промывают обильным количеством воды, затем 1-2%-ным раствором борной или уксусной кислоты, после чего накладывают марлевую повязку, смоченную 1-2%-ным раствором перманганата калия;

• при попадании кислоты, щелочи или какого-либо другого реактива в глаза следует промыть их обильным количеством воды и немедленно обратиться к врачу.

1. Химия металлов

1.1. Щелочные металлы

3

Li

литий

Щелочными металлами называют элементы главной подгруппы первой группы периодической системы Д. И. Менделеева. К ним относятся литий Li, натрий Na, калий К, рубидий Rb, цезий Сs и франций Fr. Щелочными их называют потому, что их гидроксиды хорошо растворяются в воде и представляют собой сильные щелочи.

Все щелочные металлы серебристого цвета, за исключением цезия, который имеет золотисто-желтую окраску. Они очень мягки и легко режутся ножом; самый твердый из них литий. От лития к францию число электронных уровней в атоме возрастает от 2 до7, в связи с чем увеличиваются радиусы атомов и уменьшаются энергии ионизации, а следовательно, возрастает восстановительная активность. На внешнем уровне всех атомов находится по одному s- электрону (ns¹), который слабо связан с ядром, легко отторгается и всем этим элементам характерна степень окисления +1. Щелочные металлы имеют небольшую плотность (литий почти в два раза легче воды), низкие температуры плавления и высокую электропроводность. В ряду стандартных окислительно-восстановительных потенциалов щелочные металлы по своим значениям электродных потенциалов расположены в начале ряда.

В природе из-за высокой реакционной способности щелочные металлы могут находиться исключительно в виде соединений, главным образом солей: хлоридов, сульфатов, карбонатов, нитратов, силикатов. Наиболее распространены в природе натрий и калий; содержание каждого из них в земной коре около 2,5 %, а на долю всех остальных приходится приблизительно 0,014%.

В свободном виде щелочные металлы получают, главным образом, электролизом расплавленных солей или гидроксидов. Используются также методы замещения:

KCl + Na  K + NaCl

KOH + Na  K + NaOH

2 RbCl + Ca  2Rb + CaCl₂

2 CsCl + Ca  2Cs + CaCl₂

Щелочные металлы легко вступают в химические реакции со всеми элементарными окислителями: галогенами, кислородом, серой, азотом и даже водородом.

2 Na + Cl₂  2 NaCl

Литий при взаимодействии с кислородом образует оксид Li₂O:

4 Li + О₂ 2 Li₂O

Натрий - пероксид Na₂O₂:

2 Na + О₂  Na₂O₂

Калий, рубидий и цезий - супероксиды:

Me + О₂  MeO₂

2 Na + S  Na₂S (Na₂S₂, Na₂S₅)

6 Li + N₂  2 Li₃N

2 Na + H₂  2NaH

Щелочные металлы бурно взаимодействуют с водой с выделением тепла:

2Me + 2H₂O  2 MeOH + H₂ + Q

Характеристичные соединения – оксиды (Ме₂О) и гидроксиды (МеОН) хорошо растворяются в воде и являются сильными основаниями.

Ме₂О + Н₂О = 2МеОН

Их водные растворы имеют сильнощелочную среду в результате полной диссоциации:

МеОН  Ме⁺ + ОН^-

Соли щелочных металлов практически все хорошо растворимы в воде. Они не гидролизуются по катиону, поэтому их растворы нейтральны (соли сильных кислот) или щелочные (соли слабых кислот).

Щелочные металлы широко используются в технике. Изотоп лития ⁷₃ Li - теплоноситель в атомных реакторах.

Металлический литий и некоторые его соединения служат топливом для ракет. Кроме того, литий используют, как исходный продукт для получения трития ³₁Н в ядерной реакции:

⁶₃ Li + ¹₀ n = ³₁ H + ⁴₂ He

Рубидий и цезий широко используют в фотоэлементах, преобразующих лучистую энергию в электрическую.

Наибольшее практическое применение во всех областях нашли соединений натрия и калия.