Лабораторні роботи:

Дослiд 1. Взаємодiя лужних металiв з водою.

Налийте в кристалiзатор на 1/2 його об’єму дистильованої води. Вiзьмiть пiнцетом шматочок натрiю (калiю, лiтiю) i внесiть його в кристалiзатор з водою. Який газ видiляється? Яка речовина утворюється в розчинi? Перевiрте вiдповiдь, додавши до вмiсту кристалiзатора вiдповiдний iндикатор. Який з металiв – натрiй, калiй чи лiтiй – повинен реагувати з водою бiльш енергiйно i чому? Напишiть рiвняння реакцiй, що вiдбуваються.

Дослiд 2. Малорозчиннi солi натрiю i калiю.

а) Одержання гексагiдроксо-(V)стибiату натрiю (мiкрокристалоскопiчна реакцiя):

Помiстіть на предметне скло одну краплю насиченого розчину гексагiдроксо-(V)стибiату калiю K[Sb(OH)₆] i внести в неї скляною паличкою крупинку солi натрiю. Розгляньте в мiкроскоп утворенi кристали Na[Sb(OH)₆], що в залежностi вiд швидкостi кристалiзацiї набирають форму призм або лiнз, що подеколи хрестоподiбно зрощенi. Напишiть рiвняння реакцiї i замалюйте форму кристалiв.

б) Одержання гексанiтритокупрата калiю-свинцю:

Помiстiть на предметне скло краплю спецiального реактиву, склад якого можна виразити формулою Na₂Pb[Cu(NO₂)₆], i внесiть в неї скляною паличкою крупинку солi калiю. Розгляньте в мiкроскоп утворенi чорнi кубiчнi кристали K₂Pb[Cu(NO₂)₆]. Замалюйте форму кристалiв.

Дослiд 3. Забарвлювання полум’я солями лужних металiв.

Внесiть спецiальну дротинку в полум’я пальника. Якщо полум’я забарвиться, то промийте дротинку в солянiй кислотi i прожарте в полум’ї. Опускайте дротинку послiдовно в насиченi розчини галогенiдiв лiтiю, натрiю i калiю i вносьте в полум’я пальника, промиваючи дротинку пiсля кожної солi. Запишiть, яке забарвлення надає полум’ю кожне сіль.

Дослiд 4. Властивостi магнiю.

а) Покладiть в 4 пробiрки по шматочку магнiю i в кожну долийте 1 мл 1 н. розчину соляної, сiрчаної, оцтової i азотної кислот. Напишiть рiвняння реакцiй, що вiдбуваються за схемами:

Mg + 2H⁺  Mg²⁺ + H₂

Mg + NO₃^–  Mg²⁺ + NH₄⁺

б) Налийте в одну пробiрку 1 мл води, в другу – 1 мл розчину хлориду амонiю i вкиньте в обидвi пробiрки по шматочку магнiю. Нагрiйте розчини до кипiння. Реакцiї протiкають наступним чином:

2NH₄⁺ + 2H₂O = 2NH₃·H₂O + 2H⁺

Мg + 2H⁺ = Mg²⁺ + H₂

Mg²⁺ + 2NH₃·H₂O = Mg(OH)₂ + 2NH₄⁺

Mg + 2H₂O = Mg(OH)₂ + H₂

в) В пробiрку помiстiть двi краплi 1 н. розчину солi магнiю i двi краплi 1 н. розчину лугу. Осад, що випав, роздiлiть на двi частини, вивчiть його вiдношення до кислоти i до надлишку лугу. Напишiть рiвняння реакцій. Якi властивостi має Mg(OH)₂?

Дослiд 5. Карбонати лужноземельних металiв i їхня розчиннiсть в кислотах.

В 3 пробiрки по окремо внесiть по 3-5 крапель розчинiв солей кальцiю, стронцiю i барiю. В кожну пробiрку додайте кiлька крапель розчину карбонату натрiю або калiю. Вiдмiтьте утворення осадiв i їх колiр. Дослiдiть розчиннiсть одержаних карбонатiв в кислотi, для чого додайте в кожну пробiрку кiлька крапель 2 н. розчину соляної кислоти. Що спостерiгається? Кислоту додавайте обережно, по краплям, так як реакцiя йде дуже енергiйно i вмiст пробiрки може бути викинутим в обличчя. Напишiть в молекулярному i iонному виглядi рiвняння реакцiй одержання карбонатiв i їх розчинення в солянiй кислотi.

Дослiд 6. Сульфати лужноземельних металiв i їхня розчиннiсть.

В 3 пробiрки внесiть по окремо по 3-5 крапель розчинiв солей кальцiю, стронцiю, барiю. До кожного розчину додайте по 5-6 крапель розчину сульфату натрiю. Спостерiгайте порiвняльну швидкiсть утворення осадiв вiдповiдних сульфатiв. Який сульфат випадає в осад найповiльнiше? Що можна сказати про його розчиннiсть в порiвняннi з розчиннiстю iнших одержаних в цьому розчинi сульфатiв? Осади збережiть для подальших дослiджень.

Приймаючи до уваги, що добуток розчинностi CaSO₄ складає 6,1·10^-5, SrSO₄ – 2,8·10^-7, BaSO₄ – 1,1·10^-10, вкажiть, чи вiдповiдають цi величини спостереженням.

Дослiдiть вiдношення сульфатiв до кислот, для чого до одержаних в дослiдi осадiв сульфатiв додайте по кiлька крапель 2 н. розчину соляної кислоти. Що спостерiгається?

Напишiть молекулярнi i iоннi рiвняння реакцiй утворення сульфатiв кальцiю, стронцiю i барiю.

Дослiд 7. Утворення твердої води i її пом’якшення.

В пробiрку до 1/2 її об’єму налийте вапняної води i опустiть в неї газовiдвiдну трубку вiд приладу для одержання диоксиду вуглецю. Пропускайте в розчин несильний струмiнь газу. Слiдкуйте, щоб розчин не викидало з пробiрки. Вiдмiтьте утворення осаду карбонату кальцiю. Продовжуйте пропускати диоксид вуглецю до повного розчинення осаду i утворення гiдрокарбонату кальцiю.

Напишiть рiвняння цiєї реакцiї, враховуючи, що в нiй приймає участь вода, карбонат кальцiю i диоксид вуглецю. Як називається вода, що мiстить гiдрокарбонат кальцiю? Усуньте карбонатну (тимчасову) твердiсть води двома способами:

а) Половину одержаного розчину перенесiть в мiкроколбу. Закрiпiть її вертикально в штативi i обережно нагрiйте розчин до кипiння. Кип’ятiть до утворення осаду карбонату кальцiю. Напишiть рiвняння розкладу гiдрокарбонату при кип’ятiннi.

б) До другої половини розчину в пробiрцi додайте трохи їдкого натру (1-2 краплi) до утворення осаду карбонату кальцiю. Напишiть рiвняння реакцiї взаємодiї гiдрокарбонату кальцiю з їдким натром.

Дослiд 8. Природний захист алюмiнiю вiд корозiї та руйнування захисної плiвки:

Маленький шматочок алюмiнiю очистiть наждачним папером, промийте дистильованою водою i висушiть фільтрувальним папером. В пробiрку налийте дистильованої води i опустiть в неї пiдготовлену пластинку. Чи видiляється газ? Обережно потрiть поверхню алюмiнiю скляною паличкою. Чи видiляється газ? Чому не спостерiгається помiтної корозiї алюмiнiю?

Вилийте воду з пробiрки i виймiть з неї алюмiнiй. Витрiть його насухо i покладiть на папiр. Змочiть поверхню алюмiнiю одною краплею розчину солi ртутi Hg₂(NO₃)₂. Через 2-3 хвилини видалiть розчин солi ртутi фiльтрувальним папером i знову опустiть алюмiнiй в пробiрку з дистильованою водою. Що спостерiгається? Потрiть поверхню алюмiнiю скляною паличкою. Спостерiгайте енергiйну взаємодiю алюмiнiю з водою i видiлення водню.

Напишiть рiвняння реакцiй: а) взаємодiї алюмiнiю з нiтратом ртутi; б)взаємодiї алюмiнiю з водою. Вкажiть окисник i вiдновник в цих реакцiях.

Проявлення активностi алюмiнiю пояснюється утворенням контакту пари металiв: алюмiнiй–ртуть.

Дослiд 9. Активуюча дiя хлорид-iону на руйнування захисної плiвки.

Iон Cl^– сильно активiзує процес корозії. В його присутностi руйнування захисної плiвки оксиду алюмiнiю посилюється i корозiя протiкає бiльш енергiйно.

В двi пробiрки покладiть по шматочку алюмiнiю i додайте до однiєї з них 5-10 крапель сульфату мiдi, до другої – стiльки ж розчину хлориду мiдi. Вiдмiтьте рiзний результат в обох випадках: в першiй пробiрцi алюмiнiй залишається майже без змiн, в другiй вiн швидко покривається нальотом мiдi.

Дослiд 10. Гiдролiз солей алюмiнiю.

а) Гiдролiз сульфату або хлориду алюмiнiю:

В пробiрку з нейтральним розчином лакмусу додайте 1-2 кристали або 2-3 краплi розчину солi алюмiнiю. Вiдмiтьте змiну забарвлення лакмусу i напишiть молекулярне та iонне рiвняння першого ступеня гiдролiзу. Чому гiдролiз даної солi не йде до кiнця? Якi продукти утворюються в результатi реакцiї? Як можна зменшити або збiльшити гiдролiз цiєї солi?

б) Вплив карбонату натрiю на гiдролiз солей алюмiнiю:

До розчину солi алюмiнiю (5-8 крапель) додайте такий же об’єм розчину карбонату натрiю. Спостерiгайте утворення осаду гiдроксиду алюмiнiю i видiлення газу. Напишiть в молекулярному i iонному виглядi рiвняння реакцiї гiдролiзу солi алюмiнiю в розчинi, що мiстить карбонат натрiю. Утворення яких речовин в данiй реакцiї зумовлює протiкання гiдролiзу до кiнця?

Дослiд 11. Вiдношення олова i свинцю до кислот.

а) В 3 пробiрки покладiть по шматочку металiчного олова i долийте по 0,5 мл кислот: в першу – соляної (густиною 1,18 г/мл), в другу – сiрчаної (густиною 1,84 г/мл), в третю – азотної (густиною 1,14 г/мл). Напишiть рiвняння реакцiй в молекулярнiй та iоннiй формах.

б) В 3 пробiрки помiстiть по шматочку свинцю i прилийте по 5-8 крапель 2 н. розчинiв кислот: в першу – соляної, в другу – сiрчаної, в третю – азотної. Нагрiйте пробiрки на водянiй банi. Чи у всiх пробiрках протiкає реакцiя? Який газ видiляється? Пiсля охолодження розчинiв в кожну пробiрку введiть по 2-3 краплi розчину йодиду калiю. В якiй з пробiрок випадає йодат свинцю? На основi дослiду зробiть висновок, в якiй iз взятих кислот свинець практично розчиняється. Пояснiть причину рiзного вiдношення свинцю до кислот. Напишiть рiвняння реакцiй.

Дослiд 12. Амфотернiсть сполук олова i плюмбуму.

а) Налийте в пробiрку 2 краплi 1 н. розчину хлористого олова i додайте декiлька крапель 1 н. розчину лугу. Осад, що випав, роздiлiть пополам i перевiрте його вiдношення до кислот i лугу. Напишiть відповідні рiвняння реакцiй.

б) В 2 пробiрки помiстiть по 2-3 краплi 1 н. розчину солi свинцю i додайте в кожну по кiлька крапель 1 н. розчину гiдроксиду натрiю до випадання осаду. В одну пробiрку додайте 2 н. розчин азотної кислоти, в другу – 2 н. розчин їдкого натру до розчинення осаду. Пояснiть розчинення в кислотi i луговi. Напишiть рiвняння реакцiй. Чому при розчиненнi гiдроксиду свинцю не можна використовувати cоляну чи сiрчану кислоту?

Дослiд 13. Гiдролiз солей олова i плюмбуму.

В одну пробiрку внесiть кристалик хлориду олова, в другу – кристалик хлориду свинцю. Додайте по 2 мл води i струснiть. Спостерiгайте, що вiдбувається. Пiдiгрiйте вмiст пробiрок i спостерiгайте за змiнами. Напишiть рiвняння реакцiй в iонному виглядi.

Дослiд 14. Сульфiди олова i плюмбуму.

а) В 2 конiчнi пробiрки внесiть по 2 краплi розчину хлориду олова i по 5 крапель свіжо виготовленої сiрководневої води. Вiдмiтьте утворення осаду сульфiду i його колiр. Злийте розчин над осадом i додайте до першого осаду розчин (NH₄)₂S, а до другого – розчин (NH₄)₂S₂. Обидвi пробiрки енергiйно струснiть. Вiдмiтьте рiзну дiю реактивiв на осади. Напишiть рiвняння реакцiй.

б) В пробiрку з 2-3 краплями розчину солi свинцю(II) додайте стiльки ж свіжо виготовленої сiрководневої води. Вiдмiтьте колiр утвореного осаду. Напишiть рiвняння реакцiї.

Дослiд 15. Галогенiди плюмбуму:

В 2 пробiрки внесiть по 2-3 краплi солi свинцю. Долийте в першу пробiрку 2-3 краплi розчину йодиду калiю, а в другу – 2-3 краплi розчину соляної кислоти. Вiдмiтьте кольори утворених осадiв. Додайте в кожну пробiрку по 3-4 краплi дистильованої води i злегка нагрiйте. Спостерiгайте за розчиненням солей при нагрiваннi. Дайте розчинам охолонути. Спостерiгайте появу осадiв тих же солей.

Дослiд 16. Окисно-вiдновнi властивостi сполук олова i плюмбуму.

а) В 2 пробiрках проведiть реакцiю взаємодiї розчинiв FeCl₃ i K₃[Fe(CN)₆]. В обидвi пробiрки додайте води, вiдмiтьте забарвлення одержаних розчинiв. Одну пробiрку залишiть в якостi контрольної, а в другу додайте 2-3 краплi розчину хлориду двовалентного олова. Як змiнилося забарвлення в порiвнянні з початковим? Реакцiї протiкають по схемам:

Sn²⁺ – 2e  Sn⁴⁺

Fe³⁺ + e  Fe²⁺

б) В пробiрку помiстiть 2 краплi розчину SnCl₂ i 2 краплi розчину лугу. Осад, що випав, розчинiть в надлишку лугу. До одержаного розчину Na₂SnO₂ додайте кiлька крапель розчину солi вiсмуту i збовтайте. Бiлий осад гiдроксиду вiсмуту, що утворюється, чорнiє внаслiдок вiдновлення вiсмуту до металу, при цьому станнiт натрiю Na₂SnO₂ окислюється в станат Na₂SnO₃:

2Bi(OH)₃ + 3Na₂SnO₂ = 3Na₂SnO₃ + 2Bi + 3H₂O

Дослiд 17. Вiдношення стибію i бiсмуту до кислот.

а) В 2 пробiрки помiстiть по 1-2 шматочки стибію i додайте в одну 2-3 краплi концентрованої сiрчаної кислоти, а другу – 5-6 крапель концентрованої азотної кислоти. Нагрiйте пробiрки на водянiй банi. Вiдмiтьте видiлення газу в обох пробiрках. Напишiть рiвняння реакцiй, що протiкають по схемам:

Sb + SO₄^2-  Sb³⁺ + SO₂

Sb + NO₃^–  HSbO₃ + NO₂

б) В 2 пробiрки покладiть по шматочку металiчного вiсмуту. Додайте в одну пробiрку 3-5 крапель концентрованої сiрчаної кислоти, в другу – концентрованої азотної. Як протiкає реакцiя при кiмнатнiй температурi? Обережно нагрiйте обидвi пробiрки на водянiй банi. Спостерiгайте розчинення вiсмуту в обох пробiрках. Напишiть рiвняння реакцiй, враховуючи, що в обох випадках утворюються вiдповiднi солi вiсмуту +3. Як змiнюються неметалiчнi властивостi при переходi вiд миш’яку до вiсмуту?

Дослiд 18. Гiдроксиди стибію i бiсмуту.

а) В 2 пробiрки помiстiть по 3-4 краплi розчину хлориду стибію i додайте в кожну кiлька крапель 2 н. розчину гiдроксиду натрiю до випадання осаду Sb(OH)₃. Вiдмiтьте колiр осаду i напишiть рiвняння реакцiй. В одну з пробiрок внесiть кiлька крапель розчину соляної кислоти, в другу – кiлька крапель гiдроксиду натрiю. Вiдмiтьте розчинення осаду в обох пробiрках. Напишiть рiвняння реакцiй.

б) Взаємодiєю 3-4 крапель розчину солi вiсмуту i 2 н. розчину гiдроксиду натрiю добудьте Вi(ОН)₃. Дослiдiть розчиннiсть осаду в 2 н. розчинi азотної кислоти i 2 н. розчинi лугу. Чи в обох випадках осад розчиняється? Напишiть в молекулярнiй та в iоннiй формi рiвняння реакцiй одержання гiдроксиду вiсмуту i розчинення його в кислотi.

Дослiд 19. Гiдролiз солей бiсмуту i стибію.

В пробiрку налийте 3-5 крапель насиченого розчину SbCl₃ i сильно розбавте водою. З’являється осад хлороксиду стибію SbOCl, розчинний в кислотах. Спочатку в результатi реакцiї гiдролiзу SbCl₃+2H₂O  Sb(OH)₂Cl+2HCl утворюється основна сiль Sb(OH)₂Cl. Ця сiль, однак, нестiйка i по мiрi утворення розпадається на SbOCl i воду:

Sb(OH)₂Cl  SbOCl + H₂O.

Те ж саме спостерiгайте i при розбавленнi насиченого розчину ВiСl₃.

Напишiть вiдповiднi рiвняння реакцiй.

Дослiд 20. Сульфiди i тiосолi стибію.

а) До розчину SbCl₃ додайте 2-3 краплi 2 н. розчину HCl i 5-6 крапель розчину H₂S. Вiдмiтьте яскраво-оранжевий колiр випадаючого осаду Sb₂S₃. Дослiдiть розчиннiсть осаду в (NH₄)₂S i (NH₄)₂S₂. Напишiть рiвняння реакцiй.

б) До одержаного розчину тiоантимонiту додайте кiлька крапель 2 н. розчину HCl до випадання осаду Sb₂S₃. Напишiть рiвняння реакцiї.

Дослiд 21. Сульфiд бiсмуту.

а) В двi пробiрки помiстiть по 2-3 краплi розчину солi вiсмуту i додайте 3-4 краплi сiрководневої води. Вiдмiтьте колiр осаду. Напишiть рiвняння реакцiї. В одну пробiрку додайте 4-5 крапель сульфiду амонiю. Чи спостерiгається розчинення осаду з утворенням тiосолi? Зробiть висновок про зростання основних властивостей сульфiдiв при переходi вiд Sb₂S₃ до Bi₂S₃.

б) До сульфiду вiсмуту в другiй пробiрцi долийте кiлька крапель концентрованої азотної кислоти. Напишiть рiвняння реакцiї розчинення осаду, враховуючи, що процес супроводжується окисленням сульфiду вiсмуту в сульфат вiсмуту i вiдновленням азотної кислоти до оксиду азоту.

МЕТАЛИ ПОБІЧНИХ ПІДГРУП

d-Елементи

Програмні вимоги до теми:

Розташування елементів побічних підгруп в періодичній системі. Будова їх атомів, валентність та ступені окислення.

Природні сполуки елементів та способи одержання металів: пірометалургія, гідрометалургія тощо.

Загальні фізичні властивості металів.

Хімічні властивості: відношення до простих речовин, кислот та солей.

Оксиди та гідроксиди елементів, їх одержання та хімічні властивості.

Комплексні сполуки елементів.

Токсичність сполук елементів.

Короткий виклад теоретичних питань:

Загальна характеристика

В періодичній системі d-елементи розташовані між s- і p-елементами, всі вони є металами, і тому одержали назву перехідних металів. У атомів d-елементів добудовується передзовнішня d-орбіталь, тому 3, 4, 5, 6 період містять по 10 d-елементів. При утворенні хімічних зв’язків d-елементи можуть віддавати не тільки s-електрони зовнішнього рівня, але і d-електрони передзовнішнього рівня. У d-елементів валентними є енергетично близькі дев’ять орбіталей – одна ns-орбіталь, три np-орбіталі та п’ять (n-1)d-орбіталей, – тому елементи можуть проявляти різні ступені окиснення. Майже для всіх d-елементів, зокрема, можлива ступінь окиснення +2 – по числу зовнішніх електронів. Вищий ступінь окиснення більшості елементів відповідає номеру групи, в якій вони знаходяться (за винятком елементів І групи: існують Cu²⁺, Ag²⁺; Au³⁺), тобто із збільшенням порядкового номера максимальна можлива ступінь окиснення елементів одного й того ж періоду зростає від ІІІ групи до першого елементу VIII групи, а потім зменшується. На відміну від підгруп р-елементів в підгрупах d-елементів із збільшенням порядкового номеру елементу значення стійкого ступеня окиснення зростає. Подібна будова електронних оболонок атомів d-елементів визначає ряд їх спільних властивостей. Прості речовини, утворені перехідними елементами, є металами (число валентних електронів в їх атомах значно менше числа орбіталей).

Хімія ізоелектронних сполук d-елементів дуже схожа. Тому елементи різних періодів з аналогічною електронною структурою d-оболонки утворюють побічні підгрупи періодичної системи. На відміну від s- та р-елементів, в межах однієї групи оснόвні властивості cполук d-елементів із зростанням атомного радіусу практично не змінюються. У межах одного періоду із зростанням атомного радіусу помітно зменшується оснόвний характер оксидів та гідроксидів вищих ступенів окиснення. Вищі оксиди елементів V-VIII груп проявляють кислотні властивості. Із зростанням ступеня окиснення атома одного й того самого елементу посилюються кислотні властивості його сполук. Тому оксиди нижчої ступені окиснення проявляють оснόвні властивості (СrO), середньої – амфотерні (Cr₂O₃), а вищі оксиди матимуть кислотні властивості (CrO₃).

Зміна характеру оксидів в періоді та в залежності від ступеня окиснення елементу добре проглядається на прикладі оксидів 4 періоду:

Група
I B	II B	III B	IV B	V B	VI B	VII B	VIII B
		Sc(ІІІ)о	Ti(ІV)а Ti(ІІІ)о Ti(ІІ)о	V(V)к V(ІV)а V(ІІІ)о V(ІІ)о	Cr(VI)к Cr(ІІI)а Cr(ІІ)о	Mn(VІІ)к Mn(VІ)к Mn(ІV)а Mn(ІІ)о	Fe(VІ)к Fe(ІІІ)а Co(ІІІ)а Fe(ІІ)о Co(ІІ)о Ni(ІІ)о
Cu(I)о Cu(II)о	Zn(II)а

Тільки постійну ступінь окиснення +2 мають елементи побічної підгрупи ІІ групи (у них завершена d-оболонка) та +3 – елементи побічної підгрупи ІІІ групи. Всі ж інші перехідні елементи відрізняє численність проявляємих ступенів окиснення, звідки – багатство окисно-відновних взаємодій та широкий спектр кислотно-основних властивостей в сполуках.

Оскільки у перехідних металів є вакансії на d-орбіталі, то вони проявлять виняткову здатність до комплексоутворення. Значна частина сполук перехідних елементів є координаційними. Для координаційних сполук характерно те, що в структурі їх кристалічних граток немає окремих молекул даної сполуки. Кожен атом(іон) в таких сполуках оточений певною кількістю т.зв. лігандів (атоми, іони чи угрупування атомів). Якщо подібні комплекси (центральний атом і оточуючі його ліганди) при переході сполуки в розчин не руйнуються, то такі координаційні сполуки відносяться до комплексних.