Учебное пособие 800537

Опыт 3.2. Влияние катализатора на скорость химической реакции

Выполнение опыта. В пробирку микрошпателем внести в небольшом количестве порошок алюминия и мелко растертый йод. Размешать все стеклянной палочкой. Отметить в журнале, что реакция практически не идет. Добавить в пробирку 1 каплю дистиллированной воды. Отметить в журнале, как влияет добавление воды на скорость течения данной реакции. Написать уравнение реакции взаимодействия алюминия с йодом.

Опыт 3.3. Влияние величины поверхности реагирующих веществ на характер протекания химической реакции

в гетерогенной системе

Выполнение опыта. Для соблюдения одновременности начала реакции этот опыт могут проводить два студента совместно.

Возьмите два одинаковых кусочка мела величиной с горошину. Один из них поместите в пробирку (сухую и чистую). Другой кусочек измельчите в порошок и перенесите его во вторую пробирку. В обе пробирки добавьте одинаковое количество (10-15 капель) концентрированной соляной кислоты и наблюдайте за полным растворением мела.

Напишите уравнение реакции растворения карбоната кальция в соляной кислоте, объясните, почему время растворения мела в пробирках различно.

Опыт 3.4. Равновесие в гомогенной системе

Цель опыта: изучить влияние концентрации реагирующих веществ на сдвиг химического равновесия реакции:

FeCl3 + 3NH4CNS ↔ Fe(CNS)3 + 3NH4Cl.

Реакция идет с образованием роданида железа, имеющего красный цвет.

Выполнение опыта. Возьмите четыре пробирки. Смешайте в стакане 10 мл раствора хлорного железа (0,002 М) и 10 мл раствора роданистого аммония (0,006 М). Налейте в каждую пробирку по 5 мл приготовленной смеси растворов. Прибавьте в первую пробирку 1 мл

21

1М раствора FeCI3, во вторую – 1 М раствора NH4CNS, в третью – сухую соль NН4CI, четвертую пробирку оставьте для сравнения. Результаты запишите в таблицу.

Основываясь на выражении константы равновесия, укажите изменение концентрации каких веществ (исходных или продуктов реакции) вызовет более значительный сдвиг равновесия.

Контрольные вопросы и задачи

1. Что изучает химическая кинетика? Какова ее практическая

цель?

2. Дайте определение и приведите примеры гомогенных и гетерогенных реакций. Как определяются их скорости?

3. От каких факторов зависит скорость химических реакций? Дайте определение закона действующих масс.

4.Что называют константой скорости реакции? Каков физический смысл этой величины? Зависит ли константа скорости реакции от температуры, природы реагирующих веществ и их концентрации?

5.Какой формулой определяется правило Вант-Гоффа, определяющее зависимость скорости реакции от температуры?

6.Что называют температурным коэффициентом скорости реакции? Какие он может иметь значения?

7.Что характеризует энергия активации в уравнении Аррениуса? Как определяется эта величина графически?

8.Что называют химическим равновесием? Что называют константой химического равновесия, от каких факторов она зависит?

22

9.Какой процесс называют смещением химического равновесия? При изменении каких параметров можно сдвинуть химическое равновесие?

10.Что называют каталитическими реакциями, катализаторами и ингибиторами?

Лабораторная работа № 4

ЗАКОНОМЕРНОСТИ ИЗМЕНЕНИЯ СВОЙСТВ ЭЛЕМЕНТОВ И ИХ СОЕДИНЕНИЙ В ПЕРИОДИЧЕСКОЙ СИСТЕМЕ

Д. И. МЕНДЕЛЕЕВА

Периодический закон, электронное строение атомов и их свойства

Современное представление об элементах и их соединениях стало возможным после открытия Д.И. Менделеевым в 1869 г. периодического закона, современная формулировка которого следую-

щая: свойства элементов, а также формы и свойства их соедине-

ний находятся в периодической зависимости от заряда ядра их атомов.

Периодическая система составлена на основании периодического закона и состоит из семи периодов и восьми групп (короткая система).

Период – последовательный ряд элементов, в атомах которых происходит заполнение электронами одинакового числа уровней (число уровней равно уровню периода). Номер группы определяет число валентных электронов. Элементы групп подразделяются на подгруппы. У элементов главных (А) подгрупп (s и p-элементы) все валентные электроны расположены на внешнем энергетическом уровне; у элементов побочных (В) подгрупп (d-элементы) валентными являются не только электроны внешнего энергетического уровня (ns2), но и d - электроны предпоследнего уровня. У f - элементов валентные электроны могут находиться на трех энергетических уровнях:

ns, (n-l)d, (n-2)f.

Сопоставляя распределение электронов по энергетическим уровням атомов элементов с близкими свойствами (например, подгруппа щелочных металлов или галогенов), обнаруживаем, что по-

23

следние, а иногда и предпоследние энергетические уровни этих элементов имеют одинаковую структуру:

Химическое сходство элементов в подгруппах обусловлено повторением аналогичных электронных структур наружных слоев. Эти электроны в большей мере ответственны за поведение атомов в химических реакциях. При одинаковом числе электронов в атомах элементы могут сильно различаться по химическим свойствам. Это наблюдается в тех случаях, когда распределение элементов по энергетическим уровням различно. Например, у атомов элементов седьмой группы по семь валентных электронов, однако у элементов подгруппы А эти электроны располагаются в наружном энергетическом уровне, а в подгруппе В, кроме ns2 (наружный уровень), валентными являются электроны предпоследнего энергетического уровня (n-l)d5. По этой причине элементы одной и той же группы делятся на две подгруппы. Сходство элементов групп А и В проявляется при максимальной положительной степени окисления. Например, CI2O7, Мn2О7 – кислотные оксиды, растворимые в воде, образуют кислоты НСIO4, HMnO4, им соответ-

ствуют соли калия КСIO4, KMnO4. Таким образом, физический смысл

периодического закона состоит в повторяемости (от периода к периоду) аналогичных электронных структур.

Энергия ионизации I. Химическая природа элемента обусловливается способностью его атома терять или приобретать электроны. Эта способность количественно характеризуется энергией ионизации или энергией сродства к электрону.

Энергией ионизации называется количество энергии, необходимой для отрыва электрона от невозбужденного атома (Э°): Э° + I = Э+ + ē. Энергия ионизации и выражается в (кДж/г-атом) или (эВ/атом). Энергия ионизации главным образом зависит от радиуса атома (r) и заряда ядра (z). Она увеличивается с уменьшением r и увеличением z. В группах А наибольшее влияние на величину энергии ионизации оказывает изменение r, а в группах В – изменение z. Поэтому в главных подгруппах и III В сверху вниз энергия ионизации уменьшается, а в побочных – увеличивается. Эта закономерность, например, для эле-

24

мента I А группы связана с возрастанием r и усилением, таким образом, их металлических (восстановительных) свойств.

Энергией сродства к электрону называют энергетический эф-

фект (∆Н) процесса присоединения электрона к нейтральному атому с превращением его в анион (Э): Э + ē = Э- ± Е. Наибольшим сродством к электрону обладают элементы, расположенные в правом верхнем углу периодической системы – р-элементы VI и VII групп, поскольку им легче приобрести электроны и образовать устойчивую восьмиэлектронную конфигурацию благородных газов.

Электроотрицательность (ЭО) является одним из важнейших понятий, характеризующих свойства атома. Электроотрицательность характеризует способность атома удерживать электроны. Электроотрицательность выражают как сумму (или полусумму) энергии ионизации и энергии сродства к электрону ЭО = I + Е. Обычно используют не абсолютные, а относительные значения электроотрицательности (ОЭО). За единицу принята электроотрицательность лития (ЭОLi = 1). Самая высокая ЭО у F (4.0).

Закономерности изменения кислотно-основных свойств оксидов и гидроксидов

Закономерно изменяются свойства не только элементов, но и их соединений, например, оксидов и гидроксидов. При рассмотрении свойств гидроксидов часто пользуются упрощенной схемой Косселя. Она изображает группировку атомов Э – О – Н, где Э – элемент; О – атом кислорода; Н – атом водорода. Направление диссоциации соединения, содержащего группировку атомов Э – О – Н, зависит от относительной прочности связей Э – О и О – Н. Согласно схеме Косселя увеличение степени окисления элемента и уменьшение радиуса иона элемента приводит к упрочнению связи Э – О и, следовательно, усилению кислотного характера соединения.

В периоде слева направо основный характер оксидов и гидроксидов постепенно ослабляется, переходя в амфотерный, а затем в кислотный, усиливающийся к концу периодов. Так, например, в ряду

(III период): NaOH, Mg(OH)2, Al(OH)3, H2SiО3, H3PO4, H2SO4, НСIO4,

слева направо наблюдается усиление кислотных свойств гидроксидов. Это объясняется уменьшением радиуса ионов и возрастанием степени окисления слева направо в периоде. Прочность связи Э – О

25

возрастает, а связь О – Н ослабевает. В группах сверху вниз усиливается основный характер оксидов и гидроксидов, что объясняется увеличением радиуса ионов и ослаблением связи Э – О. Например, в ряду Ве(ОН)2, Mg(OH)2, Са(ОН)2, Sr(OH)2, Ba(OH)2, первый гидроксид проявляет амфотерные свойства, а последний – сильного основания. По мере перехода к группам с большим номером возрастает стремление к проявлению различных степеней окисления, при этом с увеличением степени окисления связь Э – О упрочняется и усиливаются кислотные свойства. Изменение кислотно-основных свойств оксидов в зависимости от степени окисления можно показать на примере одного элемента. Так, в ряду МnО – Мn2О3 – Мn2O7 основные свойства ослабляются. Этот факт подкрепляется следующими данными.

Связь Э – О с увеличением степени окисления упрочняется и, таким образом, усиливаются кислотные свойства гидроксидов. Оксиду МnО2 соответствует амфотерный гидроксид Мn(ОН)4 (или Н2МnО3) и оксиду Мn2О7 – кислота НМnО4.

Цель работы: установление общих закономерностей в изменении химических свойств элементов, их оксидов и гидроксидов в периодах и группах.

Опыт 4.1. Отношение элементов III периода и их оксидов к воде

а) Взаимодействие натрия с водой.

Выполнение опыта. Извлеките из керосина пинцетом кусочек натрия и положите его на сухую фильтровальную бумагу. Осушите металл фильтровальной бумагой, а затем, взяв его пинцетом, осторожно опустите в стакан с водой и сразу же накройте стакан часовым стеклом. Что происходит в стакане? Откройте стакан после полного растворения натрия и добавьте 2 капли фенолфталеина в раствор. Что наблюдается?

б) Взаимодействие магния с водой.

Выполнение опыта. Налейте в пробирку 2-3 мл дистиллированной воды и внесите в нее кусочек магния. Идет ли реакция без нагре-

26

вания? Нагрейте пробирку пламенем спиртовки. Что наблюдается? Прибавьте к полученному раствору 1-2 капли фенолфталеина. На образование каких ионов указывает изменение окраски фенолфталеина?

в) Взаимодействие алюминия с водой.

Выполнение опыта. Налейте в пробирку 2-3 мл дистиллированной воды и опустите в нее кусочек алюминия. Определите, идет реакция при комнатной температуре и при нагревании?

Для металлов, взаимодействующих с водой, напишите уравнение протекающих реакций в молекулярном и ионном видах. Какой из металлов реагирует с водой более энергично? Ответ мотивируйте.

г) Окисление серы, свойства ее оксидов и гидроксидов. Выполнение опыта. Поместите маленький кусочек серы в метал-

лическую ложечку и нагревайте ее до плавления серы. Быстро поместите ложечку в стакан с водой, не опуская ложечку в воду. Прикройте стакан крышкой с отверстием, через которое проходит держатель с ложечкой. Полученный раствор разлейте в две пробирки. Добавьте в одну из пробирок 1-2 капли метилоранжа, а в другую – 1-2 капли фенолфталеина. Что наблюдается? Напишите уравнение реакций горения серы, растворения полученного газа в воде. Сделайте вывод о характере гидроксида.

На основании проделанных опытов (а, б, в, г) сделайте вывод о закономерностях изменения химических свойств элементов и их оксидов в периоде.

Опыт 4.2. Свойства гидроксидов элементов III периода

Выполнение опыта. Возьмите 3 пробирки и из имеющихся растворов солей Mg, Al, Si, получите в них соответствующие гидроксиды при медленном добавлении растворов щелочи или кислоты. Разде-лите содержимое каждой пробирки на 2 части. Добавьте к одной час-ти избыток раствора щелочи. Везде ли идут реакции? Замените раствор щелочи соляной кислотой (1 М) и прилейте к остальным частям. Что наблюдается? Составьте уравнение происходящих реакций в молеку-лярном и ионном видах.

Сделайте вывод об изменении химического характера гидроксидов элементов одного и того же периода.

27

Опыт 4.3. Свойства гидроксидов элементов подгрупп А и В (главных и побочных)

Выполнение опыта. а) Возьмите 2 пробирки и налейте в первую 3-4 мл 1 М раствора соли бериллия, а во вторую – такое же количество 1 М раствора соли кальция. Прилейте к ним по каплям 1 М раствора NaOH до образования осадков Вe(ОН)2 и Са(ОН)2 Содержимое пробирок разделите на две части и испытайте растворимость осадка в кислотах и щелочах. Составьте уравнение реакций в молекулярной и ионной формах.

б) Проделайте аналогичный опыт, заменив соли Be и Са на 1 М растворы солей Zn и Cd.

На основании опытов (а, б) сделайте вывод об изменении характера гидроксидов элементов в главных и побочных группах.

Контрольные вопросы и задачи

1.Применимо ли понятие траектории движения к микрочастицам (электрону)? Чем оно определяется и какое понятие его заменяет?

2.Что называют принципом неопределенности и соотношением неопределенности?

3.Какое экспериментальное подтверждение нашла гипотеза де Бройля о волновых свойствах электрона?

4.Какое уравнение является основным уравнением квантовой механики и что описывают волновые функции, получаемые его решением?

5.Какие квантовые числа и в одинаковой ли мере определяют энергию электрона?

6.Что в атоме называют энергетическим уровнем и подуровнем? При каком условии эти понятия сливаются?

7.Чему равно число энергетических подуровней для данного энергетического уровня? Каким значением главного квантового числа характеризуется энергетический уровень, если он расщеплен на 4 подуровня. Дайте их буквенные обозначения.

8.Что называют атомной орбиталью (АО)? Как связана каждая АО с понятием электронного облака?

28

9. Как связано с принципом Паули определение емкости энергетических уровней и подуровней? Какими формулами она для них выражается?

10. Какому общему принципу подчиняется заполнение электронных оболочек многоэлектронных атомов?

11.В какой последовательности заполняются АО до образования электронной оболочки атома аргона?

12.Что называют электронной формулой и электронной кон-

фигурацией атома, иона? Какой вид они имеют для атомов и ионов: Na и Na+, Ca и Ca2+, Cl и Cl- Какие из этих ионов имеют электронное строение атомов неона, аргона и криптона?

13.Что называют энергией ионизации (I)? В каких единицах она измеряется?

14.Как изменяется I в подгруппах А и В периодической системы сверху вниз? В периоде – слева направо?

15.Что называют сродством атома к электрону? Какой элемент имеет наибольшее значение I1, почему?

16.Какой вывод можно сделать о свойствах элемента по значению для него ионизационного потенциала и сродства к электрону?

17.Что называют абсолютной и относительной электроотрицательностью?

18.Как изменяются свойства оксидов и гидроксидов s- и p- элементов в периоде? Объясните причину и покажите различие в свойствах гидроксидов первого и предпоследнего элемента 3-го периода.

Лабораторная работа № 5

РАСТВОРЫ. ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКАЯ ДИССОЦИАЦИЯ

Раствор – это однородная система из двух или нескольких компонентов. Растворы образуются в результате диффузии при самопроизвольном распределении одного вещества в другом. Раствор нельзя рассматривать как смесь молекул различных веществ, так как свойства растворенного вещества и растворителя в общей системе раствора изменяются. Образование растворов происходит в результате взаимодействия частиц растворителя и растворенного вещества с образованием гидратированных ионов переменного состава за счет действия межмо-

29

лекулярных сил. Процесс растворения идет самопроизвольно в том случае, когда при растворении поглощается энергия, так как возрастание энтропии при растворении очень велико и обуславливает развитие необходимого процесса.

Растворы бывают в жидком и твердом агрегатных состояниях. Жидкие растворы могут быть построены по типу жидкость – газ, жидкость – жидкость, жидкость – твердое тело. Это наиболее часто встречающиеся и наиболее изученные системы.

Твердые растворы могут быть образованны металлами или другими кристаллическими веществами. В твердом растворе кристаллическая решетка обычно построена из двух или нескольких компонентов.

Истинные растворы, т.е. полностью однородные системы, следует отличать от коллоидных растворов – одного из видов дисперсионных систем, обладающих микрогетерогенностью.

Важнейшей характеристикой всякого раствора является концентрация. Концентрацией называется содержание растворенного вещества в единице массы или объема раствора или растворителя. Наиболее широко применяются концентрации массовые или объемные. Процентная концентрация по массе выражается процентным содержанием растворенного вещества, отнесенного ко всему раствору.

Вычисление процентной концентрации осуществляется по уравнению:

где С – концентрация в %; А – масса растворенного вещества, г; В – масса растворителя, г.

Молярным называется раствор, содержащий один моль растворенного вещества в одном литре раствора. Концентрация молярных растворов измеряется по десятичной шкале: 0,1 - децимолярный, 0,01 - сантимолярный и т.д.

Нормальным называется раствор, содержащий один эквивалент растворенного вещества – в одном литре раствора. В зависимости от эквивалентов растворенного вещества их называют: 0,1 - децинормальный, 0,01 - сантинормальный, 0,001 - миллинормальный и т.д. Особенностью нормальных растворов является то, что растворы равной нормальности реагируют между собой в равных объемах, так как содержат равные доли эквивалентов.

30