Химия переходных элементов. Учебное пособие

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное автономное образовательное

учреждение высшего образования

«Южный федеральный университет»

А. А. Нестеров, Е. М. Баян, И. В. Рыбальченко

ХИМИЯ ПЕРЕХОДНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

Учебное пособие

Ростов0на0Дону

Издательство Южного федерального университета

2015

3

ВВЕДЕНИЕ

Всоответствии с классическим определением, к переходным относятся элементы, атомы которых имеют близкую энергию орбиталей нескольких электронных подуровней, характеризующихся различным значением главного квантового числа. В частности,

кним относятся элементы побочных подгрупп Периодической системы Д. И. Менделеева, атомы которых в качестве валентных могут использовать близкие по энергии (n – 1)d-, ns- и np-орбитали, а в ряде случаев и орбитали типа nd. Кроме этого, под сформулированное выше определение попадают элементы, расположенные в Периодической системе от лантана до гафния (лантаноиды), а также после актиния (актиноиды).

Вотличие от d-, s-, p-элементов побочных подгрупп, атомы лантаноидов характеризуются близкой энергией 4f-, 5d- и 6s-орбита- лей, а атомы актиноидов – 5f, 6d и 7s. При этом у атомов данных элементов сохраняется возможность использования np-орбиталей внешнего уровня для формирования связей по донорно-акцептор- ному механизму в соединениях с электродонорными атомами (галогенами, халькогенами, пиктогенами).

Указанные особенности этих элементов свидетельствуют о боль-

ших валентных возможностях их атомов, которые реализуются за счет образования σ-, π-, δ-связей по обменному или донорно-акцеп- торному механизму.

Всвязи с относительно низкими потенциалами ионизации рассматриваемых атомов, а также с учетом больших значений их радиусов, простые вещества всех этих элементов – металлы, температуры плавления которых изменяются периодически в пределах рядов.

4

1. ТРЕБОВАНИЯ К ПРОВЕДЕНИЮ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ ПО ОБЩЕЙ И НЕОРГАНИЧЕСКОЙ ХИМИИ.

ЛАБОРАТОРНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ

1.1.Правила работы в химической лаборатории

1.К выполнению работы допускаются студенты, ознакомившиеся с теоретическими и практическими аспектами предлагаемых опытов. Приступая к выполнению любой технологической операции, студент должен ясно представлять все ее детали и последовательность выполнения стадий, принять необходимые меры предосторожности.

2.Студенту разрешается находиться в лаборатории только в спецодежде (халате). Длинные волосы должны быть закреплены, чтобы при повороте головы исключить их попадание в реакционные сосуды, пламя, приборы и т. д.

3.Опыты можно проводить только с разрешения и в присутствии преподавателя или лаборанта.

4.Запрещается покидать лабораторию без разрешения преподавателя.

5.В помещении лаборатории запрещается развешивать верхнюю одежду (за исключением специально отведенного места), принимать пищу, громко разговаривать, пользоваться мобильным телефоном.

6.Для работы студенту выделяется рабочее место, которое он должен содержать в чистоте и порядке. На рабочем месте должно находиться только то, что нужно для выполнения текущей работы.

7.Реактивы общего пользования, находящиеся в специально отведенных для них местах (под тягой, на полках или на специальных столах), не следует уносить на рабочие места. Особую осторожность нужно соблюдать при работе с ядовитыми и вредными веществами, с концентрированными кислотами и щелочами. Работать с ними в вытяжном шкафу.

8.При проведении опытов следует использовать только дистиллированную воду.

5

Химия переходных элементов

9. Сухие реактивы следует отбирать только чистой сухой ложкой или шпателем. Нельзя неизрасходованные реактивы высыпать обратно в банку с чистым веществом.

10.При работе с электрооборудованием и силовыми щитками следует ознакомиться с правилами работы и строго соблюдать требования техники безопасности.

11.На каждое занятие из числа студентов назначаются дежурные, которые следят за порядком, чистотой и соблюдением техники безопасности, несут ответственность за сохранность учебных пособий, оборудования и т. д. По окончании практикума дежурные сдают лаборанту лабораторию. Дежурный имеет право не отпустить студента после занятия, если рабочее место или оборудование последнего не приведено в порядок.

12.По окончании работы жидкие отходы, содержащие разбавленные растворы реактивов, выливаются в раковины и промываются большим количеством воды. Отходы, содержащие концентрированные кислоты, щелочи, ртуть, сероводород и другие ядовитые вещества, собираются в специальные емкости в вытяжном шкафу. Твердые отходы (бумага и т. д.) выбрасываются в специальный мусорный ящик.

13.После окончания работы следует убрать свое рабочее место, выключить приборы, закрыть краны с водой, сдать рабочие места дежурным.

14.После проведения опытов необходимо тщательно вымыть руки с мылом (студенту рекомендуется иметь собственное полотенце и мыло).

15.При работе в химической лаборатории необходимо строго соблюдать установленные правила по технике безопасности.

16.При возникновении нестандартной ситуации в лаборатории немедленно сообщите преподавателю и выйдите из лаборатории.

1.2.Техника безопасности при работе

вхимической лаборатории

1.Запрещается проводить опыты, не относящиеся к данной работе, без разрешения преподавателя.

2.Все опыты, связанные с применением или образованием ядовитых веществ, вредных паров и газов, необходимо прово-

6

1. Требования к проведению лабораторных работ по общей и неорганической химии

дить в вытяжном шкафу, окна которого открыты не более чем на одну треть.

3.Опыты с легковоспламеняющимися веществами проводите в малых количествах (не более 2 мл) и вдали от открытого огня.

4.Нельзя зажигать спиртовку непосредственно от другой горящей спиртовки. Следует пользоваться лучиной, спичкой и т. д. Тушить спиртовку нужно только защитным колпачком.

5.При нагревании жидкости пробирку закрепляют в штативе или держат пробиркодержателем, направляя отверстие в сторону от себя и окружающих. Нельзя наклоняться над нагреваемым сосудом во избежание попадания брызг или пара в лицо.

6.При определении запаха газа нельзя наклоняться над реакционной системой. Следует движением руки направить струю воздуха от отверстия сосуда к себе и осторожно вдохнуть.

7.При разбавлении концентрированных кислот и щелочей небольшими порциями вливайте кислоту (или концентрированный раствор щелочи) в воду, помешивая образующийся раствор.

8.Если склянка с легко воспламеняющейся жидкостью опрокинулась или разбилась, немедленно выключите все находящиеся вблизи источники открытого огня, засыпьте разлитую жидкость песком, соберите его и перенесите в предназначенный для этого железный ящик. О произошедшем необходимо немедленно сообщить преподавателю или лаборанту.

1.3.Оказание первой помощи

1.При несчастных случаях сразу же обращайтесь к преподавателю.

2.При попадании раствора любого реактива в глаза немедленно промойте их большим количеством воды, после чего обратитесь к врачу.

3.При попадании на кожу кислот или щелочей пораженное место немедленно промойте струей воды, обработайте 3 %-ным раствором гидрокарбоната натрия (в случае кислотного ожога) или 1 %-ным раствором уксусной кислоты (при поражении щелочью), смажьте мазью от ожогов.

4.При термическом ожоге охладите пораженное место под струей холодной воды и смажьте мазью от ожогов.

7

Химия переходных элементов

5.При порезах стеклом удалите осколки из раны, обработайте

ееспиртовым раствором йода и перевяжите.

6.При отравлении газообразными веществами (сероводородом, хлором и пр.) выведите пострадавшего на свежий воздух и вызовите врача.

7.При поражении электрическим током, не прикасаясь к пострадавшему, обесточьте систему и вызовите врача.

1.4. Форма отчета и его содержание

Документом, отражающим работу студента в лаборатории, является отчет о проведении лабораторных работ (журнал лабораторных работ). На обложке или первой странице указываются фамилия, имя, отчество студента, номер группы и название дисциплины. Записи в журнале производятся только шариковой ручкой, рисунки и графики разрешается делать карандашом. Результаты лабораторной работы оформляются в форме отчета по лабораторной работе, в заголовке которого указаны дата проведения работы, номер и название. Далее тетрадный разворот делится на пять частей, как указано в табл. 1.

Первые две колонки заполняются студентом при подготовке к лабораторной работе. В основной части приводятся уравнения изучаемых реакций, расчеты, рисунки, таблицы, графики, принципиальные технические детали проводимого процесса и его теоретическое обоснование. Колонки «Наблюдения» и «Выводы» заполняются в лаборатории и отражают умение студента наблюдать, пояснять проведенные опыты и делать выводы. Графа «Замечания» предназначена для преподавателя.

Таблица 1

Пример оформления отчета по лабораторной работе

Название

Основная часть Наблюдения Выводы Замечания

опыта

8

1. Требования к проведению лабораторных работ по общей и неорганической химии

При проведении расчетов в работе следует иметь в виду, что излишняя точность в расчетах, значительно превышающая экспериментальную погрешность, не повышает точность результата. Для числовых значений рассчитываемых величин достаточно четырех значащих цифр, например: 12,34; 0,1234; 0,001234.

Отклонения результатов измерений от истинных значений соответствующих величин неизбежны. Поэтому составной частью каждой работы должен быть расчет ошибок (относительных и абсолютных).

Для определения ошибки необходимо получить не менее четырех результатов параллельных измерений одной величины и вычислить среднее арифметическое значение этих измерений. Абсолютная ошибка показывает, на сколько данная величина больше или меньше истинной; отношение этой ошибки к истинной величине, умноженное на 100 %, дает относительную ошибку в процентах.

В ряде лабораторных работ результаты измерений представляют в виде графиков, которые строят на миллиметровой бумаге и вклеивают в лабораторный журнал. На осях координат должны быть нанесены деления в соответствующем масштабе и обозначены отмеряемые величины и их единицы измерения. Кривую на графике проводят через точки, руководствуясь не только их расположением, но и теоретическими соображениями о виде полученной зависимости.

Работа считается зачтенной, если она выполнена, правильно оформлена и проверена, о чем преподавателем в конце отчета делается соответствующая запись «зачтено».

9

2.ОБЩИЕ СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ d-ЭЛЕМЕНТОВ

2.1.Строение электронных оболочек атомов d-элементов

Из всех элементов Периодической системы Д. И. Менделеева более 100 в виде простых веществ относятся к металлам. В соответствии с особенностями строения валентных энергетических уровней изолированных атомов все металлы делятся на простые и переходные.

Ватомах простых металлов валентные электроны располагаются на внешних s- и p-подуровнях. Они занимают главные подгруппы в Периодической системе.

Ватомах переходных металлов по мере возрастания зарядов ядер происходит постепенное заполнение предвнешних (второго снаружи у d- и третьего снаружи у f-элементов) энергетических подуровней. При этом число электронов на внешнем энергетическом уровне остается практически неизменным (чаще по два электрона). Переходные металлы занимают все побочные подгруппы в Периодической системе элементов.

Химические элементы, в атомах которых происходит заполнение электронами предвнешнего d-подуровня, называются d-эле-

ментами.

Располагаются d-элементы в больших периодах, образуя декады (по числу электронов на пяти d-орбиталях):

IV период: Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn. V период: Y, Zr, Nb, Mo, Tc, Ru, Rh, Pd, Ag, Cd. VI период: La, Hf, Ta, W, Re, Os, Ir, Pt, Au, Hg.

Известно, что электроны в атомах заполняют энергетические уровни и подуровни в соответствии с возрастанием их энергии. По мере увеличения зарядов ядер энергия различных подуровней изменяется по-разному. В первых трех периодах происходит после-

довательное заполнение электронами s- и p-подуровней. В IV периоде для атомов с зарядом ядра Z →19 и 20 энергия 4s-подуровня становится меньше, чем энергия вакантного 3d-подуровня (сказывается эффект экранирования ядра плотным слоем 3s23p6). В свя-

10