Химия переходных элементов. Учебное пособие

7. ПРАКТИКА ИЗУЧЕНИЯ ХИМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПРОСТЫХ ВЕЩЕСТВ И СОЕДИНЕНИЙ d-ЭЛЕМЕНТОВ

Лабораторная работа 1: «Титан и его соединения»

Задание для подготовки к лабораторной работе

1.Дайте общую характеристику элементов подгруппы титана.

2.Опишите способы разделения соединений этих элементов.

3.Приведите способы получения титана, циркония, гафния.

4.Опишите физико-химические свойства простых веществ, их

отношение к О2 воздуха, воде, кислотам и щелочам, укажите значения электродных потенциалов восстановления различных аквакомплексов.

5.Оцените с помощью известных вам теорий гидролизуемость хлорида титана (IV).

6.Какие соединения называются α- и β-формами гидроксида титана (IV), при каких условиях они формируются и какими свойствами обладают?

7.Характерно ли образование пероксидных соединений для титана (IV)?

Опыт 1. Гидролиз тетрахлорида титана

Опыт проводить под тягой!

Опишите тетрахлорид титана TiCl4. Налейте в чашку 5 мл воды и осторожно добавьте несколько капель тетрахлорида титана. Что наблюдается? Предположите, какова будет кислотность полученного раствора. Проверьте свое предположение. Напишите уравнение реакции.

Опыт 2. Получение и изучение свойств гидратного соединения оксида титана (IV)

2.1. К 10 мл солянокислого раствора тетрахлорида титана (гексахлоротитановая кислота) прилейте при постоянном перемешивании 10 %-ный раствор аммиака до полного осаждения гидратного соединения оксида титана (IV). (Подумайте, как проконтролиро-

31

Химия переходных элементов

вать полноту осаждения.) Отделите осадок от раствора методом декантации и промойте его несколько раз водой. (От чего отмывали осадок и как проверить полноту промывания осадка?) Разделите полученный осадок гидроксид титана (IV) на четыре части (четыре пробирки), которые будут использованы в опытах 2.2 и 2.3.

2.2.Испытайте отношение гидроксида титана (IV), полученного

вопыте 2.1, к 10 %-ным растворам кислоты (пробирка 1) и щелочи (пробирка 2). Напишите уравнения реакций, объясните наблюдения.

2.3.К осадку пробирки 3 добавьте воду, взболтайте и прокипятите. Слейте жидкую фазу, разделите осадок на две части и испытайте отношение осадка после кипячения к растворам кислот и щелочей. Как и почему изменилась реакционная способность гидроксида титана (IV)? Объясните наблюдения.

2.4.Четвертую часть полученного в опыте 2.1 гидроксида тита-

на (IV) поместите в тигель, высушите в сушильном шкафу, прокалите в муфельной печи 2 часа при 700 °С. Что наблюдается? Напишите уравнение реакции. Как изменился цвет твердой фазы при прокаливании? Восстанавливается ли ее прежняя окраска при охлаждении?

Как, исходя из диоксида титана, получить калия титанат и титанила сульфат? Как в промышленности получают титанила сульфат? Что такое «старение гидроксида титана (IV)»? Какими химическими процессами сопровождается старение осадков?

Опыт 3. Пероксидные соединения титана (IV)

В пробирку налейте 1–2 мл раствора титанила сульфата, 5 капель концентрированной серной кислоты, прибавьте несколько капель 15 %-ного раствора пероксида водорода. Осторожно перемешайте. Что наблюдается? Каков может быть состав полученных соединений? Напишите уравнения реакций образования перекисных соединений титана (IV).

Опыт 4. Получение раствора сульфата титана (III) и его свойства

4.1. Налейте в коническую колбу на 50 мл 20 мл раствора титанила сульфата, прилейте 10–15 мл 10 %-ного раствора серной кислоты и поместите в полученную систему несколько кусочков цинка. Как меняется окраска раствора? Напишите уравнение реакции.

32

7.Практика изучения химических свойств простых веществ…

4.2.В две пробирки налейте по 2 мл раствора сульфата титана (III). Одну пробирку оставьте на воздухе. В другую пробирку по каплям добавьте раствор перманганата калия. Объясните наблюдаемые явления. Напишите уравнения реакций.

4.3.Оставшийся раствор сульфата титана (III) отделите от цинка и быстро прибавьте к нему раствор щелочи. Испытайте отношение полученного гидроксида титана (III) к кислороду воздуха и к 10 %-ным растворам кислоты и щелочи (продумайте опыт самостоятельно). Напишите уравнения реакций. Какими свойствами обладают соединения титана (III)?

Почему соли титана (III) гидролизуются в меньшей степени, чем соли титана (IV)? Почему соединения титана (III) окрашены, а соединения титана (IV) бесцветны?

Лабораторная работа 2: «Ванадий и его соединения»

Задание для подготовки к лабораторной работе

1.Дайте общую характеристику элементов подгруппы ванадия.

2.Опишите способы разделения соединений этих элементов.

3.Приведите способы получения простых веществ подгруппы ванадия.

4.Опишите физико-химические свойства простых веществ, их

отношение к О2 воздуха, воде, кислотам и щелочам, укажите значения электродных потенциалов восстановления различных аквакомплексов данных элементов.

5.Как изменяются кислотно-основные свойства гидроксидов ванадия с увеличением степени окисления ванадия?

6.Почему в водном растворе не существуют гидратированные ионы ванадия (V) и ванадия (IV)?

7.Что такое ванадаты, какое строение они имеют?

Опыт 1. Получение V2O5

1.1. Положите на крышку тигля 0,1–0,2 г ванадата аммония и нагрейте пламенем спиртовки. Что наблюдается? Напишите уравнение реакции.

33

Химия переходных элементов

1.2. Испытайте отношение оксида ванадия (V) к воде и 10 %- ным растворам соляной, серной и азотной кислот, а также к раствору щелочи при с.у. и при нагревании. Напишите уравнения реакций.

Какова растворимость V2O5 в воде? Какие ионы находятся в водном растворе V2O5 и какие кристаллогидраты выделены из этого раствора? Приведите уравнения реакций процессов, доказывающих наличие окислительных свойств у V2O5.

Опыт 2. Ванадаты (V)

2.1.К раствору метаванадата натрия в разных пробирках при-

бавьте растворы BaCl2, FeCl3, AgNO3, Hg2(NO3)2 и Pb(NO3)2. Что происходит? Напишите уравнения реакций.

2.2.К раствору ванадата натрия прилейте по каплям 0,5 М раствор серной кислоты. Что происходит? Напишите уравнения реакций в ионной форме.

2.3.К полученному в предыдущем опыте раствору прилейте раствор KI и немного органического растворителя. Как меняется окраска раствора и слоя растворителя? Напишите уравнение реакции.

Опыт 3. Пероксидные соединения ванадия (V)

К 2 мл раствора ванадата натрия прилейте немного 3 %-ного раствора пероксида водорода. Что происходит? Проделайте аналогичный опыт с раствором ванадата, подкислив его серной кислотой. Напишите уравнения реакций. Объясните наблюдаемые явления.

Опыт 4. Соединения ванадия низших степеней окисления

4.1.В колбочку емкостью 50 мл налейте 20 мл раствора ванадата натрия, подкисленного 10 %-ным раствором серной кислоты, и добавьте в полученную систему 3–4 кусочка гранулированного цинка. Как изменяется окраска раствора? По мере изменения окраски отливайте в заранее приготовленные четыре пробирки по 1–2 мл раствора. В одной из них каждый новый слой залейте расплавленным парафином. Другие пробирки закройте пробками. Напишите уравнения реакций.

4.2.К одной серии растворов, содержащих соединения ванадия различных степеней окисления, быстро прилейте 10 %-ный раствор

34

7. Практика изучения химических свойств простых веществ…

щелочи. Что наблюдается? Исследуйте отношение полученных гидроксидов к растворам кислот и щелочей. К другой серии растворов соединений ванадия прилейте раствор перманганата калия. Что происходит? Третью серию растворов соединений ванадия в виде тонкого слоя поместите в отдельные фарфоровые чашечки и оставьте на воздухе. Что наблюдается? Напишите уравнения реакций.

Как и почему изменяются кислотно-основные свойства гидроксидов ванадия с увеличением степени окисления центрального иона?

Приведите сравнительную характеристику соединений ванадия (II), (III), (IV), (V).

Лабораторная работа 3: «Хром, молибден, вольфрам»

Задание для подготовки к лабораторной работе

1.Дайте общую характеристику элементов подгруппы хрома.

2.Укажите формы природных минералов этих элементов.

3.Приведите способы получения простых веществ подгруппы хрома.

4.Какие степени окисления могут проявлять элементы данной подгруппы в соединениях?

5.Опишите физико-химические свойства простых веществ, их

отношение к О2 воздуха, воде, кислотам и щелочам, укажите значения электродных потенциалов восстановления различных аквакомплексов данных элементов.

6.Приведите примеры хромовых кислот.

7.Как влияет кислотность среды на стабильность хроматов и бихроматов?

8.Что такое молибденовые сини и вольфрамовые бронзы?

9.Расскажите о применении хрома, молибдена и вольфрама в качестве легирующих добавок. Где еще используются данные металлы и их соединения?

Опыт 1. Получение хлорида хрома (II)

1.1. Положите в пробирку 3–4 кусочка металла – хрома, прилейте 3 мл 10 %-ной соляной кислоты, вставьте пробку с газоотводной трубкой, к которой подсоедините резиновую трубку с про-

35

Химия переходных элементов

дольным разрезом, закрытую куском стеклянной палочки (клапан Бунзена). Какую роль играет клапан Бунзена? Какое вещество получилось в растворе? Напишите уравнение реакции.

1.2. В небольшую колбу положите 2–3 гранулы цинка, прилейте 3 мл раствора хлорида хрома (III), подкисленного соляной кислотой, и бензин так, чтобы слой бензина полностью закрывал водный слой. Колбу закройте отводной трубкой, конец которой опустите в воду. Какова роль бензина в этой системе? Как изменяется цвет раствора во время опыта? Почему? Напишите уравнения реакций. Раствор хлорида хрома (II) сохраните для опыта 2.

Опыт 2. Свойства солей хрома (II)

Почему все опыты с соединениями хрома (II) следует проводить быстро? Почему окраска даже изолированных от воздуха кислых растворов хрома (II) при стоянии изменяется?

2.1.Налейте в пробирку 5–7 мл раствора хлорида хрома (II), полученного в опыте 1, и оставьте на воздухе. Что происходит? Какие свойства проявляет аквакомплекс хрома (II) в этом опыте? Напишите уравнение реакции.

2.2.В пробирку с раствором хлорида хрома (II) прилейте избыток 10 %-ного раствора щелочи. Что наблюдается? Испытайте отношение полученного осадка к растворам кислот, щелочей и избытку раствора аммиака. Какими свойствами обладает гидроксид хрома (II)? Напишите уравнения реакций.

2.3.Качественная реакция на ионы хрома (II). Положите в пробирку немного кристаллического ацетата натрия и прилейте к нему раствор хлорида хрома (II). Что наблюдается? Напишите уравнение реакции. Приведите строение полученного ацетата хрома (II).

Опыт 3. Получение и свойства оксида хрома (III)

Перечислите известные вам способы получения оксида хрома (III). Приведите соответствующие уравнения реакций.

3.1. Опыт проводится в вытяжном шкафу! На лист асбеста насыпьте горкой небольшое количество бихромата аммония (5 г). Подожгите, если не зажигается – капните сверху несколько капель ацетона или спирта и вновь подожгите. Обратите внимание на изменение объема системы, укажите причины этого явления.

36

7.Практика изучения химических свойств простых веществ…

3.2.Испытайте отношение оксида хрома к воде, растворам кислот и щелочей. Чем объясняется низкая реакционная способность оксида хрома? Напишите уравнение реакции. Как из оксида хрома (III) получить хромит натрия и сульфат хрома (III)?

Опыт 4. Получение и свойства гидроксида хрома (III)

4.1.К раствору соли хрома (III) прилейте раствор щелочи до нейтральной среды (как это проконтролировать?). Какое соединение получилось? Полученный осадок разделите на две части. Испытайте его отношение к растворам кислот и щелочей. Напишите уравнения реакций. Объясните результаты опыта. Приведите строение оловой и оксоловой форм гидроксида хрома (III).

4.2.Полученный в опыте 4.1 раствор натрий тетрагидроксодиаква хромата (III) прокипятите. Что происходит? Напишите уравнение реакции. Охладите раствор. Почему осадок не растворяется?

Какая из форм гидролизуется в большей степени: аквакомплекс хрома (III) или тетрагидроксодиаква хромат (III)? Как довести до конца гидролиз аквакомплекса хрома (III)?

Опыт 5. Свойства солей хрома (III)

5.1.Несколько кристаллов хлорида хрома (III) растворите в холодной воде. Как изменяется цвет раствора при кипячении и почему?

Какой состав могут иметь ионы хрома (III) в водном растворе

взависимости от условий? Опишите строение иона [Cr(H2O)6]3+ в рамках МВС.

5.2.Определите значение рН раствора сульфата хрома (III) и объясните полученный результат. К раствору сульфата хрома (III)

вразных пробирках добавьте растворы соды, сульфида натрия, аммиака. Что наблюдается? Напишите уравнения реакций.

5.3.К раствору сульфата хрома (III) прилейте избыток раствора щелочи и бромной воды, нагрейте. Как изменяется цвет раствора? Напишите совокупность уравнений реакции.

5.4.К раствору сульфата хрома (III) прилейте избыток раство-

ра щелочи и раствор Н2О2. Что наблюдается? Напишите уравнение реакции.

37

Химия переходных элементов

5.5. К раствору сульфата хрома (III), подкисленному разбавленной серной кислотой, добавьте немного твердого пероксодисульфата калия и несколько капель раствора AgNO3 (для чего?). Раствор прокипятите. Отметьте изменение цвета раствора. Напишите уравнение реакции.

Опыт 6. Свойства солей хромовых кислот

6.1.Небольшое количество хромата калия растворите в воде. Добавьте к полученному раствору несколько миллилитров разбавленной серной кислоты. Почему изменяется цвет раствора? Как изменяется состав анионов в системе по мере снижения рН раствора? Напишите уравнения реакций.

6.2.По 5 мл раствора бихромата калия, подкисленного серной кислотой, налейте в три пробирки. В одну из них по каплям добавьте раствор сульфита натрия, во вторую – сероводородную воду, а в

третью – раствор FeSO4. Что наблюдается? Напишите уравнения реакций.

6.3.К растворам хромата и бихромата калия в отдельных пробирках прилейте раствор хлорида бария. Каков состав выпавших осадков? Испытайте отношение полученных осадков к разбавленным растворам кислот. Проделайте аналогичные опыты с солью свинца. Напишите уравнения реакций. Как и почему изменяются кислотно-основные и окислительно-восстановительные свойства оксидов и гидроксидов хрома (II), (III), (VI)? Приведите уравнения реакций, которые могут проиллюстрировать ваш ответ.

Опыт 7. Получение и свойства оксида хрома (VI). – ОПАСНО!

7.1.К 5–6 г бихромата калия прилейте 7–8 мл воды. Систему перемешайте до образования однородной суспензии и по каплям при перемешивании прилейте к ней 6–8 мл концентрированной серной кислоты. Каков состав вещества, выпадающего в осадок? Охладите раствор и отфильтруйте осадок на воронке Шота (почему необходимо использовать стеклянный фильтр?). Напишите уравнение реакции. Фильтрат поместите в специальную банку для отходов!

7.2.Несколько кристаллов CrO3 положите на крышку тигля и по каплям добавьте к нему немного этилового спирта. Что происходит? Напишите уравнение реакции.

38

7.Практика изучения химических свойств простых веществ…

7.3.Растворите несколько кристаллов оксида хрома (VI) в воде

иприлейте к полученному раствору раствор иодида калия. Что наблюдается? Напишите уравнение реакции.

Опыт 8. Пероксидные соединения хрома

Несколько капель раствора бихромата калия подкислите разбавленной серной кислотой, добавьте в систему 2–3 мл диэтилового эфира и такой же объем 10 %-ного раствора пероксида водорода. Перемешайте компоненты и подождите, пока система расслоится. Что находится в эфирном и водном слое? Напишите уравнения реакций.

Опыт 9. Высшие оксиды молибдена и вольфрама

Несколько кристаллов молибдата аммония поместите на крышку тигля и сначала осторожно нагрейте, а потом сильно прокалите. Что происходит? Сделайте аналогичный опыт с вольфраматом аммония. Напишите уравнения реакций. При какой температуре возгоняются MoO3 и WO3? Сопоставьте свойства высших оксидов элементов подгруппы хрома (цвет, термическая устойчивость, окислительная способность, растворимость в воде).

Опыт 10. Молибденовые и вольфрамовые кислоты

Опишите строение гидратов молибдена (VI) и вольфрама (VI).

10.1.К 2–3 мл 2 %-ного раствора молибдата аммония прилейте 2–3 мл 10 %-ного раствора азотной кислоты. Что происходит? Полученный осадок промойте водой и разделите на две части. Подействуйте на осадок концентрированной соляной кислотой и 20 %-ным раствором щелочи. Объясните результаты опыта. Напишите уравнения реакций.

10.2.К раствору вольфрамата натрия прилейте 10 %-ный раствор соляной кислоты. Выделившееся вещество промойте водой, слегка подкисленной соляной кислотой. Испытайте отношение вольфрамовых кислот к 10 %-ным растворам щелочи и кислоты. Напишите уравнения реакций.

Как изменяются устойчивость и кислотно-основные свойства в ряду хромовых, молибденовых, вольфрамовых кислот одинакового типа?

39

Химия переходных элементов

Опыт 11. Соли молибденовых и вольфрамовых кислот

К нейтральным растворам молибдата и вольфрамата натрия прилейте растворы AgNO3, BaCl2 и Pb(NO3)2. Что происходит? Напишите уравнения реакций. Как изменяются составы солей молибденовых и вольфрамовых кислот при изменении рН раствора или при изменении молярного состава смеси карбоната натрия и ЭО3 при ее нагревании? Дайте определение понятиям «изополи- и гетерополисоединения», приведите составы изо- и гетерополисоединения молибдена и вольфрама. Познакомьтесь с номенклатурой и способами получения изополи- и гетерополисоединений.

Опыт 12. Восстановление соединений молибдена (VI) и вольф-

рама (VI)

Налейте в три пробирки по 2–3 мл раствора молибдата аммония, подкислите его 5 мл 30 %-ного раствора соляной кислоты, нагрейте полученные растворы до кипения и прилейте в первую пробирку водный раствор SO2, во вторую – раствор H2[SnCl4], а в последнюю пробирку бросьте два кусочка цинка. Такие же опыты проделайте с подкисленным раствором вольфрамата натрия. Напишите уравнения реакций. Поясните, что наблюдается. Какие фазы носят название «вольфрамовые бронзы»?

Опыт 13. Пероксидные соединения хрома, молибдена и вольф-

рама

13.1.Несколько капель раствора хромата или бихромата калия подкислите разбавленной серной кислотой, добавьте в систему 2– 3 мл диэтилового эфира и такой же объем 10 %-ного раствора пероксида водорода. Перемешайте компоненты и подождите, пока система расслоится. Что находится в эфирном и водном слое? Напишите уравнения реакций.

13.2.К подкисленным серной кислотой растворам молибдата

ивольфрамата в отдельных пробирках прилейте по несколько капель 3 %-ного раствора пероксида водорода. Как изменяется цвет растворов? Напишите уравнения реакций.

40