Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Общая и неорганическая химия. Лабораторный практикум. Учебное пособие
.pdf
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное автономное образовательное
учреждение высшего образования
«ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»
И. В. Лисневская, Е. А. Решетникова
Лабораторный практикум
«ОБЩАЯ И НЕОРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ»
Учебное пособие
для студентов I курса дневного отделения
химического факультета
специальности «Химия, физика и механика материалов»
Ростов-на-Дону
Издательство Южного федерального университета
2015
УДК 54:546
ББК 24.1
Л63
Печатается по решению редакционно-издательского совета
Южного федерального университета
(протокол № 3 от 23 ноября 2015 г.)
Рецензент
кандидат химических наук А. А. Новикова
Лисневская, И. В.
Л63
Общая и неорганическая химия. Лабораторный практикум : учебное пособие / Лисневская И. В., Решетникова Е. А. ;
Южный федеральный университет. – Ростов-на-Дону : Издательство Южного федерального университета, 2015. – 164 с.
ISBN 978-5-9275-1907-1
Учебное пособие предназначено для студентов 1–2 курсов дневного отделения
химического факультета, специальность 040302 – «Химия, физика и механика материалов». Пособие содержит необходимую информацию для подготовки и проведения лабораторных и семинарских занятий по общей и неорганической химии.
Материал разбит на три модуля – «Общая химия», «Химия непереходных элементов» и «Химия переходных элементов», изучаемые
трах. В рамках изучения дисциплины «Общая химия» студенты на практических
занятиях знакомятся с основами атомно-молекулярного учения, химической термодинамики и кинетики, учением о химическом равновесии, обучаются азам химического эксперимента, решают расчетные задачи. Учебные дисциплины «Химия
непереходных элементов» и «Химия переходных элементов» посвящены изучению
химии s-, pбазового химического мировоззрения на основе изучения неорганической химии
элементов и их соединений, взаимосвязи между природой химических веществ, их
свойствами и реакционной способностью, а также приобретения навыков работы
в химической лаборатории. Каждое семинарское занятие или лабораторная работа предваряется перечнем теоретических вопросов, которые необходимо
данному практическому занятию, контрольными вопросами и заданиями, содержит подробное описание опытов с вопросами и расчетными заданиями к ним, а
также необходимую справочную информацию.
и d-элементов. Основной целью их освоения является формирование
соответственно в I, II и III семес-
изучить к
ISBN 978-5-9275-1907-1
УДК 54:546
ББК 24.1
© Южный федеральный университет, 2015
© Лисневская И. В., Решетникова Е. А., 2015
© Оформление. Макет. Издательство
Южного федерального университета, 2015
Оглавление
Часть 1. ОБЩАЯ ХИМИЯ ................................................................ 5
1.1. Основные понятия и законы химии ..................................... 5
1.2. Химическая термодинамика. Законы термохимии ........... 6
1.3. Критерии самопроизвольного протекания реакций ........ 11
1.4. Химическая кинетика. Скорость химических реакций.
Зависимость скорости реакций от различных факторов ...14
1.5. Химическое равновесие ....................................................... 20
1.6. Растворы. Процесс растворения. Растворимость .............. 23
1.7. Коллигативные свойства растворов. Электролитическая
диссоциация. Факторы, влияющие на степень
электролитической диссоциации. «обменные» реакции
в растворах электролитов. Условия образования
осадков ................................................................................... 26
1.8. Гидролиз солей ..................................................................... 31
1.9. Комплексные соединения ................................................... 33
1.10. Гальванический элемент. Направление протекания
окислительно-восстановительных реакций ...................... 36
1.11. Электролиз. Явление перенапряжения ............................ 40
Часть 2. ХИМИЯ НЕПЕРЕХОДНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ............... 43
2.1. Водород .................................................................................. 43
2.2. Кислород. Озон. Пероксид водорода .................................. 48
2.3. Подгруппа галогенов ........................................................... 53
2.4. Подгруппа халькогенов ....................................................... 63
2.5. Азот и его соединения .......................................................... 70
2.6. Фосфор и его соединения .....................................................79
2.7. Элементы подгруппы мышьяка ......................................... 83
2.8. Углерод и его соединения ................................................... 87
2.9. Кремний и его соединения .................................................. 90
2.10. Элементы подгруппы германия ......................................... 93
3
Оглавление
2.11. Бор и его соединения ........................................................... 97
2.12. Алюминий и его соединения ............................................. 100
2.13. Подгруппа галлия .............................................................. 104
2.14. Элементы IIA-группы ........................................................ 106
2.15. Элементы IA-группы.......................................................... 109
Часть 3. ХИМИЯ ПЕРЕХОДНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ...................113
3.1. Теория кристаллического поля. ММО октаэдрических
комплексов без и с
3.2. Подгруппа титана .............................................................. 115
3.3. Подгруппа ванадия ............................................................ 120
3.4. Подгруппа хрома ................................................................ 127
3.5. Подгруппа марганца ..........................................................133
3.6. Триада железа .................................................................... 141
3.7. Подгруппа меди .................................................................. 148
3.8. Подгруппа цинка................................................................ 154
Литература ......................................................................................160
Приложение ....................................................................................161
π-связыванием ................................... 113
4
Часть 1. ОБЩАЯ ХИМИЯ
1.1. Основные понятия и законы химии
Основные положения атомно-молекулярного учения (с комментариями). Смысл понятий «атом», «молекула», «относительная атомная масса», «изотоп», «моль», «молярная
масса». Молекулярные и немолекулярные вещества. Смысл
химических формул, изображение с помощью структурных
формул. Понятия «координационное число», «координация».
Основные законы химии (постоянства состава, сохранения
массы веществ, кратных отношений), границы применимости. Закон Авогадро и следствия из него. Газовые законы.
Вопросы и задания
1. № 28–30, 35–36, 41, 49, 53–55, 66, 69, 70, 72, 86–87, 88, 89, 91–
92, 99, 102–105, 107, 115, 122, 126–129, 132–1331.
2. Выведите формулу кристаллогидрата фосфата цинка
Zn3(PO4)2·nH2O, если известно, что массовая доля соли в нем равна
84,29 %. Ответ: n = 4.
3. В порции кристаллогидрата ацетата калия содержится
3,612·1023 атомов углерода и 1,084·1024 атомов водорода. Установите формулу кристаллогидрата. Ответ: CH3COOK·1.5H2O.
4. Определите формулу соединения, если известно, что оно со-
держит 28 % трехвалентного металла, 24 % серы и 48 % кислорода
по массе. Ответ: Fe2(SO4)3.
5. Масса одной молекулы белого фосфора равна 2,06·10
ределите состав молекулы. Ответ: P4.
6. К 40 г смеси, содержащей 30 масс. % MgO, 20 масс. % ZnO,
50 масс. % BaO, прибавили 600 мл 12 %-ного раствора серной кис-
лоты (плотность раствора 1,08 г/мл). Определите количество воды
в полученном растворе. Ответ: 32,2 моль.
-22
г. Оп-
1
Здесь и далее номера задач указаны по задачнику Н. Л. Глинки «Задачи и уп-
ражнения по общей химии» (Л.: Химия или М.: Интеграл-пресс, издания 1984 г. и
позже) [2].
5
Часть 1. Общая химия
7. Какой объем при 1000 °С и нормальном давлении займут
газообразные продукты, образовавшиеся при прокаливании 43 г
смеси гидроксида алюминия, карбоната магния и гидрокарбоната калия в молярном соотношении 1:2:3 соответственно. Ответ:
53,45 л.
8. Смесь 3 л пропена, 2 л ацетилена и 15 л водорода (объемы
даны в пересчете на н. у.) пропустили над платиновым катализатором,
ность по воздуху новой газовой смеси. Ответ: 0,55.
9. Какой из оксидов углерода находится в смеси с кислородом,
если известно, что при нормальном атмосферном давлении и 50 °С
плотность смеси равна 1,129 г/л? Найдите объемный состав смеси.
Ответ: смесь содержит 47,87 об. % кислорода.
10. Объем смеси СО и О2 равен 200 мл (н. у.). После сгорания
всего СО и приведения газа к н. у. объем смеси уменьшился до
150 мл. Во сколько раз уменьшится объем газовой смеси после пропускания ее через 50 г 2 %-ного раствора КОН? Найдите количество образующейся соли. Ответ: в 3 раза; 4,464·10-3 моль.
11. Уксусную кислоту массой 9,6 г поместили в сосуд объемом
8,7 л и нагрели до температуры 230 °С. Давление паров при этом
составило 40,8 кПа. Определите число молекул димера уксусной
кислоты в газовой фазе. Ответ: 4,5·1022 частиц.
12. Пары этаналя смешали с водородом в мольном соотношении 1:2 при давлении 300 кПа и температуре 400 °С в замкнутом
сосуде, предназначенном для синтеза этанола. После окончания
процесса давление газов в реакторе при неизменной температуре
уменьшилось на 20 %. Определите объемную долю паров этанола и
процент превращения этаналя в этанол. Ответ: 0,25 и 60 мол. %.
гидрирование прошло количественно. Вычислите плот-
1.2. Химическая термодинамика. Законы термохимии
Химическая термодинамика как наука. Особенность термодинамического подхода. Понятия «система», «фаза». Виды
систем. Параметры, функции, уравнения состояния систем.
Внутренняя энергия и энтальпия как функции состояния
систем. I начало термодинамики. Законы термохимии. Энтальпия образования вещества. Стандартное состояние.
6
1.2. Химическая термодинамика. законы термохимии
Вопросы и задания
1. № 283–290, 293, 296, 297, 299 [2].
2. В стандартных условиях изменение энтальпии при сгора-
нии водорода в кислороде составляет -286,2 кДж/моль (в расчете
на 1 моль воды), а при сгорании в озоне – -333,9 кДж/моль. Рассчитайте теплоту превращения кислорода в озон в стандартных условиях в расчете на 1 моль озона. Ответ: 143,1 кДж/моль.
3. В стандартных условиях изменение энтальпии реакции пол-
ного хлорирования 120 г графита составляет -1033 кДж, а изменение энтальпии реакции полного хлорирования 60 г алмаза равно
-528 кДж. Рассчитайте теплоту превращения графита в алмаз в
стандартных условиях. Ответ: -2,3 кДж/моль.
4. Выполните необходимые расчеты для сравнения термичес-
кой устойчивости: а) воды и сероводорода; б) кислорода и озона;
в) озона и оксида серы (IV).
2H2S + 3O2 → 2H2O + 2SO
H2S + O3 → H2O + SO
∆fH°
O) = 242 кДж/моль ∆fH°
298(H2
2
∆H°
2
∆H°
= -1036 кДж
реакции
= -660 кДж
реакции
(SO2 ) = -297 кДж/моль
298
5. При сжигании этановой кислоты в кислороде выделилось
235,9 кДж теплоты и осталось 10 л непрореагировавшего кислоро-
да (измерено при температуре 40 °С и давлении 104,1 кПа). Рассчитайте массовые доли компонентов в исходной смеси, если ΔfН°
оксида углерода, водяных паров и этановой кислоты равны соответственно -393,5, -241,8 и -484,2 кДж/моль. Ответ: 36 масс. %
кислоты и 64 масс. % кислорода.
6. При сжигании паров этанола в кислороде выделилось
494,2 кДж тепла и осталось 19,7 л непрореагировавшего кислоро-
да (измерено при температуре 27 °С и давлении 101,3 кПа). Рассчитайте мольные доли компонентов в исходной смеси (ΔfН°
298
эта-
нола составляет -277 кДж/моль). Ответ: 16,7 мол. % и 83,3 мол. %
спирта и кислорода соответственно.
7. 48 г минерала, содержащего 46,7 масс. % железа и 53,3 масс. %
серы, сожгли в избытке кислорода, а твердый продукт сгорания
прокалили с 18,1 г алюминия. Какое количество теплоты выдели-
7
Часть 1. Общая химия
лось в результате каждого из этих процессов, если ΔfН° сульфида
железа, оксида железа (III), оксида серы (IV) и оксида алюминия
равны соответственно -174, -824, -297 и -1675 кДж/моль. Ответ:
-332,8 и -170,2 кДж/моль.
8. Используя следующие данные, рассчитайте Δ
H° сульфата
f
цинка:
Zn + S = ZnS ∆H°
2ZnS + 3O2 = 2ZnO + 2SO
ZnSO4 = ZnO + SO2 +1/2O
∆H°
2
∆H°
2
реакции1
реакции 2
реакции 3
= - 205 кДж
= - 886 кДж
= 330 кДж
Ответ: -978 кДж/моль.
9. Определите ΔfН°
Н
+ 0,5О
2(г)
СаО
Са
(т)
+ 2Н2О
(т)
+ Н2О
2(г)
(ж)
(ж)
СаО, исходя из следующих данных:
298
→ Н2О
→ Са
→ Са
, ΔН°1 = -68,3 ккал
(ж)
2+
2+
(гидр)
(гидр)
+ 2ОН
+ 2ОН
-
(гидр)
-
(гидр)
, ΔН°2 = -19,5 ккал
+ Н
, ΔН°3 = -109 ккал
2(г)
Ответ: -157,8 ккал/моль.
10. Определите изменение энтальпии реакции гидратации сер-
ной кислоты до моногидрата по следующим данным:
SO2 = 1/8S
SO3 = SO2 + 1/2O
Н2О
= Н2 + 1/2О
(г)
H2O
= H2O
(г)
SO3 + Н2О
1/8S
8(тв)
+ O
8(тв)
(ж)
2
2
2
(ж)
= H2SO
4(ж)
+ 5/2O2 + 2Н2 = Н2SO4·H2O
(ж)
ΔH°
ΔH°
ΔH°
ΔH°
ΔH°
ΔH°
= 296,9 кДж
реакции1
= 98,3 кДж
реакции2
= 241,8 кДж
реакции3
= -44 кДж
реакции4
= -130,3 кДж
реакции5
= -1128 кДж
реакции6
Ответ: -30,9 кДж.
11. Используя следующие данные, рассчитайте ΔfН°
Ca + 1/2O2 = CaO ∆H°
CaC2 + 5/2O2 = CaO + 2CO
C + O2 = CO
2
2
2CaCO3 + 5C = 2CaC2 + 3CO
2
∆H°
∆H°
∆H°
= -636 кДж
реакции1
= -1360 кДж
реакции2
= -394 кДж
реакции3
= 1106 кДж
реакции4
CaCO3:
298
Ответ: -1208 кДж/моль.
8
1.2. Химическая термодинамика. законы термохимии
Лабораторная работа
1. Определение изменения энтальпии реакции нейтра-
лизации
Для проведения эксперимента необходимо взять (по указанию
преподавателя) один из растворов сильной кислоты (HCl, H2SO4,
HNO3) и один из растворов щелочи (NaOH, KOH) заданных концентраций. Составьте уравнение реакции между указанными кислотой и щелочью в молекулярном и ионном виде.
Опыт проводят в калоримет-
рической установке, упрощенная схема которой показана на
рис. 1.1 (какая это система – от-
крытая? закрытая? изолированная?). Установка состоит из двух
алюминиевых стаканов, вставленных один в другой и изолированных друг от друга корковыми
или резиновыми прокладками в
целях уменьшения потерь тепла.
Во внутренний стакан калориметра помещается стеклянный химический стакан, в котором и проводится опыт.
Взвесьте калориметрический
стеклянный стакан. Измерьте
его диаметр и высоту с точностью
до 1 мм. При помощи мерных цилиндров точно отмерьте необходимые объемы (их указывает преподаватель) растворов кисло-
ты и щелочи; при этом необходимо воспользоваться разными цилиндрами, маркированными соответственно буквами «К» и «Щ».
В стеклянный стакан калориметра, предварительно вытащив его
из калориметрической установки, аккуратно, без потерь, внесите
отмеренный объем раствора щелочи. Стакан с раствором щелочи
вновь поместите в калориметрическую установку. Измерьте температуру раствора кислоты при помощи ртутного термометра с точностью до 0,1 °С. Ополоснув термометр дистиллированной водой,
Рис. 1.1. Схема калориметрической
Рис. 1.1. Схема калориметрической
установки
установки
9
Часть 1. Общая химия
c той же точностью измерьте температуру раствора щелочи, находящегося в стеклянном стакане калориметра. Не вынимая термометра из раствора щелочи, быстро и без потерь прилейте к нему
весь раствор кислоты. При помощи термометра аккуратно перемешайте полученный раствор и отметьте максимальную температуру, которую покажет термометр. После этого вытащите стеклянный стакан из калориметрической установки и измерьте высоту
столба жидкости в нем. С помощью ареометра измерьте плотность
полученного раствора.
Результаты опыта внесите в таблицу.
Кислота Щелочь
, моль/л
V, мл
М
С
,°С до начала
К
t
опыта
, моль/л
М
С
V, мл
,°С до начала
Щ
t
опыта
)/2
Щ
+ t
К
раствора после
3
,°С раствора после
опыта (t
,°С растворов кисло-
нач.
ты и щелочи до начала
t
нейтрализации
кон.
проведения реакции
t
нейтрализации
проведения реакции
ρ, г/см
Стакан
см
масса, г
диаметр, см
высота, см
кости после опыта,
высота столба жид-
На основании полученных данных рассчитайте изменение эн-
тальпии реакции нейтрализации.
Пояснения к расчетам:
1. Вычисление теплоты, выделившейся в ходе опыта, проводится по формуле
где Δt = t
ра (С
кон.
примем равной теплоемкости воды, С
р-ра
и стекла (С
Q = (m
– t
нач
= 0,753 Дж/(г·К)); m
стекла
; С
р-раСр-ра
р-ра
и С
+ m
стеклаСстекла
– удельные теплоемкости раство-
стекла
р-ра
)Δt (Дж),
и m
= 4,184 Дж/(г·К)
воды
– массы раствора
стекла
после проведения реакции и стакана, занятого раствором. Массу
раствора можно определить, зная его плотность и объем (определяем как сумму объемов исходных растворов кислоты и щелочи,
при этом, правда, пренебрегаем контракцией). Массу стакана, занятого раствором, можно оценить по пропорции, предваритель-
10
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]