Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Общая и неорганическая химия. Лабораторный практикум. Учебное пособие
.pdf
2.9. Кремний и его соединения
кремния (IV): строение, свойства, причины резкого отличия
от оксида углерода (IV). Гидроксид кремния (IV). Силикаты.
Понятие о стекле, керамике, глине, цементе. Галогениды
кремния: строение, устойчивость, отношение к воде.
Вопросы и задания
1. В таблице приведены некоторые константы алмаза, кремния
и карборунда [1]. Как объяснить тот факт, что свойства SiC являются промежуточными между С и Si?
С (алмаз) Si SiC
d(Э-Э), нм 0,154 0,234 0,175
Температура плавления, °С 3470 1428 2600
S°
, Дж/(моль⋅К)
298
ρ, г/cм
3
ΔЕ, эВ
2. Почему в отличие от фторида и хлорида углерода гидролиз
SiF4 и SiCl4 протекает активно при комнатной температуре? Поче-
му SiO2 не взаимодействует с водой, а SiS2 необратимо подвергается гидролизу?
3. Одинаково ли строение ионов СО
4. Почему в ряду Cl – S – P – Si в высших степенях окисления
резко возрастает число возможных оксосоединений? Все ли типы
связности могут реализоваться в каждом случае?
5. Как и почему изменяется температура плавления в ряду вы-
сших оксидов Cl – S – P – Si?
6. Вычислите ΔG°
образования СаСО3 и CaSiO3 из оксидов.
298
Какой из оксидов – СО2 или SiO2 – проявляет кислотные свойства
в большей степени?
7. Постройте график ΔG°(Т) реакции взаимодействия СаСО3 с
SiO2. При каких температурах возможно ее протекание? При какой температуре р(СО2) = 101,3 кПа?
8. Почему для кремния степень окисления +2 менее характер-
на, чем для углерода?
2,36 18,84 16,62
2,33 3,51 3,2
5,6 1,12 1,5–3,5
2-
и SiO
3
2-
? Почему?
3
91
Часть 2. Химия непереходных элементов
9. Сравните гидролизуемость галогенидов кремния, объясните
причины различий, запишите соответствующие уравнения реакций.
10. Кремний в природе находится в виде трех изотопов – 28Si,
29
Si, 30Si. На долю самого тяжелого изотопа приходится 3,12 %. Вы-
числите содержание остальных изотопов.
Лабораторная работа
1. Простое вещество
Испытать отношение кремния к кислотам и щелочам.
2. Свойства силицида магния
В стакан с ∼20 мл 20 %-ного раствора соляной кислоты небольшими кусочками внести силицид магния. Какой газ выделяется
при этом? Чем объясняются наблюдаемые вспышки?
Сравните восстановительные свойства метана и силана, объясните различия. На какие группы делятся карбиды и силициды?
Как они различаются по действию на них воды и кислот?
3. Соли кремневой кислоты
1) Гидролизуемость. Растворить в горячей воде несколько
кристаллов силиката натрия и в случае необходимости профильтровать раствор.
Испытать действие раствора на фенолфталеин. Что происхо-
дит? Написать уравнение гидролиза силиката натрия.
Разлить раствор в три пробирки. В первую пробирку прилить
разбавленную соляную кислоту (образуется гель кремневой кислоты). Во вторую пробирку добавить немного сухого хлорида аммония. Содержимое пробирки хорошо перемешать. Каков состав
выпавшего осадка? Написать уравнение реакции. Через раствор в
третьей пробирке пропустить ток углекислого газа. Что наблюдается? Написать уравнение реакции.
Мелкие осколки стекла поместить в фарфоровую ступку и растереть их в порошок. Прилить 2–3 капли раствора фенолфталеина. Объяснить появление окраски.
2) «Неорганический сад». Налить в стакан 30–50 мл раствора
«жидкого» стекла и опустить в раствор кристаллы солей кобальта,
железа (II), алюминия, никеля и кальция. Что наблюдается? Дать
объяснения.
92
2.10. Элементы подгруппы германия
4. Получение и свойства крем-
нефтористоводородной кислоты
Собрать прибор (рис. 2.22). Сме-
шать 2 г сухого кварцевого песка с 2 г
фторида кальция. Перенести смесь
в колбу Вюрца и добавить 15 мл
96 %-ного раствора серной кислоты. Закрыть колбу пробкой. Воронка
должна касаться поверхности воды
в стакане. Нагреть колбу. Что при
этом наблюдается? Какой газ
выделяется из-под воронки? Какое вещество выпадает в осадок? Что находится в растворе? Написать уравнения
реакций. Раствор сохранить.
1) Испытать действие раствора
Рис. 2.22. Прибор для получе-
ния кремнефтористоводородной
кислоты
кремнефтористоводородной кислоты на различные индикаторы. Изучить взаимодействие данного
раствора с металлами: цинком и магнием.
2) К растворам хлоридов калия и кальция, налитым в две про-
бирки, прилить понемногу раствор кремнефтористоводородной
кислоты. Что наблюдается? Написать уравнения реакций.
2.10. Элементы подгруппы германия
Общая характеристика подгруппы. Стабилизация степеней
окисления +2 и +4, особенности координации. Особенности
строения и свойств простых веществ. Сравнительная характеристика соединений в степенях окисления +2 и +4. Оксиды (гидроксиды), сульфиды и воднорастворимые соли элементов подгруппы.
Вопросы и задания
1. Вычислите ΔG°
определите, в каком направлении они протекают. Что можно сказать о стабильности характерных степеней окисления элементов
подгруппы германия на основании полученных данных?
реакций Э + ЭО2→ 2ЭО (Э = Ge, Sn, Pb) и
298
93
Часть 2. Химия непереходных элементов
2. В таблице приведены значения твердости и стандартной энтропии простых веществ р-элементов IV группы [1]. Как они согласуются со строением простых веществ?
С(алмаз)Si Ge
β-Sn
Pb
Твердость (по алмазу) 10 7 6 1,8 1,5
S°
, Дж/(моль⋅К)
298
2,36 18,8 31,3 51,6 76,2
3. Почему при переходе от углерода к свинцу число возможных
углеродных соединений резко снижается?
4. Почему в ряду водородных соединений р-элементов подгруп-
пы углерода не наблюдается тех же аномалий в изменении температур плавления, которые характерны для водородных соединений р-элементов V–VII групп?
5. Возможно ли окисление ионов Mn2+до MnO
-
с помощью PbO2
4
в стандартных условиях? При каких значениях рН это возможно
при стандартных концентрациях прочих реагентов и продуктов?
6. Как и почему должен измениться редокс-потенциал полуреакции PbO2 + 4Н++ 2е → Pb2+ + 2Н2О в присутствии ионов SO
2-
?
4
7. Вычислите pH 0,01М раствора нитрата олова (II), ПР
(Sn(OH)2) = 6⋅10
-27
.
8. В промышленности железные изделия покрывают оловом
или цинком для защиты от коррозии. Какое и почему из покрытий
более эффективно и в каких условиях?
9. Предложите как минимум два способа разделения олова и
свинца.
Лабораторная работа
1. Простые вещества
а) Крупнокристаллическое олово
Налить в стакан концентрированный раствор хлорида олова
(II), подкисленный соляной кислотой, и осторожно (пипеткой) при-
лить дистиллированную воду таким образом, чтобы образовалось
два слоя (можно изменить последовательность сливания растворов). Погрузить в стакан оловянную пластинку, часть ее должна
выступать из раствора хлорида олова и находиться в воде. Объяснить наблюдаемое явление.
94
2.10. Элементы подгруппы германия
б) Получение олова и свинца восстановлением цинком
В раствор хлорида олова (II) опустить пластинку металлическо-
го цинка. Что происходит? Написать уравнение реакции. Налить в
пробирку несколько миллилитров раствора ацетата свинца и опустить в него пластинку цинка. Что наблюдается? Написать уравнение реакции.
в) Химические свойства олова и свинца
Написать уравнения реакций, происходящих
при взаимодейс-
твии олова и свинца с азотной, серной и хлористоводородной кислотами в различных условиях (температура, концентрация). В каких кислотах лучше всего растворяется свинец? Растворяются ли
олово и свинец в растворах щелочей? Провести все протекающие
реакции.
2. Соединения олова и свинца в степени окисления +2
а) Гидроксиды олова и свинца (II)
В отдельных пробирках получить гидроокиси олова и свинца
(II) из растворов хлорида олова (II) и растворимой соли свинца со-
ответственно. Чем следует осаждать гидроксиды олова? Проявляют ли гидроксиды олова и свинца амфотерные свойства? Написать
уравнения реакций.
б) Станнит натрия
К раствору хлорида олова (II) прилить небольшими порциями
избыток раствора гидроокиси натрия. Объяснить наблюдаемые явления.
Осадить гидрат окиси висмута, внести его в раствор станнита
натрия. Что происходит? Написать уравнения реакций. На какие
свойства соединений олова (II) указывает эта реакция?
Приготовить раствор станнита натрия, разбавить его водой и
оставить до следующего занятия. Что происходит? Как получить
станнит натрия в водном растворе и сухим путем? Одинакового ли
состава он получается? Напишите уравнения реакций.
в) Свойства хлорида олова (II)
Какой из хлоридов олова – SnCl2 или SnCl4 – должен гидролизо-
ваться в большей степени?
Налить в две пробирки по 1–2 мл раствора хлорида олова (II).
В первую пробирку прилить немного бромной воды. Как меняется
цвет раствора? Во вторую пробирку добавить сульфит натрия. Что
95
Часть 2. Химия непереходных элементов
наблюдается? Написать уравнения реакций. На какие свойства соединений олова (II) указывают эти реакции?
г) Соли свинца и их свойства
– Гидролизуются ли соли свинца? Проверить экспериментально.
– Какова термическая устойчивость солей свинца? В тигель по-
местить небольшое количество нитрата свинца и нагреть в пламени спиртовки. Что наблюдается?
– К раствору ацетата свинца прилить раствор йодида калия.
Что наблюдается? Отлить часть раствора с осадком (около 1 мл) в
стакан, добавить 10–15 мл воды и нагреть. Каков цвет полученного раствора? Охладить раствор. Объяснить наблюдаемые явления.
Сравнить растворимость в воде йодида и хлорида свинца. Как она
меняется с температурой [7]?
3. Соединения олова и свинца в степени окисления +4
а) Гидроксид олова (IV)
Осадить гидроксид олова (IV), изучить его отношение к кислотам и щелочам. Охарактеризовать процесс старения гидроксида.
Что называется α- и β-оловянными кислотами, почему эти названия условны?
б) Оксиды свинца
Какой состав имеют глёт, массикот, двуокись свинца и сурик?
В каких условиях они образуются? Какое строение они имеют? Какие степени окисления имеет свинец в этих оксидах?
– Взять три пробирки, в одну из них поместить небольшое количество оксида свинца (II), во вторую – двуокиси свинца, в третью –
сурик. В каждую из пробирок налить 3–5 мл концентрированной
соляной кислоты. Перемешать содержимое пробирок и нагреть.
Что наблюдается? Какой газ выделяется? Написать уравнения реакций. Какие свойства проявляют в этой реакции двуокись свинца и сурик?
Сделать аналогичные опыты, заменив соляную кислоту
10 %-ным и концентрированным раствором азотной кислоты. Написать уравнения реакций.
– В пробирку, смоченную раствором нитрата марганца, добавить
1–2 мл концентрированной азотной кислоты, внести 0,5 г двуокиси
свинца и нагреть. Чем обусловлено изменение окраски раствора?
Написать уравнение реакции. Будет ли происходить аналогичная
реакция с оксидом свинца (II) и суриком?
96
2.11. Бор и его соединения
4. Сульфиды олова и свинца
В солянокислые растворы хлорида олова (II) и (IV) в отдельных
пробирках пропустить ток сероводорода. Какой цвет имеют выпадающие из раствора осадки сульфидов? Написать уравнения реакций. Изучить отношение сульфидов олова к раствору сульфида
натрия, щелочи. Чем можно объяснить различное действие сульфида и полисульфида аммония на сульфид олова
олова (IV)?
Получить сульфид свинца осаждением его из водного раствора
ацетата свинца, слить раствор с осадка и обработать осадок разбавленным раствором азотной кислоты. Что получается? Написать
уравнения реакций и объяснить их течение. Растворяется ли полученный осадок в растворах сульфида и полисульфида натрия, в
растворе щелочи?
(II) и сульфид
2.11. Бор и его соединения
Бор. Электронное строение атома, валентные возможности, степени окисления, координационные предпочтения. Бор
как простое вещество: строение, свойства, сравнение с кремнием. Особенности строения боранов (связи с дефицитом
электронов (банановые)) и их свойства. Соединения бора с
азотом, серой, галогенами. Оксид бора, мета- и ортоборные
кислоты, получение, строение, свойства. Бораты, их сходство и различия с силикатами. Бура, ее строение и свойства.
Перлы буры.
Вопросы и задания
1. Рассмотрите икосаэдры В12 – структур-
ные фрагменты, из которых построен ромбоэдрический бор (рис. 2.23). Какие координационные числа проявляют атомы бора в
простом веществе? Можно ли назвать образуемые ими связи классическими ковалентными? Можно ли назвать группировки В12
молекулами?
Рис. 2.23
97
Часть 2. Химия непереходных элементов
2. Тепловой эффект реакции 2ВН3→ В2Н6 составляет ΔН° =
= -117 кДж/моль. Почему образование В2Н6 энергетически выгодно?
3. Рассчитайте теплоты сгорания 1 кг диборана и этана, обос-
нуйте резкое различие этих величин.
4. Молекула ВН3 обладает высокой энергией сродства к гидрид-
иону (ΔН° = -314 кДж/моль). Почему? Какие свойства гидридоборатов определяют их применение в химическом синтезе?
5. Вычислите ΔG°
и ΔG°
298
процесса получения хлорида бора
573
взаимодействием оксида бора, графита и хлора. Как влияет температура на возможность протекания реакции? Какой фактор –
энтальпийный или энтропийный – способствует ее протеканию в
прямом направлении?
6. Составьте уравнения гидролиза ВF3 и BCl3. Сравните с гидролизом фторида и хлорида кремния. Объясните сходства и различия.
7. Определите геометрическую форму молекул и ионов ЭF3иЭF
4
(Э = В, Br и As). Почему в молекуле ВF3 длина связи меньше
(0,129 нм), чем в ионе ВF
-
(0,143 нм)?
4
8. В таблице приведены некоторые свойства боразола и бензо-
ла, а также их производных [1]. Приведите структурные формулы
соединений. Чем объясняется заметное сходство соединений?
-
Температура
плавления, °С
B3N3H6B3N3H5СН3C6H6C6H5СН
-58 -59 5,5 -95
3
Температура кипения, °С 55 87 80 111
9. Известно, что длина связи В–О в структурных единицах ВО3 и
ВО4 различна и составляет соответственно 0,136 и 0,148 нм. С учетом этого объясните: а) строение Н3ВО3: длина связи В–О 0,136 нм,
расстояние между атомами бора в слое 0,272 нм, расстояние между слоями 0,318 нм; б) с увеличением рН в растворе Н3ВО3 происходит полимеризация и образуются полиборат-ионы, например,
В4О5(ОН)4 с длинами связей В–О 0,136 и 0,148 нм; составьте структурную формулу этого иона; в) изобразите строение иона ВО2, входящего в состав NaBO2и Ca(BO2)2, если длина связи связей В–О в
них составляет 0,137 нм.
98
2.11. Бор и его соединения
10. Полиморфное превращение графитоподобного нитрида бора
в алмазоподобную форму сопровождается изменением частоты валентных колебаний и длины связи В–N (первая уменьшается с
1385 до 1140 см
-1
, а вторая возрастает с 0,144 до 0,158 нм). Как это
согласуется со строением веществ?
Лабораторная работа
1. Получение аморфного бора из борного ангидрида
Поместить 2 г борного ангидрида в железный тигель или на
железную пластинку и прокалить (если в борном ангидриде бу-
дет влага, то при нагревании его с магнием может произойти
взрыв!). Измельчить борный ангидрид возможно быстрее (поче-
му?) в ступке, взвесить 1 г и смешать его с 2 г порошка магния.
Смесь поместить в тугоплавкую пробирку и закрепить ее в наклонном положении в лапке штатива (под тягой!). Вначале осторожно
прогреть пробирку со смесью пламенем горелки, а затем сильно
нагреть нижнюю часть пробирки. Что наблюдается?
По окончании реакции охлажденную до комнатной температу-
ры пробирку разбить в ступке. Отделить полученное вещество от
стекла и небольшими порциями всыпать его в стакан с 50 мл 10 %ного раствора хлористоводородной кислоты (под тягой!). Какие га-
зообразные продукты при этом образуются? Отмыть бор от соляной кислоты водой и высушить его в сушильном шкафу. Написать
уравнения реакций.
2. Свойства бора
Поместить в тигель небольшое количество бора. Поместить ти-
гель в раскаленную тигельную печь. Что происходит? Написать
уравнение реакции.
Как относится бор к действию кислот и щелочей? Проведите со-
ответствующие реакции. По каким признакам можно убедиться,
что они протекают?
3. Получение борной кислоты из буры
Растворить при нагревании в стакане 12 г буры в 25 мл воды.
Какова реакция раствора на лакмус и чем она обусловлена? Написать уравнение реакции гидролиза буры в молекулярной и ионной
формах. Как можно усилить гидролиз буры? Рассчитать, какое количество 25 %-ного раствора хлористоводородной кислоты необхо-
99
Часть 2. Химия непереходных элементов
димо взять для получения борной кислоты из 1,2 г буры. Отмерить
вычисленное количество кислоты, взяв небольшой избыток (10 %),
и прилить к горячему раствору буры. Дать раствору медленно остыть. Наблюдать выпадение кристаллов ортоборной кислоты.
4. Свойства борного ангидрида
Предложите реакции на свойства оксида бора и проведите их.
5. Свойства борной кислоты
а) Рассмотреть (под
лов борной кислоты.
б) Приготовить 2–3 мл насыщенного раствора борной кислоты,
определить рН раствора, пользуясь универсальным индикатором.
в) Поместить раствор борной кислоты в фарфоровую чашку,
упарить на водяной бане почти досуха, добавить немного метилового спирта и поджечь выделяющиеся пары. Чем обусловлена окраска пламени?
г) К раствору борной кислоты добавить каплю глицерина. Из-
мерить рН раствора. Объяснить наблюдения.
д) Небольшое количество борной кислоты поместить на железную пластину и нагреть пламенем газовой горелки. Что происходит при нагревании борной кислоты? Написать уравнение
реакции. Когда масса начнет вспучиваться, прикоснуться к ней
стеклянной палочкой и потянуть. Что происходит?
6. Свойства буры
а) Получение окрашенных перлов буры. Нагреть в ушке пла-
тиновой или нихромовой проволоки небольшое количество буры в
пламени горелки. После прекращения выделения воды (как это установить?) слегка охладить полученный плав и смочить его раствором соли хрома (III) или кобальта. Вновь нагреть массу до плавления. Как изменилась окраска? Написать уравнение реакции.
б) Гидролиз буры. Измерить рН водного раствора буры, составить уравнение гидролиза. Как можно усилить гидролиз буры?
микроскопом) и зарисовать форму кристал-
2.12. Алюминий и его соединения
Положение элемента в периодической системе, его валентные возможности и координационные предпочтения, степени окисления. Алюминий как простое вещество, его физичес-
100
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]