Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Общая и неорганическая химия. Лабораторный практикум. Учебное пособие
.pdf
2.12. Алюминий и его соединения
кие и химические свойства. Промышленный способ получения
алюминия. Оксид алюминия, его полиморфные модификации, реакционная способность, химические свойства. Гидроксид алюминия, его строение и свойства. Условность понятий
«оловая» и «оксоловая» формы гидроксида. Соли алюминия катионного и анионного типа, их гидролизуемость, термическая устойчивость. Галогениды, сульфид, гидрид алюминия.
Вопросы и задания
1. Почему у алюминия высока энергия сродства к кислороду?
Какое практическое значение это имеет?
2. Сравните строение AlHal3 и ВHal3; Al2О3 и В2О3; Al(ОН)3 и
Н3ВО3. Почему оно неодинаково? Почему резко отличаются свойства веществ, например, Al2О3 нерастворим в воде и вступает в реакции преимущественно в расплавах, тогда как В2О3 реакционноспособен в растворах, а также реагирует с водой; В2О3 способен
переходить в стеклообразное состояние, а Al2О3 нет; Al(ОН)3 нерастворим, а Н3ВО3 растворима в воде и мн. др.?
3. Вычислите ΔG°
СаО. Какой из оксидов проявляет более выраженные кислотные
свойства? Как это можно обосновать?
4. Вычислите ΔG°
Na2O. Какая из функций – кислотная или основная – преобладает
у Al2О3?
5. Промышленный метод получения глинозема включает в себя
следующую последовательность операций. Боксит – смесь минералов гидраргиллита Al(ОН)3, диаспора AlOOH c примесью минералов железа (условно Fe2O3) и кремния (условно SiO2) – обрабатывают
концентрированным раствором гидроксида натрия. Остается бордовый осадок, который отделяют от раствора, к которому добавляют гидроксид кальция – выпадают белый осадок. После отделения
осадка раствор разбавляют водой – происходит выпадение белого
осадка. Последний отделяют от раствора и нагревают до образования глинозема. Составьте уравнения всех используемых в данном
методе реакций. Каково практическое применение глинозема?
процессов взаимодействия Al2О3 и В2О3 с
298
процессов взаимодействия Al2О3 с SO3 и
298
101
Часть 2. Химия непереходных элементов
6. РассчитайтеΔG°
и путем взаимодействия ионов Al
процессов синтеза Al2S3 из простых веществ
298
3+
2-
и S
в растворе, прокомменти-
руйте результаты расчетов.
7. Какие полиморфные модификации оксида алюминия известны? Как их можно получить, какое строение они имеют, какими
свойствами обладают?
8. Гальванический элемент составлен из алюминиевой пластины, опущенной в сульфат алюминия и цинковой пластины, опущенной в сульфат цинка, при его работе образовалось 20 г цинка. Рас
считайте на сколько уменьшилась масса алюминиевого электрода.
Лабораторная работа
I. Простые вещества
1. Взаимодействие Al с кислотами и щелочами. Испытать
отношение алюминия к разбавленным и концентрированным растворам серной и азотной кислот, щелочей, составить уравнения реакций.
2. Амальгама алюминия. Для получения амальгамы алюминия две алюминиевые проволочки зачистить наждачной бумагой
от оксидной пленки и опустить их в пробирку с раствором нитрата
ртути. Через 5 мин проволочки достать, аккуратно промыть водой,
одну оставить на фильтровальной бумаге на воздухе, а другую поместить в пробирку с дистиллированной водой. Объяснить наблюдения, написать уравнения реакций. Сравнить реакционную способность алюминия и его амальгамы, объяснить разницу.
Работать с ртутью и ее солями следует на особом эмалированном подносе. Не допускать проливания металлической ртути.
Не выливать и не выбрасывать остатки растворов и металлическую ртуть в раковины, а пользоваться для этого специальными банками для слива. После работы с ртутью и ее солями тщательно вымыть руки с мылом.
3. Алюмотермия. Приготовить смесь из 25 г оксида железа
(III) и 8 г алюминия. На дно тигля поместить 5 г порошка фторида
кальция, слегка утрамбовать, затем в реакционной смеси, которую
также утрамбовать, сделать небольшое углубление (рис. 2.24).
-
102
2.12. Алюминий и его соединения
Опустить в образовавшееся отверстие магниевую ленту и сверху насыпать зажигательную смесь, состоящую из 9 г пероксида бария и 1 г
тонкого порошка магния (зажига-
тельную смесь не растирать в
ступке!). Тигель поместить в баню с
сухим песком. Поджечь магниевую
ленту длинной лучиной. Ни в коем
случае не заглядывать в
тигель,
если реакция началась не сразу!
Рассчитать ΔН реакции.
II. Оксид и гидроксид
Рис. 2.24. Алюмотермия
1. Свойства оксида алюми-
ния. Взвесить по 0,5 г оксида алюминия и безводного карбоната
натрия, тщательно перемешать, высыпать в железный тигель и
поставить в муфельную печь. Плав охладить, растереть в ступке
и поместить в стакан с водой. Определить рН среды в полученном
растворе, объяснить наблюдения. Каково отношение оксида алюминия к растворам кислот и щелочей?
2. Получение и свойства гидроксида алюминия. К раство-
ру соли алюминия добавить разбавленный раствор аммиака до
полного выпадения осадка. Полученный осадок разделить на три
части, к одной добавить 10 %-ный раствор серной кислоты; к другой – 10 %-ный раствор щелочи (щелочные растворы сохранить
для опыта III.1!); третью часть осадка нагреть в пробирке в пламени спиртовки. Каковы кислотно-основные свойства гидроксида
алюминия? Что происходит при долгом хранении осадка и при его
нагревании?
III. Соли
1. Гидролизуемость. Прокипятить растворы солей алюминия
[Al(H2O)6]2(SO4)3 и Na3[Al(OН)6]. В каком случае и почему следует
ожидать выпадение осадка? Почему он не растворяется после охлаждения раствора? Написать уравнения реакций.
2. Термическая устойчивость. Какова термическая устойчи-
вость солей алюминия? Проверить экспериментально.
103
Часть 2. Химия непереходных элементов
2.13. Подгруппа галлия
Общая характеристика подгруппы галлия. Стабилизация
степеней окисления +1 и +3. Особенности строения и свойств
простых веществ. Сравнительная характеристика соединений в степени окисления +3. Соединения таллия в степени
окисления +1, сходство с соединениями калия и серебра.
Вопросы и задания
1. Как известно, галлий имеет чрезвычайно низкую температуру плавления. Чем это объясняется? Какое практическое применение находит галлий вследствие большого различия температур
плавления и кипения? Интересно отметить, что сплавы на основе галлия еще более легкоплавки, например, сплав 77,6 % Ga +
22,4 % In имеет температуру плавления 16,5 °С, а сплав, содержащий 60,8 % Ga + 24,5 % In + 12,7 % Sn+ 2 % Ag, плавится при
9,2 °С.
2. Вычислите ΔG°
Ga, In, Tl). Как и почему изменяются кислотно-основные свойства
гидроксидов по подгруппе?
3. Рассчитайте ΔG°
Tl). Как и почему изменяется по подгруппе стабильность высшей
степени окисления?
4. Сравните ΔG°
(в расчете на 1 моль Н2О). Как и почему изменяются кислотно-основные свойства оксидов таллия с ростом степени окисления?
5. Почему близки энергии связи, межъядерные расстояния у
следующих пар веществ: С (алмаз) – BN(боразон), Si – AlP, Ge –
GaAs, α-Sn – InSb? Какое практическое значение имеют соединения типа А
IIIВV
элементов подгруппы галлия?
6. Объясните причину изменения окраски: белый Ga2O3, желтый In2О3 и коричневый Тl2О3.
7. По свойствам элементов и их соединений подгруппа галлия
во многом похожа на подгруппу германия. Спрогнозируйте свойства и объясните причины: а) изменения устойчивости высшей степени окисления для Ge и Ga и для Pb и Тl; б) изменения химического характера гидроксидов в рядах Ge–Sn–Pb и Ga–In–Ti.
реакций Э(ОН)3 + 3Н+→ Э3+ + 3Н2О (Э = Al,
298
реакций взаимодействия ЭHal3 с Э (Э = In,
298
реакций взаимодействия Tl2Oи Tl2O3с водой
298
104
2.13. Подгруппа галлия
8. Элементы подгруппы галлия и их соединения кроме сходств
имеют и различия с подгруппой германия. Спрогнозируйте свойства и объясните причины: а) изменения кислотного характера
гидроксидов Ga и его аналогов по сравнению с соответствующими элементами подгруппы германия; б) изменения растворимости
PbF
и TlF.
2
Лабораторная работа
Не выливать и не выбрасывать остатки растворов в ракови-
ны, а пользоваться для этого специальными банками для слива.
После работы тщательно вымыть руки с мылом.
1. К растворам солей галлия (III) и индия (III) добавить по кап-
лям щелочь, наблюдать выпадение осадков. Изучить отношение
гидроксидов к растворам кислот и щелочей, написать уравнения.
Сравнить кислотно-основные свойства гидроксидов. Растворы сохранить для опыта 2.
2. К растворам, оставшимся после растворения гидроксидов ин-
дия и галлия в кислотах, добавить сульфид натрия. В обоих ли
случаях выпадают сульфиды? Составить уравнения реакций. Там,
где выпал осадок сульфида, изучить его отношение к растворам
сульфида натрия, щелочи, концентрированной и разбавленной
серной кислоты.
3. К раствору соли таллия (I) добавить раствор гидроксида на-
трия. Выпадает ли осадок гидроксида таллия? Охарактеризуйте
свойства гидроксида.
4. К раствору соли таллия (I) добавить раствор сульфида на-
трия. Наблюдать выпадение осадка, изучить его отношение к растворам сульфида натрия, щелочи, концентрированной и разбавленной серной кислоты.
5. К раствору соли таллия (I) в отдельных пробирках добавить
растворы хлорида и бромида натрия. Что наблюдается? Осадок
хлорида таллия растворить в концентрированной азотной кислоте, к осадку бромида таллия добавить бромную воду. Что наблюдается? Составить уравнения реакций. Предложить реакции на
окислительные свойства соединений таллия (III).
6. Один из растворов, полученных в опыте 5 и содержащих
Tl(III), использовать для получения гидроксида таллия (III). Изучить его отношение к кислотам и щелочам.
105
Часть 2. Химия непереходных элементов
2.14. Элементы IIA-группы
Диагональное сходство бериллия и алюминия и его причины.
Валентные возможности и координационные предпочтения
бериллия. Бериллий как простое вещество, физические и химические свойства. Оксид и гидроксид бериллия, их различия и
сходства с соединениями алюминия. Соли бериллия, галогениды, гидрид и их свойства. Общая характеристика подгруппы
щелочноземельных металлов. Оксиды и гидроксиды, характер
и причины изменения их свойств. Соли элементов подгруппы
и закономерности изменения их свойств (гидролизуемости,
термической устойчивости, растворимости и др.).
Вопросы и задания
1. Как и почему изменяется термодинамическая и кинетическая активность металлов подгруппы по отношению к кислороду,
фтору, хлору и азоту (в ответе используйте ΔfG°
2. Чем объяснить тот факт, что у кальция температура плавления выше, чем у магния?
3. Рассчитайте ΔH°
298
, ΔS°
298
, ΔG°
окисления кислородом окси-
298
дов бария и кальция до пероксидов. Как влияет температура на
1
0
-1
-2
M
lg C
-3
-4
-5
-6
20 30 40 50 60
ɩɨɪɹɞɤɨɜɵɣ ɧɨɦɟɪ ɷɥɟɦɟɧɬɚ
Рис. 2.25
смещение равновесий? При горе-
-
нии какого металла – бария или
Cl
кальция – термодинамически более
-
NO
3
-
вероятно образование пероксида?
OH
F
-
4. Рассчитайте температуры
термического разложения карбонатов магния, кальция, бария и
2-
нитрата бария, при которых пар-
CO
3
циальное давление газов составля-
2-
CrO
4
ет 101,3 кПа.
2-
SO
4
5. Сравните растворимость солей кальция, стронция и бария
(рис. 2.25 [1]), объясните ход кривых. Какие соли и почему наименее растворимы в воде?
веществ)?
298
106
2.14. Элементы IIA-группы
6. Присутствие в воде каких солей обусловливает временную
и постоянную жесткость воды? За счет какой реакции появляется
накипь при кипячении природной воды? Каковы методы устранения временной и постоянной жесткости? Чем дистиллированная
вода отличается от водопроводной?
7. Некоторые металлы и их соединения, если поднести их к
огню, придают пламени определенный оттенок. По
можно определить присутствие в соединении того или иного металла. Для этого крупинку вещества помешают в пламя на конце
проволоки из инертной платины. Соединения кальция окрашивают пламя в темно-оранжевый цвет, соединения стронция – в темно-красный, соединения бария – в зеленый. Как можно объяснить
различия в окраске?
8. Стандартный электродный потенциал Э2+/Э(В) в ряду Be–
Mg–Ca–Sr–Ba изменяется следующим образом: -1,70; -2,36; -2,87;
-2,83; -2,90. Объясните причины немонотонного характера измене-
ния констант.
9. Как изменяется тип кристаллической решетки в ряду щелоч-
ноземельных металлов? Каковы причины изменения структурного типа решетки?
цвету пламени
Лабораторная работа
I. Простые вещества
1. Взаимодействие Mg, Ca с компонентами воздуха
а) Предварительно очищенный небольшой кусочек кальция зажать пинцетом, внести в пламя горелки и некоторое время подержать. Какие вещества образуются при сгорании кальция? После
того как металл сгорит, охладить продукт и растворить его в 2–
3 мл дистиллированной воды. Провести качественные реакции с
целью идентификации продуктов сгорания кальция.
б) С какими составляющими воздуха реагирует Mg? Зажать
пинцетом небольшую ленту магния и сжечь ее на воздухе над фарфоровой чашкой. Когда металл сгорит, охладить продукт и растворить его в 2–3 мл дистиллированной воды. Провести качественные
реакции с целью идентификации продуктов сгорания магния.
Проанализировать результаты опытов и сделать вывод об изменении термодинамической и кинетической активности простых
107
Часть 2. Химия непереходных элементов
веществ в подгруппе (в том числе сопоставив ΔfG° продуктов сгора-
ния кальция и магния).
2. Взаимодействие Mg, Ca с водой
а) В кристаллизатор с водой бросить предварительно очищен-
ный кусочек Ca. Добавить в кристаллизатор несколько капель фенолфталеина.
б) Для проведения реакции Mg с водой поместить небольшой его
кусочек в пробирку с 2 мл дистиллированной воды и нагреть до кипения. Почему
магний реагирует с водой только при нагревании?
Какой из металлов активнее взаимодействует с водой и почему?
Каково положение щелочноземельных металлов в ряду активностей, отличается ли оно от последовательности их расположения в
ПСЭ? Рассчитать ΔG° реакций взаимодействия кальция и магния
с водой и сделать вывод об изменении термодинамической активности металлов в подгруппе.
3. Взаимодействие Mg с кислотами. Испытать отношение
магния к разбавленным и концентрированным растворам серной
и азотной кислот, составить уравнения реакций.
II. Гидроксиды
1. Получение и свойства гидроксида бериллия. К раство-
ру соли бериллия добавить разбавленный раствор аммиака до
полного выпадения осадка. Полученный осадок разделить на три
части, к одной добавить 10 %-ный раствор серной кислоты; к другой – 10 %-ный раствор щелочи (щелочной раствор сохранить для
опыта III.2.a!); третью часть осадка нагреть в пробирке в пламени
спиртовки и вновь исследовать его отношение к растворам кислот
и щелочей.
Каковы кислотно-основные свойства гидроксида бериллия? Почему он проявляет диагональное сходство с гидроксидом алюминия? Что происходит при долгом хранении осадка и при его нагревании? Почему возможно получение гидроксида бериллия
стехиометрического состава Be(OH)2?
2. Получение и свойства гидроксида магния. К раствору
соли магния добавить разбавленный раствор щелочи. Полученный
осадок разделить на три части, к одной части добавить 10 %-ный
раствор серной кислоты; к другой – 10 %-ный раствор щелочи; к
третьей – кристаллический хлорид аммония. Объяснить наблюдения, написать уравнения реакций. Способность гидроксида маг-
108
2.15. Элементы IA-группы
ния растворяться в присутствии хлорида аммония доказать расчетом константы равновесия.
Сравнить термическую устойчивость, кислотно-основные свойства
и растворимость в воде Be(OH)2 и Mg(OH)2, обосновать различия.
III. Соли
1. Растворимость
а) Основной карбонат бериллия. К раствору сульфата бе-
риллия добавить по каплям насыщенный раствор карбоната аммония, наблюдать растворение выпавшего в первый момент осадка, написать уравнения реакций.
б) Как и почему меняется растворимость в ряду сульфатов эле-
ментов IIА-группы?
2. Гидролизуемость
а) Прокипятить растворы солей бериллия [Be(H2O)4]SO4 и
Na2[Be(OH)4]. В каком случае и почему выпал осадок? Растворяет-
ся ли он после охлаждения раствора и почему? Написать уравнения реакций.
б) Как и почему меняется гидролизуемость солей в ряду Ве2+ …–
Ва2+? Подтвердить рассуждения измерением рН растворов соответствующих солей.
3. Термическая устойчивость. Как и почему меняется терми-
ческая устойчивость в ряду карбонатов, сульфатов, нитратов элементов IIА-группы?
4. Окраска пламени солями щелочноземельных металлов.
В бесцветное пламя горелки внести чистую платиновую или нихромовую проволоку, убедиться, что пламя в этом случае не окрашивается. Опустить проволоку в растворы солей щелочноземельных
металлов (можно использовать небольшие кристаллы кристаллических солей) и вновь внести в пламя. В какой цвет окрашивается
пламя? Чем объясняется появление окраски пламени?
2.15. Элементы IA-группы
Общая характеристика подгруппы. Сравнение простых веществ по физическим свойства, кинетической и термодинамической активности в твердофазных реакциях и растворах (в том числе объяснение положения щелочных металлов
в ряду активностей.). Оксиды и гидроксиды, характер и при-
109
Часть 2. Химия непереходных элементов
чины изменения свойств. Пероксиды, надпероксиды, гидриды
щелочных металлов. Соли щелочных металлов и их свойства. Отличия лития и его соединений.
Вопросы и задания
1. Как известно, щелочные металлы являются весьма легкоплавкими (почему?). Как меняются по подгруппе температуры плавления и кипения простых веществ и чем это объясняется? Интересно
отметить, что сплавы щелочных металлов еще более легкоплавки,
чем сами металлы, например, сплав, состоящий из 70 масс. % К и
30 масс. % Na, имеет температуру плавления ∼10 °С.
2. В системе Na – Hg образуется целый ряд соединений (интерметаллидов): Na3Hg, Na3Hg, NaHg, NaHg2, NaHg3, NaHg4, NaHg5,
NaHg10. Что такое интерметаллиды?
3. Постройте графики зависимости ΔfH°
и йодидов щелочных металлов в зависимости от порядкового элемента. Объясните ход кривых.
4. Поскольку потенциалы ионизации щелочных металлов невелики, то при нагревании металла или его соединений в пламени
атом ионизируется, окрашивая пламя в определенный цвет. Объясните характер изменения окраски пламени при переходе от щелочных металлов к щелочноземельным (см. выше).
Li Карминно-красный
Na Жёлтый
K Фиолетовый
Rb Буро-красный
Cs Фиолетово-красный
5. Объясните причины образования различных продуктов при
взаимодействии щелочных металлов с кислородом. Приведите
уравнения реакций получения оксидов натрия и калия.
6. Приведите схемы получения соды методом Сольве и Леблана.
7. Сколько тепла выделится при взаимодействии 100 г смеси,
содержащей 40 % NaH и 60 % KH, с водой?
гидридов, фторидов
298
[5] NaH NaОHKHKОH
∆fН0 (кДж/моль) -56,4 -425,9 -57,8 -425,8
110
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]