Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Общая и неорганическая химия. Лабораторный практикум. Учебное пособие
.pdf
2.2. Кислород. Озон. Пероксид водорода
2. Свойства кислорода
Перед опытами а) и б) необходимо наполнить кислородом из
газометра предложенные на занятии баночки. Для этого смазать горлышко склянки вазелином, наполнить водопроводной
водой, накрыть часовым или предметным стеклом и, осторожно перевернув кверху дном, чтобы не попал воздух, поместить в
кристаллизатор под воду. После этого аккуратно убрать
стекло, подвести под горлышко склянки газоотводную трубку от газометра и пустить слабый ток кислорода. После наполнения
склянки газом вновь закрыть ее часовым стеклом и вынуть из
кристаллизатора.
а) Заполните ложечку для сжигания примерно на 3/4 кусочками серы, подожгите серу в пламени спиртовки (опыт выполняется под тягой). (Для чего требуется нагревание: для обеспечения
термодинамических или кинетических условий протекания реакции? Ответ подтвердите расчетом ΔG
°
, в том числе определи-
реакции
те, что более выгодно с термодинамической точки зрения: образование SO2 или SO3?) Вынесите ложечку из пламени спиртовки.
Почему при этом продолжается горение? Обратите внимание на
цвет и размер пламени. Внесите горящую серу в склянку с кислородом. Чем объясняются изменения в характере горения серы?
б) Положите в ложечку для сжигания небольшой кусочек древесного угля. Учитывая строение серы и угля, оцените реакционную способность этих веществ и на этом основании предположите
условия активации реакции угля с кислородом воздуха (дольше ли
его придется разогревать или, наоборот, будет достаточно лишь незначительного прогревания?). Выполнив необходимые приготовления, внесите ложечку в склянку с кислородом. Что наблюдается?
в) Налейте в пробирку 2–3 мл дистиллированной воды и растворите в ней одну стеклянную ложечку йодида калия. Заметны
ли признаки его взаимодействия с растворенным в воде кислородом? Как правило, в этом случае оказывается необходимым активировать кислород, повысить его окислительные свойства. Для
этого требуется подкислить раствор.
3. Получение и свойства озона
Дайте термодинамическое обоснование реакции превращения
кислорода в озон. Сравните температуры плавления, раствори-
51
Часть 2. Химия непереходных элементов
мость кислорода и озона в
воде, их реакционную способность, объясните различия.
Подсоедините газометр
к озонатору. Включите индукционную катушку и,
открыв краны газометра,
пустите через озонатор небольшой ток кислорода.
а) Пропустите ток вы-
ходящего из озонатора
Рис. 2.7. Схема прибора для получения озона
в тихом электрическом разряде
газа в свежеприготовленный водный раствор йодида калия (при необходи-
мости раствор можно подкислить). Сравните с результатом опыта
2,в, объясните различия в химической активности кислорода и озо-
на, исходя из строения их молекул.
Каким должно быть парциальное давление озона, чтобы реакция между 0,5 М раствором KI была термодинамически возможна
при рН = 7, если суммарное давление кислород-озоновой смеси равно 1 атм? (При расчетах считать, что реакция между кислородом и
раствором йодида калия в данных условиях кинетически затруднена (а возможна ли она с термодинамической точки зрения?).)
б) Налейте в стакан раствор индиго и, опустив в него конец га-
зоотводной трубки озонатора, пропустите через работающий озона-
тор слабый ток кислорода. Что происходит?
4. Свойства пероксида водорода
Рассмотрите строение молекулы пероксида водорода и, исходя
из этого, обоснуйте различия в температурах плавления, растворимости в воде пероксида водорода и озона. Объясните низкую устойчивость пероксида водорода. Как и почему выражены окислительно-восстановительные и кислотно-основные свойства Н2О2?
Вам предлагаются следующие реактивы: кристаллические
PbO2, РbS; растворы фенолфталеина, лакмуса, KMnO4+H2SO4,
Вa(OH)2 (насыщенный раствор). Предложите варианты опытов
для выявления свойств пероксида водорода. Составьте уравнения
реакций, ОВР уравняйте методом полуреакций.
52
2.3. Подгруппа галогенов
5. Окислительные свойства персульфатов
Рассмотрите строение персульфат-иона и найдите сходство с пе-
роксидом водорода.
В пробирку с 1–2 мл раствора соли хрома (III) добавьте 1–2 мл
раствора серной кислоты и 1–2 капли нитрата серебра в качестве
катализатора. Содержимое пробирки нагрейте и внесите в горячий раствор 1 ложечку кристаллического персульфата аммония.
Что наблюдается? Составьте уравнение реакции
, уравняйте мето-
дом полуреакций.
2.3. Подгруппа галогенов
Общая характеристика подгруппы. Особенности строения
атомов, характер изменения радиусов, потенциалов ионизации, энергии сродства атомов к электрону; устойчивость
степеней окисления. Строение молекулы фтора. Строение
атома и молекулы хлора. Лабораторные и промышленные
способы получения хлора. Физические и химические свойства
хлора. Хлорная вода. Получение и химические свойства фтора. Нахождение в природе и получение галогенов. Агрегатное
состояние простых веществ, растворимость в воде и органических растворителях. Сравнение химических свойств галогенов. Применение галогенов. Галогеноводороды, получение,
температуры плавления и кипения; свойства водных растворов галогеноводородов. Получение и свойства фтороводорода. Плавиковая кислота. Хлороводород, получение и свойства. Соляная кислота. Галогениды металлов и неметаллов.
Кислородсодержащие кислоты хлора, сравнение свойств кислот и их солей. Бертолетова соль. Хлорная известь. Оксиды
хлора. Кислородные соединения галогенов (оксиды, кислоты,
соли). Межгалогенные соединения.
Вопросы и задания
1. Пользуясь значениями стандартных электродных потенциа-
лов ϕ°(Hal2/Hal-) и систем S + 2H+ + 2e → H2S и SO
2-
SO
+ H2O, определите, какие реакции термодинамически более
3
выгодны при сливании растворов: а) сероводорода и хлорной воды;
б) йода и сульфита натрия.
2-
+ 2H+ + 2e →
4
53
Часть 2. Химия непереходных элементов
2. Вычислите ΔG°
реакций образования AgHal и СаHal2 из ио-
298
нов в растворе. Как и почему изменяется растворимость галогенидов серебра и кальция по подгруппе галогенов? Сопоставьте полученные значения ΔG°
с величинами ПР.
298
3. Константы гидролиза галогенов имеют следующие значения:
Cl2 – 3⋅10-4, Br2 – 4⋅10-9, Cl2 – 5⋅10
-13
. Составьте выражения для кон-
стант гидролиза. Почему отношение фтора к воде отличается от
поведения прочих галогенов? (В ответе используйте стандартные
электродные потенциалы ϕ° систем F2/F-и О2, Н+/Н2О.)
4. Константа равновесия Hal2 + Hal- ⇔ Hal
-
в ряду Cl – Br – I
3
заметно возрастает и составляет соответственно 0,2; 16 и 700. Как
при этом изменяется устойчивость ионов Hal
-
?
3
5. Используя модель Гиллеспи и (или) МВС, определите гео-
метрическую форму молекул и ионов, валентные углы: Cl2O, BrF3,
ClF2, IF6. Приведите примеры изоэлектронных частиц.
6. Для качественного обнаружения пербромат-ионов можно ис-
пользовать реакцию с сульфатом марганца (II) в кислой среде. Составьте уравнение реакции. Возможно ли ее протекание в стандартных условиях? При каких значениях рН данная реакция
термодинамически разрешена, если все прочие реагенты и продукты находятся в стандартном состоянии?
7. Сравните термодинамическую устойчивость гидридов щелочных металлов и гидридов галогенов (правомерно ли такое название?). Почему агрегатное состояние, температуры плавления и кипения МеН и НGal резко различны?
LiH NaH KH
∆fG0 (кДж/моль) -484,9 -38 -34
HCl HBr HI
∆fG0 (кДж/моль) -95,2 -53,5 1,78
8. Поясните характер изменения стандартных энтропий в ряду
простых веществ галогенов:
0
S
(Дж/(моль⋅K))
298
F
2
202,7 222,9 152,2 116,15
Cl
2
Br
2
54
I
2
2.3. Подгруппа галогенов
9. Особую роль в пищеварении играет соляная кислота, которая
входит в состав желудочного сока. Без 0,2 %-ной НСl (ρ = 1 г/мл)
практически прекращается процесс переваривания пищи. Рассчитайте, какой объем хлора надо пропустить через воду, чтобы рН
оказался равным рН желудка человека.
10. В 1811 г. французский химик-технолог и аптекарь Бернар
Куртуа открыл
кот, который за обедом обычно сидел на плече у хозяина. Проводя опыты, химик часто обедал в своей лаборатории. Однажды во
время одного из таких обедов кот, чего-то испугавшись, спрыгнул
на пол и неудачно приземлился на бутыли с реактивами, стоявшие возле лабораторного стола. В одной из полулитровых бутылей
Куртуа приготовил для опыта суспензию золы водорослей (содержащей йодид натрия) в этаноле, а в другом находилась концентрированная серная кислота. Бутыли разбились, и жидкости смешались. С пола стали подниматься клубы сине-фиолетового пара,
которые тут же оседали на всех предметах в лаборатории в виде
мельчайших черно-фиолетовых кристаллов с металлическим блеском и едким запахом. Если бы Куртуа собрал весь этот йод, то он
смог бы приготовить 150 мл (ρ = 1,33 г/мл) 2 %-ной спиртовой настойки йода. Какой процентной концентрации был йодид натрия,
содержавшийся в суспензии?
йод. Легенда гласит, что у Куртуа был любимый
Лабораторная работа
1. Получение и свойства хлора
Все работы с хлором должны проводиться в вытяжном шкафу. В случае отравления хлором необходимо обратиться к преподавателю. Пострадавшего надо немедленно вывести на свежий
воздух и принять следующие меры: дать понюхать разбавленный
раствор аммиака, этиловый спирт и положить холодные компрессы на грудь и горло. В случае серьезного отравления – вызвать
«скорую помощь».
1) Получение хлора из соляной кислоты действием раз-
личных окислителей
а) В три пробирки насыпать по одной стеклянной ложечке сле-
дующих веществ: бихромата калия, оксида марганца (IV), оксида
55
Часть 2. Химия непереходных элементов
свинца (IV). В каждую пробирку прилить примерно по 2 мл кон-
центрированного раствора соляной кислоты. Содержимое первых
двух пробирок слегка подогреть (зачем? что это говорит о свойствах
веществ, участвующих в реакциях?). По каким признакам можно
контролировать протекание этих реакций? Какое свойство прояв-
ляет в них хлороводород, хлорид-ион? Написать уравнения реак-
ций и
уравнять методом полуреакций.
Возможно ли образование хлора в реакциях между соляной
кислотой и оксидами марганца и свинца в стандартных условиях?
Если нет, то начиная с каких концентраций HCl это термодинамически возможно (в расчетах состояния прочих реагентов и продуктов считать стандартными)?
б) Собрать прибор по рис. 2.8. В колбу насыпать KMnО4, в капельную воронку налить концентрированную соляную кислоту.
В первую склянку Дрекселя налить слегка подкисленной воды
(для очистки хлора от примеси хлороводорода. Почему воду желательно подкислять?). Во вторую склянку – концентрированный раствор H2SO4 (для чего?). Слегка приоткрывая кран воронки, приливать по каплям концентрированную соляную кислоту в
колбу Вюрца и наблюдать образование хлора. Наполнить хлором
две склянки, опуская газоотводную трубку до их дна. Горлышко
склянки должно быть обращено вверх (так как хлор тяжелее воздуха) и закрыто ватой. После наполнения хлором прикрыть банки
стеклянными пластинками и сохранить для опыта 2.
2) Свойства хлора
а) Немного свежерастертого порошка сурьмы постепенно ссыпать
с листа бумаги в одну из банок с хлором. Что при этом наблюдается?
б) Положить в ложечку для сжигания немного красного фосфо-
ра и внести в банку с хлором. Что происходит?
в) Взять две одинаковые сухие пробирки. Одну из них напол-
нить хлором из установки (рис. 2.8), другую – водородом из аппарата Киппа. Соединить отверстия пробирок, держа пробирку с водородом отверстием вниз (почему?). Смешать газы, несколько раз
перевернув соединенные пробирки, и поднести их отверстия к пламени спиртовки. Что происходит? Чем обусловлена высокая скорость реакции? Рассмотрите механизм реакции. Какая стадия является инициирующей и почему?
56
2.3. Подгруппа галогенов
Рис. 2.8. Схема установки для получения хлора
г) Закрепить на ложечке для сжигания огарок свечи, зажечь
свечу и осторожно внести ее в банку с хлором. Что наблюдается?
Какие продукты образовались в результате реакции? Сравните состав продуктов горения парафина в хлоре и в кислороде, объясните разницу.
Какое свойство проявляет хлор в реакциях, выполненных в
опытах 2, а–г?
На основании выполненных опытов сделайте общий вывод о хи-
мических свойствах хлора и сравните термодинамическую и кинетическую активность хлора и кислорода.
3) Свойства хлорной воды
Охарактеризуйте растворимость хлора в воде. Какое химичес-
кое свойство проявляет хлор в реакции с водой? Составьте уравнение реакции, выпишите константу равновесия. Коротко охарактеризуйте химические свойства хлорной воды. Какие вещества
придают хлорной воде те или иные свойства?
а) Налить в две пробирки 2–3 мл хлорной воды и в одну из
них прибавить по каплям раствор гидроксида натрия, а в другую –
раствор нитрата серебра. Что наблюдается? Как объяснить исчезновение окраски и запаха хлорной воды в первом случае? Какое
влияние оказывает щелочь на сдвиг равновесия в реакции между
хлором и водой с точки зрения принципа Ле Шателье? Как зави-
57
Часть 2. Химия непереходных элементов
сит от условий проведения реакции состав продуктов взаимодействия хлорной воды со щелочью? Какие свойства проявляет хлорная вода в этих опытах?
б) Испытать действие хлорной воды на раствор индиго и окра-
шенную ткань. Что наблюдается? Какое вещество производит белящее действие? Какие свойства проявляет хлорная вода?
в) Добавить хлорную воду
к водному раствору сероводородной
воды. Какое свойство проявляет хлорная вода? Как можно обнаружить продукты реакции?
2. Получение и свойства брома
Все работы с бромом должны проводиться в вытяжном шкафу! При попадании жидкого брома на кожу его следует удалить
сухим ватным тампоном и пораженный участок кожи тщательно промыть 10 %-ным раствором соды. В случае отравления
парами брома необходимо выйти на свежий воздух, понюхать
этиловый спирт и разбавленный раствор аммиака.
1) Получение
Собрать прибор (рис. 2.9). В пробирку насыпать около 1,5 г двуокиси марганца, добавить 2 г кристаллического бромида натрия
и прилить 5 мл концентрированного раствора серной кислоты.
Закрыть пробирку пробкой с газоотводной трубкой, конец кото-
рой опустить в сухую пробирку-приемник, охлаждаемую
льдом. Отверстие пробирки
закрыть ватой и, слегка нагревая реакционную смесь,
собрать выделяющийся бром.
Написать уравнение реакции. Полученный бром использовать для последующих
опытов.
2) Свойства
а) Три пробирки закре-
пить в лапках штатива и налить в них по 1–1,5 мл жид-
Рис. 2.9. Прибор для получения бромаРис. 2.9. Прибор для получения брома
кого брома.
58
2.3. Подгруппа галогенов
В одну из пробирок осторожно всыпать порошок металлическо-
го алюминия. Если через минуту реакция не начнется, подвести
под дно пробирки стакан с теплой водой (30–40 °C). Что происходит? Написать уравнение.
Во вторую пробирку с бромом аккуратно всыпать порошок сурь-
мы, в третью внести небольшое количество красного фосфора. Что
происходит? Написать уравнения реакций
.
Какие свойства проявляет бром в этих реакциях? Сравните тер-
модинамическую и кинетическую активность брома и хлора.
б) Налить в пробирку 2–3 мл воды, добавить в нее 1–2 капли
брома и перемешать стеклянной палочкой содержимое пробирки.
Что наблюдается? Какова растворимость брома в воде? Прибавить
к раствору несколько капель раствора бромида калия. Объяснить
происходящее явление. Что называется бромной водой? Наличием каких частиц обусловлены ее кислотно-основные и окислительно-восстановительные свойства? Предложите реакции на свойства
бромной воды.
3. Получение и свойства йода
1) Получение
Отвесить по 0,5 г йодида калия и двуокиси марганца, пересы-
пать в тигель или термостойкий стакан и перемешать стеклянной
палочкой. Поставить тигель со смесью
на электроплитку, налить 3–4 капли
концентрированного раствора серной
кислоты и закрыть тигель маленькой
колбой, наполненной холодной водой
со льдом (рис. 2.10). Нагревать в течение 10–15 минут. Что наблюдается?
Написать уравнение реакции.
2) Свойства
а) В маленькую фарфоровую чаш-
ку поместить 3 г порошка сухого йода и
0,5 г порошка алюминия, осторожно пе-
ремешать (опыт проводить в вытяж-
ном шкафу!). В приготовленную смесь
внести каплю воды при помощи длинной трубки или палочки и немного по-
Рис. 2.10. Прибор для получе-
Рис. 2.10. Прибор для получе-
ния и возгонки йода
ния и возгонки йода
59
Часть 2. Химия непереходных элементов
дождать. Что наблюдается? Какую роль играет вода в данном опыте? Написать уравнение реакции.
б) Налить в две пробирки воду и опустить в них по одному крис-
таллу йода. Содержимое пробирок сильно взболтать. Какова растворимость йода в воде? Какие молекулы и ионы содержатся в
йодной воде? Написать уравнение реакции взаимодействия
йода с
водой. Оставить одну пробирку для сравнения, во вторую пробирку прилить каплю раствора йодида калия и сильно взболтать. Что
происходит? Образованием какого вещества объясняется увеличение растворимости йода? Написать уравнение реакции. Предложить реакции на свойства йодной воды.
4. Сравнение окислительно-восстановительной актив-
ности галогенов
Налить в пробирку по 2–3 капли растворов бромной и йодной
воды, разбавить 2–3 мл воды, ввести 1 мл органического растворителя (четыреххлористого углерода, хлороформа, бензола и т. д.) и
сильно взболтать. Приливая по каплям хлорную воду и энергично
взбалтывая, следить за изменением окраски слоя органического
растворителя. Продолжать добавление хлорной воды к исходному
раствору до полного обесцвечивания слоя органического растворителя. Объяснить последовательность окислительно-восстановительных реакций, протекающих в этом опыте.
Как и почему в ряду простых веществ меняются температуры
плавления, растворимость в воде, кинетическая и термодинамическая активность, окислительно-восстановительные свойства?
5. Соединения галогенов с водородом. Галогениды
Сравните физические и химические свойства галогеноводородов: температуры плавления, растворимость в воде, кислотно-основные и окислительно-восстановительные свойства.
1) Получение галогеноводородов
Взять три пробирки. В одну из них положить немного хлорида натрия, в другую – бромида натрия и в третью – йодида калия.
В каждую из пробирок прилить несколько капель концентрированного раствора серной кислоты. Что наблюдается? Чем загрязнен бромистый водород и йодистый
водород, полученные этим способом? Написать уравнения реакций. Какой из галогеноводородов
является наиболее сильным восстановителем и почему?
60
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]