Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Общая и неорганическая химия. Лабораторный практикум. Учебное пособие
.pdf
2.5. Азот и его соединения
пользуют разложение нитрита аммония. Рассчитайте ΔН° и ΔS°
этих реакций. Являются ли эти процессы обратимыми?
2. Рассчитайте ΔН° и ΔS° реакций синтеза оксидов азота из про-
стых веществ, постройте графики зависимости ΔG°(Т). Какой из оксидов может быть синтезирован из простых веществ и в каких
ус-
ловиях?
3. Сравните термодинамическую вероятность разложения нит-
рата аммония до оксида азота (I) и аммиака (в расчете на 1 моль
NH4NO3). Как влияет температура на вероятность протекания этих
двух процессов?
4. Значение энергии сродства к протону для молекулы аммиака
составляет 9,3 эВ, а для молекулы воды 7,9 эВ. Как следствие, уксусная и хлорная кислоты в жидком аммиаке ведут себя как одинаково сильные, хотя, как известно, в воде их кислотные свойства
существенно различаются. Объясните наблюдаемые явления.
5. Вычислите ΔG° реакций окисления аммиака кислородом до
молекулярного азота и оксида азота (II) (в расчете на 1 моль аммиака). Какой из этих процессов термодинамически наиболее вероятен? Каким образом достигают преимущественного окисления
NH3 до NO в промышленности?
6. Энергии связей N–N и N=N равны соответственно 155 и
418 кДж/моль, а С–С и С=С – 334 и 606 кДж/моль. Чем объясняет-
ся столь существенное отличие в устойчивости гомоцепей азота и
углерода?
7. Образующиеся в ходе реакций 2NO + Cl2 → NOCl и 6NO +
8BrF3 → NO[BrF4] + Br2 продукты характеризуются следующими
свойствами: NOCl – газ (температура плавления -62 °С), NO[BrF4] –
кристаллическое вещество (температура плавления 255 °С), в расплавленном состоянии проводник. Какие типы связей присутствуют в данных соединениях? Какие степени окисления проявляет
азот в том и другом случае, если известно, что при гидролизе NOCl
образуется хлорноватистая кислота?
8. Экспериментально установлено, что молекула NO2 парамаг-
нитна, валентный угол ∠ОNО = 132°, электрический момент дипо-
ля 0,29 Кл⋅м, длина связи N–О 0,120 нм. Объясните экспериментальные факты, описав строение молекулы в рамках МВС, а также
используя модель Гиллеспи.
71
Часть 2. Химия непереходных элементов
9. Самоионизация жидкого N2O4
протекает по схеме N2O4⇔NO+ + NO3,
что позволяет использовать N
2O4
в
качестве ионизирующего растворителя для получения безводных нитратов. Составьте уравнения реакций
взаимодействия жидкого N2O4 с калием, цинком.
10. Проанализируйте приведенную на рис. 2.14 диаграмму, иллюстрирующую состав продуктов восстановления азотной кислоты железом
в зависимости от концентрации рас-
Рис. 2.14
твора [1].
11. По уменьшению термической
устойчивости безводные нитраты располагаются в следующий ряд
(в скобках указаны температуры разложения в °С): а) нитраты
щелочных металлов (575–675); б) нитраты щелочноземельных металлов (575–560); в) нитраты кобальта, никеля, меди, цинка (270–
350), бериллия (125), хрома (III) (50) и, наконец, водорода (на свету
при комнатной температуре). Объясните наблюдаемую тенденцию. Каков характер разложения нитратов?
Лабораторная работа
1. Получение азота и аммиака
Среди предложенных реактивов (растворы KOH, KClO3; кристаллические NH4Cl, Ca(OH)2, KNO3, CaOCl2, NaNO2) выберите те,
которые могут быть использованы для получения азота и аммиака. Приготовьте реакционные смеси, используя примерно равные
объемы реагентов, и поместите их в пробирки (объем смеси не должен превышать половину объема пробирки).
На рис. 2.15 приведено три типа установок для собирания газов
(методом вытеснения воды или воздуха). Выберите установку для
получения азота и аммиака, аргументируйте свой выбор. Соберите
установки в соответствии с вашим выбором. Осторожно прогрейте
спиртовкой всю пробирку, а затем нагревайте только смесь. Образующиеся газы собираются в пробирки или небольшие колбы.
72
2.5. Азот и его соединения
а) б)
Рис. 2.15. Установки для получения газов
Прежде чем собирать азот, необходимо вытеснить из реакцион-
ной колбы воздух; для этого реакционную смесь нужно прогреть
некоторое время (1–2 мин.) и только затем подвести газоотводную
трубку под горлышко пробирки для наполнения ее азотом.
В случае аммиака собирание газа начинается одновременно
с прогревом реакционного сосуда. Как при этом контролировать
полноту заполнения колбы аммиаком? В конце опыта, не переворачивая колбу, плотно закрыть ее пробкой с капилляром, обращенным внутрь колбы. В таком виде колбу оставить для выполнения опыта 3, а.
К каким типам относятся химические реакции, выполненные
в этих опытах? Как получают азот и аммиак в промышленных условиях?
2. Свойства азота
В одну пробирку с азотом внести горящую лучинку, в другую –
зажженный кусочек магния. Что наблюдается? Дать объяснения.
Как отличить азот от углекислого газа?
3. Свойства аммиака
а) Трубку капилляра опустить в кристаллизатор с водой (см.
рис. 2.11, б), в воду предварительно добавить несколько капель фенолфталеина. При необходимости колбу следует энергично встряхнуть, чтобы вода из капилляра, наполненного воздухом, попала в
колбу. Какова растворимость аммиака в воде? Чем это объясняется? Какие равновесия устанавливаются в водном растворе аммиака? Какими способами можно их сместить?
б) В пробирку налейте 2–3 мл концентрированного раствора ам-
миака, добавьте 1–2 капли фенолфталеина, содержимое пробирки
73
Часть 2. Химия непереходных элементов
разделите на две части, одну оставьте для контроля, а вторую нагрейте и проследите за изменением окраски раствора.
в) Налейте в пробирку около 2 мл концентрированного раство-
ра NН
OH и добавьте 1–2 гранулы NaOH. Что происходит?
4
Объясните результаты опытов б) и в) с точки зрения нарушения
равновесий, имеющих место в водном растворе аммиака.
г) В пробирку внесите 2–3 капли бромной воды и концентрированный раствор аммиака до исчезновения окраски. Какое свойство
проявляет аммиак в этой реакции?
д) К водному раствору соли меди добавьте концентрированный
раствор аммиака до полного растворения выпавшего в первый момент осадка. О каких свойствах аммиака говорит эта реакция?
е) В большую колбу влейте небольшое количество концентри-
рованного раствора аммиака, прикройте колбу крышкой и взболтайте содержимое. В пламени спиртовки прокалите небольшое количество свежеполученного порошка оксида хрома (III) и всыпьте
его в полученную воздушно-аммиачную смесь. Что наблюдается?
Составьте уравнение реакции.
Что выгоднее с термодинамической точки зрения – окисление
аммиака до азота или оксида азота (II)? Подтвердите расчетами.
4. Соли аммония
1) Термическая устойчивость
а) Поместив на дно сухой пробирки немного хлорида аммония,
нагреть его, держа пробирку наклонно. Что образуется на холодных стенках пробирки?
б) Положить на крышку тигля несколько кристаллов сульфата
аммония и прокалить. Обнаружить выделяющийся в результате
разложения аммиак.
в) Положить на крышку тигля несколько кристаллов нитрата аммония и осторожно нагреть (опустить стекло тяги!). Нагревание вести до полного разложения NH4NO3. Как зафиксировать
этот момент?
Составьте уравнения реакций и объясните причину различного
характера разложения солей аммония.
2) Гидролизуемость
С помощью универсального индикатора определите рН среды
в одном из растворов солей аммония, предложенных на занятии.
Обоснуйте результат.
74
2.5. Азот и его соединения
3) Качественная реакция на ион аммония
Обнаружить ионы аммония в растворе можно с помощью ре-
актива Несслера, представляющего собой щелочной раствор тет-
райодомеркурата (II) калия K
[HgI4].
2
К 1–2 мл реактива Несслера добавить 2–3 капли раствора соли
аммония, наблюдать выпадение коричневого осадка. Записать
уравнение реакции.
5. Получение и свойства оксида азота (I)
Собрать прибор по рис. 2.15, а. Поместить в пробирку 1–2 г нит-
рата аммония и осторожно нагреть. Подождав 1–2 минуты, пока из
реакционного сосуда вытеснится воздух, собрать над водой выделяющийся газ в три баночки. а) В одну баночку внести ложечку с
горящим фосфором, б) в другую — тлеющую лучинку, в) в третью –
подожженную магниевую ленту. Прокомментировать результат.
Сравните температуры плавления, растворимость в воде и окис-
лительную активность оксида азота (I) и кислорода, обоснуйте различия на основе строения этих веществ.
6. Получение и свойства оксида азота (II)
Из трех предложенных на рис. 2.16 способов собирания газов
выбрать тот, который наиболее подходит для NO (какое свойство
оксида азота следует при этом учесть?), и в соответствии с этим собрать прибор. Оксид азота (II) активно взаимодействует с кислородом (почему?), поэтому в ходе его получения и проведения опытов с
ним следует по возможности избегать его контакта с воздухом.
В U-образную трубку налить такое количество 10 %-ного рас-
твора щелочи, чтобы уровень жидкости в обоих коленах был выше
сгиба трубки на 0,5–1 см (для чего нужна щелочь?). Положить в
колбу 5 г медных стружек и прилить через воронку 30 мл 33 %-ного
раствора азотной кислоты. Если реакция будет идти слабо, следует
немного подогреть колбу. Чем объяснить появление окраски газов
в реакционной колбе? Окрашен ли газ после выхода из U-образной трубки?
Собрать оксид азота (II) в три небольшие баночки. Испытать,
горят ли а) лучинка, б) магний и в) красный фосфор в нем. Написать уравнения реакций.
г) Пропустить ток оксида азота через слегка подогретый рас-
твор концентрированной азотной кислоты. Что наблюдается? Написать уравнение реакции.
75
Часть 2. Химия непереходных элементов
Рис. 2.16. Прибор для получения оксида азота (II)
Какие свойства выражены у оксида азота (II) лучше – окислительные или восстановительные? Почему?
д) Налить в пробирку 3–5 мл свежеприготовленного насыщен-
ного раствора сульфата железа (II). Пропустить через раствор ток
оксида азота. Как изменяется окраска раствора? Написать уравнение реакции. Раствор подогреть. Что наблюдается? Какое свойство
проявляет оксид азота (II) в этой реакции?
Как и для чего получают оксид азота (II) в промышленности?
7. Получение и свойства оксида азота (IV)
Способ 1. Положить в колбу Вюрца 1–2 г медных стружек и закрыть ее пробкой, снабженной воронкой с длинной трубкой. Налить 5–10 мл концентрированной азотной кислоты. Какой газ выделяется? Написать уравнение реакции.
Способ 2. Собрать прибор (рис. 2.17). В пробирку положить
смесь, состоящую из 2–3 г сухого нитрата свинца и небольшого
количества чистого песка. Первую U-образную трубку наполнить
фосфорным ангидридом, нанесенным на стеклянную вату. Вторую
76
2.5. Азот и его соединения
U-образную трубку погрузить в охладительную смесь (лед и поваренная соль). Нагреть пробирку с нитратом свинца. Какой газ собирается в пробирке-приемнике над водой? Каков состав жидкости,
собирающейся во второй U-образной трубке? Как можно объяснить
легкость димеризации оксида азота (IV)?
Рис. 2.17. Прибор для получения двуокиси азота
а) Налить в пробирку 2 мл воды и охладить ее до нуля. Быст-
ро вылить полученную в U-образной трубке жидкость в пробирку с
охлажденной водой. Что наблюдается?
Каково отношение NO2 к растворам щелочей? Какое свойство
проявляет оксид азота в этой реакции?
б) Наполнить оксидом азота (IV) три небольшие баночки (как
это сделать?) и испытать, горят ли в нем тлеющая лучинка, магний и зажженный красный фосфор? Написать уравнения реакций. Какое свойство проявляет в них оксид азота?
в) Пропустить ток оксида азота (IV) в пробирку с подкисленным
раствором перманганата калия. Что наблюдается? Какое свойство
проявляет NO2 в этой реакции?
8. Азотистый ангидрид (оксид азота (III))
Собрать прибор (рис. 2.17), заменив пробирку 1 маленькой кол-
бой Вюрца, снабженной капельной воронкой. Положить на дно
колбы 1–2 г крахмала, налить в капельную воронку 5–6 мл 50 %ного раствора азотной кислоты. Приливая по каплям азотную кислоту к крахмалу, наблюдать сжижение азотистого ангидрида во
второй U-образной трубке. Если реакция не происходит, осторожно
нагреть колбу с реакционной смесью.
Вылить жидкость из приемника в стакан с холодной водой
(0 °C). Написать уравнение реакции.
77
Часть 2. Химия непереходных элементов
9. Получение и свойства азотистой кислоты и нитритов
Сравните устойчивость анионов NO
-
и NO
2
-
по отношению к на-
3
греванию, воздействию протонов. Одинакова ли она в том и другом
случае? Почему? Как это сказывается на термической устойчивости нитритов и нитратов, на их окислительно-восстановительных
свойствах в расплавах и водных растворах? Сравните устойчивость
и окислительную активность азотной и азотистой кислот, а также
их кислотные свойства.
а) Охладите в стакане со льдом две пробирки, содержащие 1–
2 мл раствора NaNO2 и равный объем разбавленной серной кис-
лоты. Затем слейте их в одну глубокую пробирку. Какие вещества
придают окраску раствору и газу над ним. Составьте уравнения
протекающих реакций. (Опыт выполнять под тягой!)
б) Из предложенных вам на занятии реактивов подберите те,
с помощью которых можно выявить окислительные и восстановительные свойства нитрит-иона в водном растворе. Обоснуйте условия проведения реакций (t, среда). Какие видимые признаки будут их сопровождать?
10. Свойства азотной кислоты и нитратов
Испытайте отношение разбавленной и концентрированной азотной кислоты к магнию, меди, красному фосфору, сульфиду свинца,
йодиду калия. Как зависит состав продуктов восстановления нитрат-иона от силы восстановителя и концентрации кислоты? Как в
ходе выполнения опытов можно обнаружить предполагаемые продукты реакций? Что является более активным окислителем – азотная или азотистая кислота?
11. Свойства нитратов
1) Термическая устойчивость
Какие продукты образуются при прокаливании нитратов калия, меди, свинца и серебра? Чем объясняется различный характер их термического разложения?
2) Окислительные свойства
а) В маленький тигель поместите 2–3 гранулы кристалличес-
кого гидроксида натрия, 1–2 ложечки нитрата калия и несколько
крупинок оксида хрома (III). Нагревайте содержимое тигля и наблюдайте изменение окраски расплава на желтую, связанное с появлением в нем хромат-ионов CrO
2-
.
4
78
2.6. Фосфор и его соединения
б) Закрепите вертикально в лапке штатива большую пробир-
ку и насыпьте в нее несколько ложечек нитрата калия. Осторожно
нагрейте дно пробирки и, когда соль расплавится, поочередно внесите в пробирку маленький кусочек серы и угля. (Опыт проводит-
ся под тягой. Осторожно! Реакции протекают очень бурно!)
Почему нитраты в отличие от
нитритов являются активными
окислителями в расплавах, а в растворах проявляют эти свойства
слабо?
2.6. Фосфор и его соединения
Фосфор. Электронное строение атома, валентные возможности, степени окисления, сравнение их устойчивости. Аллотропия, свойства фосфора. Получение и свойства фосфина. Сравнение фосфина и аммиака, солей фосфония и
аммония. Фосфиды металлов. Оксид фосфора (III). Фосфорноватистая и фосфористая кислоты, гипофосфиты и фосфиты. Оксид фосфора (V), фосфорные (мета- и поли-) кислоты, фосфаты. Строение, устойчивость и отношение к воде
галогенидов фосфора.
Вопросы и задания
1. Известно, что белый фосфор получают при взаимодействии
ортофосфата кальция с углеродом в присутствии оксида кремния.
Определите термодинамическую возможность протекания реакции между Са3(РО4)2 и С в присутствии и в отсутствие SiO2 при 25
и 1500 °С, если в расчете на 1 моль Р4 с учетом образования СО реакции характеризуются следующими данными: а) без участия оксида кремния ΔН°
оксида кремния ΔН°
= 3388 кДж и ΔS° = 1955 Дж/К; б) с участием
298
= 2815 кДж и ΔS° = 1952 Дж/К.
298
2. Энергия сродства к протону фосфина и аммиака составляет 8
и 9 эВ. Чем объясняются отличия? На каких свойствах РН3 и NH3
это сказывается?
3. Опишите строение молекул и ионов РHal3, P4O6, PO3H2-, используя МВС и (или) модель Гиллеспи. Чем объясняется образование молекул ВРHal6?
79
Часть 2. Химия непереходных элементов
4. Как и почему изменяется восстановительная активность в
ряду НРО
2-
3
– SO
2-
– ClO
3
-
? Какими термодинамическими данны-
3
ми это можно подтвердить?
5. Выпишите константы ступенчатой диссоциации орто- и пиро-
фосфорной кислоты. Обоснуйте тенденции в их изменении и сравните между собой.
6. На рис. 2.18 приведены
кривые растворимости орто-
дигидрофосфат
дигидрофосфат
фосфата, гидро- и дигидрофосфата натрия [1]. Проанализируйте их ход.
гидрофосфат
гидрофосфат
фосфат
фосфат
7. Почему при получении
фосфора из фосфорита полу
чается белый фосфор, а не
красный?
8. Образуется ли осадок
фосфата серебра, если смешать 200 мл 0,5М раство-
Рис. 2.18
Рис. 2.18
ра фосфата калия и 300 мл
0,1 М раствора нитрата сереб-
ра? ПP(Ag3PO4) = 10
К
дисс3(H3PO4
) = 1,3⋅10
-20
, К
дисс1(H3PO4
-12
. Можно ли осадок фосфата серебра раство-
)=7,5⋅10-3, К
дисс2(H3PO4
) = 6,3⋅10-8,
рить в азотной кислоте? Докажите количественными расчетами.
9. Сравните агрегатное состояние и растворимость в воде гидра-
зина и дифосфина. Почему эти два вещества, имея схожее строение,
образуют разные продукты при взаимодействии с кислородом?
10. Для химического никелирования используют гипофосфит натрия. Рассчитайте, какой концентрации должен быть гипофосфит
натрия, чтобы реакция между ним и раствором, содержащим 30 г
хлорида никеля в 1 л воды (ρ = 1,15 г/мл), оказалась возможной.
Концентрации всех продуктов считать равными 1 моль/л.
-
Лабораторная работа
1. Аллотропия фосфора. Превращение красного фосфо-
ра в белый
В сухую пробирку положить небольшое количество красного
фосфора, закрыть пробирку ватным тампоном, укрепить ее гори-
80
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]