Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Практикум по неорганической химии. В 3 частях. Ч.3. Химия переходных элементов. Учебно-методическое пособие.pdf
МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РФ
НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
Факультет естественных наук
Кафедра общей химии
ПРАКТИКУМ
ПО НЕОРГАНИЧЕСКОЙ ХИМИИ
ЧАСТЬ III
ХИМИЯ ПЕРЕХОДНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
Учебно-методическое пособие для студентов 1-го курса
химического отделения ФЕН
Новосибирск
2024
УДК 546(075.8)
ISBN 978-5-4437-1595-7 (Ч. 3)
© Новосибирский государственный
ББК 24.1я73-1
П691
Составители
канд. хим. наук, доц. М. А. Ильин
канд. хим. наук, доц. М. Ф. Могилевкина
канд. хим. наук, доц. В. А. Максаков
канд. хим. наук, доц. Н. А. Пушкаревский
д-р хим. наук, проф. Л. Ф. Крылова
П691 Практикум по неорганической химии : учеб.-метод. пособие : в 3 ч.
/ М. А. Ильин, М. Ф. Могилевкина, В. А. Максаков, Н. А. Пушкаревский,
Л. Ф. Крылова; Новосиб. гос. ун-т. — Новосибирск : ИПЦ НГУ, 2024. —
Ч. 3. Химия переходных элементов. — 90 с.
ISBN 978-5-4437-1595-7 (Ч. 3)
ISBN 978-5-4437-0554-5
Учебно-методическое пособие предназначено для студентов первого
курса ФЕН НГУ специальности «Химия». Оно соответствует учебной
программе курса «Неорганическая химия» и является продолжением
практикумов по неорганической химии «Часть I. Введение в неорганическую химию» и «Часть II. Химия непереходных элементов».
В пособии содержатся описания опытов, посвященных изучению химических свойств переходных элементов и их соединений, приведены
методики синтеза и идентификации ряда неорганических соединений
d-элементов.
ISBN 978-5-4437-0554-5
УДК 546(075.8)
ББК 24.1я73-1
университет, 2024
Оглавление
Предисловие ............................................................................................................ 6
Глава 7. Элементы 5 и 6 групп ............................................................................ 8
7.1. Ванадий .............................................................................................................. 8
7.1.1. Металлический ванадий ......................................................................... 8
7.1.2. Соединения ванадия в низких степенях окисления ............................. 8
7.1.3. Соединения ванадия(IV) и ванадия(V) .................................................. 9
7.2. Хром ................................................................................................................... 10
7.2.1. Металлический хром ............................................................................... 10
7.2.2. Соединения хрома(II) .............................................................................. 10
7.2.3. Соединения хрома(III) ............................................................................ 11
7.2.4. Соединения хрома(VI) ............................................................................ 12
7.3. Молибден и вольфрам ...................................................................................... 13
7.3.1. Оксиды молибдена(VI) и вольфрама(VI) .............................................. 13
7.3.2. Гетерополисоединения молибдена(VI) ................................................. 14
7.3.3. «Молибденова синь» ............................................................................... 14
Глава 8. Синтезы соединений элементов 5 и 6 групп ..................................... 15
8.1. Синтезы соединений ванадия .......................................................................... 15
8.1.1. Гексагидрат хлорида ванадия(III) .......................................................... 15
8.1.2. Тригидрат сульфата ванадила ................................................................ 18
8.1.3. Бис(ацетилацетонато)оксованадий ........................................................ 20
8.2. Синтезы соединений хрома .............................................................................. 22
8.2.1. Ацетат хрома(II) ...................................................................................... 22
8.2.2. Хлорид хрома(III) .................................................................................... 24
8.2.3. Хромокалиевые квасцы .......................................................................... 27
8.2.4. Тригидрат трис(оксалато)хромата(III) калия ........................................ 30
8.2.5. Моногидрат хлорида µ-гидроксо-бис(пентаамминхрома(III)) ........... 31
8.2.6. Хлоротриоксохромат(VI) калия ............................................................. 34
8.2.7. Хлорид хромила ...................................................................................... 36
8.3. Синтезы соединений молибдена ...................................................................... 38
8.3.1. Тетратиомолибдат(VI) аммония ............................................................ 38
8.3.2. Бис(ацетилацетонато)диоксомолибден ................................................. 41
Глава 9. Элементы 7–10 групп ............................................................................. 43
9.1. Марганец ............................................................................................................ 43
9.1.1. Соединения марганца(II) ........................................................................ 43
3
9.1.2. Соединения марганца(IV) ....................................................................... 44
9.1.3. Соединения марганца(VI) ....................................................................... 44
9.1.4. Соединения марганца(VII) ..................................................................... 45
9.2. Железо ................................................................................................................ 46
9.2.1. Металлическое железо ............................................................................ 46
9.2.2. Соединения железа(II) ............................................................................ 46
9.2.3. Соединения железа(III) ........................................................................... 47
9.2.4. Соединения железа(VI) ........................................................................... 48
9.3. Кобальт и никель ............................................................................................... 49
9.3.1. Соединения кобальта(II) и никеля(II) .................................................... 49
9.3.2. Соединения кобальта(III) и никеля(III) ................................................. 50
Глава 10. Элементы 11 и 12 групп ...................................................................... 52
10.1. Медь .................................................................................................................. 52
10.1.1. Металлическая медь .............................................................................. 52
10.1.2. Соединения меди(I) ............................................................................... 53
10.1.3. Соединения меди(II) ............................................................................. 55
10.2. Серебро............................................................................................................. 56
10.2.1. Металлическое серебро ........................................................................ 56
10.2.2. Соединения серебра(I) .......................................................................... 57
10.2.3. Оксид серебра(I,III) ............................................................................... 58
10.3. Цинк и кадмий ................................................................................................. 58
10.3.1. Соединения цинка и кадмия ................................................................. 58
10.4. Ртуть ................................................................................................................. 59
10.4.1. Соединения ртути(I) и ртути(II) ........................................................... 60
10.4.2. Реактив Несслера ................................................................................... 61
Глава 11. Синтезы соединений элементов 7–11 групп .................................... 62
11.1. Синтезы соединений марганца ...................................................................... 62
11.1.1. Тригидрат трис(оксалато)манганата(III) калия .................................. 62
11.1.2. Манганат(VI) калия ............................................................................... 64
11.2. Синтезы соединений железа и кобальта ....................................................... 66
11.2.1. Тетрагидрат хлорида железа(II) ........................................................... 66
11.2.2. Тригидрат трис(оксалато)феррата(III) калия ...................................... 68
11.2.3. Тригидрат трис(оксалато)кобальтата(III) калия ................................. 70
11.2.4. Хлорид хлоропентаамминкобальта(III) .............................................. 71
11.2.5. Хлорид иодопентаамминкобальта(III) ................................................ 73
11.2.6. Тригидрат сульфата карбонатотетраамминкобальта(III) .................. 75
4
11.3. Синтезы соединений меди .............................................................................. 77
11.3.1. Оксид меди(I) ......................................................................................... 77
11.3.2. Иодид меди(I) ........................................................................................ 79
11.3.3. Полугидрат хлорида бис(этилендиамин)меди(II) .............................. 80
11.3.4. Бис(ацетилацетонато)медь ................................................................... 82
Глава 12. Курсовая работа по неорганической химии ................................... 84
12.1. Общие сведения о курсовой работе .............................................................. 84
12.2. Объем и структура курсовой работы ............................................................ 84
12.3. Оформление курсовой работы ....................................................................... 87
Список литературы ............................................................................................... 88
5
Предисловие
Настоящее учебно-методическое пособие подготовлено преподавателями
кафедры общей химии Новосибирского национального исследовательского
государственного университета и является продолжением изданных ранее практикумов по неорганической химии «Часть I. Введение в неорганическую химию» (Новосибирск: НГУ, 2016), «Часть II. Химия непереходных элементов»
(Новосибирск: НГУ, 2019).
Пособие предназначено для студентов первого курса химического отделения факультета естественных наук НГУ и необходимо для выполнения лабораторных работ по неорганической химии во втором семестре. Данная часть
практикума является продолжением изучения свойств соединений элементов
и охватывает химию переходных элементов (d-элементов).
Все лабораторные работы, методики проведения которых изложены
в пособии, можно разделить на два типа: первый — опыты, посвященные подробному исследованию свойств простых веществ (металлов) и соединений переходных элементов (так называемые пробирочные реакции); второй — синтез
неорганического соединения, последующее изучение его наиболее важных
свойств и доказательство его чистоты, в том числе с применением современных
физико-химических методов. Оба этих типа работ должны содержаться
в студенческом практикуме, поскольку только их совместное присутствие может обеспечить наиболее полное усвоение фактического материала и приобретение необходимых экспериментальных навыков.
Пособие состоит из шести глав (главы 7–12), нумерация которых продолжается после пособия «Часть II. Химия непереходных элементов» (Новосибирск: НГУ, 2019)». Необходимость сквозной нумерации глав продиктована
учебным планом изучения дисциплины «Неорганическая химия» во втором семестре.
Главы 7, 9 и 10 включают описание методик проведения «пробирочных
реакций», посвященных подробному изучению химии элементов 5-й и 6-й (глава 7), 7–10-й (глава 9), 11-й и 12-й (глава 10) групп Периодической системы.
Каждая из этих глав содержит описание опытов, которые проводятся в рамках
одной лабораторной работы учебного плана. После каждого опыта (или серии
опытов) дан список вопросов, на которые студент должен письменно ответить
и сделать необходимые выводы.
Главы 8 и 11 посвящены синтезам неорганических соединений переходных
элементов и их идентификации. Эти главы включают описание препаративных методик получения 24 веществ (12 синтезов соединений элементов 5-й и 6-й групп
6
(глава 8); 12 синтезов соединений элементов 7–11-й групп (глава 11)). По согласованию с преподавателем студент выбирает из каждой главы по одному синтезу для
выполнения. После того как студент получил и выделил в чистом виде синтезируемое вещество, он исследует его наиболее важные свойства и характеризует его
чистоту. Описание синтеза каждого соединения включает общую характеристику
синтезируемого вещества (агрегатное состояние, цвет, растворимость, термическая
устойчивость и т. д.) в соответствии со справочными данными. В конце описания
синтеза приводятся литературные источники, из которых была заимствована методика получения данного соединения.
В главе 12 приводятся общие сведения о выполнении и оформлении курсовой работы по неорганической химии. В данной главе изложены необходимые
требования к выбору темы курсовой работы, данные о ее оформлении, объеме
и структуре.
В конце пособия приводится список литературы, рекомендованной
в качестве дополнительной к практикуму по неорганической химии.
Авторы благодарят всех преподавателей и сотрудников кафедры общей
химии ФЕН НГУ за ценные советы и замечания, высказанные при подготовке
данного пособия.
7
Глава 7. Элементы 5 и 6 групп
Все опыты выполнять в вытяжном шкафу!
Работать с концентрированными кислотами
необходимо в резиновых перчатках и защитных очках!
7.1. Ванадий
7.1.1. Металлический ванадий
Поместить в пробирку немного (на кончике шпателя) металлического
ванадия, добавить ~ 1 мл концентрированной серной кислоты и осторожно
нагреть ее содержимое в пламени спиртовки.
Что наблюдается? Написать уравнение реакции.
Взаимодействует ли металлический ванадий: а) с плавиковой кислотой;
б) с концентрированной азотной кислотой; в) с «царской водкой»? Написать уравнения протекающих реакций.
Какие из кислот (или их смеси) растворяют металлические ниобий и тантал?
Написать уравнения реакций.
В каких условиях металлические ванадий, ниобий, тантал взаимодействуют
со щелочами? Написать уравнения соответствующих реакций.
7.1.2. Соединения ванадия в низких степенях окисления
В пробирку 1 (рис. 1) аккуратно
внести 2 гранулы металлического цинка,
налить ~ 0,5 мл раствора метаванадата
аммония и ~ 2 мл концентрированной
соляной кислоты. Пробирку 1 закрыть
пробкой с газоотводной трубкой 2, соединенной с клапаном Бунзена 3 (отрезком шланга с продольной прорезью, закрытым короткой стеклянной палочкой).
Восстановление вести до приобретения окраски раствора, характерной для
соединений V(II).
Отметить последовательность
изменения окраски реакционного раствора. Какие соединения ванадия при этом
образуются? Написать уравнения всех реакций.
8
Рис. 1. Установка для получения
водных растворов соединений
переходных металлов
в низких степенях окисления:
1 — пробирка; 2 — трубка;
3 — клапан Бунзена
Демонстрационный
эксперимент
7.1.3. Соединения ванадия(IV) и ванадия(V)
Термическое разложение метаванадата аммония
в различных условиях
В два фарфоровых тигля поместить по ~ 0,5 г метаванадата аммония.
Один из тиглей оставить открытым, второй — закрыть крышкой. Поместить оба
тигля на электроплитку.
Дождаться начала разложения аммонийной соли в открытом тигле
и поднести к нему влажную полоску универсальной индикаторной бумаги.
Продолжать нагревание обоих тиглей еще в течение ~ 10 мин. Содержимое открытого тигля следует периодически перемешивать стеклянной палочкой.
Спустя ~ 10 мин прокаливания оба тигля аккуратно снять с электроплитки и охладить их содержимое до комнатной температуры (не убирать крышку
со второго тигля до охлаждения!).
Отметить все наблюдения. Написать уравнения реакций и объяснить
причину образования разных продуктов термолиза метаванадата аммония
в этих опытах.
Какие кислотно-основные и окислительно-восстановительные свойства
характерны для соединений ванадия(IV)? Подтвердить свой ответ соответствующими примерами уравнений реакций.
Оксид ванадия(V
)
В две пробирки поместить немного (на кончике шпателя) оксида
ванадия(V). В первую пробирку добавить ~ 1 мл концентрированной соляной
кислоты, во вторую — такой же объем концентрированного раствора гидроксида натрия. Осторожно (при периодическом перемешивании) нагреть содержимое каждой из пробирок в пламени спиртовки в течение 1–2 мин.
Отметить наблюдения и написать уравнения реакций.
Какие свойства проявляет оксид ванадия(V) в этих реакциях?
Какие процессы происходят при постепенном увеличении рН в растворах,
содержащих ванадаты щелочных металлов? Подтвердить свой ответ уравнениями соответствующих реакций.
Пероксосоединения ванадия(V)
Налить в пробирку ~ 0,5 мл раствора метаванадата аммония, добавить при
перемешивании 2–3 капли раствора серной кислоты и ~ 1 мл ~ 3%-го раствора
пероксида водорода.
Что наблюдается? Написать уравнение реакции.
9
7.2. Хром
7.2.1. Металлический хром
Поместить в пробирку немного (на кончике шпателя) металлического хрома и добавить ~ 0,5 мл концентрированной соляной кислоты. Оставить пробирку
на воздухе до окончания протекания реакции.
Что наблюдается? Написать уравнение реакции. Какую роль играет
один из компонентов воздуха в данной реакции?
Изменятся ли продукты реакции, если проводить ее в инертной (Ar) атмосфере? Подтвердить свой ответ уравнением реакции.
Взаимодействуют ли металлические Cr, Mo, W с концентрированными
серной и азотной кислотами при комнатной температуре? В каких условиях
эти металлы взаимодействуют со щелочами? Подтвердить ответ уравнениями реакций с указанием условий их проведения.
7.2.2. Соединения хрома(II)
Для проведения опытов заранее подготовить две пробирки с реакционными растворами. В первую пробирку поместить одну каплю иодной воды и добавить ~ 1 мл дистиллированной воды. Во вторую пробирку поместить немного
(на кончике шпателя) твердого ацетата натрия.
Для получения раствора хлорида хрома(II) использовать установку, изображенную на рис. 1 (см. с. 8). В пробирку 1 аккуратно внести 2 гранулы металлического цинка, налить ~ 0,5 мл раствора хлорида хрома(III) и ~ 2 мл концентрированной соляной кислоты. Пробирку 1 закрыть пробкой с газоотводной
трубкой 2, соединенной с клапаном Бунзена 3. Дождаться изменения окраски
раствора с зеленой до небесно-голубой.
Полученный раствор хлорида хрома(II
) небесно-голубого цвета макси-
мально быстро прилить по ~ 0,5 мл к содержимому двух заранее подготовлен-
ных пробирок (иодная вода и ацетат натрия).
Отметить все наблюдения и написать уравнения реакций.
На основании проведенных опытов сделать вывод о восстановительной
способности соединений хрома(II).
Какова структурная формула соединения, образовавшегося при взаимо-
действии ацетата натрия со свежеполученным раствором CrCl
?
2
Возможно ли получить в чистом виде гидроксид хрома(II) при взаимодействии полученного раствора соли хрома(II) с раствором щелочи? Почему?
Какие кислотно-основные свойства проявляет гидроксид хрома(II)?
Подтвердить ответ соответствующими уравнениями реакций.
10