Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Практикум по неорганической химии. Учебное пособие
.pdf
б) взаимодействия оксида ванадия (IV) c гидроксидом натрия,
учитывая, что получается тетраванадат (IV) натрия Na2V4О9;
в) взаимодействия оксида ванадия (IV) с серной кислотой,
учитывая, что получается сульфат оксованадия (IV) VОSО4.
Сделайте вывод о кислотно-основных свойствах оксида вана-
дия (IV).
Опыт 7. К насыщенному раствору метаванадата аммония
прибавьте концентрированную соляную кислоту и несколько
гранул цинка. Наблюдайте последовательное изменение цвета
раствора. При образовании голубого раствора перенесите его
в другую пробирку. Напишите уравнение реакции образования
хлорида оксованадия (IV) из метаванадата аммония.
Опыт 8. К полученному в предыдущем опыте раствору прилейте по каплям разбавленный раствор щелочи до образования
гидроксида оксованадия (IV). Осадок разделите на две части и
испытайте его растворимость в избытке щелочи и в кислоте.
Напишите уравнения реакций и сделайте вывод о кислотно-основных свойствах гидроксида оксованадия (IV).
Соединения ванадия (V)
Опыт 9. Под тягой в фарфоровой чашке при постоянном
перемешивании стеклянной палочкой прокалите на песчаной бане
небольшое количество метаванадата аммония. Нагревание производите до образования вещества оранжево-красного цвета (не
допускать почернения). Какой газ при этом выделяется? Напишите уравнение реакции термического разложения метаванадата
аммония. После охлаждения внесите по нескольку крупинок
оксида ванадия (V) в четыре пробирки и закройте их пробками.
Исследуйте содержимое пробирок по следующей схеме.
а) В первую пробирку с оксидом ванадия (V) прибавьте воды
и несколько капель универсального индикатора. Объясните наблюдения.
б) Во вторую и третью пробирки соответственно добавьте
1–2 мл разбавленного раствора щелочи и концентрированной
серной кислоты. Что наблюдаете? Напишите уравнение реакции
и сделайте вывод о кислотно-основных свойствах оксида ванадия (V).
в) В четвертую пробирку с оксидом ванадия (V) прилейте
1–2 мл концентрированной соляной кислоты. С помощью бумаж-
101
ки, смоченной раствором иодида калия, определите выделяющийся в процессе реакции газ. Отметьте окраску образовавшегося раствора и сравните его с окраской растворов в Опыте 1.
Напишите, уравнение реакции. Сделайте вывод об окислительных
свойствах соединений ванадия (V).
Опыт 10. К насыщенному раствору метаванадата аммония
добавьте несколько капель разбавленной, а затем концентрированной серной кислоты. Отметьте изменение окраски раствора
от бесцветной к желтой, а затем к рубиново-оранжевой. Напишите уравнения реакций образования изополиванадатов состава
V3O
3
‾, V6O
9
4
‾ и VO
17
+
. Cделайте вывод о формах существования
2
ванадия (V) в растворах с различными значениями рН.
Опыт 11. В четыре пробирки внесите по ~1 мл раствора
метаванадата (V) аммония и добавьте по 3–4 капли растворов:
в первую — хлорида бария, во вторую — сульфата меди (II),
в третью — нитрата серебра, в четвертую — нитрата свинца.
Наблюдайте выпадение осадков и отметьте их окраску. При записи уравнений реакций необходимо учесть, что катионы бария
и свинца образуют соли метаванадиевой кислоты, серебра (I) —
соли ортованадиевой кислоты. Для меди (II), в зависимости от
рН раствора, могут осаждаться соли метаванадиевой кислоты
(осадок сине-зеленого цвета) или ортованадиевой кислоты (осадок желто-зеленого цвета).
Опыт 12. В три пробирки налейте по 1 мл насыщенного
раствора метаванадата аммония. В первую добавьте 2 мл раствора серной кислоты, во вторую — 2 мл воды, в третью — 2 мл
концентрированного раствора гидроксида натрия. В каждую пробирку прилейте по 1 мл 30%-ного раствора пероксида водорода.
Отметьте изменение цвета растворов. Обоснуйте наблюдаемые
процессы. Напишите уравнения реакций.
ЗАДАНИЯ ДЛЯ ПРАКТИЧЕСКИХ ЗАНЯТИЙ
1. Чем обусловлена близость атомных и ионных радиусов
ниобия и тантала и как это сказывается на характере изменения
свойств в ряду V–Nb–Та?
2. Почему химия ванадия намного богаче и сложнее химии
его аналогов — ниобия и тантала?
102
3. В чем растворяются ванадий, ниобий и тантал. Напиши-
те уравнения реакций.
4. Как и почему изменяются кислотно-основные и окислительно-восстановительные свойства соединений ванадия при повышении степени его окисления от +2 до +5. Приведите примеры соединений ванадия в степенях окисления +2, +3, +4, +5
и реакций, доказывающих их свойства.
5. Оформите в виде таблицы формы существования соединений ванадия (II), (III), (IV), (V) в кислых, нейтральных и щелочных растворах. Объясните различные формы существования
ионов ванадия (II), (III), (IV), (V) в растворе с точки зрения
поляризационных представлений.
6. Какой из оксидов имеет более кислотный характер и почему: а) V2O5 или VO2; б) V2O5 или Nb2O5; в) V2O5 или As2O5?
7. Чем обусловлена неустойчивость водного раствора хлорида ванадия (II)? Опишите процессы, происходящие при хранении водного раствора хлорида ванадия (II) на воздухе и в
отсутствие кислорода?
8. Одинакова ли причина неустойчивости ионов ванадия (II)
и (IV) в водном растворе?
9. Напишите уравнение реакции получения оксида ванадия (V), а также реакции его взаимодействия с гидроксидом
калия и серной кислотой.
10. При взаимодействии растворов сульфида аммония и метаванадата аммония образуется тиометаванадат аммония. Последний при действии соляной кислоты разлагается, образуя
соответствующий малорастворимый тиоангидрид. Напишите
уравнения реакций.
11. Ванадаты проявляют в кислой среде окислительную функцию, образуя при этом соли оксованадия (IV) по схеме:
VO3‾ + e‾ + 4H+ = VO2+ + 2H2O.
Закончите уравнения реакций:
а) NH4VO3 + H2SO4 + H2C2O4 →
б) NH4VO3 + H2SO4 + FeSO4 →
в) NaVO3 + H2SO4 + SO2 →.
12. Какая масса хлорида оксованадия (IV) может быть получена при обработке соляной кислотой 0,5 кг руды, содержащей
90% оксида ванадия (V)?
103
13. Какая масса ванадата аммония с массовой долей примесей
25% потребуется для получения 9,1 г. оксида ванадия (V), если
выход продукта реакции составляет 70%. Какой объем аммиака
(н. у.) при этом выделится?
14. Галогениды какого состава образуют ванадий, ниобий и
тантал. Какие из этих галогенидов относятся к числу солей?
15. При прокаливании металла Х при температуре 600–700 °С
образуется красно-жёлтый кристаллический порошок А, содержащий 43,98 вес.% кислорода. При взаимодействии вещества А
с щавелевой кислотой образуется три оксида, одним из которых
является оксид В, содержащий 38,58% кислорода. Оксид В не
растворяется в воде и проявляет амфотерные свойства: при взаимодействии оксида В с раствором гидроксида натрия формируется соль С, содержащая натрия в 3,132 раза меньше, чем кислорода; при растворении вещества В в серной кислоте образуется соединение D, придающее раствору голубую окраску.
Напишите химические формулы соединений А, В, С, D и уравнения всех реакций, протекающих в этом эксперименте.
ИНДИВИДУАЛЬНЫЕ ЗАДАНИЯ
Вариант 1
1. В чем причина близости атомных и ионных радиусов цир-
кония и гафния и как это проявляется на характере изменения
свойств в ряду Ti–Zr–Hf?
2. Как изменяется кислотно-основной характер, устойчивость
и окислительно-восстановительные свойства в ряду Ti(OН)2–
Ti(OH)3–TiO2∙nH2O? Приведите примеры реакций.
3. Опишите с позиций метода ТКП строение, оптические и
магнитные свойства октаэдрических комплексов [V(H2О)6]3+ и
[V(H2O)6]2+.
4. Какая масса хлорида оксованадия (IV) может быть полу-
чена при обработке соляной кислотой 0,5 кг руды, содержащей
90% оксида ванадия (V)?
5. Закончите уравнения реакций:
TiCl4 + Н2О → Н2TiO3 + H2S →
VSO4 + KMnO4 + H2SO4 → NH4VO3 + SnCl2 + HCl →.
104
Вариант 2
1. Чем обусловлена близость атомных и ионных радиусов
ниобия и тантала и как это сказывается на характере изменения
свойств в ряду V–Nb–Та?
2. Как изменяется кислотно-основной характер, устойчивость
и окислительно-восстановительные свойства в ряду ТiO2–ZrO2 —
НfO2? Ответ подтвердите значениями стандартных энтальпий
образования и энергии Гиббса.
3. Высшие галогениды элементов 5 группы Периодической
системы: получение, свойства.
4. Тепловой эффект реакции восстановления оксида вана-
дия (V) кальцием равен 1618,8 кДж. Рассчитайте теплоту образования оксида ванадия (V).
5. Закончите уравнения реакций:
VOSO4 + K2Сr2O7 + Н2O → V2O5 + H2O2 + NaOH →
TiO2 + HF → TiCl3 + O2 + H2O →.
Вариант 3
1. Оксиды титана: получение, свойства.
2. Царская водка и концентрированная серная кислота окис-
ляют титан, цирконий и гафний до комплексных кислот. Напишите уравнения соответствующих реакций.
3. Опишите с позиций метода ТКП строение, оптические и
магнитные свойства октаэдрических комплексов [V(NH3)6]3+,
[VF6]3-.
4. Какая масса ванадата аммония с массовой долей примесей
25% потребуется для получения 10 г оксида ванадия (V), если
выход продукта реакции составляет 80%? Какой объем аммиака
(н. у.) при этом выделится?
5. Закончите уравнения реакций:
TiCl3 +KМnО4 + Н2O → ТiO2 + С + Cl2 →
NaVO3 + KI + H2SO4 → NaVO3 + H2S + H2SO4 →.
Вариант 4
1. Оксиды ванадия: получение, свойства.
2. При прокаливании металлического титана на воздухе об-
разуется белый порошок, который растворяется в концентриро-
105
ванной серной кислоте и сплавляется со щелочами. Что пред-
¾ ¾®
ставляет собой этот порошок? Напишите уравнения протекающих
реакций.
3. Используя значения стандартных электродных потенциалов
в кислой среде для систем V3+/V2+, MnO
–
/Mn2+, O2/Н2O, опреде-
4
лите, будет ли изменяться состояние окисления ванадия +2 в
растворе при действии кислорода воздуха или раствора KМnO4?
Почему кислые растворы соединений ванадия (II) со временем
изменяют свою окраску (в отсутствие воздуха)? Напишите уравнение реакции.
4. Какую массу циркония можно получить при термическом
восстановлении 0,35 моль гексафтороцирконата (IV) калия металлическим натрием?
5. Закончите уравнения реакций:
Zr + HNO3 + HF → TiO2 + K2CO3 →
Та2O5 + Сl2 → NaVO3 + FeSO4 + H2SO4 →.
Вариант 5
1. Применение титана. Какие физические и химические свой-
ства металлического титана делают его важным конструкционным
материалом?
2. С помощью расчетов выясните термодинамическую воз-
можность получения ванадия, ниобия и тантала из оксидов Э2O
алюмотермическим способом.
3. Объясните, почему соединения титана в низших степенях
окисления более устойчивы, чем аналогичные соединения циркония и гафния?
4. Какой объем соляной кислоты с массовой долей HCl 20%
и ρ = 1,19 г/мл необходимо взять для перевода в раствор ванадия
из 1 кг технического ортованадата кальция, содержащего 30%
примесей?
5. Закончите уравнения реакций:
5
V + HNO3(конц.) → Ti + HNO3 + H2O →
NH4VO3
t
TiO2 + KOH
сплав
¾ ¾ ¾®
.
Вариант 6
1. Сравните строение атомов элементов 4 и 14 групп Перио-
дической системы. Какая степень окисления характерна для них?
106
2. Какой из оксидов проявляет более кислотный характер и
¾ ¾ ¾®
почему: а) V2O5 или VO2; б) V2O5 или Nb2O5; в) V2O5 или As2O5?
3. Какое соединение называется α-титановой кислотой, как
она получается, какими свойствами обладает? Какое соединение
называется β-титановой кислотой, какими свойствами она обладает и при каких условиях образуется? Как можно объяснить
различие в реакционной активности этих двух соединений?
4. Какая масса хлорида титана (IV) образуется при хлориро-
вании 40 г рутила? Какой объем 36%-ного раствора соляной
кислоты (ρ = 1,17 г/мл) и какая масса перманганата калия необходимы для проведения этого хлорирования?
5. Закончите уравнения реакций:
Ti(OH)3 + O2 + Н2O → TiCl3 + O2 + НСl →
V2O5 + НСl → NH4VO3 + KI + H2SO4 →.
Вариант 7
1. Объясните порядок изменения температуры плавления (°С)
в ряду галогенидов титана: 284 (TiF4); –24,1 (TiCl4); 38,3 (TiBr4);
155 (TiI4)?
2. Поливанадаты. Получение. Условия переходов между ними.
3. Вычислите ∆Н°
и ∆S°
298
реакции окисления газообразным
298
йодом порошка титана до TiI4(г). Объясните теоретически и опишите практическое осуществление иодидного метода очистки
металлов.
4. Какая масса сульфата титана (III) содержится в одном ли-
тре раствора, если на его окисление потребовалось 0,045 л 0,15
М раствора KМnO4?
5. Закончите уравнения реакций:
Hf + H2SO4 → TiCl3 + O2 + Н2O →
K3VO4 + H2O2 → V + O2 + KOH
Вариант 8
сплав
.
1. Объясните, почему титан, цирконий и гафний при обычных
условиях не взаимодействуют ни с водой, ни с разбавленной
серной и соляной кислотами, а в присутствии фторид-ионов
взаимодействуют даже с такой слабой кислотой, как уксусная.
Напишите соответствующие уравнения.
107
2. Почему производные титана (III) являются сильными вос-
становителями и легко окисляются до соединений титана (IV)?
Напишите уравнение реакции образования хлорида оксотитана (IV)
при действии кислорода воздуха и воды на хлорид титана (III).
3. Опишите строение и агрегатное состояние при стандартных
условиях оксида и хлорида ванадия (IV). Объясните различия.
4. Для получения метаванадата натрия полупродукт, содер-
жащий V2О5, спекают с NaCl при участии кислорода. Процесс
сопровождается выделением хлора. Рассчитайте, какой объем
хлора при температуре 55 °С и давлении 101,3 кПа выделится,
если взяли 32 кг полупродукта с содержанием оксида ванадия (V)
45%.
5. Закончите уравнения реакций:
Hf + KHF2 → Н2 + ... Ta2O5 + Сl2 + С →
ZrCl4 + Na → K3VO4 + H2SO4 →.
Вариант 9
1. Какой из гидроксидов проявляет более основные свойства:
a) Ti(OH)2 или Ti(OH)3; б) Ti(OH)4 или Zr(OH)4? Дайте обоснованный ответ.
2. Чем объяснить, что взаимодействие ванадия и тантала с
галогенами при нагревании приводит к образованию разных по
составу продуктов: VF5, TaF5, VC14, ТаС15, VBr3, TaBr5.
3. Сравните гидролизуемость следующих соединений: а) VCl2
и VCl3; б) TiCl4 и ZrCl4. В растворе какого из каждой пары соединений рН меньше?
4. Рассчитайте изменение свободной энергии Гиббса при 1000
K в реакциях восстановления ZrO2 и ZrCl4 магнием до металлического циркония.
5. Закончите уравнения реакций:
Ti(OH)3 + О2 →
NH4VO3 + Sn + HCl →
TiCl4 + Н2O → V + H2SO4(конц.) →.
Вариант 10
1. Каким образом можно перевести оксиды TiO2 и ZrO2 в
растворимые в воде соединения? Напишите уравнения реакций.
2. Как изменяется кислотно-основной характер, устойчивость
и окислительно-восстановительные свойства в ряду Ti(OН)2–
Ti(OH)3–TiO2∙nH2O? Приведите примеры реакций.
108
3. Сравнить гидролизуемость следующих соединений: а) TiCl2
и TiCl4; б) ZrOCl2 и ZrCl4; в) TiCl4 и ZrCl4; г) TiOSO4 и ZrOSO4.
В растворе какого соединения из каждой пары рН меньше и почему?
4. При восстановлении метаванадата натрия цинком в при-
сутствии соляной кислоты был получен раствор сиреневого цвета объемом 500 мл (ρ = 1 г/мл) и содержащий 5% соответствующей соли ванадия. Установите, какая соль ванадия была получена. Какова масса цинка была израсходована в реакции, с
учетом того, что в нем содержалось 10% примесей? Установите,
какова масса израсходованного метаванадата натрия, если выход
реакции составил 75%.
5. Закончите уравнения реакций:
TiCl4 + (NH4)2S + Н2O → NH4C1 + .... Nb2O5 + K2CO3 →
2HVO3 + H2SO4 → V + KNО3 + KOH →.
Вариант 11
1. Заполните таблицу «Формы существования соединений
ванадия (II), (III), (IV), (V) в водных растворах в зависимости
от рН».
Среда V (II) V (III) V (IV) V (V)
кислая
нейтральная
щелочная
цвет
Объясните различные формы существования ионов ванадия (II), (III), (IV), (V) в растворе с точки зрения поляризационных представлений.
1. Известно, что нитрат- и перхлорат-ионы устойчивы к дей-
ствию большинства восстановителей, однако они могут быть
восстановлены катионом титана (III) до ионов NH
+
и Сl‾, соот-
4
ветственно. Составьте уравнения реакций и докажите возможность их протекания в стандартных условиях.
2. Как из минерала рутила, содержащего примеси оксидов
железа (III) и алюминия получить чистый оксид титана (IV)?
Напишите уравнения реакций, укажите условия.
109
3. Какую среду (кислую или щелочную) и почему имеют во-
дные растворы сульфата титанила, хлорида циркония, титаната
натрия? Напишите соответствующие уравнения реакций.
4. Закончите уравнения реакций:
H2[Ti(O2)(SO4)2] + HF→
Та + HNO3 + HF →
VO2 + KOH → V2O5 + HCl →.
Вариант 12
1. Почему для удаления примеси кислорода из благородных
газов иногда используют кислый раствор соединений ванадия (II).
Ответ подтвердите уравнением реакции.
2. Объясните с использованием метода ТКП, почему при окис-
лении соединений титана (III) их первоначально фиолетовая
окраска исчезает.
3. Сравните гидролизуемость следующих соединений: а) TiCl2
и TiCl4; б) ZrOCl2 и ZrCl4; в) TiCl4 и ZrCl4; г) TiOSO4 и ZrOSO4.
В растворе какого соединения из каждой пары рН меньше и почему?
4. Царская водка и концентрированная серная кислота окис-
ляют титан, цирконий и гафний до комплексных кислот. Напишите уравнения соответствующих реакций.
5. Закончите уравнения реакций:
K3VO4+ Н2О2 → Н2О + ... Nb + HNO3 + HF →
TiOCl2 + Н2О2 + H2SО4 → V2O5 + HCl →.
Вариант 13
1. Предложите как можно большее число реактивов, с по-
мощью которых можно перевести металлический титан в раствор.
Почему изделия из титана весьма устойчивы на воздухе?
2. Рассчитайте массовую долю титана в его минералах: а)
рутил ТiO2, б) ильменит FeTiO3, в) перовскит СаТiO3, г) сфен
CaTi(SiO4)O.
3. Как изменяется кислотно-основной характер, устойчивость
и окислительно-восстановительные свойства в ряду ТiO2–ZrO2–
НfO2? Ответ подтвердите значениями стандартных энтальпий
образования и энергии Гиббса.
4. Сравните гидролизуемость следующих соединений: а) VCl2
и VCl3; б) TiCl4 и ZrCl4. В растворе какого из каждой пары соединений рН меньше и почему?
110
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]