Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Химия элементов. Лабораторный практикум
.pdf
ТЕМА 1. Элементы I – А группы. Щелочные металлы
3
Li 1s2 │2s1
11Na 1s22s2 2p6 │3s1
19К 1s22s2 2p63s2 3p6 │4sl
37Rb 1s22s2 2p63s2 3p64s2 3d
10 4p6
│5s1
55Cs 1s22s2 2p63s2 3p64s2 3d
10 4p6 5s2 4d10 5p6
│6s1
87Fr 1s22s2 2p63s23p64s23d104p65s2 4d
10 5p6 6s2 5d106p6
│7s1
валентные электроны
Плотность,
г/см3
t°
пл.
С
t°
кип.
С
φ°
Ме
+
/
Ме,
В
Кристаллическая
решетка
Li
0,53
188
1370
-3,02
оцк
Na
0,97
98
892
-2,71
оцк
К
0,86
63,5
760
-2,92
оцк
Rb
1,52
39,0
696
-2,92
оцк
Cs
1,87
28,5
685
-2,92
оцк
Fr
2,1
23
615
В главную подгруппу первой группы входят элементы: литий,
натрий, калий, рубидий, цезий и франций.
Физические свойства щелочных металлов. Таблица 1
В соединениях этих элементов с другими элементами - ионная
химическая связь.
В газообразных молекулах этих элементов химическая связь
ковалентная неполярная.
Атомы элементов первой группы главной подгруппы имеют по
одному валентному ns1 электрону на внешнем энергетическом уровне, что
обусловливает как свойства элементов (наибольший атомный радиус в
периоде, низкие потенциалы ионизации и электроотрицательность,
устойчивость максимальной степени окисления +1, ионный тип связи в
соединениях), так и свойства простых веществ (типичные металлы,
сильные восстановители) и соединений этих элементов. В результате
11
высокой химической активности эти элементы в природе встречаются
только в виде химических соединений.
Элементы первой группы главной подгруппы периодической
системы называют щелочными элементами (или щелочными металлами).
Щелочными они названы потому, что они образуют соединения,
большинство из которых растворимы в воде. По-славянски «растворять»
звучит как «выщелачивать». Крестьяне и городские жители в старину
растворяли печную золу в воде и получали "щелок" - раствор, обладающий
моющим действием. Последнее было связано с присутствием в растворе
карбонатов щелочных элементов, подвергающихся гидролизу и
создающих щелочную среду. Вода становилась более мягкой.
Некоторые щелочные элементы встречаются в земной коре в виде
минералов. Наиболее распространены натрий Na — 2,64% и калий К —
2,6%.
Некоторые минералы:
Li: LiAl(SiO3)2 — сподумен,
LiAlPO4F — амблигонит.
Na: NaCl — каменная соль,
Na2SO4 • 10Н2О — глауберова соль.
К: х КСl • у NaCl — сильвинит,
МgС12 • КС1 • 6Н2О — карналит.
Rb, Cs: - соединения рубидия и цезия встречаются в виде примесей к
солям натрия и калия.
Простые вещества щелочных элементов называются щелочными
металлами. Все щелочные металлы — сильные восстановители. Их
восстановительная активность (металличность) повышается с увеличением
порядкового номера. Они являются самыми активными металлами,
непосредственно соединяются почти со всеми неметаллами. В
соединениях преобладает преимущественно ионная связь.
С ростом порядкового номера и уменьшением энергии ионизации
металлические свойства простых веществ закономерно усиливаются. Это
типичные представители элементов — металлов. Ими начинается каждый
период периодической системы (кроме первого).
Элементы подгруппы лития образуют с кислородом оксиды Э2О, с
водой — гидроксиды ЭОН. Сила оснований увеличивается от лития к
цезию, так как в этом направлении растет радиус атомов.
12
Водородные соединения щелочных металлов отвечают формуле ЭН.
Это гидриды металлов — белые кристаллические вещества. В гидридах
степень окисления водорода равна — 1.
Свойства щелочных металлов.
→H2 tº МеН
→Cl2 tº МеCl
→N2 tº Ме3N (Li3 N на воздухе)
Ме → →S t º Ме2S
→O2 tº Li2O; Na2O2; КО
2
→P tº Ме3P
→C tº Ме2C
→H
→HCl МеCl + H
→HNO
→HNO
→H
→соли Me
→R-Hal tº R - R + Ме-Hal (Hal - галоген)
→ R-OH R-OМе + H2
O МеOH + H
2
3 разб.
3 конц.
2SO4 конц. Ме2SO4
An(распл.) tº МеAn + Ме
1
МеNO3 + NH4NO3 + H2О
МеNO3 + N2O + H2О
(Li2C2, но Na4C)
2
2
2
+ Ме 2S + H2О
1
Производные:
1) NaH + H2O = NaOH + H2↑;
2) Na3N + 3H2O = 3NaOH + NH3 ↑;
t
º
3) Na2S + 2H2O = 3NaOH + H2S↑;
4) Na2O2 + 2H2O ↔ 2NaOH + H2O2 ;
5) Na3P + 3H2O = 3NaOH + PH3 ↑;
6) Li2C2 + 2H2O = 2LiOH + C2H2↑;
13
Щелочные металлы легко окисляются на воздухе, поэтому их
сохраняют в керосине. При нагревании на воздухе они воспламеняются и
сгорают с образованием пероксидов (за исключением лития, который
образует оксид Li2О). Эти соединения являются солями очень слабой
кислоты - пероксида водорода Н2О2. Пероксиды легко разлагаются водой с
образованием пероксида водорода и щелочи. По существу, эта реакция
представляет собой гидролиз соли, образованной слабой кислотой и сильным
основанием.
Все щелочные металлы активно вступают во взаимодействие с водой
при комнатной температуре. Реакции протекают с образованием щелочей и
выделением водорода.
Щелочные металлы с кислотами реагируют очень быстро,
восстанавливая их до крайних степеней окисления:
8К + 4H2SO
4 (конц.)
= К2S + 3К2SО4 + 4H2O.
Соли щелочных металлов, как правило, хорошо растворимы в воде.
Растворы солей слабых кислот имеют вследствие гидролиза щелочную
реакцию.
Атомы щелочных металлов имеют очень малые значения первых
ионизационных потенциалов. При этом до момента полного отрыва
электроны проходят через ряд степеней возбуждения, вызывая образование
спектральных серий, а также окрашивая пламя горелки и их летучие
соединения в характерные цвета:
+1
Li
– карминно-красный,
Na+1 – ярко желтый,
+1
К
– фиолетовый (синевато-красный),
+1
Сs
– синий,
что позволяет легко определять качественно присутствие этих металлов (при
совместном присутствии необходимы светофильтры).
Лабораторная работа № 1
Опыт 1. Горение натрия на воздухе (демонстрационный, работа
выполняется преподавателем)
Выньте пинцетом из банки с керосином кусок металлического
натрия, положите его на фильтровальную бумагу и отрежьте от него
ножом кусочек величиной с горошину. Хорошо осушите его с поверхности
фильтровальной бумагой и поместите в фарфоровый тигель.
14
Тигель поместите на треугольнике и осторожно нагрейте маленьким
пламенем горелки до тех пор, пока натрий не воспламенится. Тотчас после этого
отставьте горелку. После окончания реакции горения дайте остынуть тиглю и
соберите получившийся желтоватый порошок. В пробирку внесите 4-5 капель
раствора перманганата калия; добавьте микрошпателем немного собранного
порошка и перемешайте.
Отметьте выделение газа и появление бурого осадка. На основании
результатов последнего опыта сделайте заключение о характере продуктов
сгорания натрия.
Напишите уравнение реакции горения натрия на воздухе, учитывая,
что при этом образуется пероксид натрия Na2О2 желтоватого цвета.
Изобразите графически формулу пероксида натрия. Напишите
уравнение взаимодействия пероксида натрия с раствором перманганата
калия. Какие свойства при этом проявляет пероксид натрия?
Опыт 2. Взаимодействие натрия с водой (демонстрационный)
Отрежьте ножом кусочек натрия (обращение с металлическим натрием
описано в предыдущем опыте) и ОСТОРОЖНО поместите его в
фарфоровую чашку с водой, к которой добавьте 3-4 капли раствора
фенолфталеина.
Отметьте окраску фенолфталеина в полученном растворе продукта
взаимодействия натрия с водой. Напишите уравнение реакции
взаимодействия металлического натрия с водой.
Опыт 3. Взаимодействие пероксида натрия с водой
В пробирку внесите микрошпателем немного порошка пероксида
натрия, воду, добавьте 1-2 капли раствора фенолфталеина.
Сделайте вывод о продуктах взаимодействия пероксида натрия с водой.
Напишите уравнения реакций. Какой газ выделяется при взаимодействии?
Опыт 4. Взаимодействие пероксида натрия с кислотой
В пробирку внесите микрошпателем немного порошка пероксида
натрия, добавьте 8-10 капель 2н раствора серной кислоты и размешайте
стеклянной палочкой. К полученному раствору добавьте 3-4 капли раствора
йодида калия и 2-3 капли крахмального клейстера.
Сделайте вывод, что образуется при взаимодействии пероксида натрия
с кислотой. К какому классу относится пероксид натрия? Напишите
уравнения реакций.
Какие свойства проявляет пероксид натрия при взаимодействии с
йодидом калия в кислой среде?
15
Опыт 5. Окраска пламени солями щелочных металлов (качественная
реакция по окраске пламени)
Нихромовую проволочку погрузите на несколько секунд в
концентрированную соляную кислоту, а затем прокалите в пламени горелки.
Очищенную таким образом нихромовую проволочку опустите в
насыщенный раствор хлорида натрия и внесите в несветящуюся область
пламени горелки. Отметьте цвет пламени.
То же самое проделайте с солью калия, но смотрите через синий
светофильтр (перед каждым опытом проволочку следует очистить в
концентрированной соляной кислоте и прокалить).
Для каждой соли щелочных металлов отметьте цвет пламени.
Запишите в виде таблицы.
Контрольные вопросы
1. Общая характеристика атомов щелочных металлов.
2. Натрий и калий в природе, их получение.
3. Физические и химические свойства щелочных металлов.
4. Общая характеристика важнейших соединений: гидридов, оксидов,
гидроксидов.
5. Соли щелочных металлов, их роль в живых организмах.
6. Калий как один из основных элементов питания растений.
Задания для самопроверки
1. Напишите уравнения реакций, при помощи которых можно
осуществить следующие превращения:
а) Li → Li3N → LiOH → Li2O → Li2CO3 → LiHCO3;
б) Na → NaH → HCOONa → Na2SO4 → NaCl → NaN03;
в) К → КОН → KHCO3 → K2CO3 → КС1 → КОН;
г) Na → Na4C → NaOH → Na3PO4 → NaCl → NaClO
3.
2. Вычислите массовую долю щелочи в растворе, полученном при
растворении 18,4 г натрия в 50 мл воды (плотность воды принять равной 1
г/мл).
3. К 400 г амальгамы калия, массовая доля калия в которой 0,039,
добавили 120 мл воды. Вычислите массовую долю щелочи в полученном
растворе.
4. При растворении 0,28 г неизвестного щелочного металла в
этаноле было получено 448 мл (н.у.) газа. Определите металл.
5. При взаимодействии 1,56 г неизвестного щелочного металла в
очень разбавленной азотной кислоте был получен раствор, который при
16
добавлении избытка щелочи выделил 112 мл (н.у.) газа с резким запахом.
Какой металл вступил в реакцию с кислотой?
6. Нитрат неизвестного металла массой 48,75 г осторожно прокалили
до постоянной массы. Полученный порошок полностью прореагировал с
подкисленной серной кислотой раствором иодида калия, при этом
выделилось 5,6 л (н.у.) газа, быстро буреющего на воздухе. Выведите
формулу нитрата.
Проверь себя.
Na2 O + Na2O2 NaH (тв.) → NaAlH4 , NaBH4
↑ + H
2
Na → NaNH
электролиз распл. ↑↓ + СL
(СO
NaNO2 Na Cl NaHCO
2
+ NH
2
+ H2 O)
3
2
3
Na + HCl↑↓электролиз ↑↓
NaNO3 Na OH (водн.) Na2CO
Na2SO
4 Fe
NaHSO
4
NH
3
NaClO (хол.) NaClO
2
+
(водн.)
Fe(OH)
(Тв.)
2
3
ТЕМА 2. Элементы II – А группы. Щелочноземельные металлы
В главную подгруппу второй группы входят элементы: бериллий,
магний, кальций, стронций, барий, радий.
4Be 1s2 │2s2
12Mg 1s22s2 2p6 │3s2
20Ca 1s22s2 2p63s2 3p6 │4s2
38Sr 1s22s2 2p63s2 3p64s2 3d
10 4p6
│5s2
56Ba 1s22s2 2p63s2 3p64s2 3d
10 4p6 5s2 4d10 5p6
│6s2
88Ra 1s22s2 2p63s23p64s23d104p65s2 4d
валентные электроны
10 5p6 6s2 5d106p6
│7s2
(гор.)
3
17
Физические свойства щелочноземельных металлов. Таблица 2
Плотность,
г/см3
t°
пл.
С
t°
кип.
С
φ°
Ме
2+
/
Ме,
В
Be
1,85
1284
2970
-1,847
Mg
1,74
651
1107
-2,38
Ca
1,54
851
1240
-2,866
Sr
2,6
757
1366
-2,888
Ba
3,76
710
1696
-2,906
Ra
5,00
960
1140, 1536
≈ -2,92
Ионная химическая связь встречается в соединениях элементов
второй группы главной подгруппы с другими элементами (для бериллия
Be возможна ковалентная полярная связь). Металлическая связь ─ в
простых веществах этих элементов.
Элементы второй группы главной подгруппы имеют по 2 валентных
электрона на внешнем энергетическом уровне, чуть меньший радиус
атома, чем щелочные элементы того же периода, легко отдают валентные
электроны и устойчивая степень окисления для них +2. Поэтому в природе
они встречаются исключительно в виде соединений.
Наибольшим сходством между собой характеризуются элементы Са,
Sr, Ba и Ra (щелочноземельные металлы). Они во многом напоминают
щелочные металлы: образуют солеобразные гидриды, степень окисления
водорода в которых — 1, их гидроксиды — сильные основания.
В виде простых веществ элементы второй группы главной
подгруппы — это типичные металлы.
Все металлы подгруппы — сильные восстановители, однако
несколько более слабые, чем щелочные металлы.
С ростом порядкового номера элемента отдача электронов
облегчается, поэтому металлические свойства закономерно возрастают
сверху вниз в подгруппе. Более ярко они проявляются у
щелочноземельных металлов.
Металлы подгруппы бериллия химически довольно активны. На
воздухе они окисляются, при этом получаются основные оксиды типа ЭО,
которым соответствуют основания типа Э(ОН)2. Растворимость и
основный характер оснований возрастают от Be к Ra. Ве(ОН)2 —
амфотерное соединение.
По свойствам бериллий и магний несколько отличаются от
остальных металлов.
18
Например, Be с водой не взаимодействует, Мg взаимодействует
лишь при нагревании, а остальные металлы — при обычных условиях:
Э + 2Н
0 = Э(OH)2 + H2↑;
2
Из металлов подгруппы бериллия наибольшее значение имеет кальций.
Наименование «щелочноземельные элементы» связано с принятым
во времена алхимиков обычаем называть все плохо растворимые в воде
соединения «землями»:
окись магния МgО — горькозем;
окись алюминия А12О3 - глинозем;
двуокись кремния SiO2 — кремнозем и т.д.
Поскольку земли CaO, SrO, BaO при смачивании водой давали
щелочную реакцию, эти окислы стали называть щелочными землями, а
элементы — щелочноземельными.
Наиболее распространены минералы, в составе которых элементы
подгруппы бериллия встречаются в природе:
Be: Be3Al2(SiO3)6 берилл.
Mg:
CaCO3•MgCO3 доломит, MgCO3 магнезит,
МgС12•КС1•6Н2О карналит, MgC12•6Н2О бишофит.
Са:
СаСО3 известняк, Са3(РО4)2 фосфорит,
СаР2 флюорит, CaSO4•2Н2О гипс.
Sr: SrCO3 стронцианит, SrSO4 целестин.
Ba: BaSO4 барит, ВаСО3 витерит.
Получение металлов подгруппы бериллия.
Важнейшим способом получения металлов второй группы главной
подгруппы, имеющих малые стандартные электродные потенциалы,
является электролиз их расплавленных хлоридов (или других
галогенидов); иногда для понижения температур плавления к ним
добавляют хлориды щелочных металлов.
19
Например, бериллий получают электролизом расплавленной смеси
фторида бериллия и фторида натрия, кальций и стронций - электролизом
расплавов смесей хлоридов и фторидов этих металлов.
Магний, помимо электролиза расплавленной смеси хлоридов магния
и калия, получают восстановлением доломита СаСО3·МgСО3
ферросилицием или кремнием, восстановлением оксида магния углем в
электрических печах. Барий принято получать металлотермическим
(алюминотермическим) способом.
Свойства щелочноземельных металлов.
→H2 tº МеН
2
→Cl2 tº МеCl
→N2 tº Ме3N2
2
Ме → →S tº МеS
→O2 tº МеO;
→P tº Ме3P2
→C tº МеC2 (Ве2C)
→H2O Ме(OH)2 + H
(Mg при tº)
2
→HCl МеCl2 + H2
→HNO
→HNO
→H2SO
3 разб.
3 конц.
4 конц.
Ме(NO3)2 + NH4NO3 + H2О
Ме(NO3)2 + N2O + H2О
Ме
+ Н2S + H2О
2SO4
→ КOH К2[Be(OH)4] + H2
Производные:
1. Ме3N2 + 6H2O = 3Ме(OH)2 +2 NH3 ↑
;
2. Ме3P2 + 6H2O = 3Ме(OH)2 + 2 PH3 ↑;
3. Ве2C + 4H2O = 2Ве(OH)2 + CH4↑;
4. МеC2 + 2H2O = Ме(OH)2 + C2H2 ↑;
20
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]