Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Химия элементов. Лабораторный практикум
.pdf
Проверь себя.
LiAlH
4
↑+LiH
Al4 C
AlCl3 AlN
3
↓ ↑
+NaOH
CH4 Al Al(NO3)
электролиз расплавa↑↓ +H
tº
Al2(SO4)
→ Al
3
(ТВ.) → Al
2O3
→ Al(OH)
3
2SO4(водн.)
(SO4)
2
+ NaOH
3
(ТВ)
3
↓ ↑
Al Al (OH)3 Na[Al (OH)4 (H2O)2]
спл. NaOH
Al2S
3
-
(водн.)
ОН
с выделением Н
[Al(OH)4 (H2O)2 ]
2
1─
(водн.)
Na3AlO3 AlCl3
Задания для самопроверки
1. Напишите уравнения реакций, при помощи которых можно
осуществить следующие превращения:
а) А1 →А1С13 →A1(NO3)3 →A1(OH)3 →A12O3 →NaAlO2 ;
б) Al →А1203 →K[Al(OH)4 (Н2О)2] →A1(OH)3 →AlOHSO4 →Al2(SO4)3 ;
в) Al →A14C3 →A1C13 →AIO(OH) →А12(SО4)з →Al(NO3)3 ;
г) А1 →К[А1(ОН)4 (Н2О)2] →А1(ОН)3 →А1С13 →А1Н3 →Al.
Пример решения задания
1. 2А1 + 2КОН + 10Н2О = 2K[Al(OH)4 (Н2О)2] + ЗН2 ↑;
2. К[А1(ОН)4 (Н2О)2] + НС1 = КС1 + А1(ОН)3 ↧+ 3Н2О;
31
3. А1(ОН)3 ↧+ ЗНС1 = А1С13 + ЗН2О ;
4. А1С13 + 3LiH = AlH3 + 3LiCl;
tº
5. 2А1Н3 →2Al + ЗН2↑.
2. Смесь опилок алюминия с магнием обработали раствором щелочи
и получили 1,12 л газа (н.у.). При обработке такого же количества
исходной смеси опилок соляной кислотой было собрано 5,6 л газа (н.у.).
Какова массовая доля магния в смеси?
3. Смесь алюминия с оксидом алюминия подвергли обработке
раствором гидроксида калия. При этом было затрачено 7,45 мл 40%-го
раствора (пл.1,41г/мл) гидроксида калия и собрано 672 мл газа (н.у.).
Какова массовая доля алюминия в исходной смеси?
ТЕМА 4. Элементы IV – А группы. Углерод. Кремний
В главную подгруппу четвертой группы периодической системы
(подгруппу углерода) входят углерод, кремний, германий, олово и свинец.
Это р-элементы IV группы периодической системы Д. И. Менделеева. Их
атомы на внешнем энергетическом уровне содержат по четыре электрона:
ns2np2, чем объясняется сходство их химических свойств.
В соединениях элементы подгруппы углерода проявляют степени
окисления +4 и -4, а также +2, причем последняя с увеличением заряда
ядра становится более характерной. Для углерода, кремния и германия
наиболее типична степень окисления +4, для свинца +2. Степень
окисления -4 в последовательности С — Pb становится все менее
характерной.
6С 1s2 │2s2 2p
2
14Si 1s22s2 2p6 │3s23p2
32Ge 1s22s2 2p63s2 3p6 │4s2 3d104p2
50Sn 1s22s2 2p63s2 3p64s2 3d
10 4p6
82Pb 1s22s2 2p63s2 3p64s2 3d
валентные электроны
10 4p6 5s2 4d105p6
32
│5s2 4d105p2
│6s2 4f
14 5d106p2
Физические свойства элементов IV – А группы. Таблица 4
Плотность,
г/см
3
t°
пл.
С
t°
кип.
С
Наличие в земной коре,
%
С Алмаз 3,52
Графит 2,26
3750
при давлении 12
МПа
0,1 %
Si
2,33 крист.
1423
3300
27,60 %
Ge
5,36
937,2
2850
7 · 10
-4
%
Sn
Белое 7,29
Серое 5,85
231,8
-
2620 -
4 · 10
-3
%
Pb
11,34
327,4
1745
1,6 · 10
-3
%
Аллотропные модификации углерода - алмаз, графит и карбин -
имеют резко различные физические свойства, что объясняется строением
их кристаллических решеток. Алмаз - атомная решетка с прочной
ковалентной связью, проявляет исключительную твердость, плотность
3,5г/см3, tº
= 3500°С, плохо проводит тепло и не проводит электрический
пл.
ток. Графит - кристаллическое вещество, образующее тонкие чешуйки,
хорошо проводит тепло и электрический ток, имеет металлический блеск.
Карбин - мелкокристаллический порошок черного цвета, состоящий из
линейных цепочек углеродных атомов:
−С ≡ С−С ≡ С-С ≡ ....
Карбин - полупроводник, по твердости значительно уступает алмазу,
но превосходит графит. При 2800°С без доступа воздуха переходит в
графит.
Кремний образует две аллотропные модификации - кристаллический
и аморфный кремний. Кристаллический кремний - темно-серые хрупкие
кристаллы, отличающиеся большой твердостью, плотность 2,328 г/см3, tºпл
= 1423°С, проводит электрический ток. Аморфный кремний - бурый
порошок.
Германий по внешнему виду напоминает серебристый металл с
относительно большой твердостью, плотность 5,36 г/см , tºпл = 937,2°С.
Олово представляет собой тягучий серебристо-белый металл, плотность
7,29 г/см, tºпл = 231,8°С. Олово известно в трех аллотропных
модификациях - тетрагональное, ромбическое (очень хрупкое - его легко
можно истолочь в порошок) и серое олово.
Свинец - синевато-серебристый металл, быстро тускнеющий на
воздухе, очень мягок и режется ножом, плотность 11,34 г/см3, tºпл
=327,4°С.
33
Элементы подгруппы углерода образуют оксиды общей формулы:
ЭO2 и ЭO, а водородные соединения — формулы ЭH4.
Гидраты высших оксидов углерода и кремния обладают кислотными
свойствами, гидраты остальных элементов амфотерны, причем кислотные
свойства сильнее всего выражены у гидратов германия, а основные — у
гидратов свинца. От углерода к свинцу уменьшается прочность
водородных соединен» ЭH4: CH4 — прочное вещество, а РЬН4 в свободном
виде не выделено. В подгруппе с ростом порядкового номера уменьшается
энергия ионизации атома и увеличивается атомный радиус, т.е.
неметаллические свойства ослабевают, а металлические усиливаются.
Для элементов четвертой группы главной подгруппы характерны
ковалентныая полярная и ковалентная неполярная химическая связь.
Олово и свинец могут образовывать металлическую связь. Увеличение
радиуса атома и уменьшение энергии ионизации приводит к усилению
металлических свойств в ряду простых веществ: углерод — свинец. Так,
углерод — неметалл, кремний и германий — полупроводники, олово при t
< 14°С (α-Sn — серое олово) — полупроводник с кристаллической
решеткой типа алмаза, а олово при t > 14°С (β-Sn — белое олово) обладает
металлическими свойствами, свинец — типичный металл.
Все эти элементы встречаются в природе в виде соединений с
положительными степенями окисления. Углерод находится также в
самородном состоянии (нулевая степень окисления) в виде алмаза, графита
и карбина и соединений с отрицательными степенями окисления (нефть,
природный газ).
Свойства углерода.
→H
(Pt t° р) CH
2
(CxHy)
4
→ S t ° CS
→Мe t° карбиды
2
С → → Si t° SiC
→O2 t° CO
→ H
→ оксиды (Э
O t° H
2
)
2 On
t°
34
+ CO
2
Э + CO
2
СO
→ → H2O H2СO
2
(частично)
3
→ Mg
t°
→ C t° 2CO
MgO + CO
→ 2NaOH Na2CO3 + H2O
СO → → O
→ Cl
→ H
, t° СO
2
2 (свет), t°
(Ni), t° CH
2
СОCl
↑
2
2
+ СO
4
↑
2
→ H
(ZnO), t° CH
2
OH
3
→ NaOH 200°C HCOONa
→ CuO, t° Cu + CO
2
Карбиды.
Be2C + 4H2O = 2Be(OH)2 + CH4 ↑;
Al4C3 + 12H2O = 4Al(OH)3 + 3CH4↑; поэтому, Al4C3 - метанид;
метан
CaC2 + 2H2O = Ca(OH)2 + C2H2↑; поэтому, CaC2 - ацетиленид.
Получение СO
С + О
tº
= СO2↑;
2
tº
2
ацетилен
СaCO3 → CaO + СO2↑;
СaCO3 + 2HCl → CaCl2 + СO2 ↑ + H2O;
Получение СO
tº
СO2 + C = 2CO;
tº
C + H2O = CO + H2 ;
tº, H2SO4 конц.
HCOOH CO + H2O ;
35
Особенность химии углерода — способность образовывать длинные
устойчивые цепи атомов углерода — связана с тем, что у атома углерода
число валентных электронов равно числу валентных орбиталей,
максимальной и минимальной степени окисления и валентности. E (C-C)
= 350 кДж/моль.
Элемент кремний — аналог углерода; по сравнению с атомом
углерода валентные электроны кремния находятся в третьем
энергетическом уровне. В связи с увеличением числа электронных
орбиталей у кремния радиус атома будет больше, что приводит к
снижению прочности связей Si—Si. E(Si—Si) = 175 кДж/моль.
Атомы кремния, в отличие от атомов углерода, менее склонны
образовывать кратные связи. Прочность связей кремния с кислородом,
азотом и галогенами больше, чем у соответствующих связей углерода. Это
объясняется тем, что у атома кремния имеются свободные 3d атомные
орбитали, которые могут быть использованы для образования π-связи с
неподеленной электронной парой атомов кислорода, азота и галогенов.
Качественная реакция на СОз
2─
:
СОз2─ + Са2+ = СаСОз↓;
(Примечание. СаСОз – осадок белого цвета, растворимый в СНзСООН).
Гидрокарбонаты + tº до 200°С = карбонаты + СО2 + Н2О:
tº
Са(НСОз)2 = СаСОз + СО2 ↑ + Н2О;
Карбонаты + tº > 1000°С = оксиды металлов + СО
(кроме карбонатов
2
щелочных металлов) ;
СаСОз = СaО + СО2 ↑;
tº
Задания для самопроверки
1. Напишите уравнения реакций, при помощи которых можно
осуществить следующие превращения:
а) С → СН4 → СО2 → NaHCO3 → Na2CO3 →СО2;
б) СаСО3 → СО2 → СО → HCOONa → HCOOH →CO;
в) Be → Ве2С → СН4 → СО2 → СаСО3 → Са(НСО3)2;
г) Ва(НСО3)2 → ВаСО3 → СО2 → СО → СН3ОН → СО2.
36
2. Над раскаленным углем пропустили 0,72 г паров воды. Какую
массу меди можно получить при действии полученной при этом газовой
смеси на оксид меди (II) при нагревании? Считайте, что оба процесса
протекают количественно.
3. Смесь ацетилена с воздухом объемом 10 л взорвали,
полученную газовую смесь пропустили через раствор гидроксида бария и
получили 3,94 г карбоната и 12,95 г гидрокарбоната бария. Определите
объемную долю ацетилена в исходной газовой смеси.
4. Оксид углерода (IV) объемом 784 мл пропущен над раскаленным
углем массой 5 г. Продукты реакции использовали для реакции с 44,6 г
оксида свинца (II) при нагревании. Какой объем 30%-ного раствора
азотной кислоты (пл.1,184) пойдет на растворение продуктов последней
реакции?
Свойства кремния.
→H2 не идет
→ S t ° SiS
2
→Мe t° Me2Si
Si → → C t° SiC
→O2 tº600°С SiO
→ KOH K2SiO3 + H
→ N
→ F
t°
2
2
Si3N
SiF
SiO
→ Mg
→ Na2СO3 t°
→ NaOH t°
→ → HF SiF
2
t°
сплав
MgO + Si или MgO + Mg2Si
Na2SiO3 + CO
сплав
Na2SiO3 + H2O↑
4
4
↑ + H
4
2
O
2
2
2↑
37
Получение Si
tº
SiO2 + 2C = 2CO + Si;
tº
SiO2 + Mg = 2MgO + Si;
Задания для самопроверки
1. Напишите уравнения реакций, при помощи которых можно
осуществить следующие превращения:
а) Si →SiO2 →Na2SiO3 →H2SiO3 →SiO2 →Si;
б) SiO2 → Si → SiO2 → K2SiO3 → SiO2 →SiF4;
в) SiO2 →Mg2Si→SiH4 →SiO2 →Na2SiO3 →H2SiO3;
г) Na2SiO3 →SiO2 →Si →K2SiO3 →SiO2.
2. Раствор силиката натрия массой 400 г обработали избытком
раствора азотной кислоты. Выпавший осадок отделили и прокалили при
900°С. Сухой остаток имел массу 24 г. Определите массовую долю
силиката натрия в исходном растворе.
3. Смесь, содержащую 1,8 г оксида кремния и 1,44 г магния, нагрели
в электропечи. Какой объем 20%-ного раствора соляной кислоты (пл.1,1)
пойдет на растворение продуктов реакции?
4. Смесь магния и кремния массой 1 г была обработана горячим
раствором гидроксида калия. При этом было собрано 0,56 л (н.у.) газа.
Определите массовую долю магния в исходной смеси. Какой объем 40%ного раствора едкого калия (пл, 1,411) был израсходован?
5. Смесь кальция с кремнием нагрели без доступа воздуха.
Полученную смесь веществ обработали избытком соляной кислоты и
получили 1,008 л (н.у.) газовой смеси с плотностью по водороду, равной
14,33. Определите массовые доли веществ в исходной смеси.
ТЕМА 5. Элементы V – А группы - пниктогены. Азот. Фосфор
Пятую группу, главную подгруппу (подгруппу азота) составляют
пять элементов: азот, фосфор, мышьяк, сурьма и висмут. Все они являются р-элементами. На внешнем энергетическом уровне их атомы имеют
по пять электронов - ns2np3. Поэтому высшая степень окисления этих
элементов равна + 5, низшая — 3, характерна и + 3.
38
7N 1s2 │2s2 2p
Плотность,
г/см
3
t°
пл.
С
t°
кип.
С
Наличие в земной коре,
%
N 0,81
(жидкий при 196ºС)
- 210,0
- 195,8
0,01
P
1,83 (белый).
44,1 (белый)
257
0,08
As
5,72
(серый мышьяк)
сублимируетс
я при 615ºС
сублимиру
ется при
615ºС
5 · 10
-4
Sb 6,68
630,5
1634 4 · 10
-3
Bi
9,80
273,3
1550
2 · 10
-5
3
15P 1s22s2 2p6 │3s23p3
33As 1s22s2 2p63s2 3p6 │4s2 3d104p3
51Sb 1s22s2 2p63s2 3p64s2 3d
10 4p6
│5s2 4d105p3
83Bi 1s22s2 2p63s2 3p64s2 3d
валентные электроны
10 4p6 5s2 4d105p6
│6s2 4f
14 5d106p3
Физические свойства пниктогенов. Таблица 5
азота равна трем. Вследствие отсутствия d-подуровня на внешнем уровне
его 2s2 электроны разъединяться не могут. Однако атом азота может
образовывать за счет пары электронов 2s – подуровня одну донорноакцепторную химическую связь, т.е. станет четырехвалентным. Это
осуществляется, например, в азотной кислоте HNO3. Пятивалентным азот
быть не может.
имеются свободные орбитали на d-подуровнях, поэтому при переходе в
возбужденное состояние возможен проскок s-электронов в d-подуровень.
Таким образом, в невозбужденном состоянии у всех элементов подгруппы
азота валентность равна трем, а в возбужденном состоянии у всех, кроме
азота, равна пяти.
состава ЭH3. Молекулы ЭH3 имеют пирамидальную форму. В этих
У атома азота три неспаренных электрона. Поэтому валентность
У атомов фосфора и последующих элементов этой подгруппы
С водородом элементы подгруппы азота образуют соединения
39
соединениях связи элементов с водородом более прочные, чем в
соответствующих соединениях элементов подгруппы кислорода и
особенно подгруппы галогенов. Поэтому водородные соединения
элементов подгруппы азота в водных растворах не образуют ионов
водорода.
С кислородом элементы подгруппы азота образуют оксиды общей
формулы Э2O3 и Э2O5. Оксидам соответствуют кислоты HЭO2 и HЭO3 (и
ортокислоты H3ЭO4, кроме азота). В пределах подгруппы характер оксидов
изменяется так: N2O3 — кислотный оксид; P4О6 — слабокислотный оксид;
As2O3 — амфотерный оксид с преобладанием кислотных свойств; Sb2O3 амфотерный оксид с преобладанием основных свойств; Bi2O3 — основный
оксид. Таким образом, кислотные свойства этих оксидов уменьшаются с
ростом порядкового номера элемента.
В подгруппе азота с ростом порядкового номера неметаллические
свойства убывают, а металлические усиливаются. Этим объясняется
уменьшение прочности водородных соединений от NH3 к BiН3, а также
уменьшение прочности кислородных соединений в обратном порядке.
Для элементов подгруппы азота характерно образовывать в
соединениях ковалентную полярную и ковалентную неполярную
химические связи. В соединениях элементы подгруппы азота могут
проявлять степени окисления от — 3 до + 5. С увеличением заряда ядра
увеличивается радиус атома и легкость отдачи электронов, что приводит к
уменьшению устойчивости минимальной степени окисления —3. Так, для
азота известно много соединений со степенью окисления —3: аммиак,
соли аммония, нитриды, имиды, амиды. Для фосфора устойчивость таких
соединений значительно меньше, а восстановительные свойства выражены
сильно. Для остальных элементов данной подгруппы устойчивость низшей
степени окисления уменьшается, а восстановительные свойства еще и
увеличиваются. Все соединения элементов со степенью окисления ниже
устойчивой будут обладать восстановительными свойствами, а выше —
окислительными. Высшая степень окисления + 5 наиболее устойчива для
фосфора. Для висмута соединения со степенью окисления +5
малохарактерны и обладают сильными окислительными свойствами:
2КBrO3 + 8HNO3 = 2Bi(NO3)3 + 2KNO3 + O2 ↑ + 4Н2О;
Висмутаты существуют только в щелочной среде, а в кислой висмут
окисляет связанный с ним кислород.
40
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]