Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Общая и неорганическая химия. Часть 2. Лабораторный практикум с использованием микрохимического оборудования по дисциплине «Общая и неорганическая хим
.pdf
В.10 Объясните склонность кремниевых кислот к образованию
коллоидных растворов.
В.11 Что образуется при обезвоживании кремниевых кислот?
Какое значение имеет продукт обезвоживания в технике?
В.12 Опишите реакцию гидролиза силиката натрия, происходящую
в растворе ячейки F6. Укажите среду раствора по изменению окраски
индикатора.
В.13 Какой газ выделяется в ходе реакции между хлоридом
аммония и силикатом натрия в ячейке F5? Напишите реакцию
обменного взаимодействия указанных веществ, при этом необходимо
учесть, что образовавшийся силикат аммония подвергается гидролизу
в водном растворе с образованием кислоты и основания.
В.14 Объясните разнообразные формы нерастворимых силикатов,
образующихся при взаимодействии силиката натрия с
кристаллогидратами некоторых металлов.
В.15 Напишите уравнения реакций обмена, протекающих в ячейках
Е4 – Е6, ведущих к образованию нерастворимых силикатов.
Примеры решения задач.
1. При взаимодействии углерода с концентрированной серной
кислотой выделилось 13,44 л смеси двух газов (н.у.). Рассчитайте
массу углерода, вступившего в реакцию.
Решение. Пусть в реакцию
С + 2Н
2SО4(конц)
= СО2↑ + 2SО2↑ + 2Н2О
В соответствии с уравнением реакции во взаимодействие вступило х
моль С, тогда образовалось х моль СО2 и 2х моль SО2, всего 3х моль
газов. По условию, сумма количеств веществ газов в смеси равно
ν(газов) = V/Vm = 13,44 л /22,4 л/моль = 0,6 моль = 3х, откуда х = 0,2.
Масса углерода равна m (C) = ν (C) · M (C) = 0,2 моль .12 г/моль = 2,4
г.
Ответ. 2,4 г углерода.
2. При полном гидролизе смеси карбидов кальция и алюминия
образуется смесь газов, которая в 1,6 раза легче кислорода.
Определите массовые доли карбидов в исходной смеси.
Решение. В результате гидролиза образуются метан и ацетилен:
Аl
+ 12Н2О = 4Аl(ОН)3 + 3СН4↑,
4С3
СаС2 + 2Н2О = Са(ОН)2 + С2Н2↑.
51
Пусть в исходной смеси содержалось х моль Аl4С3 и у моль СаС2,
тогда в газовой смеси содержится 3х моль СН4 и у моль С2Н2. Средняя
молярная масса газовой смеси равна:
М
= M(О2) / 1,6 = 20 = (3x . 16 + у . 26) / (3х+у), откуда у = 2х.
ср
Массовые доли карбидов в исходной смеси равны:
ω(Аl4С3) = 144x / (144х+64у) · 100% = 52,94%,
ω(CаС2) = 64у / (144х+64у) · 100% = 47,06%.
Ответ. 52,94% Аl4С3, 47,06% СаС2.
3. При взаимодействии сложного вещества «А» с избытком
магния при нагревании образуются два вещества, одно из
которых — «В» — под действием соляной кислоты выделяет ядовитый газ «С». При сжигании газа «С» образуются исходное вещество «А» и вода. Назовите вещества «А», «В» и «С». Напишите
уравнения перечисленных химических реакций.
Решение. Вещество «А»
— оксид кремния, SiO2. При взаимо-
действии SiO2 с магнием сначала образуется кремний, который
реагирует с избытком магния и образует силицид кремния, Mg2Si
(вещество «В»):
SiO2 + 4Mg = Мg2Si + 2MgО.
Силицид магния легко гидролизуется с образованием ядовитого
газа силана, SiН
(вещество «С»):
4
Mg2Si + 4НСl = SiН4↑ + 2MgCl2.
При сгорании силана образуются исходное вещество SiO2 и вода:
SiН4 + 2О2 = SiO2 + 2Н2О.
Задачи.
1. Установите соответствие между типом соединения и его
химической формулой
Тип соединения Химическая формула
Co(OH)2
Co2O3
Co2(СO)9
СaCO3
CaC
2
3. Веществами X
Ca → X
→ CaCO3 → X2 являются …
1
1. Карбонил
2. Карбид
3. Карбонат
4. Оксид
и Х2 в цепочке превращений
1
CO2+H2O
52
1) CaCl2 и CaO
2) CaO и Ca(OH)2
3) Ca(OH)2 и Ca(HCO3)2
4) CaO и CaC2O4
3. Рассчитайте количество теплоты, выделяемое в организме при
окислении 45 г глюкозы (∆fH°=1273 кДж/моль) до углекислого газа
(∆fH°=393 кДж/моль) и воды (∆fH°=286 кДж/моль), равно…
4. Определите объем раствора хлорида кальция с молярной
концентрацией 0,1 моль/л, необходимый для осаждения карбонат –
ионов из 200 мл раствора карбоната калия с молярной концентрацией
0,15 моль/л.
5. При разложении одного моля СаСО
поглощается 180 кДж
3
теплоты. Чему равен объем выделившегося при этом газа.
6. Сколько теплоты в кДж выделяется при получении 2 моль
этанола, согласно термохимическому уравнению:
С
2Н4 (г)
+ Н2О
↔ С2Н5ОН
(ж)
(ж),
о
∆Н
= - 44 кДж?
7. Для приготовления 500 г раствора с массовой долей карбоната
калия 10% навеску соли необходимо растворить в скольких граммах
воды?
8. Сколько моль КОН содержится в 2 л раствора гидроксида калия,
имеющего рН = 13?
9. В каких реакциях CO
будет окислителем:
2
1) CO2 + H2O = H2CO3
2) CO2 + 2Mg = MgO + C
3) Na2O2 + CO
= Na2CO
2
+ 1/2 O2
3
4) CO2 + H2 = H2O + CO
10. Какой термин определяет, что слева направо металлические
свойства ослабляются, а неметаллические усиливаются?
11. Укажите электронно-графическую схему основного состояния
атома углерода.
12. Водный раствор соли имеет нейтральную реакцию, если соль
образована:
1) слабым основанием и слабой кислотой;
) слабым основанием и сильной кислотой;
2
3) сильным основанием и слабой кислотой;
4
) сильным основанием и сильной кислотой.
53
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 14
Название и
ЭО по
ТЕМА: «р-ЭЛЕМЕНТЫ III ГРУППЫ. БОР И АЛЮМИНИЙ,
ИХ СОЕДИНЕНИЯ И СВОЙСТВА»
Теоретический материал, подлежащий изучению до начала
работы.
Закономерности в изменении свойств p-элементов III группы и
образуемых ими простых веществ; принципы получения простых
веществ. Характерные степени окисления элементов в соединениях и
закономерности в изменении устойчивости соответствующих
соединений. Закономерности в изменении кислотно-основных и
окислительно-восстановительных свойств соединений в различных
степенях окисления. Применение p-элементов III группы, и их
соединений.
Общие положения.
Алюминий – основной представитель металлов главной подгруппы
II группы периодической системы. Свойства его аналогов – галлия,
I
индия и таллия – напоминают свойства алюминия, поскольку все эти
элементы имеют одинаковую электронную конфигурацию внешнего
уровня ns2nр1 и могут проявлять степень окисления +3.
Электронное строение элементов главной подгруппы III группы
Ат.
номер
символ
Электронная
конфигурация
Атомный
радиус,
ПИ,
эВ
Полингу
Степени
окисления
нм
5 Бор В [Не]2s22р1 0,083 8,3 2,0 +3
13 Алюминий
[Nе]3s2Зр1 0,143 6,0 1,5 +3
Аl
31 Галлий Gа [Аr]3d104s24р1 0,122 6,0 1,6 + 1, +3
49 Индий In [Кr]4d105s25р1 0,163 5,8 1,7 + 1, +3
81 Таллий Тl [Хе]4f145d106s26р
1
0,170 6,1 1,8 + 1, +3
С увеличением атомной массы усиливается металлический
характер элементов. Бор – неметалл, остальные элементы (подгруппа
алюминия) – металлы. Бор значительно отличается по свойствам от
остальных элементов и больше похож на углерод и кремний.
Остальные элементы – легкоплавкие металлы, In и Тl – чрезвычайно
мягкие.
54
Физические свойства элементов главной подгруппы III группы
Элемент Энергия связи, эВ ρ, г/см3 tпл, °C t
кип
, °C
В 5,83 2,34 2300 3658
Аl 3,38 2,70 660 2467
Gа 2,87 5,91 29,8 2227
In 2,52 7,30 156 2080
Тl 1,89 11,85
304 1457
Все элементы группы проявляют степень окисления +3, но с
увеличением атомного номера более характерной становится степень
окисления +1 (Тl преимущественно проявляет степень окисления +1).
В ряду В—Аl—Gа—In—Тl уменьшается кислотность и
увеличивается основность гидроксидов R(ОН)3. Н3ВО3 – кислота,
Аl(ОН)
и Gа(ОН)3 — амфотерные основания, In(ОН)3 и Тl(ОН)3 –
3
типичные основания. ТlOН — сильное основание.
Алюминий – самый распространенный металл на Земле (3-е место
среди всех элементов; 8% состава земной коры). В виде свободного
металла в природе не встречается; входит в состав глиноземов (Аl2О3),
бокситов (Аl2О3 · xН2О). Кроме того, алюминий обнаруживается в
виде силикатов в таких породах, как глины, слюды и полевые шпаты.
Содержание бора в земной коре составляет всего 0,001%. Его
важнейшим природным минералом является бура Na2B4O
Алюминий имеет единственный стабильный изотоп
два:
10
5B
19,9% и
11
5B
80,1%.
.
10Н2О.
7
27
Al, бор –
13
Физические свойства. Алюминий в свободном виде – серебристо-
белый металл, обладающий высокой тепло- и электропроводностью.
Алюминий имеет невысокую плотность – примерно втрое меньше,
чем у железа или меди, и одновременно – это прочный металл.
Бор существует в нескольких аллотропных модификациях.
Аморфный бор представляет собой темно-коричневый порошок.
Кристаллический бор – серо-черный, с металлическим блеском. По
твердости кристаллический бор занимает второе место (после алмаза)
среди всех веществ. При комнатной температуре бор плохо проводит
электрический ток; так же, как кремний, он обладает
полупроводниковыми свойствами.
Химические свойства. Поверхность алюминия обычно покрыта
прочной пленкой оксида Аl
, которая предохраняет его от
2О3
55
взаимодействия с окружающей средой. Если эту пленку удаляют, то
металл может энергично реагировать с водой:
2Аl + 6Н2О = 2Аl(ОН)3 + 3Н2↑.
В виде стружек или порошка он ярко горит на воздухе, выделяя
большое количество теплоты:
2Аl + 3/2O2 = Аl2О3 ; ∆Н0 = – 1676 кДж.
Это обстоятельство используется для получения ряда металлов из
их оксидов методом алюмотермии. Так назвали восстановление
порошкообразным алюминием тех металлов, у которых теплоты
образования оксидов меньше теплоты образования Аl2О3, например,
получение хрома:
Сr2О3 + 2Аl = 2Сr + Аl2О3 ; ∆Н0 = – 539 кДж.
Бор, в отличие от алюминия, химически инертен (особенно
кристаллический). Так, с кислородом он реагирует только при очень
высоких температурах (> 700°С) с образованием борного ангидрида
:
В
2О3
2В + 3О2 = 2В2О3.
С водой бор не реагирует ни при каких обстоятельствах. При еще
более высокой температуре (> 1200°С) он взаимодействует с азотом,
образуя нитрид бора (служит для изготовления огнеупорных
материалов):
2B + N2 = 2BN.
Лишь со фтором бор реагирует при комнатной температуре,
реакции же с хлором и бромом протекают только при сильном
нагревании (400 и 600°С соответственно); во всех этих случаях он
образует тригалогениды ВНal3 – дымящие на воздухе летучие
жидкости, легко гидролизующиеся водой:
2В + 3Наl2 = 2ВНаl3.
В результате гидролиза образуется ортоборная (борная) кислота
H3BO3:
ВНаl3 + 3Н2О = Н3ВО3 + 3ННаl.
В отличие от бора, алюминий уже при комнатной температуре
активно реагирует со всеми галогенами, образуя галогениды. При
нагревании он взаимодействует с серой (200°С), азотом (800°С),
фосфором (500°С) и углеродом (2000°С):
2Аl + 3S = Аl
(сульфид алюминия),
2S3
56
2Аl + N2 = 2АlN (нитрид алюминия),
Аl + Р = АlР (фосфид алюминия),
4Аl + 3С = Аl4С3 (карбид алюминия).
Все эти соединения полностью гидролизуются с образованием
гидроксида алюминия и, соответственно, сероводорода, аммиака,
фосфина и метана.
Алюминий легко растворяется в соляной кислоте любой
концентрации:
2Аl + 6НСl = 2АlСl3 + 3Н2↑.
Концентрированные серная и азотная кислоты на холоде не
действуют на алюминий. При нагревании алюминий способен
восстанавливать эти кислоты без выделения водорода:
2Аl + 6Н2SО
Аl + 6НNO
= Аl2(SО4)3 + 3SО2 + 6Н2О,
4(конц)
= Аl(NO3)3 + 3NO2 + 3Н2О.
3(конц)
В разбавленной серной кислоте алюминий растворяется с
выделением водорода:
2Аl + 3Н2SО4 = Аl2(SО4)3 + 3Н2.
В разбавленной азотной кислоте реакция идет с выделением оксида
азота (II):
Аl + 4HNО3 = Аl(NО3)3 + NO + 2Н2О.
Алюминий растворяется в растворах щелочей и карбонатов
щелочных металлов с образованием тетрагидроксоалюминатов:
2Аl + 2NаОН + 6Н2О = 2Na[Аl(ОН)4] + 3Н2↑.
Кислоты, не являющиеся окислителями, с бором не реагируют и
только концентрированная HNO3 окисляет его до борной кислоты:
В + HNO
+ Н2О = Н3ВO3 + NO↑
3(конц)
Контрольные вопросы.
1. В чем заключается принципиальное отличие свойств бора от
остальных элементов III(А)-группы? Чем это объясняется?
2. В чем проявляется электронная дефицитность соединений бора?
Объясните это с точки зрения строения атома бора.
3. Каков тип химической связи в галогенидах бора? Напишите
уравнения реакций гидролиза фторида и хлорида бора.
. Почему оксид бора не взаимодействует с HCl, но легко
4
растворяется в водном растворе HF?
57
5. Как алюминий взаимодействует с растворами кислот и щелочей?
Как влияет температура и концентрация кислот на продукты их
восстановления?
6. Чем объяснить различие во взаимодействии водных растворов
хлорида алюминия с водными растворами аммиака и гидроксида
натрия?
7. Термодинамически обоснуйте возможность применения
алюминия для получения других металлов (алюмотермия).
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №14(А)
НАЗВАНИЕ: «БОР И ЕГО СОЕДИНЕНИЯ»
Часть 1. Восстановительные свойства гидридоборатов.
Подготовка к работе.
Оборудование.
Поддон, 1 тонкая пипетка, микрошпатель,
стеклянная палочка.
Реактивы. Раствор сульфата меди (II) CuSO4, кристаллы
гидридобората калия K[BH4].
Порядок работы.
1. В ячейку А1 поместите 5-6 капель раствора сульфата меди (II).
2. В ячейку А1 микрошпателем внесите 1-2 кристаллика
гидридобората калия.
3. Перемешайте содержимое стеклянной палочкой и отметьте
образование осадка.
Часть 2. Гидратация оксида бора (III).
Подготовка к работе.
Оборудование. Поддон, микрошпатель.
Реактивы. Кристаллы оксида бора (III).
Порядок работы.
1. В ячейку Е1 поместите 1 микрошпатель оксида бора (III) из
плотно закрытой емкости.
2. Отметьте изменение агрегатного состояния твердого оксида
бора (III), вследствие взаимодействия его с влагой воздуха.
Часть 3. Получение метаборатов и их растворимость.
Подготовка к работе.
Оборудование.
Поддон, 3 тонкие пипетки.
58
Реактивы. Раствор буры (декагидрат тетрабората натрия)
Na2B4O7·10H2O, раствор хлорида кальция СaCl2, раствор нитрата
свинца Pb(NO3)2.
Порядок работы.
1. В ячейку В1 внесите пипеткой 3-5 капель раствора хлорида
кальция.
2. В ячейку В1 добавьте 2-3 капли раствора буры.
3. В ячейку В2 внесите пипеткой 3-5 капель раствора нитрата
свинца.
4. В ячейку В2 добавьте 2-3 капли раствора буры.
5. Отметьте изменения, происходящие в ячейках В1 и В2.
Тщательно промойте поддон после окончания опытов.
Вопросы.
В.1 Охарактеризуйте реакцию, протекающую в ячейке А1, как
обменную. Объясните появление осадка дигидробората меди.
В.2 Напишите уравнения образования HBO
и H3BO3 при
2
гидратации В2О3, происходящее в ячейке Е1 в атмосфере воздуха.
В.3 Докажите, какая форма борной кислоты наиболее устойчива в
водных растворах.
В.4 Определите, каково поляризующее действие иона В3+ и
возможно ли его существование в гидратированном виде в растворе.
В.5 Выясните, какие комплексы – катионные или анионные –
должны быть более характерны для бора (III).
В.6 Опишите отношение бора к кислотам и щелочам. Приведите
уравнения соответствующих реакций.
В.7 Перечислите элементы, в соединениях с которыми бору
приписывают положительную степень окисления.
В.8 Какие из бинарных соединений: галогенидов, оксида,
сульфида, нитрида и отвечающих им анионных комплексов бора (III)
мономолекулярны, какие – полимерны?
В.9 Приведите примеры реакций, иллюстрирующих кислотные
свойства бинарных соединений бора (III).
В.10 Определите, какое практическое значение имеет реакция
горения бороводородов.
В.11 Опишите уравнение реакций, происходящих в ячейках В1 и
В2, учитывая, что образуются метабораты (соли HBO
).
2
59
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №14(Б)
НАЗВАНИЕ: «ПОЛУЧЕНИЕ И СВОЙСТВА СОЕДИНЕНИЙ
АЛЮМИНИЯ»
Часть 1. Отношения алюминия к кислотам и щелочам.
Подготовка к работе.
Оборудование. Поддон, 2 тонкие пипетки, щипцы.
Реактивы. Раствор соляной кислоты HCl, раствор гидроксида
натрия NaOH, кусочки алюминия Al.
Порядок работы.
1. В ячейку F1 и F2 поместите щипцами по 1 кусочку алюминия.
2. В ячейку F1 пипеткой внесите 3-5 капель водного раствора
соляной кислоты.
3. В ячейку F2 пипеткой внесите 3-5 капель водного раствора
гидроксида натрия.
. Наблюдайте в обеих ячейках появление небольшого количества
4
пузырьков газа.
Часть 2. Получение гидроксида алюминия (III) и его
амфотерность.
Подготовка к работе.
Оборудование. Поддон, 3 тонкие пипетки.
Реактивы Раствор соляной кислоты HCl, раствор гидроксида
натрия NaOH, раствор хлорида алюминия (III) AlCl3.
Порядок работы.
1. В ячейку В1 внесите пипеткой 10 капель раствора хлорида
алюминия.
2. В ячейку В1 добавьте 2-3 капли раствора гидроксида натрия.
3. Содержимое ячейки В1 разделите на 2 части с помощью чистой
пипетки, и вторую половину раствора внесите в ячейку В2.
4. В ячейку В1 внесите 2 капли раствора соляной кислоты.
5. В ячейку В2 внесите 2 капли раствора гидроксида натрия.
6. Наблюдайте изменения, происходящие в указанных ячейках
(растворение осадка).
Часть 3. Гидролиз соединений алюминия (III).
Подготовка к работе.
Оборудование.
Поддон, 3 тонкие пипетки.
60
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]