Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Химия. Практикум
.pdf
Олово и свинец — легкоплавкие (t
=232°C), мягкие металлы. Вода
плSn
практически не растворяет эти металлы. Концентрированные соляная и серная
кислоты при нагревании растворяют оба металла:
Pb +2 H2SO4 = Pb (HSO4)2 + H
2.
Олово и свинец–амфотерные металлы, поэтому растворяются не только в
кислотах, но и в щелочах:
M + 2NaOH +2H2O = Na2[М(OH)4] +H2.
2.3 Общие химические свойства d-металлов
Атомы большинстваd–элементов имеют на внешнем слое по два s–
электрона и на предвнешнем — от одного до десяти электронов [(n-1) d
1-10ns2
].
Исключение составляют атомы первой группы [(n-1) d10ns1]. Все d–элементы
являются восстановителями. Большинство соединений с низшей степенью
окисления металлов — восстановители. Соединения d–элементов высшей степени окисления — сильные окислители (KMnO4, K2CrO4и др.). С увеличением
степени окисления атомов в оксидах и гидроксидах увеличивается кислотный
характер последних.
Химическая устойчивость возрастает в группах при увеличении атомного
номера. Так, если хром и марганец растворяются в разбавленных соляной,
азотной и серной кислотах, то рений лишь в HNO3 и горячей H2SO4, а вольфрам
в горячей смеси HF (плавиковой) и азотной кислот.
2W + 4HNO3 + 10HF = WF6 +WOF4+ 4NO↑ + 7H2O.
Большинство d-металлов IV–VI групп получают методами металлотермии (с помощьюMg, Na, Ca, Al), восстановлением оксидов водородом или
кремнием. При взаимодействии d-элементов IV–VI групп со слабыми окислителями (углерод, кремний, бор, азот) при высокой температуре образуются металлоподобные карбиды, силициды, бориды и нитриды.
Металлы VIII группы подразделяются на семейства железа (Fe, Co, Ni) и
платиновых металлов (Ru, Rh, Pd, Os, Yr, Pt). На предвнешних d–подуровнях у
атомов этих элементов находится от 6 до 10 электронов, а на внешних s–
подуровнях — от 0 до 2 электронов. Вследствие термодинамической устойчи-
вости и склонности к пассивации металлы платиновой группы характеризуются
высокой химической стойкостью. Родий, рутений и иридий нерастворимы в
царской водке, а Rt, Pd и Os растворимы, палладий также растворим в HNO3.
Железо, кобальт и никель растворяются в разбавленных кислотах. Все
элементы VIII группы проявляют переменную степень окисления.
61
К d–элементам первой группы (IБ) относятся медь, серебро и золото.
Стандартные электродные потенциалы этих металлов наиболее положительны
среди металлов своего периода. Вследствие этого эти металлы имеют достаточ-
но высокую химическую стойкость. С разбавленными кислотами HCl и
H2SO
эти металлы не реагируют.В отсутствии окислителей эти металлы не
4)
растворяются в растворах щелочей. К d-элементам II группы относятся цинк,
кадмий и ртуть. Стандартный электродный потенциал изменяется от отрица-
тельных значений у цинка и кадмия до положительных значений — у ртути. На
воздухе эти металлы покрыты защитными пленками, которые защищают их от
коррозии в атмосфере, не содержащей агрессивных газов. Цинк и кадмий реа-
гируют с неорганическими кислотами при комнатной температуре, цинк также
реагирует со щелочами, аммиаком, солями аммония. Ртуть растворяется в
HNO3,H2SO
разб.).. Эти металлы получают переработкой руд с последующим электрооса-
(
конц. горячей), царской водке и не растворима в HCl и H2SO
4 (
4
ждением.
3. Литературные источники
1. Коровин Н.В. Общая химия. Учебник для технических направлений и
спец. вузов. – М., Высш. шк., 2008. – С.358-381.
2. Тихонов Г.П., Минаева И.А., Слуцкая С.А. Общая химия. Часть III.
Учебное пособие для самостоятельной подготовки студентов-М., АльтаирМГАВТ, 2010. – С.103-130.
3. Тихонов Г.П., Минаева И.А., Пономарев А.Е. Химия на водном транс-
порте. Учебное пособие. – М., Альтаир-МГАВТ, 2012. – С.48-54.
4. Порядок проведения занятия и зачета по работе
В начале занятия преподаватель кратко напоминает студентам о химиче-
ских свойствах металлов и их значении для водного транспорта. Затем по теме
заслушиваются следующие самостоятельно подготовленные сообщения сту-
дентов (рефераты):
1. Химические свойства s-металлов.
2. Химические свойства p-металлов.
Далее заслушивается ход решения задач из раздела №5.
В ходе обсуждения доложенных положений в форме взаимного диалога
между преподавателем и самими студентами в интерактивной форме рассмат-
риваются и обсуждаются следующие основные вопросы:
62
1. Общие химические свойства d-металлов.
2. Химические свойства d-металлов IV-VI групп периодической системы
Д.И. Менделеева.
3. Химические свойства d-металлов VIII группы периодической системы
Д.И. Менделеева.
4. Химические свойства d-металлов I и II групп периодической системы
Д.И. Менделеева.
По результатам доложенных рефератов, разбора решения задач и хода
обсуждения вопросов, вынесенных на занятие, преподаватель принимает реше-
ние о зачете данной работы отдельно каждым студентом.
5. Задание на самостоятельную работу
4.1 Изучить по предложенным литературным источникам тему «Химические свойства металлов».
4.2 Решить 2-е задачи, предложенные преподавателем, из раздела №5
данной темы.
6. Задачи для самостоятельного решения
1. В трех пробирках находятся водные растворы солей FeSO4, CoCl
и
2
Ni(NO3)2, в каждую пробирку добавляют (по каплям) раствор гидрата аммиака.
Опишите наблюдаемые изменения и объясните их. Определить в каких пробир-
ках находились эти соли?
2. Известно, что перманганат калия в сильнощелочном растворе посте-
пенно превращается вначале в манганат калия, а затем в оксид марганца (IV) c
одновременным выделением газа. Составьте уравнения происходящих при этом
реакций. Какова функция марганца (VII) в этих реакциях?
3. Смесь, состоящая из (объемные части) — HCl 3ч. и HNO3 1ч., называется царской водкой, в которой растворимы золото и платина. Объясните, почему золото и платина не растворимы в HCl и HNO3, взятых по отдельности, а в
их смеси — растворимы. Принимая, что растворение золота описывается уравнением:
Au + 4 HCl + 3 HNO3 =H[AuCl4] + 3NO2↑ + 3H2O
63
рассчитайте, какое количество HCl израсходовалось и какое количество NO
2
выделилось, если растворилось 19,7г золота?
4. Укажите в какие продукты переходят металлы семейства платины в ре-
зультате следующих процессов:
а) барботирования (пропускания газа через жидкость) кислорода через
суспензию порошкообразного рутения в хлороводородной кислоте;
б) обработки осмия концентрированной серной кислотой;
в) обработки палладия концентрированной азотной кислотой;
г) химического растворения платины в царской водке.
5. Известно, что оксид осмия (VIII) реагирует с водой, при этом раствор
не становится заметно кислым или основным. В виде каких частиц осмий (VIII)
находится в этом растворе?
6. Напишите реакции взаимодействия цинка и меди с азотной кислотой
(концентрированной и разбавленной).
7. В азотной кислоте олово окисляется до Sn (IV), причем в разбавленной
кислоте образуется нитрат олова, а азот изменяет степень окисления до +2, а в
концентрированной кислоте образуется оловянная кислота H2SnO3, а азот изменяет степень окисления до +4. Напишите уравнения реакций растворения олова.
8. Объясните, почему титан, имеющий более отрицательный потенциал,
чем потенциал цинка, в серной кислоте не растворяется, в то время как цинк
легко растворяется.
9. Почему никель растворим, а платина не растворима в серной кислоте?
10. Объясните, почему ниобий и тантал не растворимы в HNO3 и HF, но
растворимы в их смесях?
11. Почему бериллий устойчив, а кальций не устойчив на воздухе?
12. Можно ли растворить при 298 К 1грамм CdS в одном литре воды?
64
13. Если в сточных водах присутствуют ионы кадмия и ртути, то какие
способы Вы предложили бы для очистки вод? Напишите уравнения реакций.
14. При добавлении NH4OH к раствору CuSO4 выпал осадок, при дальнейшем увеличении концентрацииNH4OH осадок растворился. Напишите уравнения протекающих реакций.
15. Какие продукты могут образоваться при барботировании через раствор гидроксида бария следующих газов:
а) диокида углерода;
б) сероводорода;
в) йодоводорода;
г) хлора
Составьте уравнения реакций. Что называют «баритовой водой» и «из-
вестковым молоком»?
16. Чем определяется большая коррозионная стойкость алюминия? Как
относится этот металл к кислотам и щелочам? Чем объясняется его пассивация
в концентрированной азотной и концентрированной серной кислоте на холоде?
17. Вода, выдержанная в серебряном сосуде («серебряная вода»), облада-
ет бактерицидными свойствами. Предложите уравнение возможных реакций
перехода серебра в воду в виде ионов Ag+.
18. В лаборатории для очистки использованной ртути, чаще всего загряз-
ненной цинком, свинцом, медью и железом, ее перемешивают с насыщенным
раствором нитрата ртути (II). Какие химические реакции лежат в основе этого
способа очистки?
19. Производные титана (III)являются сильными восстановителями и легко окисляются до соединений титана (IV). Напишите уравнение реакции образования хлорида оксотитана (IV) при действии кислородом воздуха и воды на
TiCl3.
65
20. В чем проявляется сходство в химическом поведении аквакатионов
хрома (III), железа (III) и алюминия (III)? Является ли оно полным?
21. Какую окраску имеют аквакомплексы [Cr(H2O)6]2+ и [Cr(H2O)6]
3+
? По-
чему соединение состава CrCl3·6H2O в зависимости от условий дает растворы
фиолетового, светло– и темно–зеленого цветов?
22. Какую равновесную систему образуют хромат– и дихромат–ионы в
водном растворе? Как смещается равновесие кислотами и щелочами?
7. Примеры решения задач
1. Какие из металлов (Au, Sn и Mn) могут быть окислены кислородом при
298К, pH=7 и стандартном состоянии всех веществ?
Решение:
Как известно, окисление металлов возможно при условии E
ox/red>EMe
n+
/Me.
Потенциал кислородного электрода при 298К, относительном парциальном
давлении кислорода, равном 1 и pH 7 равен 0,8В. Стандартные потенциалы металлов равны: E
0Sn2+
/Sn =0.136B, E
0Mn2+
/Mn =1,18B и E
0 Au+3
/Au=1.498В. Поэтому
указанное выше условие соблюдается только для олова и марганца, которые
могут быть окислены кислородом при pH=7. Для золота указанное условие не
соблюдается, и оно не может быть окислено кислородом при pH=7.
2. Можно ли получить железо восстановлением оксида FeO водородом с
образованием водяного пара при 298К и стандартных состояниях всех веществ?
Определите области температур, при которых эта реакция может протекать са-
мопроизвольно при стандартных состояниях всех веществ.
Решение:
Реакция протекает самопроизвольно при ΔG
<0. Реакция восстановле-
x.p.
ния FeO водородом может быть представлена уравнением:
FeO
(к)
+ H
= Fe(к) + H2O
2 (г.)
(г.)
Расчет в соответствие с законом Гесса дает следующее значение стан-
дартной энергии Гиббса этой реакции при 298К: ΔG0=+15,7 кДж/моль. Отсюда
следует, что прямая реакция при указанных условиях самопроизвольно проте-
кать не может. Для определения возможности самопроизвольного протекания
66
реакции при других температурах рассчитаем значение стандартной энтропии
реакции при 298К:
ΔS
0
x.p.
=S
0
Fe
+ S
0
H2O (Г)
– S
0
FeO –
0
S
=26,2 Дж/ (моль·К).
H2O
Так как стандартная энтропия реакции выше нуля, то с увеличением тем-
пературы, энергия Гиббса реакции уменьшается и при некоторой температуре
(Тр) наступает равновесие, ΔG
=0, при котором реакция возможна как в пря-
x.p.
мом, так и в обратном направлениях. Расчет Тр проводится по уравнению:
Т
= ΔH
р
x.p.
/ΔS
x.p.
.
Принимая, что энтропия и энтальпия реакции не зависят от температуры,
найдем температуру равновесия при стандартных состояниях всех веществ. Для
этого необходимо сначала рассчитать стандартную энтальпию реакции:
ΔH
= +21,6 кДж/моль.
x.p.
Зная энтропию и энтальпию реакции, можно по вышеприведенной фор-
муле найти Т
При стандартных состояниях всех веществ она равна
р.
21600/26,2=824К.
Таким образом, рассматриваемая реакция может протекать при стандарт-
ных состояниях всех веществ самопроизвольно при Т>824К.
3. В какой среде следует проводить окисление хрома (III) до хрома (VI) и
использовать соединения хрома (VI) в качестве окислителя?
Решение:
Система Cr(III) ↔ Cr(VI) в кислой и щелочной средах может быть выра-
жена следующими электронно–ионными уравнениями:
Cr2O
[Cr(OH)6]3- + 2OH- – 3 ē → CrO
2-
+ 14H+ + 5H2O + 6ē → 2[Cr(H2O)6 ]3+, Е0 = 1,36В
7
2-
+ 4H2O, Е0 = –0,13В
4
Значения Е
0
для этих систем указывают на то, что окисление хрома (III)
до хрома (VI) значительно легче протекает в щелочной среде, а окислительные
свойства хрома (VI) выражены много сильнее в кислой среде.
4. При сплавлении олова с магнием образуется интерметаллическое соединение Mg2Sn. В какой пропорции нужно сплавит указанные металлы, чтобы
получить сплав с содержанием 20 % (масс.) свободного магния?
67
48
167
119
167
56 2,24
22,4
5,6
10
4,4
10
Решение:
Определяем процентное (по массе) содержание магния и олова в Mg2Sn.
Получаем:
% Mg =
% Sn=
×100% =28,7% магния;
×100% = 71,3% олова.
Согласно условию задачи, в 100г сплава должно содержаться 20г магния
и 80г Mg2Sn. Вычисляем, сколько граммов каждого из металлов входит в состав
80г Mg2Sn:
80 × 0,287= 23г Mg;
80 × 0,713 = 57г Sn.
Следовательно, для приготовления 100г сплава указанного в задаче со-
става на 57 г олова надо взять 23+20 = 43 г магния, т.е. олово и магний должны
быть взяты в отношении 57:43.
5. Смесь порошков меди и железа массой 10 г обработаны раствором соляной кислоты и при этом выделился газ объемом 2,24 л (н/у). Каковы массовые доли металлов в смеси?
Решение:
В соляной кислоте из этих двух металлов растворяется железо, поэтому
выделяющийся газ (Н
) образуется только по реакции железа с соляной кисло-
2
той:
Fe + 2HCl = FeCl2 + H2.
1 моль Fe (56г) образует по реакции 1моль H2 (22,4л (н/у)),
т.е. 22,4 л H
2 ------------------
а 2,24 л H
2 -----------------
образуются по реакции с 56г Fe,
Хг.
Отсюда
Х=
= 5,6 г Fe.
Следовательно, в сплаве массой 10г на долю меди будет приходиться 10 –
5,6 = 4,4 г Cu. Процентное отношение железа и меди в сплаве будет равно:
% Fe =
% Cu =
×100% = 56% Fe,
×100% = 44% Cu.
68
ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ № 8
Химические свойства неметаллов
1. Перечень вопросов, рассматриваемых на практическом занятии.
1. Физико–химические свойства неметаллов.
2. Химия элементов главных подгрупп IV–VII групп периодической си-
стемы Д.И. Менделеева.
2. Теоретическая часть
2.1 Физико–химические свойства неметаллов
Физические и химические свойства неметаллов определяются их положе-
нием в периодической системе Д.И. Менделеева. Неметаллы располагаются в
VIII группе (благородные газы), VII группе (галогены), VI группе (халькогены),
V группе (азот, фосфор, мышьяк), IV группе (углерод, кремний, германий), III
группе (бор) и I группе (водород). Все простые вещества — неметаллы при
обычных условиях находятся либо в газообразном состоянии, либо в твердом
виде, лишь Вr2 при обычных условиях — жидкость.
Окислительная способность неметаллов увеличивается в периоде слева
направо, а в группе — снизу вверх. Наиболее сильными окислителями являются фтор и кислород, хлор и бром. Преимущественно восстановительные свойст-
ва проявляют водород, бор, углерод, мышьяк, кремний, германий, фосфор и
теллур. Промежуточные окислительно-восстановительные свойства имеют
азот, сера и йод. Кислород и галогены образуют ионные соединения, а бор, углерод, водород, азот и фосфор — преимущественно ковалентные соединения.
2.2. Химия элементов главных подгрупп IV–VII групп
периодической системы Д.И. Менделеева
В IVА группу входят неметаллы: углерод С, кремний Si и германий Ge, а
также металлы: олово Sn и свинец Рb. Их электронная конфигурация ns2np2.
Углерод встречается в виде четырех аллотропных модификаций: алмаз,
графит, карбин и фуллерен C
, отвечающим трем типам гибридизации. С кис-
60
лородом углерод образует два оксида: СО и СO2. При взаимодействии СO2 с
водой образуется слабая угольная кислота: Н
O + СO2 ↔ Н2СO3.
2
Углекислота обрадует соли карбонаты и гидрокарбонаты, широко распро-
страненные в природе. В природной воде растворены гидрокарбонаты кальция
и магния (Са(НСО3)2 и Mg (HCO3)2).
69
Кремний в отличии от углерода имеет лишь одну устойчивую модифика-
цию, при комнатной температуре химически инертен. Хлором он окисляется
лишь при 400°С, а кислородом — при 600°С. При 1000°С идет взаимодействие:
3Si + 2N2 = Si3N4, при 2000 °С: Si + С = SiC.
Кремний растворяется в щелочах:
Si + Н2O+ 2КОН = K2SiO3 + 2Н2,
или в смеси плавиковой и азотной кислот:
3Si + 4HNO3+18HF = 3H2SiF6 + 4NO+ 8Н2O.
При взаимодействии с металлами кремний является окислителем:
2Mg + Si = Mg2Si..
Германий при нормальных условиях менее химически активен, чем кремний: не взаимодействует со щелочами и разбавленными кислотами. Азотная
кислота окисляет его в германиевую кислоту:
Ge + 4HNO3 = H2GeO3 + 4NO2↑ + Н2O.
В присутствии окислителей Ge растворяется в щелочах:
Ge + 2КОН + O2 + 2Н2O = K2[Ge(OH)6],
В VА — группу элементов входят азот N, фосфор Р, мышьяк As, сурьма
Sb и висмут Bi. Они имеют электронную конфигурацию ns2np
3
. Азот и фосфор
являются типичными неметаллами, висмут относится к металлам, а мышьяк и
сурьма проявляют как неметаллические, так и металлические свойства.
Азот имеет низкую реакционную способность.Наиболее важное соединение азота- аммиак NH
вы, за исключением N2O3, легко разлагающегося на NO и N2O3, и N2O
рый постепенно разлагается на NO2 и O
. Азот образует шесть оксидов. Они достаточно устойчи-
3
, кото-
5
. Все оксиды азота, за исключением
2
N2O, токсичны.
Азотная кислота HNO3 — сильный электролит, бесцветная, дымящаяся на
воздухе жидкость. Она окисляет большинство металлов, за исключением тер-
модинамически устойчивых (Au, Pt, Rh и Zr) и склонных к пассивации металлов (Ti, Та, Zr, Hf, Nb). В концентрированной HNO3 устойчивы Al, Fe, Сo, Ni,
Cr, вследствие образования пассивного слоя на поверхности. Сильные восстановители (Са, Mg, Zn и др.) восстанавливают HNO3 до NH4NO3.
Простое вещество фосфор может находиться в виде трех аллотропных
форм: белый Р
, красный (полимерная структура) и черный (слоистая структу-
4
ра) подобно графиту. Белый фосфор имеет тетраэдрическую структуру, он химически активен и очень ядовит. Красный и черный фосфор химически устойчивее белого фосфора и не ядовиты.
70
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]