Работа 14. Свойства d-элементов 4-го периода.

Цель работы - изучение химических свойств некоторых пере­ходных металлов и их соединений.

Металлы побочных подгрупп, так называемые переходные элементы относятся к d - элементам, поскольку в их атомах заполняются электронами d- орбитали.

У переходных металлов валентные электроны находятся на d - орбитали предвнешнего уровня и S - орбитали внешнего электронного уровня. Металличность переходных элементов объясняется наличием одного или двух электронов во внешнем электронном слое.

Незавершенный d-подуровень предвнешнего электронного слоя обуславливает многообразие валентных состояний металлов побочных подгрупп, что в свою очередь объясняет существование большого количества их сое­динений.

В химических реакциях электроны d - орбитали участвуют после того, как оказываются использованными S - электроны внешней орбитали. В образовании химических соединений могут участвовать все или часть электро­нов d - орбиталей предпоследнего электронного уровня. При этом образуют­ся соединения, соответствующие различным валентным состояниям. Пере­менная валентность переходных металлов является их характерным свойс­твом (исключение составляют металлы II и III побочных подгрупп). Ме­таллы побочных подгрупп IV, V, VI, VII групп могут входить в состав соединений как в высшем валентном состоянии (которое соответствует но­меру группы), так и в более низких валентных состояниях. Так, напри­мер, для титана характерны 2-, 3-, 4- валентные состояния, а для мар­ганца 2-, 3-, 4-, 6- и 7- валентные состояния.

Оксиды и гидроксиды переходных металлов, в котором последние находятся в низшем валентном состоянии, проявляют обычно основные свойства, например иFe(OH)₂. Высшие оксиды и гидроксиды характеризуются амфотерными свойствами, например TiO₂, Ti(OH)₄ или кислотными, например и.

Окислительно-восстановительные свойства соединений рассматриваемых металлов также связаны с валентным состоянием металла. Соединена с низшей степенью окисления обычно проявляют восстановительные свойства, а с высшей степенью окисления - окислительные.

Например, для оксидов и гидроксидов марганца окислительно-восстановительные свойства изменяются следующим образом:

Комплексные соединения.

Характерной особенностью соединений переходных металлов является способность к комплексообразованию, что объясняется наличием у ионов металла достаточного числа свободных орбиталей во внешнем и предвнешнем электронных уровнях.

В молекулах подобных соединений в центре находится комплексообразователь. Вокруг него координируются ионы, атомы или молекулы, называемые лигандами. Число их зависит от свойств комплексообразователя, степени его окисленности и называется координационным числом:

Заряд комплексообразователя	Координационное число

Комплексообразователь координирует вокруг себя лигандры двух типов: анионные и нейтральные. Образуются комплексы при соединении нескольких различных молекул в одну более сложную:

сульфотетраамин меди (II) гексацианноферрат (III) калия.

В водных растворах комплексные соединения диссоциируют, образуя комплексные ионы:

Сами комплексные ионы так же способны к диссоциации, но обычно в очень небольшой степени. Например:

Этот процесс протекает обратимо и равновесие его резко сдвинуто влево. Следовательно, согласно закону действия масс,

Константа Кн в подобных случаях называется константой нестойкости комплексных ионов. Чем больше величина константы, тем сильнее способ­ность иона диссоциировать на составные части. Величины Кн приводятся в таблице:

Опыт 1. Окисление ионов Mn²⁺ в ионы .

Внесите в пробирку немного двуокиси свинца, так чтобы было покрыто только дно пробирки, добавьте туда же несколько капель концентрированной и одну каплю раствора. Нагрейте раствор и наблюдайте появление ионов. Составьте уравнение реакции. Раствор соли марганца следует брать в небольшом количестве, так как избыток ионоввосстанавливаетдо.

Опыт 2. Окисление ионами в кислом, нейтральном и щелочном растворах.

Продукты восстановления ионов различны и зависят от РН раствора. Так, в кислых растворах ионвосстанавливается в ионы.

В нейтральных, слабокислых и слабощелочных растворах, т.е. в интервале РН от 5 до 9, ион восстанавливается с образованием марганцовистой кислоты:

В сильнощелочных растворах и при недостатке восстановителя ион восстанавливается до иона.

Налейте в три пробирки по 5-7 капель раствора перманганата калия . В одну из них добавьте такой же объем разбавленной серной кислоты, в другую ничего не добавляете, а в третью - концентрированного раствора щелочи. Во все три пробирки прибавьте по каплям, взбалтывая содержимое пробирки, раствор сульфита калия или натрия до тех пор, пока первой пробирке раствор не обесцветится, во второй выпадет бурый осадок, а в третьей раствор окрасится в зеленый цвет. Составьте уравнение реакций, имея в виду, что ионпревращается в ионы. Дайте оценку окислительной способностив различных средах по таблице окислительно-восстановительных потенциалов.

Опыт 3. Взаимодействие перманганата калия с перекисью водорода. Поместите в пробирку 1 мл. перекиси водорода, добавьте несколько капель раствора серной кислоты и несколько капель раствора пермангана­та калия. Какой газ выделяется? Испытайте его тлеющей лучиной. Сос­тавьте уравнение реакции и объясните его на основе окислительно-восс­тановительных потенциалов.

Опыт 4. Комплексные соединения железа.

А) Получение берлинской лазури. К 2-3 каплям раствора соли же­леза (III) добавьте каплю кислоты, несколько капель воды и каплю раствора гексационно - (П) феррата калия (желтой кровяной соли). Наблюдайте появления осадка берлинской лазури. Составьте уравнение реакции. Эта реакция используется для обнаружения ионов . Есливзять в избытке, то вместо осадка берлинской лазури может образоваться его коллоидная растворимая форма.

Исследуйте отношение берлинской лазури к действию щелочи. Что наблюдается? Что лучше диссоциирует. Fе(ОН)₂ или комплексный ион ?

Б) Получение роданида железа III. К нескольким каплям раствора соли железа добавьте каплю раствора роданида калия или аммония. Составьте уравнение реакции.

Исследуйте отношение роданида к щелочам и объясните наб­людаемое явление. Эта реакция, как и предыдущая, используется для обна­ружения иона.

Опыт 5. Получение комплексного соединения кобальта.

Поместите в пробирку 2 капли насыщенного раствора соли кобальта и добавьте 5-6 капель насыщенного раствора аммония: учесть, что при этом образуется раствор комплексной соли . Комплексные ионыокрашены в синий цвет, а гидратированные ионы- в розовый. Опишите наблюдаемые явления:

1. Уравнение получения комплексной соли кобальта.

2. Уравнение диссоциации комплексной соли кобальта.

3. Уравнение диссоциации комплексного иона.

4. Выражение константы нестойкости комплексного иона.

Контрольные вопросы и задачи.

1. Какие свойства (окислительные или восстановительные) проявляют соединения с высшей степенью окисления элемента? Составьте электронно-ионное и молекулярное уравнение реакции:

2. Какие свойства проявляют соединения с промежуточной степенью окисления элемента? Составьте электронно-ионные и молекулярные уравнения реакций:

3. Укажите отличительные и сходные свойства железа, кобальта, никеля. Почему Д. И. Менделеев поместил в периодической системе элементов кобальт между железом и никелем, несмотря на значение его атомного веса?

4. Напишите формулы комплексных соединений железа, кобальта, никеля. Чем объясняется хорошая комплексообразующая способность этих элементов?

5. Как изменяется характер оксидов марганца? Чем это обусловлено? Какие окислительные числа может иметь марганец в соединениях?

6. Есть ли сходство в химии марганца и хрома? В чем оно выражается.

7. На каких свойствах марганца, железа, кобальта, никеля, хрома основано их применение в технике?

8. Дайте оценку окислительной способности ионов и восстановительной способности ионов.

9. Чем объяснить, что окислительные числа Си, Ag, Аu бывает больше +17.

10. Объясните почернение серебра со временем на воздухе, позеленение меди на воздухе.

11. Составьте уравнение реакций, протекающих по схеме: