attachments_21-10-2012_19-29-50 / Лабораторный практикум по химии. Часть 1

1.1.4.Возбужденное состояние атома

Вопределенных условиях электроны в атоме могут переходить с орбиталей обладающих минимальной энергией на вакантные орбитали с большей энергией. При этом электроны (и атом в целом) поглощают избыточную энергию, необходимую для этого перехода. Данная энергия излучается атомом при обратном переходе электрона. Состояние атома, когда один или несколько электронов обладают избыточной энергией и находятся на орбиталях с большей энергией, называется возбужденным. Как правило, такие переходы происходят с электронами внешнего уровня и в пределах одного уровня. Если у атома на внешнем уровне нет свободных орбиталей, то у него отсутствует возбужденное состояние.

Пример: электронное строение бора 5В:

Пример: электронное строение кислорода 8O:

Возбужденного состояния у атома кислорода нет, т.к. нет свободных орбиталей в пределах второго уровня, а переход на третий уровень энергетически невыгоден.

Пример: электронное строение атома хлора 17Cl:

предсказать существование различных ионов данного элемента и оценить их окислительно-восстановительные свойства.

1.1.5. Ионизированное состояние атома

При взаимодействии атомов может происходить переход электронов от одного атома к другому, при этом атомы превращаются в заряженные частицы

11

– ионы. Анионы – отрицательно заряженные ионы, приобретают отрицательный заряд за счет присоединения избыточных электронов на внешний уровень нейтрального атома. Катионы – положительно заряженные ионы, приобретают положительный заряд за счет отдачи электронов с внешнего уровня нейтрального атома. Процесс присоединения или отдачи электронов оказывается наиболее выгодными, если в результате его внешний электронный подуровень атома полностью заполняется электронами или становиться полностью вакантным.

Присоединение электронов к атому более выгодно, в случае, если для полного заполнения электронами внешнего подуровня необходимо небольшое количество электронов. Данными свойствами обладают неметаллы:

Способность отдавать электроны (проявлять положительные степени окисления) характерна практически для всех элементов в таблице Д. И. Менделеева. Наиболее легко способны отдавать электроны металлы из-за того, что у них на внешнем уровне небольшое количество электронов. Некоторые элементы способны отдавать разное количество электронов и проявлять разные степени окисления. Максимально возможная степень окисления элемента соответствует номеру группы в таблице Д. И. Менделеева, в которой он расположен.

1.2.Контрольные вопросы

1.Модель строения атома.

2.Как определить число протонов, нейтронов и электронов в атоме? Приведите пример.

3.Квантовые числа, их физический смысл.

12

4.Принцип Паули и следствия из него.

5.Возбужденное состояние атома.

6.Правило Хунда.

7.Изотопы и изобары.

8.Ионное состояние атомов.

1.3.Контрольные задания

1.Для всех элементов 2 и 3-го периодов таблицы Д. И. Менделеева приведите: а) полную электронную формулу, б) сокращенную электронную формулу, в) сокращенную электронно-графическую формулу элемента в нормальном состоянии, г) сокращенную электроннографическую формулу элемента в ионизированном состоянии.

Пример:

2.Приведите сокращенные электронно-графические формулы элементов 25Mn и 35Br в нормальном и ионизированном состояниях. Укажите сходство и различие этих элементов.

3.Приведите сокращенную электронную формулу следующих элементов:

57La, 64Gd, 72Hf, 52Те, 48Cd, 88Ra.

Лабораторная работа 2

КОМПЛЕКСНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ

Цель работы: Изучить состав, механизм образования и некоторые свойства комплексных соединений, получить представление о структуре, диссоциации и номенклатуре комплексных соединений.

2.1.Теоретическая часть

2.1.1.Общие положения

Комплексные соединения (КС) имеют исключительно большое значение в природе. На основе образования комплексных соединений разработаны

13

эффективные методы получения химически чистых металлов из руд, редких металлов, красителей и др. С использованием комплексных соединений связана возможность получения лаков, красок, электрохимических покрытий, фотоматериалов, средств переработки и консервирования продуктов питания. Гемоглобин и хлорофилл, ответственные за процессы дыхания и фотосинтеза в животных и растительных организмах, являются комплексными соединениями железа (Fe) и магния (Mg).

Как следует из названия, комплексные соединения являются достаточно сложными веществами. В основе любого комплексного соединения лежит центральный атом или ион (называемый комплексобразователем) который способен координировать вокруг себя различные частицы – лиганды (атомы, ионы или молекулы). Вместе, комплексообразователь и лиганды, образуют

внутреннюю сферу комплексного соединения (комплексный ион), которая может являться как заряженной положительно или отрицательно, так и нейтральной. Если комплексный ион является заряженным, то он за счет сил электростатического притяжения способен удерживать ионы противоположного знака, которые образуют внешнюю сферу. Принято, при написании формулы комплексного соединения символы комплексообразователя и лигандов (т.е. частицы образующие внутреннюю сферу) заключать в квадратные скобки, причем символ комплексообразователя указывается первым, а ионы внешней сферы за скобками:

щелочных и щелочно-земельных металлов), например Cr3+, Mn2+, Fe2+, Fe3+, Cu2+, Zn2+, Co2+ и т.д. У всех этих ионов на внешнем уровне есть свободные орбитали.

В качестве лигандов обычно выступают либо анионы (кислотные остатки) либо нейтральные молекулы:

У лигандов обычно имеется свободная пара электронов, за счет которой они способны координироваться вокруг комплексообразователя, образуя химическую связь с комплексообразователем по донорно-акцепторному механизму.

В качестве примера рассмотрим строение комплексного иона [Zn(NH3)4]2-. На внешнем энергетическом уровне иона цинка Zn2+ имеется четыре свободные орбитали:

Молекула аммиака (лиганд) имеет неподеленную пару электронов и

H

. .

способна образовывать ковалентную связь с ионом цинка (Zn2+) по донорноакцепторному механизму. Ион цинка находится в состоянии sp3-гибридизации и координирует четыре молекулы аммиака:

2+

NH. . 3

NH3

Общее число химических связей, которое образует комплексообразователь с лигандами, называется координационным числом комплексообразователя. Значение координационного числа для различных комплексообразователей определяется его размерами, зарядом и наличием свободных орбиталей у комплексообразователя. Чаще всего координационное число равно 6,4,2.

Следует помнить, что при образовании комплексного соединения вначале образуется комплексный ион (заряд которого равняется алгебраической сумме зарядов комплексообразователя и лигандов), а затем, в зависимости от его заряда, формируется внешняя сфера. Если комплексный ион положителен, то внешняя сфера отрицательна. Такие комплексы относятся к катионным:

15

У нейтральных комплексов внешняя сфера отсутствует, что связано с отсутствием заряда комплекса:

2.1.2. Диссоциация комплексных соединений

Анионные и катионные комплексы легко подвергаются диссоциации по типу сильных электролитов с отщеплением внешней сферы, например:

1. диссоциация анионного комплекса:

2. диссоциация катионного комплекса:

Дальнейшая диссоциация самого комплексного иона на комплексообразователь и лиганды идет с большим трудом. Мерой устойчивости комплексного иона служит константа нестойкости комплексного иона (константа диссоциации), обозначается Кн:

Чем меньше значение константы, тем больше тем более устойчив комплексный ион. В справочниках обычно приведено значение показателя константы нестойкости pКн = - lg Кн. Очевидно, чем выше значение рКн, тем прочнее комплексный ион.

16

2.1.3. Номенклатура комплексных соединений

Название комплексного соединения образуется из названий частиц образующих комплексное соединение с указанием их количества. Так, лиганды в комплексных соединениях имеют следующие названия:

Если в комплексном соединении есть несколько однотипных лигандов, то перед их названием указывается их количество греческим числительным:

В названии комплексного соединения сначала дается название аниона, затем катиона. После названия комплексообразователя римской цифрой в скобках указывается степень окисления комплексообразователя. Если комплексообразователь входит в состав комплексного аниона, то для названия комплексообразователя используют латинское название элемента комплексообразователя, если комплексообразователь в составе комплексного катиона, то используют русское название элемента комплексообразователя

[Pt(NH3)4Cl2]Cl2 – хлорид дихлоротетраамминплатины (IV), [Fe(H2O)4Cl2]NO3 – нитрат дихлоротетраакважелеза (III), K4[Fe(CN)6] – гексацианоферрат (II) калия, (NH4)2[Mo(CNS)4] – тетрароданомолибдат (II) аммония.

2.1.4. Двойные соли

Двойными солями называют продукты замещения атомов водорода в кислотах на атомы двух различных металлов. В водных растворах двойные соли диссоциируют, образуя два различных катиона и анион, например:

17

2.2. Экспериментальная часть

Опыт 1. Получение и диссоциация аммиаката меди – соединения с комплексным катионом.

К 5-6 каплям раствора сульфата меди добавьте по каплям раствор аммиака до выпадения осадка основной соли меди (запишите уравнение реакции и отметьте цвет осадка). К этому осадку добавьте избыток раствора аммиака до растворения осадка и образования окрашенного раствора, содержащего комплексный катион (напишите уравнение реакции и укажите цвет раствора). Назовите полученные соединения. Полученный раствор аммиаката меди разделите на две части. В первую пробирку добавьте 1-2 капли раствора гидроксида натрия. Почему не выпадает осадок? Во вторую пробирку добавьте 1-2 капли раствора хлорида бария. Наблюдения запишите.

Напишите уравнения всех реакций и уравнения диссоциации полученных комплексных соединений.

Опыт 2. Комплексные соединения в реакциях обмена.

Вотдельные пробирки налейте по 3-4 капли растворов сульфата меди (II)

ихлорида железа (III). Прилейте в каждую пробирку по 2-3 капли раствора гексацианоферрата(II) калия ( K4[Fe(CN)6] ).

Отметьте цвет полученных соединений. Составьте уравнения реакций в ионной и молекулярной формах. Образование окрашенных комплексных

соединений Cu2[Fe(CN)6] и Fe4[Fe(CN)6]3 используют для обнаружения ионов Cu2+ и Fe3+ в растворах.

Опыт 3. Комплексные соединения в окислительно-восстановительных реакциях.

Налейте в пробирку 5-6 капель раствора перманганата калия (KMnO4), 3-4 капли раствора серной кислоты (H2SO4) и добавьте 3-5 капель раствора гексацианоферрата(II) калия (K4[Fe(CN)6]).

18

Обесцвечивание раствора KMnO4 происходит вследствие восстановления его до сульфата марганца MnSO4. Комплексное соединение

K4[Fe(CN)6] окисляется до K3[Fe(CN)6].

Напишите уравнение окислительно-восстановительной реакции и уравняйте его методом электронного баланса.

Опыт 4. Нестойкость комплексных ионов двойных солей.

В три пробирки налейте по 5-6 капель раствора железо-аммонийных квасцов ( NH4[Fe(SO4)2] ). В первую пробирку добавьте 5-6 капель раствора гидроксида натрия для обнаружения ионов NH4+ (по слабому запаху аммиака) и ионов Fe3+ (по выпадению бурого осадка), во вторую 5-6 капель раствора роданида аммония (NH4CNS) для обнаружения ионов Fe3+, в третью пробирку – 5-6 капель раствора хлорида бария (BaCl2) для обнаружения сульфат ионов SO42-. Напишите уравнения диссоциации квасцов и трех качественных реакций.

Сделайте вывод из проделанных опытов и составьте таблицу 4.1, в которую включите все комплексные соединения из проделанной лабораторной работы и назовите их.

2.3.Контрольные вопросы

1.Дайте определение понятия «комплексные соединения».

2.Состав внутренней и внешней сфер комплексного соединения.

3.Комплексообразователь и лиганды (примеры).

4.Каким бывает и от чего зависит координационное число?

5.От чего зависит заряд комплексного иона?

6.Диссоциация комплексных соединений и двойных солей.

7.Номенклатура комплексных соединений.

19

2.4.Контрольные задания

1.Напишите формулы соединений, содержащих комплексные ионы [Ag(NH3)2]+, [Fe(CN)6]4-, [PtCl6]2- и выражения констант нестойкости для этих ионов. Чему равна степень окисления и координационное число комплексообразователя в данных ионах?

2.Из частиц Co3+, H2O, Na+, Cl- составьте формулы шести комплексных соединений, назовите их и напишите уравнения диссоциации их в водных растворах.

3.Составьте формулы комплексных соединений из предложенных ионов и обсудите их по плану: а) номенклатура; б) строение; в) диссоциация; г) образование химической связи, тип гибридизации и пространственная конфигурация данного соединения.

Лабораторная работа 3

СКОРОСТЬ ХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ И ХИМИЧЕСКОЕ РАВНОВЕСИЕ

Цель работы: исследовать влияние температуры и концентрации на скорость химических реакций, а также влияние концентрации реагирующих веществ на смещение химического равновесия.

3.1. Теоретическая часть

3.1.1. Химическая кинетика

Учение о скорости химических реакций и механизме их протекания называется химической кинетикой. Системы, в которых протекают реакции, делят на два типа – гомогенные и гетерогенные. Гомогенная система состоит из одной фазы, все реагирующие вещества находятся в одном агрегатном состоянии, и реакция в ней протекает во всем объеме. Гетерогенная система состоит из нескольких фаз (жидкость + газ, жидкость + твердое вещество и т.д.), и реакция в ней протекает на поверхности раздела фаз.

Скорость химической реакции характеризуется изменением концентрации реагирующего или образующегося вещества за единицу времени в единице реакционного пространства. В кинетическом уравнении принято

20