Лабораторная работа 16

s-металлы

Цель работы: изучить химические свойств s-металлов.

Задание: провести реакции взаимодействия натрия, калия, магния, кальция с водой; убедиться на опыте, что пероксид натрия подвергается гидролизу и обладает двойственными окислительно-восстановительными свойствами; определить продукты горения магния. Выполнить требования к результатам опытов, оформить отчет, решить задачу.

Теоретическое введение

S-металлы расположены в главных подгруппах I (щелочные металлы (ЩМ)) и II (Ве, Мg и щелочноземельные металлы (ЩЗМ)) групп. Общая электронная формула ns¹ и ns². Во всех соединениях ЩМ проявляют степень окисления +1, Ве, Mg и ЩЗМ +2.

Все s-металлы – сильные восстановители. Они энергично взаимодействуют с кислородом. При этом литий образует оксид Li₂O, натрий − пероксид Na₂O₂, а калий, рубидий и цезий – надпероксиды МО₂. Бериллий, магний, ЩЗМ образуют оксиды МО. Пероксиды ЩМ проявляют окислительные и восстановительные свойства, причём окислительные свойства выражены сильнее. Пероксиды являются солями пероксида водорода. Поскольку кислотные свойства Н₂О₂ выражены очень слабо, пероксиды, растворяясь в воде, подвергаются почти полному гидролизу.

ЩМ энергично взаимодействуют с водой при комнатной температуре, вытесняя из неё водород и образуя гидроксиды. Активность взаимодействия с водой возрастает по мере увеличения порядкового номера элемента. Также взаимодействуют и ЩЗМ. Магний хорошо взаимодействует с водой при нагревании и при комнатной температуре в присутствии хлорида аммония NH₄Cl, который удаляет с поверхности магния защитную пленку из Mg(OH)₂.

Гидроксиды ЩМ хорошо растворимы в воде, являются сильными основаниями и называются щелочами. Гидроксиды II-А группы менее растворимые и более слабые основания. Основные свойства гидроксидов М(ОН)₂ увеличиваются от Ве(ОН)₂ (амфотерного) до Ва(ОН)₂.

Из ЩМ только литий непосредственно взаимодействует с азотом при комнатной температуре, образуя нитрид лития Li₃N. Магний и ЩЗМ реагируют с азотом при нагревании с образованием М₃N₂.

Выполнение работы

Опыт 1. Взаимодействие щелочных металлов с водой (групповой)

Налить в кристаллизатор воды. Пинцетом достать кусочек металлического натрия из склянки, где он хранится под слоем керосина, и высушить его фильтровальной бумагой. Ножом отрезать кусочек металла с величиной со спичечную головку. Обратить внимание на потускнение металлической поверхности свежего надреза. Пинцетом перенести металл в кристаллизатор с водой. По окончании реакции к полученному раствору прибавить 1-2 капли фенолфталеина.

Не наклоняться над кристаллизатором, так как под конец реакции происходит разбрызгивание металлической окалины, которая может причинить сильные ожоги.

Провести аналогичный опыт с калием.

Требования к результатам опыта:

1. Написать уравнения реакций взаимодействия натрия и калия с водой.

2. Сделать вывод об активности натрия и калия по отношению к воде.

Опыт 2. Свойства пероксида натрия

Взаимодействие с водой

В пробирку внести шпатель пероксида натрия Na₂О₂, добавить 1-2 мл воды, затем несколько капель фенолфталеина. Что наблюдается?

Окислительные свойства

Налить в пробирку 1-2 мл раствора иодида калия KI, добавить такое же количество разбавленной серной кислоты и насыпать шпатель пероксида натрия. Что происходит?

Восстановительные свойства

Налить в пробирку 1-2 мл раствора перманганата калия KMnO₄, добавить шпатель пероксида натрия и перемешать. Отметить изменение окраски раствора.

Требования к результатам опыта:

1. Написать уравнение реакции гидролиза пероксида натрия и сделать вывод, солью какой кислоты является Na₂О₂.

2. Закончить уравнения окислительно-восстановительных реакций:

Na₂О₂ + KI + Н₂SO₄ =;

Na₂О₂ + KMnO₄ + Н₂О =,

в каждой реакции указать окислитель и восстановитель.

3. Сделать вывод об окислительно-восстановительных функциях Na₂О₂.

Опыт 3. Горение магния на воздухе (групповой)

Взять пинцетом кусочек магниевой стружки и внести в пламя спиртовки. После воспламенения сжечь его над фарфоровой чашкой. К собранному в чашке оксиду магния прилить несколько капель воды, хорошо перемешать и добавить 1-2 капли фенолфталеина. Объяснить появление окраски. С какими составными частями воздуха вступает во взаимодействие магний?

Требование к результатам опыта:

Составить уравнения реакций взаимодействия магния с кислородом, азотом и продуктов их взаимодействия с водой.

Опыт 4. Взаимодействие кальция и магния с водой

В три пробирки налить по 3-4 мл воды и в каждую добавить по несколько капель фенолфталеина. В одну пробирку пинцетом внести кусочек кальция, в две другие – по кусочку магния. Наблюдать за протеканием реакций. Одну из пробирок с магнием нагреть, в другую пробирку с магнием добавить раствора хлорида аммония.

Требования к результатам опыта:

1. Написать уравнения реакций взаимодействия:

а) кальция с водой; б) магния с водой; в) магния с водой и NH₄Cl.

2. Объяснить влияние нагревания и присутствия хлорида аммония на реакцию взаимодействия магния с водой.

3. Сделать вывод об активности кальция и магния по отношению к воде.

Задачи

№ 16.1. Написать уравнения реакций натрия с водородом, кислородом, азотом, серой. Какую степень окисления приобретают атомы окислителя в каждой из этих реакций?

№ 16.2. Написать уравнения реакций с водой следующих соединений натрия: Na₂O₂, Na₂S, NaH, Na₃N.

№ 16.3. Как получают металлический натрий? Составить электронные уравнения процессов, происходящих на электродах при электролизе расплава NaОH.

№ 16.4. Составить уравнения реакций получения гидрида, нитрида и карбида кальция и взаимодействия этих соединений с водой.

№ 16.5. Закончить уравнения реакций: а) Li₂O + CO₂ =;

б) Na₂O₂ + Na₂SO₃ + H₂O =; в) K₂S + H₂O ↔; г) NaCl + K[Sb(OH)₆] =

№ 16.6. Составить уравнения реакций, которые нужно провести для осуществления следующих превращений:

Са → СаН₂ → Са(ОН)₂ → СаСО₃ → Са(НСО₃)₂

№ 16.7. Гидроксид какого из s-металлов проявляет амфотерные свойства? Составить молекулярные и ионные уравнения реакций этого гидроксида:

а) с кислотой; б) со щелочью.

№ 16.8. Составить уравнения реакций: а) бериллия с раствором щелочи;

б) кальция с соляной кислотой; в) магния с концентрированной серной кислотой.

№ 16.9. При сплавлении оксид бериллия взаимодействует с диоксидом кремния и с оксидом натрия. Написать уравнения соответствующих реакций. О каких свойствах ВеО свидетельствуют эти реакции?

№ 16.10. Какая масса гидроксида калия образовалась у катода при электролизе раствора К₂SO₄, если на аноде выделилось 11,2 л кислорода (н.у.)?

(Ответ: 112 г).

№ 16.11. Вычислить молярную концентрацию водного раствора КОН, полученного при растворении 1,5 г щелочи в 48,5 воды. Плотность раствора 1,027 г/мл. (Ответ: 0,53 моль/л).

№ 16.12. Вычислить энтальпию образования MgO, исходя из уравнения реакции: MgO + C = Mg + CO, ΔH⁰ = 491,3 кДж. (Δ _f H⁰_CO = -110,5 кДж/моль).

(Ответ: -601,8 кДж).

№ 16.13. Вычислить количество теплоты, которое выделится при взаимодействии 8 г гидрида натрия с водой. Стандартные энтальпии образования NaH, NaOH, H₂O (ж) принять соответственно равными -56,4; -425,6 и -285,8 кДж/моль. (Ответ: 28,8 кДж).

№ 16.14. Каким объемом 35 %-ного раствора КОН (ρ= 1,34 г/см³) можно заменить 10 л 4 н раствора КОН? (Ответ: 4,78 л).

№ 16.15. Закончить уравнения реакций:

а) Na₂O₂ + KNО₂ + H₂SO₄ =; б) L₃N + H₂O =; в) K + O₂ =; г) CaCO₃

№ 16.16. Написать уравнения реакций лития с водородом, кислородом, азотом, серой. Какую степень окисления приобретают атомы окислителя в каждой из этих реакций?

№ 16.17. При электролизе водного раствора NaOH на аноде выделилось 2,8 л кислорода (н.у.). Сколько водорода выделится на катоде? (Ответ: 5,6 л).

№ 16.18. Вычислить ΔG⁰ реакции горения магния в диоксиде углерода. Энергии Гиббса образования MgO, СО₂, СО принять соответственно равными (кДж/моль): -569,6; -394,4; -137,1. Возможно ли самопроизвольное протекание этой реакции? (Ответ: -312,6 кДж).

№ 16.19. Можно ли получить кальций восстановлением его оксида алюминием? Ответ обосновать расчетом энергии Гиббса реакции. Энергии Гиббса образования СаO и Al₂O₃ принять соответственно равными -604,2 и -1582 кДж/моль.

№ 16.20. Закончить уравнения реакций:

а) Be + KOH + H₂O =; б) Li₂C₂ + H₂O =; в) Mg + H₂O =; г) Na₂SO₃ + H₂O ↔