Металлокомплексные соединения

Опыт 13. (под тягой). Аммиакаты. В две пробирки налить по ~2 мл растворов хло­­ри­да никеля(II) и сульфата меди(II). В каждый раствор постепенно добав­лять кон­цен­т­ри­рованный раствор аммиака, наблюдая образование осадков и их даль­ней­шее раст­во­рение. Отметить цвет образующихся растворов. Обосновать наб­лю­дения. Назвать комплексы.

Опыт 14. Ацидокомплексы железа. В две пробирки налить по 2 мл раствора хло­рида железа(III) и гексацианоферрат(III) калия и добавить раствор роданида ка­­лия. От­ме­тить ок­раску исходных и полученных растворов. В две другие про­бир­ки налить по 2 мл све­же­приготовленного раствора сульфата железа(II) и гек­­саци­а­но­феррат (II) ка­лия и доба­вить к ним раствор гидроксида калия. От­ме­тить обра­зование осадка в од­ной из проби­рок. Обосновать наблюдения. На­звать комп­лексы железа.

Опыт 15. Аквакомплексы. Несколько кристаллов кристаллогидрата CoCl₂6H₂O поместить в две про­­бир­ки и в фарфоровую чашку. В одной пробирке раство­рить соль в воде, а в другой – кон­цент­ри­рованной соляной кислоте. Кристаллы в фарфоровой чашке на­греть в пла­ме­ни спир­товки. Сравнить окраску соли – в виде кристал­ло­гид­ра­та, в растворах и пос­­ле прока­ли­ва­ния. Палочкой, смо­чен­ной в водном растворе соли, на листе бумаги сде­лать надпись. Бумагу по­дог­реть над пламенем спир­тов­ки. Что наблюдается? Обос­новать наблюдения. Наз­вать комплексы ко­баль­та.

9. Количественные характеристики химических элементов и соединений.

Атом – электронейтральная химически неделимая частица, состоящая из положительного заряда ядра (состоящего из протонов и нейтронов) и отрицательно заряженных электронов. Химический элемент – определенный вид атомов с одинаковым зарядом атомных ядер. Разновидности одного и того же химического элемента, отличающиеся массой атомов и распространенностью в природе, называются изотопами (например, изотопы калия - ³⁹K, ⁴⁰K, ⁴¹K). Наряду с зарядом ядра Z, важнейшей количественной характе­рист­и­кой атомов хи­ми­­чес­ких элемен­тов явля­ет­ся их массовое число A, ко­то­рое определяется суммой чис­ла протонов Z и нейтронов N:

A = Z + N.

В связи с пренебрежительно малой массой электронов (m_e/m_H = 1/1837), мас­совое число прак­тически опре­де­ляет массу атомов. Абсолютные значения масс атомов очень малы, например, масса атома углерода равна 1,99510^-26 кг. Поэтому при расчетах традиционно используют относительные величины атомных масс. С 1961 г. за еди­ни­цу атомной массы принята атомная единица массы (а.е.м.), которая представляет собой 1/12 массы изотопа углерода ¹²С.

1 а.е.м. = m_a (¹²C) / 12 = 1,99510^-26 кг / 12 = 1,663 10^-27 кг.

Большинство химических элементов имеют несколько изотопов, различа­ю­щих­ся как своими массовыми числами, так и распространенностью в природе. В свя­зи с этим, для характеристики массы химического элемента используется ве­ли­чина его относительной атомной массы A_r, которая равна отношению сред­ней массы атома естественного изо­то­пического состава элемента к 1/12 массы атома углерода ¹²С. Именно изотопное со­держание элементов в при­роде приводит к дробным значениям относительных атомных масс боль­шин­ства химических элементов периодической системы (приложение 1).

Аналогично химическим элементам, для массовой характеристики хи­ми­чес­ких соеди­не­ний используют относительную молекулярную массу М_r вещества, ко­торая определяется величиной отношения массы молекулы естественного изотопического состава вещества к 1/12 массы атома углерода ¹²С. Очевидно, что относительная молекулярная масса вещества рассчитывается как сумма относительных атомных масс элементов, входящих в его состав:

М_r = ∑ А_r

Так, М_r (HNO₃) = (А_rH + А_rN + 3∙А_rO) = (1 + 14 + 3∙16) = 63 а.е.м.

За единицу количества вещества ν в системе СИ принят моль. Моль - это ко­ли­чество ве­щест­ва, содержащее такое количество структурных элементов ве­щества (молекул, ато­мов, ионов, электронов, и других), сколько атомов со­дер­жится в 0,012 кг (12 г) изотопа ¹²С.

Зная массу одного атома углерода, можно легко определить это число ато­мов изотопа ¹²С, содержащихся в 0,012 кг:

N_A = 0,012/(1,99510^-26) = 6,0210²³ 1/моль.

Число N_A, име­ющее размерность 1/моль, называется числом (постоян­ной) Авогадро и показывает число струк­тур­ных элементов в моле любого ве­щест­ва. Число Авогадро и количество вещества связаны следующим соотношением:

ν = N / N_A,

где N – число структурных элементов (частиц) данного вещества.

Масса одного моля вещества называется молярной (мольной) массой М, име­ет размерность г/моль. Молярная масса вещества, вы­ра­­жен­ная в г/моль, численно равна относительной атомной или относительной моле­ку­­ляр­ной массе этого вещества:

M = А_r или М = M_r.

Между массой вещества (m, г), количеством вещества (ν, моль) и моле­ку­ляр­ной массой (М_r, г/моль) существует соотношение:

ν = m / M

Пример 1. Сколько молекул H₂S содержится в 6,8 г сероводорода? Чему рав­на мас­са од­ной молекулы H₂S?

Решение. Учитывая, что М (H₂S) = 34 г/моль, m = 6,8 г сероводорода:

ν (H₂S) = m / М(H₂S) = 6,8 / 34 = 0,2 моль

Т. к. 1 моль содержит N_A частиц вещества, то число молекул N (H₂S):

N (H₂S) = ν ∙ N_A = 0,2  6,0210²³ = 1,210²³

Тогда масса m_м (H₂S) одной молекулы H₂S:

m_м (H₂S) = M(H₂S) / N_A = 34 / 6,0210²³ = 5,6510^-23 г.

В соответствии с законом Авогадро: в равных объемах различных газов при оди­на­ковых ус­ловиях (температуре и давлении) содержится одинако­вое число молекул. Т.е., при оди­на­ко­вых условиях 1 моль любого газа занимает одинаковый объем. Этот объем называется молярным (моль­ным) объемом и при нормальных условиях н.у. ⁷ [Т₀ = 273 К (0 ^оС), Р₀ = 101,325 кПа (1 атм, 760 мм.рт.ст.)] он составляет:

V_М = 22,413830,0070 л/моль.

Взаимосвязь между основными па­­ра­мет­рами вещества в газовой фазе определяется урав­не­нием Менделеева-Клапейрона:

РV = ν RT = RT

где R = 8,314 Джмоль^-1К^-1 – молярная газовая постоянная⁸.

Пример 2. Определить молярную массу газа, если: а) 1,5 л его при 30º С и давлении 110 кПа имеют массу 2,62 г; б) 624 мл его при 17º С и давлении 780 мм рт.ст. весят 1,56 г.

Решение. а) Выразим данные задачи в единицах СИ: R = 8,314 Дж/моль∙К, Р = 1,1∙10⁴ Па, V = 1,5∙10^-3 м³, Т = 303 К. Из уравнения Менделеева-Клапейрона находим молярную массу газа:

б) Т.к. Р = 780 мм рт.ст., универсальная газовая постоянная будет принимать значение R = 62,36 л∙мм рт.ст./моль∙К, V = 0,624 л, Т = 290 К. Из уравнения Менделеева-Клапейрона находим молярную массу газа:

При постоянном коли­чест­ве вещества (ν = const) соотношение между тремя параметрами Р, Т и V сос­тоя­ния газа также пос­тоянно:

PV/T = const (уравнение Клапейрона)

Это позволяет привести объем газа (V) измеренный при данных ус­ло­виях (P, T) к нор­­маль­ным условиям (P₀, T₀):

P₀V₀/T₀ = PV/T, отсюда V₀ = (P/P₀)(T₀/T)V

Уравнения Менделеева-Клапейрона и Клапейрона, а также величина моляр­но­го объе­ма ши­­роко используются в химической практике для определения мас­сы и ко­личества моль газообразных химических соединений.

Пример 3. Определите объем, который занимают 25 г метана CH₄ при 0 ºС и 101,3 кПа. Сколько молекул метана содержится в данной массе?

Решение. Т.к. объем метана измерен при нормальных условиях, то молярная масса метана, равная 16 г/моль, соответствует молярному объему – 22,4 л/моль при н.у. Определим объем 25 г CH₄: