Практикум по общей и неорганической химии рекомендовано учебнометодическим объединением по химическому образованию в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений
 Скачать 2.18 Mb.
|
|
ГЛАВНАЯ ПОДГРУППА ЧЕТВЕРТОЙ ГРУППЫ углерод, кремний, германий, олово, свинец) Главную подгруппу четвертой группы периодической системы Д.И. Менделеева составляют химические элементы углерод, кремний, германий, олово и свинец. Их простые вещества и многие соединения широко используются в жизни и деятельности человека. Углерод – основа органической химии, но ив неорганической химии его соединения представлены достаточно полно. Изучение неорганических соединений углерода начинается с получения углекислого газа и нерастворимых карбонатов, с изучения гидролиза растворимых карбонатов. При изучении соединений кремнияособое внимание уделяют кремниевой кислоте, так как это случай нерастворимой кислоты и геле- образного состояния вещества, с которыми знакомятся студенты при изучении химии. Полезны также опыты по получению нерастворимых и гидролизу растворимых силикатов, так как они позволяют сравнить их с аналогичными соединениями углерода. Германий и его соединения редки, ив учебных целях не используются. Олово, свинец и их соединения, наоборот, широко используются в лабораторных целях. Эти металлы можно получать из растворов их солей вытеснением более активными металлами. Оксиды и гидроксиды этих металлов амфотерны. Особое внимание уделяется окислительно-восстановительным свойствам соединений олова и свинца. Хлорид олова (II) используется в химических лабораториях и для технических целей как восстановитель, а диоксид свинца – как один из самых сильных окислителей. Элементы одной подгруппы – это в общем сходные элементы, но каждый из них обладает многими индивидуальными особенностями. Для олова и свинца отличие проявляется, в частности, при получении и растворении сульфидов. Сульфид двухвалентного олова SnS нерастворим в разбавленных кислотах, но растворим в концентрированной HCl ив кислотах-окислителях; с сульфидами щелочных элементов и сульфидом аммония он не взаимодействует. Сульфид четырёхвалентного олова SnS 2 – сульфоангидрид, те. он взаимодействует с растворами сульфидов щелочных элементов и аммония с образованием растворимых сульфосолей. Сульфид двухвалентного свинца PbS относится к сульфидам, растворимым в кислотах-окислителях, а сульфид четырёхвалентного свинца не существует вследствие разложения в момент образования по реакции внутримолекулярного окисления-восстановления. Экспериментальная часть Целью работы является получение и исследование свойств наиболее распространенных соединений углерода, кремния, олова и свинца. Опыт 1. Получение оксида углерода (IV) и его растворение вводе Собрать простейшую установку для получения оксида углерода (IV) по рисунку а или б. В первом случае используется колба Вюр- ца (1), плотно закрывающаяся пробкой (3), а во втором – круглодонная колба (2), которая также закрывается пробкой со вставленной в нее газоотводной стеклянной трубкой (4). В обоих случаях конец газоотводной трубки опускается в пробирку с водой (5). 5 5 3 3 4 1 2 а б Рис.12. Установки для получения диоксида углерода 1 – колба Вюрца; 2 – колба 3 – пробка 4 – газоотводная трубка 5 – пробирка В реакционный сосуд (1) или (2) положить 3–4 маленьких кусочка мрамора, внести 5 капель воды и 10 капель концентрированной соляной кислоты. Быстро закрыть реакционный сосуд пробкой, конец газоотводной трубки опустить в пробирку с дистиллированной водой. Пропускать газ 2–3 мин, после чего проверить среду полученного в пробирке раствора универсальной индикаторной бумагой. Описать опыт. Написать схему равновесия, существующего вводном растворе диоксида углерода. Как и почему смещается это равновесие при добавлении в раствор щелочи и кислоты Опыт 2. Получение малорастворимых карбонатов В трех пробирках получить карбонаты кальция, стронция и бария взаимодействием растворимых солей этих металлов с раствором карбоната натрия. Дать растворам отстояться, после чего из пробирок слить, удалить пипеткой или кусочком фильтровальной бумаги всю (или хотя бы часть) жидкость. Добавить к осадкам по одной капле концентрированной соляной кислоты. Что наблюдается Написать уравнения получения карбонатов и их взаимодействия с соляной кислотой в молекулярном и ионно-молекулярном виде. Опыт 3. Гидролиз растворимых карбонатов С помощью универсальной индикаторной бумаги установить среду растворов карбонатов натрия и калия. Написать уравнения гидролиза в молекулярном и ионно-молекулярном виде и объяснить, почему в обоих случаях среда одинаковая. Опыт 4. Получение кремниевой кислоты К 4–5 каплям раствора силиката натрия добавить 6–7 капель 2 н. соляной кислоты. Наблюдать образование геля кремниевой кислоты. Написать уравнение реакции. Объяснить, почему формула кремниевой кислоты H 2 SiO 3 является условной, каков действительный состав геля Опыт 5. Получение малорастворимых силикатов В три пробирки внести по 3–4 капли растворов хлорида бария, хлорида никеля (II) и сульфата меди (II). Добавить в каждую пробирку по 2–3 капли раствора силиката натрия. Описать опыт, написать уравнения реакций в молекулярном и ионно-молекулярном виде, отметить цвет осадков. Опыт 6. Гидролиз растворимого силиката С помощью универсальной индикаторной бумаги установить среду раствора силиката натрия. Написать уравнение гидролиза в молекулярном и ионном виде. Объяснить, почему среда раствора Na 2 SiO 3 более щелочная, чем раствора Опыт 7. Получение олова и свинца В одну пробирку внести раствор хлорида олова (II), а в другую – нитрата свинца (II). В каждую пробирку опустить по одной грануле цинка. Наблюдать появление на гранулах мелких кристалликов металлического олова и свинца. Написать уравнения реакций и объяснить их самопроизвольное протекание. Возможно ли протекание таких реакций, если гранулы цинка заменить на кусочки меди Сформулировать вывод. Опыт 8. Получение гидроксидов олова (II) и свинца (II) и исследование их основно-кислотных свойств 1. Гидроксид олова (II). В двух пробирках получить гидроксид олова) взаимодействием раствора хлорида олова (II) с гидроксидом аммония. Для исследования свойств гидроксида олова (II) в одну пробирку добавить соляную кислоту, в другую – избыток раствора щелочи. Написать молекулярные и ионно-молекулярные уравнения реакций получения гидроксида олова (II) и взаимодействия его с раствором гидроксида натрия и соляной кислотой, учитывая, что в щелочном растворе образуется гидроксокомплексное соединение. 2. Гидроксид свинца (II). Взаимодействием растворённого нитрата свинца (II) с гидроксидом аммония получить в двух пробирках гидроксид свинца (II). Отметить цвет осадка. Растворить осадок, добавляя в первую пробирку 2 н. азотную кислоту, а во вторую – раствор щелочи. Написать уравнения реакций получения гидроксида свинца (II) и взаимодействия его с кислотой и щелочью в молекулярном и ионно- молекулярном виде. Почему для растворения Sn(OH) 2 можно использовать серную и соляную кислоту, а для растворения Pb(OH) 2 – нельзя Сформулировать вывод об основно-кислотных свойствах гидроксидов олова (II) и свинца (II). Опыт 9. Получение гидроксида олова (IV) и оксида свинца (IV) и исследование их основно-кислотных свойств 1. Гидроксид олова (IV). В две пробирки внести по 3–5 капель раствора хлорида олова (IV) и добавить гидроксид натрия до появления осадков гидроксида олова (IV). Растворить осадки, добавляя в первую пробирку разбавленную соляную кислоту, а во вторую – разбавленный раствор гидроксида натрия. Написать уравнения получения гидроксида олова (IV) и его взаимодействия с кислотой и раствором щелочи в молекулярном и ионно-молекулярном виде. 2. Амфотерные свойства оксида свинца (IV). В фарфоровый тигель внести один микрошпатель оксида свинца (IV), 6–8 капель концентрированного раствора гидроксида натрия и нагреть тигель на спиртовке. После охлаждения отобрать пипеткой в пробирку образовавшийся раствор гексагидроксоплюмбата (IV) натрия и добавить к нему по каплям концентрированную соляную кислоту до появления осадка хлорида свинца (IV) желтого цвета. Написать уравнения реакций получения гексагидроксоплюмбата (IV) натрия и его взаимодействия с соляной кислотой. Какие свойства проявляет оксид свинца (IV) в этом опыте Как можно на опыте установить свойства оксида свинца (IV), противоположные тем, которые он проявляет при взаимодействии с гидроксидом натрия Чем затруднено проведение такого опыта Опыт 10. Гидролиз солей олова (II) и свинца (II) 1. Гидролиз хлорида олова (II). В пробирку с 3–4 каплями воды опустить 2–3 кристаллика хлорида олова (II). Размешать содержимое пробирки стеклянной палочкой до полного растворения кристаллов и с помощью универсальной индикаторной бумаги определить рН раствора. Добавить в пробирку еще 5–6 капель воды, отметить образование осадка основной соли – хлорида гидроксоолова (II). Прибавлением какого реактива можно уменьшить гидролиз хлорида олова (II)? Проверить свое заключение опытом. Написать уравнения всех реакций. Указать тип гидролиза и рН среды. Объяснить влияние добавления воды и кислоты на смещение равновесия гидролиза этой соли. 2. Гидролиз нитрата свинца (II). Поместить в пробирку несколько кристалликов нитрата свинца (II) и 3–4 капли дистиллированной воды. Размешать содержимое пробирки стеклянной палочкой до полного растворения соли. Определить рН полученного раствора с помощью универсального индикатора. Какова среда этого раствора Нагреть раствор в пламени спиртовки, добавить 2–3 капли карбоната натрия, снова нагреть. Наблюдать выпадение осадка основной соли свинца (PbOH) 2 CO 3 , состав которой можно также выразить формулой 2PbCO 3 ·Pb(OH) 2 . В какой кислоте растворяется этот осадок Проверить свое заключение на опыте. Написать уравнение гидролиза нитрата свинца (II) по первой ступени. Как влияет добавление карбоната натрия на этот процесс Происходит ли здесь взаимное усиление или взаимное ослабление гидролиза Pb(NO 3 ) 2 и Na 2 CO 3 ? Написать уравнение совместного гидролиза нитрата свинца (II) и карбоната натрия. Опыт 11. Окислительно-восстановительные свойства соединений свинца и олова. Восстановление перманганата калия хлоридом олова (II). В пробирку с раствором перманганата калия добавить для создания кислой среды разбавленную соляную кислоту, а затем раствор хлорида олова (II). Что наблюдается Описать опыт и написать уравнение реакции, определив стехиометрические коэффициенты методом полуреакций. Используя стандартные значения окислительно-восстановительных потенциалов (табл. 13, с. 151), показать возможность протекания реакции. 2. Окисление иодида калия оксидом свинца (IV ). В пробирку внести один микрошпатель оксида свинца (IV), 3–5 капель 2 н. серной кислоты и 5–6 капель йодида калия. Нагреть пробирку на спиртовке. Отметить изменение цвета раствора. Перенести стеклянной палочкой каплю этого раствора в пробирку с 8–10 каплями раствора крахмала. Отметить появление синей окраски раствора. На образование какого вещества указывает появление этой окраски раствора крахмала Описать опыт и написать уравнение реакции, определив стехиометрические коэффициенты методом полуреакций. Используя стандартные значения окислительно-восстановительных потенциалов ϕº, показать возможность протекания реакции. 3. Окисление сульфата марганца (II) оксидом свинца (IV). В пробирку поместить оксид свинца (IV) на кончике микрошпателя, добавить 6–8 капель 2 н. азотной кислоты и одну каплю раствора сульфата марганца. Содержимое пробирки прокипятить, дать раствору отстояться. Отметить окраску полученного раствора. Написать уравнение реакции, учитывая, что образовалась марганцевая кислота и соль свинца (II). По результатам опыта сравнить окислительные свойства оксида свинца (IV) и ионов и сопоставить результаты сравнения со значениями ϕº соответствующих полуреакций табл. 13). Опыт 12. Получение сульфидов олова и свинца и исследование их свойств В три пробирки внести растворы солей в первую – хлорида двухвалентного олова, во вторую – хлорида олова (IV), в третью – нитрата свинца (II). Добавить в каждую пробирку по 2–3 капли сульфида аммония. Отметить образование сульфидов соответствующих металлов во всех пробирках, энергично перемешать стеклянной палочкой их содержимое, после чего разделить каждый осадок на две части. К одной из них прибавить избыток сульфида аммония, а к другой – концентрированную азотную кислоту. Во всех ли пробирках наблюдается растворение осадков В отчете описать опыт, написать уравнения реакций получения сульфидов олова и свинца в молекулярном и ионном виде и указать их цвет. Написать уравнение реакции сульфида олова (IV) с сульфидом аммония и делать вывод о его принадлежности к сульфоангидридам. Объяснить, почему сульфида олова (II) и сульфид свинца (II) с сульфидом аммония не взаимодействуют. Написать уравнения окислительно-восстановительных реакций при взаимодействии SnS, SnS 2 и PbS сконцентрированной азотной кислотой, учитывая, что преимущественным продуктом восстановления кислоты является оксид азота (IV). Результаты исследования свойств сульфидов представить в виде таблицы (табл. 12). Таблица Взаимодействие сульфидов свинца и олова с сульфидом аммония и азотной кислотой Сульфид Реагент Уравнение реакции SnS SnS 2 PbS (NH 4 ) 2 S (NH 4 ) 2 S (NH 4 ) 2 S SnS SnS 2 PbS Таблица 13 Стандартные электродные потенциалы полуреакций Полуреакция о, В Sn 2+ + 2e = Sn Sn 4+ + 2e = Sn 2+ Sn 4+ + 4e = Sn –0,14 +0,15 +0,01 Pb 2+ + 2e = Pb Pb 4+ + 2e = Pb 2+ Pb 4+ + 4e = Pb –0,13 +1,80 +0,84 PbO 2 + 4H + + 2e = Pb 2+ + О MnO 4 − + 8H + + 5e = Mn 2+ + 4H 2 O +1,46 +1,51 Cr 2 O 7 2 − + 14H + + 6e = 2Cr 3+ + 7H 2 O I 2 + 2e = 2I – Mn 2+ + 2e = Mn +1,33 +0,54 –1,19 Контролирующие задания 1. Покажите уравнениями реакций получение углекислого газа из природных соединений (минералов) кальцита, магнезита и малахита. 2. Растворимость углекислого газа вводе при 20 С равна 87,2 мл наг воды. Чему равна молярная концентрация этого раствора 3. Напишите уравнения гидролиза карбоната натрия и силиката натрия. Какая соль и почему гидролизуется полнее 4. Объясните, почему реакция СО 2 (г) + Na 2 SiO 3 = Na 2 CO 3 + кв растворах протекает в прямом направлении, а в расплавах – в обратном. Раствор силиката натрия используется в качестве клея. Почему при хранении в негерметичной емкости этот раствор становится мутными теряет клеящие свойства 6. Покажите уравнениями реакций амфотерные свойства гидроксидов олова Sn(OH) 2 и Sn(OH) 4 7. Покажите уравнениями реакций восстановительные свойства SnCl 2 и окислительные свойства Работа 5. БОР, АЛЮМИНИЙ Бори алюминий относятся к р-элементам третьей группы. Состояние их валентных электронов характеризуется общей формулой В своих соединениях бор и алюминий проявляют единственную и устойчивую степень окисления равную +3, поэтому для соединений бора и алюминия как окислительные, таки восстановительные свойства нехарактерны. Кристаллический бор – неметалл и химически инертное вещество, алюминий – активный металл (о = –1,67 В, но из-за наличия защитной оксидной пленки многие реакции с алюминием идут с так называемым латентным периодом, вовремя которого разрушается Оксиды и гидроксиды бора и алюминия амфотерны, причём у этих соединений бора преобладают кислотные свойства, ау соединений алюминия – основные. Необычной особенностью оксида бора является его склонность к стеклообразованию. В этом проявляется диагональное сходство бора с кремнием. Устойчивые к действию химических реактивов и термостойкие боратные стекла используются для изготовления лабораторной посуды. Из соединений алюминия самое широкое применение имеет сульфат алюминия, который используется как наполнитель при изготовлении бумаги, для осветления воды (осаждения взвешенных частиц) ив других производствах. Экспериментальная часть Целью работы является получение и изучение свойств наиболее характерных соединений бора и алюминия. Опыт 1. Получение ортоборной кислоты и изучение ее свойств 1. Получение ортоборной кислоты В пробирку поместить 5–6 капель насыщенного раствора буры Na 2 B 4 O 7 ·10H 2 O, добавить 2–3 капли концентрированной серной кислоты. Наблюдать выпадение белых кристаллов. В отчёте описать опыт и написать уравнение реакции. Солью какой кислоты является тетраборат натрия Почему в реакции получается не тетраборная, а ортоборная кислота 2. Кислотые свойства ортоборной кислоты. В двух пробирках приготовить раствор ортоборной кислоты. В первую пробирку внести кусочек магниевой ленты, наблюдать выделение газообразного вещества. Написать уравнение реакции магния с ортоборной кислотой. Во второй пробирке определить рН раствора с помощью универсальной индикаторной бумаги. Указать значение рН раствора кислоты и написать схему электролитической диссоциации. Чем диссоциация ор- тоборной кислоты отличается от диссоциации других кислот Какова её основность Сделать вывод о силе ортоборной кислоты, константа диссоциации которой равна 5·10 –10 3. Получение эфира ортоборной кислоты В фарфоровый тигель поместить несколько кристалликов ортоборной кислоты, 2–3 капли серной кислоты и 5–6 капель этилового спирта. Смесь растереть стеклянной палочкой и поджечь. Отметить окраску пламени. В отчете написать уравнение взаимодействия этанола с ортоборной кислотой с образованием борноэтилового эфира B(OC 2 H 5 ) 3 . Какова роль серной кислоты в этой реакции Сделать вывод об амфотерных свойствах ортоборной кислоты Опыт 2. Гидролиз тетрабората натрия В пробирке приготовить 1–2 мл раствора буры. С помощью универсальной индикаторной бумажки определить рН раствора. В отчете написать уравнения ступенчатого гидролиза тетрабората натрия, учитывая, что на первой ступени образуется ортоборная кислота и метаборат натрия, а на второй – ортоборная кислота и гидроксид натрия. Опыт 3. Получение малорастворимых боратов В две пробирки внести по 3–4 капли насыщенного раствора тетрабората натрия и добавить по несколько капель растворов в первую – нитрата серебра, во вторую – сульфата меди (II). Наблюдать выпадение осадков. Написать уравнения реакций, учитывая, что впервой пробирке образуется метаборат серебра, а во второй – гидроксометаборат меди (II). Почему во второй пробирке образовалась основная, а не средняя соль Опыт 4. Получение перлов буры Метабораты хрома, никеля, кобальта и некоторых других металлов имеют стеклообразную структуру и характерную окраску. Эти цветные стёкла называются перлами буры. Они используются в анализе и при изготовлении художественных изделий из цветных стёкол. Раскаленной платиновой или стальной проволочкой с ушком коснуться поочередно кристалликов буры и соли кобальта. Нагреть полученную каплю расплава дополучения однородной стекловидной массы. Охладить полученный перли отметить его окраску. Таким же способом получить перлы хрома, никеля, меди и железа. Описать опыт и наблюдения. Написать уравнения реакций 1) обезвоживания буры и её разложения на метаборат и оксид бора, 2) взаимодействия оксида бора с солями кобальта, хрома, никеля, меди и железа. Опыт 5. Свойства металлического алюминия 1. Взаимодействие с разбавленными кислотами. В три пробирки поместить по 5–6 капель разбавленных соляной, серной и азотной кислот. В каждую опустить по небольшому кусочку алюминиевой фольги. Во всех ли случаях реакция протекает на холоду Пробирки подогреть. Что наблюдается Написать уравнения реакций. Какие газообразные вещества выделяются при взаимодействии алюминия с разбавленными кислотами 170 2. Взаимодействие сконцентрированными кислотами. В три пробирки поместить по 3–4 капли концентрированных растворов соляной, серной и азотной кислот. В каждую опустить по кусочку алюминия. С какими кислотами алюминий при комнатной температуре не взаимодействует Осторожно нагреть пробирки. Как влияет нагревание Описать опыт. Написать уравнения реакций, учитывая, что при нагревании концентрированная азотная кислота восстанавливается алюминием преимущественно до оксида азота (IV), а серная – до серы. 3. Взаимодействие со щелочами В пробирку налить 2–3 мл раствора щелочи и добавить один микрошпатель алюминиевой пудры. Что наблюдается Почему реакция начинается не сразу Описать опыт. Написать уравнения реакций 1) оксида алюминия со щелочью с образованием гидроксокомплексного соединения 2) алюминия с водой и щелочью. Во второй реакции указать окислитель. 4. Взаимодействие с водой В пробирку с водой опустить полоску алюминиевой фольги. Наблюдается ли взаимодействие алюминия с водой Вторую полоску фольги опустить на 2–3 минуты в пробирку с раствором нитрата ртути (II); за это время в поверхностном слое алюминиевой фольги образуется амальгама алюминия. Полоску вынуть из пробирки, высушить фильтровальной бумагой и опустить в пробирку с водой. Наблюдать выделение водорода. Описать опыт. Сравнить окислительно-восстановительные потенциалы воды и алюминия, сделать вывод о возможности взаимодействия алюминия с водой. Написать уравнения реакций алюминия с нитратом ртути (II) и водой. Опыт 6. Получение и исследование свойств гидроксида алюминия В двух пробирках получить гидроксид алюминия взаимодействием сульфата алюминия с гидроксидом аммония. Впервой пробирке на осадок подействовать соляной кислотой, а во второй – щелочью. Описать наблюдения и написать уравнения реакций. Написать схему диссоциации гидроксида алюминия по типу оснований и по типу кислот. Как смещается равновесие этих процессов при добавлении кислоты и щелочи Сделать вывод о свойствах гидроксида алюминия. Опыт 7. |