IV. свойства неорганических веществ
| Вид материала | Документы |
- Рабочая программа по дисциплине "Химическая технология неорганических веществ " Направление:, 112.47kb.
- Задачи урока: Образовательные: Закрепить на практике знания о классах неорганических, 211.06kb.
- Методические указания к выполнению лабораторной работы по курсу «Основные направления, 102.41kb.
- Получение топлив из угля, 241.18kb.
- Рабочая программа дисциплины приборы и методы исследования в технологии неорганических, 249.27kb.
- «показатели качества воды и их определение» введение, 948.44kb.
- Гоу впо «Московский государственный открытый университет», 483.26kb.
- Лабораторная работа №2 Важнейшие классы неорганических соединений, 88.03kb.
- Реферат по курсу технологии неорганических веществ на тему: Технология неконцентрированной, 289.65kb.
- Технология переработки отходов производств, использующих высокочистый кремний 05. 17., 277.13kb.
Цинк. Ртуть
Цинк, кадмий и ртуть образуют побочную подгруппу химических элементов II группы. На внешнем энергетическом уровне атомов этих элементов по два s-электрона, на предпоследнем - по 18 электронов - (n-1)s2(n-1)р6(n-1)d10. Поэтому для этих элементов характерна в соединениях степень окисления +2. Для ртути известны многочисленные соединения со степенью окисления +1, в которых установлена связь металл-металл, например, Cl-Hg-Hg-Cl. Ртуть образует сплавы со многими цветными металлами, называемые амальгамами. В зависимости от содержания ртути амальгамы бывают жидкими, пастообразными или твердыми.
Опыт 1. Физические свойства цинка. Рассмотрите образец цинка (гранула, пластинка, порошок) и опишите его внешние признаки. Физические константы цинка найдите в справочнике.
Опыты 2-12. Химические свойства цинка. а) Наберите на кончике скальпеля немного цинкового порошка и стряхните его (осторожно!) над пламенем горелки. Цинк сгорает с образованием искр:
2Zn + О2 = 2ZnO.
б) Смешайте в ступке эквивалентные количества порошка цинка и порошка серы. Насыпьте смесь конусом на асбестовый лист (вытяжной шкаф) и подожгите (осторожно!) длинной горящей лучиной. Как только реакция начнется, уберите лучинку. Дальше взаимодействие протекает самопроизвольно с выделением большого количества тепла:
Zn + S = ZnS.
в) Порошок цинка залейте иодной водой. Отметьте время обесцвечивания раствора вследствие реакции:
Zn + I2 = ZnI2.
Сделайте вывод о взаимодействии цинка с простыми веществами.
г) Приготовьте в вытяжном шкафу металлическую банку (можно из-под консервов) с песком. Смешайте в ступке эквивалентные навески порошка цинка и порошка оксида меди. Насыпьте смесь в бумажный кулек и поместите его в песок. Поверх смеси насыпьте слой смеси магниевого порошка с перманганатом калия. Вставьте в смесь магниевую ленту и (осторожно!) подожгите ее длинной горящей лучинкой. От тепла сгорающего магния начинается реакция между цинком и оксидом меди, которая также протекает очень бурно:
Zn + CuO = Cu + ZnO.
После полного охлаждения продуктов реакции рассыпьте их на лист бумаги, найдите и соберите корольки меди.
д) Проведите реакции цинка, соответствующие следующим уравнениям (используя минимальные количества веществ):
Zn + 2HCl = ZnCl2 + H2;
Zn + H2SO4(разб.) = ZnSO4 + H2;
4Zn + 5H2SO4(конц.)
4ZnSO4 + H2S + 4H2O (примеси SO2, S);Zn + 4HNO3(конц.) = Zn(NO3)2 + 2NO2 + 2H2O;
Zn + HNO3(сильно разб.) = Zn(NO3)2 + NH4NO3 + H2O;
Zn + H3PO4 = ZnHPO4 + H2;
Zn + CuSO4 = Cu + ZnSO4.
Опыты 13-21. Свойства оксида и гидроксида цинка. Оксид и гидроксид цинка обладают амфотерными свойствами. а) Проведите реакции оксида цинка с растворами кислот и щелочей:
ZnO + H2SO4 = ZnSO4 + H2O;
ZnO + 2HNO3 = Zn(NO3)2 + H2O;
ZnO + 2HCl = ZnCl2 + H2O;
ZnO + 2NaOH + H2O = Na2[Zn(ОН)4].
Опишите ход реакций и запишите уравнения в ионно-молекулярной форме.
б) К раствору (5%) соли цинка прилейте немного раствора (5%) щелочи. Полученный осадок гидроксида цинка разделите на три части:
ZnSO4 + 2KOH = Zn(OH)2¯ + K2SO4.
в) Добавьте к порциям гидроксида цинка растворы (10%) соляной кислоты, гидроксида натрия, аммиака. Во всех трех пробирках осадки растворяются:
Zn(OH)2 + HCl = ZnCl2 + H2O;
Zn(OH)2 + 2NaOH = Na2[Zn(ОН)4];
Zn(OH)2 + 4(NH3×H2O) = [Zn(NH3)4](ОН)2 + 2H2O.
Сделайте вывод, какие свойства оснóвные или кислотные преобладают у оксида и гидроксида цинка.
Опыты 21-23. Свойства солей цинка. а) К растворам солей цинка прибавьте растворы карбоната натрия, сульфида натрия, ортофосфата калия. Наблюдайте образование нерастворимых солей цинка:
2ZnSO4 + 2Na2CO3 + H2O = (ZnOH)2CO3¯ + 2Na2SO4 + CO2;
Zn(NO3)2 + Na2S = ZnS¯ + 2NaNO3;
3ZnCl2 + 2K3PO4 = Zn3(PO4)2¯ + 6KCl.
Напишите уравнения реакций в ионно-молекулярном виде. Назовите полученные в ходе реакций вещества.
б) Проведите электролиз концентрированного раствора сульфата цинка с применением графитовых электродов. Выделяется ли на одном из электродов цинк? Что образуется на втором электроде? Найдите противоречие между результатами опыта и теоретическими положениями. Как объяснить эти противоречия?
Опыт 24. Физические свойства ртути. Рассмотрите ртуть в резервуаре термометра или градусника (осторожно!). Опишите ее внешние признаки. Физические константы этого металла найдите в справочнике. В связи с большой токсичностью ртути и ее соединений учебные опыты с ними в школе не проводятся. Поэтому рассмотрим здесь лишь методы демеркуризации, то есть удаление ртути в случае, если разобьется градусник или термометр. Капельки ртути, которые видны невооруженным глазом или под лупой убирают с помощью медных или цинковых пластинок или проволок. Проволоку надо расплющить на одном конце, очистить от загрязнения и промыть (конец проволоки) в растворе соляной или уксусной кислоты. Этим концом металла коснитесь шарика ртути, капелька ртути сольется с концом проволоки, образуя амальгаму. Если амальгама имеет жидкую консистенцию, то ее (осторожно!) стряхивают в раствор кислоты. Если амальгама на конце проволоки имеет еще твердое агрегатное состояние, то тут же можно "поймать" следующую капельку ртути. При этом нужно быть очень внимательным, чтобы не пропустить капли разлившегося металла. Желательно, чтобы во время демеркуризации кто-нибудь освещал поверхность пола переносной лампой.
Если капли ртути попали в щели или в другие недоступные места, то можно их залить раствором хлорида железа, который реагирует с металлом:
2Hg + 2FeCl3 = Hg2Cl2 + 2FeCl2.
Еще один способ демеркуризации, это засыпать недоступные для обзора места тонко измельченным порошком серы. Капелька ртути обволакивается серным цветом, что препятствует интенсивному испарению металла.
В любом случае, даже после проведенной демеркуризации, проведите исследование воздуха не содержание в нем паров ртути с помощью специальных реактивных бумажек. Приготовление таких индикаторных бумажек описано в разделе 6.1. Растворы.
Слова МЕРКУРИЙ и ДЕМЕРКУРИЗАЦИЯ являются однокоренными. Что может быть общим между названием планеты и методом удаления пролитой ртути?
Железо
Железо является химическим элементом побочной подгруппы VIII группы. Конфигурация внешних электронных подуровней выражается формулой: 3s23p63d64s2. Наиболее многочисленны соединения железа, в которых элемент проявляет степени окисления +2 и +3. В ферратах железо окислено до +6. Появились сообщения, что получен неустойчивый оксид железа FeО4. В некоторых комплексных соединениях железо имеет нулевую степень окисления, например, Fe(СО)5 – пентакарбонил железа.
Опыт 1. Физические свойства железа. Рассмотрите образец железа из коллекции (можно взять обычный железный гвоздь) и опишите его свойства. Сведения о физических константах найдите в справочниках. Железо обладает особым свойством – притягиваться магнитом и намагничиваться.
Найдите в научно-популярной литературе сведения о магнетизме, магнитных полях, компасе и выпустите информационно-познавтельный бюллетень об этих явлениях. Изготовьте простейшие самодельные компасы для кабинета географии.
Опыты 2-12. Получение железа и его свойства. а) Тщательно смешайте в ступке смесь порошка оксида железа (III) (6 г) и порошка алюминия (2 г) и насыпьте ее в небольшой бумажный кулек. Кулек со смесью поместите в плоский сосуд с песком (можно взять консервную банку).
Для инициирования реакции насыпьте в кулек поверх содержимого слой хорошо истолченной и перемешанной смеси порошков магния (1 г) и перманганата калия (1 г). Банку поставьте на лист железа или асбеста в вытяжном шкафу за защитным экраном. В смесь вставьте ленту магния и подожгите ее (осторожно!) длинной горящей лучинкой. Наблюдайте воспламенение магния, поддерживаемое кислородом, выделяющимся при разложении перманганата калия.
За счет энергии этих реакций начинается взаимодействие оксида железа (III) с алюминием, которое продолжается дальше самопроизвольно с выделением большого количества тепла. Наблюдайте ослепительную вспышку и столб искр. Смесь разогревается до ярко белого каления за счет реакции:
2Al + Fe2O3 = 2Fe + Al2O3 + Q.
Когда продукты реакции остынут, в них можно обнаружить (с помощью магнита) королек железа. Очистите его от шлака, рассмотрите и взвесьте. Вычислите выход железа в процентах от теоретически возможного. Оцените потери металла.
б) Насыпьте в 11 пронумерованных пробирок по щепотке железного порошка. Добавьте к порциям металла небольшие объемы растворов иода, соляной кислоты, концентрированной серной кислоты, раствора серной кислоты, концентрированной азотной кислоты, раствора азотной кислоты, концентрированной ортофосфорной кислоты, раствора ортофосфорной кислоты, раствора хлорида меди, раствора сульфата натрия, раствора сульфата алюминия. Составьте таблицу реагентов и отмечайте в ней, в каких случаях признаков реакции не наблюдается, в каких реакции протекают без нагревания, для каких реакции потребовалось нагревание смесей. Напишите уравнения реакций. Отставьте пробирки в сторону, а после ознакомления с качественными реакциями на ионы железа Fe2+ и Fe3+ проверьте, правильно ли вы написали уравнения проделанных превращений железа.
Опыты 13-15. Качественные реакции на ионы железа Fe2+ и Fe3+.
а) К раствору (5%) соли железа (II) прилейте несколько капель раствора (1%) красной кровяной соли. Наблюдайте образование синего осадка турнбуллевой сини:
FeCl2 + K3[Fe(CN)6] = KFe[Fe(CN)6]¯ + 2KCl.
б) К раствору соли (5%) железа (III) прилейте несколько капель раствора (1%) желтой кровяной соли. Наблюдайте образование синего осадка берлинской лазури:
FeCl3 + K4[Fe(CN)6] = KFe[Fe(CN)6]¯ + 3KCl.
Примечание. Установлено, что турнбуллева синь и берлинская лазурь идентичны. Приведите химическое название этого соединения, как и названия исходных веществ в этих реакциях.
в) Другой чувствительной реакцией на Fe3+ является взаимодействие с роданидом аммония или калия с образованием раствора кроваво-красного роданида железа (III):
FeCl3 + 3KSCN = Fe(SCN)3 + 3KCl.
Опыты 16-21. Свойства оксидов железа. Поместите в пронумерованные пробирки оксиды железа (FeO, Fe2O3, Fe3O4). Добавьте по 2-3 мл растворов кислот и щелочей. Смеси нагрейте. Отметьте внешние признаки реакций или их отсутствие. Напишите уравнения этих реакций. Проверьте наличие ионов железа в полученных растворах. Сделайте соответствующие выводы.
Опыты 22-25. Свойства гидроксидов железа. а) К растворам солей железа Fe2+ и Fe3+ прилейте немного раствора щелочи. Наблюдайте образование осадков. Уравнения реакций в несколько упрощенном виде можно записать следующим образом:
FeSO4 + 2NaOH = Fe(OH)2¯ + Na2SO4;
Fe2(SO4)3 + 6NaOH = 2Fe(OH)3¯ + 3Na2SO4.
б) Осадок гидроксида железа (II) на воздухе быстро окисляется, вследствие чего приобретает бурый цвет:
4Fe(OH)2 + 2H2O + О2 = 4Fe(OH)3.
в) Осадок гидроксида железа (III) уже в растворе частично теряет воду, образуя гидрат Fe2O3×nH2O. Опишите ваши наблюдения и запишите окраску получающихся соединений и их дальнейшее изменение. Разделите суспензии гидроксидов на отдельные порции и добавьте к ним растворы кислот и щелочей. Проследите изменения в пробирках и сделайте выводы о характере свойств гидроксидов железа. Напишите уравнения реакций.
Опыты 26-31. Свойства солей железа. а) Соли двухвалентного железа обладают свойствами, типичными для солей. Кроме того, они являются восстановителями. Проведите следующие реакции:
FeSO4 + BaCl2 = BaSO4¯ + FeCl2;
2FeSO4(конц.) + CuSO4 = Cu¯ + Fe2(SO4)3;
10FeSO4 + 2KMnO4 + 8H2SO4(разб.) = 5Fe2(SO4)3 + 2MnSO4 + K2SO4 + 8H2O.
6FeSO4 + K2Cr2O7 + 7H2SO4(разб.) = 3Fe2(SO4)3 + Cr2(SO4)3 + K2SO4 + 7H2O
б) Проанализируйте эти реакции, определите их типы по различным критериям, докажите опытным путем образование трехвалентных соединений в некоторых из этих реакций.
в) Предложите и проведите другие реакции, характеризующие свойства солей двухвалентного железа. Сделайте выводы о свойствах солей двухвалентного железа.
г) Соли трехвалентного железа также обладают свойствами, типичными для солей. Кроме того, они являются слабыми окислителями. Проведите следующие реакции:
FeCl3 + 3AgNO3 = 3AgCl¯ + Fe(NO3)3;
2FeCl3 + 6KI = I2¯ + 2FeI2 + 6KCl.
Проанализируйте эти реакции, определите их типы по различным критериям. Предложите и проведите другие реакции, характеризующие свойства солей трехвалентного железа. Сделайте выводы о свойствах солей трехвалентного железа.
Вопросы и задания
1. Найдите в справочной литературе данные по содержанию меди, серебра, цинка, ртути и железа в земной коре. Что известно об открытии этих элементов и получении их в чистом виде? Алхимики ассоциировали семь металлов с планетами солнечной системы и днями недели, обозначая их особыми символами. Сочините небольшие рассказы-фэнтези на эту тему. Как изменялась роль этих элементов в деятельности человека на протяжении тысячелетий?
2. Найдите в справочниках происхождение и значение названий меди, серебра, цинка, ртути и железа у различных народов мира. Есть ли в названиях этих металлов что-то общее в различных языках?
3. Медь, цинк и железо относятся к важнейшим микроэлементам, при дефиците которых заболевают растения и животные. Изучите роль этих биоэлементов и предложите варианты восполнения их в почве на ваших дачах или приусадебных участках.
4. Выдающийся алхимик и врач Парацельс предлагал многие болезни лечить препаратами ртути. Применяются ли такие препараты в современной медицине? Бытуют легенды о "серебряной" воде. Что в них правда, а, что – вымысел?
5. Некоторые наши современные российские монеты притягиваются магнитом (проверьте опытным путем). Можно ли на основании этого эксперимента утверждать, что в составе сплава, из которого проводится чеканка, содержится железо? Проведите химический анализ этого сплава и сделайте точный вывод о наличии или отсутствии железа в монетах.
6. Дана расчетная задача: "В пробирку с концентрированной серной кислотой опустили медную стружку массой 5 г и нагрели. Вычислите объем (привести к нормальным условиям) выделившегося сернистого газа". Проанализируйте текст задачи. Можно ли в решении этой задачи получить однозначный ответ? Почему?
7. По тепловым и электрическим характеристикам медь уступает только серебру. Почему же тогда и посуду, и электрические провода продолжают делать из алюминия? Приведите все аргументы за и против использования меди в быту и технике.
8. В искусстве, быту и технике в основном используются не чистые металлы, а их сплавы. Эти сплавы часто имеют особые названия: бронза, амальгама, латунь, белый чугун, серый чугун, сталь, томпак, гарт, монель-металл, нейзильбер, мельхиор, булат, штейн, ферромарганец и др. Найдите в справочной литературе состав и применение этих сплавов и обобщите полученные данные в виде сводной таблицы.
9. Прочитайте повесть "Печальная" в книге Рахманова Л.Н. "Очень разные повести" (Издательство "Советский писатель", 1965). Обсудите описание писателем технологии золочения купола Исаакиевского собора с помощью амальгамы золота. Все ли в этой части повести в действительности соответствует свойствам ртути?