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.
4.4. Щелочные металлы. Щелочноземельные металлы. Магний
Химические и физические свойства щелочных, щелочноземельных металлов и магния настолько сходны, что описание опытов с ними, с целью сокращения излишнего повторения, можно объединить в одном разделе. Однако это не значит, что при изучении свойств данных веществ в школе можно ограничиться однократным проведением учебного эксперимента на примере одного металла.
Опыт 1. Внешний вид металлов. В качестве раздаточных образцов удобно использовать небольшие склянки (пузырьки) из-под пенициллина или других антибиотиков. Налейте в пузырек почти доверху чистое бесцветное вазелиновое масло, поместите сюда же очищенный от поверхностной пленки небольшой образец металла. Пузырек сразу же закройте корковой пробкой так, чтобы вытеснить из сосуда весь воздух. Затем пробку залейте расплавленным парафином или обвяжите полиэтиленовой пленкой. Название металла (химический знак) лучше всего поместить на дне сосуда. Для каждого из имеющегося в лаборатории металла приготовьте по 5-8 образцов. Аналогично приготовьте образцы магния, которые маслом не заливают. Приготовленные образцы компактны, безопасны для хранения и могут быть использованы в течение длительного времени.
Опыты 2-4. Физические свойства металлов. а) Твердость щелочных металлов уменьшается от лития к цезию, и все они легко режутся ножом. Твердость в ряду веществ: магний – радий также уменьшается, однако все эти металлы значительно тверже, и ножом не режутся. Достаньте пинцетом из склянки образец металла, и продемонстрируйте возможность или невозможность разрезать его скальпелем на две части. Опыт лучше провести на демонстрационном столике или использовать кодоскоп.
б) Налейте в 2 пробирки по 3-5 мл гексана (можно использовать бензин) и четыреххлористого углерода. Плотности этих веществ, соответственно, равны 660 и 1590 кг/м3. Опустите в первую пробирку по кусочку лития (ρ = 530 кг/м3) и натрия (ρ = 970 кг/м3). Во вторую пробирку опустите по небольшому кусочку магния (ρ = 1740 кг/м3) и кальция (ρ = 1500 кг/м3). Наблюдайте в каждой пробирке, как более тяжелый металл опускается на дно, а более легкий – не тонет. Сделайте соответствующие выводы о плотности изучаемых металлов.
1. Найдите по справочникам значения физических констант металлов и занесите их в таблицу.
Физические свойства щелочных, щелочноземельных металлов и магния
| Свойство Металл | | | | |
| | | | | |
2. Проследите, как изменяются свойства веществ в зависимости от положения в периодической системе (от строения атома).
3. Постройте для элементов одной из групп графики в координатах "относительная атомная масса – свойство" и "порядковый номер – свойство". Сравните эти графики и сделайте соответствующие выводы.
Опыты 5-6. Реакции с водородом. Проведите реакции взаимодействия лития и кальция с водородом, как было описано выше (см. Раздел 4.2. Водород). Реакции протекают при 500-700 оС с образованием гидридов:
2Li + H2 = 2LiH;
Ca + H2 = CaH2.
Опыты 7-9. Взаимодействие металлов с кислородом. При сжигании щелочных металлов на воздухе в качестве продуктов реакций образуются оксиды, пероксиды и нитриды соответствующего металла. а) Поместите небольшой кусочек очищенного от поверхностной пленки натрия в ложечку для сжигания веществ и внесите в пламя горелки. Металл плавится и воспламеняется при температуре около 200 оС. б) Для доказательства возможного образования пероксидов ложечки с продуктами реакции (после их охлаждения) опустите в иодкрахмальный раствор, подкисленный серной кислотой. Посинение окраски раствора укажет, что произошла реакция:
Na2О2 + 2H2SO4 + 2KI = I2¯ + Na2SO4 + К2SO4 + 2H2O.
б) Для учебного опыта по взаимодействию магния с кислородом лучше использовать кусочек магниевой ленты, который с помощью тигельных щипцов внесите в пламя горелки. При температуре около 600 оС металл воспламеняется и сгорает очень ярким (не смотреть, темные очки!) пламенем:
2Mg + О2 = 2MgO.
При отсутствии магниевой ленты наберите в ложечку для сжигания веществ немного порошка магния и внесите в пламя горелки. В этом случае потребуется значительно больше времени, чтобы магний воспламенился. Поэтому целесообразнее приготовить "бумажную магниевую" ленту. Намажьте фильтровальную бумагу (лучше взять беззольный фильтр) силикатным клеем и насыпьте равномерным слоем порошок магния, чтобы он приклеился к бумаге. Когда клей высохнет, разрежьте фильтр на полоски и поместите их в склянку с этикеткой и пробкой, используя препарат по мере необходимости.
в) Для показа взаимодействия кальция с кислородом закрепите кусочек (в виде стружки) металла на конце проволоки и внесите в пламя горелки. Кальций загорается при температуре свыше 300 оС.
Примечания. 1. Наблюдая реакции металлов с кислородом, обратите внимание, в какой цвет окрашивается пламя в зависимости от природы металла. 2. Продукты реакций используйте для изучения их свойств.
Опыт 10. Взаимодействие лития с азотом. Соберите установку для получения азота (см. Раздел 4.7. Азот. Фосфор), подсоедините к ней хлоркальциевую трубку, в расширение которой поместите очищенный кусочек лития (рис. 36).
Рис. 36. Реакция азота с литием.
Пустите ток азота. Реакция протекает при комнатной температуре в присутствии влаги:
6Li + N2 = 2Li3N.
Опыт 11. Получение карбида натрия. Разотрите в ступке в мелкий порошок 3-4 таблетки медицинского активированного угля. Очистите от пленки кусочек натрия величиной с горошину, измельчите его скальпелем и смешайте с углем. Смесь поместите в колбу объемом 50 мл. Колбу закройте пробкой с газоотводной трубкой, к которой подсоедините насос Камовского. Откачайте из колбы воздух и нагрейте смесь. Реакция протекает при температуре 150-200 оС:
2Na + 2C = Na2C2.
Опыт показателен тем, что реакция осуществляется в вакууме. После остывания полученный продукт залейте водой и наблюдайте выделение газа:
Na2C2 + 2H2O = 2NaOH + C2H2.
Опыт 12. Взаимодействие металлов с серой. Поместите в ложечку для сжигания веществ по кусочку металла и засыпьте порошком серы. Внесите в пламя горелки. При температуре около 200 оС начинаются и бурно протекают экзотермические реакции типа:
2Li + S = Li2S;
Ca + S = CaS.
Опыты 13-14. Взаимодействие металлов с галогенами. Вариант 1. В высокий сосуд (цилиндр) насыпьте кучкой 1-2 г перманганата калия и по стенке прилейте 5-8 мл концентрированной соляной кислоты. Когда выделяющийся хлор заполнит 2/3 нижней части сосуда, опускайте в него один за другим предварительно нагретые металлы в ложечках для сжигания веществ. Порошок магния чуть смочите до нагревания водой. Остатки горящих металлов гасите в стакане с песком. Реакции протекают по уравнениям:
2Li + Cl2 + 2LiCl;
Mg + Cl2 = MgCl2.
Для предотвращения выхода хлора из сосуда в атмосферу класса отверстие прикройте ватным тампоном, смоченным раствором тиосульфата натрия.
Вариант 2. Подготовьте унифицированный прибор для получения хлора. В колбу поместите 1-2 г перманганата калия, в воронку налейте 20 мл концентрированной соляной кислоты. К газоотводной трубке подсоедините хлоркальциевую трубку, в расширение которой поместите очищенный от пленки кусочек металла. Второй конец газоотводной трубки протяните в стакан или в промывалку с раствором тиосульфата натрия для поглощения избытка хлора. Прилейте в колбу унифицированного прибора 5-6 мл кислоты, дождитесь вытеснения воздуха из системы хлором и слегка нагрейте металл. Как только начнется экзотермическая реакция, нагрев прекратите. Продукты реакции можно использовать для дальнейшего изучения.
Опыты 15-16. Реакция магния с иодом. Вариант 1. Смешайте в небольшой чашечке или в ступке порошок магния с твердым иодом. Вещества и посуда должны быть сухими. Поставьте чашечку в большой химический стакан. Капните на смесь каплю воды (катализатор) и накройте стакан большой фарфоровой чашкой. Наблюдайте бурную реакцию:
Mg + I2 = MgI2.
В результате часть иода сублимируется и оседает затем на стенках стакана и на дне чашки.
Вариант 2. Налейте в колбочку немного иодной воды цвета соломы и добавьте щепотку порошка магния. Наблюдайте при постоянном встряхивании постепенное обесцвечивание раствора.
Опыты 17-18. Взаимодействие натрия и магния с углекислым газом. Соберите установку для получения углекислого газа. Для этого в колбу унифицированного прибора поместите несколько кусочков известняка или мрамора. В делительную воронку налейте 20-30 мл раствора (1:2) соляной кислоты. Закрепите в штативе колбу на 500 мл и заполните ее углекислым газом. Подожгите в пламени горелки ленту магния или кусочек натрия в ложечке для сжигания и тут же внесите горящий металл в колбу с углекислым газом. Металлы продолжают гореть с выделением частиц сажи:
4Na + CO2 = 2Na2О + C;
2Mg + CO2 = 2MgO + C.
Опыты 19-21. Взаимодействие металлов с водой. а) Закрепите в штативе пробирку, почти до краев наполненную водой, и опустите в нее кусочек очищенного от поверхностной пленки металла. Одновременно подготовьте длинную лучинку, подожгите ее в пламени горелки и поднесите к отверстию пробирки. Наблюдайте воспламенение водорода, сопровождающееся характерным звуком. Погасите лучинку, опустив ее в стакан с песком. После окончания реакции добавьте к жидкости в пробирке 2-3 капли раствора фенолфталеина.
б) Для демонстрирования различной химической активности металлов при их взаимодействии с водой проведите одновременно опыт с литием, натрием, калием, кальцием и магнием. Убедитесь при этом также, что гидроксид кальция мало растворим в воде, а магний при обычных условиях с водой не реагирует. в) Налейте в пробирку кипяток и добавьте магний. Наблюдайте выделение водорода и образование нерастворимого в воде гидроксида магния:
Mg + 2H2O = Mg(OH)2¯ + H2.
Проведите пробу с фенолфталеином.
Опыт 22. Взаимодействие металлов с кислотами. Учитывая высокую химическую активность изучаемых металлов, проводите реакции с небольшими порциями веществ, соблюдая необходимые меры безопасности, в небольших колбочках, установленных на демонстрационном столике. Налейте в сосуды по 3-4 мл концентрированной соляной, серной, фосфорной кислоты и добавьте по образцу металла. Обратите внимание на различие в протекании реакций в зависимости от природы металла, кислоты и свойств получаемой соли. Растворы солей сохраните для других опытов.
Опыты 23-25. Взаимодействие металлов с растворами солей. При изучении химии преимущественно вербальными методами учащиеся часто допускают ошибочные утверждения, что при взаимодействии щелочных и щелочноземельных металлов с растворами солей, катионы которых стоят в ряду активности правее, протекают обычные реакции замещения. Чтобы предотвратить эти ошибки, считаем целесообразным, при изучении темы провести соответствующие опыты. Налейте в три пробирки растворы (5 %) хлорида натрия, хлорида цинка, хлорида меди (II) и опустите в них по кусочку очищенного от пленки лития. Наблюдайте ход реакций и на основе их признаков запишите уравнения процессов, которые протекают в каждой пробирке. Испытайте продукты реакций индикаторами. Сделайте выводы о взаимодействии лития с растворами различных солей.
Нагрейте концентрированный раствор хлорида аммония в небольшой пробирке, закрепленной в штативе, и добавьте к раствору кусочек магниевой ленты или порошка магния. Наблюдайте выделение газа:
Mg + 2NH4Cl = MgCl2 + 2NH3 + H2.
Поднесите к отверстию пробирки влажную индикаторную бумажку. Проведите пробу с горящей лучинкой. Опишите ваши наблюдения.
Проведите реакции хлорида аммония (без нагревания раствора) с щелочными металлами и кальцием. Опишите результаты.
Опыты 26-37. Получение солей изучаемых металлов и их свойства. Варианты получения солей реакциями металла с неметаллами и кислотами описаны выше (см. опыты 12-16, 22). а) Проведите реакции оксидов с растворами (10%) кислот:
Li2O + 2HCl = 2LiCl + H2О;
MgO + H2SO4 = MgSO4 + H2O;
CaO + 2HNO3 = Ca(NO3)2 + H2O.
Выпарите полученные растворы (осторожно!) в фарфоровых чашечках. Когда соли остынут, соберите их и используйте для дальнейшего изучения.
б) К растворам (10%) хлоридов натрия, магния, кальция и бария в пробирках добавьте по несколько капель разбавленной серной кислоты или раствора (5%) ее соли. Наблюдайте выпадение осадка в двух последних пробирках:
Ca2+ + SO42- = CaSO4 ¯;
Ba2+ + SO42- = BaSO4¯.
в) Добавьте к осадкам солей по 2 мл азотной кислоты и убедитесь, что сульфаты кальция и бария в ней не растворяются.
г) К растворам (5%) хлоридов натрия, магния, кальция и бария в пробирках добавьте по несколько капель раствора (5%) карбоната калия. Наблюдайте образование осадков солей в трех пробирках:
MgCl2 + K2CO3 = MgCO3¯ + 2KCl;
СаCl2 + K2CO3 = СаCO3¯ + 2KCl;
ВаCl2 + K2CO3 = ВаCO3¯ + 2KCl.
д) К осадкам солей добавьте по 1-3 мл раствора азотной кислоты и убедитесь, что, в отличие от сульфатов, карбонаты в кислоте растворяются:
MеCO3 + 2HNO3 = Ме(NO3)2 + H2O + CO2.
е) Приготовьте насыщенный раствор поваренной соли в растворе (10%) аммиака объемом 50-100 мл и налейте его в высокий сосуд (цилиндр). Из аппарата Киппа пропускайте через раствор несильный ток углекислого газа. Наблюдайте выпадение осадка гидрокарбоната натрия:
NaCl + NH3 × H2O + CO2 = NaHCO3¯ + NH4Cl.
ж) Слейте жидкость с осадка соли, высушите ее и проведите реакции, характерные для гидрокарбоната натрия.
Опыт 39. Свойства гипса. Поместите в сушильный шкаф в фарфоровой чашечке 20-50 г дигидрата сульфата кальция (CaSO4×2H2O) и выдержите вещество при 140-150 оС в сушильном шкафу 2-3 часа. В результате дегидратации получится жженый гипс, или алебастр:
3CaSO4 ×2H2O = 2CaSO4 ×H2O + 3H2O.
Расплавьте в фарфоровой чашке около 100 г парафина или воска и прекратите нагревание. Когда вещество начнет твердеть, вдавите в него наполовину небольшую деталь или детскую игрушку, смазанную растительным маслом. Дождитесь полного затвердения парафина и осторожно уберите предмет. Вы получили форму половинки этого предмета. Смажьте ее маслом. Замесите немного алебастра, или медицинского гипса с водой до получения однородной кашицы в виде густой сметаны и залейте ее в форму. Через некоторое время гипс схватится и затвердеет. Теперь слепок можно вынуть и очистить от следов масла и парафина. На этом основано применение гипса в медицине и в искусстве.
Опыт 40. Сравнение относительной растворимости сульфата и карбоната кальция. К раствору (5%) хлорида кальция добавьте избыток раствора (5%) сульфата натрия. Выпадает осадок сульфата кальция:
Ca2+ + SO42- = CaSO4 ¯.
Дождитесь, когда раствор отстоится, и слейте прозрачную жидкость в другую пробирку. Добавьте сюда немного концентрированного раствора карбоната натрия. Наблюдайте образование осадка карбоната кальция:
CaSO4 + Na2CO3 = CaCO3¯ + Na2SO4.
Сделайте вывод об относительной растворимости сульфата и карбоната кальция в воде.
Опыт 41. Высаливание хлорида натрия. Понятие высаливание можно иллюстрировать следующим опытом. Приготовьте насыщенный раствор хлорида натрия в воде объемом 50 мл и тонкой струей влейте в раствор концентрированную соляную кислоту (25 мл). Наблюдайте выпадение в осадок кристаллов соли. Слейте жидкость (ее можно использовать как раствор соляной кислоты 1:2), а хлорид натрия высушите в сушильном шкафу и сохраните для изучения свойств хлорида натрия.
Опыт 42. Получение пероксида магния. Поместите в кристаллизатор немного льда, залейте его холодной водой и установите в него колбу с концентрированным раствором пероксида водорода. К раствору при постоянном перемешивании добавьте небольшими порциями порошок оксида магния. Продолжайте перемешивать в течение 30-40 минут, перелейте смесь в цилиндр и оставьте ее до следующего дня. Происходит реакция:
MgO + H2O2 = MgO2¯+ H2O.
Слейте жидкость с осадка и подсушите его вначале между листами фильтровальной бумаги, затем досушите на воздухе в сухом помещении. Храните реактив в плотно закрытой склянке. Его можно использовать для получения озона и изучения свойств пероксидов.
Опыты 43-49. Свойства гидроксидов. Гидроксиды элементов IА и IIА групп периодической системы обладают типичными оснóвными свойствами, за исключением гидроксида бериллия, который амфотерен. а) Проведите характерные реакции гидроксидов с индикаторами, кислотами, солями и кислотными оксидами (см. Раздел 3.6. Основные классы неорганических веществ).
б) Для подтверждения свойств гигроскопичности и поглощения из воздуха углекислого газа гидроксидами натрия и калия проделайте следующий опыт. Поместите на часовое стекло или в фарфоровую чашку 3-4 гранулы гидроксида калия или натрия. Наблюдайте, как вещество через некоторое время в результате поглощения водяных паров из воздуха расплывается. Наберите на кончик стеклянной палочки немного полученной кашицы и добавьте к раствору соляной кислоты. Наблюдайте выделение газа.
в) Получение более сильного основания осаждением соли покажите на следующем примере. К концентрированному раствору карбоната натрия прилейте избыток суспензии гидроксида кальция:
Na2CO3 + Ca(OH)2 = 2NaOH + CaCO3¯.
Полученную смесь перелейте в цилиндр, дайте ей отстояться и слейте жидкость (раствор гидроксида натрия с примесью гидроксида кальция) с осадка (карбонат кальция) и используйте для других опытов.
г) Для доказательства оснóвности гидроксида магния к 3-5 мл раствора (10%) соли магния прибавьте 3-5 мл раствора (5%) гидроксида натрия. Наблюдайте выпадение осадка гидроксида магния:
Mg2+ + 2ОН- = Mg(OH)2¯.
Полученную суспензию разлейте на три порции. К первой порции добавьте раствор соляной кислоты до растворения осадка (подтверждение оснóвных свойств гидроксида магния):
Mg(OH)2 + 2HCl = MgCl2 + 2H2O.
Ко второй порции добавьте раствор гидроксида натрия. Осадок не растворяется, что указывает на отсутствие кислотных свойств у гидроксида магния.
д) К третьей порции гидроксида магния добавьте раствор хлорида аммония. Осадок растворяется, что демонстрирует особые свойства гидроксида магния:
Mg(OH)2 + 2NH4Cl = MgCl2 + 2(NH3×H2O).
Опыты 50-52. Окрашивание пламени соединениями щелочных и щелочноземельных металлов. Вариант I. Опустите изогнутый в виде небольшой петли конец тонкой нихромовой проволоки в раствор соляной кислоты и прокалите в пламени горелки. После этого коснитесь этим концом проволоки раствора или твердого соединения щелочного или щелочноземельного металла и вновь внесите в пламя горелки. Наблюдайте окрашивание пламени в различный цвет в зависимости от природы вещества.
Вариант II. Насыпьте в фарфоровые чашки по маленькой щепотке различных солей щелочных и щелочноземельных металлов, добавьте в чашечки по 2 мл этанола, перемешайте и подожгите спирт. Наблюдайте различную окраску пламени, обусловленную природой соли.
Вариант III. Приготовьте растворы (10%) различных солей щелочных и щелочноземельных металлов. Смочите в растворах кусочки фильтровальной бумаги, высушите их и разрежьте на полоски. Внесите с помощью тигельных щипцов полоску такой обработанной бумаги в пламя горелки. Обратите внимание на цвет пламени горения каждой бумажки.
Ваши наблюдения внесите в таблицу.
Опыты 53-54. Характерные реакции на катионы щелочноземельных металлов. а) Добавьте к растворам солей кальция, стронция и бария по несколько капель раствора серной кислоты. Образующиеся белые мелкокристаллические быстрооседающие осадки сульфатов, нерастворимые в минеральных кислотах, указывают на катионы щелочноземельных металлов в исходных растворах.
б) К раствору (1%) соли бария добавьте несколько капель раствора (5%) хромата калия и 1-2 мл раствора уксусной кислоты. Наблюдайте образование, нерастворимого в уксусной кислоте, желтого осадка хромата бария:
BaCl2 + K2CrO4 = BaCrO4¯+ 2KCl.
Опыт 55. Характерная реакция на катион магния. Налейте в пробирку 2 мл раствора (5%) соли магния и добавьте несколько капель раствора (10%) аммиака. Наблюдайте образование осадка гидроксида магния:
MgCl2 + 2NH3×H2O = Mg(OH)2¯ + 2NH4Cl.
Добавьте к осадку раствор (10%) хлорида аммония до растворения основания. К раствору прибавьте несколько капель раствора гидрофосфата натрия и наблюдайте выпадение белого осадка двойной соли в виде кристаллогидрата MgNH4РО4×6H2O:
MgCl2 + NH3×H2O + Na2НPO4 = MgNH4РО4 + 2NaCl +H2O.
Вопросы и задания
1. Исследователи нашли определенную связь между распро-страненностью химического элемента и его положением в периодической системе. Выпишите в справочной литературе значения массовой доли щелочных и щелочноземельных металлов в земной коре и попробуйте найти определенные закономерности этих факторов.
2. В природе франция практически нет, поэтому, вследствие отсутствия экспериментальных данных, в справочниках обычно отсутствуют значения его физических констант. Но, тем не менее, можно с уверенностью говорить о его свойствах. На чем основана эта уверенность ученых-химиков?
3. Найдите в литературе происхождение и значение названий щелочных и щелочноземельных металлов и сгруппируйте их (названия) по определенным признакам.
4. Соли щелочных металлов, как правило, хорошо растворимы в воде. Это свойство используется для очистки солей от примесей методом кристаллизации. Однако поваренную соль на практике очищают (или получают в чистом виде) другими способами. Почему?
5. Кусочек лития, опущенный в воду, реагирует с ней на поверхности, то есть, - литий не тонет в воде. Кусочек кальция, опущенный в воду, вначале тонет, а затем всплывает, и реакция проходит на поверхности. Объясните причину такого "поведения" металлов.
6. Литий в электрохимическом ряду напряжений, который называют также рядом активности металлов, стоит левее натрия, калия и кальция, что, как бы, не соответствует положению этих элементов в периодической системе. Как объяснить это противоречие?
7. Известно, что щелочные металлы сильнейшие восстановители. Можно ли подобрать условия и собрать прибор для проведения реакции восстановления S+6 до элементарной серы с помощью металла IА группы?
8. Почему щелочные и щелочноземельные металлы не получают электролизом водных растворов их соединений?
9. В детективах часто "фигурирует" в качестве яда цианистый калий. Вспомните, упоминаются ли другие щелочные и щелочноземельные металлы или их соединения в литературных произведениях и кино.
10. Можно ли, не пробуя на вкус, определить, посолил повар суп или он забыл это сделать? Выскажите свои гипотезы и проверьте их экспериментально.
11. Приведите известные вам из практики примеры применения щелочных и щелочноземельных металлов, а также их соединений в быту, медицине, строительстве и т.д. На каких свойствах основано это применение.