IV. свойства неорганических веществ

Вид материала

Документы

Содержание 4.5. Бор. Алюминий Свойства бора и его соединений Опыт 2. Горение бора. Опыт 3. Получение оксида бора. Опыт 4. Гидратация оксида бора. Опыты 5-6. Получение татрабората натрия (буры). Опыты 7-10. Свойства тетрабората натрия. Опыт 11. Получение и горение борноэтилового эфира. Свойства алюминия и его соединений Опыты 1-4. Физические свойства алюминия. Опыты 5-14. Химические свойства алюминия. Опыты 15-20. Оксид и гидроксид алюминия обладают амфотерными свойствами. Опыты 21-24. Свойства растворимых солей алюминия. Опыты 25-28. Свойства нерастворимых солей алюминия. Вопросы и задания

Подобный материал:

• 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.

4.5. Бор. Алюминий

Атомы элементов подгруппы бора (VIIIА группы) содержат на внешнем энергетическом уровне по три электрона – s²p¹, поэтому бор, алюминий, галлий, индий и таллий проявляют максимальную степень окисления +3. при этом металлические свойства элементов усиливаются по мере увеличения радиуса атома. Соответственно, усиливаются и оснóвные свойства высших оксидов и гидроксидов. Для бора характерны неметаллические свойства. У алюминия преобладают металлические свойства, а его соединения обладают амфотерными свойствами.

Свойства бора и его соединений

Опыт 1. Получение бора. Хорошо разотрите в ступке порошок алюминия (~5 г) с порошком оксида бора (~7 г). Полученную смесь поместите в тигель и засыпьте сверху слоем порошка магния. Тигель поместите в песочную баню, утопив его в песке. Вставьте в смесь ленту магния и (осторожно!) подожгите ее длинной горящей лучинкой. Горящий магний инициирует реакцию восстановления бора:

B₂O₃ + 2Al = Al₂O₃ + 2B.

Для отделения оксида алюминия от бора смесь после охлаждения поместите в раствор соляной кислоты. Осадок бора отфильтруйте, промойте водой и высушите. Опишите внешние признаки полученного бора.

Опыт 2. Горение бора. Щепотку сухого порошка бора насыпьте в пламя горелки. Наблюдайте появление искр в результате взаимодействия бора с кислородом воздуха:

4B + 3О₂ = 2B₂O₃.

Опыт 3. Получение оксида бора. Насыпьте в тигель или фарфоровую чашку немного порошка ортоборной кислоты и нагрейте ее, вначале несильно, затем при более высокой температуре. В итоге борная кислота разлагается с образованием оксида:

2H₃BO₃ B₂O₃ + 3H₂O.

Опыт 4. Гидратация оксида бора. Разотрите немного (~1 г) оксида бора в ступке с несколькими каплями воды. Добавьте к смеси 3-4 мл воды и испытайте раствор универсальным индикатором. Образующаяся ортоборная кислота является наиболее устойчивой из борных кислот в водном растворе. В то же время ортоборная кислота относится к слабым кислотам (рН ~ 5):

3H₂O + B₂O₃ = 2H₃BO₃.

Опыты 5-6. Получение татрабората натрия (буры). а) Приготовьте 100-150 мл раствора (30%) гидроксида натрия и нагрейте его до 50 ^оС. Приготовьте насыщенный при этой же температуре раствор ортоборной кислоты. К этому раствору добавьте предварительно несколько капель раствора фенолфталеина, затем приливайте сюда же небольшими порциями раствор щелочи до появления розовой окраски, избегая избытка гидроксида натрия. В этих условиях протекает реакция:

4H₃BO₃ + 2NaOH = Na₂B₄O₇ + 7H₂O.

Раствор охладите. На следующий день слейте жидкость с осадка буры. Кристаллогидрат высушите вначале между листами фильтровальной бумаги, затем на воздухе. Препарат используйте для других опытов.

б) Растворите немного (~4 г) гидроксида натрия в 30 мл воды и добавьте при постоянном перемешивании около 7 г оксида бора (III). Медленно при постоянном перемешивании нагрейте смесь до 50-60 ^оС. Происходит реакция:

2B₂O₃ + 2NaOH = Na₂B₄O₇ + H₂O.

Раствор охладите. Выделите буру, как описано выше.

Опыты 7-10. Свойства тетрабората натрия. а) Растворите немного буры в 4-5 мл воды, разделите раствор на несколько порций и проверьте индикаторами среду раствора. Убедитесь, что соль в водном растворе подвергается гидролизу, упрощенное уравнение которого можно записать следующим образом:

Na₂B₄O₇ + 7H₂O 4H₃BO₃ + 2Na⁺ + 2ОН^-.

б) Приготовьте горячий концентрированный раствор буры (~9 г Na₂B₄O₇10H₂O в 20 мл воды), добавьте несколько капель раствора фенолфталеина до получения устойчивого розового окрашивания и прибавляйте небольшими порциями концентрированную соляную кислоту до обесцвечивания раствора:

Na₂B₄O₇ + 2HCl + 5H₂O = H₃BO₃ + 2NaCl.

Охладите смесь, на следующий день слейте раствор с осадка борной кислоты. Промойте осадок небольшим объемом холодной воды, вновь декантируйте и высушите.

в) В несколько пробирок с концентрированными растворами (по 3 мл) тетрабората натрия добавьте растворы (по 1 мл) солей кальция, бария, меди (II), серебра и др. Наблюдайте образование осадков. Напишите уравнения реакций, зная, что в качестве одного из исходных веществ участвует вода, а продуктами реакции являются метаборат соответствующего металла, ортоборная кислота и соответствующая соль натрия, например:

Ba(NO₃)₂ + Na₂B₄O₇ + 3H₂O = Ba(ВO₂)₂ + 2H₃BO₃ + 2NaNO₃.

г) Небольшие порции расплавленных солей борных кислот, например, буры, кристаллизуются в виде прозрачных стекловидных капель, называемых перлами (устар. – жемчуг, бусинка) буры. Если нагревание буры проводить в присутствии солей или оксидов некоторых металлов, то образуются расплавы солей метаборной кислоты, застывающие с образованием перлов различной окраски, характерной для каждого металла. Нагрейте в пламени горелки тонкую стальную (лучше платиновую) проволоку с загнутым в виде небольшой петли концом. Внесите раскаленное ушко петли в порошок буры так, чтобы немного соли расплавилось и пристало к проволоке. Внесите ушко с солью в пламя и нагрейте, вначале несильно, затем, когда выделение паров воды прекратится, усильте нагрев, пока на ушке проволоки не образуется бесцветная капля расплава:

Na₂B₄O₇·10H₂O 2NaВO₂ + В₂O₃ + 10H₂O.

После этого прикоснитесь горячим ушком с расплавом до порошка испытуемой соли, которая должна быть предварительно обезвожена и прокалена. Вновь внесите смесь в пламя горелки и нагревайте до получения однородной, но уже окрашенной, капли расплава – перла. Охладите перл и запишите его цвет. Образование перла происходит в результате нескольких последовательных реакций, суммарное уравнение на примере получения перла Со(ВO₂)₂ может быть записано так:

2Na₂B₄O₇ + 2Со(NO₃)₂ 2[Со(ВO₂)₂  2NaВO₂] + 4NO₂ + О₂.

Проведите опыты образования перлов буры с солями или оксидами различных металлов и составьте таблицу окраски перлов в зависимости от природы металла.

Опыт 11. Получение и горение борноэтилового эфира. В фарфоровую чашечку поместите несколько кристаллов буры или борной кислоты, добавьте 1-2 мл концентрированной серной кислоты и столько же этилового спирта. Смесь перемешайте стеклянной палочкой. Установите чашку на несгораемую подставку и поднесите (осторожно!) к смеси длинную зажженную лучинку. Пары борноэтилового эфира горят ярко-зеленым пламенем. Процесс образования эфира можно выразить уравнением:

H₃BO₃ + 3С₂Н₅ОН  В(ОС₂Н₅)₃ + 3H₂O.

Горение эфира протекает по уравнению:

2В(ОС₂Н₅)₃ + 18О₂  В₂О₃ + 15H₂O + 12CO₂.

Свойства алюминия и его соединений

При изучении физических и химических свойств алюминия путем проведения опытов можно использовать алюминиевую электропроводку, фольгу, другие упаковочные материалы из алюминия или образцы из коллекции "Алюминий". Еще раз напоминаем, не спешите выбрасывать продукты тех или иных реакций, они могут понадобиться для следующих опытов по исследованию свойств полученных соединений.

Опыты 1-4. Физические свойства алюминия. а) Попробуйте разрезать алюминиевую проволоку скальпелем, поскоблите скальпелем поверхность проволоки и сделайте выводы о твердости алюминия сравнительно с твердостью уже изученных металлов.

б) Поднесите к алюминиевой проволоке магнит. Можно ли с помощью магнита отличить сталь от алюминия?

в) Внесите тонкую алюминиевую проволоку в пламя горелки и наблюдайте плавление металла. Однако в отличие от многих других металлов расплавленная капля алюминия не отрывается от всей массы образца, а как бы провисает в мешочке оксида алюминия, которым покрыт металл.

г) Опишите физические свойства алюминия. Физические константы этого металла найдите в справочнике. Сравните свойства алюминия с физическими свойствами ранее изученных металлов.

Опыты 5-14. Химические свойства алюминия. а) Наберите на кончике скальпеля или шпателя немного алюминиевой пудры (пыли) и стряхните (осторожно!) ее в пламя горелки с высоты 20-30 см. Наблюдайте появление множества ярких искр. Это сгорает алюминий:

4Al + 3О₂ = 2Al₂O₃.

б) Внесите в пламя горелки алюминиевую проволоку, фольгу или другие образцы этого металла и сделайте выводы об условиях горения алюминия в воздухе.

в) Погрузите алюминиевую поволоку в воду и обратите внимание на отсутствии признаков реакции. Опустите эту же проволоку в горячий концентрированный раствор хлорида меди (II) и, не вынимая металл из раствора, соскоблите оксидную пленку с небольшого участка его поверхности. Опишите ваши наблюдения, учитывая, что здесь протекают реакции:

2Al + 3CuCl₂ = 2AlCl₃ + 3Cu;

2Al + 6H₂O = 2Al(OH)₃ + 3H₂.

г) Выньте проволоку из раствора и наблюдайте образование на ее влажной поверхности белых рыхлых частичек оксида алюминия.

д) Проделайте аналогичные действия (соскабливание оксидной пленки) с другой проволокой в воде и вы убедитесь, что в водной среде пленка мгновенно восстанавливается, и алюминий с водой в этом случае не реагирует.

е) Опустите кусочек алюминиевой проволоки в раствор сульфата меди. Опишите и объясните ваши наблюдения.

ж) В две пробирки с концентрированными растворами (пробирки заполните почти доверху) соляной кислоты и гидроксида натрия опустите несколько гранул или небольших кусочков алюминия. Наблюдайте выделение водорода:

2Al + 6HCl = 2AlCl₃ + 3H₂:

2Al + 2NaOH + 6H₂O = 2Na[Al(OH)₄] + 3H₂, или

2Al + 6NaOH + 6H₂O = 2Na₃[Al(OH)₆] + 3H₂.

Обратите внимание, что в начале опыта, при добавлении металла выделение водорода не наблюдается. Лишь через некоторое время начинается выделение газа, которое затем становится более интенсивным. Поднесите (осторожно!) в это время к пробиркам длинную горящую лучинку и по звуку воспламенения газа убедитесь, что выделяющийся газ – водород.

1. Почему реакции алюминия с кислотой или щелочью с выделением водорода начинаются не сразу после опускания металла в раствор?

2. Можно ли на основе проделанного опыта сделать вывод, что алюминий обладает амфотерными свойствами?

з) Смешайте в фарфоровой чашке примерно 2 г алюминиевой пудры и порошка (3 г) серы. Поставьте чашку на несгораемую поверхность и поднесите к смеси в чашке сильно нагретый в пламени горелки конец толстой стеклянной палочки. От тепла палочки начинается сильно экзотермическая реакция между алюминием и серой:

2Al + 3S = Al₂S₃.

Сохраните продукты реакции для дальнейшего исследования.

и) Смешайте в сухой фарфоровой чашечке равные объемы (по половинке наперстка) алюминия и сухого порошка иода. Поставьте чашку на несгораемую поверхность и капните на смесь в чашке 2 капли воды (катализатор). Через некоторое время начнется (осторожно!) экзотермическая реакция с интенсивным выделением фиолетовых паров избытка иода:

2Al + 3I₂ = 2AlI₃.

Для предупреждения попадания иода на поверхность стола и другие предметы, чашку со смесью после добавления воды быстро накройте большим стеклянным стаканом или другим прозрачным сосудом.

к) Тщательно смешайте в ступке смесь порошка оксида меди (II) (примерно 20 г) и порошка алюминия (5 г) и насыпьте ее в небольшой тигель. Тигель со смесью поместите в плоский сосуд с песком (можно взять консервную банку). Для последующего инициирования реакции насыпьте в тигель поверх содержимого слой хорошо истолченной и перемешанной смеси порошков алюминия (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, затем - порошка алюминия, поддерживаемое кислородом, выделяющемся при разложении перманганата калия. За счет энергии этих реакций начинается взаимодействие алюминия с оксидом меди (II), 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 + 3CuO = 3Cu + Al₂O₃ + Q.

Когда продукты реакции остынут, в них можно обнаружить королек меди. Очистите его от шлака и рассмотрите.

л) Опустите в растворы кислоты и щелочи концы двух алюминиевых проволочек до определенной метки. Как только начнутся реакции, выньте образцы металла из растворов, промойте их водой и погрузите на 1 минуту до метки в концентрированную азотную кислоту. Вновь промойте образцы в воде, вытрите их фильтровальной бумагой и опустите, соответственно, в растворы кислоты и щелочи немного выше первоначальной метки. Обратите внимание, что на поверхности алюминия, обработанной предварительно азотной кислотой, водород не выделяется.

1. Почему алюминий приобрел устойчивость к кислотам и щелочам после обработки его азотной кислотой?

2. Как называется это явление?

3. Можно ли увеличить реакционную устойчивость алюминия путем обработки его другими веществами?

м) Проверьте, происходит ли пассивация алюминия после его обработки концентрированными растворами поваренной соли, дихромата калия, карбоната натрия. Сделайте прогноз, какие еще вещества будут обладать свойством изменять химическую активность алюминия. Проверьте, оправдались ли ваши предположения.

Опыты 15-20. Оксид и гидроксид алюминия обладают амфотерными свойствами. а) Оксид алюминия химически стоек, однако при нагревании он реагирует с концентрированными растворами кислот и концентрированными растворами щелочей:

Al₂O₃ + 6HCl = 2AlCl₃ + 3H₂O;

Al₂O₃ + 2NaOH = 2Na[Al(OH)₄] + 3H₂O.

б) Получите осадок гидроксида алюминия путем добавления к раствору соли алюминия раствора щелочи. Щелочь не должна быть в избытке. Взвесь гидроксида алюминия разделите на две части. К первой – прилейте раствор кислоты, ко второй – добавьте раствор щелочи до полного растворения осадка:

Al(OH)₃ + 3HCl = AlCl₃ + 3H₂O;

Al(OH)₃ + NaOH = Na[Al(OH)₄].

в) К раствору алюмината натрия добавляйте по каплям разбавленный раствор соляной кислоты. Наблюдайте выпадение осадка гидроксида алюминия и его последующее растворение:

Na[Al(OH)₄] + HCl = Al(OH)₃+ NaCl + H₂O;

Al(OH)₃ + 3HCl = AlCl₃ + 3H₂O.

г) Через раствор алюмината натрия пропускайте углекислый газ. Наблюдайте выпадение осадка:

Na[Al(OH)₄] + CO₂ = Al(OH)₃+ NaHCO₃.

Продолжайте пропускать через взвесь оксид углерода (IV). В отличие от предыдущего опыта, избыток углекислоты не приводит к растворению гидроксида алюминия.

Как объяснить результаты последнего опыта?

Опыты 21-24. Свойства растворимых солей алюминия. а) Растворите небольшие порции сульфата алюминия, хлорида алюминия, алюмокалиевых квасцов в 4-6 мл воды. Полученные растворы испытайте универсальными индикаторными бумажками и убедитесь, что растворы имеют кислую среду вследствие гидролиза:

Al³⁺ + НОН AlОН²⁺ + Н⁺.

б) К раствору сульфата алюминия прибавьте несколько капель раствора соли бария. Протекает реакция ионного обмена, обычная для солей:

Al₂(SO₄)₃ + 3BaCl₂ = 3BaSO₄ + 2AlCl₃.

Опыты 25-28. Свойства нерастворимых солей алюминия. а) В пробирку с сульфидом алюминия (Получение см. опыты 5-14) добавьте несколько капель воды. Наблюдайте образование взвеси гидроксида алюминия и появление запаха сероводорода:

Al₂S₃ + 6H₂O = 2Al(OH)₃ + 3H₂S.

б) К раствору соли алюминия добавьте раствор карбоната натрия. Наблюдайте выпадение осадка и выделение газа:

2AlCl₃ + 3Na₂CO₃ + 3H₂O = 2Al(OH)₃ + 6NaCl + 3CO₂.

Посмотрите в таблице, растворим ли в воде карбонат алюминия, и сделайте по результатам опыта соответствующие выводы.

в) К раствору сульфата алюминия добавьте раствор ортофосфата натрия. Выпадает осадок. Обратитесь к таблице растворимости и сделайте вывод, что в этом опыте образовалась нерастворимая соль – ортофосфат алюминия:

Al₂(SO₄)₃ + 2Na₃PO₄ = 2AlPO₄+ 3Na₂SO₄.

Вопросы и задания

1. Найдите в справочной литературе данные по содержанию элементов IIIА группы в земной коре, даты их открытия и получения в чистом виде. Почему алюминий, несмотря на его значительное распространение в природе, был получен в чистом виде гораздо позже многих других простых веществ?

2. Найдите в справочниках происхождение и значение названий элементов IIIА группы и сгруппируйте эти названия по определенным признакам. Алюминий в XIX веке называли "серебром из глины". Как могло возникнуть такое название? Какие еще названия предлагались для элемента №13?

3. Бор относится к важнейшим микроэлементам, при недостатке которого заболевают растения и животные. Изучите роль этого биоэлемента и предложите варианты восполнения его в почве на ваших дачах или приусадебных участках.

4. Проверьте, содержится ли бор в глазных каплях или в бораксе (средство от тараканов). Для этого поместите в фарфоровой чашечке немного исследуемого вещества, добавьте немного поваренной соли, несколько капель серной кислоты и несколько капель одеколона. Смесь перемешайте и подожгите. При наличии бора пламя приобретает зеленую кайму.

5. Приготовьте из крахмала густой кисель, отварите клубень картофеля и купите в аптеке немного борной кислоты. Замесите из этих компонентов густую массу, чтобы в ее составе были примерно равные доли картошки и кислоты. Скатайте из полученной смеси шарики диаметром 2-3 см и разложите в местах обитания тараканов (в шкафах, на полу). Через некоторое время насекомые исчезнут. Необходимо только следить, чтобы у тараканов не было доступа к воде. Если на шарики капнуть несколько капель вина или пива, эффективность приманки возрастет.

6. Перечислите свойства алюминия, позволяющие использовать его для изготовления кухонной посуды и предметов, контактирующих с пищевыми продуктами.

7. Соберите несколько оберток от шоколадок, конфет и др. образцов фольги. Сверните их в виде плотных палочек и внесите (осторожно!) концы в пламя горелки. Обратите внимание на различие в наблюдаемых явлениях и объясните их.

8. Какие свойства алюминия препятствуют его применению в качестве материала для производства рельсов, ферм мостов и других конструкций.

9. Сапфиры, рубины и корунд являются разновидностями оксида алюминия. Почему же свойства этих веществ и оксида алюминия так резко отличаются между собой?

10. Многие металлы, в том числе и алюминий, растворяются в ртути, образуя амальгамы. Найдите в литературе дополнительные сведения об амальгамах и сделайте прогноз о практическом применении амальгамы алюминия.

11. Можно ли с помощью порошка магния восстановить алюминий из оксида алюминия?

12. Найдите две одинаковые по длине (30-40 см) и толщине проволоки из алюминия и железа. Возьмите в обе руки их концы, а вторые концы внесите в пламя горелки. Установите, какой из этих металлов лучше проводит тепло.

13. Д.И.Менделеев писал, что "если в некоторой группе находятся элементы R₁, R₂, R₃ и в том ряде, где содержится один из этих элементов, например, элемент R₂, находится перед ним элемент Q, а после него – элемент Т, то свойства R₂ определяются по свойствам R₁, R₂, Q и Т. Так, например атомный вес R₂ = ¼(R₁ + R₃ + Q + Т)". Рассчитайте по этой формуле атомную массу галлия (предсказан Д.И.Менделеевым) и сравните полученную величину с истинным значением.

14. Металлургические комбинаты по производству алюминия обычно строят не там, где находятся залежи бокситов, а поблизости от мощных электростанций. Как вы объясните этот факт?

15. Почему поверхность, покрытая "алюминиевой" краской со временем тускнеет?

16. Приведите известные вам из практики примеры применения элементов IIIА группы и их соединений в быту, медицине, сельском хозяйстве, строительстве и т. д. На каких свойствах основано это применение?