IV. свойства неорганических веществ

Вид материалаДокументы
4.6. Углерод. Кремний. Свинец
Свойства углерода и его соединений
Опыт 2. Получение древесного угля.
Опыты 3-4. Адсорбционные свойства древесного угля.
Опыты 5-7. Восстановительные свойства углерода.
Опыты 8-18. Получение и свойства углекислого газа.
Опыты 19-23. Свойства карбонатов.
Свойства кремния и его соединений
Опыты 6-9. Свойства кремниевой кислоты и ее солей.
Опыты 10-30. Свойства свинца и его соединений.
Вопросы и задания
Подобный материал:
1   2   3   4   5   6   7   8   9   10   11

4.6. Углерод. Кремний. Свинец



Атомы химических элементов подгруппы углерода (углерод, кремний, германий, олово и свинец) имеют на внешнем энергетическом уровне по четыре электрона – ns2np2. В ряду C – Si – Ge – Sn – Pb неметаллические признаки элементов ослабевают, а металлические – усиливаются. В неорганических соединениях углерод проявляет степени окисления –4, +4, +2; кремний - +4, -4; для германия более характерна степень окисления +4; для олова и свинца - +2, +4. Углерод проявляет свойства типичного неметаллического элемента.

Свойства углерода и его соединений


Опыт 1. Физические свойства аллотропных видоизменений углерода. Образцы простых веществ, образованных углеродом, поместите заранее в небольшие склянки (пузырьки) из-под пенициллина или других антибиотиков. Для получения образца сажи внесите с помощью пинцета небольшую металлическую пластину (вырежьте из консервной банки) в пламя свечи и закоптите ее со всех сторон. В качестве образцов угля и графита воспользуйтесь раздаточным материалом из коллекции, карандашным стержнем, щеткой электромотора и т.д. Пробки склянок обвяжите полиэтиленовой пленкой. Этикетки приклейте на дно пузырька. Для демонстрации алмаза можно использовать алмазный стеклорез и фотографии известных алмазов, бриллиантов и изделий из них.

1. Опишите внешние признаки образцов сажи, угля, графита и алмаза. Значения физических констант найдите по справочнику и заполните таблицу.

2. Сделайте вывод о зависимости свойств вещества от строения и вида его кристаллической решетки.

Опыт 2. Получение древесного угля. В большую пробирку поместите до половины ее объема сухие древесные щепки (лучинки). Укрепите пробирку в штативе горизонтально, отверстием чуть вниз, и закройте пробкой с газоотводной трубкой. Прогрейте всю пробирку, затем сильно нагревайте щепки, начиная с области дна сосуда. Постепенно, по мере полного обугливания древесины, передвигайте пламя в сторону отверстия пробирки. Наблюдайте выделение дыма из газоотводной трубки, пропустите его через раствор нейтрального метилового оранжевого. Раствор окрашивается в красный цвет. Продолжая нагревать содержимое пробирки, поднесите к газоотводной трубке зажженную лучинку. Убедитесь, что газообразные продукты термического разложения древесины горючи.

Наблюдайте в пробирке образование темной жидкости, которая стекает к отверстию. Уберите (осторожно!) газоотводную трубку и подставьте под отверстие стакан для жидкого продукта. Проверьте индикаторной бумажкой его среду.

Дайте пробирке остыть, слейте остаток жидкости в стакан. Полученный древесный уголь немного измельчите и сохраните для других опытов.

Опыты 3-4. Адсорбционные свойства древесного угля. а) Приготовьте разбавленный раствор какого-либо красителя (фуксин, лакмус и др.). Налейте 2-3 мл раствора в пробирку, добавьте активированный уголь, закройте пробкой и энергично встряхните несколько раз. Наблюдайте обесцвечивание раствора. Нагрейте раствор – окраска появляется вновь.

Какие выводы и предположения можно сделать из этого опыта?

б) В пробирку положите небольшой кристаллик нитрата меди, свинца или другого тяжелого металла и нагрейте до разложения соли с выделением бурого газа – оксида азота (IV). Всыпьте, стараясь не допускать потерь газа, в пробирку активированный уголь, закройте ее пробкой и встряхните сосуд несколько раз. Наблюдайте в пробирке исчезновение бурой окраски.

Опыты 5-7. Восстановительные свойства углерода. а) Положите в пробирку кусочек древесного угля, налейте в нее 1-2 мл концентрированной серной кислоты, укрепите пробирку вертикально в штативе и осторожно нагрейте содержимое. Наблюдайте выделение газа. Поднесите к отверстию сосуда влажную фиолетовую лакмусовую бумажку и отметьте ее покраснение. Прекратите нагревание и осторожно определите запах продуктов реакции:

2H2SO4 + C = 2SO2­ + CO2­ + 2H2O­.

Какой из образовавшихся продуктов вызвал изменение окраски индикатора и обладает запахом?

б) В фарфоровой ступке разотрите 3 части (по объему) свеже-приготовленного из малахита порошка оксида меди и одну часть древесного угля (можно взять медицинские таблетки активированного угля). Перенесите смесь в пробирку с газоотводной трубкой, укрепите пробирку в штативе, а трубку опустите в стакан с известковой водой. Прогрейте смесь, а затем сильно ее нагрейте. Наблюдайте выделение газа, вызывающего помутнение реактива в стакане, и образование красного вещества в пробирке:

2CuО + С 2Cu + CO2.

в) В фарфоровой ступке разотрите около 2,5 г угля с безводным сульфатом натрия (около 14 г), поместите в пробирку и сильно нагрейте. При температуре около 500 оС происходит реакция:

2С + Na2SO4 Na2S + 2CO2­.

Полученный сульфид натрия сохраните для опытов с этим веществом.

Опыты 8-18. Получение и свойства углекислого газа. а) Получение оксида углерода (IV) в лабораторных условиях осуществляется взаимодействием мрамора с соляной кислотой:

CaCO3 + 2HCl = CaCl2 + H2O + CO2­.

Для этого используйте либо обычную пробирку с газоотводной трубкой, либо унифицированный прибор, либо прибор для получения газов или аппарат Киппа. Пропустите газ через воду, подкрашенную фиолетовым лакмусом, и наблюдайте изменение окраски раствора вследствие обратимой реакции:

CO2 + H2O Н2CO3.

Ток углекислого газа направьте на влажную фиолетовую бумажку, последняя также покраснеет, что доказывает кислотный характер оксида углерода (IV).

б) Соберите оксид углерода (IV) в пробирку вниз дном, закройте ее большим пальцем и отверстием вниз опустите в кристаллизатор с водой. Убедитесь, что оксид углерода (IV) в воде практически не растворяется. Вместо воды налейте в кристаллизатор раствор (10%) гидроксида натрия и повторите опыт. Внимание! Работайте в резиновых перчатках, не допуская контакта раствора щелочи с кожей руки. Отметьте растворимость газа в растворе щелочи вследствие реакции:

CO2 + 2NaOH = Na2CO3 + H2O.

в) Поместите в пробирку немного твердой щелочи (NaOH или KOH), установите пробирку вертикально в штативе и опустите в нее газоотводную трубку от прибора для получения углекислого газа. Пустите газ в пробирку, и вы получите пример экзотермической гетерогенной реакции между газообразным и твердым веществами.

г) Установите в высокий и широкий стакан или иной сосуд несколько различных по высоте свечей. Зажгите свечи и опустите в сосуд до дна газоотводную трубку от установки для получения углекислого газа и включите прибор. Наблюдайте, как одна за другой будут гаснуть свечи, за исключением самой высокой, пламя которой на уровне края стакана. Этот опыт со свечами можно видоизменить, если на дно сосуда положить несколько кусочков мрамора, а после зажжения свечей, залить карбонат кальция раствором соляной кислоты.

д) На дне небольшого стакана установите (можно насыпать небольшой слой песка) свечу и зажгите ее. Одну колбу на 500-800 мл заранее заполните углекислым газом и закройте пробкой. Другой такой же колбой (без углекислого газа) проделайте движение, как будто в ней вода, и вы ее "выливаете" в стакан с горящей свечой. Естественно, свеча продолжает гореть. Тогда вы медленно "переливаете" углекислый газ из первой колбы во вторую, стараясь не делать резких движений, чтобы исключить потери газа. Повторно "залейте" горящую свечу углекислым газом, доказывая тем самым, что этот газ тяжелее воздуха и, что он не поддерживает горение.

е) Наполните аквариум до половины углекислым газом и "сбросьте" в него мыльный пузырь. Пузырь будет "лежать" на "поверхности" газа, как бы пребывая в невесомости.

ж) Пропустите углекислый газ через прозрачный раствор известковой воды или раствор гидроксида бария, наблюдайте помутнение вследствие образования нерастворимого карбоната:

CO2 + Ca(OH)2 = CaCO3¯ + H2O;

CO2 + Вa(OH)2 = ВaCO3¯ + H2O.

Продолжайте пропускать газ через взвеси и отметьте исчезновение осадков в результате образования кислых солей, растворимых в воде:

CaCO3 + CO2 + H2O = Сa(HCO3)2;

ВaCO3 + CO2 + H2O = Вa(HCO3)2.

з) Пропустите ток углекислого газа через растворы сульфата меди (II), хлорида железа (III), хлорида магния. Объясните отсутствие образования осадков в этих опытах.

Опыты 19-23. Свойства карбонатов. а) Поместите в нескольких пробирках небольшие порции (2-3 г) различных солей угольной кислоты (CaCO3, MgCO3, NaHCO3, Na2CO3, (CuOH)2CO3 и др.). Укрепите пробирки горизонтально, отверстием чуть вниз. Последовательно закрывайте каждую пробирку пробкой с газоотводной трубкой, конец которой опустите в известковую воду. Нагревайте содержимое пробирок, и по выделению газа и помутнению раствора сделайте вывод о фактическом разложении каждой соли при нагревании в данных условиях.

Как установить опытным путем, какие еще вещества образовались в каждом конкретном случае?

б) Прилейте к растворам (5%) солей алюминия, меди, железа, кальция, магния и т.д. раствор (5%) карбоната натрия или карбоната калия. Наблюдайте выпадение осадков нерастворимых веществ и возможное выделение газа, например:

2AlCl3 + 3K2CO3 + 3H2O = 2Al(OH)3¯ + 6KCl + 3CO2;

2CuSO4 + 2Na2CO3 + H2O = (CuOH)2CO3¯ + 2Na2SO4 + CO2;

CaCl2 + Na2CO3 = CaCO3¯ + 2NaCl.

в) Прилейте к растворам гидроксидов кальция, стронция и бария растворы карбонатов натрия или калия, наблюдайте образование соответствующих осадков:

Ca(OH)2 + Na2CO3 = CaCO3¯ + 2NaOH.

г) Прилейте к растворам или к небольшим порциям твердых солей угольной кислоты по несколько капель растворов различных кислот (HNO3, HCl, H2SO4, CH3COOН и др.), наблюдайте выделение газа:

CO32- + 2H+ = H2O + CO2­.

Примечание. Эта реакция является качественной на карбонаты.

д) Испытайте водные растворы карбонатов натрия, калия и аммония и раствор гидрокарбоната натрия различными индикаторами. Результаты опыта оформите в виде таблицы.

Окраска индикаторов в растворах солей угольной кислоты

Соль

Индикатор

Na2CO3

K2CO3

NaHCO3

(NH4)2СО3


Метиловый оранжевый













Фенолфталеин













Лакмус












Свойства кремния и его соединений


Опыты 1-5. Получение и свойства кремния. а) Перемешайте в ступке смесь из одной части оксида кремния и двух частей порошка магния. Перенесите смесь в пробирку, укрепите ее почти вертикально в штативе и сильно нагрейте острым пламенем горелки. Как только реакция начнется, отставьте (осторожно!) горелку и наблюдайте продолжение экзотермической реакции:

6Mg + 2SiO2 = Mg2Si + Si + 4MgO + Q.

После охлаждения разбейте пробирку и измельчите полученную смесь.

б) Налейте в фарфоровую чашечку 2-3 мл теплой воды и добавьте туда (осторожно!) немного полученной смеси. В чашечке протекает реакция с выделением газообразного силана:

Mg2Si + 4H2O = 2Mg(OH)2¯ + SiH4­.

Силан самовоспламеняется на воздухе:

SiH4 + 2О2 = SiO2 + 2H2O.

в) После окончания реакции добавьте в чашечку 1-2 мл соляной кислоты (1:2) для растворения гидроксида магния и оксида магния. В итоге в чашке останется порошок кремния, нерастворимого в кислотах и в воде.

г) Поместите несколько крупинок кремния в пробирку и добавьте концентрированного раствора (1-2 мл) щелочи. Наблюдайте выделение водорода:

Si + 4NaOH = Na4SiO4 + 2H2­.

Остаток кремния высушите и разотрите в ступке в мельчайший порошок. Щепотку кремния бросьте в пламя горелки. Частицы кремния сгорают в соответствии с уравнением реакции:

Si + О2 = SiO2.

Опыты 6-9. Свойства кремниевой кислоты и ее солей. а) Канцелярский силикатный клей представляет собой концентрированный раствор силиката натрия. Разбавьте немного клея водой в отношении 1:2 и добавьте к порции этого раствора 2-3 капли раствора фенолфталеина. Раствор окрасится в малиновый цвет, так как соль подвергается гидролизу по щелочному типу:

Na2SiO3 + H2O 2Na+ + OH- + HSiO3-.

б) Ко второй порции раствора силиката натрия добавьте равный объем соляной кислоты (1:2), перемешайте смесь стеклянной палочкой и наблюдайте образование твердой кремниевой кислоты:

Na2SiO3 + 2HCl = H2SiO3¯ + 2NaCl.

в) Через новую порцию раствора силиката натрия пропускайте ток углекислого газа, наблюдайте загустевание смеси в результате образования кремниевой кислоты:

Na2SiO3 + H2O + CO2 = H2SiO3¯ + Na2CO3.

1. Сделайте вывод об относительной силе угольной и кремниевой кислот.

2. К небольшим порциям раствора силиката натрия добавьте по несколько капель растворов солей меди, железа и других металлов. Наблюдайте образование соответствующих нерастворимых солей кремниевой кислоты и запишите уравнения реакций.

Свинец


Опыты 10-30. Свойства свинца и его соединений. а) Рассмотрите образец свинца (охотничья дробь, пуля, рыболовное грузило, пластина аккумулятора и т.д.), отметьте его внешний вид. Поцарапайте металл предметами из различных материалов и сделайте вывод об относительной твердости металла. Положите кусочек свинца на металлическую поверхность и ударьте по нему молотком. Сделайте вывод о ковкости металла.

б) Положите кусочек свинца в ложечку для сжигания веществ и внесите в пламя горелки. Температура плавления свинца 327 оС.

в) Опытным путем определите плотность образца металла и сравните полученный результат с табличными данными (11344 кг/м3).

г) В пробирки налейте по 2 мл разбавленных растворов (10%) кислот: соляной, азотной, серной, уксусной, фосфорной и добавьте по одной дробинке свинца. Нагрейте растворы до кипения и установите визуально, где идет реакция:

Pb + 2H+ = Pb2+ + H2­.

д) После остывания пробирок добавьте в каждую из них по 2-3 капли раствора (5%) иодида калия. В тех пробирках, где образовались соли свинца (где свинец прореагировал с кислотой), выпадает желтый осадок иодида свинца:

Pb2++ 2I- = PbI2¯.

е) В раствор (10%) нитрата или ацетата свинца опустите цинковую пластинку. Наблюдайте образование красивых кристаллов свинца на поверхности цинка:

Pb2+ + Zn = Pb + Zn2+.

Проведите аналогичные опыты взаимодействия растворов солей свинца с другими металлами и запишите соответствующие уравнения реакций.

ж) В две пробирки с растворами (5%) солей свинца прибавьте по каплям раствор (5%) серной кислоты (или ее соли), раствор сероводородной кислоты (или ее соли). Наблюдайте образование белого и черного осадков, соответственно:

Pb2+ + SO42- = PbSO4¯;

Pb2+ + S2- = PbS¯.

з) К черному осадку во второй пробирке прибавьте небольшими порциями при перемешивании раствор пероксида водорода и наблюдайте превращение черного сульфида свинца в белый сульфат свинца (II):

PbS + 4H2O2 = PbSO4 + 4H2O.

и) В пять пробирок с растворами (5%) соли свинца добавьте по несколько капель растворов (5%) сульфата натрия, хлорида натрия, иодида натрия, карбоната натрия и гидроксида натрия. Наблюдайте образование осадков в каждой пробирке:

Pb2+ + SO42- = PbSO4¯;

Pb2+ + 2Cl- = PbCl2¯;

Pb2+ + 2I- = PbI2¯;

Pb2+ + 2CO32- = (PbОН)2CO3¯ + CO2­;

Pb2+ + 2ОН- = Pb(ОН)2¯.

Запишите полные уравнения реакций, цвет образовавшихся нерастворимых веществ и разделите содержимое каждой пробирки на две части.

к) Первые порции каждой взвеси слегка нагрейте и охладите. Наблюдайте исчезновение осадков во второй и третьей пробирках вследствие значительного увеличения растворимости данных галогенидов свинца при повышении температуры и повторное их появление, но уже в виде более крупных кристаллов, при охлаждении растворов. Ко вторым порциям взвесей добавьте по 2-3 мл раствора азотной кислоты. Наблюдайте растворение гидроксокарбоната и гидроксида свинца в кислоте:

(PbОН)2CO3 + 4HNO3 = 2Pb(NO3)2 + 3H2O + CO2­;

Pb(ОН)2 + 2HNO3 = Pb(NO3)2 + H2O.

л) К перекристаллизованному осадку иодида свинца, полученному в предыдущем опыте прибавляйте при помешивании небольшими порциями насыщенный раствор иодида натрия. Наблюдайте полное растворение осадка вследствие образования растворимой в воде комплексной соли:

PbI2 + NaI Na2[PbI4].

При разбавлении раствора тетраиодоплюмбата (II) натрия водой комплексная соль распадается, и вновь выпадает осадок PbI2, а ионы натрия и избыток иодид-ионов переходят в раствор.

м) К одной порции гидроксида свинца добавляйте по каплям концентрированный раствор гидроксида натрия, к другой порции – раствор азотной кислоты и наблюдайте растворение осадка в результате образования соответствующих солей:

Pb(ОН)2 + NaOH = Na2[Pb(ОН)4];

Pb(ОН)2 + 2CH3COOН = Pb(CH3COO)2 + 2H2O.

Взаимодействие гидроксида свинца (II) с кислотами и с щелочами доказывает, что это вещество обладает амфотерными свойствами.

Вопросы и задания


1. Найдите в справочной литературе данные по содержанию элементов IVА группы в земной коре, даты их открытия и получения в чистом виде. Сопоставьте и прокомментируйте эти факты. Почему кремний, 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 IVА группы и сгруппируйте эти названия по определенным признакам. Однозначен ли смысл латинского и русского названий элемента №14?

3. С помощью пинцета нагрейте сильно в пламени горелки кусочек яичной скорлупы. После остывания, капните на скорлупу раствор фенолфталеина. Запишите ваши наблюдения и объясните результаты опыта. Напишите соответствующие уравнения реакций. Что произойдет, если вместо яичной скорлупы взять кусочек раковины улитки или другого моллюска?

4. Налейте в стакан охлажденную кипяченую воду, положите ложечку варенья, щепотку лимонной кислоты и хорошо перемешайте. Добавьте щепотку пищевой соды, энергично размешайте и выпейте лимонад. Ну, а уравнение реакции между кислотой и солью можно записать и позднее. Почему для приготовления "шипучки" не рекомендуется брать теплую воду?

5. В высокий сосуд налейте слабый раствор соляной кислоты. Затем в раствор опустите куриное яйцо, оно опустится на дно сосуда. Через некоторое время на поверхности скорлупы появятся пузырьки газа (какого?), которые поднимут яйцо на поверхность. Здесь пузырьки лопаются, и яйцо вновь опускается на дно. Если яйцо окажется слишком тяжелым, то добавьте в раствор немного поваренной соли. Объясните этот эксперимент.

6. Что собой представляет черная тушь? Почему особо важные документы и рукописи заполняли или писали тушью?

7. Название химического элемента №6 не совпадает ни с одним названием простого вещества, образованного этим элементом. Можете ли вы привести другие промеры подобного феномена?

8. Алмаз и карборунд являются исключительно твердыми и тугоплавкими веществами. Чем обусловлены эти свойства?

9. Разотрите кусочек обычного стекла в тонкий порошок, перенесите его в пробирку, добавьте 2-3 мл дистиллированной воды и прокипятите смесь. После охлаждения добавьте в пробирку 2-3 капли раствора фенолфталеина. Вновь нагрейте смесь до кипения и вновь охладите. Опишите и объясните ваши наблюдения.

10. Разбавьте (1:1) силикатный клей (200 мл) водой и налейте в широкий стеклянный сосуд, на дно которого предварительно положите (подальше друг от друга) несколько крупных кристаллов окрашенных солей (медный купорос, железный купорос, соли никеля, хрома, кобальта и т.д.). Через некоторое время из кристаллов начнут "расти", похожие на водоросли "побеги" - нерастворимые силикаты соответствующих металлов.

11. Небольшой носовой платочек погрузите в раствор силиката натрия (смешайте силикатный клей с водой в отношении 1:10), хорошо смочите и отожмите. Возьмите платочек пинцетом или тигельными щипцами за уголок, погрузите в легковоспламеняющуюся жидкость (спирт, ацетон и т.д.), быстро выньте платочек, дайте излишней жидкости стечь и подожгите (осторожно!) пламенем горелки. (Сосуд со спиртом нужно обязательно предварительно убрать в безопасное место). Спирт вспыхивает и сгорает, а платочек остается невредимым. После опыта простирайте его в теплой воде и используйте по назначению. Какие свойства веществ, и какие закономерности процесса горения позволили выполнить этот занимательный опыт?

12. На основе силикатного клея можно изготовить чернила для надписей на стекле. В качестве красителя (пигмента) можно взять концентрированную тушь, гуашь, нерастворимые в воде соли. Для получения белой надписи подойдет тонко измельченный порошок сульфата бария или мела. Порошок пигмента размешайте с силикатным клеем до получения интенсивно окрашенной смеси, в которую добавьте несколько капель концентрированного раствора щелочи. Пишут такими "чернилами" с помощью тонкой кисточки или заостренной палочкой.

13. Существование химического элемента №32 – экасилиция и некоторые его свойства прогнозировал Д.И. Менделеев еще в 1871 году. Только в 1886 году этот элемент был открыт немецким ученым К.Винклером, который и дал ему название в честь своей родины. Получают германий восстановлением его из оксида водородом. Реагирует при нагревании с кислородом, галогенами, серой. Растворяется в концентрированной серной кислоте с образованием сульфата и выделением оксида серы (IV). Оксид германия (IV) проявляет амфотерные свойства. Напишите уравнения реакций, соответствующие перечисленным свойствам, полагая, что здесь германий проявляет степень окисления +4.

14. Олово входит в состав бронзы, известной человеку с древних времен, оловом покрывают внутреннюю поверхность консервных банок, олово входит в состав припоев, из олова льют оловянных солдатиков, олово "болеет чумой". Какие свойства олова обеспечивают этому металлу столь широкое применение, и в то же время ограничивают его использование в странах с холодным климатом?

15. Имеет ли связь слово "пломба" с латинским названием свинца – "плюмбум"? Почему этот металл активнее реагирует со слабой уксусной кислотой, чем с соляной или серной? Какие соединения свинца используют в качестве пигмента различных масляных красок? На каких свойствах свинца и его соединений основана работа аккумулятора? Какую роль выполняет свинец в составе некоторых марок бензина? Почему пули и дробь изготавливают из свинца? Где используют "свинцовые" рукавицы, фартуки, шлемы и т.д.? Что такое "свинцовый" сахар, почему его не кладут в чай? Почему бесчисленные попытки алхимиков превратить свинец в золото оказались безуспешными? Можно ли сейчас, используя современные достижения науки, получить золото из свинца? Если вы найдете ответы на эти вопросы, то лишь чуть-чуть приоткроете завесу, скрывающую многие интереснейшие сведения об элементе №82.

16. Узнайте, есть ли в вашем населенном пункте промышленные или химические производства, производящие или использующие элементы IVА группы и их соединения. Как называются эти предприятия, и что они производят?

17. Приведите примеры применения элементов IVА группы и их соединений в быту, сельском хозяйстве, промышленности, медицине, строительстве и других областях деятельности человека. На каких свойствах основано это применение?