Неорг химия

ность, одновременно понижая и повышая свою степень окисления. Таким веществам свойственна склонность к диспропорционированию, часто в щелочной среде.

В соединениях р-элементы проявляют разнообразные степени окисления от низшей до высшей, величина которых соответствует номеру группы в Периодической системе элементов Д. И. Менделеева. Соединения, в состав которых входят атомы р-элементов в промежуточной степени окисления, проявляют окислительно-восстановительную двойственность. Для изучения окисли- тельно-восстановительных свойств соединений их вводят в реакции с типичными окислителями (например, перманганатом калия, бихроматом калия, кислотами) и с типичными восстановителями (например, сероводородом, иодидом калия).

Элементы, у которых последний электрон при распределении электронов по орбиталям поступает на d-подуровень предпоследнего квантового уровня, называются d-элементами. d-элементы образуют побочные IB – VIIB подгруппы и представляют собой металлы. Особенность этих элементов состоит в том, что большинство из них проявляют переменную степень окисления.

Кислотно-основные свойства d-элементов

В зависимости от степени окисления, образуемые d-элементами оксиды или гидроксиды могут проявлять основные, амфотерные и кислотные свойства.

151

С увеличением степени окисления усиливаются кислотные свойства ок-

сидов и гидроксидов. Оксиды CuO, VO, СrО, FeO, CoO, NiO, MnO являются оксидами основного характера. Отвечающие им гидратные формы – Cu(OH)2, V(OH)2, Cr(OH)2, Fe(OH)2, Co(OH)2, Ni(OH)2, Mn(OH)2 представляют собой ос-

нования. Для этих оксидов и гидроксидов характерны реакции с кислотами: FeO +2HCl R FeCl2 +2H2O ;

Ni(OH)2 + H2SO4 R NiSO4 + 2H2O .

В ряде случаев гидроксиды оказываются неустойчивыми и выделить их в свободном виде не удается. Так, взаимодействие солей меди (I) с растворами щелочей приводит не к образованию гидроксида, как это можно было предпо-

лагать, а к образованию оксида меди (I). Аналогичные реакции протекают и с солями, образуемыми d-элементами пятого и шестого периодов Периодической системы элементов, например с солями серебра (I), ртути (II).

2AgNO3 + 2NaOH RAg2O+ 2NaNO3 + H2O .

Кислотные оксиды образуют элементы, находящиеся в высоких степенях окисления такие, как марганец (МпО3, Мп2О7). Соответствующие им гидратные формы являются кислотами. Как правило, устойчивость этих кислот невелика,

что лишает возможности выделить их в свободном виде. Вместе с тем известно,

что марганцевая кислота НМnО4 является достаточно устойчивой и относится к группе сильных кислот.

Для кислотных оксидов и гидроксидов характерны реакции со щелочами

MnO3 +2NaOH R Na2MnO4 +H2O .

Большая группа оксидов – Sc2O3, Ti2O3, V2O3, VО2, Сг2О3, MnO2, ZnO – относится к группе амфотерных. Соответствующие им гидратные формы явля-

ются труднорастворимыми амфотерными гидроксидами. Амфотерные свойства могут проявлять гидроксиды некоторых d-элементов, где они находятся в выс-

шей степени окисления (TiO2, UO3, МоО3, V2O5). Так как одноатомный катион с высоким зарядом (+ 4, +5, + 6), как правило, в растворе существовать не может,

152

то образуются сложные катионы, которые, как и анионы кислот, содержат ки-

слород (оксикатион).

Амфотерные свойства, как правило, оценивают по способности гидроксида участвовать в реакциях с кислотами и щелочами. Амфотерные свойства таких гидроксидов, как Zn(OH)2, Сг(ОН)3, выражены очень четко. Они легко вступают в реакции с кислотами и с растворами щелочей, даже разбавленными.

Основные свойства d-элементов

1. Zn(OH)2 + H2SO4 RZnSO4 + 2H2O

2. Ti(OH)4 + H2SO4 R TiOSOсульфат4 +3H2O

титанила

Кислотные свойства d-элементов

1. Zn(OH)2 + 2NaOH R Na2[Zn(OH)4 ]

тетрагидроксоцинкат(II) натрия

2. Ti(OH)4 + 2NaOH R Na2TiO3 +3H2O

титанат

натрия

В ряде случаев амфотерные свойства гидроксидов выражены слабо и такие гидроксиды с трудом реагируют с щелочами. Тогда для осуществления реакции требуются концентрированные растворы щелочей:

Fe(OH)3 + 3NaOH R Na3[Fe(OH)6 ]

или даже сплавление с твердыми щелочами:

Sc(OH)3 + NaOH R NaScO2 + 2H2O .

153

Окислительно-восстановительные свойства соединений d-элементов

Соединения, в которых d-элементы находятся в высшей степени окисле-

ния, например Мn2О7, КМnО4, СгО3, КгСг2О7 проявляют окислительные свой-

ства. Принимая электроны, они участвуют в процессах восстановления: Mn+7 +5e− → Mn+2 , Mn+7 +3e− → Mn+4 , Cr+6 +3e− →Cr+3 .

В промежуточной степени окисления атомы d-элементов, в зависимости от условий эксперимента, могут принимать и отдавать электроны, проявляя

окислительно-восстановительную двойственность:

Mn+6 −e− → Mn+7

Mn+6 +2e− → Mn+4 .

На протекание окислительно-восстановительных реакций существенное

влияние оказывает среда. Так, ион MnO4− (за счет атома марганца, находящего-

ся в состоянии окисления +7) наибольшую окислительную активность проявля-

ет в кислой среде, восстанавливаясь до Мn+2.

В нейтральной и тем более в щелочной среде окислительная активность этого иона снижается: в первом случае MnO4− восстанавливается до Мn+4, а во втором – до Мn+6. Эти процессы, пользуясь ионной формой записи, можно представить следующим образом:

154

4.КАРТА КОНТРОЛЯ23,24

1.Ядовитым для людей является

1.Черный фосфор

2.Красный фосфор

3.Белый фосфор

4.Фиолетовый фосфор

2.Для получения зеленого стекла в исходную шихту добавляют

1.MnO

2.Cr2O3

3.PbO

4.CoO

3.Какой из благородных газов радиоактивен?

1.He

2.Ne

3.Ar

4.Xe

5.Rn

23Необходимо указать номера правильных ответов.

24Правильные ответы смотрите на стр. 164.

155

4.Какой (какие) из металлов IБ группы не взаимодействует (-ют)

с H2SO4 (конц)

1.Cu, Ag, Au

2.Ag

3.Au

4.Cu

5.Cu, Ag

5.Оксид ванадия (II) является

1.Кислотным

2.Основным

3.Амфотерным

4.Индифферентным (несолеобразующим)

156

5. СОДЕРЖАНИЕ И ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

Опыт 1. Взаимодействие оксидов s-металлов с водой.

а) Налейте в пробирку 4-5 мл дистиллированной воды и добавьте небольшое количество оксида магния.

Тщательно перемешайте содержимое пробирки стеклянной палочкой. Добавьте 1-2 капли раствора фенолфталеина. Какой цвет приобретает раствор? Почему? Отметьте растворимость гидроксида в воде. Составьте уравнение реакции оксида с водой и уравнение диссоциации гидроксида в водном растворе.

б) Налейте в пробирку 4-5 мл дистиллированной воды и добавьте небольшое количество оксида кальция.

Тщательно перемешайте содержимое пробирки стеклянной палочкой. Добавьте 1-2 капли раствора фенолфталеина. Какой цвет приобретает раствор? Почему? Отметьте растворимость гидроксида в воде. Составьте уравнение реакции оксида с водой и уравнение диссоциации гидроксида в водном растворе.

в) Налейте в пробирку 4-5 мл дистиллированной воды и добавьте небольшое количество оксида бария.

Тщательно перемешайте содержимое пробирки стеклянной палочкой и нагрейте реакционную смесь в течение нескольких минут. Добавьте 1-2 капли раствора фенолфталеина. Какой цвет приобретает раствор? Почему? Отметьте растворимость гидроксида в воде. Составьте уравнение реакции оксида с водой и уравнение диссоциации гидроксида в водном растворе.

Опыт 2. Амфотерность гидроксида бериллия В две пробирки налейте по 1-2 мл раствора хлорида бериллия. Добавьте в

каждую раствор гидроксида натрия до выпадения осадка. Отметьте его внешний вид. Затем в первую добавьте 2-3 мл раствора соляной кислоты, во вторую

– избыток раствора щелочи. Что наблюдается в том и другом случае? О каких свойствах гидроксида бериллия это свидетельствует? Составьте уравнения реакций.

157

Опыт 3. Получение амфотерных гидроксидов и изучение их свойств а) Поместите в две пробирки по указанию преподавателя по 1 мл раство-

ров: 1) сульфата алюминия; 2) хлорида олова (II). В обе пробирки добавьте по каплям раствор гидроксида натрия. Отметьте цвет образующегося осадка. Затем в первую пробирку добавьте раствор азотной кислоты, а во вторую – концентрированный раствор щелочи.

Объясните наблюдаемые явления. Составьте уравнения реакций в молекулярном и ионно-молекулярном виде.

б) Поместите в две пробирки по указанию преподавателя по 1 мл растворов: 1) хлорида олова (IV); 2) нитрата свинца (II).В обе пробирки добавьте по каплям раствор гидроксида натрия. Отметьте цвет образующегося осадка. Затем в одну из пробирок добавьте раствор азотной кислоты, а в другую – концентрированный раствор щелочи.

Объясните наблюдаемые явления. Составьте уравнения реакций в молекулярном и ионно-молекулярном виде.

в) Поместите в две пробирки по указанию преподавателя по 1 мл растворов: 1) хлорида сурьмы (III); 2) нитрата висмута (III). В обе пробирки добавьте по каплям раствор гидроксида натрия. Отметьте цвет образующегося осадка. Затем в одну из пробирок добавьте раствор азотной кислоты, а в другую – концентрированный раствор щелочи.

Объясните наблюдаемые явления. Составьте уравнения реакций в молекулярном и ионно-молекулярном виде.

Опыт 4. Восстановительные свойства аммиака.

Приготовьте две пробирки. В одну из них налейте 2-4 мл бромной воды, во вторую – 2-4 мл раствора перманганата калия. В каждую из пробирок добавьте 4-6 мл 25 %-ного раствора аммиака. Содержимое пробирок слегка нагрейте до изменения окраски растворов.

Составьте уравнения реакций, учитывая, что аммиак окисляется до свободного азота, а перманганат калия восстанавливается до оксида марганца (IV).

158

Опыт 5. Окислительные свойства оксида свинца (IV).

а) В пробирку внесите небольшое количество оксида свинца (IV), добавьте 2 мл раствора серной кислоты и 2 мл раствора сульфата марганца. Нагрейте до изменения цвета раствора.

Составьте уравнения реакций. О каких изменениях степеней окисления марганца и хрома говорят наблюдаемые вами изменения цвета реакционной смеси?

б) В пробирку внесите небольшое количество оксида свинца (IV), добавьте 4 мл 40 %-ного раствора гидроксида натрия и осторожно нагрейте. В горячий раствор введите по каплям 2 мл раствора сульфата хрома (III). Какие изменения окраски при этом происходят?

Составьте уравнения реакций. О каких изменениях степеней окисления марганца и хрома говорят наблюдаемые вами изменения цвета реакционной смеси?

Опыт 6. Окислительные свойства солей азотной кислоты.

а) В пробирку поместите небольшое количество нитрата натрия и 2-3 мл концентрированного раствора гидроксида натрия. Насыпьте небольшое количество порошка цинка. Какой газ выделяется? Установите его кислотно-основной характер с помощью лакмусовой бумажки.

Составьте уравнение реакции, учитывая образование тетрагидроксоцин-

ката.

б) В пробирку поместите небольшое количество нитрата натрия и 2-3 мл концентрированного раствора гидроксида натрия. Насыпьте небольшое количество порошка алюминия. Какой газ выделяется? Установите его кислотноосновной характер с помощью лакмусовой бумажки.

Составьте уравнение реакции, учитывая образование гексагидроксоалюмината.

159

Опыт 7. Окислительные свойства соединений висмута (V).

В пробирку внесите 1 мл раствора сульфата марганца (II), 6-8 мл концентрированной азотной кислоты и несколько кристаллов висмутата натрия. Чем объяснить образование фиолетовой окраски? Какой вывод можно сделать об окислительной активности соединений висмута (V)? Составьте уравнение реакции.

Опыт 8. В пробирку с раствором соли цинка прилейте небольшое количество раствора гидроксида натрия. Отметьте цвет образовавшегося осадка. Разделите его на две части, к одной прилейте раствор соляной кислоты, а к другой – раствор щелочи. К какому типу гидроксидов относится Zn(OH)2? Напишите уравнения реакций в молекулярной и ионно-молекулярной формах.

В пробирку с раствором соли кадмия добавьте раствор гидроксида натрия до образования осадка гидроксида. Испытайте действие кислоты и щелочи на полученный осадок.

К какому типу гидроксидов относится Cd(OH)2? Напишите уравнения реакций в молекулярной и ионно-молекулярной формах.

Опыт 9. В пробирку с раствором соли хрома (III) прилейте небольшое количество раствора гидроксида натрия. Отметьте цвет осадка. Осадок разделите пополам. К одной части добавьте избыток раствора щелочи, к другой – раствор соляной кислоты. К какому типу гидроксидов относится Сг(ОН)3? Напишите молекулярное и ионно-молекулярное уравнения реакции.

Опыт 10. В одну пробирку налейте несколько капель нитрата серебра, в другую – 2 мл сульфата меди. В каждую пробирку добавьте гидроксида натрия. Какие вещества выпадают в осадок в том и в другом случае, к какому классу соединений они относятся? Напишите уравнения реакций в молекулярной и ионно-молекулярной формах.

Пробирку с осадком Сu(ОН)2 нагрейте. Чем объяснить изменение окраски? Сравните термическую устойчивость гидроксидов серебра и меди.

160