Морозов В.П. Практикум по неорганической химии
Подождите немного. Документ загружается.
101
твор станет прозрачным, отлить немного его в другую пробирку,
нейтрализовать в последней несколькими каплями раствора соды
до слабокислой реакции (последнее установить по изменению цве-
та индикаторной бумажки) и доказать, какая кислота образовалась
в результате опыта. Написать уравнения происходящих реакций.
Оставшуюся часть раствора вылить в стакан, добавить 10-15
мл дистиллированной воды и 1-2 мл концентрированного раствора
азотной кислоты (для ускорения реакции присоединения) и кипя-
тить 5-10 мин, добавляя воду. Затем отлить немного раствора в
пробирку, нейтрализовать раствором соды до слабокислой реакции
и добавить раствор нитрата серебра. По цвету осадка установить,
закончилась ли реакция присоединения и какая кислота получилась
в результате реакции. Если реакция присоединения не закончилась,
продолжать кипячение оставшейся части раствора ещё 5-10 мин,
затем провести повторный анализ полученного раствора. Написать
уравнения реакций.
б) Получение ортофосфорной кислоты окислением красного
фосфора.
Немного красного фосфора нагреть в фарфоровой чашке с 5-6
мл концентрированного раствора азотной кислоты. Если не весь
фосфор прореагирует, добавить ещё немного азотной кислоты, за-
тем выпарить раствор (зачем?). Остаток разбавить водой, нейтра-
лизовать до слабокислой реакции и испытать раствором нитрата
серебра. Какая кислота получилась в результате опыта? Написать
уравнения реакции.
в) Получение ортофосфорной кислоты из костяной золы или
фосфорита.
Поместить в пробирку немного костяной золы или тонко из-
мельченного фосфорита и добавить раствор серной кислоты (1:1).
Смесь прокипятить и затем отфильтровать жидкость от осадка, до-
казать присутствие ортофосфорной кислоты, используя для опыта
раствор молибдата аммония. Написать уравнения реакций.
10. Соли ортофосфорной кислоты
а) Фосфаты натрия и их гидролиз.
По величине константы диссоциации ортофосфорной кислоты
предположить, подвергаются ли гидролизу фосфаты щелочных ме-
102
таллов. На какой ступени должен практически остановиться гидро-
лиз фосфата натрия?
Проверить свои предположения, испытав растворы гидро-, ди-
гидрофосфата натрия индикаторной бумажкой. Написать уравне-
ние гидролиза фосфата натрия по первой ступени. Накопление ка-
ких ионов препятствует дальнейшему гидролизу этой соли? Опре-
делить рН растворов с помощью универсального индикатора.
б) Получение фосфатов кальция.
Используя имеющиеся в лаборатории реактивы, получить гид-
ро-, дигидрофосфат и фосфат кальция. Написать уравнения реак-
ций. Сделать вывод о растворимости в воде полученных солей. К
осадку CaHPO
4
добавить раствор уксусной кислоты. Что происхо-
дит? Написать уравнения реакций.
Контрольные задания
1. Почему азот при обычных условиях – газ, остальные эле-
менты подгруппы азота – твердые кристаллические вещества?
2. Почему для азота в отличие от фосфора нехарактерна алло-
тропия?
3. Объясните склонность атомов р-элементов пятой группы к
образованию связей по донорно-акцепторному механизму и к об-
разованию координационных соединений.
4. В чем состоят особенности взаимодействия азотной кислоты
с металлами? Как изменяется окислительная способность азотной
кислоты с разбавлением?
5. Почему ортофосфорная кислота в отличие от азотной и
мышьяковой кислот не обладает окислительными свойствами?
6. Перечислите соединения азота и фосфора, являющиеся
удобрениями.
7. Закончите уравнения реакций и расставьте коэффициенты:
KNO
2
+ H
2
SO
4
= KNO
3
+…
NH
2
OH + HCl =…
KI + KNO
2
+ H
2
SO
4
= I
2
+ NO +…
HNO
2
+ HI =…
FeCl
2
+ NaNO
2
+ HCl = FeCl
3
+…
NO
2
+ SO
2
= N
2
+…
Al + NaNO
2
+ NaOH = NaAlO
2
+…
103
N
2
H
4
+ HCl =…
NH
2
OH = NH
3
+ N
2
+…
N
2
H
4
+ O
2
=…
KNO
2
+ K
2
Cr
2
O
7
+ HNO
3
= Cr(NO
3
)
3
+…
8. Напишите уравнения реакций взаимодействия концентриро-
ванной и разбавленной азотной кислоты со следующими металла-
ми: Mg, Zn, Cu, Fe.
9. Напишите уравнение реакции растворения золота и платины
в «царской водке». Чем объяснить высокую окислительную спо-
собность этой смеси кислот?
10. Найдите массу азотной кислоты, которую можно получить
из 2 кмоль NO
2
, и объем воздуха (w (O
2
) = 21 %), необходимый для
окисления оксида азота (IV) в HNO
3
.
(Ответ:126 кг; 53,3 л.)
11. Определите массовую долю (%) выхода аммиачной селит-
ры, если на получение 18700 кг нитрата аммония израсходовано
19724 л 57 %-ой азотной кислоты (р = 1351 кг/м
3
).
(Ответ: 96,95 %.)
12. Определите массу фосфорита, содержащего 25 % примесей,
и массы кокса и кремнезема, необходимые для получения фосфора
массой 1 т, если выход готового продукта составляет 85 % от тео-
ретического. Какую роль играет SiO
2
? Может ли реакция протекать
в его отсутствие? Можно ли вместо углерода, в качестве восстано-
вителя, использовать металлы?
(Ответ: 7,8 т; 3,4 т; 1,1 т.)
13. Какова истинная формула оксида фосфора, если при окис-
лении 1,5 г фосфора, образовалось 3,43 г оксида, плотность паров
которого по водороду равна 142,2?
(Ответ: P
4
O
10
)
14. Закончите уравнения:
PH
3
+ K
2
Cr
2
O
7
+ H
2
SO
4
=…
Ca
3
P
2
+ H
2
O =…
P + Ba(OH)
2
= Ba(H
2
PO
2
)
2
+…
H
3
PO
2
+ HNO
3
=…
P
2
H
4
+ KMnO
4
+ H
2
SO
4
=…
H
3
PO
2
+ I
2
+ H
2
O =…
104
15. На нейтрализацию 7,3 г фосфорноватистой кислоты потре-
бовалось 4,44 г едкого натра. На основании этих данных напишите
структурную формулу фосфорноватистой кислоты.
16. При действии нитрата серебра на раствор фосфорной ки-
слоты объемом 50 мл выпал осадок массой 0,35 г. Определите мо-
лярную концентрацию H
3
PO
4
.
(Ответ: 0,017моль/л.)
УГЛЕРОД И КРЕМНИЙ
Общая характеристика подгруппы углерода
В подгруппу углерода входят углерод, кремний, германий,
олово и свинец. Это р-элементы IV группы периодической системы
Менделеева. Их атомы на внешнем уровне содержат по четыре
электрона (см. п.2, табл.9), чем объясняется сходство их химиче-
ских свойств. Некоторые свойства элементов подгруппы углерода
приведены в таблице 9.
Таблица 9
Свойства элементов подгруппы углерода
Свойства C Si Ge Sn Pb
1.Порядковый номер 6 14 32 50 82
2.Валентные электроны 2s
2
2p
2
3s
2
3p
2
4s
2
4p
2
5s
2
5p
2
6s
2
6p
2
3.Энергия ионизации
атома, эВ
11,3
8,2
7,9
7,3
7,4
4.Относительная элек-
троотрицательность
2,50
1,74
2,02
1,72
1,55
5.Степень окисления в
соединениях
+4,+2,
-4
+4,+2,
-4
+4,-4 +4,+2,
-4
+4,+2,
-4
6.Радиус атома, нм 0,077 0,134 0,139 0,158 0,175
В невозбужденном состоянии их атомы имеют по 2 неспарен-
ных электрона. Поскольку атомы подгруппы имеют на внешнем
уровне свободные орбитали, то при переходе в возбужденное со-
стояние распаривают электроны s-подуровней. В соединениях эле-
менты подгруппы углерода проявляют степень окисления +4, и -4,
105
а также +2, причем последняя с увеличением заряда ядра становит-
ся более характерной. Для углерода, кремния и германия наиболее
типична степень окисления +4, для свинца +2. Степень окисления -
4 в последовательности C – Pb становится все менее характерной.
Элементы подгруппы углерода образуют оксиды общей фор-
мулы RO
2
и RO, а водородные соединения - формулы RH
4
. Гидра-
ты высших оксидов углерода и кремния обладают кислотными
свойствами, гидраты остальных элементов амфотерны, причем ки-
слотные свойства сильнее выражены у гидратов германия, а основ-
ные – у гидратов свинца.
От углерода к свинцу уменьшается прочность водородных со-
единений RH
4
: CH
4
– прочное вещество, а PbH
4
в свободном виде
не выделено. В подгруппе с ростом порядкового номера уменьша-
ется энергия ионизации атома и увеличивается атомный радиус
(п.3 и 6 табл.9), т. е. неметаллические свойства ослабевают, а ме-
таллические усиливаются.
Вопросы допуска к лабораторной работе
1. Наиболее ярко выражены неметаллические свойства у:
а) олова; б) германия;
в) кремния; г) углерода.
2. Экзотермической реакцией является:
а) C + O
2
= CO
2
;
б) 2H
2
O = 2H
2
+ O
2
;
в) 2HgO = 2Hg + O
2
;
г) PCl
5
= PCl
3
+ Cl
2
.
3. Четыре электрона на внешнем энергетическом уровне имеет
атом:
а) гелия; б) бериллия;
в) углерода; г) кислорода.
4. Электронная формула атома углерода:
а) 1S
2
2S
2
2P
6
; б) 1S
2
2S
2
2P
4
;
в) 1S
2
2S
2
2P
0
; г) 1S
2
2S
2
2P
2
.
5. Формула вещества, обозначенного “X” в схеме превращений
C = CO
2
+ H
2
O = X:
а) CO; б) CH
4
;
в) H
2
CO
3
; г) C.
106
6. Кристаллическая решетка твердого оксида углерода (IV) –
CO
2
:
а) ионная; б) атомная;
в) молекулярная; г) металлическая.
7. Объем углекислого газа (н.у.), образующегося при сжига-
нии 32 г метана CH
4
, равен:
а) 22,4 л; б) 44 г;
в) 44,8 л; г) 2 моль.
8. Массовая доля углерода в карбонате кальция CaCO
3
равна:
а) 12 %; б) 40 %;
в) 48 %; г) 100 %.
9. При взаимодействии KOH с CO
2
образуются:
а) CaCO
3
и H
2
; б) CaCO
3
и H
2
O;
в) K
2
CO
3
и H
2
; г) K
2
CO
3
и H
2
O.
10. Углекислый газ можно распознать раствором:
а) KOH; б) HNO
3
;
в) AgNO
3
; г) Ca(OH)
2
.
11. Оксид углерода (IV) – CO
2
не реагирует с:
а) водой;
б) серной кислотой;
в) известковой водой;
г) оксидом кальция.
1. Получение и свойства углекислого газа
а) В аппарат Киппа положить кусочки мрамора и налить рас-
твор соляной кислоты (1:4). Наблюдать выделение газа. Можно ли
использовать для этой цели раствор серной кислоты.
б) Выделяющийся газ из аппарата Киппа пропустить в пробир-
ку с водой, подкрашенной нейтральным раствором лакмуса. Что
наблюдается? Написать уравнения реакций, происходящих при по-
лучении оксида углерода и растворения его в воде. Каким спосо-
бом можно его собирать?
Прокипятить раствор оксида углерода (IV). Изменяется ли
цвет? Выразить молекулярно - ионным уравнением равновесие,
существующее в водном растворе оксида углерода (IV). Как сме-
стится равновесие?
107
в) Взять для опыта два стакана или банки. Один из них напол-
нить оксидом углерода из аппарата Киппа. Проверить полноту на-
полнения сосуда газом с помощью горящей лучины, поднесенной к
отверстию стакана. В другой стакан бросить маленький кусочек
ваты, смоченный спиртом, и поджечь его горящей лучиной. Затем
осторожно перелить оксид углерода из первого стакана во второй.
Что происходит? Проверить с помощью горящей лучины остался
ли газ в первом стакане. Какой вывод можно сделать о плотности
газа?
г) В стакан, наполненный оксидом углерода (IV), внести подо-
жженную на воздухе ленту магния, держа ее щипцами. Наблюдать
за горением магния. К полученным продуктам прибавить немного
раствора разбавленной соляной кислоты и взболтать. Оба ли веще-
ства растворяются? Написать уравнения реакций.
В другом стакане, наполненном газом, сжечь в железной ложке
красный фосфор, предварительно подожженный на воздухе. Про-
дукты горения фосфора растворить в воде и исследовать лакмусом.
Описать наблюдения и составить уравнения реакций. Отметить
роль углерода (IV) в проведенных окислительно-
восстановительных процессах.
2. Образование солей угольной кислоты
а) В пробирку с известковой водой пропустить в течение 2-3
минут ток оксида углерода. Какие происходят изменения? Напи-
сать их структурные формулы. Сделать вывод об их растворимости
в воде. Полученный раствор оставить для следующего опыта.
б) Раствор, полученный в предыдущем опыте, разделить в две
пробирки. Одну из них нагреть, в другую добавить известковой во-
ды. Написать уравнение происходящих реакций.
3. Гидролиз солей угольной кислоты
Испытать действие на нейтральный лакмус растворов карбона-
та и гидрокарбоната натрия. Написать уравнения реакций гидроли-
за в молекулярной и ионной формах. Какая соль в большей степени
подвергается гидролизу: карбонат натрия или гидрокарбонат на-
трия? Дать объяснение.
108
4. Получение кремниевой кислоты
а) Получение гидрогеля кремниевой кислоты.
К 5 мл концентрированного раствора силиката натрия приба-
вить 2-3 мл разбавленной соляной кислоты и хорошо перемешать
жидкости. Вследствие выделения кремниевой кислоты все содер-
жимое пробирки превращается в студень. Написать уравнение ре-
акции.
б) Получение гидрозоля кремниевой кислоты.
К 3-5 мл раствора силиката натрия прибавить немного концен-
трированной соляной кислоты. Получается раствор кремниевой
кислоты. Нагреть его до кипения. Что наблюдается?
5. Вытеснение кремниевой кислоты из ее солей
В раствор силиката натрия пропустить из аппарата Киппа ок-
сид углерода (IV). Наблюдать образования кремниевой кислоты.
Написать уравнение происходящей реакции. Какая из кислот –
кремниевая H
2
SiO
3
или угольная H
2
CO
3
является более слабым
электролитом? Сравнить величины констант диссоциации этих ки-
слот.
6. Гидролиз солей кремниевой кислоты
а) Испытать раствором лакмуса раствор силиката натрия. На-
писать уравнения реакций гидролиза в молекулярной и ионной
формах.
б) К 1-2 мл концентрированного раствора силиката натрия
прилить при помешивании 2-3 мл насыщенного раствора хлорида
аммония. Наблюдать образование осадка и газа. Написать уравне-
ния реакций гидролиза в молекулярной и ионной формах.
Контрольные задания
1. Сопоставьте электронные конфигурации атомов углерода,
кремния и элементов подгруппы германия. Объясните закономер-
ное изменение в группе металлических, кислотно-основных и
окислительно-восстановительных свойств.
2. Чем объяснить существование большого числа аллотропных
видоизменений углерода?
109
3. Приведите примеры соединений углерода, которые являются
только окислителями или только восстановителями.
4. Сопоставьте строение молекул, термическую устойчивость,
растворимость в воде следующих соединений:
а) CO
2
и SiO
2
;
б) CF
4
и SiF
4
;
в) CCl
4
и SiCl
4
.
Объясните причины различия.
5. При взаимодействии окиси алюминия массой 10,2 г с избыт-
ком углерода образовались 6,72 л CO и твердого кристаллическое
вещество массой 7,2 г. Определите состав этого соединения и на-
пишите уравнение реакции его получения.
(Ответ: Al
4
C
3
.)
6. Опишите строение молекулы оксида углерода (II) - CO с по-
зиции методов ВС и МО.
7. Опишите строение молекулы оксида углерода (IV) - CO
2
с
позиции методов ВС и МО.
8. На нейтрализацию раствора карбоната и гидрокарбоната на-
трия потребовался раствор гидроксида натрия, объемом 80 мл с
концентрацией 1 моль/л. После упаривания нейтрализованного
раствора выпал осадок Na
2
CO
3
*10H
2
O массой 16,09 г. Определите
массовые доли (%) карбоната и гидрокарбоната в растворе.
(Ответ: 61,2 %; 38,8 %.)
9. При действии соляной кислоты на смесь карбоната кальция
и негашеной извести массой 58 г выделился газ объемом 6,5 л
(н.у.). Определить массовую долю (%) компонентов в смеси и объ-
ем соляной кислоты с концентрацией 1,2 моль/л израсходованной
на нейтрализацию смеси.
(Ответ: 50% CaO; 1,35 л.)
10. Кварцевый песок массой 50 г сплавили с коксом в дуговой
печи. Какова масса полученного вещества и объем выделившегося
газа?
(Ответ: 33,34 кг; 37,34 м
3
.)
11. Каким путем оксид кремния можно перевести в раствори-
мое состояние?
12.
Чем объяснить высокую реакционную способность крем-
ния по отношению к растворам щелочей?
110
13. Почему, не растворяясь в азотной кислоте, кремний раство-
ряется в смеси плавиковой и азотной кислотах?
14. Какую из перечисленных ниже кислот нельзя хранить в
кварцевой посуде: хлороводородная кислота, серная кислота, пла-
виковая кислота и азотная кислота?
15. Через порошок кремния массой 5 г пропустили ток серово-
дорода при 1300
0
С. При этом образовался дисульфид кремния
SiS
2
. Какой газ, и в каком объеме (н.у.) образовался при этом? На-
пишите уравнение реакции гидролиза SiS
2
.
(Ответ: 8 л.)
16. Навеску смеси кремния и песка обработали раствором ще-
лочи. При этом выделился газ объемом 11,2 л (н.у.). Осадок тща-
тельно промыли водой, растворили в избытке плавиковой кислоты.
Получили раствор, содержащий 13,83 г кремнефтористоводород-
ной кислоты. Определите массу, исходной смеси.
(Ответ: 12,76г.)
17. Как сменится равновесие реакции
Na
2
SiO
3
+ CO
2
+ H
2
O ⇔ Na
2
CO
3
+ H
2
SiO
3
:
1) при насыщении раствора углекислым газом;
2) при нагревании?