Файл: 1А,2А,6А и 7А, комментарии к практикуму.pdf

Федеральное агентство по образованию

Московская государственная академия

тонкой химической технологии им. М.В.Ломоносова

Кафедра неорганической химии

Михайлов В.А., Покровская Л.И., Гаврилова И.М.

ХИМИЯ ЭЛЕМЕНТОВ IА-, IIА-, VIА-,VIIА-ГРУПП

Комментарий к практикуму

по общей и неорганической химии

Учебное пособие

Москва, 2007

www.mitht.ru/e-library

Рецензенты:

д.х.н. проф. Кутвицкий В.А. (МИТХТ, кафедра стандартизации и

сертификации)

к.х.н. доц. Сорокина О.В. (МИТХТ, кафедра неорганической химии)

Михайлов В.А., Покровская Л.И., Гаврилова И.М.

Химия элементов IА-, IIА-, VIА-, VIIАгрупп. Комментарий к практикуму по общей и неорганической химии.

Учебное пособие

М.,МИТХТ им. М.В.Ломоносова, 2007 - 46с.

Утверждено Библиотечно-издательской комиссией МИТХТ им. М.В.Ломоносова в качестве учебного пособия.

Поз. /2007.

Данное учебное пособие предназначено для организации самостоятельной работы студентов всех направлений бакалавриата при подготовке и выполнении лабораторных работ по дисциплине “Химия элементов”. В нем содержатся комментарии к химическим реакциям,

изучаемым студентами в лабораторном практикуме.

Пособие составлено в полном соответствии с учебной программой.

©МИТХТ им. М.В.Ломоносова, 2007

2

www.mitht.ru/e-library

17. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА

"ХИМИЯ S-ЭЛЕМЕНТОВ"

17.1. ЭЛЕМЕНТЫ IА-ГРУППЫ

(ЩЕЛОЧНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ)

17.1.1. ПРОСТЫЕ ВЕЩЕСТВА

На внешней электронной оболочке атомы щелочных элементов

имеют по одному электрону. На второй снаружи электронной оболочке у атома лития находятся два электрона, а у остальных щелочных элементов – по восемь электронов. Одинаковое строение не только

внешней, но и предпоследней электронной оболочки всех щелочных элементов, кроме лития, обусловливает большое сходство свойств этих

элементов. В то же время увеличение заряда ядра и общего числа

электронов в атоме при переходе сверху вниз по подгруппе создает

некоторые различия в их свойствах.

Таблица 17.1.

Некоторые свойства простых веществ щелочных элементов

При отсутствии воздуха щелочные элементы представляют собой

серебристо-белые (за исключением желтоватого цезия) вещества с

металлическим блеском.

5

www.mitht.ru/e-library

Все щелочные металлы характеризуются небольшими плотностями, малой твердостью, низкими температурами плавления и кипения и хорошей электропроводностью. Благодаря малой плотности

Li, Na и K всплывают на поверхность воды, а Li - даже на поверхность керосина. Щелочные металлы легко режутся ножом; твердость наиболее

мягкого из них – цезия – не превышает твердости воска.

При соприкосновении с воздухом свежие разрезы натрия и калия

(в меньшей степени лития) тотчас покрываются рыхлой пленкой продуктов окисления, причем только литий окисляется до оксида,

остальные щелочные металлы образуют смесь оксидов М2О, пероксидов М2О2 и надпероксидов МО2 с преобладанием у натрия пероксида, у

калия – надпероксида.

Рубидий и цезий самовоспламеняются на воздухе с образованием надпероксидов:

4Li + O2(воздух) = 2Li2O

2Na + O2(воздух)=Na2O2

K + O2(воздух) = KO2

Rb + O2(воздух) = RbO2

Cs + O2(воздух) = СsO2

Единственный из щелочных металлов литий без нагревания взаимодействует не только с кислородом, но и с азотом воздуха с образованием бинарного соединения - нитрида лития:

6Li + N2(воздух) = 2Li3N

При горении натрия наряду с пероксидом образуется примесь оксида натрия:

4Na + O2(воздух) = 2Na2O (горение)

Все щелочные металлы при обычных условиях энергично разлагают воду до водорода:

2M + 2H2O = 2MOH + H2(г)

Их реакционная способность возрастает сверху вниз по группе – от лития к цезию. Литий реагирует с водой относительно спокойно. Натрий взаимодействует с водой энергичнее, чем литий, плавится на поверхности воды. Калий при взаимодействии с водой воспламеняется,

а у Rb и Cs реакция сопровождается взрывом.

6

www.mitht.ru/e-library

Особенности поведения щелочных металлов в воде можно понять, рассматривая наряду с их окислительно-восстановительными потенциалами и физические свойства металлов – плотность и

температуру плавления (см.таблицу 17,1).

Литий, натрий и калий легче воды, и реакция протекает на ее

поверхности. Температура плавления лития (1800С) достаточно высока,

и литий остается в твердом состоянии, в отличие от натрия и калия,

имеющих температуры плавления ниже 1000С и плавящихся за счет выделяющегося тепла реакции. Расплавленный металл (К или Na) в

виде капель непрерывно перемещается по поверхности воды, что увеличивает поверхность соприкосновения металла и воды и

интенсифицирует процесс взаимодействия легкоплавких металлов с

водой.

Рубидий и цезий, плотность которых выше плотности воды,

опускаются на дно реакционного сосуда, плавятся за счет тепла,

выделяющегося в процессе реакции с водой; на поверхности металла накапливается водород. Одновременно при повышении температуры из воды выделяется растворенный в ней воздух, создавая условия для

“микровзрывов” смеси H2 и O2 в массе раствора и способствуя диспергированию расплавленного металла в водном растворе. Всё это приводит к взрывоподобному характеру реакций.

Щелочные металлы образуют со ртутью амальгамы (жидкие или твердые) - интерметаллические соединения или сплавы:

2Hg(ж) + Na(т) = NaHg2 (состав условный)

Взаимодействие с водой амальгамы, содержащей натрий,

происходит более мягко, чем металлического натрия. Это обусловлено более низкой концентрацией натрия в амальгаме, чем в простом веществе. Кроме того, плотность амальгамы выше плотности воды и реакция будет проходить в объеме раствора, а не на его поверхности.

Натрий из амальгамы будет «вымываться» водой, образуя гидроксид натрия и диводород, на дне сосуда будет оседать ртуть:

2NaHg2 + 2H2O = 2NaOH + H2(г) +4Hg(ж)

7

www.mitht.ru/e-library

17.1.2. ОКСИДЫ, БИНАРНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ

Кислородные соединения щелочных элементов являются основными, при их взаимодействии с водой получаются щелочные

растворы.

Спёк, полученный в результате сгорания лития на воздухе,

состоит из оксида и нитрида лития. Взаимодействие их с водой приводит к получению щелочного раствора; реакция необратимого гидролиза

нитрида лития сопровождается образованием гидрата аммиака:

Li2O + H2O = 2LiOH

Li3N + 4 H2O = 3LiOH + NH3.H2O

При нагревании пробирки, содержащей гидрат аммиака и гидроксид

лития, газообразный аммиак будет выделяться из раствора, так как его

растворимость уменьшается с увеличением температуры. Среду полученного раствора определяют с помощью фильтровальной бумаги,

смоченной раствором индикатора – фенолфталеина, которая будет окрашиваться в малиновый цвет. Влажная красная лакмусовая бумага,

поднесенная к отверстию пробирки с выделяющимся аммиаком, изменит окраску на синюю.

Пероксид натрия, образующийся при горении натрия на воздухе,

является сильным окислителем. Водой он разлагается с выделением кислорода или с образованием пероксида водорода в зависимости от

При добавлении к раствору (2) подкисленного раствора иодида

калия пероксид водорода окисляет иодид-ион:

H2O2 + H2SO4 + 2KJ = J2 + K2SO4 + 2H2O

Реакцию проводят в присутствии растворимого крахмала, фиксирующего присутствие дииода окрашиванием раствора в синий цвет.

17.1.3.ОКРАШИВАНИЕ ПЛАМЕНИ

Впламени горелки соли щелочных элементов испаряются. В

газовой фазе катионы металлов присоединяют свободные электроны, в

изобилии присутствующие в пламени (по этой причине пламя электропроводно), и превращаются в нейтральные атомы. Под

8

www.mitht.ru/e-library

влиянием высокой температуры происходит возбуждение атомов и испускание ими света определенных длин волн, характерных для каждого элемента.

Например, атомы натрия (электронная конфигурация 1s22s22p63s1)

окрашивают пламя в желтый цвет. Их возбуждение приводит к переходу

внешних 3s-электронов на более высокие энергетические уровни.

Обратный "перескок" электронов на 3s-подуровень сопровождается

испусканием квантов энергии Ei=hνi=hc/λi с длинами волн, характерными для Na (линейчатый спектр натрия). Наиболее яркая спектральная линия натрия отвечает λ=588,9нм (желтый цвет пламени).

Характерное окрашивание пламени для лития – малиново-

красное, для калия, рубидия и цезия – розово-фиолетовое.

Примечания. Для получения характерного окрашивания пламя горелки должно быть бесцветным.

Интенсивность окрашивания пламени можно измерить с помощью специальных приборов – пламенных фотометров. По результатам измерения рассчитывают концентрацию щелочного элемента в растворе, внесенном в пламя.

17.1.4.МАЛОРАСТВОРИМЫЕ СОЛИ ЛИТИЯ

Всилу диагональной периодичности свойств элементов (в данном случае Li – Mg) некоторые соли лития (фторид, карбонат, ортофосфат)

малорастворимы в воде. подобно солям магния, и этим отличаются от аналогичных солей других щелочных элементов.

Уравнения реакций осаждения солей из водных растворов

записывают на левой странице раскрытого журнала – в молекулярной и ионной форме. Например:

LiCI + NH4F = LiF(т) + NH4CI

Li+ + F− = LiF(т)

Условие осаждения солей лития из водных растворов:

Cn(Li+)×C(An-) > ПР(LinA), где C(Li+) и C(An-) – молярные концентрации катионов и анионов в растворе, из которого выпадает осадок соли (это

не равновесные концентрации, поэтому они обозначены буквой C).

Вполученном насыщенном растворе устанавливается

гетерогенное (фазовое) равновесие между осадком соли и ее

9

www.mitht.ru/e-library