Свойства d-элементов

Свойства d-элементов. го периода.

Цель работы - изучение химических свойств некоторых переходных металлов и их соединений. Металлы побочных подгрупп, так называемые переходные элементы относятся к d - элементам, поскольку в их атомах заполняются электронами d- орбитали. У переходных металлов валентные электроны находятся на d - орбитали предвнешнего уровня и S - орбитали внешнего электронного уровня. Металличность переходных элементов объясняется наличием одного или двух электронов во внешнем электронном слое. Незавершенный d-подуровень предвнешнего электронного слоя обуславливает многообразие валентных состояний металлов побочных подгрупп, что в свою очередь объясняет существование большого количества их соединений.

В химических реакциях электроны d - орбитали участвуют после того, как оказываются использованными S - электроны внешней орбитали. В образовании химических соединений могут участвовать все или часть электронов d - орбиталей предпоследнего электронного уровня. При этом образуются соединения, соответствующие различным валентным состояниям.

Переменная валентность переходных металлов является их характерным свойством исключение составляют металлы II и III побочных подгрупп. Металлы побочных подгрупп IV, V, VI, VII групп могут входить в состав соединений как в высшем валентном состоянии которое соответствует номеру группы, так и в более низких валентных состояниях. Так, например, для титана характерны 2 3 4- валентные состояния, а для марганца 2 3 4 6- и 7- валентные состояния.

Оксиды и гидроксиды переходных металлов, в котором последние находятся в низшем валентном состоянии, проявляют обычно основные свойства, например и Fe OH 2. Высшие оксиды и гидроксиды характеризуются амфотерными свойствами, например TiO2, Ti OH 4 или кислотными, например и. Окислительно-восстановительные свойства соединений рассматриваемых металлов также связаны с валентным состоянием металла.

Соединена с низшей степенью окисления обычно проявляют восстановительные свойства, а с высшей степенью окисления - окислительные. Например, для оксидов и гидроксидов марганца окислительно-восстановительные свойства изменяются следующим образом Комплексные соединения. Характерной особенностью соединений переходных металлов является способность к комплексообразованию, что объясняется наличием у ионов металла достаточного числа свободных орбиталей во внешнем и предвнешнем электронных уровнях.

В молекулах подобных соединений в центре находится комплексообразователь. Вокруг него координируются ионы, атомы или молекулы, называемые лигандами. Число их зависит от свойств комплексообразователя, степени его окисленности и называется координационным числом Заряд комплексообразователя Координационное число Комплексообразователь координирует вокруг себя лигандры двух типов анионные и нейтральные. Образуются комплексы при соединении нескольких различных молекул в одну более сложную сульфотетраамин меди II гексацианноферрат III калия.

В водных растворах комплексные соединения диссоциируют, образуя комплексные ионы Сами комплексные ионы так же способны к диссоциации, но обычно в очень небольшой степени. Например Этот процесс протекает обратимо и равновесие его резко сдвинуто влево. Следовательно, согласно закону действия масс, Константа Кн в подобных случаях называется константой нестойкости комплексных ионов. Чем больше величина константы, тем сильнее способность иона диссоциировать на составные части.

Величины Кн приводятся в таблице Опыт 1. Окисление ионов Mn2 в ионы. Внесите в пробирку немного двуокиси свинца, так чтобы было покрыто только дно пробирки, добавьте туда же несколько капель концентрированной и одну каплю раствора. Нагрейте раствор и наблюдайте появление ионов. Составьте уравнение реакции. Раствор соли марганца следует брать в небольшом количестве, так как избыток ионов восстанавливает до. Опыт 2. Окисление ионами в кислом, нейтральном и щелочном растворах.

Продукты восстановления ионов различны и зависят от РН раствора. Так, в кислых растворах ион восстанавливается в ионы. В нейтральных, слабокислых и слабощелочных растворах, т.е. в интервале РН от 5 до 9, ион восстанавливается с образованием марганцовистой кислоты В сильнощелочных растворах и при недостатке восстановителя ион восстанавливается до иона. Налейте в три пробирки по 5-7 капель раствора перманганата калия. В одну из них добавьте такой же объем разбавленной серной кислоты, в другую ничего не добавляете, а в третью - концентрированного раствора щелочи.

Во все три пробирки прибавьте по каплям, взбалтывая содержимое пробирки, раствор сульфита калия или натрия до тех пор, пока первой пробирке раствор не обесцветится, во второй выпадет бурый осадок, а в третьей раствор окрасится в зеленый цвет. Составьте уравнение реакций, имея в виду, что ион превращается в ионы. Дайте оценку окислительной способности в различных средах по таблице окислительно-восстановительных потенциалов.

Опыт 3. Взаимодействие перманганата калия с перекисью водорода. Поместите в пробирку 1 мл. перекиси водорода, добавьте несколько капель раствора серной кислоты и несколько капель раствора перманганата калия. Какой газ выделяется? Испытайте его тлеющей лучиной. Составьте уравнение реакции и объясните его на основе окислительно-восстановительных потенциалов. Опыт 4. Комплексные соединения железа. А Получение берлинской лазури. К 2-3 каплям раствора соли железа III добавьте каплю кислоты, несколько капель воды и каплю раствора гексационно - П феррата калия желтой кровяной соли. Наблюдайте появления осадка берлинской лазури.

Составьте уравнение реакции. Эта реакция используется для обнаружения ионов. Если взять в избытке, то вместо осадка берлинской лазури может образоваться его коллоидная растворимая форма. Исследуйте отношение берлинской лазури к действию щелочи. Что наблюдается? Что лучше диссоциирует. Fе ОН 2 или комплексный ион ? Б Получение роданида железа III. К нескольким каплям раствора соли железа добавьте каплю раствора роданида калия или аммония.

Составьте уравнение реакции. Исследуйте отношение роданида к щелочам и объясните наблюдаемое явление. Эта реакция, как и предыдущая, используется для обнаружения иона. Опыт 5. Получение комплексного соединения кобальта. Поместите в пробирку 2 капли насыщенного раствора соли кобальта и добавьте 5-6 капель насыщенного раствора аммония учесть, что при этом образуется раствор комплексной соли. Комплексные ионы окрашены в синий цвет, а гидратированные ионы - в розовый. Опишите наблюдаемые явления 1. Уравнение получения комплексной соли кобальта. 2. Уравнение диссоциации комплексной соли кобальта. 3. Уравнение диссоциации комплексного иона. 4. Выражение константы нестойкости комплексного иона. Контрольные вопросы и задачи. 1. Какие свойства окислительные или восстановительные проявляют соединения с высшей степенью окисления элемента? Составьте электронно-ионное и молекулярное уравнение реакции 2. Какие свойства проявляют соединения с промежуточной степенью окисления элемента? Составьте электронно-ионные и молекулярные уравнения реакций 3. Укажите отличительные и сходные свойства железа, кобальта, никеля.

Почему Д. И. Менделеев поместил в периодической системе элементов кобальт между железом и никелем, несмотря на значение его атомного веса? 4. Напишите формулы комплексных соединений железа, кобальта, никеля.

Чем объясняется хорошая комплексообразующая способность этих элементов? 5. Как изменяется характер оксидов марганца? Чем это обусловлено? Какие окислительные числа может иметь марганец в соединениях? 6. Есть ли сходство в химии марганца и хрома? В чем оно выражается. 7. На каких свойствах марганца, железа, кобальта, никеля, хрома основано их применение в технике? 8. Дайте оценку окислительной способности ионов и восстановительной способности ионов . 9. Чем объяснить, что окислительные числа Си, Ag, Аu бывает больше 17. 10. Объясните почернение серебра со временем на воздухе, позеленение меди на воздухе. 11. Составьте уравнение реакций, протекающих по схеме РАБОТА 15. Свойства элементов, применяемых в полупроводниковой технике.

Цель работы - изучение свойств элементов III-V групп главных подгрупп и некоторых их соединений.

В главных подгруппах III-V групп периодической системы элементов расположены Р - элементы, среди которых в свободном состоянии есть металлы, полупроводники и неметаллы.

В периодах слева направо в атомах заполняется р - подуровень от р1 до р5. С увеличением числа электронов на внешнем уровне атомов уменьшается восстановительная способность атомов и усиливается их окислительная активность увеличивается ионизационный потенциал, сродство к электрону, электроотрицательность. В подгруппах сверху вниз у Р - элементов заметно усиливаются восстановительные свойства. Оксиды и гидроксиды неметаллов проявляют кислотные свойства. Свойства оксидов и гидроксидов металлов связаны с валентным состоянием металла с ростом валентности металла усиливаются кислотные свойства.

Окислительно-восстановительные свойства соединений рассматриваемых элементов также связаны с валентным состоянием элементов чем выше валентность элемента, тем более окислительными свойствами обладает его соединение. Полупроводники бывают собственные и примесные. В качестве примесных чаще всего применяются элементы IV подгруппы - германий и кремний. В электронике часто применяют полупроводники, у которых часть атомов основного элемента в узлах кристаллической решетки замещена атомами другого элемента.

Такие полупроводники называются примесными. Например, для получения n - проводимости германий или кремний легируют элементами, находящимися в V группе периодической системы фосфором, мышьяком, сурьмой для получения p - проводимости германий или кремний легируют элементами III группы бором, алюминием, галлием, индием. Рассмотрим свойства германия и кремния. Германий относится к числу рассеянных элементов, часто встречающихся в природе, но присутствующих в различных минералах в очень малых количествах.

Являясь элементом IV группы периодической системы Д. И. Менделеева, германий образует два ряда химических соединений с валентностью два и четыре, из которых наиболее распространены более устойчивые соединения четырехвалентного германия. На воздухе германий не окисляется и не разлагает воду. Соли германия - германиты слабо растворимы в воде, кроме и. Германий растворяется в царской водке, но не реагирует с соляной и разбавленной серной кислотами.

Азотная и концентрированная серная кислота окисляют его в двуокись. Галогениды германия в последнее время используются в микроэлектронике, например, при производстве транзисторов. Чаще других используется тетрахлорид германия, который можно получить либо нагреванием германия в токе газообразного хлора, либо путем дистилляции смеси двуокиси германия и соляной кислоты Кремний в природе встречается в виде оксида и в солях кремневых кислот.

Кремний образует два ряда химических соединений с валентностями два и четыре, относительно трудно окисляется на воздухе. С кислородом существует два соединения - и. Кристаллический кремний практически не растворим во всех кислотах, в том числе и в HF, зато он легко реагирует даже с разбавленными щелочами. Германий получается восстановлением из с помощью восстановителей водорода, углерода, магния, цинка. Наиболее удобным является водород.

Восстановление водородом происходит в две стадии. На первой стадии процесса образуется оксид II Эта реакция протекает с максимальной скоростью при температуре 650 С. Затем под влиянием водорода происходит восстановление оксида германия II до германия Для производства кремния широко используется метод Бекетова, который заключается в восстановлении четыреххлористого кремния металлом-восстановителем по следующей реакции Металлом-восстановителем могут быть все металлы, находящиеся слева от кремния в ряду напряжений, т.е. калий, кальций, магний, цинк и т.д. Полупроводниковые соединения типа. Полупроводниковые кристаллические соединения, называемые соединениями типа представляют собой химические соединения, образующиеся при взаимодействии элементов IIIв и Vв подгрупп периодической системы Д. И. Менделеева.

В этих соединениях на каждый атом элемента III группы приходится один атом V группы, причем в кристаллической решетке эти атомы чередуются между собой. Как следует из периодической системы, у атомов элементов III группы имеется три валентных электрона в состоянии s2p1, а у атомов элементов V группы по пять электронов в состоянии s2p3. Таким образом, среднее число электронов, приходящихся на один атом в соединения типа, то же, что и в полупроводниковых элементах IV группы, таких как алмаз, кремний, германий, серое олово.

Поэтому кристаллическая структура и электронные свойства этих соединений во многом сходны со структурой и свойствами полупроводников IV группы.

Основными соединениями типа является антимонид индия, арсенид индия, фосфид индия, антимонид галлия, арсенид галлия, фосфид галлия, антимонид алюминия. Такие соединения отличаются от элементов IV группы тем, что в них подвижности электронов более высокие. Так, например, подвижность электронов в соединении почти на порядок в 10 раз превышает подвижность в германии, а в - более чем в 20 раз. Экспериментальная часть ОПЫТ 1. Взаимодействие растворенной соли кремниевой кислоты с кислотой и кислотным оксидом.

В пробирку налейте 5мл концентрированного раствора силиката натрия или калия растворимое стекло. Быстро прилейте в пробирку 3 мл 20 раствора соляной кислоты. Что получилось? Составьте уравнение реакции. ОПЫТ 2. Гидролиз солей кремниевой кислоты силикатов. В пробирку налейте 2-Змл силиката натрия или калия и добавьте в 1-2 капли раствора фенолфталеина. Объясните причину изменения окраски индикатора. Составьте молекулярное и ионное уравнения реакции гидролиза.

ОПЫТ З. Окислительные свойства соединений мышьяка V . В пробирку налейте 5-6 капель раствора арсената натрия и 5 капель концентрированной соляной кислоты. Добавьте 4-5 капель иодида калия. Наблюдайте появление желто-бурой окраски иода. Составьте уравнение реакции, имея в виду, что анион восстанавливается в ОПЫТ 4. Получение борной кислоты. Из всех борных кислот, соли которых известны, устойчивой в растворах является только ортокислота. Поэтому при действии любой сильной кислоты на бораты всегда образуется. Например, если подействовать на тетраборат натрия бура соляной или серной кислотой, то пойдут реакции или Налейте в пробирку 1 3 ее объема насыщенный раствор буры и добавьте осторожно небольшое количество примерно 2мл концентрированной серной кислоты.

Пробирку с раствором осторожно охладите в проточной или в водяной бане с холодной водой. Через некоторое время вы сможете наблюдать образование кристаллов борной ортокислоты. Растворите в пробирке при нагревании небольшое количество несколько кристаллов борной кислоты и испытайте, раствор синим лакмусом.

Сильной или слабой кислотой является борная кислота? Напишите в молекулярной и ионной форме уравнение диссоциации борной кислоты по ступеням и выражение для константы диссоциации. ОПЫТ 5. Гидролиз тетрабората натрия. В две пробирки налейте 1-2мл дистиллированной воды и прибавьте в каждую по 4-5 капель розового раствора лакмуса. Растворите в одной из пробирок несколько кристаллов буры. Сравните окраску в обоих пробирках и составьте уравнение гидролиза буры по ступеням, учитывая, что на первой ступени гидролиза образуется ортоборная кислота и метаборат натрия, во второй ступени - ортоборная кислота и едкий натр. ОПЫТ 6. Действие кислот и щелочей на алюминий.

Опыт проводить под тягой. Поместите в три пробирки немного алюминиевых стружек и добавьте в первую 30 раствор или КОН, во вторую - разбавленную соляную кислоту, в третью - концентрированную азотную кислоту по 2-Змл в каждом случае. Пробирки с растворами щелочи и азотной кислоты нагрейте.

В концентрированной алюминий не растворяется. Объясните механизм реакции алюминия со щелочами. Объясните различные отношения к соляной и азотной кислотам. Напишите уравнения реакции. Контрольные вопросы. 1. Напишите электронные формулы германия и кремния в основном и возбужденном состояниях. Какую валентность проявляют эти элементы в возбужденном и невозбужденном состоянии? 2. Опишите свойства германия и кремния. 3. Какие реакции лежат в основе получения германия и кремния. 4. Напишите формулы кислот бора. Какая из них наиболее устойчива? 5. Какие кремниевые кислоты вам известны? 6. Напишите уравнения реакций взаимодействия алюминия с разбавленной и концентрированной азотной и серной кислотами. 7. Напишите уравнения реакций взаимодействия алюминия с раствором щелочи. 8. Какую реакцию имеют растворы солей алюминия? Составьте уравнение реакции гидролиза хлорида алюминия. 9. Какие соединения типа вы знаете? 10. Какими свойствами обладают соединения типа ? РАБОТА 16.