Классы неорганических соединений. Введение. Проведение лабораторного занятия по данной теме диктуется необходимостью обобщения сведений по классам неорганических веществ, углубление изученного в средней школе материала, а также усвоение современной номенклатуры неорганических веществ.
Неорганические вещества по своему химическому составу и свойствам можно разделить на несколько классов 1. Простые вещества. 2. Оксиды. 3. Основания гидроксида . 4. Кислоты. 5. Соли. Оксиды. Простейшим классом неорганических соединений являются оксиды. Оксиды - это соединение любого элемента с кислородом, в котором кислород непосредственно соединен с элементом и др. если связь осуществляется между атомами кислорода К-О-О-К то такие соединения называют пероксидами. Оксиды делятся на 1. Основные - соединения кислорода с металлами.
В основных оксидах металлы, как правило, проявляют валентность 1,2 реже 3. Основными они называются потому, что каждому из них соответствует основание гидроксид Оксид натрия Гидроксид натрия Оксид магния Гидроксид магния Оксид кальция Гидроксид кальция Если металл проявляет переменную валентность, то при названии оксида в скобках указывается валентность металла Оксид меди I Оксид меди II Оксид железа II Оксид железа III Главным свойством основных оксидов является их способность взаимодействовать с кислотами с образованием соли и воды. Кислотные оксиды соединения кислорода с неметаллами, а также с некоторыми металлами, которые в кислотных оксидах проявляют высшую или близкую к высшей положительную степень окисления 1, 6, 7 . Такие оксиды называются кислотными или ангидридами кислот, потому что каждому из них соответствует кислота Оксид Соответствующая оксиду кислота оксид серы IV сернистый ангидрид сернистая кислота оксид серы VI сернистый ангидрид серная кислота оксид фосфора V фосфорный ангидрид фосфорная кислота Главным свойством кислотных оксидов особенно оксидов неметаллов является их способность взаимодействовать с основаниями с образованием соли и воды 3. Амфотерные оксиды металлов, которые могут взаимодействовать как с кислотами, так и со щелочами.
Эти оксиды проявляют свойства кислотных и основных оксидов.
Амфотерный характер носят оксиды некоторый металлов, II, II1, IV и некоторых других групп периодической системы элементов - оксид цинка - оксид алюминия - оксид бериллия - оксид хрома III - оксид свинца II и др. В водных растворах щелочей такие оксиды, как правило, дают комплексные соединения Все перечисленные оксиды образуют соли поэтому они называются солеобразующими оксидами, в отличии от несолеобразующих оксидов, к которым относятся - оксид азота I оксид азота II оксид углерода II и некоторые другие.
Гидроксиды. Гидроксиды - соединения оксида с водой, полученные прямым или косвенным способом гидроксидам относятся основания, амфотерные гидроксиды, кислоты.
Основания - вещества, молекулы которых состоят из атома металла и гидроксильных групп или веществ, которые образуют в водном растворе из отрицательных ионов только гидроксид ион Основания, растворенные в воде, называются щелочами - гидроксид натрия КОН - гидроксид калия - гидроксид бария - гидроксид кальция. Металлы, образующие в воде гидроксиды K, Na, Ca, Вa и др расположены в главных подгруппах I и II группе периодической системы.
К растворенным в воде основаниям относится и гидроксид аммония, но щелочью он не является. Если металл, образующий основание, может проявлять переменную валентность, то при названии гидроксида в скобках указывается валентность - гидроксид железа II гидроксид железа III . Главным свойством оснований является их способность взаимодействовать с кислотами с образованием соли и воды Амфотерные оксиды. Это вещества, которые взаимодействуют как с кислотами, так и щелочами, с образованием соли. В водном растворе щелочей амфотерные гидроксиды чаще всего образуют комплексные соли Кислоты.
Кислоты - вещества, состоящие из атомов водорода, способных замещаться на металл, или вещества которые образуют в водном растворе из положительных ионов только ионы водорода гидроксония По числу атомов водорода, способных замещаться на металл, различают кислоты одноосновные - соляная кислота азотная кислота синильная кислота уксусная кислота и др двухосновные - серная кислота сероводородная кислота, трехосновные - фосфорная кислота борная кислота. По химическому составу кислоты делятся на кислородные и т.д. и бескислородные Главным химическим свойством кислот является их способность к взаимодействию с основаниями с образованием соли и воды Соли. Различают 5 типов солей средние или нормальные, кислые, основные, двойные и комплексные.
Средние или нормальные соли - продукт полного замещения водорода кислоты на металл - сульфат натрия карбонат кальция.
Кислые соли - продукт неполного замещения водорода кислоты на металл. Кислые соли дают только многоосновные кислоты при недостаточном количестве основания При добавлении избытка щелочи кислая соль может быть переведена в среднюю соль Основные соли - продукт неполного замещения гидроксид - ионов в основании на кислотный остаток. Они могут быть образованы только много кислотными основаниями основания, содержащие несколько гидроксильных групп Перевести основную соль в среднюю можно, действуя на нее кислотой.
Двойные соли образуются при замещении кислорода многоосновной кислоты двумя различными катионами карбонат натрия - калия сульфат калия - алюминия хлорид калия - магния Двойные соли, как правило, существуют только в кристаллическом состоянии. Комплексные соли - такие вещества, в состав которых входит комплексный ион. Примерами комплексных солей могут быть продукты растворения амфотерных гидроксидов в щелочах - тетрагидроксоалюминат натрия тетрагидроксоцинкат натрия.
Номенклатура солей и кислот. Для наименования солей пользуются русской и международной номенклатурой. Русское название соли составляется из названия кислоты и названия металла - углекислый кальций. Для кислых солей вводится добавка кислый - кислый углекислый кальций. Для названия основных солей добавка основная - основная сернокислая медь. Наибольшее распространение получила международная номенклатура. Названия солей по этой номенклатуре состоят из названия атома и названия катионов - нитрат калия.
Если металл имеет разную валентность, то ее указывают в скобках - сульфат железа II сульфат железа III . Для солей кислородосодержащих кислот в название вводят суффикс ат, если кислотообразующий элемент проявляет высшую валентность -нитрат калия суффикс ит, если кислотообразующий элемент проявляет низшую валентности - нитрит калия. В тех случаях, когда кристалообразующий элемент образует кислоты более чем в двух валентных состояниях, применяют суффикс ат. При этом, если он проявляет высшую валентность, добавляют префикс пер - перхлорат калия, если низшую - то применяют суффикс ид и префикс гипо - гипохлорит калия.
Для солей, образованных кислотами, содержащими разное количество воды, добавляются префиксы мета и орто. Например - метафосфат натрия соль метафосфорной кислоты ортофосфат натрия соль ортофосфорной кислоты. В название кислой соли вводят приставку гидро - гидрофосфат натрия если в молекуле один атом водорода и приставку гидро с греческими числительными если атомов водорода больше одного - дигидрофосфат натрия.
В названия основных солей вводится приставка гидроксо. Например хлорид гидроксожелеэа II . Формулы кислот и названия их атомов. Формула Анион Название аниона Международное Русское фторид фтористый хлорид хлористый бромид бромистый йодид йодистый сульфид сернистый гидросульфид кислый сернистый нитрит азотистокислый нитрат азотокислый ацетат уксуснокислый перманганат марганцовокислый сульфат сернокислый гидросульфат кислый сернокислый карбонат углекислый гидрокарбонат кислый углекислый сульфит сернокислый гидросульфит кислый сернокислый метасиликат метокремневокислый ортосиликат ортокремневокислый фосфат фосфорнокислый гидрофосфат кислый фосфорнокислый однозамещенный дигидрофосфат кислый фосфорнокислый двузамещенный гипохлорит хлорноватокислый хлорит хлористокислый хлорат хлорноватокислый хромат хромовокислый дихромат двухромовокислый дифосфат двуфосфорнокислый перхлорат Хлорнокислый Экспериментальная часть.
ОПЫТ 1. Получение оксидов и испытание их характеристик. 1.1. Оксид и гидроксид магния.
Поместите в пробирку небольшое количество оксида магния и прибавьте туда же 5-10 мл воды. Взболтайте содержимое пробирки и испытайте реакцию среды 1-2 каплями раствора фенолфталеина. Отметьте реакцию среды. Составьте уравнение реакции и сделайте вывод о характере оксид 1.2. Оксид кальция. Небольшой кусочек мела взять железными щипцами и прокалить над пламенем горелки в течение 3-5 минут.
Охлажденный прокаленный кусочек поместить в фарфоровую чашку и залить небольшим количеством воды. Испытать индикатором фенолфталеином, отметить окраску и сделать вывод о характере среды. Написать уравнение реакции. ОПЫТ 2. Получение кислот. 2.1 Угольная кислота. Из аппарата Киппа пропустить углекислый газ в пробирку с водой в течение нескольких минут. Испытать раствор индикатором метилоранжем или лакмусом. Написать уравнение реакции. ОПЫТ 3. Получение оснований. 3.1 Гидроокись кальция. К оксиду кальция прилить немного капель воды, размешать, испытать индикатором.
Записать реакцию среды и составить уравнение реакции. 3.2 Гидроокись алюминия. В пробирку налейте 2-3 мл раствора соли алюминия и прибавьте примерно такой же объем раствора. Содержимое пробирки распределите в две пробирки. В одну из пробирок при взбалтывании прилейте по каплям 10 раствор соляной кислоты до полного растворения осадка. Во вторую пробирку прилейте 10 раствор гидроокиси натрия также до полного растворения осадка.
Составьте уравнения реакций. Сделайте вывод о характере гидроксида алюминия. ОПЫТ 4. Получение солей. 4.1. Взаимодействие кислот с основными оксидами. В три конические пробирки внести по несколько кристаллов оксида меди и оксида магния. Прибавить по 5-6 капель соляной или серной кислоты. В случае необходимости применить нагревание. Отметить цвета получившихся растворов и написать уравнения реакций. 4.2 Взаимодействие металла с солью другого металла в две пробирки внести по 12-15 капель раствора сульфата меди и нитрата свинца.
В первую положить немного металлического железа, во вторую - цинка. Наблюдать происходящие реакции, составить уравнения. Сделать вывод, в каких случаях происходит постепенное вытеснение металлов из их солей. 4.3. Получение основной соли. К раствору сульфата меди по каплям прибавлять раствор гидроксида натрия до образования осадка. Содержимое пробирки нагреть и наблюдать изменение цвета осадка. Составить уравнение реакции. 4.4 Получение кислой соли. Наполнить пробирку на 1 2 ее объема известковой водой раствор и пропустить через нее диоксид углерода из аппарата Киппа под тягой. Отметить появление осадка карбоната кальция.
Продолжать пропускать диоксид углерода до растворения осадка, которое, происходит вследствие образования кислой соли. Составить уравнения реакций. 4.5 Получение нормальной соли из кислой. К полученному в опыте 4.4. раствору кислого карбоната кальция прилить несколько капель известковой воды. Наблюдать образование осадка.
Составить уравнение реакции. Контрольные вопросы и задачи 1. Какие из приведенных оксидов являются основными 2. Исходя из валентности хрома в соединениях, решите, какой из оксидов носит кислотный характер 3. Какие из перечисленных оксидов будут реагировать с 4. Какие из перечисленных гидроксидов являются амфотерными 5. Какие из приведенных кислот могут образовывать кислые соли 6. Рассчитать, сколько миллилитров при нормальных условиях получится при сжигании 1,6 г серы? 7. Сколько мл раствора потребуется для нейтрализации 20 мл раствора ? 8. Как изменяется характер оксидов и гидроксидов в группах сверху вниз? 9. Напишите формулу ванадиевой кислоты, вольфрамата кальция, перхлората калия.
РАБОТА 3. Определение молярной массы диоксида углерода. Цель работы - нахождение молярной массы диоксида углерода по плотности газа на основе уравнения Менделеева Клапейрона. Молярная масса - это масса одного моля вещества.
Моль любого газообразного вещества при нормальных условиях Ро 101,3 кПа, То 273К занимает 22,4 л. Эта величина называется молярным объемом газа при нормальных условиях. Определение молярной массы газа может быть выполнено несколькими способами. Чаще всего определяют, исходя из абсолютной и относительной плотности газа. Абсолютной плотностью газа называется масса единицы объема газа при нормальных условиях за единицу объема газа обычно принимают 1л. Зная массу 1л газа при нормальных условиях р и его молярный объем 22,4л, определяют молярную массу газа М Для приведения газа к нормальным условиям используют уравнение газового состояния или где - V объем газа, измеренный при реальных условиях, то есть при атмосферном давлении Р и температуре Т Vo - объем газа при нормальных условиях - давлении Ро и температуре То. Молярную массу газа можно вычислить также, пользуясь уравнением Менделеева - Клапейрона или где Р - давление, кПа V - объем, л m - масса, г М - молярная масса, г моль R - молярная газовая постоянная равная 8,314 л кПа моль К Т - абсолютная температура.
Часто в лабораторной практике применяют следующие числовые значения R 0.082 л атм град моль R 62360 мл мм.рт.ст. град моль. Экспериментальная часть.
ОПЫТ 1 Определение молярной массы диоксида углерода. Диоксид углерода получают в аппарате Киппа рис.1 действием раствора соляной кислоты на мрамор. Полученный диоксид углерода очищают от брызг соляной кислоты путем промывания раствором гидрокарбоната натрия и осушают, пропуская через концентрированную серную кислоту.
Чистую и сухую колбу плотно закройте резиновой пробкой до метки и взвесьте на технохимических весах с точностью до 0,001 г. Наполните колбу диоксидом углерода, получаемым в аппарате Киппа в течении 3-4 минут. Затем очень медленно выньте газоотводную трубку из колбы. Закройте колбу пробкой и снова взвесьте. Наполнение и взвешивание колбы необходимо производить 2-3 раза до постоянной массы, т. е. когда два последовательных результата либо одинаковы, либо отличаются друг от друга не более чем на 0,01 л. Определите объем колбы, заполнив ее водой до метки и перелив воду в мерный цилиндр.
Запишите в журнал массу колбы с воздухом, массу колбы с диоксидом углерода, объем колбы V , давление и температуру, при которых производился опыт. По полученным данным рассчитайте 1.Массу диоксида углерода в объеме колбы, учитывая, что этим газом из колбы был вытеснен равный объем воздуха определены экспериментально массу воздуха находим по уравнению Менделеева - Клапейрона Так как средний молекулярный вес воздуха равен 29, a T 273 t, то масса воздуха Затем определите массу диоксида углерода. 2.Вычислите молекулярный вес двуокиси углерода по уравнению Менделеева - Клапейрона 3.Подсчитайте ошибку опыта в процентах Контрольные вопросы и задачи. 1. Что называется молекулярной массой вещества? В каких единицах она выражается? 2. Что называется молем? Какое количество молекул вещества содержится в одном моле? 3. Какие величины нужно экспериментально получить для определения молекулярной массы газа? 4. Что называется относительной плотностью газа? 5. Рассчитайте молярную массу газа, если масса 1мл его равна 1,96мг условия нормальные. Ответ 43,9г моль. 6. Рассчитайте массу 10 л азота при нормальных условиях.
Ответ 12г. 7. Вычислите молекулярную массу вещества, если установлено, что масса 60мл его паров при температуре 87 С и давлении 524 мм. рт. ст. равна 0,13г. СТРОЕНИЕ ВЕЩЕСТВА. Работа 4. Электронная структура атомов и одноатомных ионов. Цель работы привить навыки составления формул, выражающих электронную конфигурацию атомов и одноатомных ионов металлических и неметаллических элементов.
Согласно квантово - механическим представлениям состояния каждого электрона в атоме химического элемента определяется значениями четырех квантовых чисел Главное квантовое число принимает значения ряда целых чисел и характеризует уровень энергии электрона в атоме.
Если, то уровень электрона минимальный.
Орбитальное квантовое число принимает значения в пределах от 0 до и характеризует подуровень электрона на данном энергетическом уровне. Для обозначения энергетических подуровней используются строчные буквы латинского алфавита Используя цифровые значения n и буквенные обозначения можно составить формулу, отражающую электронную конфигурацию химического элемента. Максимальное число электронов в атоме, имеющих одинаковый уровень энергии определяется как. Максимальное число электронов, имеющих одинаковый подуровень энергии на данном энергетическом уровне определяется как. Каждый энергетический подуровень делится на квантовые ячейки, количество которых связано с магнитным квантовым числом, принимающим значения от -1 до 1, включая ноль. Например, на энергетическом подуровне Р электроны могут быть трех состояниях в трех квантовых ячейках так как при. Квантовая ячейка - графическое изображение атомной орбитали, т.е. состояния электронов в атоме, характеризующегося определенными значениями трех квантовых чисел В каждой квантовой ячейке может быть не более двух электронов, отличающихся друг от друга значением спинового квантового числа и. Электроны в квантовых ячейках принято обозначать стрелками и. Общее число электронов в атоме определяется порядковым, номером химического элемента в периодической системе Д. И. Менделеева.
Элементы, со сходной электронной конфигурацией атомов называют электронными аналогами.
Так, например, электронными аналогами являются азот и фосфор Электронные аналоги располагаются в периодической системе Д. И. Менделеева в одной подгруппе.
Экспериментальная часть. ОПЫТ 1. Электронная структура атомов и одноатомных ионов металлов. При окислении атомов металла число электронов в электронной оболочке уменьшается, и образуются ионы с положительным зарядом, например В три пробирки на 1 3 объема налейте раствор нитрата свинца. В первую пробирку опустите железо, во вторую-цинк, в третью-магний. Через несколько минут осмотрите поверхность металлов опущенных в раствор соли свинца.
Составьте уравнения реакций, которые прошли между железом, магнием и цинком с нитратом свинца. Опишите свои наблюдения. Заполните таблицу по образцу До реакции После реакции Химический знак атома или иона металла Электронная формула атома или иона Химический знак атома или иона металла Электронная формула атома или иона Приведите схему распределения в квантовых ячейках электронов, отвечающих сокращенным электронным формулам атомов а магния б железа в цинка г свинца.
Какими значениями квантовых чисел n, I, m характеризуется атомная орбиталь валентного электрона в атомах а магния б железа в цинка г свинца? Найдите в периодической системе электронные аналоги свинца и запишите сокращенные формулы, выражающие электронную структуру атомов этих элементов. ОПЫТ 2 Электронная структура атомов и одноатомных ионов металлов. При восстановлении атомов металлов число электронов в электронной оболочке возрастает, и образуются ионы с отрицательным зарядом.
Например Опыт проводите под тягой. В две пробирки на 1 3 объема налейте растворы сульфида и иодида натрия. Опустите сначала в первую, а затем во вторую пробирку газоотводную трубку от аппарата Киппа и пропустите медленный ток хлора через раствор соли. Составьте уравнения реакций и опишите свои наблюдения. До реакции После реакции Химический знак атома или иона металла Электронная формула атома или иона Химический знак атома или иона металла Электронная формула атома или иона Приведите схему распределения в квантовых ячейках электронов, отвечающих сокращенным формулам атомов а серы б хлора в иода. Какими значениями квантовых чисел характеризуется атомная орбиталь валентного электрона в атомах а серы б хлора в иода? Найдите в периодической системе Менделеева элемент, электронная формула которого. Какими значениями квантовых чисел главного и орбитального характеризуются внешние р - электроны в атоме этого элемента? Контрольные вопросы. 1. Укажите значение главного квантового числа, характеризующее уровень энергии электронов в атоме гелия. 2. Укажите значение спинового квантового числа двух электронов внешнего энергетического уровня в атоме магния. 3. Какие значения магнитного квантового числа характеризую состояние р - электронов в атоме азота. 4. Атому, какого химического элемента отвечает электронная конфигурация ? 5. Электронную конфигурацию атома выражают следующей сокращенной формулой. Что это за элемент? 6. Напишите формулу полную и сокращенную электронной конфигурации атома и иона. 7. Сколько электронов на внешнем энергетическом уровне в атоме кремния? Покажите их расположение в квантовых ячейках. 8. Приведите схему распределения внешних электронов по квантовым ячейкам атома селена.
ОСНОВНЫЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ ХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ. Работа 5.