Физико-химические свойства s-элементов Периодической системы

Цель работы: Изучение способов получения и физико-химических свойств s -элементов Периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева.

Теория: s-металлы главных подгрупп I и II групп Периодической системы Д.И. Менделеева (щелочные и щелочноземельные металлы): общая характеристика, физические и химические свойства, получение и применение простых веществ и основных типов соединений.

Оборудование и реактивы

Пробирки, пробиркодержатель, фарфоровые чашки, тигель, спиртовка, спички, аппарат Киппа.

Натрий Na (литий Li, калий К), кальций Ca, магний Mg, карбонат магния MgCO₃ (к), карбонат кальция CaCO₃ (к), дистиллированная вода; индикаторы: фенолфталеин, лакмус, индикаторная бумага;

Растворы: хлорид кальция CaCl₂, хлорид стронция SrCl₂, хлорид бария BaCl₂, гидроксид натрия NaOH, водный раствор аммиака NH₃•H₂О, карбонат натрия Na₂CO₃, сульфат кальция CaSO₄, известковая вода Ca(OH)₂, мыльный раствор.

Эксперимент: выполните задания, составьте уравнения реакций, назовите вещества, запишите наблюдения и вывод.

Опыт 1. Взаимодействие металлов с водой

1.1. Возьмите небольшой кусочек щелочного металла (натрий, калий или литий), который хранится в банке с керосином, тщательно осушите его фильтровальной бумагой, внесите в фарфоровую чашку, заполненную водой (до металла руками не дотрагиваться!). По окончании опыта добавьте несколько капель фенолфталеина и определите среду образовавшегося раствора.

1.2. При взаимодействии магния с водой реакционную пробирку подогрейте некоторое время на спиртовке.

Опыт 2. Восстановительные свойства кальция

2.1. В пробирку на 1/3 объема налейте дисстилированную воду и опустите кусочек кальция. Внесите в раствор 1–2 капли раствора фенолфталеина.

Опыт 3. Получение гидроксидов щелочноземельных металлов

3.1. К одинаковому объему растворов CaCl₂, SrCl₂, BaCl₂, взятых в отдельных пробирках, прилейте разб. раствор щелочи. Обратить внимание на объем выпавшего осадка в каждой пробирке.

3.2. Повторите опыт, взяв вместо гидроксида натрия водный раствор аммиака. Сравните полученные результаты с предыдущим опытом. Дайте объяснение.

Опыт 4. Получение и свойства солей щелочноземельных металлов

4.1. Получение и свойства карбонатов щелочноземельных металлов.

Получите в отдельных пробирках карбонаты кальция, стронция и бария из растворов соответствующих солей и карбоната натрия Na₂CO₃.

Нагрейте содержимое пробирок. Обратить внимание на изменение цвета осадков.

Прилейте разбавленный раствор соляной кислоты во все пробирки.

4.2. Термическая диссоциация карбоната кальция. Получите карбонат кальция. Осадок отфильтруйте, промойте и разделите на две порции. Одну порцию смешайте с водой и испытайте на лакмус.

Другую порцию после высушивания положите в пробирку и в течение 5–10 минут прокалите в пламени спиртовки.

После охлаждения тигля его содержимое смешайте с водой и испытайте индикаторной бумагой.

4.3. Сравнительная растворимость сульфатов щелочноземельных металлов. К находящимся в трех пробирках разб. растворам хлорида кальция, стронция и бария добавьте понемногу насыщенный раствор сульфата кальция (гипсовой воды). Наблюдайте различную скорость образования осадков.

Запишите из справочника величины произведения растворимости сульфатов кальция, стронция и бария. Сделайте вывод о соответствии справочных и экспериментальных данных.

Опыт 5. Жесткость воды и ее устранение

5.1. На кончике ножа насыпьте в колбу карбонат магния MgCO₃ и карбонат кальция CaCO₃. Налейте на половину колбы воды и взболтайте. Из аппарата Киппа пропустите углекислый газ до полного растворения солей. Полученную жесткую воду оставьте для следующих опытов 5.2.

5.2. В 4 пробирки налейте: в одну – дистиллированную воду, в остальные три – полученную жесткую воду.

В пробирку с дистиллированной водой прилейте по каплям из бюретки мыльный раствор до получения устойчивой мыльной пены, встряхивая пробирку после каждой капли. Запишите число капель, необходимых для этого. То же самое проделайте с одной из пробирок, где находится жесткая вода.

В другую пробирку с жесткой водой прилейте по каплям, при встряхивании, известковую воду Ca(OH)₂ до появления неисчезающей мути. После этого добавьте, как и в первые две пробирки, мыльный раствор и заметьте число капель, необходимых для образования пены.

Последнюю пробирку с жесткой водой прокипятите и охладите, после чего определите, сколько капель мыльного раствора необходимо для образования пены.

Результаты занести в таблицу:

Пробирки	Число капель мыльного раствора для образования пены
с дистиллированной водой
с жесткой водой без обработки
с жесткой водой после прибавления известковой воды
с жесткой водой после кипячения

Контрольные задания

Напишите уравнения реакций, в результате которых можно осуществить следующие превращения:

1. NaCl → NaOH → Na₂CO₃ → NaHCO₃ → NaNO₃ → NaNO₂

2. NaCl → Na → NaH → NaOH → NaHCO₃

3. CaCl₂ → Ca → CaO → Ca(OH)₂ → CaCO₃ → Ca(HCO₃)₂ → CaCO₃ → CaCl₂

4. CaO → Ca(OH)₂ → Ca₃(PO₄)₂ → H₃PO₄ → Na₂HPO₄ → Na₃PO₄

5. ацетат магния → гидроксид магния → оксид магния → магний → нитрат магния

6. кальций → нитрид кальция → гидроксид кальция → хлорид кальция → нитрат кальция

Закончите уравнения реакций:

7. Na₂O₂ + KI + H₂SO₄ →

8. Na₂O₂ + KMnO₄ + H₂SO₄ →

9. Na₂O₂ + CO₂ →

10. NaI + H₂O₂ →

11. Какой объем займет водород (н.у.), полученный из пакета, содержащего гидрид лития массой 40 кг?

12. Сплав лития и магния растворили в разб. соляной кислоте. Определите состав сплава в массовых долях (%), если масса выделившегося газа составила 10% от массы сплава.

13. При взаимодействии гидрида металла (I) c водой массой 100 г получился раствор с массовой долей вещества в нем 2,38. Масса конечного раствора оказалась на 0,2 г меньше суммы масс воды и исходного гидрида. Определите, какой гидрид был взят?

14. Взаимодействием кальцинированной соды массой 10,0 т с гашеной известью получена каустическая сода массой 6,7 т. Определите выход продукта (%).

15. Какую массу карбоната натрия надо прибавить к 800 дм³ воды, чтобы устранить жесткость, равную 6 мэкв/дм³?

16. Вычислите карбонатную жесткость воды, зная, что для реакции с гидрокарбонатном магния, содержащимся в 500 см³ воды требуется 20 см³ 0,12 н. раствора HCl.

17. В 1 дм³ воды содержатся ионы Mg²⁺ и Ca²⁺ массой 38 мг и 108 мг соответственно. Вычислите общую жесткость воды.

18. Определите жесткость воды, если для ее умягчения на 100 дм³ потребовался гидроксид кальция массой 7 г.

19. Вычислите карбонатную жесткость воды, если для реакции с гидрокарбонатом кальция, содержащимся в 200 см³ воды, требуется 15 см³ 0,08 н. раствора соляной кислоты.

20. Жесткость воды, в которой растворен только гидрокарбонат кальция, равна 4 мэкв/дм³. Какой объем 0,1 н. раствора соляной кислоты потребуется для реакции с гидрокарбонатом кальция, содержащимся в 75 см³ этой воды?

Пример. Сколько MgSO₄ по массе содержится в 1 м³ воды, если жесткость этой воды составляет 5 мэкв/дм³. Какую массу Na₂CO₃ следует добавить к воде, чтобы устранить данную жесткость.

Решение

m_Э(MgSO₄) = 120 / 2 = 60 г/моль

Масса соли в 1 м³ воды составит 5 • 1000 • 60 = 300000 мг = 300 г

MgSO₄ + Na₂CO₃ = MgCO₃↓ + Na₂SO₄

MgSO₄ и Na₂CO3 реагируют в эквивалентных количествах, m_Э(Na₂CO₃) = 53 г/моль

Определим число эквивалентов MgSO₄ в 1 м³ раствора: 5 • 1000 = 5000 мэкв = 5 экв

Для устранения жесткости воды требуется 5 экв Na₂CO₃ или 5•m_Э(Na₂CO₃) = 5 • 53 = 265 г