Физико-химические свойства p-элементов Периодической системы

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

Теория: р-элементы Периодической системы Д.И. Менделеева: общая характеристика, физические и химические свойства, получение и применение простых веществ и основных типов соединений.

Оборудование и реактивы

Пробирки, пробиркодержатель, фарфоровые чашки, спиртовка, спички, газоотводные трубки, штатив, колба Вюрца, аппарат Киппа, наждачная бумага, лучинка, фарфоровая и железная ложечки, кристаллизатор.

Алюминий (cтружки), медь (стружки и пластинка), сера S (к), цинк Zn (гранулы и порошкообразный), йод I₂ (к), хлорида калия KCl (к), бромида калия KBr (к), иодида калия KI (к); сахароза, уголь активированный, мел или мрамор СаСО₃ (к), питьевая сода NaНСO₃ (к), нитрат аммония NH₄NO₃ (к), нитрат свинца PbNO₃ (к), нитрат калия КNO₃ (к); дистиллированная вода; индикаторы: универсальная индикаторная бумага, фенолфталеин;

Растворы: соляная кислота HCl (2 н. и конц.), серная кислота H₂SO₄ (2 н. и конц.), азотная кислота HNO₃ (2 н. и конц.), аммиак NH₃ • H₂О, гидроксид натрия NaOH, хлорид алюминия AlCl₃, сульфат алюминия Al₂(SO₄)₃, сульфид аммония (NH₄)₂S, гидроксид кальция Са(ОН)₂, хлорид бария BaCl₂, сульфат меди CuSO₄, карбонат натрия Na₂CO₃, бромида калия KBr, иодида калия KI, хлорид натрия NaCl, нитрат серебра AgNO₃.

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

Опыт 1. Изучение химических свойств алюминия и его соединений

1.1. В пробирку поместите немного стружек алюминия и прилейте 30%-ный раствор гидроксида натрия. Пробирку закройте пробкой с газоотводной рубкой. Докажите опытным путем, что выделяющийся газ – водород. Перед поджиганием газа проверить водород на чистоту!

1.2. В две пробирки положите немного стружек алюминия, и прилить в одну пробирку 2 н. раствор соляной кислоты HCl, в другую – 2 н. раствор серной кислоты H₂SO₄. Подогрейте пробирки с разбавленными кислотами.

1.3. К раствору соли алюминия (AlCl₃) прилейте по каплям раствор гидроксида натрия NaOH до образования осадка. Разделить осадок на две пробирки и исследуйте его отношение к раствору соляной кислоты HCl и к раствору гидроксида натрия NaOH.

Опыт 2. Изучение химических свойств углерода и его соединений

2.1. В пробирку налейте 1 мл раствора гидроксида кальция Са(ОН)₂. Опустите в раствор газоотводную трубку от аппарата Киппа (или колбы Вюрца), откройте кран и пропускайте СО₂, внимательно наблюдая за изменениями, проходящими в пробирке. Как только раствор помутнеет, закройте кран. Разделите содержимое пробирки на две части. Через одну из них вновь пропустите углекислый газ до образования прозрачного раствора. Закройте аппарат Киппа. Исчезновение осадка обусловлено превращением нерастворимого карбоната в растворимый гидрокарбонат.

2.2. Поместите в пробирку маленький кусочек мела. Внесите в пробирку несколько капель соляной кислоты. Обратите внимание на характерное шипение, обусловленное выделением СО₂.

2.3. Внесите в пробирку один микрошпатель твердой соли NaНСO₃ (питьевой соды) и добавьте несколько капель кислоты, пронаблюдайте выделение углекислого газа.

2.4. В три пробирки налейте по 1 мл растворов хлорида бария BaCl₂, сульфата меди CuSO₄, хлорида алюминия AlCl₃. В каждую из трех пробирок добавьте по каплям раствор Na₂CO₃ до выпадения осадков.

Опыт 3. Изучение химических свойств азота и его соединений

3.1. В пробирку налейте 1 мл раствора аммиака NH₃. Обратите внимание на характерный запах раствора. Добавьте к раствору 5–6 капель фенолфталеина, затем прибавляйте по каплям разб. серную кислоту H₂SO₄ до обесцвечивания раствора.

3.2. Осторожно внесите в пробирку 10 капель конц. азотной кислоты HNO₃ (тяга!) и опустите в нее медную пластинку или стружки. Отметьте выделение бурого газа NO₂.

3.3. Прокалите в разных пробирках нитрат аммония NH₄NO₃, нитраты калия и свинца. Обратите внимание на окраску газообразных продуктов, выделяющихся при этом, и испытайте их тлеющей лучинкой.

Опыт 4. Изучение химических свойств серы и ее соединений

4.1. Проведите реакцию между конц. азотной кислотой HNO₃ и порошкообразной серой при нагревании. Полученный раствор испытайте на присутствие в нем сульфат-ионов раствором хлорида бария BaCl₂.

4.2. В бесцветное пламя спиртовки (тяга!) внесите на фарфоровой ложечке небольшое количество серы (около 0,2 г). Наблюдайте горение серы и отметьте цвет пламени.

4.3. Смешайте порошкообразную серу и цинк в массовом соотношении 1,5: 1 и смесь сожгите в вытяжном шкафу в железной ложечке.

4.4. Насыпьте в маленький стакан 5–6 г сахарной пудры и поставьте его в стеклянную ванну. Прилейте к сахару немного воды до образования кашицы, затем 5–6 мл конц. серной кислоты и хорошо перемешайте стеклянной палочкой.

4.5. Подействуйте конц. серной кислотой при нагревании на серу и уголь. Испытайте действие разб. и конц. серной кислоты на Cu, Zn на холоде и при нагревании. Объясните наблюдение и напишите уравнения реакций.

Опыт 5. Изучение химических свойств галогенов и их соединений

5.1. В фарфоровой чашке (тяга!) осторожно смешайте небольшое количество сухого порошка алюминия (магния или цинка) с сухим порошком йода. В приготовленную смесь осторожно внесите 1–3 капли воды при помощи пипетки.

5.2. В три сухие пробирки (тяга!) поместите раздельно небольшие количества кристаллических солей – хлорида калия KCl, бромида калия KBr и иодида калия KI и в каждую пробирку добавьте по одинаковому объему раствора конц. серной кислоты H₂SO₄ (конц.). Наблюдать в начале реакции выделение белого дыма в каждой пробирке (HCl, HBr, HI), затем во второй и третьей пробирках отметить появление бурых паров брома и йода, образующихся в результате окислительно-восстановительных реакций между HBr и HI с H₂SO₄.

5.3. Внесите в три пробирки раздельно по 3–4 капли растворов хлорида натрия NaCl, бромида калия КBr и иодида калия KI. В каждую пробирку добавьте по 1–2 капли раствора нитрата серебра AgNO₃ до выпадения осадков. Отметьте их окраску. Испытайте отношение осадков к разб. азотной кислоте HNO₃ и аммиаку NH₃.

Контрольные задания

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

1. алюминий → нитрат алюминия → алюминат натрия → гидроксид алюминия → оксид алюминия→ метаалюминат магния;

2. силикат кальция → оксид кремния(IV) → силикат натрия → кремний → тетрафторид кремния;

3. N₂ → NH₃ → NO → NO₂ → HNO₃ → NH₄NO₃ → N₂O

4. H₂SO₄ → SO₂ → NaHSO₃ → Na₂SO₃ → SO₂ → SO₃ → H₂SO₄

5. P → PH₃ → P₂O₅ → Ca₃(PO₄)₂ → CaHPO₄

6. FeS → SO₂ → H₂SO₄ → SO₂ → Na₂SO₃ → Na₂SO₄ → BaSO₄

Закончите уравнения реакций, расставьте коэффициенты методом электронного баланса, назовите вещества:

7. Fe(OH)₂ + Cl₂ + KOH → K₂FeO₄ +...

8. CuFeS₂ + HNO₃ (конц.) → Cu(HSO₄)₂ +...

9. PH₃ + K₂CrO₄ + KOH →

10. KI + O₃ + H₂O →

11. Определите состав сплава (ω,%), если сплав меди с алюминием массой 1,0 г обработали избытком раствора NaOH. Остаток промыли и растворили в азотной кислоте. Раствор выпарили и прокалили. Масса остатка после прокаливания составила 0,4 г.

12. Какую массу гидроксида цинка нужно добавить к гидроксиду алюминия массой 15,6 г, чтобы при прокаливании полученной смеси масса продуктов прокаливания составила 80% первоначальной массы смеси?

13. Смесь порошков алюминия и Na₂CO₃ массой 35,0 г сплавили в открытом тигле в атмосфере кислорода. После сплавления масса смеси стала равной 37,9 г. Определите состав полученной смеси (ω,%).

14. Какая масса оксида кремния(IV) вступит в реакцию восстановления в доменной печи при выплавке чугуна массой 1400 т, содержащего 4% кремния?

15. В результате взаимодействия раствора HClO₃ массой 6 г с избытком раствора соляной кислоты образовался хлор объемом 14,2 дм³ (н.у.). Вычислите массовую долю (%) HClO₃ в растворе.

Пример. При сжигании смеси сульфидов алюминия и железа(II) массой 4,00 г получили диоксид серы массой 3,65 г. Определите состав исходной смеси (ω,%).

Решение

1) 4FeS + 7O₂ = 2Fe₂O₃ + 4SO₂ 2) 2Al₂S₃ + 9O₂ = 2Al₂O₃ + 6SO₂

M(FeS) = 88 г/моль; M(Al₂S₃) = 150 г/моль; M(SO₂) = 64 г/моль

Пусть масса FeS в смеси – х г; тогда m(Al₂S₃) составит (4 – х) г Масса SO₂ по реакции (1) будет а = 64 • х / 88 г, а масса SO₂ по реакции (2) будет b = 3 • 64 • (4 – х) / 150 г

Следовательно, a + b = 64x / 88 + (4 – x) • 3 • 64 / 150 = 3,65

x = 2,66 г FeS

ω(FeS) = 2,66 • 100 / 4 = 66,5% ω(Al₂S₃) = 33,5%

Ответ: ω(FeS) = 66,5%, ω(Al₂S₃) = 33,5%