Физико-химические свойства d-элементов Периодической системы

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

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

Внешние признаки вещества в зависимости от степени окисления

Элемент	Степень окисления	Соединение или ион	Внешние признаки
Марганец	+7	MnO4– (KMnO4)	малиновый раствор
+6	MnO42– (K2MnO4)	зеленый раствор
+4	MnO2	бурный осадок
+2	Mn2+ (MnCl2, MnSO4)	бесцветный раствор
Хром	+6	CrO42– (K2CrO4)	желтый раствор
Cr2O72– (K2Cr2O7)	оранжевый раствор
+3	Cr3+ (CrCl3, Cr2(SO4)3)	зеленый раствор

Оборудование и реактивы

Пробирки, пробиркодержатель, спиртовка, спички, штатив, воронка, фильтровальная бумага.

Цинк Zn (гранулы), железо Fe (к), сульфит натрия Na₂SO₃ (к), дихромат аммония (NH₄)₂Cr₂O₇ (к), оксид марганца (IV) MnO₂ (к);

Растворы: серная кислота H₂SO₄ (разб. и конц.), соляная кислота HCl (разб. и конц.), азотная кислота HNO₃ (разб. и конц.), гидроксид натрия NaOH (2 М), пероксид водорода H₂O₂ (10%), хлорид марганца (II) MnCl₂, сульфида натрия Na₂S, сульфат железа (II) FeCl₂, перманганат калия KMnO₄, бромид калия KBr, хлорид хрома (III) CrCl₃, сульфид аммония (NH₄)₂S, бромная вода, бихромат калия K₂Cr₂О₇, иодид калия KI, хромат калия K₂CrO₄, сульфит натрия Na₂SO₃, крахмал (р-р), сульфат железа (II) FeSO₄, роданид аммония NH₄SCN, гексацианоферрат (II) калия K₄[Fe(CN)₆].

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

Опыт 1. Изучение химических свойств марганца и его соединений

1.1. В четыре пробирки налейте по 1 мл раствора хлорида марганца (II) MnCl₂ и прибавьте по 1 мл 2 М раствора гидроксида натрия NaOH. Отметьте цвет осадка в первый момент. Осадок в первой пробирке перемешайте встряхиванием и оставьте в штативе на некоторое время. В остальные пробирки добавьте вещества по схеме:

№	Реагирующие в-ва	Уравнения реакций	Цвет раствора
	контроль
	+ H2SO4
	+ NaOH
	+ H2O2

1.2. Насыпьте в пробирку немного диоксида марганца, прилейте 1 мл конц. соляной кислоты HCl и слегка подогрейте пробирку.

1.3. В три пробирки внесите по 1 мл раствора перманганата калия KMnO₄. В первой пробирке раствор подкислите 2 каплями 2 М серной кислотой H₂SO₄, во вторую добавьте столько же воды, а в третью – 2 капли 20%-ного раствора щелочи NaOH. В каждую пробирку добавьте кристаллического сульфита натрия Na₂SO₃ до изменения первоначальной окраски раствора.

Опыт 2. Изучение химических свойств хрома и его соединений

2.1. В пробирку с раствором хлорида хрома (III) CrCl₃ по каплям прибавить раствор гидроксида натрия NaOH до образования осадка. Разделить осадок на две пробирки. В одну из них добавить разб. серную кислоту H₂SO₄, в другую – избыток щелочи NaOH.

2.2. Раствор гидроксохромата (III), полученный в опыте 2.1, прокипятите.

2.3. Налейте в стакан 3–5 мл насыщенного раствора бихромата калия K₂Cr₂О₇ и добавьте 5–8 мл конц. серной кислоты H₂SO₄, охлаждая стакан холодной водой. После охлаждения раствора отфильтруйте полученные кристаллы на воронке со складчатым фильтром.

2.4. Несколько кристаллов оксида хрома (VI), полученных в опыте 2.3 растворите в 2–3 мл воды H₂O и добавьте раствор иодида калия KI. Докажите присутствие йода в растворе раствором крахмала.

2.5. К раствору бихромата калия K₂Cr₂О₇, подкисленному серной кислотой H₂SO₄, прилейте раствор сульфита натрия Na₂SO₃.

Опыт 3. Изучение химических свойств железа и его соединений

3.1. Испытайте действие на железо разб. и конц. кислот: серной, соляной и азотной.

3.2. В три пробирки налейте по 1 мл раствора сульфата железа (II) FeSO₄, подкисленного серной кислотой, и добавьте в первую пробирку бромную воду, во вторую – раствор дихромата калия K₂Cr₂О₇, в третью – раствор перманганата калия KMnO₄.

3.3. Напишите уравнение реакции гидролиза FeCl₃ и определите рН лакмусом.

3.4. К небольшим количествам хлорида железа (III) FeCl₃ в отдельных пробирках прилейте растворы роданида аммония NH₄SCN и гексацианоферрата (II) калия K₄[Fe(CN)₆].

3.4. В три пробирки налейте по 2–3 мл раствора хлорного железа. FeCl₃ В одну пробирку прибавьте раствор сульфида натрия Na₂S, в другую – раствор иодида калия KI, третью оставьте для сравнения.

Контрольные задания

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

1. Сu → Cu(NO₃)₂ → CuO → CuSO₄ → [Cu(NH₃)₄]SO₄ → CuSO₄ → CuCl₂ → Cu(NO₃)₂ → Cu

2. Fe → FeCl₂ → Fe(OH)₂ → Fe(OH)₃ → Fe₂O₃ → Fe₂(SO₄)₃ → Fe(OH)₃

3. Fe → Fe(NO₃)₃ → Fe(OH)₃ → Fe₂O₃ → Fe → FeSO₄ → Fe(OH)₂ → Fe(OH)₃ → Na[Fe(OH)₄]

4. Cr → CrCl₃ → Cr(OH)₃ → K[Cr(OH)₄] → K₂CrO₄ → K₂Cr₂O₇ → K₂CrО₄

5. Zn → Zn(NO₃)₂ → Zn(OH)₂ → ZnO → ZnSO₄ → [Zn(NH₃)₄]SO₄

6. Fe → FeSO₄ → Fe(NO₃)₂ → Fe(NO₃)₃ → Fe(OH)₃ → Fe₂O₃ → Fe

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

7. Mn(NO₃)₂ + Na₂S₂O₈ + H₂O → HMnO₄ +...

8. NaI + K₂Cr₂O₇ + H₂SO₄ →

9. KClO₃ + MnO₂ + KOH → K₂MnO₄ +...

10. As + K₂Cr₂O₇ + H₂SO₄ → H₃AsO₄ +

11. Растворимость сульфида железа при некоторой температуре составляет 5,35 • 10^–9 в 100 см³ раствора. Рассчитайте произведение растворимости сульфида железа.

12. Какие массы KMnO₄ и H₂O₂ необходимы для получения кислорода объемом 11,2 дм³ (н.у.) при проведении реакции в кислой среде.

13. Для рафинирования была взята черновая медь массой 1000 кг, в которой массовая доля примесей составляет 4%. Какая масса рафинированной меди может быть получена из нее, если выход по току составляет 92%?

14. Медно – калийное удобрение содержит в массовых долях: K₂O – 56,8%; Cu – 1,0%. Какой процент это составляет в пересчете на хлорид калия и технический медный купорос, в котором массовая доля меди составляет 24%?

15. Газом, выделившимся при обработке латуни массой 150 г избытком раствора соляной кислоты при нагревании, полностью восстановили оксид железа(III), при этом масса оксида железа (III) уменьшилась на 14,4 г. Определите состав смеси (ω,%).

16. Сплав меди с алюминием представляет собой химическое соединение, содержащее 12,3% алюминия. Определите формулу этого соединения.

17. На растворение смеси меди и оксида меди (II) массой 18 г израсходован раствор серной кислоты массой 50 г с массовой долей 90%. Вычислите массу меди в смеси.

18. Какая масса хромистого железняка, содержащего 30% Fe(CrO₂)₂ потребуется для получения хрома массой 0,5 т?

19. Какой объем 0,5 н раствора дихромата калия потребуется для полного окисления в кислой среде иодида калия массой 22 г?

20. Какую массу CrO₃ можно получить из дихромата калия массой 147 г? Какую массу этилового спирта можно окислить им до альдегида?

Пример. При нагревании смеси железа и цинка массами 11,2 г и 26,0 г соответственно с избытком серы и последующей обработкой продуктов реакции избытком раствора соляной кислоты выделился газ, который пропустили через раствор сульфата меди (II). Рассчитайте объем сульфата меди с массовой долей 10% (ρ = 1,10 г/мл) израсходованный на поглощение образовавшегося газа.

Решение

1) Fe + S = FeS 2) Zn + S = ZnS

3) FeS + 2HCl = FeCl₂ + H₂S↑ 4) ZnS + 2HCl = ZnCl₂ + H₂S↑

5) H₂S + CuSO₄ = CuS↓ + H₂SO₄

M(Fe) = 56 г/моль; M(Zn) = 65 г/моль; M(CuSO₄) = 160 г/моль

Находим количество железа и цинка 11,2 / 56 = 0,2 моль Fe,

26 / 65 = 0,4 моль Zn. Тогда из уравнений (1 и 2) количество FeS равно 0,2 моль, а ZnS – 0,4 моль. Количество H₂S, по реакции (3 и 4) равно 0,2 + 0,4 = 0,6 моль. Следовательно, по реакции (5) образуется и израсходуется такое же количество, т.е. 0,6 моль CuSO₄ или 0,6 • 160 = 96 г.

V_р-ра(CuSO₄) с массовой долей соли 10% равен 96 • 100 / 10 • 1,1 = 872,7 мл.

Ответ: V_р-ра(CuSO₄) = 872,7 мл.