Примеры выполнения заданий

Пример 1. Почему атом фосфора в отличие от атома азота в соединениях может иметь валентность 5?

Решение

Электронная формула атома фосфора 1s²2s²2p⁶3s²3p³3d⁰, т.е. у атома есть вакантная d-орбиталь и валентные электроны атома в возбужденном состоянии располагаются на атомных орбиталях так:

¯

3d¹

¯

¯

¯

3p³

¯

3s²

Следовательно, атом может образовать 5 ковалентных связей (по обменному механизму). Это, например, PCl₅ – хлорид фосфора (V).

Ответ. Электронное строение атома фосфора обуславливает образование 5 ковалентных связей.

Пример 2. Какие из кислот фосфора обладают восстановительными свойствами: НРО₂Н₂, Н₂РО₃Н, Н₃РО₄, (НРО₃)_n, Н₄Р₂О₇?

Решение

Фосфорноватистая кислота и ее соли обладают сильными восстановительными свойствами и используются, например, в процессе химического никелирования:

NiCl₂ + NaPO₂H₂ + 2NaOH = Ni + NaHPO₃H + 2NaCl + H₂O

1½PO₂H₂^- + 2OH^- - 2e = HPO₃H^- + H₂O

1½Ni²⁺ + 2e^- = Ni

Сильными восстановительными свойствами обладает и фосфористая кислота (Н₂РО₃Н).

Ответ. Из указанных кислот восстановительными свойствами обладают фосфорноватистая и фосфористая кислоты, где степени окисления фосфора +1 и +3 соответственно.

Пример 3. Рассчитайте тепловой эффект реакции образования хлорида фосфора (V) из простых веществ по следующим термохимическим уравнениям:

Р(г) + 5/2Cl₂(г) = PCl₅(k) DH₁⁰ (298 k) =?

P(т) + 3/2Cl₂(г) = PCl₃(ж) DН₂⁰ (298 к) = -76,4 кдж/моль

РCl₃(ж) + Cl₂(г) = PCl₅(т) DН₃⁰(298 к) = -29,6 кдж/моль

Решение. Записываем схему этих процессов с указанием тепловых эффектов отдельных стадий:

DН₁⁰

P РCl₅

DH₂⁰ DH₃⁰

PCl₅

По закону Гесса DР₁⁰ = DН₂⁰ + DН₃⁰ = -76,4 кДж/моль – 29,6 кДж/моль =

- 106 кДж/моль

Ответ: DН₁⁰ = -106 кДж/моль

Пример 4. Вычислите рН 0,5%-ного раствора фосфористой кислоты (r ~ 1 г/см³), принимая во внимание лишь первую ступень ее диссоциации.

Дано

Найти

Формулы связи

ω(Н₃РО₃) =0,5% рН=? рН = -lg [H⁺]

ρ(Н₃РО₃)=1г/см³

Решение

1. Фосфористая кислота диссоциирует ступенчато:

Н₂РО₃Н = Н⁺ + НРО₃Н ^- К_Д = 1,6 х 10^-4

НРО₃Н = Н⁺ + РО₃Н^2- К_Д = 7 х 10^-7

2. Учитывая только 1 ступень диссоциации, концентрация катионов водорода в растворе:

[H⁺] = Ö Кд х С =Ö 1,6 х 10^-4 х 0,5 = 8,9 х 10^-3 моль/л

рН = -lg 8,9 х 10^-3 = 3 – 0,9494 = 2,0506

Ответ. рН = 2,0506

Пример 5. Какой объем раствора гидроксида натрия концентрации 0,1 моль/л необходимо взять для нейтрализации фосфорной кислоты, полученной из фосфата кальция массой 0,31 через промежуточное образование белого фосфора?

Дано	Найти	Формулы связи
С(NaOH)=0,1моль/л	V(NaOH)=?	V(NaOH)=C(1/z) V/C(1/z (NaOH)

m(Са₃(РО₄)₂) =0,31г ν= m/M

Решение

1. Получение фосфора (t = 1500⁰C)

Ca₃(PO₄)₂ + 2 SiO₂ + 5C = 3CaSiO₃ + 5CO^­ + P₂^­ (1)

Получение белого фосфора Р₄ охлаждением паров фосфора:

n(Р₂) = n(Са₃(РО₄)₂) = 0,31/310 = 0,001 моль

n(Р₄) = 1/2n(Р₂) = 0,001/2 = 0,0005 моль

2. Получение оксида фосфора (V) окислением белого фосфора:

Р₄ + 5О₂ = Р₄О₁₀ (2)

n(Р₄О₁₀) = n(Р₄) = 0,0005 моль

3. Образование фосфорной кислоты взаимодействием с водой оксида фосфора (V):

Р₄О₁₀ + 6Н₂О = 4Н₃РО₄ (3)

n(Н₃РО₄) = 4n(Р₄О₁₀) = 0,002 моль

4. Нейтрализация фосфорной кислоты гидроксидом натрия протекает по уравнению:

Н₃РО₄ + 3NaOH = Na₃PO₄ + 3H₂O (ур-ие 4)

n(NaOH) = 3n(H₃PO₄) = 0,002 x 3 = 0,006 моль (ур-ие 4)

V(NaOH) = 0,006/0,1 = 0,06 л

Ответ. V(NaOH) = 0,06 л

Экспериментальная часть

Опыт 1

Качественные реакции на фосфат – ион (РО₄^3-)

Оборудование и реактивы: штатив с пробирками, водяная баня. Растворы: фосфорная кислота (конц.), молибденовая жидкость (насыщенный раствор молибдата аммония, подкисленный азотной кислотой), магнезиальная смесь (MgCl₂ + NH₄OH + NH₄Cl), нитрат серебра, фосфат натрия, карбонат натрия (С=0,1моль/л), гидроксид аммония (1моль/л), индикаторная бумага.

Выполнение работы

а) Действие молибдата аммония. В пробирку внесите 5-6 капель молибденовой жидкости, прибавьте каплю фосфорной кислоты. Содержимое пробирки нагрейте на водяной бане. Выпадение желтого осадка молибденофосфата аммония свидетельствует о наличии фосфат-иона.

Н₃РО₄ + 12(NH₄)₂MoO₄ + 21HNO₃ = ¯(NH₄)₃H₄[P(Mo₂O₇)₆] + 21NH₄NO₃ + 10H₂O или ((NH₄)₃PMo₁₂O₄₀ x 6H₂O) + 6H₂O

б) Действие магнезиальной смеси. В пробирку внесите 5-6 капель раствора фосфата натрия и добавьте раствор магнезиальной смеси. Каков цвет и характер выпавшего осадка?

в) Действие нитрата серебра. В пробирку внесите 3-5 капель фосфорной кислоты и нейтрализуйте ее раствором карбоната натрия до слабокислой реакции (проверять индикаторной бумажкой). Затем добавьте 2 капли раствора нитрата серебра. Что наблюдаете? Растворите полученный осадок в растворе аммиака, имея в виду, что этот процесс протекает по уравнению:

Ag₃PO₄ + 9NH₄OH = [Ag(NH₃)₂]OH + (NH₄)₃PO₄ + 6H₂O

Результаты эксперимента

Запишите уравнения 3 качественных реакций на фосфат-ион. Почему фосфат серебра растворяется в растворе аммиака?

Опыт 2

Получение фосфатов алюминия, бария и железа (III)

Оборудование и реактивы: штатив с пробирками. Растворы: сульфат алюминия, хлорид железа (III), ацетат натрия, гидрофосфат натрия (0,1 моль/л), соляной кислоты (2 моль/л).

Выполнение работы

В 2 пробирки внесите по 5 капель растворов сульфата алюминия, хлорида железа (III). В каждую добавьте 2-3 капли ацетата натрия, 10 капель гидрофосфата кальция. Что наблюдаете? Следует иметь в виду, что в растворах солей, буферированных ацетатом натрия, образуются средние соли:

Me³⁺ + HPO₄^2- + CH₃COO^- = MePO₄¯ + CH₃COOH

К содержимому каждой пробирки прибавьте 0,5 мл соляной кислоты. Что наблюдаете?

Результаты эксперимента

З апишите ионные и молекулярные уравнения химических реакций получения фосфатов алюминия и железа (III). Отметьте цвет образующихся осадков. Используя понятие произведения растворимости (ПР) соответствующими расчетами подтвердите результаты растворения фосфатов железа (III) и алюминия в соляной кислоте.

Опыт 3

Гидролиз соединений фосфора

Оборудование и реактивы: штатив с пробирками, стеклянная палочка. Растворы: фосфат натрия, гидрофосфат натрия и дигидрофосфат натрия (0,1 моль/л), соляной кислоты (2 моль/л), раствор аммиака (1моль/л), хлорид фосфора (V) и (III) (крист.), дистиллированная вода, молибденовая жидкость, индикаторная бумага, лакмусовая бумага.

Выполнение работы

а) Гидролиз кислых и средних фосфатов натрия. Поместите в три пробирки по 5 капель растворов фосфата натрия, гидрофосфата натрия и дигидрофосфата натрия и определите рН растворов с помощью индикаторной бумаги.

Результаты эксперимента

Объясните, в результате каких процессов растворы фосфата натрия, гидрофосфата натрия имеют щелочную реакцию, а раствор дигидрофосфата – кислую? Напишите ионные и молекулярные уравнения соответствующих химических реакций.

б) Гидролиз галогенидов фосфора (обязательно в вытяжном шкафу).

В пробирку поместите совсем маленькое количество хлорида фосфора (V) и добавьте 0,5 мл дистиллированной воды. Наблюдайте выделение газа. Поднесите к отверстию пробирки лакмусовую бумажку, смоченную водой и стеклянную палочку, смоченную раствором аммиака. Что наблюдаете? Действием молибденовой жидкости убедитесь, что в растворе образовалась фосфорная кислота. Повторите опыт с хлоридом фосфора (III).

Результаты эксперимента

Запишите уравнения химической реакции гидролиза галогенидов фосфора.

Тема 8. Переходные d-элементы. Хром и марганец

Контрольные вопросы и задачи

1. Запишите электронные формулы атомов хрома и марганца. Объясните, почему в основном состоянии атом хрома имеет электронную конфигурацию (n-1)d⁵ns¹, а не (n-1)d⁴ns².

2. Укажите сходство и различие в строении атомов элементов VIIA и VIIB подгрупп на примере хрома и марганца. Как это отражается на свойствах их оксидов и гидроксидов (кислот и оснований)?

3. Какие степени окисления характерны для атомов хрома, марганца? В рядах CrO – Cr₂O₃ –CrO₃, Cr(OH)₂ – Cr(OH)₃ –H₂CrO₄ укажите, как изменяются кислотно-основные и окислительно-восстановительные свойства соответствующих соединений.

4. Почему при растворении металлического хрома в соляной или разбавленной серной кислоте образуются растворы различной окраски в зависимости от того, проводится ли реакция в контакте с воздухом или в среде инертного газа?

5. Запишите уравнения химических реакций, соответствующих переходу:

MnO₄^- ® Mn²⁺, Cr₂O₇^2- ® Cr³⁺, CrO₄^2- ® CrO₂^-

6. Устойчив ли белый осадок Mn(OH)₂ во влажном состоянии к действию кислорода воздуха? Можно ли это обнаружить по какому-то внешнему признаку?

7. Запишите в ионной и молекулярной форме уравнение той реакции, которая обуславливает кислотность среды раствора KСr(SO₄)₂.

8. Почему комплексные анионы [MnCl₆]^2-₄ [CrCl₆]^2- имеют одинаковые магнитные свойства?

9. Какой минимальный объем раствора гидроксида натрия необходимо добавить к 100 мл раствора сульфата марганца (II), чтобы выпал осадок?

10. Вычислите объем бромной воды, необходимый для окисления 15,2 г хлорида железа (II) в кислом растворе, если в 100 г воды при температуре 20⁰С растворяется 3,6 г брома.

Примеры выполнения заданий

Пример 1. Напишите электронную формулу атома молибдена. Объясните близость атомных и ионных радиусов молибдена и вольфрама. Как это сказывается на химических свойствах атомов этих элементов?

Решение

Электронная формула атома молибдена 1s²2s² …..4d⁵5s¹. Как и у атома хрома, в этом атоме наблюдается «провал» 1 электрона (у атома молибдена 5s ® 4d, у атома хрома 4s ® 3d). Это объясняется тем, что электронная конфигурация 3d⁵, 4d⁵ устойчива. Близость радиусов атомов и ионов молибдена и вольфрама объясняется тем, что у последнего наблюдается лантаноидное сжатие. Именно поэтому химические свойства молибдена и вольфрама очень схожи.

Пример 2. В ряду MnO – MnO₂ – Mn₂O₇ укажите, как изменяются кислотно-основные и окислительно-восстановительные свойства соответствующих соединений.

Решение

Это оксиды марганца:

MnO – оксид марганца (II),

MnO₂ – оксид марганца (IV),

Mn₂O₇ – оксид марганца (VII).

1. Оксид марганца (II) имеет основные свойства:

t

MnO + 2HCl_(г) = MnCl₂ + H₂O_(г)

Обладает восстановительными свойствами: тонкоизмельченный – легко окисляется на воздухе.

2. Оксид марганца (IV) имеет амфотерные свойства. Однако основные и кислотные свойства у него выражены очень слабо:

MnO₂ + Ca(OH)₂ = CaMnO₃ + H₂O

Образуется манганат (IV) кальция.

MnO₂ + 4HCl = MnCl₂ + Cl₂ + 2H₂O, т.е. в данной химической реакции он проявляет окислительные свойства. Хотя в оксиде марганца (IV) промежуточная степень окисления марганца, окислительные свойства доминируют. Это сильный окислитель.

3. Оксид марганца (VII) обладает кислотными свойствами. При взаимодействии с водой образуется марганцовая кислота:

Mn₂O₇ + H₂O = 2HMnO₄

Это сильный окислитель. При соприкосновении с органическими веществами они воспламеняются.

Пример 3. Рассчитайте рН раствора соли - хлорида хрома (III), если ее концентрация 0,01 моль/л, а Kд₃Cr(OH)₃ = 1,02 x 10^-12

Решение

1. Ионное уравнение гидролиза хлорида хрома (III) (гидролиз протекает в основном по I ступени):

Cr³⁺ + H₂0 = CrOH²⁺ + H⁺

2. K г₁ = Kw / Kд₃(Cr(OH)₃ = 10^-14 / 1,02 x 10^-12 = 9,8 x 10^-3

[H⁺] = Ö Kг x C = Ö 9,8 x 10^-3 x 0,01 = 9,9 x 10^-3моль/л

рН = -lg[H⁺] = -lg 9,9 x 10^-3 = 3 – 0,9956 = 2,0044

Ответ. рН = 2,0044

Пример 4. Образуется ли осадок сульфида марганца (II) при сливании равных объемов нитрата марганца (II) и сульфида калия с одинаковой концентрацией 0,01 моль/л?

Дано Найти Формулы связи

C[Mn(NO₃)₂] = 0,01 моль/л С(Mn²⁺)xC(S^2-) =? ПР(AmBn)=[Aⁿ⁺]^m[B^m-]ⁿ

C(K₂S) = 0.01 моль/л

ПР (MnS) = 2,5x10^-13

Решение

1) При сливании растворов происходит химическая реакция:

Mn(NO₃)₂ + K₂S = MnS¯ + 2KNO₃;

Mn²⁺ + S^2- = MnS¯

2) Известно, что если произведение концентраций ионов марганца (II) и сульфид-ионов превышает значение произведения растворимости сульфида марганца (II), то происходит образование осадка:

C(Mn²⁺) x C(S^2-) > ПР (MnS) ПР (MnS) = 2,5x10^-13

3) До сливания растворов солей (сильных электролитов)

C[Mn(NO₃)₂] = C(Mn²⁺) = 0,01 моль/л, С(K₂S) = C(S^2-) = 0,01 моль/л

После сливания равных объемов растворов солей концентрации ионов уменьшается в 2 раза: С(Mn²⁺) = 0,005 моль/л.

4) Произведение концентраций ионов:

C(Mn²⁺) x C(S^2-) = 5 x 10^-3 = 2,5 x 10^-5 > ПР (MnS), следовательно, осадок сульфида марганца (II) при сливании указанных растворов солей образуется.

Ответ. При сливании растворов солей осадок сульфида марганца (II) образуется.

Пример 5. Вычислите массу иода, который выделится в реакции иодида калия с перманганатом калия в кислой среде. Объем раствора перманганата калия 0,3 л, ω = 6%, r = 1,04 г/см³.

Дано Найти Формулы связи

V(KMnO₄) = 0,3л m(I₂) =? m =Mν

ω(KMnO₄) = 6% ν = m/M

ρ(KMnO₄) = 1,04г/см³ m = Vρ

Решение

Схема уравнения химической реакции:

KJ + KМnO₄ + H⁺ ®?

MnO₄^- + 8H⁺ + 5e^- = Mn²⁺ + 4H₂O ½2

2J^- - 2e^- = J₂ ½5

2MnO₄^- + 16H⁺ + 10J^- = 2Mn²⁺ + 8H₂O + 5J₂

2KMnO₄ + 8H₂SO₄ + 10KJ = 2MnSO_{4 +} 5J₂ + 6K₂SO₄

2. Рассчитаем количество перманганата калия, участвующего в реакции:

m(р-ра) = 300 х 1,04 = 312 г

m(соли) = 312 х 0,06 = 18,72 г

n(соли)= 18,72 / 158 = 0,12 моль

3. По уравнению реакции

n(J₂) = 5 / 2 n(KМnO₄) = 5 x 0.12 / 2 = 0,3 моль

m(J₂) = 0,3 x 254 = 76,2 г

Ответ. m(J₂) = 76,2 г

Экспериментальная часть

Опыт 1

Восстановительные свойства соединений марганца (II)

Оборудование и реактивы: штатив с пробирками, водяная баня. Растворы: гидроксид натрия, сульфат марганца, серная кислота, нитрат серебра, персульфат аммония (С = 0,1 моль/л), бромная вода

Выполнение работы

а) Внесите в пробирку 2 капли раствора сульфата марганца (II) и 3 капли раствора гидроксида натрия и разделите содержимое на 2 пробирки. В первую пробирку к полученному осадку добавьте 5-6 капель бромной воды. Отметьте изменение цвета осадка в результате образования MnO₂ (через промежуточное образование марганцоватистой кислоты H₂MnO₃). Другую пробирку оставьте в штативе и наблюдайте постепенное изменение цвета осадка под действием кислорода воздуха.

Результаты эксперимента

Запишите уравнение реакции получения гидроксида марганца (II) и его взаимодействие с бромом и кислородом. Сильно ли выражены восстановительные свойства гидроксида марганца (II)? Может ли он быть окислителем в окислительно-восстановительных реакциях?

б) В пробирку внесите 2-3 капли раствора сульфата марганца (II), 5-6 капель раствора персульфата аммония и одну каплю серной кислоты. В качестве катализатора добавьте 2 капли раствора нитрата серебра. Содержимое погрейте на водяной бане. Наблюдайте изменение цвета раствора.

Результаты эксперимента

Напишите уравнение химической реакции, учитывая, что она протекает по схеме:

Mn²⁺ + S₂O₈^2- ® MnO₄^- + 2SO₄^2-

Опыт 2

Окислительные свойства перманганат-иона

Оборудование и реактивы: штатив с пробирками. Растворы: гидроксид натрия, серная кислота, сульфат марганца, перманганат калия, соль Мора

(С = 0,1 моль/л), этиловый спирт.

Выполнение работы

В три пробирки внесите по 3-4 капли раствора перманганата калия. В одну добавьте 2 капли серной кислоты, в другую – столько же воды, в третью – 3-4 капли раствора гидроксида натрия. Затем в первую пробирку добавьте соль Мора ((NH₄)₂SO₄ x FeSO₄ x 6H₂O) до обесцвечивания раствора. Во вторую – 3-4 капли раствора сульфата марганца (II). Что наблюдаете? В третью добавьте 3 капли этилового спирта. Наблюдайте постепенное восстановление перманганат-иона сначала до манганат-иона, а затем до оксида марганца (IV).

Результаты эксперимента

Запишите ионные и молекулярные уравнения окислительно-восстановительных реакций. Учесть, что в кислой, нейтральной и щелочной среде окислительно-восстановительная реакция протекает в соответствии со схемой:

РН < 7 MnO₄^- + Fe²⁺ ® Mn²⁺ + Fe³⁺

PH = 7 MnO₄^- + Mn²⁺® MnO₂

PH > 7 MnO₄^- + C₂H₅OH ® MnO₄^2- + CO₂ + H₂O ® MnO₂ + CO₂ + H₂O

12KМnO₄ + C₂H₅OH + 12KOH = 12K₂MnO₄ + 2CO₂ + 9H₂O

Опыт 3

Окислительные свойства катиона хрома (III)

Оборудование и реактивы: штатив с пробирками, металлический цинк. Растворы: серная кислота (конц.), сульфат хрома (Ш) (С = 0,1 моль/л), толуол; металлический цинк.

Выполнение работы

Налейте в пробирку 5-6 капель раствора сульфата хрома (III), добавьте такой же объем концентрированной серной кислоты и несколько крупинок металлического цинка. Одновременно внесите в пробирку 0,5 мл толуола в качестве защитного слоя от доступа кислорода к реагентам из воздуха. Наблюдайте изменение окраски раствора.

Результаты эксперимента

Запишите уравнение протекающей окислительно-восстановительной реакции. Какое вещество в данной хиической реакции является восстановителем? Оцените окислительную активность солей хрома (III).

Опыт 4

Получение малорастворимых хроматов

Оборудование и реактивы: штатив с пробирками. Растворы: гидроксид натрия, азотная кислота, нитрат серебра, бихромат калия (С = 0,1 моль/л),

Выполнение работы

В 2 пробирки налейте по 3-4 капли раствора бихромата калия, в одну из них внесите 5 капель раствора гидроксида калия. Что наблюдаете? Затем в каждую из пробирок внесите 2-3 капли раствора нитрата серебра. В первой пробирке (с хроматом калия) сразу образуется огненно-красный осадок хромата серебра. Во второй, с бихроматом калия, сначала образуется красно-бурый осадок бихромата серебра. Однако он неустойчив и разлагается:

Ag₂Cr₂O₇ = Ag₂CrO₄ + CrO₃

В обе пробирки прилейте несколько капель азотной кислоты и наблюдайте процесс растворения осадков. Объясните этот процесс растворения, пользуясь понятием произведения растворимости.

Результаты эксперимента

Напишите уравнение реакции перехода бихромат-иона в хромат-ион в щелочной среде, химические реакции образования труднорастворимых осадков хромата и бихромата серебра. Используя значения произведения растворимости этих веществ, сопоставьте их растворимость.

Процесс растворения осадков в азотной кислоте проиллюстрируйте соответствующими расчетами.

Приложение

Таблица 1.

Дата добавления: 2015-07-18