методичка d- и f-элементы
.pdf31
W+ 6K3[Fe(CN)6] + 8KOH = 6K4[Fe(CN)6] + K2WO4 + 4H2O
Ссолями железа(II) K3[Fe(CN)6] образует осадок синего цвета («турнбулева синь»):
FeCl2 + K3[Fe(CN)6] = KFe[Fe(CN)6] + 2KCl
Реакции образования «берлинской лазури» и «турнбулевой сини» используются в ана-
литической практике как качественные реакции на ионы железа(III) и (II).
Железо образует комплексные соединения, например соль Мора (NH4)2Fe(SO4)2·6H2O,
квасцы общей формулы MeFe(SO4)2·12H2O, которые в растворе полностью ионизированы.
Кобальт(II) и никель(II) чрезвычайно склонны к образованию комплексных соединений с координационными числами 4 и 6: Ni(CO)4, K2[Ni(CN)4], H2[CoCl4], [Co(H2O)6]Cl2, [Ni(NH3)6]Cl2, и другие.
Кобальт(III) образует прочные связи с лигандами, содержащими донорный атом азота
(аммиак, этилендиамин, тиоцианат-ион и другие). Так, ион гексааминкобальт(II) легко окис-
ляется в растворе кислородом воздуха в более устойчивый ион гексааминкобальт(III): 4[Co(NH3)6]С12 + 2H2O + O2 = 4[Co(NH3)6](ОН)Cl2
Для качественного и количественного определения никеля(II) применяется реакция с реактивом Чугаева (этанольный раствор диметилглиоксима), в результате которой образуется диметилглиоксимат никеля — осадок малинового цвета:
|
|
|
|
|
|
O- |
HO |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
··· |
|
|
|
|
H3C |
N |
|
|
H3C |
N |
N |
|
|
CH3 |
|
C |
OH |
|
|
C |
C |
+ 2 NH4+ |
||||
2 |
|
+ |
Ni2+ + 2 NH3 |
|
|
|
Ni2+ |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
C |
OH |
|
|
C |
N |
N |
C |
|
||
H3C |
N |
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
H3C |
|
|
|
|
CH3 |
|||
|
|
|
|
|
OH···O- |
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Химические свойства металлов платиновой группы. Наибольшее сходство в хими-
ческих свойствах платиновых металлов наблюдается в диадах.
Сплавлением порошкообразных Ru и Os со щелочами в присутствии окислителей мож-
но получить осматы и рутенаты:
Э + KClO3 + 2KOH = K3ЭO4 + KCl + H2O
При нагревании эти металлы довольно легко образуют оксиды RuO2 и OsO4. Оксид ос-
мия(VIII) может быть получен и при окислении осмия дымящей азотной кислотой:
Os + 8HNO3 = OsO4 + 8NO2 + 4H2O
32
Медленное окисление порошкообразного осмия до OsO4 происходит на воздухе даже при комнатной температуре, что придает металлу характерный запах (отсюда название эле-
мента — «пахучий»).
Родий и иридий можно перевести в растворимое состояние сплавлением порошкообраз-
ных металлов с гидросульфатом калия:
2Rh + 12KHSO4 = Rh2(SO4)3 + 3SO2 + 3K2SO4 + 6H2O Ir + 4KHSO4 = IrO2 + K2SO4 + 2SO2 + 2H2O,
а также с хлоридами щелочных металлов в присутствии хлора:
2Rh + 6KCl + 3Cl2 = 2K3[RhCl6] Ir + 2NaCl + 2Cl2 = Na2[IrCl6]
Родиевая чернь (мелкодисперсный металл) растворяется при нагревании в «царской водке» и соляной кислоте, насыщенной кислородом или хлором:
4Rh + 24HCl +3O2 = 4H3[RhCl6] + 6H2O
Аналогичное поведение характерно для иридия.
Палладий относительно легко растворим в «царской водке», а также в горячих концен-
трированных азотной и серной кислотах:
3Pd + 8HNO3 = 3Pd(NO3)2 + 2NO + 4H2O
Платину можно перевести в растворимое состояние действием «царской водки» или со-
ляной кислоты, насыщенной хлором, при этом образуется гексахлоридоплатинат(IV) водоро-
да (хлороплатиновая кислота):
3Pt + 4HNO3 + 18HCl = 3H2[PtCl6] + 4NO + 8H2O
С кислородом палладий и платина не взаимодействуют.
Биологическая роль d-элементов группы VIII и применение их соединений в меди-
цине и фармации. Соединения железа — основные катализаторы дыхательных процессов. В
биологических системах в зависимости от связанного с ним лиганда железо находится в двухили трехвалентном состоянии. В человеческом организме содержится 6–10–3 % железа
(4–5 г). Большая часть железа входит в состав гемоглобина. Необходимое количество железа
(5–10 мг в день) человек получает с растительной и мясной пищей. Недостаток железа в ор-
ганизме приводит к анемии. Следует помнить, что растворимые соединения железа токсич-
ны, особенно соли железа(II).
33
Биологическая роль кобальта связана с кроветворением. Установлено, что при добавле-
нии соединений кобальта в пищу животных повышается содержание гемоглобина. Кобальт входит в состав витамина В12 (C63H90CoN14O14P), который стимулирует рост и кроветворение,
созревание эритроцитов и т. д. Недостаток витамина B12 вызывает злокачественную анемию.
В больших количествах кобальт токсичен.
Биологическая роль никеля и платиновых металлов в организме до конца не выяснена.
Токсичность соединений никеля незначительна. Известно, что соединения платины обладают сильным аллергическим действием (вызывают астму, дерматиты, экземы). Оксид рутения(VIII) очень токсичен, а летучий OsO4 опасен для глаз.
Для лечения анемий применяют препараты «Ферамид» и «Коамид» — комплексные со-
единения FeCl3 и CoCl2,соответственно, с амидом никотиновой кислоты; «Гематоген» — бел-
ковый препарат из крови крупного рогатого скота; железо восстановленное, витамин B12 и др.
Кобальт в виде радиоактивного изотопа 60Со используют в медицине для лечения злока-
чественных опухолей.
Из платины и ее сплавов изготавливают хирургические инструменты, применяемые в полевых условиях. Платиново-иридиевые сплавы используют для изготовления сердечных электростимуляторов.
Некоторые комплексные соединения платиновых металлов проявляют антимикробную и противоопухолевую активность. Анионные комплексы платины, например [PtCl6]2–, оказы-
вают бактерицидное действие, а некоторые нейтральные комплексы приостанавливают деле-
ние клеток. Установлено, что наибольшей противоопухолевой активностью обладают цис-
комплексы платины(II), например цис-[Рt(NH3)2С12].
Водные растворы OsO4 применяют в гистологических исследованиях для окрашивания препаратов (препараты окрашиваются при восстановлении бледно-желтого OsO4 до черного
OsO2).
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА «ЖЕЛЕЗО»
Опыт 1. Взаимодействие железа с кислотами
34
В три пробирки поместить по 4–5 капель растворов соответственно хлороводородной,
серной и азотной кислот (c = 1 моль/л). В каждую пробирку добавить по кусочку стружки железа. Если реакция протекает медленно, пробирку осторожно нагреть на пламени спиртов-
ки. Наблюдать происходящие явления. В каждую пробирку добавить по 1 капле раствора тиоцианата аммония (раствор, содержащий азотную кислоту, предварительно разбавить во-
дой для предотвращения окисления NH4SCN). Написать уравнения реакций. Аналогично провести реакцию железа с концентрированной серной кислотой и написать уравнение реак-
ции.
Fe + HCl(разб.)
Fe + H2SO4(разб.)
Fe + HNO3(разб.)
Fe + H2SO4(конц.) нагрев
Опыт 2. Гидроксиды железа(II) и железа(III)
1. Получение гидроксида железа(II) и исследование его свойств. В пробирку поме-
стить 1 микрошпатель сульфата железа(II), 5–6 капель воды и перемешать. К полученному раствору добавить 2–3 капли раствора гидроксида калия (натрия) (c = 2 моль/л). Отметить цвет образующегося осадка и его изменение во времени. Написать уравнения реакций полу-
чения гидроксида железа(II) и его окисления кислородом воздуха.
FeSO4 + KOH
Fe(OH)2 + O2 + H2O
2. Получение гидроксида железа(III) и исследование его свойств. В три пробирки поместить по 2 капли раствора соли Fe(III) (c = 0,2 моль/л). Добавить в каждую пробирку 1–2
капли раствора гидроксида калия или натрия (c = 2 моль/л). Отметить цвет образующегося осадка. В одну пробирку добавить несколько капель раствора хлороводородной кислоты (c = 2 моль/л), во вторую — несколько капель раствора гидроксида калия или натрия (c = 2 моль/л). В какой пробирке происходит растворение осадка? Содержимое третьей пробирки перенести в тигель, выпарить досуха и сплавить с карбонатом натрия или гидроксидом
35
натрия. Сохранить тигель с полученным ферритом натрия для опыта 3.2. Написать уравнения реакций. Какими свойствами обладает Fe(OH)3?
FeCl3 + KOH
Fe(OH)3 |+ HCl(разб.)
Fe(OH)3 |+ KOH(разб.)
Fe(OH)3 |+ KOH(крист.) нагрев
Опыт 3. Гидролиз солей железа
1.Гидролиз сульфата железа(II). В пробирку поместить 1 микрошпатель FeSO4·7H2O
и2–3 капли воды. С помощью универсальной индикаторной бумаги определить реакцию среды в полученном растворе. Написать уравнение гидролиза FeSO4 в молекулярном и ион-
ном виде. Как можно усилить гидролиз соли?
FeSO4 + H2O
2. Гидролиз солей железа(III). В две пробирки поместить по 1 микрошпателю хлорида железа(III) и по 2–3 капли воды. С помощью универсальной индикаторной бумаги опреде-
лить реакцию среды в полученных растворах. Одну из пробирок нагреть, наблюдать измене-
ние окраски раствора при нагревании. Написать уравнения реакций гидролиза FeCl3 в моле-
кулярном и ионном виде при комнатной температуре и при нагревании. Как влияет нагрева-
ние раствора на степень гидролиза соли?
FeCl3 + H2O нагрев
Феррит натрия, полученный в опыте 2.2, растворить в нескольких каплях воды. Наблю-
дать образование гидроксида железа(III). Написать уравнение реакции гидролиза феррита натрия. Какие соли железа(III) (катионные или анионные) более устойчивы в растворе? На основании проделанного опыта и результатов опыта 2.2 сделать вывод о кислотно-основных свойствах гидроксида железа(III).
NaFeO2 + H2O
36
Опыт 4. Действие сульфида водорода и сульфида аммония (натрия) на соли железа(II)
и железа(III)
1. Получение сульфида железа(II). В две пробирки поместить по 2–3 кристалла суль-
фата железа(II) и по 1–2 капли воды. В одну пробирку добавить 1–2 капли сероводородной воды, а в другую — столько же капель раствора сульфида аммония (натрия). В какой из про-
бирок выпадает осадок FeS? Проверить растворимость FeS в разбавленных растворах хлоро-
водородной и серной кислот. Написать уравнения реакций. Объяснить, почему FeS не оса-
ждается в кислой среде.
FeSO4 + H2S
FeSO4 + Na2S
FeS + HCl
FeS + H2SO4
2. Действие сульфида водорода и сульфида аммония (натрия) на соли железа(III). В
две пробирки поместить по 2–3 капли раствора хлорида железа(III) (c = 0,2 моль/л). В одну из них добавить 1–2 капли раствора сульфида аммония (натрия), а в другую — 1–2 капли серо-
водородной воды. Отметить цвет осадков. Написать уравнения реакций.
FeCl3 + H2S
FeCl3 + Na2S
Опыт 5. Качественные реакции на ионы Fe2+ и Fe3+
1. Действие на соли железа(II) гексацианидоферрата(III) калия. В пробирку поме-
стить 1–2 кристалла соли железа(II) и 1–2 капли воды, добавить 1 каплю раствора гексациа-
нидоферрата(III) калия (c = 0,2 моль/л). Отметить цвет образовавшегося осадка (турнбулева синь). Турнбулева синь и берлинская лазурь идентичны и имеют формулу KFe[Fe(CN)6].
Написать уравнение реакции.
FeSO4 + K3[Fe(CN)6]
37
2. Действие на соли железа(III) гексацианидоферрата(II) калия. В пробирку поме-
стить 2–3 капли раствора хлорида железа(III) (c = 0,2 моль/л) и добавить 1 калю раствора гек-
сацианидоферрата(II) калия. Отметить цвет образовавшегося осадка (берлинская лазурь).
Написать уравнение реакции.
FeCl3 + K4[Fe(CN)6]
3. Действие на соли железа(III) тиоцианата аммония (или калия). В пробирку поме-
стить 1–2 капли раствора хлорида железа(III) (c = 0,2 моль/л) и добавить 1 каплю раствора тиоцианата аммония (калия) (c = 0,01 моль/л). Чем вызвано появление красной окраски рас-
твора? Написать уравнение реакции.
FeCl3 + NH4NCS
Опыт 6. Комплексные соединения железа
1. Получение комплексного фосфата железа(III). В пробирку поместить 2–3 капли раствора хлорида железа(III) (c = 0,2 моль/л), добавить 1 каплю раствора тиоцианата аммония
(c = 0,01 моль/л). К раствору красного цвета добавить 2 капли раствора ортофосфорной кис-
лоты (c = 1 моль/л). Наблюдать обесцвечивание раствора. Написать уравнения реакций, учи-
тывая, что образуется комплексный ион [Fe(PO4)2]3–.
FeCl3 + NH4NCS
Fe(NCS)3 + H3PO4
2. Получение комплексного фторида железа(III). В пробирку поместить 3–4 капли раствора хлорида железа(III), добавить 1 каплю раствора тиоцианата аммония и затем 2 капли раствора фторида натрия (c = 2 моль/л). Как изменилась окраска раствора? Написать уравне-
ния реакций, учитывая, что образуется комплексный ион [FeF6]3–.
FeCl3 + NH4NCS
Fe(NCS)3 + NaF
38
3. Исследование прочности комплексных ионов железа(II) и железа(III). В две про-
бирки поместить по 2–3 капли растворов соответственно гексацианидоферрата(II) калия (c = 0,25 моль/л) и гексацианидоферрата(III) калия и добавить в каждую пробирку по 2–3 капли раствора гидроксида натрия (c = 2 моль/л). Выпадают ли в осадок гидроксиды железа(II) и
железа(III)? Сделать заключение о прочности исследуемых комплексных ионов.
Опыт 7. Восстановительные свойства соединений железа(II)
1. Восстановление азотной кислоты. В две пробирки поместить по 2–3 кристалла соли железа(II) и по 1–2 капли воды. В одну из них добавить 1 каплю концентрированного раство-
ра азотной кислоты, нагреть раствор до прекращения выделения газа и затем охладить его.
Вторую пробирку оставить для сравнения. Затем в обе пробирки добавит по 1–2 капли рас-
твора тиоцианата аммония (c = 0,01 моль/л). В какой из пробирок появляется красное окра-
шивание раствора и почему? Написать уравнение реакции сульфата железа(II) с концентри-
рованной азотной кислотой.
FeSO4 + HNO3(конц.) нагрев
2. Восстановление пероксида водорода. В две пробирки поместить по 2–3 кристалла соли железа(II) и 1–2 капли воды. В одну из них добавить 1–2 капли раствора серной кислоты
(c = 2 моль/л) и 2 капли 3%-ного раствора пероксида водорода. Затем в обе пробирки доба-
вить по 1–2 капли раствора тиоцианата аммония (c = 0,01 моль/л). В какой из пробирок появ-
ляется красное окрашивание раствора и почему? Провести реакцию восстановления перокси-
да водорода солью железа(II) в щелочной среде. Что наблюдается в этом случае?. Написать уравнения реакций восстановления пероксида водорода солью железа(II) в кислой и щелоч-
ной средах.
FeSO4 + H2O2 + H2SO4
FeSO4 + H2O2 + KOH
3. Восстановление бромной воды. В пробирку поместить 2–3 капли бромной воды и по каплям добавлять свежеприготовленный раствор соли Fe(II) до обесцвечивания раствора.
Написать уравнение реакции.
39
FeSO4 + Br2
Пользуясь значениями стандартных электродных потенциалов окислительно-
восстановительных систем Fe3+/Fe2+, Cl2/2Cl–, Br2/2Br–, I2/2I–, сделать вывод: можно ли окис-
лить ион Fe2+ иодной водой и хлорной водой?
Опыт 8. Окислительно-восстановительные свойства соединений железа(III)
1. Окислительные свойства соединений железа(III). В пробирку поместить 3–4 капли раствора хлорида железа(III) (c = 0,2 моль/л) и добавить несколько кристаллов сульфита натрия (не допускать избытка Na2SO3). Вначале образуется малоустойчивый сульфит железа(III), вследствие чего раствор окрашивается в буро-красный цвет, но при нагревании окраска исчезает. С помощью качественных реакций (см. опыт 5) доказать наличие в раство-
ре иона Fe2+. Написать уравнения реакций.
FeCl3 + Na2SO3 + H2O
2. Восстановительные свойства соединений железа(III). В пробирку поместить не-
сколько кусочков измельченного гидроксида калия, добавить 3–4 капли насыщенного рас-
твора хлорида железа(III) и пропускать через раствор при нагревании хлор до образования фиолетовой окраски (получение хлора см. работу «Галогены»). Написать уравнение реакции.
Полученный раствор феррата калия сохранить для опыта 9.
FeCl3(насыщ.)+ Cl2(газ)+ KOH(крист.)
Опыт 9. Соединения железа(VI)
Раствор феррата калия, полученный в опыте 8.2, перенести в три пробирки. В одну про-
бирку добавить 1–2 капли раствора хлорида бария (c = 0,25 моль/л), в другую — разбавлен-
ного раствора серной кислоты, в третью — раствора сульфида натрия. Наблюдать изменения,
происходящие в растворах. Написать уравнения реакций. В какой среде устойчивы ферраты?
Какие свойства они проявляют в окислительно-восстановительных реакциях?
K2FeO4 + BaCl2
40
K2FeO4 + H2SO4(разб.)
K2FeO4 + Na2S + H2O
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА «КОБАЛЬТ. НИКЕЛЬ»
Опыт 1. Взаимодействие кобальта и никеля с кислотами
В три пробирки внести по маленькому кусочку кобальтовой стружки и прилить по 2–3
капли соответственно раствора серной, хлороводородной и азотной кислот (c = 1 моль/л). Что наблюдается при нагревании растворов? Отметить цвет получающихся растворов. Написать уравнения реакций. Провести аналогичные опыты с никелевой стружкой. Отметить цвет по-
лученных растворов и написать уравнения реакций.
Co + HCl(разб.)
Co + H2SO4(разб.)
Co + HNO3(разб.)
Ni + HCl(разб.)
Ni + H2SO4(разб.)
Ni + HNO3(разб.)
Опыт 2. Оксиды и гидроксиды кобальта(II), никеля(II), кобальта(III) и никеля(III)
1. Получение и свойства оксида кобальта(III). В тигель поместить 2–3 кристалла нит-
рата кобальта(II) и осторожно нагреть (под тягой) до прекращения выделения газов. Отме-
тить цвет оксида Co(III). Охладить тигель, перенести полученный порошок в пробирку и до-
бавить 1–2 капли концентрированного раствора хлороводородной кислоты. Проверить дей-
ствие выделяющегося газа на иодкрахмальную бумагу. Отметить цвет полученного раствора.
Написать уравнения реакций.
Co(NO3)2 нагрев