Работа 6. Окислительно-восстановительные реакции с участием р-элементов (неметаллов) V, VI, VII групп Периодической системы

Галогены – элементы VII группы. В свободном состоянии проявляют сильные окислительные свойства. Возможные степени окисления хлора, брома, иода в соединениях от -1 (галогеноводороды, галогениды) до +7.

Сера – элемент VI группы. Проявляет в соединениях преимущественно степени окисления -2, +4, +6 (реже +2).

Азот – элемент V группы. Проявляет весь набор степеней окисления от ‑3 до +5, образуя большую группу соединений с кислородом или водородом.

Соединения элементов с низшими степенями окисления в окислительно-восстановительных реакциях проявляют только восстановительные свойства (типичные восстановители): хлориды, бромиды, иодиды, сульфиды, NH₃.

Соединения с высшими степенями окисления элементов являются типичными окислителями: HСlO₄, KIO₄, HNO₃, H₂SO_{4 (конц.)} (реакции взаимодействия металлов с азотной и серной кислотами рассмотрены в работе 7).

Соединения, в которых элементы имеют промежуточные степени окисления, обладают о.-в. двойственностью и проявляют либо окислительную, либо восстановительную способность относительно второго участника реакции.

Задание 1. Реакции с участием типичных восстановителей

(галогенидов, сульфидов, аммиака)

Задание 1.1. Получение хлора из соляной кислоты

Хлорид-ионы можно окислить до элементарного хлора только очень сильными окислителями. Объясните, почему?

В пробирку поместите несколько кристалликов какого-либо окислителя: а) диоксида марганца MnO₂, б) диоксида свинца PbO₂, в) бихромата калия K₂Cr₂O₇, г) перманганата калия KMnO₄. Добавьте 3-5 капель концентриро­ванной соляной кислоты. Осторожно подогрейте пробирку (кипятить не обязательно). Докажите, что в ходе реакции выделяется хлор, во-первых, по запаху, во-вторых, используя иодкрахмальную бумагу (бумагу, пропитанную растворами KI и крахмала). Для этого смочите бумажку дистиллированной водой и поднесите ее к отверстию пробирки. Объясните наблюдаемое изменение цвета бумажки. При составлении уравнения реакции учтите, что окислители восстанавливаются до ионов Mn²⁺, Cr³⁺, Pb²⁺ (в виде труднорастворимой соли PbCl₂).

Задание 1.2. Свойства сульфидов

В пробирку внесите 5 капель одного из следующих растворов: а) перманганата калия, б) бихромата калия, в) хлорида железа (III), г) бромной воды Br₂, д) спиртового раствора иода I₂. Подкислите раствор 2-3 каплями разбавленной соляной или азотной кислот. Приливайте по каплям раствор сульфида натрия до изменения цвета раствора. Запишите наблюдаемые явления. Имейте в виду, что в ходе реакции сульфид-ионы окисляются либо до коллоидной серы (раствор мутнеет), либо до сульфат-ионов, наличие которых можно доказать качественной реакцией с хлоридом бария. Учтите, что восстановленные ионы Fe²⁺ с сульфид-ионами образуют осадок FeS черного цвета.

Задание 1.3. Восстановительные свойства аммиака

В пробирку внесите 2-3 капли бромной воды (Br₂) и 1-2 капли концентрированного раствора аммиака. Наблюдайте изменение окраски раствора. Напишите уравнение реакции, учитывая, что аммиак окисляется бромом до свободного азота.

Задание 2. Реакции с участием типичных окислителей

Задание 2.1. Сравнительная активность свободных галогенов

В две пробирки внесите по 2-3 капли раствора иодида калия. В первую пробирку добавьте 1 см³ хлорной воды Cl₂, во вторую – 3-5 капель бромной воды Br₂. Выделившийся иод экстрагируйте в органическую фазу, для чего в каждую пробирку внесите 5-6 капель четыреххлористого углерода СС1₄ и хорошо встряхните содержимое пробирок. Оставьте пробирки в спокойном состоянии до полного расслоения фаз. Обратите внимание на изменение цвета органической фазы – это цвет сольватированных молекул иода.

В третьей пробирке проведите аналогичную реакцию бромида натрия (бромида калия) с хлорной водой и экстрагируйте выделившийся бром четыреххлористым углеродом СС1₄. Отметьте цвет сольватированных молекул брома в органическом растворителе.

Приведите значения потенциалов E⁰ (Г₂/2Г^-) и обоснуйте утверждение, что более легкие галогены вытесняют более тяжелые из их солей. Объясните хорошую растворимость брома и иода в органическом растворителе.

Задание 2.2. Взаимодействие иода с алюминием

В фарфоровой чашке тщательно разотрите смесь кристаллического иода и порошка алюминия и добавьте нескольких капель горячей воды. Реакция окисления алюминия иодом протекает бурно с выделением большого количества тепла и сопровождается возгонкой I₂ (фиолетовые пары). Какой цвет имеет образующийся иодид алюминия? Какую роль играет вода? Напишите уравнение реакции.

Задание 2.3. Окисление хрома (III) до хрома (VI) кислородными соединениями галогенов

Хром (III) легко окисляется в щелочной среде, образуя хромат-ионы CrO₄^2- желтого цвета. В кислой среде хром (III) окисляется до бихромат-ионов Cr₂O₇^2- оранжевого цвета только очень сильными окислителями в присутствии катализатора. Приведите значения E⁰(Cr₂O₇^2-/2Cr³⁺), E⁰(CrO₄^2-/Cr(OH)₄^-) и оцените восстановительную способность хрома(III) в кислой и щелочной средах.

Поместите в пробирку 2 капли раствора соли хрома (III), прилейте 1 см³ дистиллированной воды. Добавляйте по каплям разбавленный раствор щелочи, наблюдая образование осадка гидроксида хрома и последующее его растворение в избытке щелочи с образованием гидроксокомплекса хрома Cr(OH)₄^- изумрудно-зеленого цвета. Добавьте к полученному раствору окислитель: а) несколько кристалликов периодата калия KIO₄, б) 1-2 см³ раствора гипохлорита натрия NaCIO, в) 1-2 см³ раствора гипобромита натрия NaBrO (см. примечание). Наблюдайте изменение окраски раствора из зеленой (Cr(OH)₄^-) в желтую (CrO₄^2-). Если реакция идет медленно, нагрейте пробирку. Наличие хромат-ионов докажите качественной реакцией – получением осадка хромата бария.

Примечание. Приготовление раствора гипобромита натрия: налейте в пробирку 1 см³ бромной воды и добавляйте по каплям разбавленный раствор щелочи до обесцвечивания раствора.

Задание 2.4. Взаимодействие иодата KIO₃ и иодида калия KI (реакция конмутации)

Налейте в пробирку 5-6 капель раствора иодата калия и добавьте 1 каплю раствора иодида. Идет ли реакция? Подкислите раствор разбавленной серной кислотой. Какое вещество образуется в ходе реакции? Сравните значения Е⁰ (IO₃^-/I₂) в различных средах. Сделайте вывод о том, какая среда благоприятствует протеканию данной реакции.

Задание 3. Соединения, обладающие о.-в. двойственностью

Задание 3.1. Взаимодействие сульфита натрия Na₂SO₃ с бромом или иодом

Поместите в пробирку а) 3-5 капель бромной воды, б) 3-5 капель спиртового раствора иода. Прилейте по каплям раствор сульфита натрия до обесцвечивания исходного раствора. Разделите полученный раствор на две пробирки и добавьте в одну 2 капли нитрата серебра, в другую – 2 капли хлорида бария. Об образовании каких ионов свидетельствуют выпавшие осадки? Какие о.-в. свойства проявляют сульфит-ионы в этих реакциях?

Задание 3.2. Взаимодействие сульфита Na₂SO₃ и сульфида натрия Na₂S (реакция конмутации)

Налейте в пробирку несколько капель раствора сульфита натрия, прибавьте равный объем сульфида. Идет ли реакция? Подкислите раствор соляной кислотой. Образование какого вещества приводит к помутнению раствора? Какие о.-в. свойства проявляют сульфит-ионы в реакции с сульфидом? Сравните значения Е⁰ (SO₃^2-/S) в различных средах. Сделайте вывод о том, какая среда благоприятствует протеканию данной реакции.

Задание 3.3. Взаимодействие сульфита натрия Na₂SO₃ или нитрита натрия NaNO₂ с бихроматом калия

Налейте в пробирку 3-5 капель раствора бихромата калия, подкислите 1 см³ раствора разбавленной серной кислоты и добавьте 1 см³ раствора соли: а) сульфита натрия, б) нитрита натрия. Слегка подогрейте содержимое пробирки. Наблюдайте изменение цвета раствора из желто-оранжевого в зеленый, характерный для солей хрома (III).

Какие о.-в. свойства проявляют сульфит- и нитрит-ионы в этих реакциях?

Задание 3.4. Взаимодействие нитрита KNO₂ (или NaNO₂) с иодидом калия KI или сульфидом натрия Na₂S

Налейте в пробирку 3-5 капель нитрита KNO₂ (или NaNO₂), добавьте равный объем разбавленной соляной кислоты для подкисления раствора и 2‑3 капли раствора а) иодида калия, б) сульфида натрия.

Чем вызвано изменение окраски раствора при добавлении иодида калия? Напишите уравнение реакции, учитывая, что нитрит-ионы восстанавливаются до оксида азота (II).

В реакции с сульфидом натрия возможно образование сульфат-ионов, либо коллоидной серы (раствор мутнеет). Наличие сульфат-ионов можно доказать качественной реакцией с солью бария.

Какие свойства проявляют нитрит-ионы в этих о.-в. реакциях?

Задание 3.5. Взаимодействие монооксида азота NO с перманганатом калия

В одну пробирку налейте 1 см³ разбавленного раствора перманганата калия (слаборозового цвета) и подкислите его разбавленной серной кислотой. В другую пробирку поместите небольшое количество медной стружки, налейте разбавленной азотной кислоты и подогрейте до начала реакции образования NO. Вставьте в нее газоотводную трубку. Продолжайте нагревание пробирки с медной стружкой и одновременно погрузите газоотводную трубку в раствор перманганата калия. Наблюдайте исчезновение розовой окраски перманганата.

Какие свойства проявляет монооксид азота в этой реакции? Напишите уравнения реакций, протекающих в обеих пробирках. Какой газ бурого цвета образуется при контакте монооксида азота с воздухом? Исходя из строения молекулы монооксида азота, объясните его неустойчивость на воздухе.

Задание 4. Участие среды (Н⁺ и ОН^--ионов) в о.-в. реакциях. Восстановление перманганата калия нитритом или сульфитом в различных средах

Продукты восстановления перманганата калия зависят от кислотности раствора. В кислой среде ионы перманганата восстанавливаются до ионов Mn²⁺ (бесцветные), в нейтральной среде образуется труднорастворимый оксид MnO₂ (коричневый), а в щелочной – ионы манганата MnO₄^2- (зеленого цвета). Ионы манганата очень неустойчивы и легко восстанавливаются до MnO₂.

В три пробирки налейте по 1 см³ разбавленного раствора перманганата калия. Создайте определенную среду: в первую пробирку добавьте равный объем разбавленного раствора серной кислоты, во вторую не добавляйте ничего (нейтральная среда), в третью прилейте 1-2 см³ разбавленного раствора щелочи. В каждую пробирку внесите 3-5 капель раствора: а) нитрита NaNO₂ или KNO₂, б) сульфита Na₂SO₃. Наблюдайте за изменением цвета раствора перманганата. Напишите уравнения реакций.

Таблица 5

Индивидуальные задания к лабораторной работе 6

Вари- ант	Выполнить экспериментально следующие задания					Составить уравнения реакций (без их выполнения)
1	1.1а	2.2	2.3в	3.1б	4а	1.3	3.2	3.3а	3.5
2	1.2в	2.1	2.2	3.3б	4б	1.1б	2.3б	3.2	3.4а
3	1.2д	2.2	2.3б	3.4а	4а	1.1а	2.4	3.1а	3.5
4	1.1в	2.2	2.4	3.5	4б	1.2в	2.3в	3.3б	3.4а
5	1.2а	2.1	2.2	3.4а	4а	1.1в	2.3а	3.1б	3.2
6	1.3	2.2	2.3а	3.3б	4б	1.1б	2.4	3.4б	3.5
7	1.2б	2.2	2.4	3.5	4б	1.3	2.3в	3.1а	3.4а
8	1.1г	2.2	2.3а	3.2	4а	1.1б	3.4б	3.1б	3.5
9	1.1в	2.1	2.2	3.4б	4б	1.3	2.3б	3.2	3.3б
10	1.2г	2.2	2.4	3.3а	4а	1.1а	2.3в	3.4б	3.5
11	1.1б	2.2	2.3б	3.4б	4б	1.2в	3.2	3.1а	3.3б
12	1.2в	2.1	2.2	3.3а	4а	1.1а	2.3а	2.4	3.4а