Работа 7. Свойства металлов (s-, p-, d-элементов)

Задание 1. Взаимодействие металлов с водой и щелочами

Взаимодействие металлов с водой и щелочами – это процесс окисления металлов ионами водорода воды:

2Me + 2nH₂O = 2Me(OH)_n + nH₂.

С водой способны реагировать металлы, имеющие значения стандартных потенциалов E⁰(Meⁿ⁺/Me) менее -0,41 B (электродный потенциал системы 2H⁺/H₂ в нейтральной среде). Для многих даже активных металлов процесс взаимодействия затруднен из-за наличия прочных оксидных пленок на поверхности металла, а также вследствие образования труднорастворимых гидроксидов.

Задание 1.1. Взаимодействие металлического магния с водой

В пробирку налейте 1 см³ воды и опустите в нее стружку магния. Взаимодействует ли магний с холодной водой? Нагрейте пробирку пламенем спиртовки и наблюдайте выделение пузырьков водорода. Заметное взаимодействие магния с водой при нагревании обусловлено увеличением растворимости Mg(OH)₂ (ПР зависит от температуры).

Слегка охладите пробирку и прибавьте 1-2 капли фенолфталеина. О чем свидетельствует окраска индикатора? Напишите уравнение реакции растворения магния в воде.

Аккуратно слейте окрашенный раствор таким образом, чтобы стружка магния осталась в пробирке. Внесите в пробирку несколько кристалликов хлорида аммония NH₄C1 и налейте 1 см³ воды. Наблюдайте бурное взаимодействие металла с водой.

Хлорид аммония растворяет пленку гидроксида магния:

Mg(OH)₂ + 2NH₄C1 = MgC1₂ + 2NH₃H₂O

В результате этой реакции образуется гидрат аммиака – основание более слабое, чем Mg(OH)₂, поэтому равновесие сдвигается вправо, пленка гидроксида магния растворяется и не препятствует реакции магния с водой.

Задание 1.2. Взаимодействие алюминия с водой и щелочами

Налейте в пробирку 1 см³ воды, опустите в нее гранулу алюминия и убедитесь в том, что реакция не идет ни при комнатной температуре, ни при нагревании. Объясняется это тем, что поверхность алюминия пассивирована, пленкой оксида.

Добавьте в пробирку 1 см³ щелочи и наблюдайте через некоторое время выделение водорода на поверхности алюминия. Щелочь способствует растворению амфотерного оксида и гидроксида алюминия, обеспечивая доступ воды к металлу. Алюминий активно окисляется водородными ионами воды:

A1₂O₃ + NaOH + H₂O  Na[A1(OH)₄]

A1 + H₂O  A1(OH)₃ + H₂

A1(OH)₃ + NaOH  Na[A1(OH)₄]

A1 + NaOH + H₂O  Na[A1(OH)₄] + H₂

Составьте уравнения данных реакций.

Оксидная пленка на поверхности алюминия механически разрушается амальгамой, образующейся под пленкой при взаимодействии металлического алюминия с солями ртути (II). Для обеспечения такого взаимодействия необходимо частично удалить оксидную пленку с поверхности металла.

В пробирку поместите гранулу алюминия, добавьте 1-2 капли раствора нитрата ртути (II), потрите поверхность алюминия стеклянной палочкой и прилейте 1 см³ воды. Наблюдайте взаимодействие алюминия с водой.

Задание 2. Взаимодействие металлов с серной и азотной кислотами

Разбавленная H₂SO₄. В разбавленной серной кислоте роль окислителя играют ионы водорода, поэтому разбавленная серная кислота растворяет металлы, имеющие отрицательные значения стандартных электродных потенциалов, с выделением Н₂.

Концентрированная H₂SO₄ проявляет более сильные окислительные свойства за счет серы (VI) и в реакциях с металлами восстанавливается до SO₂, коллоидной серы S⁰ или H₂S в зависимости от активности металла.

Азотная кислота HNO₃ является очень сильным окислителем за счет азота (V), окисляет почти все металлы, образуя соли нитраты (реже оксиды), а сама восстанавливается до различных продуктов: NO₂, NO, N₂O, N₂, NH₄⁺ (водород практически не выделяется). Диоксид азота NO₂ (бурый газ) образуется в реакциях концентрированной азотной кислоты с любыми металлами. Другие соединения азота образуются при взаимодействии разбавленной азотной кислоты с металлами различной активности.

Задание 2.1. Взаимодействие серной кислоты с металлами

В две пробирки поместите стружку одного металла: а) алюминия, б) железа, в) цинка, г) меди. В первую пробирку налейте 1 см³ разбавленной кислоты, во вторую – концентрированной. Если реакция при комнатной температуре не идет, осторожно нагрейте пробирки. Одинаковы ли продукты реакции при взаимодействии металла с серной кислотой различной концентрации? Почему медь не растворяется в разбавленной кислоте, но растворяется в концентрированной?

Задание 2.2. Взаимодействие азотной кислоты с металлами

В две пробирки внесите стружку (или порошок) одного из указанных металлов: а) меди, б) железа, в) цинка. В одну из них добавьте 3-4 капли разбавленной азотной кислоты, в другую – концентрированной. Отметьте, идет ли реакция при комнатной температуре. Если реакция протекает медленно, нагрейте пробирки. Напишите уравнения реакции, учитывая, что разбавленная азотная кислота восстанавливается медью до NO, железом – до N₂O ( возможно до NO), цинком – до N₂O (возможно до N₂).

Задание 3. Вытеснение металлов из их солей более активными металлами

Задание 3.1. Взаимодействие алюминия с солями меди. Влияние хлорид ионов на коррозию алюминия

В две пробирки поместите по одной грануле алюминия и добавьте в одну из них 1 см³ сульфата меди, а в другую – столько же хлорида меди. Обратите внимание на то, что в первой пробирке алюминий остается почти без изменения, а во второй – он быстро покрывается налетом меди, а затем начинает интенсивно выделяться газ (какой?).

Напишите уравнение реакции вытеснения меди алюминием. При контакте двух металлов в водной среде образуется гальванопара Al-Cu. Представьте схему гальванопары, обозначьте полюса и запишите электродные процессы.

Задание 3.2. Вытеснение железом Cu и Sn из растворов их солей

В пробирку налейте 1 см³ одного из растворов: а) сульфата меди, б) хлорида олова (II). Поместите в нее железный стержень, предварительно очищенный наждачной бумагой. Наблюдайте, как на поверхности стержня появляется налет меди или олова.

Укажите и обоснуйте, какие еще металлы можно вытеснить железом из растворов их солей.

Задание 3.3. Вытеснение цинком Cu, Sn, Pb из растворов их солей

В пробирку поместите гранулу цинка и прибавьте 5-6 капель одного из следующих растворов: а) сульфата меди, б) хлорида олова (II), в) нитрата или ацетата свинца (II). Наблюдайте выделение налета меди, олова и блестящих кристаллов свинца.

Какие еще металлы можно вытеснить из растворов их солей цинком?

Задание 4. Окислительные свойства соединений металлов

Сильные окислительные свойства проявляют соединения металлов с наиболее высокими степенями окисления: K₂Cr₂O₇, KMnO₄, NaBiO₃, PbO₂, MnO₂, FeC1₃ и др.

Если при проведении опыта реакция идет медленно, то пробирку с раствором необходимо подогреть.

Задание 4.1. Взаимодействие хлорида железа (III) с восстановителями

В пробирку внесите 1-2 капли раствора FeC1₃, разбавьте водой до объема 1‑2 см³ и добавьте 2-3 капли раствора восстановителя: а) иодида калия KI, б) сульфида натрия Na₂S, в) насыщенного раствора сульфита Na₂SO₃ (или небольшое количество кристаллической соли).

Объясните наблюдаемое изменение цвета раствора. Чтобы убедиться в появлении ионов Fe²⁺, прибавьте 1 каплю раствора K₃[Fe(CN)₆], который с ионами Fe²⁺ образует осадок «турнбулевой сини» KFe[Fe(CN)₆]. Напишите уравнения реакций.

В опыте (б) восстановленные ионы Fe²⁺ с сульфид-ионами образуют осадок FeS черного цвета.

Задание 4.2. Окисление марганца (II) висмутатом натрия NaBiO₃

Соли Mn (II) проявляют очень слабые восстановительные свойства и в кислой среде могут быть окислены только очень сильными окислителями NaBiO₃, пероксодисульфатами (K₂S₂O₈ и др.).

В пробирку внесите 1-2 капли раствора соли марганца (II), 2 см³ разбавленного раствора азотной кислоты и несколько кристалликов (!) висмутата натрия. Перемешайте раствор и дайте кристаллам висмутата осесть или отфильтруйте их. Отметьте, что раствор приобрел малиновую окраску вследствие образования ионов MnO₄^-.

Задание 4.3. Окислительные свойства перманганата калия KMnO₄

Опыт (а). В три пробирки налейте по 1 см³ разбавленого (бледно-розового цвета) раствора KMnO₄. В первую пробирку добавьте 5-6 капель разбавленной серной кислоты, во вторую не добавляйте ничего (нейтральная среда), в третью – 5-6 капель разбавленной щелочи. В каждую пробирку внесите по 1 капле раствора иодида калия KI.

Какое вещество окрашивает растворы в первой и второй пробирках в бурый цвет? Какой осадок образуется в нейтральной среде? Какие ионы окрашивают раствор в третьей пробирке в зеленый цвет?

Напишите уравнения реакций, учитывая, что в щелочной среде KI окисляется до иодата KIO₃.

Опыт (б). В пробирку внесите 3-5 капель раствора перманганата калия и 2‑3 капли разбавленного раствора серной кислоты. Добавьте 3-4 капли раствора пероксида водорода. Наблюдайте изменение окраски раствора и выделение пузырьков газа.

Задание 4.4. Окислительные свойства бихромата калия K₂Cr₂O₇

В пробирку налейте 1 см³ раствора бихромата, 5-6 капель разбавленной серной кислоты и добавьте один из следующих реактивов: а) несколько кристалликов сульфита Na₂SO₃, б) несколько кристалликов нитрита натрия NaNO₂, в) 1 см³ раствора хлорида олова (II).

Наблюдайте изменение окраски раствора из оранжевой в сине-зеленую вследствие образования солей Cr (III).

Задание 4.5. Окислительные свойства диоксида свинца PbO₂

В пробирку внесите небольшое количество порошка диоксида свинца, 5‑6 капель разбавленной серной кислоты, 1-2 капли раствора иодида калия и 1 см³ дистиллированной воды. Выделяющийся иод окрашивает раствор в бурый цвет. При нагревании пробирки иод переходит в газообразное состояние (фиолетовые пары).

Задание 4.6. Окислительные свойства солей меди (II)

Налейте в пробирку 1 см³ раствора CuSO₄ и добавьте 2-3 капли раствора иодида калия KI. Наблюдайте образование осадка и окрашивание содержимого пробирки в бурый цвет, что обусловлено выделением свободного иода. Для того чтобы установить цвет выпавшего осадка CuI, необходимо иод перевести в бесцветный ион. Для этого прибавьте в пробирку несколько капель раствора сульфита натрия до исчезновения бурой окраски. Каков цвет иодида CuI? Напишите уравнения наблюдаемых реакций взаимодействия.

Задание 5. Восстановительные свойства соединений металлов

Соединения металлов с более низкими степенями окисления из всех возможных проявляют в окислительно-восстановительных реакциях восстановительные свойства: соли железа (II), олова (II), хрома (II, III) и др.

В тех случаях, когда реакция идет медленно, необходимо подогреть пробирку с реакционной смесью.

Задание 5.1. Взаимодействие солей железа (II) с окислителями

В пробирку внесите 1 см³ раствора соли железа (II) и добавьте по 2-3 капли одного из следующих растворов: а) KMnO₄, б) H₂O₂, в) K₂Cr₂O₇.

Реакции протекают в кислой среде, поскольку раствор соли железа (II) высокую кислотность. При приготовлении этого раствора добавляется кислота с одноименным анионом для предотвращения гидролиза соли.

Наблюдайте изменение цвета растворов. Желтый цвет имеют растворы солей железа (III) (а, б). Сине-зеленый цвет имеет раствор, в котором образуется смесь солей Cr (III) зеленого цвета и Fe (III) желтого цвета (в).

Докажите появление ионов Fe³⁺ в растворе, добавив либо 1 каплю раствора (NH₄)CNS, либо 1 каплю раствора гексацианоферрата (II) калия K₄[Fe(CN)₆] (желтая кровяная соль). В первом случае образуются роданидные комплексы железа (III) Fe(CNS)_n^q красно-бурого цвета, во втором – осадок «берлинской лазури» KFe[Fe(CN)₆].

Задание 5.2. Взаимодействие хлорида олова (II) с солями железа (III)

В пробирку внесите 1-2 капли раствора хлорида железа (III), разбавьте водой до объема 1-2 см³ и добавьте 2-3 капли хлорида олова (II). Как изменилась окраска раствора? Докажите наличие ионов Fe²⁺ в растворе качественной реакцией с гексацианоферратом (III) калия K₃[Fe(CN)₆] (красная кровяная соль), который образует осадок «турнбулевой сини» KFe[Fe(CN)₆].

Задание 5.3. Взаимодействие соли хрома (III) с периодатом калия KIO₄ или PbO₂ в щелочной среде

Опыт (а). Поместите в пробирку 2 капли раствора соли хрома (III), прилейте 1 см³ 4 М раствора щелочи. Образуется раствор изумрудно-зеленого цвета, содержащий гидроксокомплексы хрома Cr(OH)₄^-. Добавьте к раствору несколько кристалликов периодата калия KIO₄ и наблюдайте изменение окраски раствора от зеленой к желтой (CrO₄^2-). Если реакция идет медленно, то нагрейте пробирку. Наличие хромат-ионов докажите качественной реакцией – получением осадка хромата бария.

Сравните потенциалы E⁰(Cr₂O₇^2/2Cr³⁺) и E⁰(CrO₄^2/Cr(OH)₄^) и объясните, почему реакции окисления Cr (III) проводят в щелочной среде.

Опыт (б). Поместите в пробирку небольшое количество порошка PbO₂, 1 см³ раствора щелочи и осторожно нагрейте. В горячий раствор внесите 2 капли раствора соли хрома (III) и снова нагрейте пробирку. Наблюдайте появление желтой окраски раствора, характерной для ионов хромата CrO₄^2-. Наличие последних докажите качественной реакцией – получением осадка хромата бария.

Таблица 6

Индивидульные задания к лабораторной работе 7

Вари- ант	Выполнить задания					Вари- ант	Выполнить задания
1	1.1	2.1в	3.1	4.1а	5.1в	7	1.1	2.1б	3.1	4.1б	5.3а
2	1.2	2.2а	3.2б	4.5	5.3а	8	1.2	2.1в	3.2а	4.3а	5.1б
3	1.1	2.1а	3.3в	4.4а	5.1б	9	1.1	2.2б	3.3а	4.3б	5.3б
4	1.2	2.2б	3.3а	4.6	5.2	10	1.2	2.1б	3.3в	4.1в	5.3а
5	1.1	2.1г	3.3б	4.4в	5.3б	11	1.1	2.2в	3.2б	4.4б	5.1а
6	1.2	2.2в	3.2а	4.2	5.1а	12	1.2	2.2а	3.1	4.1а	5.1в