МУ по лаб.р. 2013

В результате реакции количество атомов в молекуле может увеличиваться (синтез), уменьшаться (разложение) или оставаться постоянным (изомеризация, перегруппировка).

В ходе реакции изменяются связи между атомами и порядок размещения атомов в молекулах.

Химические реакции выявляют и характеризуют химические свойства данного вещества.

Исходные вещества, взятые для проведения химической реакции, называются реагентами, а новые вещества, образующиеся в результате химической реакции, – продуктами реакции.

В общем виде химическая реакция изображается следующим бразом:

Реагенты → Продукты

Изучение курса химии позволяет получить современное научное представление о материи и формах ее движения, о веществе как одном из ее видов, механизме превращения химических соединений. Необходимо прочно усвоить основные законы химии, изучить механизмы реакций и физико-химических процессов, овладеть техникой химического эксперимента и химических расчетов.

Знания химии полезны любому человеку, поскольку он постоянно сталкивается с различными веществами и с различными процессами, так как научно-технический прогресс вызывает к жизни все новые материалы, новые машины, аппараты и приборы, в которых широко используются достижения химии.

11

Лабораторная работа 1

ОСНОВНЫЕ КЛАССЫ НЕОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ

Цель работы: повторить классификацию и номенклатуру неорганических соединений и экспериментально изучить основные химические реакции с их участием.

Теоретические сведения

Все вещества в природе делятся на простые и сложные.

Простые вещества состоят из атомов одного элемента, например S, O2, Cl2, Na, P. Простые вещества разделяют на металлы и неметаллы. Это деление основано на различиях в физических свойствах простых веществ.

Металлы отличаются характерным металлическим блеском, ковкостью, могут прокатываться в листы или вытягиваться в проволоку, обладают хорошей тепло- и электропроводностью. При комнатной температуре все металлы, кроме ртути, находятся в твердом состоянии. В периодической системе элементов Д. И. Менделеева (прил. 10) металлами являются все s-, d-, f-элементы и половина р-элементов, расположенных слева под диагональю, проходящей от бора к астату.

Неметаллы в твердом состоянии не обладают характерным для металлов блеском, хрупки, очень плохо проводят тепло и электри - чество. Некоторые из них при обычных условиях газообразны. В Периодической системе элементов Д. И. Менделеева неметаллами являются р-элементы, которые находятся справа над диагональю, проходящей от бора к астату.

В состав сложных веществ входят два или более элемента (на-

пример, Н2О, НСl, Н3РО4, Na2CO3).

Сложные вещества делятся на органические и неорганические. Органическими принято называть соединения углерода (напри-

мер, СН3СООН – уксусная кислота, С2Н5ОН – этиловый спирт). Простейшие соединения углерода (СО, СO2, Н2СО3 и карбонаты,

HCN

и цианиды, карбиды и некоторые другие) обычно рассматривают в курсе неорганической химии.

Все остальные вещества называются неорганическими (иногда – минеральными). Неорганические вещества делятся на пять главных классов: оксиды, кислоты, основания, амфотерные гидроксиды и соли.

12

Кислородсодержащие кислоты, основания и амфотерные гидроксиды по своей природе можно объединить в самостоятельный класс гидроксидов.

Оксиды

Оксидами называются все соединения, состоящие из кислорода и какого-нибудь элемента. Если элемент образует несколько оксидов, то по числу атомов кислорода, приходящихся на атом элемента, оксиды называются таким образом: монооксидом углерода – СО, диоксидом углерода – СO2 и т. д.

Большинство оксидов непосредственно или косвенным путем образуют с водой соединения, носящие название гидроксидов. Например:

CaO + H2O = Ca(OH)2 – основной гидроксид кальция;

SO2 + H2O = H2SO3 – кислотный гидроксид (IV) серы или сернистая кислота.

При нагревании гидроксиды, кроме гидроксидов щелочных и щелочноземельных металлов, разлагаются на оксид и воду:

Гидроксиды, в зависимости от их свойств, относят или к классу кислот, или к классу оснований. Кроме того, существуют гидроксиды, обладающие одновременно свойствами и кислот, и оснований. Они называются амфотерными гидроксидами. В соответствии с этим оксиды и образующиеся гидроксиды делятся на три группы: кислотные, основные и амфотерные.

Кислотные оксиды – это оксиды, гидроксиды которых являются кислотами. Это главным образом оксиды неметаллов (SO3, NO2), хотя некоторые высшие оксиды металлов тоже являются кислотными (СrОз, Мп2О7). Многие кислотные оксиды непосредственно соединяются с водой, образуя кислоты:

SO3 + H2O H2SO4 – кислотный гидроксид серы (VI), или серная кислота;

CrO3 + H2O H2CrO4 – кислотный гидроксид хрома (VI), или хромовая кислота.

Гидроксиды других кислотных оксидов получают косвенным пу-

тем.

Кислотные оксиды иногда называют ангидридами соответствующих кислот (например, Р2О5 – ангидрид фосфорной кислоты, или просто фосфорный ангидрид).

13

Главный отличительный признак кислотных оксидов – их способность взаимодействовать с основаниями с образованием солей. Например:

CO2 + 2NaOH Na2CO3 + H2O.

Кислоты, как правило, не взаимодействуют с кислотными оксидами, кроме окислительно-восстановительных реакций.

Основные оксиды – оксиды, гидроксиды которых являются основаниями. Основные оксиды образуются исключительно металлами. Только оксиды щелочных и щелочноземельных металлов непосредственно соединяются с водой, образуя растворимые в воде основания – щелочи. Например:

Na2O + H2O = 2NaOH, CaO + H2O = Ca(OH)2

Большинство же основных оксидов не взаимодействуют с водой; соответствующие им основания получают косвенным путем и нерастворимы в воде (прил. 3). Все основные оксиды взаимодействуют с кислотами, образуя соли, но не взаимодействуют с основаниями, например:

MgO + H2SO4 MgSO4 +H2O

Амфотерные оксиды (Аl2О3, Сr2О3, ZnO и др.) обладают одновременно свойствами и кислотных, и основных оксидов. Они взаимодействуют и с кислотами, и с основаниями с образованием солей. Например:

Al2O3 + 2NaOH + 3H2O = 2Na[Al(OH)4] – тетрагидроксоалюминат натрия;

Al2O3 + 6HCl = 2AlCl3 + 3H2O – хлорид алюминия.

Все оксиды рассмотренных групп обладают свойством образовывать соли, поэтому их часто объединяют под общим названием соле-

образующие оксиды.

Безразличные оксиды – оксиды, которые ни прямым, ни косвенным путем не образуют гидроксидов и не взаимодействуют ни с к и- слотами, ни с основаниями (например, NO, СО).

Особую группу оксидов образуют так называемые пероксиды. Это соединения некоторых металлов, которые только формально (по их составу) могут быть отнесены к классу оксидов, а по существу они являются солями пероксида водорода Н2О2 (например, Na2O2 – пероксид натрия, ВаО2 – пероксид бария).

Кислоты. Кислотные гидроксиды

14

Соединяясь с водой, оксиды неметаллов образуют вещества, относящиеся к классу кислот. Такие кислоты называются кислородными (например, H2SO4, H2CO3, HNO3) в отличие от бескислородных кислот, не содержащих кислорода (например, HCI, HF).

К классу кислотных гидроксидов относятся гидроксиды некоторых металлов в высшей степени окисления, например:

H2Cr2O7 – дихромовая кислота, или кислотный гидроксид

Cr (VI), HMnO4 – марганцевая кислота, или кислотный гидроксид

Mn (VII).

Водные растворы кислот имеют кислый вкус и окрашивают лакмус (прил. 4) и универсальную индикаторную бумагу в красный цвет. По числу атомов водорода в молекуле кислоты, способных замещаться атомами металлов, различают кислоты одноосновные (например,

HNO3), двухосновные (например, H2SO4) и трехосновные (например,

Н3PО4).

Все кислоты взаимодействуют с основаниями с образованием соли и воды, например:

HNO3 + KOH = KNO3 + H2O,

HMnO4 + KOH = KMnO4 + H2O.

Такие реакции называются реакциями нейтрализации.

Если от молекулы кислоты мысленно отнять один или несколько атомов водорода, способных замещаться атомами металлов, то останется группа атомов (а иногда и один атом), которая называется кислотным остатком и участвует в химических реакциях как единое целое. Например, у серной кислоты два кислотных остатка: HSO4 и SO42-; фосфорной кислоты Н3РО4 три кислотных остатка: H2PO4-, НРО42- и PO43- На этом основании молекулы всех кислот можно считать состоящими из атомов водорода и кислотных остатков (табл. 1.1).

У перечисленных выше кислот все атомы водорода могут быть замещены атомами металла, так что их основность прямо определяется числом атомов водорода в молекуле. Однако в уксусной кислоте СН3СООН из четырех атомов водорода только один замещается атомом металла, т. е. уксусная кислота – одноосновная кислота. Оказывается, что в молекулах кислородных кислот только те атомы водорода способны замещаться атомами металлов, которые связаны с атомами кислорода, например:

15

В приведенных структурных формах видим, что в молекуле фосфорной кислоты все атомы водорода связаны с атомами кислорода, а в молекуле уксусной кислоты три атома водорода связаны с атомом углерода и только один – с атомом кислорода. Этот атом водорода и замещается атомом металла.

Основания

Основаниями называются гидроксиды типичных металлов, взаимодействующие с кислотами с образованием солей. В состав молекулы любого основания входит атом металла и одна или несколько гидроксидных групп ОН-. Количество гидроксидных групп у основания определяет его кислотность. Например: NaOH, Mg(OH)2, Bi(OH)3. При действии кислоты с основанием гидроксидная группа OH– замещается кислотным остатком, и, таким образом, получается соль (реакция нейтрализации):

NaOH + НСl = NaCl + Н2О

Большинство оснований нерастворимы в воде. Основания, образованные наиболее активными металлами и растворимые в воде, называются щелочами (например, NaOH, КОН). Их растворы мылкие на ощупь и окрашивают лакмусовую бумагу в синий цвет, а фенолфталеин – в розовый (прил. 4).

Амфотерные гидроксиды

Гидроксиды, которые могут взаимодействовать как с кислотами (подобно основаниям), так и с основаниями (подобно кислотам), бразуя в том и другом случае соли, называются амфотерными гидроксидами. Примером может служить Zn(OH)2:

Zn(OH)2 + 2HCl = ZnCl2 +2H2O

основание хлорид цинка – соль соляной кислоты;

H2ZnO2 + 2NaOH = Na2ZnO2 +2H2O

кислота цинкат цинка – соль цинковой кислоты.

Соли

16

Соли – это продукты замещения атомов водорода в кислотах атомами металла, или продукты замещения гидроксогрупп в основаниях кислотными остатками. Формулы и названия солей наиболее распространенных кислот приведены в табл. 1.1. Таким образом, молекулы всех солей состоят из кислотных остатков и металла. Большинство солей – это твердые кристаллические вещества. Различают три главных вида солей: нормальные, кислые и основные.

Нормальные соли – продукты полного замещения атомов водорода в молекулах кислот на атомы металлов или гидроксидных групп в молекулах оснований на кислотные остатки. Например:

Кислые соли – продукты неполного замещения атомов водорода в кислотах на атомы металлов. Кислые соли содержат в своем составе водород, способный замещаться металлом. Например: KH2PO4 – дигидрофосфат калия, NaHSO4 – гидросульфат натрия. Кислые соли образуются двух или трехосновными кислотами.

Основные соли – продукты неполного замещения гидроксидных групп в основаниях на кислотные остатки. Например, CuOHCl – гидроксохлорид меди (II), (CuOH)2CO3 – гидроксокарбонат меди (II).

Названия кислых и основных солей. Число незамещенных атомов водорода в составе кислой соли обозначается с помощью греческих приставок: два – дигидро; три – тригидро; четыре – тетрагидро и т. п. Например, Ca(H2PO4)2 –дигидрофосфат кальция, MgHPO4 – гидроортофосфат магния. Число незамещенных групп OH– в составе основной соли обозначается аналогично: MgOHCl – гидроксохлорид магния; (BaOH)2SO4 – гидроксосульфат бария; [Al(OH)2]2SO4 – дигидроксосульфат алюминия.

17

Методика и порядок выполнения работы

Опыт 1. Получение основного оксида разложением гидроксида металла

Налейте в пробирку 5–7 капель 1н раствора сульфата меди и добавьте такой же объем 2н раствора щелочи. Образовавшийся голубой осадок гидроксида меди (II) нагрейте на пламени спиртовки, пока он не превратится в оксид меди (II). Какой цвет получился из оксида меди (II)? Напишите уравнение реакции разложения гидроксида меди (II). Экспериментально проверьте, взаимодействует ли полученный оксид со щелочью и с кислотой. Запишите вывод.

Опыт 2. Получение щелочи взаимодействием основного оксида с водой

В пробирку налейте 5–7 капель дистиллированной воды и растворите в ней 1 микрошпатель оксида кальция СаО. Каплю полученного раствора нанесите на лакмусовую бумагу. К какому классу соединений относится образовавшееся вещество? Напишите уравнение реакции.

18

Опыт 3. Получение нерастворимого основания

В пробирку, содержащую 5–7 капель раствора хлорида никеля (II), добавьте 10–15 капель 2н раствора щелочи. Отметьте цвет выпавшего осадка. Напишите уравнения реакции.

Опыт 4. Получение кислоты реакцией двойного обмена

В пробирку внесите 10 капель 2н раствора ацетата свинца Рb(СН3СОО)2 и прилейте такой же объем 2н раствора серной кислоты H2SO4. По запаху определите образовавшуюся кислоту. Напишите уравнение реакции.

Опыт 5. Получение солей взаимодействием кислоты с основанием (реакция нейтрализации)

В пробирку, содержащую 5–7 капель 2н раствора NaOH, добавьте 1 каплю фенолфталеина. Затем добавьте по каплям 1н раствор НСl. Когда реакция станет нейтральной (произойдет обесцвечивание), прибавлять кислоту прекратите. Несколько капель раствора поместите в фарфоровую чашечку и осторожно выпарьте воду на пламени спир-

товки. Кристаллы какой соли получились? Напишите уравнение реакции.

Опыт 6. Получение соли взаимодействием металла с кислотой

Внесите в пробирку кусочек стружки магния и добавьте 3–4 капли 2н раствора серной кислоты H2SO4. Наблюдайте энергичное выделение пузырьков водорода. По окончании реакции каплю раствора поместите в фарфоровую чашечку и выпарьте воду на пламени спиртовки. Кристаллы какой соли получились? Напишите уравнение реакции получения соли.

Опыт 7. Получение соли взаимодействием основного оксида с кислотой

К 10–15 каплям серной кислоты добавьте 2 микрошпателя оксида меди (II) и нагрейте. Как только образуется голубой раствор, соберите

19

его пипеткой и выпарьте до образования кристаллов соли. Напишите уравнение реакции.

Контрольные вопросы и задания

1.К каким классам неорганических соединений относятся сле-

дующие вещества: HF, PbO2, Hg2SO4, Ni(OH)2, FeS, Na2CO3?

2.Составьте формулы: а) кислых калиевых солей фосфорной кислоты; б) основной цинковой соли угольной кислоты Н2СО3.

3.Какие вещества получаются при взаимодействии: а) кислот

с солью; б) кислот с основанием; в) соли с солью; г) основания

ссолью? Приведите примеры реакций.

4.С какими из перечисленных ниже веществ будет реагировать

соляная кислота: N2O5, Zn(OH)2, CaO, AgNO3, H3PO4, H2SO4? Составь-

те уравнения возможных реакций.

5.Укажите, к какому типу оксидов относится оксид меди, и докажите это с помощью химических реакций.

6.Закончите уравнения реакций:

Mg(OH)2 +H2SO4 =

NaOH + H3PO4– =

Ca(OH)2 + H2CO3 =

7.В этих реакциях возможна замена основного гидроксида на оответствующий оксид. Проведите эти замены и составьте уравнения реакций.

8.Назовите три способа получения солей. Ответ подтвердите уравнениями реакций.

9.Какие из перечисленных ниже веществ могут реагировать

между собой: NaOH, H3PO4, AI(OH)3, SO3, H2O, СаО? Ответ подтвердите уравнениями реакций.

Библиографический список

1.Глинка, Н. Л. Общая химия / Н. Л. Глинка. – Л. : Химия, 1984. –

С. 39 – 44.

2.Коровин, Н. В. Общая химия / Н. В. Коровин. – М. : Высш. шк.,

2000. – С. 10–13, 341–343.

20