методичка р-элементы
.pdf31
избыток
и легко в смеси фтороводородной и азотной кислот:
3Si + 18НF + 4HNO3 = 3H2[SiF6] + 4NO + 8H2O
По химическим свойствам соединения кремния, содержащие связи Si—Н, Si—Г,
Si—Si, Si—S, резко отличаются от аналогичных соединений углерода. Соединения крем-
ния, в отличие от соединений углерода, легко гидролизуются, силаны самовоспламеняют-
ся, что приводит к образованию связей Si—О. Объяснить различную реакционную спо-
собность соединений кремния и углерода можно тем, что образование связей Si—О по
сравнению с С—О энергетически выгоднее. Так, f H 298 (CO2) = –394 кДж/моль, а
f H 298(SiO2) = –912 кДж/моль.
2.3.3. Силициды
Соединения кремния с металлами, силициды, подобно карбидам, могут быть ион-
ными (с активными металлами) или ковалентными (с неметаллами). Ионные силициды разлагаются водой и кислотами:
Мg2Si + 4НСl = 2МgCl2 + SiН4
Мg2Si + 4Н2O = 2Мg(ОН)2 + SiН4
и окисляются растворами щелочей:
Мg2Si + 2NaOH + 5Н2O = Na2SiO3 + 4H2 + 2Mg(ОН)2
Ковалентные силициды, например МоSi2, инертны.
2.3.4. Силаны
32
Соединения кремния с водородом — кремневодороды или силаны — по составу ана-
логичны предельным углеводородам и имеют общую формулу SinН2n+2, где n = 1–8. Одна-
ко они менее устойчивы и более реакционноспособны (см. 2.3.2.). Это можно объяснить,
сравнивая энтальпии образования метана — f H 298(CH4) = –74,8 кДж/моль — и силана —
f H 298(SiH4) = +29,3 кДж/моль. Устойчивость силанов уменьшается с увеличением числа атомов кремния в молекуле. В настоящее время выделены силаны до Si8H18.
Силаны токсичны. Восстановительные свойства у силанов выражены сильнее, чем у углеводородов, они легко самовоспламеняются на воздухе и разрушаются щелочами:
SiН4 + 2O2 = SiO2 + 2H2O
Si2H6 + 4NaOH + 2Н2O = 2Na2SiO3 + 7Н2
2.3.5. Галогениды кремния
Галогениды кремния получают непосредственным взаимодействием кремния с гало-
генами, а также из диоксида кремния:
SiO2 + 2C + 2Г2 = SiГ4 + 2CO
Тетрафторсилан можно получить также по реакции:
SiO2 + 4HF = SiF4 + 2H2O
Галогениды кремния — летучие ковалентные соединения, относящиеся к классу га-
логенангидридов; гидролизуются аналогично галогенидам бора:
3SiF4 + 4Н2O = 2Н2[SiF6] + Н4SiO4
(mSiO2·nH2O)
SiCl4 + 4H2O = 4HCl + H4SiO4
(mSiO2·nH2O)
Образующийся при гидролизе тетрафторсилана гексафторидосиликат водорода
(кремнефтороводородная кислота) — Н2[SiF6] — является сильной двухосновной кисло-
той.
33
2.3.6. Диоксид кремния и кремниевые кислоты
Диоксид кремния не растворяется в воде и устойчив к кислотам, кроме плавиковой
(см. 2.3.5.). Со щелочами и содой реагирует при сплавлении:
SiO2 + 2NаОН = Na2SiO3 + Н2O SiО2 + Nа2CO3 = Na2SiO3 + СО2
Диоксид кремния используется для производства кварцевого стекла, которое широко применяется в оптике, химическом эксперименте и медицинской практике.
Кремниевые кислоты имеют общую формулу mSiO2·nH2O. При m = 1 и n = 1
Н2SiO3 — метакремниевая кислота; при m = 1 и n = 2 Н4SiO4 — ортокремниевая кислота;
их соли — силикаты. При m = 2 и n = 1 Н2Si2O5 – диметакремниевая кислота, ее соли — дисиликаты.
Метакремниевая кислота двухосновна. Она очень слабая кислота (Ka,1 = 1·10–10, Ka,2
= 1·10–12), вытесняется из растворов ее солей даже углекислым газом. Кремниевые кисло-
ты в воде нерастворимы, но легко образуют коллоидные растворы — золи. Осаждаются из растворов в виде студнеобразного осадка — геля. Высушенный гель кремниевой кислоты,
называется силикагелем и применяется в качестве адсорбента паров воды и других лету-
чих веществ из воздуха. Растворимые в воде силикаты гидролизуются с отщеплением во-
ды:
Na2SiO3 + H2O NaHSiO3 + NaOH
2NaHSiO3 = Na2Si2O5 + H2O
2.4. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА «УГЛЕРОД. КРЕМНИЙ»
Опыт 1. Адсорбционные свойства активированного угля
1.1. Адсорбция газообразных веществ. В сухую пробирку поместить 2–3 кристалла нитрата свинца и нагреть на пламени горелки до появления бурых паров диоксида азота,
которые образуются при термическом разложении соли:
34
2 Pb(NO3)2 нагрев 2 PbO + 4 NO2 + O2
В пробирку поместить порошок активированного угля на ~1/8 ее объема, закрыть пробкой и энергично встряхнуть несколько раз. Почему произошло обесцвечивание газо-
вой фазы в пробирке?
1.2. Адсорбция красящих веществ. В пробирку поместить на ~1/4 ее объема светло-
розовый раствор фуксина и добавить гранулы активированного угля (~1/8 от объема про-
бирки). Пробирку закрыть пробкой и несколько раз энергично встряхнуть. Что наблюда-
ется? Почему?
1.3. Адсорбция ионов из раствора. В две пробирки поместить по 10 капель раствора нитрата свинца (c = 0,005 моль/л). В первую пробирку добавить 1 каплю раствора KI (c = 0,1 моль/л). Образуется желтый осадок PbI2. Содержимое пробирки оставить для сравне-
ния. Во вторую пробирку поместить несколько микрошпателей порошка активированного угля, перемешать стеклянной палочкой и оставить в штативе на 1–2 мин. Затем жидкую фазу перенести пипеткой в другую пробирку и добавить 1 каплю раствора KI (c = 0,1 моль/л). Почему при этом выпадает осадка значительно меньше, чем в первой пробир-
ке? Написать уравнение реакции образования PbI2 в молекулярной и ионной форме. Pb(NO3)2 + KI →
Опыт 2. Свойства угля
2.1. Взаимодействие угля с оксидом свинца(II). В фарфоровой ступке перемешать
1 микрошпатель оксида свинца(II) и 5 микрошпателей угля. Затем 2–3 микрошпателя по-
лучившейся смеси перенести в фарфоровый тигель, закрыть его крышкой и прокалить в течении 8–10 мин. После охлаждения высыпать содержимое тигля на лист бумаги. Обра-
тить внимание на гранулы металлического свинца. Написать уравнение реакции, учиты-
вая, что углерод окисляется до монооксида углерода.
PbO + C нагрев
2.2. Взаимодействие угля с концентрированной серной кислотой. В пробирку поместить 3–4 капли концентрированного раствора серной кислоты и маленький кусочек угля. Затем нагреть до начала выделения пузырьков газа. Написать уравнение реакции,
учитывая, что образуется диоксид серы и диоксид углерода.
C + H2SO4 (конц.) →
Опыт 3. Получение монооксида углерода
35
В пробирку поместить 3–4 капли концентрированного раствора серной кислоты и 6– 8 капель концентрированного раствора муравьиной кислоты. Закрыть пробку пробкой с газоотводной трубкой, осторожно нагреть и поджечь газ, выделяющийся из газоотводной трубки. Отметить цвет пламени. Написать уравнение реакции получения монооксида уг-
лерода из муравьиной кислоты, учитывая, что серная кислота добавляется как водоотни-
мающее средство. Написать уравнение реакции горения монооксида углерода. На какие свойства оксида углерода указывает эта реакция?
HCOOH H2SO4(конц.)
CO + O2 нагрев
Опыт 4. Свойства монооксида углерода
4.1. Взаимодействие монооксида углерода с перманганатом калия. Получить ок-
сид углерода, как описано в опыте 3. Конец газоотводной трубки опустить в смесь 3–4 ка-
пель раствора перманганата калия (c = 0,1 моль/л) и 2–3 капель раствора серной кислоты
(c = 0,05 моль/л). Выделяющийся монооксид углерода пропускать в раствор до его обес-
цвечивания. Написать уравнение реакции. Стехиометрические коэффициенты определить ионно-электронным методом.
CO + KMnO4 + H2SO4 →
4.2. Взаимодействие монооксида углерода с оксидом меди(II). Получить моноок-
сид углерода, как описано в опыте 3. Пробирку закрыть пробкой с изогнутой стеклянной газоотводной трубкой (рис. 2.4.1.). В изогнутое колено газоотводной трубки поместить с помощью микрошпателя немного оксида меди(II). Следить, чтобы оксид меди не закупо-
рил отверстие полностью. Нагреть сначала трубку с оксидом меди, а затем нагреть содер-
жимое пробирки до полного восстановления оксида меди(II) (черный порошок должен стать красным). Охладить трубку и высыпать полученную медь на бумагу. Написать уравнение реакции восстановления оксида меди (II).
CuO + CO нагрев
36
2
3
1
Рис. 2.4.1. Взаимодействие монооксида углерода с оксидом меди(II): 1 — смесь растворов концентрированной серной и муравьиной кислот; 2 — газоотводная труб-
ка; 3 — оксид меди(II)
Опыт 5. Получение диоксида углерода
В пробирку поместить маленький кусочек мрамора (карбонат кальция), добавить 5–6
капель воды и 10–12 капель концентрированного раствора соляной кислоты. Пробирку закрыть пробкой с газоотводной трубкой, конец которой опустить в пробирку с водой.
Пропускать выделяющийся газ в течении 2–3 мин, а затем добавить в пробирку с водой 1
каплю раствора лакмуса. В какой цвет окрасился раствор? Почему? Написать уравнение реакции получения диоксида углерода. Какое равновесие устанавливается в растворе ди-
оксида углерода в воде? Как смещается это равновесие при добавлении щелочи и кисло-
ты? Почему?
CaCO3 + HCl(конц.) →
Опыт 6. Свойства солей угольной кислоты
6.1. Получение карбонатов бария, стронция, серебра. В три пробирки поместить по 3–4 капли раствора карбоната натрия (c = 0,1 моль/л) и по 6–8 капель растворов: в
первую пробирку — хлорида бария (c = 0,05 моль/л), во вторую — нитрата стронция (c = 0,05 моль/л), в третью — нитрата серебра (c = 0,1 моль/л). Отметить цвет образовавшихся осадков. Написать уравнения реакций в молекулярной и ионной форме.
Na2CO3 + BaCl2 →
37
Na2CO3 + Sr(NO3)2 →
Na2CO3 + AgNO3 →
Пробирку с осадком карбоната серебра осторожно нагреть. Отметить потемнение осадка вследствие разложения карбоната серебра и образования оксида серебра. Написать уравнение реакции термического разложения карбоната серебра. К осадкам карбонатов бария и стронция добавлять по каплям раствор уксусной кислоты (c = 2 моль/л) до полно-
го растворения осадков. Наблюдать при этом выделение газа (какого?). Написать уравне-
ния реакций в молекулярной и ионной форме.
Ag2CO3 нагрев
BaCO3 + CH3COOH →
SrCO3 + CH3COOH →
6.2. Получение карбоната и гидрокарбоната кальция и исследование их раство-
римости. Получить диоксид углерода, как описывается в опыте 5. Пропустить получаю-
щийся диоксид углерода в раствор известковой воды (6–8 капель). Наблюдать образова-
ние карбоната кальция и его дальнейшее растворение при пропускании избытка диоксида углерода. Написать уравнения реакций образования карбоната кальция и гидрокарбоната кальция в молекулярной и ионной форме. Какой вывод можно сделать о растворимости карбоната и гидрокарбоната кальция в воде? Почему карбонат кальция растворяется в во-
де, насыщенной диоксидом углерода?
CO2 + Ca(OH)2 → CaCO3 + CO2 + H2O →
Полученный раствор гидрокарбоната кальция разделить на две части. Затем в первую пробирку добавить 1–2 капли раствора гидроксида натрия (c = 2 моль/л), вторую осторожно нагреть до кипения. Отметить образование осадка карбоната кальция в обеих пробирках. Написать уравнения реакций в молекулярной и ионной форме.
Ca(HCO3)2 + NaOH →
Ca(HCO3)2 нагрев
6.3. Гидролиз карбоната и гидрокарбоната натрия. В одну пробирку поместить 1
микрошпатель карбоната натрия, в другую — столько же гидрокарбоната натрия. Затем в обе пробирки добавить по 6–8 капель воды и по 1 капле раствора фенолфталеина. Отме-
38
тить различие в окраске растворов. Написать уравнения реакций гидролиза солей. Рассчи-
тать константы гидролиза. В растворе какой соли степень гидролиза ниже? Na2CO3 + H2O →
NaHCO3 + H2O →
6.4. Гидролиз карбоната натрия в присутствии хлорида железа(III). В пробирку поместить 3–4 капли раствора хлорида (сульфата, нитрата) железа(III) (c = 0,2 моль/л) и 4– 5 капель раствора карбоната натрия (c = 0,25 моль/л). Наблюдать образование осадка и выделение газа. Написать уравнение реакции гидролиза в молекулярной и ионной форме.
Na2CO3 + FeCl3 + H2O →
Опыт 7. Получение аморфного кремния (демонстрационный)
В фарфоровой ступке перемешать 1 микрошпатель кварцевого песка (диоксид крем-
ния) с 2 микрошпателями порошка магния. Полученную смесь поместить в пробирку и нагреть. Как только начнется реакция, нагревание прекратить. Отметить сильное разогре-
вание смеси. В стакан вместимостью 100 мл поместить 50 мл воды и добавить 10 капель концентрированного раствора соляной кислоты. После охлаждения пробирку осторожно разбить и содержимое вместе с осколками стекла перенести в стакан с водой. Темный по-
рошок и осколки стекла падают на дно стакана, а на поверхности жидкости происходит вспышка, сопровождающаяся легким хлопком. Это самовоспламеняется при соприкосно-
вении с воздухом силан SiH4, который образуется при взаимодействии силицида магния
(побочный продукт реакции) с соляной кислотой:
SiO2 +Mg нагрев
Si + 2Mg = Mg2Si
Mg2Si + 4HCl = SiH4 + 2MgCl2 SiH4 + 2O2 = SiO2 + 2H2O
Диоксид кремния выделяется в виде белого дыма. Темный порошок на дне стака-
на — это аморфный кремний с примесями магния и оксида магния, которые со временем растворяются в растворе соляной кислоты. Написать уравнения реакций получения крем-
ния из диоксида кремния и растворения магния и оксида в соляной кислоте.
Mg + HCl →
MgO + HCl →
39
Опыт 8. Получение золя и геля кремниевой кислоты
Кремниевая кислота получается либо в виде коллоидного раствора (золя), либо в ви-
де студнеобразного осадка (геля). Коллоидные растворы по степени дисперсности обра-
зующихся частиц (от 10–9 до 10–7 м) занимают промежуточное положение между истин-
ными (молекулярными) растворами (размер частиц меньше 10–9 м) и грубодисперсными системами — суспензиями (размер частиц больше 10–7 м). Золь существует в виде мицелл.
Мицелла кремниевой кислоты изображается формулой:
{[m SiO2]n HSiO 3 (n–x)H+}x–xH+
агрегат потенциаладсорбобразуционный
ющие слой ионы
ядро
коллоидная частица или |
диффузный |
гранула |
слой |
мицелла
При нагревании золя усиливается диффузия ионов, происходит слипание ядер и об-
разуется сложная пространственная структура из полимерной кремниевой кислоты — гель.
В пробирку поместить 4–5 капель концентрированного раствора соляной кислоты и
2–3 капли насыщенного раствора силиката натрия. Получившийся раствор представляет собой золь кремниевой кислоты. Написать уравнение реакции образования кремниевой кислоты в молекулярной и ионной форме, учитывая, что H2SiO3 — слабая кислота. Ис-
пользуя лазерную указку наблюдать эффект Тиндаля, характерный для золей. Прозрачный раствор золя осторожно нагреть. Наблюдать образование студнеобразного геля.
В пробирку поместить 5–6 капель насыщенного раствора силиката натрия и пропу-
стить через него ток диоксида углерода (получение CO2 см. опыт 5). Отметить образова-
ние геля кремниевой кислоты. Написать уравнение реакции. Сопоставить силу угольной и кремниевой кислот.
Na2SiO3 + HCl(конц.) →
Na2SiO3 + CO2 + H2O →
40
Опыт 9. Получение солей кремниевой кислоты
9.1. Получение солей, растворимых в воде. В фарфоровой тигель поместить 1 мик-
рошпатель диоксида кремния (кварцевый песок) и 10–15 капель 30%-ного раствора гид-
роксида натрия Затем содержимое тигля нагревать в течение 10–15 мин на пламени спир-
товки. После охлаждения тигля добавить 10–15 капель дистиллированной воды. Диоксид кремния реагирует со щелочью с образованием силиката натрия. Чтобы доказать образо-
вание силиката натрия, добавить к раствору несколько капель раствора соляной кислоты
(c = 0,1 моль/л) до слабокислой реакции. Какой осадок при этом образуется? Написать уравнение реакции в молекулярной и ионной форме.
SiO2 + NaOH →
Na2SiO3 + HCl →
9.2. Получение малорастворимых солей кремниевой кислоты. В небольшой ста-
кан вместимостью 50 мл поместить 15 мл насыщенного раствора силиката натрия (жидко-
го стекла). Опустить в этот раствор по 2–3 кристалла хлорида кобальта, сульфата меди и сульфата никеля. Обратить внимание на появление и рост окрашенных нитей образовав-
шихся силикатов кобальта, меди, никеля. Отметить цвет осадков и написать уравнения реакций их получения в молекулярной и ионной форме. (Появление нитей обусловлено осмосом через полупроницаемые оболочки из образующихся малорастворимых силика-
тов).
Na2SiO3 + CoCl2 →
Na2SiO3 + CuSO4 →
Na2SiO3 + NiSO4 →
Опыт 10. Свойства солей кремниевой кислоты
10.1. Гидролиз силиката натрия. В пробирку поместить 3–4 капли насыщенного раствора силиката натрия и 3–4 капли дистиллированной воды. Добавить 1 каплю раство-
ра фенолфталеина. В какой цвет окрашивается раствор? Почему? Написать в ионной и молекулярной форме уравнение реакции гидролиза силиката натрия, учитывая при этом,
что первоначально образующийся ион HSiO 3 переходит в дисиликат-ион Si 2O52 . Na2SiO3 + H2O →