З А Н Я Т И Е N 13
ТЕМА: р-Элементы и их соединения
ОСНОВНЫЕ ВОПРОСЫ ТЕМЫ:
1. Положение р-элементов в ПС. Электронное строение атомов, катионов и анионов р-элементов. Физико-химические характеристики атомов р-элементов (R, I, F, ОЭО) и закономерности их изменения в группах и периодах.
2. Химические свойства р-элементов и их важнейших соединений (водородных соединений, оксидов, гидроксидов и солей).
3. Биогенная роль и топография р-элементов в организме человека. Применение соединений р-элементов в медицине.
4. Химико-аналитические свойства катионов и анионов р-элементов.
Химико-аналитические свойства ионов р-элементов
р-Элементы способны образовывать как катионы, так и анионы. К первым относятся: Al, Bi, Sn, Pb, Sb, N. Ко вторым: B, C, N, O, P, S, Cl, Br, I.
УЧЕБНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ РАБОТА N 13
Качественные реакции катионов р-элементов
РЕАКЦИИ ИОНОВ АММОНИЯ (NH4+)
Гидроксиды щелочных металлов выделяют из растворов солей аммония газообразный аммиак, который окрашивает красную лакмусовую бумажку (влажную) в синий цвет:
NH4Cl + NaOH = NH3 ↑ + NaCl + H2O
ОПЫТ 1. На предметное стекло поместить 1-2 капли раствора аммонийной соли. Внести туда же 1-2 капли раствора NaOH. Раствор накрыть стеклянным цилиндром. На газовую камеру положить влажную красную лакмусовую бумажку и сверху накрыть чистым предметным стеклом. Что наблюдается?
Обнаружение катиона аммония можно проводить с помощью специфической реакции с реактивом Несслера, представляющего собой смесь K2[HgI4] и КОН.
Реактив Несслера при взаимодействии с солями аммония образует красно-бурый осадок:
Hg
 |  |
NH4Cl + 2 K2[HgI4] + 4 KOH → O NH2 I ↓ + 7 KI + KCl + 3 H2O
Hg
ОПЫТ 2. В пробирку поместить 3-4 капли раствора соли аммония и добавить 1 -2 капли реактива Несслера. Что наблюдается?
РЕАКЦИИ КАТИОНОВ АЛЮМИНИЯ (Al3+)
Кристаллический аммония хлорид NH4Cl или насыщенный раствор этой соли, взятый в избытке, осаждает Al(OH)3 из щелочного раствора, содержащего гидроксокомплекс (гидроксокомплекс получается при прибавлении раствора щелочи к раствору соли Al3+ до полного растворения выпадающего осадка):
AlCl3 + 4 NaOH → Na[Al(OH)4] + 3 NaCl
Na[Al(OH)4] + NH4Cl → Al(OH)3 ↓ + NaCl + NH3 ↑ + H2O
При этом Al(OH)3 в присутствии NH4Cl не растворяется, т. к. КSo (Al(OH)3) – величина сравнительно небольшая.
ОПЫТ 3. В пробирку поместить 5 капель раствора соли алюминия и прибавить 1 каплю раствора NaOH. Что наблюдается? Прибавить в пробирку щелочь до полного растворения осадка. Затем к раствору образовавшегося гидроксокомплекса прибавить насыщенный раствор NH4Cl. Раствор нагреть или прокипятить до полного удаления аммиака. Что наблюдается?
Ионы р-элементов IY группы
РЕАКЦИИ ИОНОВ ОЛОВА (Sn2+)
В солянокислом растворе олово (II) находится в виде комплексного иона [SnCl4]2ˉ, т. к. соли олова легко подвергаются гидролизу, растворы соли SnCl2 готовятся на соляной кислоте.
Висмута нитрат при взаимодействии с раствором соли Sn (II) в сильно щелочной среде образует черный осадок металлического висмута:
2 Bi(OH)3 + 3 Na2[Sn(OH)4] → 2 Bi ↓ + 3 Na2[Sn(OH)6]
ОПЫТ 4. В пробирку поместить 2 капли соли Sn (II). Прибавить раствор щелочи до выпадения белого осадка, затем до полного его растворения. Туда же добавить 2-3 капли раствора Bi(NO3)3. Что наблюдается?
РЕАКЦИИ ИОНОВ СВИНЦА (Pb2+)
Калия иодид KI образует с раствором соли свинца желтый осадок PbI2:
Pb(NO3)2 + 2 KI → PbI2 ↓ + 2 KNO3
Осадок растворяется при нагревании в воде и 2 н. растворе уксусной кислоты. При медленном охлаждении раствора выпадают характерные золотистые чешуйки кристаллов PbI2. Медленное охлаждение благоприятствует росту крупных кристаллов.
ОПЫТ 5. К 2 каплям раствора соли свинца прибавить столько же раствора калия иодида. Образовавшийся желтый осадок отлить в чистую пробирку (приблизительно, половину), туда же прилить равный объем 2 н. раствора уксусной кислоты и пробирку нагреть на водяной бане до полного растворения осадка. Затем пробирку медленно охладить. Что наблюдается?
Ионы р-элементов Y группы
РЕАКЦИИ ИОНОВ ВИСМУТА (Bi3+)
Восстановители (SnCl2) восстанавливают Bi3+ до металлического висмута, выпадающего в виде осадка черного цвета. Реакцию проводят в сильно щелочной среде:
2 Bi(OH)3 + 3 Na2[Sn(OH)4] → 2 Bi ↓ + 3 Na2[Sn(OH)6]
ОПЫТ 6. В пробирку поместить 2 капли раствора соли Sn2+. Прибавить туда же раствор щелочи до выпадения белого осадка, а затем до полного его растворения. Туда же добавить 2-3 капли раствора Bi(NO3)3. Что наблюдается?
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ КАЧЕСТВЕННОГО
АНАЛИЗА АНИОНОВ
Открытие анионов основано на тех же принципах, что и открытие катионов: каждый вид анионов с определенными реактивами образует такие новые химические соединения, которые можно легко обнаружить по их внешним признакам. Так же как для катионов, на анионы имеются и общеаналитические (характерные для одной аналитической группы) и специфические реакции.
Общепринятой аналитической классификации анионов не существует. По наиболее распространенной классификации, основанной на реакциях обмена, все анионы делятся на три аналитические группы (см. таблицу N 1).
К первой относятся анионы, образующие мало растворимые в нейтральной среде соли бария. Групповым реактивом анионов этой группы является раствор бария хлорида. К анионам первой группы относятся: SO42ˉ, SO32ˉ, B4O72ˉ, S2O32ˉ и др.
Ко второй аналитической группе относятся анионы, образующие осадки с серебра нитратом в азотнокислой среде. Это анионы Clˉ, Brˉ, Iˉ, S2ˉ, SCNˉ. Общим групповым реактивом является раствор AgNO3 в азотнокислой среде.
К третьей группе относятся те анионы, которые не имеют общего группового реактива и не осаждаются ни бария хлоридом, ни серебром азотнокислым. К ним относятся анионы NO3ˉ, NO2ˉ, CH3COOˉ.
Таблица 1
Аналитическая классификация анионов
Анионы 1-ой аналитической группы | Анионы 2-ой аналитической группы | Анионы 3-ей аналитической группы |
SO42ˉ, SO32ˉ, S2O32ˉ PO43ˉ, CO32ˉ, B4O72ˉ | Clˉ, Brˉ, Iˉ, S2ˉ, SCNˉ | NO3ˉ, NO2ˉ, CH3COOˉ |
Общие групповые реактивы | ||
ВaCl2 в нейтральной среде | AgNO3 в азотнокислой среде |
|
ОПЫТ 7. Действие общего группового реактива на анионы.
Осаждение анионов общим групповым реактивом может быть выражено следующими уравнениями:
SO42ˉ + Ba2+ → BaSO4↓ (КS = 1,1 · 10ˉ10)
CO32ˉ + Ba2+ → BaCO3↓ (КS = 8,0 · 10ˉ9)
2PO43ˉ + 3Ba2+ → Ba3(PO4)2↓ (КS = 2,8 · 10ˉ22)
В 3 пробирки поместите по 5 капель растворов солей, содержащих анионы SO42ˉ, PO43ˉ, CO32ˉ и добавьте 2-3 капли раствора BaCl2. При выполнении опытов обратите внимание на цвет выпадающих осадков и сделайте соответствующие записи в лабораторных журналах.
ОПЫТ 8. Отношение выпавших осадков к разбавленному раствору соляной кислоты
Все выпавшие в осадок соли за исключением BaSO4 легко растворяются в растворах сильных кислот: HNO3 или HCl, причем BaCO3 с выделением соответствующего газа:
BaCO3 + 2 HCl → BaCl2 + CO2↑ + H2O
В пробирку, содержащую осадок BaCO3 добавьте 3-4 капли раствора 2 н. HCl. Запишите уравнение реакции растворения осадка в растворе соляной кислоты в молекулярной и молекулярно-ионной формах. Объясните, почему сульфат бария нерастворим в растворе HCl и каким образом это свойство BaSO4 используется в клинических исследованиях?
Специфические реакции анионов I аналитической группы
РЕАКЦИЯ КАРБОНАТ-ИОНА (СО32ˉ)
ОПЫТ 9. Важнейшей реакцией на карбонат-ион является реакция разложения карбонатов с помощью разбавленных минеральных кислот.
В пробирку поместите 5 капель раствора натрия карбоната и прилейте 2 капли раствора соляной кислоты. Что наблюдается? Приведите уравнение реакции в молекулярной и молекулярно-ионной формах.
РЕАКЦИИ ФОСФАТ-ИОНОВ (PO42ˉ)
ОПЫТ 10. Раствор нитрата серебра AgNO3 образует с растворами солей фосфорной кислоты желтый осадок фосфата серебра, растворимый в азотной кислоте:
2 Na2HPO4 + AgNO3 → Ag3PO4 ↓ + 3 NaNO3 + NaH2PO4
Написать уравнение реакции в молекулярно-ионной форме.
В пробирку поместите 4-5 капель раствора натрия гидрофосфата и добавьте 5-7 капель раствора серебра нитрата.
ОПЫТ 11. Действие общего группового реактива на анионы II аналитической группы
Серебра нитрат в азотнокислой среде образует осадки со всеми анионами второй аналитической группы:
Clˉ + Ag+ → AgCl ↓ (КS = 1,56 · 10ˉ10)
Brˉ + Ag+ → AgBr ↓ (КS = 7,7 . 10ˉ13)
Iˉ + Ag+ → AgI ↓ (КS = 1,5 · 10ˉ16)
Внести в три пробирки по 5-6 капель растворов солей, содержащих Clˉ, Brˉ, Iˉ, добавьте по 2-3 капли 2 н. HNO3 и 2-3 капли раствора AgNO3. Отметьте цвет выпавших осадков. Сравните значение КS, сделайте вывод о том, какой из галогенидов является наиболее растворимым, а какой – наименее.
ОПЫТ 12. Отношение галоидных соединений серебра к раствору аммиака широко используется для обнаружения галоид-ионов из их растворов.
В пробирки с осадками AgCl, AgBr и AgI добавьте избыток раствора аммиака. Что наблюдается? Объясните, почему осадок серебра хлорида хорошо растворяется в избытке реактива с образованием комплексного аммиаката:
AgCl + 2 NH4OH → [Ag(NH3)2]Cl + 2 H2O,
серебра бромид растворяется в аммиаке в незначительной степени:
AgBr + 2 NH4OH → [Ag(NH3)2]Br + 2 H2O,
а серебра иодид практически не растворяется, даже при большом избытке NH4OH.
РЕАКЦИИ БОРАТ-ИОНОВ (В4О72ˉ)
ОПЫТ 13. В присутствии серной кислоты и этилового спирта борат-ионы образуют борный эфир, который окрашивает пламя в зеленый цвет:
Na2B4O7 + H2SO4 + 5 H2O → Na2SO4 + 4 H3BO3
H3BO3 + 3 C2H5OH → (C2H5O)3B + 3 H2O
В фарфоровую чашку поместите один шпатель кристаллов борной кислоты H3BO3. Туда же прибавьте несколько капель концентрированной серной кислоты и 2 мл этилового спирта. Смесь перемешайте стеклянной палочкой и подожгите.
Специфические аналитические реакции на анионы
второй аналитической группы
РЕАКЦИИ ХЛОРИД-ИОНОВ (Clˉ)
ОПЫТ 14. В пробирку поместите 3 капли раствора серебра нитрата, прибавьте 2 капли раствора натрия хлорида. К образовавшемуся осадку прилейте по каплям раствор NH4OH до полного растворения осадка. Полученный раствор разделите на 2 пробирки. В первую добавьте 2-3 капли раствора калия иодида, а во вторую – 5-6 капель азотной кислоты. Что наблюдается? Объясните, почему происходит разрушение комплексных соединений и выпадение осадков:
AgNO3 + NaCl → AgCl ↓ + NaNO3
AgCl + 2 NH4OH → [Ag (NH3)2]Cl + 2 H2O
[Ag(NH3)2]Cl + KI + 2 H2O → AgI ↓ + 2 NH4OH + KCl
[Ag(NH3)2]Cl + 2 HNO3 → AgCl ↓ + 2 NH4NO3
Отметьте цвет выпавших осадков. Приведите молекулярные и молекулярно-ионные уравнения проделанных реакций.
ОПЫТ 15. Одной из наиболее чувствительных реакций на иодид-ион является реакция с растворимой солью свинца:
2 Iˉ + Pb2+ → PbI2 ↓
Чаще эта реакция рассматривается как специфическая на катион свинца (II), позволяющая "открывать" его в присутствии катионов всех остальных аналитических групп катионов.
В пробирку внести 5-6 капель раствора KI и 2-3 капли раствора Pb(CH3COO)2. Что наблюдается?
Специфические реакции анионов III аналитической группы
РЕАКЦИЯ НИТРАТ-ИОНОВ (NO3ˉ)
ОПЫТ 16. Раствор дифениламина (C6H5)2NH в концентрированной серной кислоте образует с нитрат-ионами интенсивно-синее окрашивание, вследствие окисления дифениламина образующейся азотной кислотой.
На предметное стекло или в пробирку поместите 3 капли дифениламина в концентрированной серной кислоте и 2 капли раствора нитрата. Растворы смешайте стеклянной палочкой. Что наблюдается?
РЕАКЦИИ НИТРИТ-ИОНОВ (NO2ˉ)
ОПЫТ 17. Разбавленные кислоты вытесняют из солей азотистую кислоту, которая разлагается при этом на воду и оксиды азота:
2 NaNO2 + H2SO4 → Na2SO4 + NO2 ↑ + NO ↑ + H2O
Составьте электронный баланс или ОВ полуреакции данного превращения.
К 4-5 каплям раствора нитрита натрия прибавьте 8-10 капель серной кислоты. Что наблюдается?
ОПЫТ 18. Калия перманганат KMnO4 в присутствии разбавленной серной кислоты взаимодействует с солями азотистой кислоты:
5 KNO2 + 2 KMnO4 + 3 H2SO4 → 5 KNO3 + 2 MnSO4 + K2SO4 + 3 H2O
К 4-5 каплям раствора нитрита калия прилить 5-6 капель серной кислоты. К раствору добавить по каплям раствор KMnO4. Что наблюдается? Составьте ОВ полуреакции для данного процеcса.
РЕАКЦИИ АЦЕТАТ-ИОНА (CH3COOˉ)
ОПЫТ 19. Железа хлорид (III) FeCl3 образует с раствором соли уксусной кислоты растворимую соль железа (III) ацетата чайно-красного цвета:
3 CH3COONa + FeCl3 → Fe(CH3COO)3 + 3 NaCl
К 5 каплям раствора натрия ацетата прибавить равный объем раствора железа (III) хлорида. Что наблюдается?
Вспомогательные материалы:
(оснащение занятия)
а) химическая посуда: пробирки, предметные стекла, глазные пипетки;
б) реактивы;
в) таблицы 1,2,3,4.
Материалы для контроля усвоения темы:
– ситуационные задачи;
– тексты контрольных работ.
МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ САМОПОДГОТОВКИ СТУДЕНТОВ:
1. Положение р-элементов, образующих анионы и катионы, в периодической системе ;
2. Электронные и электронно-структурные формулы строения нейтральных атомов и ионов р-элементов;
3. Валентность и степень окисления р-элементов, образующих анионы и катионы;
4. Закономерность изменения атомных, ионных радиусов и относительной электроотрицательности атомов р-элементов, образующих анионы и катионы;
5. Химические свойства р-элементов (кислотно-основные, амфотерные, окислительно-восстановительные, способность к комплексообразованию, гидролиз);
6. Важнейшие соединения р-элементов (оксиды, гидроксиды, соли) и их свойства;
7. Биологическая роль ионов р-элементов в организме человека. Применение соединений р-элементов в медицине;
8. Аналитические реакции на анионы и катионы р-элементов.
Расчетные задачи и контрольные вопросы:
1. Напишите уравнения окислительно-восстановительных реакций, составив электронный баланс или ионно-электронный баланс:
KMnO4 + Na2SO3 + H2SO4 →
HBr + H2SO4 →
KMnO4 + H2S + H2SO4 →
P + HNO3 →
2. Запишите уравнения реакций в молекулярной и молекулярно-ионной формах и перечислите все возможные продукты при пропускании диоксида углерода:
а) через раствор бария гидроксида,
б) через суспензию кальция гидроксида.
3. Какие анионы проявляют свойства окислителей? Каким анионам присущи восстановительные свойства? Каким образом классифицируют анионы?
4. Назовите лекарственные средства на основе р-элементов и их биологическое действие на организм.
5. В четыре пробирки, содержащие, соответственно, разбавленную серную кислоту, очень разбавленную азотную кислоту, концентрированный раствор аммония хлорида и концентрированный раствор щелочи, вносят немного порошкообразного алюминия. Укажите, в каких пробирках будет происходить реакция:
а) с выделением осадка;
б) с выделением газа;
в) с образованием алюминийсодержащих катионов;
г) с образованием алюминийсодержащих анионов;
д) с образованием алюминийсодержащих молекул?
6. Висмут растворяется в разбавленной азотной кислоте, но не растворяется в разбавленной соляной и серной кислотах. Какой вывод можно сделать о положении висмута в ряду напряжений? Напишите уравнение реакции взаимодействия висмута с разбавленной азотной кислотой.
7. Дайте определение понятию – амфотерность. Приведите уравнения реакций, доказывающие амфотерность следующих элементов: Al, Pb. Sn, Bi, Sb. Назовите анионы, в состав которых входят атомы этих элементов.
МАТЕРИАЛЫ УИРС: Качественное определение катионов р-элементов в исследуемых растворах.
ЛИТЕРАТУРА
ОСНОВНАЯ:
1. Конспект лекций.
2. и др. "Общая химия", М., "Высшая школа", 1993, с. 305-383;
3. Введение в химию биогенных элементов и химический анализ. Учебное пособие для мед. вузов. Под ред. – Минск, "Вышэйшая школа", 1997 г., с. 23-25, 27-33, 71-79.
ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ:
1. . "Общая химия", Л-д, "Химия", 1988, с. с. 338-434;
2. , . "Общая химия", Санкт-Петербург, "Химия", 1994, с. 293-450;
3. "Химия", Санкт-Петербург, "Спец. литература" 1997, с. 306-314.
