Химический практикум (стр. 18 )

2.  Основы теории

Элементы I B группы периодической системы

Медь, серебро, золото составляют I B группу периодической системы. Валентные электроны у них располагаются на внешнем и предвнешнем энергетических уровнях (n – 1) d10ns1 – подуровнях. Наличие на внешнем энергетическом уровне их атомов одного s – электрона обуславливает сходство этих элементов с элементами группы I А, т. е. со щелочными металлами: они образуют одновалентные ионы Э+, оксиды состава Э2О.

Однако, присутствие в атомах этих элементов сравнительно подвижного 18-электронного преднаружного d – подуровня сообщает им отличительные особенности, характерные для d – металлов. Радиусы атомов элементов подгруппы меди приблизительно вдвое меньше радиусов атомов щелочных металлов, поэтому они менее активны. В своих соединениях они проявляют переменную степень окисления – медь: +1, +2 (устойчивая +2), серебро: +1, +2 (устойчивая +1), золото: +1, +2, +3 (устойчивая +3). Эти металлы являются слабыми восстановителями, имеют положительный стандартный электродный потенциал, поэтому не растворяются в разбавленной серной и соляной кислотах.

Важной особенностью ионов меди, серебра и золота является их способность легко восстанавливаться до металлов и склонность к образованию комплексных соединений.

Элементы IV A группы периодической системы

Вместе с углеродом кремний, германий, олово и свинец образуют IV A группу периодической системы элементов. На внешнем энергетическом уровне атомов этих элементов содержится четыре валентных электрона – ns2np2. В своих соединениях они проявляют переменную степень окисления – 4, +2, +4. Наиболее устойчивой является степень окисления +4, исключение составляет свинец, который имеет устойчивую степень окисления +2.

Углерод, кремний из-за большой энергии ионизации не склонны к образованию положительных ионов. Для их соединений характерна ковалентная связь. Способность к образованию положительных ионов появляется у Германия (Gе2+) и усиливается к олову и свинцу, ионы, которых Sn2+ и Рb2+ известны в водных растворах. Отрицательная степень окисления для последних двух элементов не характерна.

Нарастание металлических свойств в подгруппе связано, как обычно, с ростом радиусов атомов и уменьшением энергии ионизации.

Углерод и кремний – неметаллы, германий сочетает свойства неметалла и металла (полупроводник).

Олово и свинец – металлы. Возрастание атомной массы в подгруппе приводит к увеличению плотности простых веществ, но вместе с тем к понижению точек плавления и кипения. Это вызвано уменьшением прочности химических связей между частицами соответствующих веществ.

С разбавленными соляной и серной кислотами углерод, кремний и германий не взаимодействуют. Олово, хотя и медленно, растворяется в них. Свинец из-за плохой растворимости образующихся солей не растворяется в этих кислотах.

Лучшими растворителями для кремния и Германия является смесь азотной и фтороводородной кислот. Олово и свинец взаимодействуют с концентрированными азотной, серной кислотами с образованием соответствующих солей. Взаимодействие олова с концентрированной азотной кислотой протекает по аналогии с германием, т. е. с образованием нерастворимого соединения по схеме:

Sn+ HNO3конц H2SnO3 + NO2

оловянная к-та

Кремний, германий, олово и свинец не устойчивы к действию концентрированных растворов щелочей. Олово и свинец при этом ведут себя как типичные амфотерные металлы.

У соединений четырехвалентных элементов от углерода к свинцу усиливаются окислительные свойства, а у соединений со степенью окисления (+2) ослабляются восстановительные свойства.

Диоксиды и соответствующие им гидроксиды закономерно изменяют кислотно-основной характер – усиливаются основные свойства при переходе от углерода к свинцу:

СО2 SiO2 GeO2 SnO2 PbO2

H2CO3 H2SiO3 H2GeO3 Sn(OH)4 Pb(OH)4

H2SnO3 H2PbO3

ослабление кислотных свойств

Рассмотрите вопросы:

1. Укажите положение меди и серебра в периодической системе элементов и составьте электронные формулы их атомов. Почему восстановительные свойства меди и серебра выражены слабее, чем у щелочных металлов?

2. Пользуясь рядом напряжений металлов, укажите, могут ли медь и серебро при обычных условиях вытеснять водород из разбавленных кислот?

3. Что происходит при действии на медь и на серебро серной кислоты: а) разбавленной, б) концентрированной при нагревании?

4. В каких реакциях проявляется неустойчивость гидроксидов меди и серебра и чем объясняется эта неустойчивость?

5. Какой гидроксид имеет более основной характер: СuOH или Сu(OH)2? Ответ мотивируйте.

6. Составьте формулы комплексных ионов меди (2), принимая координационное число равным 4, если в качестве лигандов будут: а) молекулы аммиака; б) цианид-ионы СN-. Допишите формулу внешней сферы комплексов.

7. Гидроксид меди (2) растворим в кислотах и в растворе аммиака. Напишите в молекулярной и ионной форме соответствующие реакции.

8. Какое практическое значение имеет малая устойчивость соединений серебра? В чем заключается сущность фотохимического разложения соединений серебра?

9. Приведите примеры реакций, иллюстрирующих усиление в ряду Ge – Sn – Pb металлических свойств.

10. Чем объясняется тот факт, что не растворимый в воде Sn(OH)2 растворяется в кислоте и щелочи?

11. Приведите уравнения реакций, характеризующие восстановительные свойства соединений олова (2).

3.  Экспериментальная часть.

МЕДЬ

3.1. Получение и свойства гидроксида меди (2).

Налейте в пробирку 5–6 капель 1н раствора сульфата меди (1) добавьте такой же объем 2н раствора щелочи NaOH. Осторожно нагрейте содержимое пробирки. Что происходит? Напишите уравнения реакций в молекулярной и ионной форме.

3.2. Получение и свойства гидроксида меди (1).

В коническую пробирку налейте 1–2 капли 0,5н раствора хлорида меди (2) CuCl2, 4–5 капель 2н раствора щелочи NaOH и 5–6 капель 1%–ного раствора глюкозы С6Н12О6. Смесь хорошо перемешайте, затем нагрейте на водяной бане. Объясните образование желто-оранжевого осадка и его последующее превращение при более сильном нагревании в красный осадок. Сравните окраску оксидов и гидроксидов меди в опытах 3.1 и 3.2. Составьте уравнение реакций: а) получения гидроксида меди(1), учитывая, что глюкоза окисляется хлоридом меди (2) до глюконовой кислоты

//О //О

СН2ОН (СНОН)4 – С СН2ОН (СНОН) – С

\ Н \ OН

б) разложения гидроксида меди (1).

3.3. Окислительные свойства ионов Cu2+.

Внесите в пробирку по 4–5 капель растворов 1н сульфата меди CuSO4 и 0,5н иодида калия КI. Наблюдайте изменение окраски раствора и выпадение осадка. Чтобы определить цвет осадка добавьте в пробирку 3–4 капли 2н раствора сульфита натрия Na2SO3 для восстановления иода (до исчезновения желтой окраски). Какого цвета осадок Cu2I2? Напишите уравнение реакции взаимодействия сульфата меди CuSO4 с иодидом калия, продуктами реакции являются иодид меди (1) Cu2I2 и I2. Осадок сохранить для опыта 3.4.

3.4. Комплексные соединения меди.

а) Получение тиосульфатного комплекса меди (1)

В пробирку с осадком иодида меди (1), полученным в опыте 3.3, прибавить несколько капель 0,5н раствора тиосульфата натрия Na2S2O3. Что происходит с осадком? Написать уравнение реакции в молекулярной и ионной форме, учитывая, что лигандами являются ионы S2О32- и что координационное число меди равно 2.

б) Получение аммиачного комплекса меди (2).

Качественная реакция на ионы Cu2+.

Внесите в коническую пробирку 2–3 капли 1н раствора сульфата меди (2) CuSO4 и прибавьте по каплям 2н раствор гидроксида натрия NaOH. Составьте уравнение реакции в молекулярной и ионной форме и отметьте цвет выпавшего осадка. К полученному осадку гидроксида меди (2) добавьте по каплям концентрированного раствора гидроксида аммония NH4OH. Что произошло с осадком? Обратите внимание на цвет образовавшегося раствора, который характерен для ионов аммиачного комплекса меди (2).

Составьте уравнение реакции образования комплексного основания меди в молекулярной и ионной форме, координационное число меди равно 4.

Сравните силу гидроксида меди (2) и комплексного основания. Объяснения мотивируйте.

3.5. Обнаружение меди в сплавах (опыт выполнять под вытяжкой)

Получите у лаборанта кусочек латуни или бронзы. Каков цвет сплава? Положите кусочек сплава в пробирку и добавьте 7–8 капель концентрированной азотной кислоты. Появляется ли сине-голубое окрашивание раствора? Перенесите 2–3 капли полученного раствора в чистую пробирку и добавьте к нему несколько капель концентрированного раствора гидроксида аммония NH4OH. Изменение голубой окраски раствора на васильковую указывает на образование иона [Cu(NH3)4]2+ и, следовательно, на наличие меди в используемом сплаве.

Составьте уравнения реакций растворения меди в концентрированной азотной кислоте и образования аммиачного комплекса меди.

СЕРЕБРО.

При работе с серебром следует помнить о ценности всех его соединений, поэтому необходимо применять минимальные количества препаратов, и все остатки после реакции сливать в специальные сосуды.

3.6. Получение оксида серебра

В пробирку внесите 3–4 капли 0,1н раствора нитрата серебра AqNO3, затем добавьте несколько капель 2н раствора NaOH до выпадения осадка оксида серебра. Напишите уравнения реакций образования гидроксида серебра и его распада. Обратите внимание на изменение цвета осадка. Осадок сохранить для опыта 3.7.

3.7. Получение аммиачного комплексного основания серебра

К осадку оксида серебра, полученного в опыте 3.6., прибавить по каплям концентрированный раствор гидроксида аммония NH4OH. Что происходит с осадком? Какой цвет образовавшегося раствора?

Напишите уравнение реакции образования растворимого комплексного основания серебра, координационное число серебра равно 2. Сравните его устойчивость с гидроксидом серебра (опыт 3.6).