Химия (стр. 6 )

В соответствии с двумя спинвалентностями углерод и кремний дают два оксида – оксид с общей формулой RO и диоксид RO2 . Оксиды (СО и SiO) относятся к несолеобразующим, CO2 u SiO2 – кислотные оксиды.

CO2 – бесцветный газ, при растворении в воде дает слабую угольную кислоту H2CO3; SiO2 – твердое вещество, широко распространенное в природе в виде кремнезема. Кремнезем бывает кристаллический, аморфный и в виде землистых форм. Главная природная форма кристаллического кремнезема – минерал кварц, он составляет основу обычного и кварцевого песка, а также входит в состав многих горных пород. Наиболее чистая разновидность кварца – горный хрусталь. Аморфный кремнезем встречается в природе в виде минералов группы опала SiO2nH2O. Землистые формы кремнезема – минералы инфузорная земля, диатомит, трепел – имеют пористое строение, и среди всех форм кремнезема обладают наибольшей химической активностью. Именно это определяет их использование в качестве активной минеральной добавки при получении гипсо-цементно-пуццолановых вяжущих.

Поскольку диоксид кремния в воде практически не растворяется, кремневые кислоты получают косвенным путем – действием кислоты на растворимые силикаты:

Na2SiO3 + 2HCI = H2SiO3 + 2NaCI (8.1)

Свободная кремневая кислота известна в виде нескольких форм:

2H2O*SiO2 или H4SiO4 – ортокремниевая кислота,

H2O*SiO2 или H2SiO3 –метакреминевая кислота,

H2O*2SiO2 или H2Si2O5 – двуметакремниевая кислота.

Кремниевые кислоты слабее угольной, они неустойчивы и обычно конденсируются в полимерные соединения, общей формулы:

xSiO2*yH2O,

где х>1.

Поликремниевые кислоты в воде практически нерастворимы, но образуют коллоидные растворы – золи. Золи кремниевых кислот гидрофильны и при коагуляции образуют гели переменного состава.

Соли кремниевых и поликремниевых кислот называют силикатами. Ввиду сложности составов силикатов их формулы принято записывать в виде составляющих оксидов, например, CaSiO3 или CaO*SiO2. В воде растворимы только силикаты щелочных металлов, остальные малорастворимы.

Поскольку угольная и кремниевые кислоты слабые, их соли в воде подвергаются гидролизу и растворы их имеют щелочную реакцию:

K2CO3 + H2O KHCO3 + KOH (8.2)

Na2SiO3 + H2O NaHSiO3 + NaOH (8.3)

При взаимодействии растворов силикатов с солями меди, никеля, кобальта, железа образуются студенистые осадки соответствующих силикатов, обладающие вяжущими свойствами, например:

CuSO4 + Na2SiO3 = CuSiO3 + Na2SO4 . (8.4)

Поскольку ионы меди, никеля, кобальта, железа есть в почве, приведенные реакции имеют практическое значение, и растворы силиката натрия (жидкое стекло) используют для укрепления грунтов при строительных работах, строительстве автострад, шоссейных дорог. Жидкое стекло также применяется для пропитки тканей, дерева, бумаги с целью придания им водонепроницаемости и огнестойкости.

Из соединений кремния в строительстве еще имеют большое значение соли кремнефтористоводородной кислоты (H2SiF6). Это сильная кислота, получается она при действии плавиковой кислоты на кремнезем:

SiO2 + 6HF = H2SiF6 + 2H2O. (8.5)

Соли кремнефтористоводородной кислоты называются фторосиликаты или кремнефториды. Фторосиликаты MgSiF6. CaSiF6. Al2(SiF6)3. ZnSiF6. Fe2(SIF6)3. Cr2(SiF6)3 хорошо растворимы в воде, их называют флюатами и используют в строительстве для закрепления и предохранения от разрушений различных природных и искусственных строительных камней, главным образом известняков и мрамора (флюатирование). Процесс защиты известняка методом флюатирования выражается следующим уравнением:

MgSiF6 + 2CaCO3 + nH2O = SiO2*nH2O + MgF2+ 2CaF2+ 2CO2. (8.6)

Образующиеся труднорастворимые фториды кальция и магния и гель кремневой кислоты закупоривают поры защищаемого материала и создают на его поверхности плотный слой, предохраняя его от влияния внешней среды.

8.3 Экспериментальная часть.

8.3.1 Опыт 1. Восстановительные свойства углерода

(Опыт выполнять в вытяжном шкафу!) В сухую пробирку насыпьте немного древесного угля (на кончике шпателя) и прилейте 1-2 мл концентрированной серной кислоты. Осторожно нагрейте пробирку. Что наблюдается? По запаху определите один из выделяющихся газов. Напишите уравнение реакции, учитывая, что углерод окисляется до диоксида. Составьте уравнения окислительного и восстановительного процессов.

8.3.2 Опыт 2. Свойства диоксида углерода (демонстрационный).

Заполните диоксидом углерода стакан емкостью 0,3-0,4дм3 (контроль с помощью горящей лучины).Возьмите щипцами ленточку магния, подожгите и быстро опустите в стакан с СО2. Что наблюдается? Напишите уравнение реакции, учитывая, что СО2 восстанавливается до элементарного углерода. К содержимому стакана прилейте 5 мл разбавленной соляной кислоты. Оба ли вещества растворяются? Напишите уравнения реакций.

8.3.3 Опыт 3. Получение карбоната и гидрокарбоната кальция.

Налейте в пробирку 4-5мл известковой воды и пропустите СО2 из аппарата Киппа до получения осадка, а затем до полного его растворения. Напишите уравнения реакций.

Полученный раствор разделите на две пробирки, одну пробирку нагрейте, а в другую добавьте 1-2мл разбавленного раствора гидроксида натрия. Что происходит? Напишите уравнения реакций.

8.3.4 Опыт 4. Соли угольной кислоты.

а) Действие кислот на соли угольной кислоты.

Поместите в отдельные пробирки немного сухих солей карбоната натрия и кальция и прилейте в каждую по 1мл разбавленной соляной кислоты. Что наблюдается? Испытайте растворимость этих же солей в разбавленной уксусной кислоте, напишите уравнения реакций.

б) Получение нерастворимых солей угольной кислоты.

Из имеющихся на столе растворов выберите два таких, которые при добавлении раствора карбоната натрия дали бы нерастворимые соли угольной кислоты (руководствуйтесь таблицей растворимости). В отдельные пробирки налейте по 1-2 мл выбранных растворов и прибавьте в каждую равный объем раствора карбоната натрия. Составьте уравнения соответствующих реакций.

8.3.5 Опыт 5. Взаимодействие силиката с кислотой.

К 8мл 10%-го раствора силиката натрия прибавьте 1мл 25%-го раствора соляной кислоты. Образуется студенистый осадок. Составьте уравнение реакции.

8.3.6 Опыт 6. Гидролиз солей кремниевой кислоты.

Налейте в пробирку 2-3мл раствора силиката натрия и добавьте равный объем хлорида аммония. Наблюдайте образование осадка кремниевой кислоты. Определите по запаху выделяющийся газ. Напишите уравнения реакций.

8.3.7 Опыт 7. Получение солей кремниевой кислоты.

В отдельные пробирки налейте по 2-3мл растворов солей – сульфата меди(II), нитрата никеля(II), хлорида кобальта(II), и добавьте в каждую по 2мл раствора силиката натрия. Отметьте цвет осадков. Напишите уравнения реакций.

8.4 Контрольные вопросы и задачи

8.4.1 Дайте краткую характеристику углерода, указав:

а) распространение в природе;

б) аллотропические модификации углерода;

в) строение атома углерода, степени окисления углерода в соединениях;

г) образуемые оксиды и их характер.

8.4.2 Как получают диоксид углерода в лаборатории и технике? Укажите свойства СО2 и его отношение к воде и щелочам. Область применения.

8.4.3 Дайте краткую характеристику кремния, указав:

а) строение его атома и возможные степени окисления;

б) химические свойства кремния;

в) характер двуокиси кремния, ее отношение к воде, кислотам, щелочам.

8.4.4 Дайте краткую характеристику угольной кислоты. Назовите важнейшие соли угольной кислоты.

8.4.5 Дайте краткую характеристику метакремниевой кислоты и ее солей.

9 ЖЕЛЕЗО, КОБАЛЬТ, НИКЕЛЬ И ИХ СОЕДИНЕНИЯ

Лабораторная работа № 25

9.1 Цель лабораторной работы

Изучение химических свойств железа, кобальта, никеля и их некоторых соединений.

9.2 Теоретическая часть

Железо, кобальт и никель относятся к d-элементам группы периодической системы . На внешнем уровне атомов этих элементов имеется по два спаренных s-электрона. На d-подуровне 3-его энергетического уровня находится у железа 6, у кобальта 7 и у никеля 8 электронов. Эти элементы представляют собой металлы. Сравнение физических и химических свойств железа, кобальта и никеля показывают, что они сходны между собой, поэтому их обычно объединяют в семейство железа.

В соединениях они проявляют степени окисления, равные +2,+3, и только железо проявляет высшую степень окисления +6, но таких соединений мало и они не типичны. Степень окисления +3 наиболее характерна для железа и наименее для никеля; кобальт занимает промежуточное положение. Поэтому железо в степени окисления +2 является довольно сильным восстановителем, тогда как Ni2+ и Co2+ этими свойствами в заметной степени не обладают; соединения кобальта (II)и никеля (II) вполне устойчивы на воздухе. В степени окисления +3 эти металлы проявляют окислительные свойства; окислительная способность увеличивается в ряду Fe3+, Co3+, Ni3+.

Химическая активность металлов группы значительно ниже, чем у металлов , и закономерно понижается в зависимости от заполнения электронами d-подуровня. Стандартный электродный потенциал для железа равен –0,44 в, для кобальта и никеля соответственно –0,277 и 0,250 в, т. е. это металлы средней активности.

В отсутствии влаги Fe, Co, Ni при обычных условиях заметно не реагируют даже с такими типичными неметаллами - как кислород, сера, хлор, бром. Во влажном воздухе железо быстро ржавеет, т. е. покрывается бурым налетом гидратированного оксида железа, который вследствие своей рыхлости не защищает железо от дальнейшего окисления. При обильном доступе кислорода при этом образуются гидратные формы оксида железа (III)