Исследование аллотропных модификаций кислорода и серы и изучение их свойств

Муниципальное автономное образовательное учреждение лицей №49

Исследовательская работа:

Исследование аллотропных модификаций кислорода и серы и изучение их свойств

Работу выполнил: ученик 10 «Г» класса

Руководитель: Заслуженный учитель РФ,

учитель химии МАОУ лицея № 49

Калининград

2017

Оглавление

Введение        2

Глава 1. Литературный обзор        3

1.1. Аллотропия        3

1.2. Кислород        4

1.3. Сера        5

Глава 2. Метод исследования        10

Глава 3. Экспериментальная часть        11

3.1. Получение, собирание и обнаружение озона. Исследование физических, химических свойств озона        11

3.2. Изучение окислительных свойств озона        12

3.3. Идентификация растворов сульфата железа(2+ и 3+)        12

3.4. Окисление серы озоном в воде        13

3.5. Получение сернистой кислоты        14

3.6. Получение аллотропной серы        16

3.7. Физические свойства полученной серы        16

Глава 4. Обсуждение результатов        18

Заключение        19

Литература        20

Введение

Аллотропия — это существование по крайней мере двух форм одного и того же элемента в твердом кристаллическом состоянии, которые отличаются пространственным расположением атомов. Изменение формы одного и того же вещества в основном связано с изменением его энергии, поэтому термин аллотропия следует применять исключительно в термодинамическом смысле. Также аллотропию сравнивают с полиморфизмом.

Полиморфимзм кристамллов (от др.-греч. Рплэмпсцпт «многообразный») – способность организма существовать в разных кристаллических структурах, называемых полиморфными модификациями. Полиморфизм характерен для разных типов веществ. Для простых веществ полиморфизм называют аллотропией.

Цель работы: Исследование физических и химических свойств аллотропных модификаций серы и кислорода.

Исходя из этого, можно выделить следующие задачи для моего проекта:

Изучение свойств серы и кислорода по литературным источникам. Выбор методики получения аллотропных модификаций кислорода и серы Исследование свойств полученных модификаций.

Глава 1. Литературный обзор

1.1. Аллотропия

Аллотромпия (от др.-греч. ἄллпт — «другой», фсьрпт — «поворот, свойство») — существование двух и более простых веществ одного и того же химического элемента, различных по строению и свойствам — так называемых аллотропных (или аллотропических) модификаций или форм.

Явление аллотропии обусловлено либо различным составом молекул простого вещества (аллотропия состава), либо способом размещения атомов или молекул в кристаллической решётке (аллотропия формы).

Понятие аллотропии введено в науку Й. Берцелиусом в 1841 году для обозначения разных форм существования элементов.

В 1912 году В. Оствальд отметил, что аллотропия элементов является просто частным случаем полиморфизма кристаллов, и предложил отказаться от этого термина. Однако по настоящее время эти термины используются параллельно. Аллотропия относится только к простым веществам, независимо от их агрегатного состояния; полиморфизм — только к твёрдому состоянию независимо от того, простое это вещество или сложное. Таким образом, эти термины совпадают для простых твёрдых веществ (кристаллическая сера, фосфор, железо и др.)

Йёнс Якоб Берцемлиус — шведский химик и минералог. Член Шведской академии наук, с 1810 года — её президент, с 1818 года — непременный секретарь. Ввёл современные символы химических элементов. Открыл церий (1803), селен (1817), торий (1828). Развил электрохимическую теорию. Предложил термины аллотропия, изомерия, катализ и другие.

Вимльгельм Фримдрих Омствальд — русский и немецкий физико-химик и философ-идеалист, происходивший из остзейских немцев. Лауреат Нобелевской премии по химии 1909 года.

В настоящее время известно более 400 разновидностей простых веществ. Способность элемента к образованию аллотропных форм обусловлена строением атома, которое определяет тип химической связи, строение молекул и кристаллов.

Как правило, большее число аллотропных форм образуют элементы, имеющие переменные значения координационного числа или степени окисления (олово, фосфор). Другим важным фактором является катенация — способность атомов элемента образовывать гомоцепные структуры (например, сера). Склонность к аллотропии более выражена у неметаллов, за исключением галогенов, благородных газов, и полуметаллов.

Принято обозначать различные аллотропические формы одного и того же элемента строчными буквами греческого алфавита; причём форму, существующую при самых низких температурах, обозначают буквой б, следующую — в и т. д.

1.2. Кислород

Кислоромд — элемент 6-й группы, второго периода периодической системы химических элементов , с атомным номером 8. Обозначается символом O (лат. Oxygenium). Кислород — химически активный неметалл, является самым лёгким элементом из группы халькогенов. Простое вещество кислород при нормальных условиях — газ без цвета, вкуса и запаха, молекула которого состоит из двух атомов кислорода (формула O2), из-за чего его также называют дикислород. Жидкий кислород имеет светло-голубой цвет, а твёрдый представляет собой кристаллы светло-синего цвета.

Жидкий кислород (температура кипения −182,98°C) — это бледно-голубая жидкость. Твёрдый кислород (температура плавления −218,35°C) — синие кристаллы. Известны 6 кристаллических фаз, из которых три существуют при давлении в 1 атм.

Сильный окислитель, взаимодействует со всеми элементами, кроме гелия, неона, аргона и фтора, образуя оксиды. Степень окисления −2. Как правило, реакция окисления протекает с выделением тепла и ускоряется при повышении температуры.

4Li+O2=2Li2O

Кислород образует пероксиды со степенью окисления атома кислорода, формально равной −1.

2Na+O2=Na2O2        

Кислород образует фториды (+1; +2)

O2+F2=O2F2

2F2+NaOH+H2O=2NaF+H2O+OF2

Кислород применяется в металлургии, в медицине, при производстве топлива, в пищевой промышленности, в химической промышленности, в сельском хозяйстве.

Большинство живых существ (аэробы) дышат кислородом. Широко используется кислород в медицине. При сердечно-сосудистых заболеваниях, для улучшения обменных процессов, в желудок вводят кислородную пену («кислородный коктейль»). Подкожное введение кислорода используют при трофических язвах, гангрене и других серьёзных заболеваниях. Для обеззараживания и дезодорации воздуха и очистки питьевой воды применяют искусственное обогащение озоном. Радиоактивный изотоп кислорода 15O применяется для исследований скорости кровотока, лёгочной вентиляции .

1.3. Сера

Семра — элемент 16-й группы, третьего периода периодической системы химических элементов , с атомным номером 16. Проявляет неметаллические свойства. Обозначается символом S (лат. sulfur).

Существование аллотропных модификаций серы связано с её способностью образовывать устойчивые гомоцепи – S – S –. Устойчивость цепей объясняется тем, что связи – S – S – оказываются прочнее, чем связь в молекуле S2. Гомоцепи серы имеют зигзагообразную форму, поскольку в их образовании принимают участие электроны взаимно перпендикулярных р-орбиталей.

Существует три аллотропные модификации серы: ромбическая(рис.2), моноклинная(рис.3) и пластическая(рис.4). Ромбическая и моноклинная модификации построены из циклических молекул S8, размещенных по узлам ромбической и моноклинной решеток.

Молекула S8 имеет форму короны, длины всех связей – S – S – равны 0,206 нм и углы близки к тетраэдрическим 108°(рис.5).

В ромбической сере наименьший элементарный объем имеет форму прямоугольного параллелепипеда, а в случае моноклинной серы элементарный объем выделяется в виде скошенного параллелепипеда.

Возможны молекулы с замкнутыми (S4, S6) цепями и открытыми цепями. Такой состав имеет пластическая сера, вещество коричневого цвета, которая получается при резком охлаждении расплава серы (пластическая сера уже через несколько часов становится хрупкой, приобретает жёлтый цвет и постепенно превращается в ромбическую).

Пластическая модификация серы образована спиральными цепями из атомов серы с левой и правой осями вращения. Эти цепочки скручены и вытянуты в одном направлении.

При обычных давлениях сера образует хрупкие кристаллы желтого цвета, плавящиеся при 112,8°С; плотность ее 2.07г/смі. Сера хорошо растворима в сероуглероде, бензоле и некоторых других жидкостей. При испарении этих жидкостей сера выделяется из раствора в виде прозрачных желтых кристаллов ромбической системы, имебщих форму октаэдров, у которых обычено часть углов или ребер как бы срезана. Эта модификация серы называется ромбической.

Иной формы кристаллы получаются, если медленно охлаждать расплавленную серу и, когда она частично затвердевает, слить ещё не успевшую застыть жидкость. При этих условиях стенки сосуда оказываются покрытыми изнутри длинными темно-желтыми игольчатыми кристаллами. Эта модификация серы называется моноклинной. Она имеет плотность 1,96г/смі и плавится при 119,3°С. Устойчива только при температуре выше 96°С. При более низкой температуре кристаллы моноклинной серы светлеют, превращаясь в октаэдры ромбической серы.

При комнатной температуре устойчива ромбическая сера. При нагревании она плавится, превращаясь в желтую легкоподвижную жидкость, при дальнейшем нагревании жидкость загустевает, так как в ней образуются длинные полимерные цепочки. При медленном охлаждении расплава образуются темно-желтые игольчатые кристаллы моноклинной серы, а если вылить расплавленную серу в холодную воду, получится пластическая сера – резиноподобная структура, состоящая из полимерных цепочек. Пластическая и моноклинная сера неустойчивы и самопроизвольно превращаются в ромбическую.

Температура кипения 444,6°С, плотность 1,96г/смі

Сера реагирует с неметаллами

S+3F2=SF6

Расплав серы реагирует с хлором, при этом возможно образование двух низших хлоридов

S+Cl2=SCl2

2S+Cl2=S2Cl2

При нагревании реагирует с водородом, углеродом, кремнием.

H2+S=H2S

2S+Si=SiS2

2S+C=CS2

При нагревании сера взаимодействует со многими металлами, часто — весьма бурно. Иногда смесь металла с серой загорается при поджигании. При этом взаимодействии образуются сульфиды:

2Na+S=Na2S

Ca+S=CaS

С концентрированными кислотами-окислителями (HNO3, H2SO4) сера реагирует только при длительном нагревании.

Сера — один из биогенных элементов. Сера входит в состав некоторых аминокислот (цистеин, метионин), витаминов (биотин, тиамин), ферментов. Сера участвует в образовании третичной структуры белка (формирование дисульфидных мостиков). Также сера участвует в бактериальном фотосинтезе (сера входит в состав бактериохлорофилла, а сероводород является источником водорода). Окислительно-восстановительные реакции серы — источник энергии в хемосинтезе.

Человек содержит примерно 2г серы на 1кг веса.

Сера широко используется в народном хозяйстве. В резиновой промышленности её применяют для превращения каучука в резину. Свои ценные свойства каучук приобретает только после смешивания с серой и нагревания до определенной температуры. Такой процесс называется вулканизацией каучука.

Каучук с очень большим содержанием серы называют эбонитом. Это хороший электрический изолятор.

Серу используют для уничтожения некоторых вредителей растений. Она примется также для приготовления спичек, ультрамарина, сероуглерода и ряда других веществ. В странах, богатых серой, она служит сырьем для получения серной кислоты.

Глава 2. Методы исследования

Для исследования аллотропии кислорода понадобится прибор озонатор-люкс, водный раствор сульфата железа (II), каустическая сода, иодид калия, родонит калия. Чтобы определить окислительные свойства озона, пропустим этот газ через водный раствор сульфата железа(2+).

Через водный раствор иодида калия пропустим озон. В полученный раствор опустим йодкрахмальную бумажку. Пронаблюдать возможные изменения в её цвете.

Для исследования аллотропии серы понадобится хлорид бария, серная кислота, озон. Смешаем серу с водой (сера в воде практически не растворяется) и пропустим через полученный раствор озон. Полученный раствор отфильтровываем и полученную жидкость добавляем к хлориду бария.

Сера легкоплавкое вещество, поэтому для изучения её физических свойств понадобится спиртовка и вода.

Глава 3. Экспериментальная часть

Получение, собирание и обнаружение озона. Исследование физических и химических свойств озона

Для получения озона использовали озонатор-люкс. Озон собирали вытеснением воды. Обнаруживали его по запаху – запах свежести, и с помощью вложений йодкрахмальной бумажки.

Вложенная белая йодкрахмальная бумажка в пробирку становилась темно-синей (фотография 1).

Фотография 1

2KI+O3+H2O=2KOH+I2+O2

2I - - 2e –> I20

O0 + 2e –> O-2

При пропускании через раствор иодида калия озона из озонатора бесцветный раствор приобретает желтую окраску характерную для водных растворов йода.

Озон выделяет из иодида калия йод(I2), который образует с крахмалом комплекс темно-синего цвета (фотография 2).

Фотография 2

Изучение окислительных свойств озона

Окисляется вещество, химический элемент в котором принимает электроны и алгебраически понижает степень окисления (условный заряд).

В качестве восстановителей были использованы вещества:

Водный раствор сульфата железа(2+) Взвесь серы в воде Раствор сернистой кислоты

Предполагаемые результаты:

Озон окисляет соли двухвалентного железа до сульфата железа(3+), появление ионов Fe3+ определяется раствором родонита калия(KCNS) по проявлению красного окрашивания Озон в присутствии воды окислил серу до серной кислоты Наличие сульфат ионов SO42- определяется раствором хлорида бария по появлению белого осадка сульфата бария. BaSO4 в воде нерастворим Озон окислил сернистую кислоту(H2SO3) до серной кислоты(H2SO4) Идентификация растворов сульфата железа(2+ и 3+)

Идентификация раствора сульфата железа(2+) с помощью раствора гидроксида натрия:

FeSO4+2NaOH=Fe(OH)2+Na2SO4

Fe2++2OH-=Fe(OH)2

Образовался студенистый зеленый осадок, характерный для гидроксида железа(2+) (фотография 3).

Фотография 3

Через 50мл раствора, подкисленного серной кислотой, FeSO4 в течение 5 минут пропускали озон из озонатора. Внешних признаков реакции не наблюдалось.

К пробе раствора добавили раствор родонита калия. Раствор изменил окраску на красную, это значит, что в растворе весть ионы Fe3+ (фотография 4).

Фотография 4

2FeSO4+O3+H2SO4=Fe2(SO4)3+O2+H2O

Fe2+-1e –> Fe3+

O0+2e –> O-2

Fe2(SO4)3+6KCNS=2Fe(CNS)3+3K2SO4

Окисление серы озоном в воде

Через взвесь серы в 50мл воды пропускали озон в течение 5 минут (фотография 5).

H2O+S+O3=H2SO4

Фотография 5

Определим в растворе наличие ионов SO42- реактивом BaCl2. Наблюдается образование белого осадка (фотография 6).

H2SO4+BaCl2=BaSO4+2HCl

Ba2++SO42-=BaSO4

Фотография 6

Получение сернистой кислоты

Сернистая кислота – вещество нестабильное и летучее (фотография 7).

H2SO3 ⇄ SO2 + H2O

Фотография 7

Получаем сернистую кислоту сжиганием серы в колбе с водой. Сернистая кислота определяется лакмусом, окрасившим раствор в розовый цвет.

S+O2=SO2

Колба заполнится сернистым газом, который растворится в воде. Лакмус изменит цвет на розовый, так как образуется сернистая кислота (фотография 8).

SO2 + H2O ⇄ H2SO3

Фотография 8

Через 50мл раствора сернистой кислоты в течение 5 минут пропускаем озон.

H2SO3+O3=H2SO4+O2

При добавлении хлорида бария образуется белый осадок нерастворимого сульфата бария.

Получение аллотропной серы

Для получения аллотропных модификаций серы понадобилось превратить серу в порошок. Для этого воспользовались ступкой с пестиком (фотография 10).

Фотография 10

Сернистый порошок нагреваем в пробирке до того, когда он расплавится и превратиться в пластическую серу (фотография 11). Темно-красный цвет расплавленной серы будет свидетельствовать о том, что сера стала пластической.

Фотография 11

Физические свойства полученной серы

Пластическая сера по своим свойствам представляет жидкость кровавого цвета. Она крайне неустойчива и легко переходит в ромбическую серу. При добавлении её в холодную воду она превращается в моноклинную серу.

Моноклинная сера по своим физическим свойствам напоминает жвачку. Она имеет янтарный цвет и получается в результаты добавления пластической серы в холодную воду. Такая сера тоже менее устойчива по сравнению с ромбической серой (таблица 1).

Таблица 1 - Сравнение физических свойств серы

Ромбическая сера	Моноклинная сера	Пластическая сера
t°пл. = 113°C	t°пл. = 119°C	t°кип. = 444,6 °С
с = 2,07 г/см3	с = 1,96 г/см3	с = 1,96 г/см3
Наиболее устойчивая форма	Менее устойчивая форма, при обычных условиях переходит в ромбическую серу	Крайне неустойчива, легко переходит в ромбическую форму.

Глава 4. Обсуждение результатов

В ходе работы была выявлена реакционная способность серы и кислорода и изучена реакционная способность их аллотропных модификаций. Во всех реакциях сера проявляла себя как восстановитель и образовывала оксиды и кислоты. Опытным путем было выявлено, как сильно окислилась сера в той или иной реакции. Наличие кислотной среды в растворе определялось индикатором – лакмусом.

Озон является мощным окислителем, потому он должен окислять хром. Но опытным путем добиться этого не удалось, так как хром окислился до +6 только в сильнощелочной среде. Озон, проявляя свои окислительные способности, окислял железо до 3+, это было доказано опытным путем. Во всех реакциях с сернистой кислотой озон окислял её до +6, тем самым делая её серной кислотой.

Все желаемые результаты были получены, окислительные свойства озона и восстановительные свойства серы были подтверждены.

Заключение

Сера – восстановитель, способный быстро плавиться и образовывать нестабильные формы. Сера мало растворима в воде, но при пропускании через этот раствор озона образует серную кислоту. Все аллотропные модификации серы легко переходят в ромбическую форму. Озон с некоторыми восстановителями может реагировать только в щелочной среде. Легко получается, не имеет цвета вкуса. Имеет запах свежести. Активность озона в реакции с сильными восстановителями зависит от pH среды.

Литература

, , Озон и его реакции с органическими соединениями, М., 1974; Bailey Ph. S., Ozonation in organic chemistry, v. 1-2, N. Y., 1978-82. . Советский Энциклопедический Словарь Гл. редактор Общая химия: Учебное пособие для вузов.-23-е изд., испр./Под ред. .-Л.:Химия, 1983-704с. Ил. , (1980). «Кинетика и механизм реакции озона с двойными связями». , (1967). «Реакции озона с олефинами». Химическая энциклопедия / Редкол.: и др. , Озон и его реакции с органическими соединениями (кинетика и механизм). , Физическая химия озона. изико-химическая кристаллография. — Пер. с нем. . — Под ред. и . , Физическая химия. Основы статистической физики и термодинамики. Сера, химический элемент // Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона. Основы общей химии. Вредные химические вещества: Неорганические соединения элементов V-VIII групп. ллотропия химических элементов.