Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
Национальный минерально-сырьевой университет «Горный»
Кафедра общей и физической химии
ОБщая и неорганическая химИя Свойства элементов побочных подгрупп
Методические указания к лабораторным работам
для студентов, обучающихся по направлению подготовки бакалавриата240100
САНКТ-ПЕТЕРБУРГ
УДК 546 (076.5)
ОБЩАЯ И НЕОРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ. СВОЙСТВА ЭЛЕМЕНТОВ ПОБОЧНЫХ ПОДГРУПП: Методические указания к лабораторным работам / Национальный минерально-сырьевой университет «Горный». Сост.:Д.Э. Чиркст, Т.Е. Литвинова, И.В. Берлинский, Д.С. Луцкий.
Изложены методики проведения опытов по свойствам элементов периодической системы и обработки результатов экспериментальных работ. Лабораторные работы предназначены для студентов, обучающихся по направлению подготовки бакалавриата 2400100 «Химическая технология».
Библиогр.:8
Научный редактор: проф. Чиркст Д.Э.
© Национальный минерально-сырьевой
университет «Горный» , 2012 г.
Свойства элементов побочных подгрупп Общие сведения
Побочные подгруппы периодической системы включают d -элементы до актиния включительно, все лантаноиды и первые четыре элемента ряда актиноидов.
У элементов побочных подгрупп наблюдается ряд характерных особенностей:
все элементы побочных подгрупп являются металлами;
многие элементы побочных подгрупп могут существовать в разных валентных состояниях (явление переменной валентности);
соединения большинства элементов побочных подгрупп обладают парамагнитными свойствами;
сходство по свойствам с элементами главных подгрупп как правило проявляется у соединений элементов с максимальной степенью окисления;
сходство свойств достаточно велико для элементов III–VIIгрупп периодической таблицы и мало заметно для элементовVIII–IIгрупп;
элементы побочных подгрупп способны к образованию окрашенных ионов типа Me z + – это свойство у металлов главных подгрупп отсутствует;
у элементов побочных подгрупп наблюдается сходство свойств в рядах по горизонтали, например Fe–Co–Ni, особенно характерное для элементовVIIIгруппы;
в подгруппах сверху вниз наблюдается изменение свойств от более активного металла к менее активному.
Ввиду того, что появление побочных подгрупп начинается в третьей группе, изучение элементов побочных подгрупп также логично начинать с изучения свойств элементов IIIВ группы.
Лабораторная работа № 7. Свойства элементовVii а группы. Галогены
Цель работы : изучение химических свойств галогенов.
Общие сведения
Входящие в VIIА подгруппу элементы фтор, хлор, бром, иод, астат называются галогены (солеобразующие). Такое название элементыVIIА подгруппы получили за способность взаимодействовать с металлами с образованием типичных солей типаMeГ n , где Ме – металл, Г – атом галогена.
Атомы галогенов содержат семь электронов на внешнем электронном уровне, следовательно, легко могут присоединять единственный электрон. Аналогичное строение внешнего электронного слоя обусловливает большое сходство галогенов друг с другом:
все галогены – типичные неметаллы;
у всех галогенов большое значение электроотрицательности;
в бинарных соединениях проявляют валентность, равную 1;
в бинарных соединениях с менее электроотрицательными элементами проявляют степень окисления −1;
все галогены являются сильными окислителями.
Увеличение радиуса атома сверху вниз по группе приводит к тем же закономерностям, что и у элементов других главных подгрупп. С повышением порядкового номера элементов в ряду F–At
уменьшается электроотрицательность;
ослабевают неметаллические свойства;
ослабевает окислительная способность простых веществ: более легкие галогены в виде простых веществ окисляют галогенид-ионы более тяжелых галогенов;
усиливается восстановительная способность галогенид-ионов: более тяжелые галогены в виде Г − восстанавливают более легкие галогены из их кислородных соединений;
изменяется агрегатное состояние простых веществ: фтор и хлор – газы, бром – тяжелая жидкость, иод, астат – кристаллические вещества.
появление положительной степени окисления (фтор в своих соединениях всегда находится в степени окисления −1);
изменение состояния галогеноводородов: HF– жидкость, водный раствор образует слабую кислоту; остальные галогеноводороды – газообразные вещества, водные растворы образуют сильные кислоты;
изменения растворимости галогенидов: фториды щелочно-земельных элементов мало растворимы, фторид серебра – растворим; для остальных галогенов – наоборот.
фтор – единственный из галогенов, который не образует кислородных соединений. Остальные галогены образуют оксиды, носящие кислотный характер и являющиеся сильными окислителями, а также кислородные кислоты. Сами кислородные кислоты галогенов и их соли являются как правило сильными окислителями.
Главные подгруппы побочные подгруппы
состоят из s- и p-элементов состоят из d-элементов (и f-)
Металлические свойства элементов обусловлены легкостью отдачи электронов (эл-т эл-т х+): чем легче атом отдает электроны, тем более активным металлом он будет. Рассмотрим, как меняются металлические свойства в Периодической системе.
По периоду слева направо радиус атома уменьшается и растет число валентных электронов, и чем больше их становится, тем труднее их отдача. Следовательно, по периоду слева направо металлические свойства ослабевают.
По группе (берем элементы главных подгрупп, подгрупп А, содержащих s- и p-элементы) сверху вниз число валентных электронов постоянно, но радиус атома увеличивается. И чем дальше расположены валентные электроны от ядра, тем легче их оторвать от атома и тем сильнее металлические свойства. (В побочных подгруппах, т.е. для d-элементов, за исключением 3-Б группы, изменение энергии ионизации носит обратный характер: она увеличивается сверху вниз). Следовательно, самый активный металл в Периодической системе - франций (Fr).
Потенциал ионизации (I, эВ) - та энергия, которую нужно затратить для отрыва электрона от атома. Чем меньше I, тем активнее металл (I минимален у Fr).
Неметаллические свойства элементов обусловлены способностью элементов присоединять к себе электроны (в итоге атомы достраивают свой валентный слой, приобретают отрицательный заряд, а их электронная оболочка становится, как у инертного газа (эл-т эл-т х-).
Неметаллические свойства обратны металлическим.
По периоду слева направо для завершения внешнего электронного слоя до восьми электронов атому нужно принять все меньше электронов, этот процесс осуществляется все легче и неметаллические свойства возрастают.
По группе снизу вверх радиус атома уменьшается, ядро все активнее притягивает к себе недостающие до октета электроны и неметаллические свойства возрастают. Самый активный неметалл в Периодической системе - фтор (F).
Энергия сродства к электрону (Е, эВ) - та энергия, которая выделяется при присоединении электрона к атому. Чем больше Е, тем активнее неметалл (Е максимальна у F).
Вопросы для закрепления материала :
1.У какого элемента (алюминия или галлия) сильнее выражены металлические свойства?
2.Почему элементы ванадий и галлий находятся в разных подгруппах Периодической системы?
Медь, серебро и золото относятся к d-элементам с общей электронной формулой...(n-1)s 2 p 6 d 10 ns 1 . По сравнению с главной подгруппой притяжение наружных электронов к ядру сильнее, т.к. радиус атомов меньше и химическая активность значительно ниже.
В ряду напряжения все эти элементы стоят после водорода, т.е. не вытесняют его из кислот.
Серебро и золото на воздухе не окисляются. Гидриды все три элемента не образуют.
Являются хорошими комплексообразователями. Склонны к образованию интерметаллических соединений.
Медь
В природе встречается в виде следующих соединений: Cu 2 S – медный блеск, Cu 2 O – куприт, CuFeS 2 – медный колчедан, Cu 2 (OH) 2 CO 3 – малахит.
Для производства меди значение имеют сульфидные руды. Переработка основана на том, что сульфиды переводят в оксиды обжигом с последующим восстановлением углеродом до меди. Полученная "черновая" медь содержит в качестве примесей Fe, Zn, Pb, Bi, Sb. Для получения чистой электротехнической меди ее подвергают рафинированию, т.е. в электролизную ванну в качестве анода помещают "черновую" медь, в качестве катода чистую медь в качестве электролита используют раствор сульфата меди и процесс электролиза ведут таким образом, чтобы на катоде шло восстановление только меди, а примеси уходили в шлам. В чистом виде медь - металл красного цвета, вязкий, пластичный, с высокой тепло- и электропроводностью.
1. На воздухе медь покрывается пленкой оксида, которая предотвращает дальнейшее разрушение. Во влажном воздухе, идет образование вещества зеленого цвета - малахита:
Cu + O 2 + CO 2 + H 2 O = (CuOH) 2 CO 3
2. При нагревании медь реагирует с серой и галогенами:
Cu + Cl 2 = CuCl 2
3. Хорошо растворяется в азотной кислоте и концентрированной серной кислоте:
Сu + 4HNO 3(конц) = Cu(NO 3) 2 +2NO 2 + 2H 2 O
3Cu + 8HNO 3(разб) = 3Cu(NO 3) 2 + 2NO + 4H 2 O
Cu + 2H 2 SO 4(конц) = CuSO 4 + SO 2 + 2H 2 O
4. С кислородом образует два оксида: CuO – черного цвета, Cu 2 O – красного цвета. Оба оксида в воде не растворимы. Соответствующие основания: CuOH – желтого цвета, Cu(OH) 2 – голубого цвета. В небольшой степени Cu(OH) 2 обладает амфотерными свойствами:
Cu(OH) 2 + 2NaOH = Na 2
Соли меди в водных растворах, как правило, окрашены в зелено-голубой цвет, многие из них образуют кристаллогидраты: CuSO 4 . 5H 2 O, CuCl 2 . 4H 2 O, Cu(CH 3 COO) 2 . 2H 2 O. Кристаллогидрат CuSO 4 . 5H 2 O (медный купорос) используются как средство борьбы с вредителями и для протравки семян.
Медь имеет большое значение в технике при производстве сплавов. Это латуни, бронзы и медно-никелевые сплавы.
Латунь . Сплав меди с цинком (Zn до 45%). Латуни используются в машиностроении, судостроении (латунь устойчива в морской воде).
Бронзы . Сплавы меди с оловом, бериллием, кремнием, алюминием. Используются в машиностроении.
Медно-никелевые сплавы : мельхиор, константан, копель. Идут на изготовление посуды (мельхиор), используются в электротехнике.