Неорганическая химия : Химия s-, p- и 3d-элементов

Екатеринбург

Издательство Уральского университета

2018

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

УРАЛЬСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ИМЕНИ ПЕРВОГО ПРЕЗИДЕНТА РОССИИ Б. Н. ЕЛЬЦИНА

НЕОРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ

Химия s-, p- и 3d-элементов

Практикум

Рекомендовано

методическим советом Уральского федерального университета
для студентов вуза, обучающихся по направлениям подготовки

04.03.01 «Химия», 04.03.02 «Химия, физика и механика материалов»,

04.05.01 «Фундаментальная и прикладная химия»

УДК 546(076.5)
ББК 24.12я73-5
        Н52

В практикуме приводятся экспериментальные и теоретические задания

по свойствам элементов главных подгрупп Периодической системы Д. И. Менделеева и побочных подгрупп 4-го периода, сформулированные преимущественно в виде проблемных и поисковых задач, стимулирующих активную
самостоятельную работу студентов.

Для студентов первого курса, изучающих неорганическую химию.

Неорганическая химия : Химия s-, p- и 3d-элементов :

практикум / [А. Ф. Гусева, Л. И. Балдина, Н. А. Кочетова,
И. Н. Атманских ; под общ. ред. А. Ф. Гусевой] ; М-во образования и науки Рос. Федерации, Урал. федер. ун-т. – Екатеринбург : Изд-во Урал. ун-та, 2018. – 92 с.

ISBN 978-5-7996-2415-6

Н52

ISBN 978-5-7996-2415-6

А в т о р ы:

А. Ф. Гусева, Л. И. Балдина, Н. А. Кочетова, И. Н. Атманских

П о д  о б щ е й  р е д а к ц и е й

А. Ф. Гусевой

Р е ц е н з е н т ы:

лаборатория электрохимических устройств
на твердооксидных протонных электролитах

Института высокотемпературной электрохимии УрО РАН

(и. о. заведующего лабораторией

кандидат химических наук Д. А. Медведев);

Е. Ю. Ермишина, кандидат химических наук, доцент

(Уральский государственный медицинский университет
Министерства здравоохранения Российской Федерации)

© Уральский федеральный университет, 2018

УДК 546(076.5)
ББК 24.12я73-5

ОГЛАВЛЕНИЕ

Предисловие ........................................................................................................... 4

1.  РЕКОМЕНДАЦИИ  ДЛЯ  СТУДЕНТОВ
ПО  ВЫПОЛНЕНИЮ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ ................................. 7

1.1. Схемы описания химических веществ .................................................... 8
1.2. Этапы проведения эксперимента .......................................................... 10

2. ЗАДАНИЯ  ДЛЯ  ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ
И  ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ  РАБОТЫ ........................................................... 13

Тема 1. Элементы IА и IIА групп (s-металлы) ........................................... 13
Тема 2. Элементы IIIА группы ...................................................................... 21
Тема 3. Элементы IVА группы ...................................................................... 25
Тема 4. Элементы VА группы ....................................................................... 33

1. Простые вещества элементов VА группы и их соединения

в отрицательных степенях окисления .............................................. 39

2. Соединения элементов VА группы

в положительных степенях окисления ............................................. 40

Тема 5. Элементы VIА группы ...................................................................... 42

1. Кислород, халькогены, их соединения в с. о. –1, –2 ...................... 48
2. Кислородные соединения халькогенов ............................................ 50

Тема 6. Элементы VIIА группы ..................................................................... 52

1. Водород. Галогены и их соединения

в отрицательной степени окисления ................................................ 58

2. Соединения галогенов в положительных степенях окисления ... 60

Тема 7. Ранние 3d-металлы. Титан и ванадий ............................................. 61
Тема 8. Ранние 3d-металлы. Хром и марганец .......................................... 65
Тема 9. Поздние 3d-металлы. Триада железа ............................................. 71
Тема 10. Поздние 3d-металлы. Медь и цинк ............................................... 78

Список библиографических ссылок ................................................................ 85

Список рекомендуемой литературы ................................................................ 85

Приложение .......................................................................................................... 86

ПРЕДИСЛОВИЕ

Неорганическая химия – наиболее объемный раздел химичес
кой науки, поскольку включает химию подавляющего большинства
из известных на сегодня 118 химических элементов. Данная область знания продолжает активно развиваться. Так, непрерывно
эволюционирует и совершенствуется методология неорганической
химии, ее теоретический фундамент. Обновляются сведения об элементах и свойствах их соединений. Разрабатываются новые подходы к неорганическому синтезу. Материалы на основе неорганических соединений становятся более разнообразными и находят новые области применения.

Современные студенты испытывают объективные трудности

в понимании и освоении как фундаментальных закономерностей
неорганической химии, так и в их применении для описания и прогнозирования свойств неорганических соединений. Для облегчения
усвоения основных положений столь непростой науки модуль «Неорганическая химия», включенный в учебные планы ряда направлений, реализуемых в Институте естественных наук и математики
Уральского федерального университета, разделен на две дисциплины: «Химия s-, p- и 3d-элементов» и «Химия d- и f-элементов».

В рамках первой дисциплины, преподаваемой во II семестре

обучения, рассматриваются свойства элементов главных подгрупп
Периодической системы Д. И. Менделеева (ПС) и свойства элементов побочных подгрупп 4-го периода. Дисциплина «Химия s-, pи 3d-элементов» включает лекционные и лабораторные занятия,
а также большой блок самостоятельной работы, и строится таким
образом, чтобы дать студентам представление о свойствах соединений химических элементов, основанное на Периодическом законе
Д. И. Менделеева, с использованием современных сведений о строении вещества и других вопросов теоретической химии. Материал
по химии s- и p-элементов изучается в соответствии с их положением в коротком варианте Периодической таблицы Д. И. Менделеева,

начиная с 1-й группы, а химия 3d-элементов – в соответствии с их
электронным типом (ранние и поздние d-элементы).

В данном курсе уделяется внимание принципам переработки

минерального сырья, а также оценке практического значения элементов и их соединений. У студентов формируется представление
о современном состоянии и путях развития неорганической химии,
ее роли в получении неорганических веществ с заданными свойствами, создании современных технологий, процессах, происходящих в природе и повседневной жизни. Дисциплины учебного модуля «Неорганическая химия» имеют фундаментальное значение
в становлении специалиста широкого профиля, химика-исследователя и химика-преподавателя.

Профессиональные компетенции будущего специалиста-хими
ка формируются в значительной степени при прохождении химического практикума. В настоящем пособии форма организации
экспериментальных заданий по химии s-, p- и 3d-элементов имеет
поисковый характер на основе знания этапов химического эксперимента, который был сформирован ранее при изучении дисциплины «Общая химия». Данный подход позволяет студентам активно
включаться в ситуацию профессиональной деятельности химика
и способствует формированию профкомпетенций с первых лет
обучения.

Не менее важным в становлении профессионала является са
мостоятельная (аудиторная и домашняя) работа. Студентам предлагаются такие виды самостоятельной работы, как проведение
теоретического анализа этапов эксперимента, предваряющее лабораторную работу, а также решение задач и упражнений при проработке теоретической части материала и описание неорганического вещества (простого и сложного). Такая форма организации самостоятельной работы предполагает осознанное освоение изучаемого
материала с глубоким пониманием особенностей химических веществ и сути их превращений.

Данный практикум предназначен для студентов первого кур
са и содержит рекомендации к подготовке и выполнению лабораторного практикума и содержательную часть, представленную

десятью темами. В каждой теме имеется блок разного типа заданий для самостоятельной работы, в том числе кейс-задачи (в тексте отмечены звездочкой); а также экспериментальный блок. Бóльшая часть лабораторных опытов сформулирована в форме проблемных ситуаций, а выполнение более сложных в экспериментальном
плане опытов описано подробно. В конце практикума, в приложении, приведены справочные данные (диаграммы Латимера) и список рекомендованной литературы.

1.  РЕКОМЕНДАЦИИ  ДЛЯ  СТУДЕНТОВ

ПО ВЫПОЛНЕНИЮ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ

В ходе обучения дисциплине «Химия s-, p- и 3d-элементов» у сту
дентов должны сформироваться следующие умения и навыки:

1. Описывать с обоснованием с точки зрения теоретических

представлений общей химии элемент, образованные им простые
и сложные вещества (характеристические): водородные соединения, оксиды, галогениды, гидроксиды и соли, а также наиболее важные вещества в нехарактерной степени окисления (в соответствии
с приведенными ниже схемами).

2. Объяснять закономерности в изменении строения и свойств

атомов, простых и сложных (характеристических) веществ элементов одной подгруппы ПС.

3. Охарактеризовывать и объяснять сходства и различия в строе
нии и свойствах атомов, простых и сложных веществ элементов
одной подгруппы ПС.

4. Находить и объяснять сходство и различие в составе, строе
нии и свойствах атомов, простых и сложных веществ элементов,
расположенных в одной группе, подгруппе, периоде, по диагонали
в ПС, иллюстрируя электронными формулами, валентными схемами, уравнениями химических реакций.

5. Описывать и обосновывать выбор, с точки зрения генетичес
кой связи между классами, физико-химических закономерностей методики получения чистого вещества:

а) из заданных исходных веществ;
б) несколькими способами, предлагая исходные вещества и ус
ловия получения самостоятельно.

Описывать методику получения вещества, предусмотрев иден
тификацию чистого вещества.

6. Физико-химически обосновывать выбор методики разделе
ния смеси веществ, описывать ее, предложив методы идентификации каждого чистого вещества.

7. Термодинамически обосновывать, исходя из состава и строе
ния веществ, тип, возможность взаимодействия различных веществ;
составлять уравнения возможных химических реакций с подбором
стехиометрических коэффициентов и указанием условий их протекания и сопровождающих реакцию внешних признаков.

При выполнении домашнего задания по описанию простых

и сложных веществ излагать материал следует в соответствии с приведенными ниже схемами.

1.1. Схемы описания
химических веществ

Простое вещество
1. Состав и строение молекул простого вещества в газообраз
ном состоянии, вытекающие из строения электронной оболочки
атома элемента:

а) электронная формула с точки зрения метода молекулярных

орбиталей (ММО) для веществ молекулярного строения (для однои двухатомных молекул, образованных элементами I–III периодов);

б) валентная схема (для веществ молекулярного строения);
в) возможность образования аллотропных видоизменений.
2. Характеристика типов взаимодействия между молекулами

простого вещества при изменении температуры и давления. Строение структурных частиц при стандартных условиях, для твердого
состояния – тип кристаллической решетки и вытекающие из этого
физические свойства:

а) температура плавления и кипения (возгонки), разность этих

температур, агрегатное состояние простого вещества при стандартных условиях;

б) плотность простого вещества при стандартной температуре;
в) электропроводность, зависимость ее от температуры;
г) магнитные свойства;
д) оптические свойства (окраска, блеск);
е) механические свойства (твердость, пластичность и т. д.).

3. Химические свойства, вытекающие из строения простого

вещества, их физико-химическое обоснование:

а) общая характеристика химической активности простого вещест
ва, исходя из его положения в Периодической таблице и строения;
оценка окислительных и восстановительных свойств вещества (значения стандартных окислительно-восстановительных потенциалов);

б) отношение при разных условиях к простым веществам: водо
роду, кислороду (воздуху), галогенам и другим неметаллам, металлам;

в) отношение к сложным веществам, их водным растворам –

воде, кислотам (с окисляющим и неокисляющим анионом), растворам и расплавам щелочей;

г) специфические для данного простого вещества реакции.
4. Способы получения простого вещества из природных соеди
нений и лабораторные методы. Реакции идентификации, методы
очистки простого вещества.

5. Области применения простого вещества, вытекающие из фи
зических и химических свойств. Физиологическое действие вещества.

Сложное вещество
1. Класс сложного вещества, его состав и строение структур
ных частиц:

а) электронная формула с точки зрения ММО (для молекуляр
ных веществ, состоящих из атомов двух элементов одного периода состава 1 :1);

б) валентная схема (для веществ молекулярного строения).
2. Характеристика типов взаимодействия между структурны
ми частицами вещества при стандартных условиях; для твердого
состояния – тип кристаллической решетки и вытекающие из этого
физические свойства вещества:

а) температура плавления (если разлагается до плавления, то тем
пература разложения/возгонки), температура кипения, агрегатное
состояние вещества при стандартных условиях;

б) электропроводность, ее зависимость от температуры;
в) оптические свойства;
г) механические свойства;
д) органолептические свойства (вкус, запах).

3. Химические свойства, вытекающие из строения сложного

вещества, их физико-химическое обоснование:

а) вещество в индивидуальном состоянии: термическая устой
чивость, отношение к нагреванию; отношение к воде и другим растворителям;

б) кислотно-основные свойства индивидуального вещества

и его водного раствора;

в) окислительно-восстановительные свойства индивидуально
го вещества и его водных растворов в разных средах;

г) реакции комплексообразования индивидуального вещества

и его водных растворов;

д) реакции осаждения труднорастворимых веществ из водных

растворов, перевод труднорастворимых веществ в растворимую
форму;

е) специфические реакции.
4. Принципы получения индивидуального вещества (безвод
ного и кристаллогидрата), водных растворов.

5. Области применения сложного вещества, вытекающие из фи
зических и химических свойств. Физиологическое действие вещества.

При подготовке к лабораторным работам по темам курса сле
дует основываться на знании этапов проведения эксперимента,
который включает теоретический анализ проблемы (домашняя
подготовка) и проведение эксперимента в лаборатории.

1.2. Этапы проведения эксперимента

При подготовке к лабораторным работам по темам курса сле
дует основываться на знании этапов проведения эксперимента,
который включает теоретический анализ проблемы (домашняя
подготовка) и   проведение эксперимента в лаборатории.

Теоретический анализ экспериментальных заданий
Теоретический анализ экспериментальных заданий проводит
ся самостоятельно при подготовке к лабораторному практикуму.
Следует придерживаться следующего плана работы:

1. Составить уравнение реакции, указанной в задании. Дать

физико-химическое обоснование типа реакции, состава образующихся продуктов и возможности протекания реакции при стандартных условиях. Если реакция в стандартных условиях термодинамически невозможна, то необходимо определить условия ее протекания, используя принцип подвижного равновесия Ле-Шателье.

2. Обосновать условия проведения реакции, указанной в задании:
а) состояние исходных веществ: индивидуальное или раствор

(указать растворитель);

б) температура реакции (если отличается от комнатной, ука
зать, с каким аспектом это связано: кинетическим или термодинамическим);

в) давление;
г) воздушная или инертная атмосфера;
д) использование катализатора или ингибитора.
3. Предсказать внешние признаки протекания реакции (если

они имеются).

4. Предложить экспериментальные методы идентификации

продуктов реакции.

5. Указать, какая посуда, реактивы (если не указаны в зада
нии), материалы и приборы необходимы для выполнения работы.

Принять во внимание, что концентрация разбавленных вод
ных растворов кислот и щелочей, не указанная в задании, составляет 2 н, водных растворов солей – 0,5 н.

Экспериментальный этап
Данный этап подразумевает непосредственное проведение хи
мических опытов в ходе выполнения лабораторной работы. Следует придерживаться следующей последовательности действий:

1. Отобрать необходимые для выполнения работы реактивы,

оборудование и посуду.

2. Собрать прибор или установку.
3. Провести опыт, тщательно наблюдая за всеми происходя
щими явлениями.