Химия элементов

Министерство науки и высшего образования 

Российской Федерации

Уральский федеральный университет

имени первого Президента России Б. Н. Ельцина

М. Г. Иванов, В. В. Вайтнер, С. Д. Ващенко

Химия элементов

Практикум

Рекомендовано методическим советом  
Уральского федерального университета  
для студентов вуза, обучающихся  

по направлению подготовки 
18.03.01 — Химическая технология

Екатеринбург
Издательство Уральского университета
2021

УДК 546(076.5)
ББК 24.12я73
          И20

Рецензенты:

кафедра химии и процессов горения УрИ ГПС МЧС России (и. о. начальника кафедры, канд. хим. наук М. Л. Кондратьева);
канд. хим. наук, доц., научный сотрудник лаборатории пирохимических процессов и электрохимических технологий 
ИВТЭ УрО РАН Е. В. Никитина

Научный редактор — доц., канд. хим. наук Е. А. Никоненко

 
Иванов, Михаил Григорьевич.

И20    Химия элементов : лабораторный практикум / М. Г. Иванов, В. В. Вайтнер, С. Д. Ващенко ; М‑во высш. обр. и науки. — Екатеринбург : Изд‑во Урал. ун‑та, 2021. — 108 с.

ISBN 978‑5‑7996‑3265‑6

Практикум по выполнению лабораторных работ предназначен 

для освоения методики экспериментов, содержит описание отчетов 
по выполненной работе, задания для самостоятельной подготовки 
по основным разделам курса «Химия элементов»: «Комплексные 
соединения», «Химические свойства неметаллов и их соединений», 
«Химические свойства металлов и их соединений». Практикум разработан с учетом введения балльно‑рейтинговой системы оценивания знаний и умений студентов, полученных ими в ходе изучения 
курса «Химия элементов».
УДК 546(076.5)
ББК 24.12я73

ISBN 978‑5‑7996‑3265‑6 
© Уральский федеральный

 
университет, 2021

ОГЛАВЛЕНИЕ

Предисловие ....................................................................................... 4
Комплексные соединения ................................................................. 5
Лабораторная работа № 1. Некоторые закономерности  
периодической системы ...................................................................15
Лабораторная работа № 2. Комплексные соединения ....................19
Лабораторная работа № 3. Свойства галогенов  
и их соединений ................................................................................33
Лабораторная работа № 4. Свойства серы и ее соединений ...........40
Лабораторная работа № 5. Свойства соединений азота ..................45
Лабораторная работа № 6. Свойства соединений  
углерода и кремния ...........................................................................50
Лабораторная работа № 7. Свойства соединений железа,  
кобальта, никеля ...............................................................................57
Лабораторная работа № 8. Свойства соединений марганца ...........63
Лабораторная работа № 9. Свойства соединений хрома .................69
Лабораторная работа № 10. Свойства соединений ванадия ............74
Лабораторная работа № 11. Свойства соединений титана ..............79
Лабораторная работа № 12. Свойства соединений меди .................83
Лабораторная работа № 13. Свойства соединений  
олова и свинца ...................................................................................87
Приложения. Справочные материалы для выполнения  
лабораторных работ ..........................................................................97

Предисловие

Предисловие

П

редлагаемый практикум представляет собой руководство по выполнению лабораторных работ на занятиях по дисциплине «Химия элементов» для студентов‑бакалавров первого курса ХТИ и ИММ очной и заочной 
форм обучения. В книге изложены методики проведения лабораторного эксперимента и рекомендации по оформлению отчетов о проделанной работе.

После каждой лабораторной работы приведены задания 
для самостоятельной подготовки, которые студент выполняет по указанию преподавателя и сдает вместе с лабораторным 
отчетом на проверку.

Контрольные задания по трем основным разделам «Комплексные соединения», «Химические свойства неметаллов и их 
соединений», «Химические свойства металлов и их соединений» могут быть использованы как студентами для самоконтроля, так и преподавателями для текущего контроля знаний.

Во введении рассмотриваются строение, номенклатура, способы получения и химические свойства комплексных соединений. «Комплексные соединения» — это одна из наиболее 
сложных тем для студентов. Эти соединения связывают химию 
металлов (комплексообразователь чаще всего металл или ион 
металла) и неметаллов (лиганды — соединения неметаллов). 
Комплексным соединениям посвящена лабораторная работа 
№ 2, кроме того, эти вещества будут встречаться и в ряде других лабораторных работ практикума «Химия элементов». 

1. Основные понятия 

Комплексные соединения

1. Основные понятия 
С

уществует множество определений комплексных соединений. Согласно одному из них комплексные или 
координационные соединения — сложные соединения, в составе которых имеются связи, образованные по донорно‑акцепторному механизму.

Комплексообразователь (КС) — центральный атом или ион 

металла. Комплексообразователями являются атомы или ионы, 
имеющие вакантные электронные орбитали. Вокруг комплексообразователя формируется координационная сфера из заряженных 
ионов или нейтральных молекул, которые называются лигандами. Различают внутреннюю и внешнюю координационные сферы.

Совокупность комплексообразователя и координированных 

вокруг него лигандов называют внутренней координационной 
сферой. Её принято записывать в квадратных скобках. Частицы, находящиеся за пределами координационной сферы, образуют внешнюю сферу, которая записывается за пределами 
квадратных скобок:

[Cu(NH3)4]Cl2 

внутренняя сфера внешняя сфера

K3[CoF6] 

внешняя сфера внутренняя сфера

КомПлеКсные соединения

При составлении формулы комплексного соединения сначала записывают катион, а затем — анион. Во внутренней координационной сфере (в квадратных скобках) первым указывают 
химический символ комплексобразователя, далее — символы 
лигандов с указанием их числа: [Mn(L 0)x(L‑)y]. Внутренняя координационная сфера достаточно устойчива. Комплексообразователь, как правило, обладает высоким поляризующим действием 
(ПД). Чем выше ПД, тем сильнее способность к комплексообразованию. ПД, как правило, прямо пропорционально заряду комплексообразователя и обратно пропорционально размеру ядра. В связи с тем, что переходные d‑металлы обладают 
незавершенной 18‑электронной структурой, чаще всего именно 
они выполняют роль комплексообразователя. Однако бывают 
КС, в которых комплексообразователем может быть неметалл, 
а также щелочной или щелочноземельный металл. Комплексообразователь обычно акцептор, а лиганды — доноры электронов, 
и при образовании КС между ними возникает донорно‑акцепторная (координационная) связь. КС могут быть электронейтральными (неэлектролитами — [Со(NH3)3Cl3]), могут иметь 
отрицательный заряд (комплексный анион — [Sn(ОН)4] 2–) или 
положительный заряд (комплексный катион — [Ag(NH3)2]+).

Если внутренняя сфера имеет заряд, то его компенсируют 

противоионы, образующие внешнюю сферу. Внешнесферными могут быть и катионы, например, K+ в K2[Sn(ОН)4], и анионы, например NO3
– в [Ag(NH3)2]NO3. Кроме противоионов 

во внешней сфере могут находиться и нейтральные молекулы. 
КС могут состоять только из комплексообразователя и лигандов, например, карбонилы металлов: Ti(CO)7, Cr(CO)6.
Лигандами могут быть нейтральные молекулы, анионы:
• нейтральные: Н2O, CO, NH3, этилендиамин  
Н2N–CH2–CH2–NH2 и др;

• анионы СN─, OH─, Cl─, Br─, I─ и др.
Лиганды к центральному атому присоединяются двухцентровыми или многоцентровыми связями. В случае двухцентро

2. Номенклатура 

вых связей лиганды выступают в качестве доноров электронных пар, а комплексообразователь — их акцептор.

Число координационных мест, которые занимает лиганд 

в координационной сфере, называется дентатностью лиганда (лат. имеющий зубы). Монодентатные лиганды (Cl─, 
CN─, CO, H2O и т. д.) связаны с центральным атомом одной 
связью, полидентатные — несколькими. Например, этилендиамин Н2N–CH2–CH2–NH2 относится к бидентантным  
лигандам.
Число лигандов, координируемых комплексообразователем, 

называется координационным числом (к. ч.). К. ч., как правило, 
больше степени окисления (СтО) комплексообразователя. Известны к. ч. в пределах от 2 до 13. Чаще встречаются к. ч., равные 4; 6; 2. Эти числа соответствуют симметричной геометрической конфигурации КС: тетраэдрической или квадратной (4), 
октаэдрической (6), линейной (2).

Общие принципы численного значения к. ч.:
• нейтральных лигандов может присоединиться больше, 
чем заряженных;
• к. ч. зависит от размеров комплексообразователя и размеров лигандов;
• чем больше СтО комплексообразователя, тем больше 

его к. ч.; как правило, если СтО = +1, то к. ч. = 2; если  
СтО = +2, то к. ч. = 4; если СтО = +3, то к. ч. = 6.

2. Номенклатура 

Многие КС сохранили свои исторические названия, связанные с их цветом, именем ученого и т. п. В настоящее время названия КС строятся в соответствии с номенклатурными правилами ИЮПАК.

Первым в именительном падеже называется анион, а затем 

в родительном падеже — катион. Это наблюдается и для обыч

КомПлеКсные соединения

ных соединений: NaNO3 — нитрат натрия. Название комплексной частицы — аниона — оканчивается суффиксом «ат».

При построении названия комплексной частицы сначала перечисляют лиганды, затем называют центральный атом с указанием его СтО римской цифрой в круглых скобках.

Порядок перечисления лигандов: а) анионные, б) нейтральные, в) катионные без разделения друг от друга дефисом. Анионы перечисляют в таком порядке: Н─, О2
2─, ОН─, простые анионы, полиатомные и, наконец, органические в алфавитном 
порядке. Молекулы Н2О и NH3 называют «аква» и «аммин»: 
[PtClNO3(NH3)2]SO4 — cульфат хлоронитродиамминплатины (IV).

Приставки ди‑, три‑, тетраи т. д. используют перед простыми лигандами: дихлоро‑, тетраоксо‑, гексациано‑. Бис‑, трисиспользуют перед лигандами со сложными названиями, в которых в самом названии уже есть приставки (моно‑, ди‑): хлорид 
трис (этилендиамин)железа (III). Названия таких лигандов заключают в скобки.

3. Классификация 

Выделяют следующие подходы к классификации:
• по принадлежности к определенному классу соединений: 

кислоты, основания, соли, неэлектролиты;
• природе лигандов: Н2О — аквакомплексы, NH3 — аммиакаты, ОН─ — гидроксокомплексы, анионы кислот (галогены, цианиды, карбонаты и т. д.) — ацидокомплексы;

• знаку заряда комплекса: катионные, анионные, нейтральные (нейтральные не имеют внешней сферы);

• числу ядер, составляющих соединение: монои полиядерные.

Примеры названий и классов КС:
[Cu(NH3)2]OH — гидроксид диамминмеди (I) — основание, 

катионный;

4. Диссоциация 

[Cu (NH3)4] SO4 — сульфат тетраамминмеди (II) — соль, катионный;
Li[AlH4] — тетрагидридоалюминат лития — соль, анионный;
Na2[Zn(OH)4] — тетрагидроксоцинкат натрия — соль, анионный;
[Cr(H2O)6]Cl3 — хлорид гексааквахрома (III) — соль, катионный комплекс;
[Pt(Н2О)(NH3)2ОН]NO3 — нитрат гидроксодиамминакваплатины (II) — соль, катионный;

H2[PtCl6] гексахлороплатинат (IV) водорода — кислота,  
анионный;
[Pt(NH3)2Cl2] — дихлородиамминплатина — неэлектролит.

4. Диссоциация 

Внутренняя и внешняя сферы координационных соединений сильно отличаются по устойчивости. Частицы, находящиеся во внешней сфере, связаны с комплексными ионами преимущественно электростатическими силами и легко отщепляются 
при растворении комплексов в воде, то есть диссоциация в растворах на внешнюю и внутреннюю сферы происходит как диссоциация сильных электролитов:

 
[Ag (NH3)2]NO3 = [Ag (NH3)2]+ + NO3
─, α = 1.

Внутренняя сфера КС диссоциирует как слабый электролит: 

обратимо и ступенчато. Число ступеней равно числу лигандов, 
входящих в состав внутренней сферы:

 
[Ag (NH3)2]+ ⇄ [AgNH3]+ + NH3 

 
[AgNH3]+ ⇄ Ag+ + NH3 

Константы диссоциации внутренней сферы комплексных 
соединений (без учета гидратации) называют константами 
нестойкости:

КомПлеКсные соединения

 
K
=[
] [
]

[ [
(
) ] ]

Ag NH
NH

Ag NH
1нест
3

+

3

3
2
+
(
)
Ч
=
Ч
1 2 10 4
,
-  

 
K
=[
] [
]
[ [
] ]
Ag
NH
AgNH
2нест

+
3

3
+
Ч
=
Ч
4 8 10 4
,
-  

Часто используют общие константы нестойкости, которые 
равны произведению соответствующих последовательных констант и обозначаются b:
 
[Ag(NH3)2]+ ⇄ [Ag]+ + 2NH3 

 
b
b
 = [
] [
]
[ [
) ] ]
     = К
К
Ag
NH
Ag(NH

+
3

3
+

2

2
1нест
2
Ч
=
Ч
Ч
5 8 10 8
,
;
нест. 

Константа нестойкости — это мера прочности комплекса.

Комплексообразование в растворах 

Комплексные соединения можно получать различными методами. Лиганды и центральные ионы могут взаимодействовать 
в газовой, жидкой или твердой фазах, но чаще всего комплексные соединения синтезируют в растворах:
 
[Fe(H2O)6] 3+ + NCS– ⇄ [Fe (H2O)5 (NCS)] 2+ + H2O 
константа равновесия реакции имеет вид:

 
K =[
(
) (
)
][
]

[
(
)
][
]
.
Fe H O
NCS
H O
Fe H O
NCS
с
2
5
2+
2

2
6
3+


В ходе реакции комплексообразования концентрация воды 

не изменяется. Константу равновесия комплексообразования 
без учета процессов гидратации называют константой устойчивости:

 
K
= [
(
)
]

[
][
]

Fe NCS
Fe
NCS
уст

2+

3+
- .