Положение в периодической таблице и общая характеристика р-элементов VIII группы

Применение галогенов

Кислородсодержащие соединения галогенов

Хлор, бром и йод образуют кислородсодержащие кислоты и соответствующие им соли. Ниже, на примере хлора, приведены кислоты и соответствующие им соли:

НСlО, НСlО 2 , НСlО 3 , НСlО 4 ;

хлорноватистая хлористая хлорноватая хлорная

КСlО, КСlО 2 , КСlО 3 , КСlО 4 .

гипохлорит хлорит хлорат перхлорат

В приведенной схеме сила кислот увели­чивается с увеличением степени окисления кислотообразующего элемента, а окислительные свойства солей в данном ряду убывают. Хлорная и хлорноватая кислоты являются сильными, а хлористая и хлорноватистая – слабыми.

Из солей наибольший практический интерес представляют:

СаОС1 2) – «хлорная известь» представляет собой сме­шанную соль соляной и хлорноватистой кислот.

КСlО 3 - хлорат калия или техническое название - бертолетова соль.

Фтор и его соединения применяются для получения термоустойчивых пластмасс (тефлон), жидкостей для холодильных машин (фреоны).

Хлор используется в больших количествах для производства соляной кис­лоты синтетическим методом, хлорорганических инсектицидов, пластмасс, син­тетических волокон, хлорной извести, отбеливания тканей и бумаги, хлорирова­ния воды в целях обеззараживания.

Соединения брома и йода используются для производства лекарственных препаратов, фотоматериалов.

Данные элементы: гелий(Не), неон(Nе), аргон(Аr), криптон(Кr), ксенон(Хе) и радон(Rn) называют инертными газами , так как они обладают очень низкой химической активностью. На внеш­нем энергетическом уровне гелия находится два электрона, а у остальных элементов по восемь электронов, что соответствует замкнутой энергетически выгодной электронной конфигурации.

Гелий единственное термометрическое вещество пригодное для измерения температур ниже 1 К. Применение его основано на химической инертности и низкой температуре кипения (-268,9 0).

Неоном и аргоном заполняют лампы накаливания. Сварка в среде аргона нержавеющих сталей, титана, алюминия и алюминиевых сплавов обеспечивает исключительно чистый и прочный сварной шов.

Криптон, ксенон и радон способны вступать в соединение с другими элементами и прежде всего с фтором. Данные соединения (ХеF 2 , ХеF 6 , ХеО 3 и др.) обладают сильными окислительными свойствами. Радон является радиоактивным элементом с периодом полураспада 3,8 суток. Однако в природе он постоянно образуется. Так как он в 7,65 раза тяжелее воздуха, поэтому скапливается в подвальных, непроветриваемых помещениях. За сутки концентрация радона в непроветриваемом помещении возрастает в 6 раз, а при пользовании душем в ванной комнате в 40 раз. Большую часть облучения человек получает от продуктов распада радона.

ЛЕКЦИЯ № 21

«КОМПЛЕКСНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ»

1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОМПЛЕКСНЫХ СОЕДИНЕНИЙ

Комплексные соединения – это соединения, содержащие комплексный ион, способный к самостоятельному существованию в растворе. Такое явление как изомерия, как и в случае органических соединений, приводит к многообразию данных соединений.

Отнесение неорганических соединений к определенному классу является в первую очередь следствием их электролитической диссоциации. соединения:

K 2 SO 4 → 2K + + SO 4 2- ,

Al 2 (SO 4) 3) → 2Al 3+ + SO 4 2- ;

2) Дисоциация двойной соли – алюмокалиевых квасцов

K Al(SO 4) 2 → K + + Al 3+ + 2SO 4 2 ;

Министерство образования и науки Российской Федерации

Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»

Балаковский инженерно-технологический институт

Электролитическая диссоциация

Методические указания к выполнению лабораторной работы

по курсу «Химия» для студентов технических

специальностей и направлений,

по курсу «Общая и неорганическая химия»

для студентов направления ХМТН

всех форм обучения

Балаково 2014

Цель работы – изучение механизма диссоциации водных растворов электролитов.

ОСНОВНЫЕПОНЯТИЯ

Электролитической диссоциацией называется процесс распада молекул веществ на ионы под действием полярных молекул растворителя. Электролиты – вещества, проводящие в растворе или расплаве электрический ток (к ним относятся многие кислоты, основания, соли).

Согласно теории электролитической теории С. Аррениуса (1887 г), при растворении в воде электролиты распадаются (диссоциируют) на положительно и отрицательно заряженные ионы. Положительно заряженные ионы называют катионами, к ним относятся ионы водорода и металлов. Отрицательно заряженные ионы называются анионами, к ним относятся ионы кислотных остатков и гидроксид-ионы. Суммарный заряд всех ионов равен нулю, поэтому раствор в целом нейтрален. Свойства ионов отличаются от свойств атомов, из которых они образованы. Электролитическая диссоциация - процесс обратимый (обратная реакция называется ассоциацией). Эту теорию позднее дополнили Д.И. Менделеев и И.А. Каблуков.

Механизм электролитической диссоциации

Электролитами являются вещества, в молекулах которых атомы связаны ионной или полярной связью. По современным представлениям электролитическая диссоциация происходит в результате взаимодействия молекул электролита с полярными молекулами растворителя. Сольватация - взаимодействие ионов с молекулами растворителя. Гидратация –процесс взаимодействия ионов с молекулами воды.

В зависимости от структуры растворяющегося вещества в безводном состоянии его диссоциация протекает по–разному.

Легче всего диссоциируют вещества с ионной связью, которые состоят из ионов. При растворении таких соединений (например, NaCl) диполи воды ориентируются вокруг положительного и отрицательного ионов кристаллической решетки. Между ионами и диполями воды возникают силы взаимного притяжения. В результате связь между ионами ослабевает, происходит переход ионов из кристалла в раствор. При этом образуются гидратированные ионы, т.е. ионы, химически связанные с молекулами воды

Рис.1. Схема диссоциации молекулы вещества с ионной связью

Процесс электролитической диссоциации можно выразить уравнением

NaCl + (m+n)H 2 O
Na + (H 2 O) m + Cl - (H 2 O) n

Обычно, процесс диссоциации записывают в виде уравнения, опуская растворитель (H 2 O)

NaCl
Na + + Cl -

Аналогично диссоциируют и молекулы с ковалентной полярной связью (например, HCl). Вокруг каждой полярной молекулы вещества также ориентируются диполи воды, которые своими отрицательными полюсами притягиваются к положительному полюсу молекулы, а положительными полюсами - к отрицательному полюсу. В результате этого взаимодействия связующее электронное облако (электронная пара) полностью смещается к атому с большей электроотрицательностью, полярная молекула превращается в ионную и затем легко образуются гидратированные ионы. Диссоциация полярных молекул может быть полной или частичной.

Рис.2. Схема диссоциации молекулы вещества с ковалентной

полярной связью

Электролитическая диссоциация HCl выражается уравнением

HCl + (m+n)H 2 O
H + (H 2 O) m + Cl - (H 2 O) n

или, опуская растворитель (H 2 O),

КАn
K + + A -

Для количественной характеристики процесса диссоциации введено понятие степени диссоциации (α). Степень диссоциации электролита показывает, какая часть растворенных молекул вещества распалась на ионы. Степенью диссоциации электролита называется отношение числа продиссоциировавших молекул (N дисс ) к общему числу растворенных молекул (N)

(1)

Степень диссоциации принято выражать или в долях единицы, или в процентах, например, для 0,1н раствора уксусной кислоты СН 3 СООН

α= 0,013 (или 1,3). Степень диссоциации зависит от природы электролита и растворителя, температуры и концентрации.

По степени диссоциации (α) все электролиты делят на три группы. Электролиты со степенью диссоциации больше 0,3 (30%) обычно называют сильными, со степенью диссоциации от 0,02 (2%) до 0,3 (30%)-средними, менее 0,02 (2%)-слабыми электролитами.

Сильные электролиты - химические соединения, молекулы которых в разбавленных растворах практически полностью диссоциированы на ионы. В растворе сильного электролита растворённое вещество находится в основном в виде ионов (катионов и анионов); недиссоциированные молекулы практически отсутствуют. Степень диссоциации таких электролитов близка к 1. К сильным электролитам относятся:

1) кислоты (H 2 SO 4 , HCl, HNO 3 , HBr, HI, HClO 4 , HМnO 4);

2) основания – гидроксиды металлов первой группы главной подгруппы (щелочи) – LiOH, NaOH, KOH, RbOH, CsOH, а также гидроксиды щелочноземельных металлов – Ba(OH) 2 , Ca(OH) 2 , Sr(OH) 2 ;.

3) соли, растворимые в воде (см. таблицу растворимости).

К электролитам средней силы относятся H 3 PO 4 , HF и др.

Слабые электролиты диссоциируют на ионы в очень малой степени, в растворах они находятся, в основном, в недиссоциированном состоянии (в молекулярной форме). К слабым электролитам относятся:

1) неорганические кислоты (H 2 CO 3 , H 2 S, HNO 2 , H 2 SO 3 , HCN, H 2 SiO 3 , HCNS, HСlO, HClO 2 , HBrO, Н 3 ВО 3 и др.);

2) гидроксид аммония (NH 4 OH);

3) вода Н 2 О;

4) нерастворимые и малорастворимые соли и гидроксиды некоторых металлов (см. таблицу растворимости);

5) большинство органических кислот (например, уксусная CH 3 COOH, муравьиная HCOOH).

Для слабых электролитов устанавливается равновесие между недиссоциированными молекулами и ионами.

CH 3 COOH
Н + + CH 3 COO -

При установившемся равновесии на основании закона действующих масс

Константа диссоциации K указывает на прочность молекул в данном растворе: чем меньше K, тем слабее диссоциирует электролит и тем устойчивее его молекулы.

Константа диссоциации связана со степенью диссоциации зависимостью

, (2)

где – α –степень диссоциации;

c –молярная концентрация электролита в растворе, моль/л.

Если степень диссоциации α очень мала, то ею можно пренебречь, тогда

К=
или α= (4)

Зависимость (4) является математическим выражением закона разбавления В. Оствальда.

Поведение растворов слабых электролитов описывается законом Оствальда, а разбавленных растворов сильных электролитов – Дебая-Хюккеля (5):

К=
, (5)

где концентрация (с) заменена на активность (а) наиболее точно характеризующую поведение сильных электролитов. Коэффициенты активности зависят от природы растворителя и растворенного вещества, от концентрации раствора, а также от температуры.

Активность связана с концентрацией следующим соотношением:

(6)

где γ – коэффициент активности, который формально учитывает все виды взаимодействия частиц в данном растворе, приводящие к отклонению от свойств идеальных растворов.

Диссоциация различных электролитов

Согласно теории электролитической диссоциации, кислотой является электролит, диссоциирующий с образованием ионов Н + и кислотного остатка

HNO 3
H + + NO 3 -

H 2 SO 4
2H + + SO 4 2-

Электролит, диссоциирующий с образованием гидроксид-ионов ОН - , называется основанием. Например, гидроксид натрия диссоциирует по схеме:

NaOH
Na + + OH -

Многоосновные кислоты, а также основания многовалентных металлов диссоциируют ступенчато, например,

1 ступень H 2 CO 3
H + + HCO 3 –

2 ступень HCO 3 –
H + + CO 3 2–

Диссоциация по первой ступени характеризуется константой диссоциации K 1 = 4,3·10 –7

Диссоциация по второй ступени характеризуется константой диссоциации K 2 = 5,6·10 –11

Суммарное равновесие

H 2 CO 3
2H + + CO 3 2-

Суммарная константа равновесия

Ступенчатая диссоциация многовалентных оснований

1 ступень Cu(OH) 2
+ + OH -

2 ступень +
Cu 2+ + OH -

Для ступенчатой диссоциации всегда K 1 >K 2 >K 3 >..., т.к. энергия, которую необходимо затратить для отрыва иона, минимальна при отрыве его от нейтральной молекулы.

Электролиты называют амфотерными, если они диссоциируют как кислота и как основание, например, гидроксид цинка:

2H + + 2-
Zn(OH) 2 + 2H 2 O
+ 2OH -

К амфотерным электролитам относится гидроксид алюминия Al(OH) 3 , свинца Pb(OH) 2 , олова Sn(OH) 2 и другие.

Средние (нормальные) соли, растворимые в воде, диссоциируют с образованием положительно заряженных ионов металла и отрицательно заряженных ионов кислотного остатка

Ca(NO 3) 2
Ca 2+ + 2NO 3 –

Al 2 (SO 4) 3 → 2Al 3+ +3SO 4 2–

Кислые соли (гидросоли) – электролиты, содержащие в анионе водород, способный отщепляться в виде иона водорода Н + . Диссоциация кислых солей происходит по ступеням, например:

1 ступень KHCO 3
K + + HCO 3 –

2 ступень HCO 3 –
H + + CO 3 2–

Степень электролитической диссоциации по второй ступени очень мала, поэтому раствор кислой соли содержит лишь незначительное число ионов водорода.

Основные соли (гидроксосоли) – электролиты, содержащие в катионе одну или несколько гидроксо-групп OH – .Основные соли диссоциируют с образованием основных и кислотных остатков. Например:

1 ступень FeOHCl 2
2+ + 2Cl –

2 ступень 2+
Fe 3+ + OH –

Двойные соли диссоциируют на катионы металлов и анионы

KAl(SO 4) 2
K + + Al 3+ + 2SO 4 2-

Комплексные соли диссоциируют с образованием комплексного иона

К 3
3K + + 3-

Реакции обмена в растворах электролитов

Обменные реакции между электролитами в растворе идут в направлении связывания ионов и образования малорастворимых, газообразных веществ или слабых электролитов. Ионно-молекулярные или просто ионные уравнения реакций обмена отражают состояние электролита в растворе. В этих уравнениях сильные растворимые электро­литы записывают в виде составляющих их ионов, а слабые электролиты, малорастворимые и газообразные вещества условно записывают в молекуляр­ной форме, независимо от того, являются они исходными реагентами или продуктами реакции. В ионно-молекулярном уравнении одинаковые ионы из обеих его частей исклю­чаются. При составлении ионно-молекулярных уравнений следует помнить, что сумма зарядов в левой части уравнения должна быть равна сумме зарядов в правой части уравнения. При составлении уравнений см. табл. 1,2 приложения.

Например, написать ионно-молекулярные уравнения реакции между веществма Сu(NO 3) 2 и Na 2 S.

Уравнение реакции в молекуляр­ном виде:

Сu(NO 3) 2 + Na 2 S = СuS+2NaNO 3

В результате взаимодействия электролитов образуется осадок СuS.

Ионно-молекулярное уравнение

Сu 2+ + 2NO 3 - + 2Na + + S 2- = СuS+2Na + + 2NO 3 -

Исключив одинаковые ионы из обеих частей равенства Na + и NO 3 - получим сокращенное ионно-молекулярное уравнение реакции:

Сu 2+ + S 2- = СuS

Диссоциация воды

Вода является слабым электролитом и в малой степени диссоциирует на ионы

Н 2 О
Н + + ОН -

К=

или = K · = K в

K в = 10 -14 называется ионным произведением воды и является постоянной величиной. Для чистой воды при 25 0 С концентрации ионов H + и OH - равны между собой и равны 10 -7 моль/л, поэтому · = 10 -14 .

Для нейтральных растворов =10 -7 , для кислых растворов >10 -7 , а для щелочных <10 -7 . Но какова бы ни была реакция раствора, произведение концентраций ионов водорода и гидроксид-ионов остается постоянным. Если концентрация ионов водорода равна 10 -4 , то концентриция гидроксид-ионов равна:

= /10 -4 = 10 -10 моль/л.

На практике кислотность или щелочность раствора выражают более удобным способом, используя водородный показатель рН или рОН.

рН =– lg ;

рОН =– lg[ОH - ]

Например, если = 10 -3 моль/л, то рН =– lg = 3; если = 10 -8 моль/л, то рН =– lg = 8. В нейтральной среде рН = 7, в кислой среде рН< 7, в щелочной среде рН >7.

Приближено реакцию раствора можно определить с помощью специальных веществ, называемых индикаторами, окраска которых изменятся в зависимости от концентрации ионов водорода.

ТРЕБОВАНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ ТРУДА

1. Опыты с неприятнопахнущими и ядовитыми веществами прово­дить обязательно в вытяжном шкафу.

2. При распознавании выделяющегося газа по запаху следует направ­лять струю движениями руки от сосуда к себе.

3. Выполняя опыт, необходимо следить за тем, чтобы реактивы не попали на лицо, одежду и рядом стоящего товарища.

При нагревании жидкостей, особенно кислот и щелочей, держать пробирку отверстием в сторону от себя.

При разбавлении серной кислоты нельзя приливать воду к кислоте, необходимо вливать кислоту осторожно, небольшими порциями в холод­ную воду, перемешивая раствор.

Все склянки с реактивами необходимо закрывать соответствующими пробками.

Оставшиеся после работы реактивы нельзя выливать или высыпать в реактивные склянки (во избежания загрязнения).

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

Задание 1. Изменение окраски индикаторов в нейтральной, кислой и щелочной среде.

Реактивы и оборудование: лакмус; метилоранж; фенолфталеин; раствор соляной кислоты HCl, 0,1н; раствор гидроксида NaOH, 0,1н; пробирки.

1. Налейте в три пробирки по 1-2 мл дистиллированной воды и прибавьте индикаторы: лакмус, метилоранж, фенолфталеин. Отметьте их цвет.

2. Налейте в три пробирки по 1-2 мл 0,1 раствора соляной кислоты и прибавьте тех же индикаторов. Наблюдайте изменение окраски индикаторов по сравнению с их цветом в воде.

3. Налейте в три пробирки по 1-2 мл 0,1н раствор гидроксида натрия и прибавьте тех же индикаторов. Наблюдайте изменение окраски индикаторов по сравнению с их цветом в воде.

Результаты наблюдения оформите в виде таблицы:

Задание 2. Относительная сила оснований

Реактивы и оборудование: раствор хлорида кальция СаCl 2 , 2н; раствор гидроксида NaOH, 2н; раствор гидроксида аммония NН 4 ОН, 2н; пробирки.

Налейте в две пробирки по 1-2 мл хлорида кальция, в первую пробирку прибавьте раствор гидроксида аммония, во вторую – столько же раствора гидроксида натрия.

Запишите наблюдения. Сделайте вывод о степени диссоциации указанных оснований.

Задание 3. Обменные реакции между растворами электролитов

Реактивы и оборудование: раствор хлорида железа FeCl 3 , 0,1н; раствор сернокислой меди CuSO 4 , 0,1н; раствор карбоната натрия Na 2 CO 3 , 0,1н; раствор гидроксида NaOH, 0,1н; раствор соляной кислоты HCl, 0,1н; раствор хлорида бария BaCl 2 , 0,1н; раствор сернокислого натрия Na 2 SO 4 , 0,1н; раствор гексацианоферрата(II) калия K 4 , 0,1н; пробирки.

а) Реакции с образование нерастворимых веществ (осадка).

Налейте в первую пробирку 1-2 мл хлорида железа FeCl 3 и прибавьте такой же объем гидроксида натрия NaOH , во вторую пробирку – 1-2 мл BaCl 2 и такой же объем сернокислого натрия Na 2 SO 4 .

Составьте уравнения происходящих реакций в молекулярном, ионном и сокращенном ионном виде.

б) Реакции с образованием газов.

Налейте в пробирку 1-2 мл раствора карбоната натрия Na 2 CO 3 и добавьте такой же объем раствор соляной кислоты HCl.

Запишите наблюдения (укажите цвет и запах газа). Назовите полученнoе газообразнoе веществo.

Составьте уравнения происходящих реакций в молекулярном, ионном и сокращенном ионном виде.

в) Реакции, идущие с образованием малодиссоциирующих веществ.

Налейте в первую пробирку– 1-2 мл раствора гидроксида NaOH и добавьте такой же объем раствора соляной кислоты HCl, во вторую пробирку - 1-2 мл раствора сульфата меди CuSO 4 добавить такой же объем раствора гексацианоферрата(II) калия K 4 .

Запишите наблюдения (укажите цвет образовавшегося осадка комплексной соли гексацианоферрата меди).

Составьте уравнения происходящих реакций в молекулярном, ионном и сокращенном ионном виде.

Задание 4. Различие между двойной и комплексной солью

Реактивы и оборудование: раствор хлорида железа FeCl 3 , 0,1н; раствор роданида калия KSCN, 0,1н; раствор железо-аммиачных квасцов NH 4 Fe(SO 4) 2 , 0,1н; раствор железо-синеродистого калия K 3 ; 0,1н; пробирки.

1. В пробирку налейте раствор хлорного железа FeCl 3 , затем добавьте немного роданида калия KSCN. Запишите наблюдения.

Составьте уравнения происходящих реакций в молекулярном, ионном и сокращенном ионном виде. Ион SCN ­– является характерным реактивом на ион Fe 3+ , при их взаимодействии получается родановое железо Fe(SСN) 3 – слабодиссоциирующая соль кроваво-красного цвета.

2. В одну пробирку налейте раствор железоаммиачных квасцов NH 4 Fe(SO 4) 2 , в другую – раствор железо-синеродистого калия K 3 и в каждую из них прилейте понемногу раствор роданида калия KSCN.

Составьте уравнения происходящих реакций в молекулярном, ионном и сокращенном ионном виде.

Запишите наблюдения. В каком соединении обнаруживается ион трехвалентного железа? В каком соединении этот ион связан в виде комплексного иона?

Задание 5 . Смещение ионного равновесия при введении в раствор одноименного иона

NH 4 ОН – слабое основание, диссоциирующее по уравнению:

NH 4 ОН
NH 4 + +ОН –

NH 4 Cl – в растворе диссоциирует по уравнению

NH 4 Cl
NH 4 + + Cl

Реактивы и оборудование: 0,1м раствор гидроксида аммония NH 4 OH, 0,1н; фенолфталеин, кристаллический хлорид аммония NH 4 Сl; пробирки.

В пробирку с раствором NH 4 ОН прибавьте 2-3 капли фенолфталеина, который является индикатором на группу ОН - , перемешайте и разлейте раствор в две пробирки: одну пробирку оставьте для сравнения, во вторую прибавьте щепотку кристаллического NH 4 Сl – наблюдается ослабление цвета раствора.

Ослабление малиновой окраски раствора объясняется тем, что при введении в раствор хлористого аммония увеличивается концентрация иона NH 4 + , что смещает равновесие в левую сторону, а это приводит к уменьшению концентрации ионов ОН – в растворе.

1. В левой части уравнения записать формулу электролита, затем поставить знак равенства или обратимости, что определяется силой электролита.

2. В правой части уравнения записать формулы образующихся положительно и отрицательно заряженных ионов, указав значения и знаки их зарядов.

3. Перед формулами ионов поставить коэффициенты.

4. Проверить сумму положительных и отрицательных зарядов (она должна быть равна нулю).

Например, составим уравнение диссоциации сульфата алюминия Al 2 (SO 4) 3 .

Это растворимая соль, сильный электролит.

Соли состоят из ионов металла и ионов кислотного остатка, поэтому при диссоциации именно эти ионы и образуются:

Al 2 (SO 4) 3 = 2Al 3+ + 3SO 4 2-

Каждая «молекула» сульфата алюминия распадается на пять ионов: два положительно заряженных иона алюминия и три отрицательно заряженных сульфат-иона. При этом сумма положительных и отрицательных зарядов равна нулю (+6 + (-6) = 0).

В зависимости от характера образующихся ионов электролиты подразделяют на три типа: кислоты, основания и соли.