ГЛАВА IV. Периодический закон и периодическая система химических элементов Д.И.Менделеева. Строение атома
§28. Естественные семейства химических элементов. Амфотерность
Вопрос в начале параграфа
✓ С представителями естественных семейств химических элементов вы уже знакомились на протяжении курса. Это щелочные и щёлочноземельные металлы, галогены и инертные газы. Что объединяет элементы в соответствующие семейства?
Ответ:
Щелочные металлы − это элементы IA−группы периодической таблицы Д. И. Менделеева. Их простые вещества представляют собой серебристо−белые металлы, хорошо проводящие теплоту и электрический ток, мягкие (легко режутся ножом), очень активные (взаимодействуют с компонентами воздуха), а потому их хранят под слоем керосина (литий − под слоем вазелина).
Щёлочноземельные металлы − это элементы IIA−группы периодической таблицы Д. И. Менделеева, начиная с Ca. Простые вещества, образованные этими элементами, представляют собой лёгкие, серебристо−белые металлы.
Галогены − фтор, хлор, бром, йод, астат, теннессин. Их простые вещества состоят из двухатомных молекул. Подобно щелочным металлам, которые являются самыми активными среди металлов, семейство галогенов включает в себя самые активные неметаллы.
Инертные газы − это элементы VIIIA−группы периодической таблицы Д. И. Менделеева. Своё название они получили из−за чрезвычайно малой химической активности.
Лабораторный опыт 28
1. В две пробирки налейте примерно по 1 мл раствора сульфата алюминия. В каждую пробирку добавляйте по каплям раствор гидроксида натрия до появления белого студенистого осадка. Осадок какого вещества вы получили? В одну пробирку добавьте соляную кислоту, а в другую − избыток раствора щёлочи. Что наблюдаете?
Ответ:
Сульфат алюминия − $Al_{2}$ $(SO_{4}$ $)_ {3}$
Гидроксид натрия − NaOH
Соляная кислота − HCl
Запишем уравнение реакции:
$Al_{2}$ $(SO_{4}$ $)_{3}$ + 3NaOH = 3$Na_{2}$ $SO_{4}$ + 2$Al(OH)_ {3}$
Мы получили осадок белого цвета − гидроксид алюминия.
$Al(OH)_ {3}$ + 3HCl = $AlCl_{3}$ + 3$H_{2}$O
$Al(OH)_ {3}$ + NaOH = Na[$Al(OH)_{4}$]
При добавлении соляной кислоты в одну пробирку и избытка щелочи в другую наблюдается растворение осадка в обеих пробирках.
Проверьте свои знания
1. Какие общие свойства лежат в основе объединения металлов в группу щелочных? Какие закономерности наблюдаются в этой группе с ростом относительной атомной массы металла?
Ответ:
Щелочные металлы − это элементы IA−группы периодической таблицы Д. И. Менделеева. Их простые вещества представляют собой серебристо−белые металлы, хорошо проводящие теплоту и электрический ток, мягкие (легко режутся ножом), очень активные (взаимодействуют с компонентами воздуха), а потому их хранят под слоем керосина (литий − под слоем вазелина). С увеличением значения относительной атомной массы, как правило, плотность их возрастает от лития к цезию, а температура плавления, наоборот, уменьшается.
2. Какие общие свойства лежат в основе объединения металлов в группу щёлочноземельных? Какие закономерности наблюдаются в этой группе с ростом относительной атомной массы металла?
Ответ:
Щёлочноземельные металлы − это элементы IIA−группы периодической таблицы Д. И. Менделеева, начиная с Ca. Простые вещества, образованные этими элементами, представляют собой лёгкие, серебристо−белые металлы. Они значительно твёрже щелочных металлов. Легко взаимодействуют с кислородом воздуха, поэтому, как и щелочные металлы, хранятся под слоем керосина или в запаянных сосудах. Гидроксиды щёлочноземельных металлов также представляют собой щёлочи и могут быть получены взаимодействием соответствующих металлов и их оксидов с водой.
С увеличением относительной атомной массы, их плотность возрастает, а температура плавления уменьшается.
3. Какие общие свойства лежат в основе объединения элементов в группу галогенов? Какие закономерности наблюдаются в этой группе с ростом относительной атомной массы галогена?
Ответ:
Галогены − фтор, хлор, бром, йод, астат, теннессин. Их простые вещества состоят из двухатомных молекул. Подобно щелочным металлам, которые являются самыми активными среди металлов, семейство галогенов включает в себя самые активные неметаллы. Первые два галогена (фтор и хлор) − это газы: фтор − светло−жёлтого цвета, хлор − жёлто−зелёного. Бром представляет собой бурую жидкость, а йод − тёмно−серые кристаллы с металлическим блеском. Нетрудно заметить, что плотность, температура плавления и температура кипения у галогенов возрастают с ростом относительной атомной массы. Цвет простых веществ становится более интенсивным.
4. Какие общие свойства лежат в основе объединения элементов в группу инертных газов? Почему эту группу правильнее называть благородными газами? Какие закономерности наблюдаются в группе с ростом относительной атомной массы газа?
Ответ:
Инертные газы − это элементы VIIIA−группы периодической таблицы Д. И. Менделеева. Своё название они получили из−за чрезвычайно малой химической активности. До сих пор неизвестны соединения гелия и неона. Остальные элементы этой группы образуют соединения в особых условиях, поэтому более точно следует называть это естественное семейство элементов благородными газами. Особенностью их существования в форме простых веществ являются отдельные атомы, а не молекулы.
С ростом относительной атомной массы повышается температура кипения.
5. Что такое амфотерность? Приведите примеры амфотерных оксидов и гидроксидов. Запишите уравнения химических реакций, иллюстрирующие свойства оксида и гидроксида выбранного вами элемента.
Ответ:
Амфотерность − это свойство веществ проявлять кислотные или основные свойства в зависимости от природы второго реагента, принимающего участие в реакции.
Примеры амфотерных оксидов: $Al_{2}$ $O_{3}$, $Cr_{2}$ $O_{3}$, ZnO.
Примеры амфотерных гидроксидов: $Al(OH)_{3}$, $Cr(OH)_{3}$, $Zn(OH)_ {2}$.
Уравнения реакций:
$Al_{2}$ $O_{3}$ + 6HCl = 2$AlCl_{3}$ + 3$H_{2}$O
$Al_{2}$ $O_{3}$ + 2NaOH + 3$H_{2}$O = 2Na[$Al(OH)_ {4}$]
$Al(OH)_{3}$ + 3HCl = $AlCl_{3}$ + 3$H_{2}$O
$Al(OH)_ {3}$ + NaOH = Na[$Al(OH)_{4}$]
Примените свои знания
6. Напишите формулы высших оксидов (т. е. оксидов, в которых элемент проявляет свою высшую валентность) и соответствующих им гидроксидов следующих химических элементов: натрий, магний, алюминий, азот, сера, углерод. Укажите характер каждого вещества, подтвердите его уравнениями соответствующих реакций.
Ответ:
Высший оксид Гидроксид
$Na_{2}$O NaOH
MgO $Mg(OH)_{2}$
$Al_{2}$ $O_{3}$ $Al(OH)_{3}$
$N_{2}$ $O_{5}$ $HNO_{3}$
$SO_{3}$ $H_{2}$ $SO_{4}$
$CO_{2}$ $H_{2}$ $CO_{3}$
Уравнения реакций:
1) $Na_{2}$O + $H_{2}$O = 2NaOH
Оксид натрия проявляет осно́вный характер.
2) MgO + $H_{2}$O = $Mg(OH)_ {2}$
Оксид магния проявляет осно́вный характер.
3) $Al_{2}$ $O_{3}$ + 6HCl = 2$AlCl_{3}$ + 3$H_{2}$O
$Al_{2}$ $O_{3}$ + 2NaOH + 3$H_{2}$O = 2Na[$Al(OH)_ {4}$]
Так как оксид алюминия вступает в реакции и с кислотами, и со щелочами, он проявляет амфотерный характер.
4) $N_{2}$ $O_{5}$ + $H_{2}$O = 2$HNO_{3}$
Оксид азота(V) проявляет кислотный характер.
5) $SO_{3}$ + $H_{2}$O = $H_{2}$ $SO_{4}$
Оксид серы(VI) проявляет кислотный характер.
6) $CO_{2}$ + $H_{2}$O = $H_{2}$ $CO_{3}$
Оксид углерода(IV) проявляет кислотный характер.
7. Запишите уравнения химических реакций между веществами: а) оксид стронция и вода; б) оксид марганца(VII) и вода; в) гидроксид калия и сульфат меди(II); г) гидроксид цинка и серная кислота; д) гидроксид цинка и гидроксид натрия.
Ответ:
а) SrO + $H_{2}$O = $Sr(OH)_ {2}$
б) $Mn_{2}$ $O_{7}$ + 7$H_{2}$O = 2$Mn(OH)_ {7}$
в) 2KOH + $CuSO_{4}$ = $Cu(OH)_{2}$ + $K_{2}$ $SO_{4}$
г) $Zn(OH)_{2}$ + $H_{2}$ $SO_{4}$ = $ZnSO_{4}$ + 2$H_{2}$O
д) $Zn(OH)_{2}$ + 2NaOH = $Na_{2}$ [$Zn(OH)_{4}$]
8. Образуется ли осадок при добавлении 50 г 2 %−ного раствора сульфата цинка к 40 г 8 %−ного раствора гидроксида калия? Ответ подтвердите расчётами.
Ответ:
Дано:
$m_{р-ра}$ ($ZnSO_{4}$) = 50 г
ω = 2%
$m_{р-ра}$ (NaOH) = 40 г
ω = 8%
Найти: осадок − ?
Решение:
Если гидроксид натрия в избытке, то осадок будет сразу же растворяться и его не будет. Если же соотношение сульфата цинка и гидроксида натрия 1 : 2, то осадок будет.
m ($ZnSO_{4}$) = $m_{р-ра}$ ($ZnSO_{4}$) * ω
m ($ZnSO_{4}$) = 50 г * 0,02 = 1 г
n ($ZnSO_{4}$) = m : M
n ($ZnSO_{4}$) = 1 г : 161 г/моль = 0,006 моль
m (KOH) = $m_{р-ра}$ (NaOH) * ω
m (KOH) = 40 г * 0,08 = 3,2 г
n (KOH) = m : M
n (KOH) = 3,2 г : 56 г/моль = 0,057 моль
n ($ZnSO_{4}$) : n (KOH) = 0,006 моль : 0,057 моль
Следовательно, щелочь в избытке, значит осадка не будет.
Ответ: осадок не образуется.
9. Массовая доля марганца в основном оксиде равна 77,46 %, а в кислотном − 49,55%. Определите формулы оксидов.
Ответ:
Дано:
$ω_{осн.}$ (Mn) = 77,46%
$ω_{кисл.}$ (Mn) = 49,55%
Найти:
формулы − ?
Решение:
$ω_{осн.}$ (O) = 100% − 77,46% = 22,54%
$n_{осн.}$ (Mn) = $ω_{осн.}$ (Mn) : Ar (Mn) = 77, 46% : 55 = 1,41
$n_{осн.}$ (O) = $ω_{осн.}$ (O) : Ar (O) = 22,54% : 16 = 1,41
$n_{осн.}$ (Mn) : $n_{осн.}$ (O) = 1,41 : 1,41 = 1 : 1
Следовательно, формула основного оксида: MnO.
$ω_{кисл.}$ (O) = 100% − 49,55% = 50,45%
$n_{кисл.}$ (Mn) = $ω_{кисл.}$ (Mn) : Ar (Mn) = 49,55% : 55 = 0,9
$n_{кисл.}$ (O) = $ω_{кисл.}$ (O) : Ar (O) = 50,45% : 16 = 3,15
$n_{кисл.}$ (Mn) : $n_{кисл.}$ (O) = 0,9 : 3,15 = 2 : 7
Следовательно, формула кислотного оксида: $Mn_{2}$ $O_{7}$.
Ответ: формулы − MnO; $Mn_{2}$ $O_{7}$.
Выразите свое мнение
10. Аргументируйте свою точку зрения на порядок добавления реагентов друг к другу при получении амфотерного гидроксида в ходе лабораторного опыта 28, который вы проводили на уроке. Что произойдёт, если изменить порядок добавления реактивов: к раствору щёлочи (гидроксида натрия) добавлять по каплям раствор соли (сульфата алюминия)?
Ответ:
Для получения амфотерного гидроксида необходимо добавлять щелочь по каплям к раствору соли, так как если будет избыток щелочи, то амфотерный гидроксид растворится.
Запишем уравнения реакций:
$Al_{2}$ $(SO_{4}$ $)_{3}$ + 3NaOH = 3$Na_{2}$ $SO_{4}$ + 2$Al(OH)_ {3}$
Но в избытке гидроксида натрия осадок растворяется:
$Al(OH)_ {3}$ + NaOH = Na[$Al(OH)_{4}$]
