Глава IV. Периодический закон и Периодическая система химических элементов Д. И. Менделеева. Строение атома. § 28. Естественные семейства химических элементов. Амфотерность — с. 127
§ 28. 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?
Щелочные металлы (Li, Na, K, Rb, Cs, Fr) — элементы IA-группы. Их простые вещества — серебристо-белые мягкие металлы (легко режутся ножом), хорошо проводят тепло и электрический ток, очень активны (взаимодействуют с компонентами воздуха), поэтому их хранят под слоем керосина (литий — под слоем вазелина). С водой они образуют щёлочи (гидроксиды ROH) — отсюда название семейства. С ростом относительной атомной массы (от лития к цезию) плотность, как правило, возрастает, температура плавления уменьшается, растворимость гидроксидов возрастает (от LiOH к CsOH), а химическая активность металлов усиливается.
§ 28. Проверьте свои знания.
2. Какие общие свойства лежат в основе объединения металлов в группу щелочноземельных?
Какие закономерности наблюдаются в этой группе с ростом относительной атомной массы металла?
Щелочноземельные металлы — элементы IIA-группы, начиная с Ca (Ca, Sr, Ba, Ra). Это лёгкие металлы серебристо-белого (Ca, Ba), светло-жёлтого (Sr) и белого (Ra) цвета; они значительно твёрже щелочных металлов. Легко взаимодействуют с кислородом воздуха, поэтому хранятся под слоем керосина или в запаянных сосудах. Образуют оксиды RO и гидроксиды R(OH)₂, которые являются щелочами и могут быть получены взаимодействием металлов или их оксидов с водой: Ca + 2H₂O = Ca(OH)₂ + H₂↑; CaO + H₂O = Ca(OH)₂. С ростом относительной атомной массы металла (от Ca к Ra) металлические свойства и химическая активность усиливаются, а растворимость и сила гидроксидов возрастают.
§ 28. Проверьте свои знания.
3. Какие общие свойства лежат в основе объединения элементов в группу галогенов?
Какие закономерности наблюдаются в этой группе с ростом относительной атомной массы галогена?
Галогены — фтор, хлор, бром, иод, астат (VIIA-группа). Их простые вещества состоят из двухатомных молекул (F₂, Cl₂, Br₂, I₂). Это самые активные среди неметаллов элементы; они образуют соли при взаимодействии с металлами (название от греч. «рождающие соли»), например 2Na + Cl₂ = 2NaCl. Фтор — светло-жёлтый газ, хлор — жёлто-зелёный газ, бром — бурая жидкость, иод — тёмно-серые кристаллы с металлическим блеском. С ростом относительной атомной массы плотность, температура плавления и температура кипения галогенов возрастают, цвет простых веществ становится более интенсивным, а химическая (неметаллическая) активность уменьшается.
§ 28. Проверьте свои знания.
4. Какие общие свойства лежат в основе объединения элементов в группу инертных газов?
Почему эту группу правильнее называть благородными газами?
Какие закономерности наблюдаются в этой группе с ростом относительной атомной массы?
Инертные газы — элементы VIIIA-группы (He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn). Их простые вещества — бесцветные газы, состоящие не из молекул, а из отдельных атомов. Общее свойство — чрезвычайно малая химическая активность. Правильнее называть их благородными газами, потому что слово «инертные» означает «бездеятельные», а на самом деле соединения известны у всех, кроме гелия и неона: остальные элементы группы образуют соединения в особых условиях (например, фториды ксенона и криптона). С ростом относительной атомной массы (от He к Rn) плотность газов, температуры плавления и кипения возрастают, а способность вступать в реакции увеличивается: соединения образуют более тяжёлые элементы (Xe, Kr).
Оговорка: закономерности для группы дополнены общими сведениями; в тексте параграфа они прямо не перечислены.
Оговорка: закономерности для группы дополнены общими сведениями; в тексте параграфа они прямо не перечислены.
§ 28. Проверьте свои знания.
5. Что такое амфотерность?
Приведите примеры амфотерных оксидов и гидроксидов. Запишите уравнения химических реакций, иллюстрирующие свойства оксида и гидроксида выбранного вами элемента.
Амфотерность — это свойство веществ проявлять кислотные или основные свойства в зависимости от природы второго реагента, принимающего участие в реакции. Амфотерны оксиды и гидроксиды алюминия (Al₂O₃, Al(OH)₃), бериллия (BeO, Be(OH)₂), цинка (ZnO, Zn(OH)₂), хрома(III) (Cr₂O₃, Cr(OH)₃).
Выберем алюминий.
Оксид алюминия с кислотой ведёт себя как основный оксид:
Al₂O₃ + 6HCl = 2AlCl₃ + 3H₂O
со щёлочью — как кислотный оксид:
Al₂O₃ + 2NaOH + 3H₂O = 2Na[Al(OH)₄]
Гидроксид алюминия с кислотой реагирует как основание:
Al(OH)₃ + 3HCl = AlCl₃ + 3H₂O
а со щёлочью — как кислота:
Al(OH)₃ + NaOH = Na[Al(OH)₄]
Выберем алюминий.
Оксид алюминия с кислотой ведёт себя как основный оксид:
Al₂O₃ + 6HCl = 2AlCl₃ + 3H₂O
со щёлочью — как кислотный оксид:
Al₂O₃ + 2NaOH + 3H₂O = 2Na[Al(OH)₄]
Гидроксид алюминия с кислотой реагирует как основание:
Al(OH)₃ + 3HCl = AlCl₃ + 3H₂O
а со щёлочью — как кислота:
Al(OH)₃ + NaOH = Na[Al(OH)₄]
§ 28. 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.
Высшая валентность элемента равна номеру группы: Na — I, Mg — II, Al — III, N — V, S — VI, C — IV.
1) Натрий: Na₂O — основный оксид, NaOH — щёлочь (основание). Na₂O + H₂O = 2NaOH; Na₂O + 2HCl = 2NaCl + H₂O; NaOH + HCl = NaCl + H₂O.
2) Магний: MgO — основный оксид, Mg(OH)₂ — нерастворимое основание. MgO + 2HCl = MgCl₂ + H₂O; Mg(OH)₂ + 2HCl = MgCl₂ + 2H₂O.
3) Алюминий: Al₂O₃ — амфотерный оксид, Al(OH)₃ — амфотерный гидроксид. Al₂O₃ + 6HCl = 2AlCl₃ + 3H₂O; Al₂O₃ + 2NaOH + 3H₂O = 2Na[Al(OH)₄]; Al(OH)₃ + 3HCl = AlCl₃ + 3H₂O; Al(OH)₃ + NaOH = Na[Al(OH)₄].
4) Азот: N₂O₅ — кислотный оксид, HNO₃ — кислота. N₂O₅ + H₂O = 2HNO₃; N₂O₅ + 2NaOH = 2NaNO₃ + H₂O; HNO₃ + NaOH = NaNO₃ + H₂O.
5) Сера: SO₃ — кислотный оксид, H₂SO₄ — кислота. SO₃ + H₂O = H₂SO₄; SO₃ + 2NaOH = Na₂SO₄ + H₂O; H₂SO₄ + 2NaOH = Na₂SO₄ + 2H₂O.
6) Углерод: CO₂ — кислотный оксид, H₂CO₃ — слабая (неустойчивая) кислота. CO₂ + H₂O ⇄ H₂CO₃; CO₂ + Ca(OH)₂ = CaCO₃↓ + H₂O; H₂CO₃ + 2NaOH = Na₂CO₃ + 2H₂O.
1) Натрий: Na₂O — основный оксид, NaOH — щёлочь (основание). Na₂O + H₂O = 2NaOH; Na₂O + 2HCl = 2NaCl + H₂O; NaOH + HCl = NaCl + H₂O.
2) Магний: MgO — основный оксид, Mg(OH)₂ — нерастворимое основание. MgO + 2HCl = MgCl₂ + H₂O; Mg(OH)₂ + 2HCl = MgCl₂ + 2H₂O.
3) Алюминий: Al₂O₃ — амфотерный оксид, Al(OH)₃ — амфотерный гидроксид. Al₂O₃ + 6HCl = 2AlCl₃ + 3H₂O; Al₂O₃ + 2NaOH + 3H₂O = 2Na[Al(OH)₄]; Al(OH)₃ + 3HCl = AlCl₃ + 3H₂O; Al(OH)₃ + NaOH = Na[Al(OH)₄].
4) Азот: N₂O₅ — кислотный оксид, HNO₃ — кислота. N₂O₅ + H₂O = 2HNO₃; N₂O₅ + 2NaOH = 2NaNO₃ + H₂O; HNO₃ + NaOH = NaNO₃ + H₂O.
5) Сера: SO₃ — кислотный оксид, H₂SO₄ — кислота. SO₃ + H₂O = H₂SO₄; SO₃ + 2NaOH = Na₂SO₄ + H₂O; H₂SO₄ + 2NaOH = Na₂SO₄ + 2H₂O.
6) Углерод: CO₂ — кислотный оксид, H₂CO₃ — слабая (неустойчивая) кислота. CO₂ + H₂O ⇄ H₂CO₃; CO₂ + Ca(OH)₂ = CaCO₃↓ + H₂O; H₂CO₃ + 2NaOH = Na₂CO₃ + 2H₂O.
§ 28. Примените свои знания.
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.
а) SrO + H₂O = Sr(OH)₂ (образуется щёлочь)
б) Mn₂O₇ + H₂O = 2HMnO₄ (образуется марганцевая кислота)
в) 2KOH + CuSO₄ = Cu(OH)₂↓ + K₂SO₄ (выпадает голубой осадок)
г) Zn(OH)₂ + H₂SO₄ = ZnSO₄ + 2H₂O (осадок растворяется; гидроксид цинка ведёт себя как основание)
д) Zn(OH)₂ + 2NaOH = Na₂[Zn(OH)₄] (осадок растворяется; гидроксид цинка ведёт себя как кислота; при сплавлении: Zn(OH)₂ + 2NaOH = Na₂ZnO₂ + 2H₂O).
б) Mn₂O₇ + H₂O = 2HMnO₄ (образуется марганцевая кислота)
в) 2KOH + CuSO₄ = Cu(OH)₂↓ + K₂SO₄ (выпадает голубой осадок)
г) Zn(OH)₂ + H₂SO₄ = ZnSO₄ + 2H₂O (осадок растворяется; гидроксид цинка ведёт себя как основание)
д) Zn(OH)₂ + 2NaOH = Na₂[Zn(OH)₄] (осадок растворяется; гидроксид цинка ведёт себя как кислота; при сплавлении: Zn(OH)₂ + 2NaOH = Na₂ZnO₂ + 2H₂O).
§ 28. Примените свои знания.
8. Образуется ли осадок при добавлении 50 г 2 %-ного раствора сульфата цинка к 40 г 8 %-ного раствора гидроксида калия?
Ответ подтвердите расчётами.
Дано: m(р-ра ZnSO₄) = 50 г, w(ZnSO₄) = 2 %; m(р-ра KOH) = 40 г, w(KOH) = 8 %.
Найти: образуется ли осадок.
Решение:
1) Уравнение реакции: ZnSO₄ + 2KOH = Zn(OH)₂↓ + K₂SO₄
2) m(ZnSO₄) = 50 · 0,02 = 1 г; M(ZnSO₄) = 65 + 32 + 64 = 161 г/моль; n(ZnSO₄) = 1 : 161 ≈ 0,0062 моль.
3) m(KOH) = 40 · 0,08 = 3,2 г; M(KOH) = 56 г/моль; n(KOH) = 3,2 : 56 ≈ 0,057 моль.
4) По уравнению на 1 моль ZnSO₄ нужно 2 моль KOH, т. е. на 0,0062 моль ZnSO₄ требуется 0,0124 моль KOH. Имеется 0,057 моль KOH — щёлочь в избытке, соль прореагирует полностью.
5) n(Zn(OH)₂) = n(ZnSO₄) = 0,0062 моль; m(Zn(OH)₂) = 0,0062 · 99 ≈ 0,61 г (M(Zn(OH)₂) = 99 г/моль).
Ответ: да, осадок гидроксида цинка образуется (≈ 0,61 г).
Оговорка: так как гидроксид цинка амфотерен, а KOH взят в избытке, при длительном перемешивании образовавшийся осадок может раствориться с образованием K₂[Zn(OH)₄]: Zn(OH)₂ + 2KOH = K₂[Zn(OH)₄]; книжный ответ — «образуется».
Найти: образуется ли осадок.
Решение:
1) Уравнение реакции: ZnSO₄ + 2KOH = Zn(OH)₂↓ + K₂SO₄
2) m(ZnSO₄) = 50 · 0,02 = 1 г; M(ZnSO₄) = 65 + 32 + 64 = 161 г/моль; n(ZnSO₄) = 1 : 161 ≈ 0,0062 моль.
3) m(KOH) = 40 · 0,08 = 3,2 г; M(KOH) = 56 г/моль; n(KOH) = 3,2 : 56 ≈ 0,057 моль.
4) По уравнению на 1 моль ZnSO₄ нужно 2 моль KOH, т. е. на 0,0062 моль ZnSO₄ требуется 0,0124 моль KOH. Имеется 0,057 моль KOH — щёлочь в избытке, соль прореагирует полностью.
5) n(Zn(OH)₂) = n(ZnSO₄) = 0,0062 моль; m(Zn(OH)₂) = 0,0062 · 99 ≈ 0,61 г (M(Zn(OH)₂) = 99 г/моль).
Ответ: да, осадок гидроксида цинка образуется (≈ 0,61 г).
Оговорка: так как гидроксид цинка амфотерен, а KOH взят в избытке, при длительном перемешивании образовавшийся осадок может раствориться с образованием K₂[Zn(OH)₄]: Zn(OH)₂ + 2KOH = K₂[Zn(OH)₄]; книжный ответ — «образуется».
§ 28. Примените свои знания.
9. Массовая доля марганца в основном оксиде равна 77,46 %, а в кислотном — 49,55 %. Определите формулы оксидов.
Дано: w(Mn) в основном оксиде = 77,46 %; w(Mn) в кислотном оксиде = 49,55 %.
Найти: формулы оксидов.
Решение: Ar(Mn) = 55, Ar(O) = 16. Формулу оксида MnₓOᵧ находим по соотношению x : y = w(Mn)/55 : w(O)/16.
1) Основной оксид: w(O) = 100 − 77,46 = 22,54 %. x : y = 77,46/55 : 22,54/16 = 1,408 : 1,409 = 1 : 1. Формула — MnO (оксид марганца(II)).
2) Кислотный оксид: w(O) = 100 − 49,55 = 50,45 %. x : y = 49,55/55 : 50,45/16 = 0,901 : 3,153 = 1 : 3,5 = 2 : 7. Формула — Mn₂O₇ (оксид марганца(VII)).
Проверка: w(Mn) в MnO = 55 : 71 = 77,46 %; в Mn₂O₇ = 110 : 222 = 49,55 %.
Ответ: MnO и Mn₂O₇.
Найти: формулы оксидов.
Решение: Ar(Mn) = 55, Ar(O) = 16. Формулу оксида MnₓOᵧ находим по соотношению x : y = w(Mn)/55 : w(O)/16.
1) Основной оксид: w(O) = 100 − 77,46 = 22,54 %. x : y = 77,46/55 : 22,54/16 = 1,408 : 1,409 = 1 : 1. Формула — MnO (оксид марганца(II)).
2) Кислотный оксид: w(O) = 100 − 49,55 = 50,45 %. x : y = 49,55/55 : 50,45/16 = 0,901 : 3,153 = 1 : 3,5 = 2 : 7. Формула — Mn₂O₇ (оксид марганца(VII)).
Проверка: w(Mn) в MnO = 55 : 71 = 77,46 %; в Mn₂O₇ = 110 : 222 = 49,55 %.
Ответ: MnO и Mn₂O₇.
§ 28. Выразите своё 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)?
Щёлочь нужно добавлять к раствору соли алюминия небольшими порциями (по каплям), потому что амфотерный гидроксид растворяется в избытке щёлочи. Тогда на каждом этапе в растворе избыток соли, и осадок Al(OH)₃ накапливается: Al₂(SO₄)₃ + 6NaOH = 2Al(OH)₃↓ + 3Na₂SO₄. Если же приливать соль к раствору щёлочи, в первый момент щёлочь в избытке, поэтому образующийся гидроксид сразу растворяется: Al₂(SO₄)₃ + 8NaOH = 2Na[Al(OH)₄] + 3Na₂SO₄. Осадок не виден, пока щёлочь не израсходуется. При дальнейшем добавлении соли комплексная соль реагирует с избытком ионов алюминия и выпадает белый студенистый осадок: 6Na[Al(OH)₄] + Al₂(SO₄)₃ = 8Al(OH)₃↓ + 3Na₂SO₄. Итак, при обратном порядке осадок появляется не сразу, а лишь после того, как будет добавлено достаточно много раствора соли; поэтому правильный порядок — щёлочь к соли, по каплям.