Лабораторная работа 3. Периодическая система химических элементов

Цель работы. Изучить и установить изменение свойств элементов, их оксидов и гидроксидов в периоде и группе.

Экспериментальная часть.

Опыт 1. Изменение химического характера оксидов и гидроксидов третьего периода.

1.1 Взаимодействие металлического натрия с воздухом и водой. Выньте пинцетом из банки с керосином кусочек металлического натрия, положите его на фильтровальную бумагу и сделайте надрез. Обратите внимание на потускнение блестящей металлической поверхности свежего надреза. Отрежьте кусочек металла величиной со спичечную головку и бросьте его в химический стакан с водой. Будет наблюдаться энергичная реакция. К полученному раствору в химическом стакане прибавьте 1-2 капли фенолфталеина. Объясните изменение окраски. Напишите уравнение реакции.

1.2 Взаимодействие оксида магния с водой. Поместите в пробирку с водой немного сухого оксида магния. Добавьте 1-2 капли фенолфталеина. Нагрейте пробирку на спиртовке. Объясните изменение окраски, напишите уравнения реакции.

1.3 Горение серы. В колбу на 1/3 объема налить дистиллированной воды и добавить 2-3 капли метилоранжа, затем поместить в металлическую ложку кусочек серы величиной с горошину и нагреть в пламени горелки, как только сера загорится синим пламенем, внести ложечку в колбу с водой (не касаясь воды). Отверстие в колбе закрыть ватным тампоном. Когда сера сгорит, ложку вынуть и воду в колбочке взболтать. Наблюдать за изменением окраски в колбе. Написать уравнение реакции.

1.4 В третьем периоде найти амфотерный элемент и в пробирке получить его гидроксид, используя раствор соли этого элемента и гидроксид натрия. Содержимое пробирки разделить на две другие пробирки. В первую влить раствор соляной кислоты, во вторую – раствор гидроксида натрия до полного растворения осадков. Объясните происходящие явления реакции, напишите уравнения реакции. Заполните таблицу 2.

Опыт 2. Изменение химического характера оксидов и гидроксидов элементов 5A группы.

2.1 Свойства гидроксида сурьмы. В пробирку налейте 2-3 см³ раствора хлорида сурьмы (III) и к нему по каплям добавьте раствор гидроксида натрия до выпадения белого осадка (избегать избытка щелочи). Осадок распределите в две пробирки. В одну налейте 2%-ный раствор гидроксида натрия, а в другую 2%-ный раствор соляной кислоты. В обоих случаях добейтесь полного растворения осадков. Объясните происходящие явления. Напишите уравнения реакций.

2.2 Свойства гидроксида висмута. В пробирку налейте 2-3 см³ раствора хлорида висмута (III) и к нему по каплям добавьте раствор гидроксида натрия до выпадения белого осадка (избегать избытка щелочи). Осадок распределите в две пробирки. В одну налейте 2%-ный раствор гидроксида натрия, а в другую раствор азотной кислоты. В каком случае осадок не растворяется. Объясните происходящие явления. Напишите уравнения реакций. Заполните таблицу 3.

 

Таблица 2

Элемент	Na	Mg	Al	P	S	Cl
Формула высшего оксида
Формула гидроксида
Химический характер оксидов и гидроксидов
Вывод об изменении свойств элементов и их соединений в периоде

 

 

Таблица 3

Элемент	N	P	As	Sb	Bi
Формула высшего оксида
Формула гидроксида
Химический характер оксидов и гидроксидов
Вывод об изменении свойств элементов и их соединений в периоде

 

Контрольные вопросы

1 Сформулируйте периодический закон Д.И. Менделеева.

2 Что такое потенциал ионизации?

3 Как связан потенциал ионизации со способностью атома к потере электрона?

4 Как меняется потенциал ионизации в периоде, группе?

5 Что такое сродство к электрону?

6 Как он связан со способностью атома к приобретению электрона?

7 Как меняется сродство к электрону в периоде, в группе?

8 Что такое электроотрицательность?

9 Как электроотрицательность атома связана с окислительно-восстановительными свойствами?

10 Как меняется электроотрицательность в периоде, группе?

 

Термохимия

Подавляющее большинство химических и физических превращений веществ сопровождается поглощением или выделением энергии, чаще всего в виде теплоты. Количество теплоты, выделяемое или поглощаемое в ходе реакции, называется тепловым эффектом реакции.

Тепловые эффекты химических реакций изучает термохимия, являющаяся разделом термодинамики – науки о взаимных превращениях различных видов энергии. Термодинамика устанавливает законы этих превращений, а также направления течения этих самопроизвольных процессов в данных условиях.

Химические реакции, при которых теплота выделяется, называются экзотермическими, при которых поглощается - эндотермическими.

Выделение теплоты при взаимодействии различных веществ заставляет признать, что эти вещества еще до реакции в скрытой форме обладали определенной энергией. Такая форма энергии, скрытая в веществах и освобождающаяся при химических, а также при некоторых физических процессах, называется внутренней энергией вещества или системы и обозначается через U. Системой называют в химии вещество или совокупность веществ, которые ограничены от внешней среды поверхностью раздела.

Предположим, что некоторая система поглощает теплоту и переходит из начального состояния 1 в конечное состояние 2. В соответствии с законом сохранения энергии, теплота Q, поглощенная системой, расходуется на изменение ее внутренней энергии U и на совершение системой работы .

В химических процессах, протекающих при постоянном давлении, есть работа расширения или уменьшения объема системы (или работа против внешнего давления), равная произведению давления Р на изменение объема системы .

Большинство химических реакций протекают либо при постоянном объеме, либо при постоянном давлении. Процессы, протекающие при постоянном объеме, называются изохорными. Процессы, протекающие при постоянном давлении, называются изобарными. Рассмотрим тепловые эффекты этих процессов.

Изохорный процесс. Объем системы не изменяется, V = const, V = 0. Работа расширения против внешнего давления не производиться. Следовательно тепловой эффект равен изменению внутренней энергии системы: .

Изобарный процесс. Давление в системе не меняется Р = const. Тогда .

Величина Н называется энтальпией. Энтальпия – свойство вещества или системы, характеризующее энергетическое состояние вещества или системы, включая энергию, затрачиваемую на преодоление внешнего давления, то есть на работу расширения. Следовательно, в случае химической реакции, протекающей при постоянном давлении, тепловой эффект равен изменению энтальпии.

При экзотермических реакциях теплота выделяется, то есть уменьшается энтальпия или внутренняя энергия системы, и значения Н и U имеют положительные значения.

Поскольку подавляющее большинство химических реакций проводится при постоянном давлении, в дальнейшем мы будем уделять основное внимание изобарным процессам, в которых тепловой эффект равен изменению энтальпии и выражается через Н.

Значение теплового эффекта выражается в калориях или джоулях. В качестве основной единицы для измерения теплоты в системе СИ принята единица работы – джоуль (Дж). Калория сохраняется как внесистемная единица. 1 калл = 4,184 Дж, 1 Дж = 0,239 калл.

Термохимические уравнения. При изучении тепловых явлений в химических реакциях принято пользоваться термохимическими уравнениями, в которых указываются тепловые изменения системы. Термохимические уравнения записываются как обычные уравнения химических реакций, но с указанием величины и знака теплового эффекта реакции. При этом в формуле у каждого вещества индексом обозначается его физическое состояние

 

 

Термохимические расчеты. Основной принцип, на котором основывают все термохимические расчеты, установлен в 1840 г. Этот принцип, известный под названием закона Гесса, является частным случаем закона сохранения энергии и формулируется следующим образом: «Тепловой эффект химической реакции не зависит от пути процесса, а зависит от начального и конечного состояния исходных веществ и конечных продуктов». Необходимо отметить, что это справедливо только для изохорно-изотермических и изобарно-изотермических процессов. Из этого следует, что если химический процесс протекает в несколько стадий, то общий эффект (изменение энтальпии) процесса равен сумме тепловых эффектов промежуточных стадий. Например, непосредственно из фосфора и хлора можно получить пятихлористый фосфор:

 

кДж

 

Это же вещество можно получать в две последовательные стадии:

 

1 стадия - кДж;

2 стадия - кДж.

 

Согласно закону Гесса сумма тепловых эффектов реакции 1 и 2 стадий должна быть равна тепловому эффекту реакции, протекающей в одну стадию, что действительно имеет место = + , или 430,54 = 319,35+111,19. Из закона Гесса вытекает ряд практически важных следствий. Одно из них следующее: «Тепловой эффект реакции равен сумме энтальпий образования продуктов реакции за вычетом суммы энтальпий образования исходных веществ, с учетом стехиометрических коэффициентов реакции» (формула 15)

 

,                       (15)

 

где - тепловой эффект реакции;  - сумма теплот образования продуктов реакции; - сумма теплот образования исходных веществ;  - стехиометрические коэффициенты соответственно продуктов реакции и исходных веществ.

При взаимодействии моль-эквивалента сильной кислоты с сильным основанием в разбавленных водных растворах выделяется почти одинаковое количество теплоты Н = -55,9 кДж/моль при 298 К. Постоянство теплот нейтрализации связано с тем, что при взаимодействии сильных кислот и оснований, полностью диссоциированных в водных растворах, из ионов Н⁺  кислоты и ОН^- основания образуются молекулы воды:

 

, т.е.

 

Нейтрализация слабых кислот сильными основаниями или сильных кислот слабыми основаниями сопровождается одновременной диссоциацией слабого электролита. При этом выделяется или поглощается теплота диссоциации , которая зависит от теплоты, поглощаемой при распаде молекулы на ионы, и теплоты гидратации ионов молекулами растворителя. Теплота диссоциации может быть как положительной, так и отрицательной. Таким образом, теплота нейтрализации слабых кислот и оснований складывается из двух величин: теплоты образования воды из ионов и теплоты диссоциации слабого электролита.

Энтальпией образования данного соединения называют тепловой эффект (изменение энтальпии) реакции образования одного моля этого соединения из простых веществ, взятых в устойчивом состоянии при данных условиях. Обычно теплоту образования относят к стандартному состоянию, то есть 298 К и 1 атм и обозначают .

Термохимические исследования применяются как для практических целей, например, для составления тепловых балансов технологических процессов, так и для решения ряда теоретических вопросов, например, дают возможность установить связь между строением вещества и его энергетическими характеристиками.

⇐ Предыдущая12345678910Следующая ⇒

Поделиться: