Соединения р-элементов VI группы
Кислород О2.
Меры предосторожности. Какие меры предосторожности следует соблюдать при работе к кислородом? со спиртовкой? С бертолетовой солью надо обращаться осторожно, так как в присутствии малейших примесей горючих веществ (бумаги, угля и т. д.) она при трении или нагревании может дать сильный взрыв. Следует также иметь в виду, что МnO2 иногда бывает загрязнен органическими веществами, для удаления их МnO2 предварительно прокаливают.
Методика синтеза. (1)Взвешивают 5 г перманганата калия и вносят в сухую пробирку. При отсутствии перманганата можно использовать смесь, состоящую из 5 г КСlО3 и 2 г предварительно прокаленного и охлажденного порошка МnO2 (вещества смешивают в фарфоровой чашке стеклянной палочкой). Пробирку с содержимым взвешивают (масса а), в пробирку ближе к отверстию помещают рыхлый комочек ваты, закрывают пробкой с газоотводной трубкой.
Образующийся в ходе разложения соли кислород собирают методом вытеснения воды (2). Для этого цилиндр (банку, колбу), предназначенный для собирания газа, предварительно заполняют водой, затем закрывают стеклянной пластинкой или пробкой, опускают вниз отверстием в стеклянную ванну, в которую налита вода, и открывают под водой отверстие цилиндра.
Рассыпают или перманганат калия (либо смесь бертолетовой соли и диоксида марганца) равномерно по всей пробирке, закрепляют пробирку под наклоном в лапке штатива, затем осторожно нагревают пробирку по всей ее длине. Убедившись в том, что из газоотводной трубки выделяется кислород (3), подводят конец ее под цилиндр с водой. Затем нагревают, перемещая спиртовку от отверстия к дну пробирки, при этом требуется следить за тем, чтобы стекло не расплавилось. Кислород собирают в цилиндр (банку), оставив в нем немного воды, вынимают газоотводную трубку из воды и только тогда прекращают нагревание (4). Закрывают сосуд с собранным газом под водой стеклянной пластинкой или пробкой, вынимают из воды и ставят на стол.
Таким же образом собирают кислород еще в один цилиндр (или банку). Нагревают пробирку до полного разложения перманганата калия (или КСlО3) и прекращения выделения газа. По окончании опыта сначала вынимают газоотводную трубку из воды и лишь затем отставляют спиртовку. Сосуды с кислородом сохраняют для исследования его свойств.
Пробирке с продуктами разложения дают охладиться до комнатной температуры, после чего взвешивают (масса b). Разность (а - b) дает массу выделившегося кислорода. Вычислите выход кислорода в процентах от теоретического.
Исследование свойств полученного соединения
1) В железную ложечку положите небольшой кусочек серы, зажгите его в пламени спиртовки и внесите в сосуд с кислородом, постепенно опуская ложечку. Сравните интенсивность горения серы в воздухе и кислороде. После сжигания влейте в сосуд немного воды, закройте сосуд и хорошо взболтайте, чтобы растворить продукт горения серы в воде. Измерьте рН полученного раствора индикаторной бумагой.
2) Проделайте такой же опыт, взяв вместо серы немного красного фосфора.
3) В сосуд с кислородом внесите предварительно зажженную ленту магния, держа ее железными щипцами (не смотрите долго на горящий магний: это вредно для глаз!). По окончании реакции влейте в сосуд воду и, закрыв сосуд, взболтайте его содержимое, измерьте рН раствора индикаторной бумагой (5).
4) На дно сосуда предварительно насыпьте немного песка. На конце тонкой стальной проволоки, прикрепленной к лучинке, укрепите маленький кусочек угля. Раскалите уголь в пламени спиртовки и затем внесите в сосуд с кислородом. Отметьте, как горит железо в кислороде (6).
5) Возьмите сухую пробирку и на 1/5 часть заполните ее КNО3. Укрепите ее в штативе вертикально над металлической подставкой и нагревайте до расплавления соли (7). Когда из расплавленной массы начнут выделяться пузырьки газа, накалите в пламени спиртовки кусочек угля, держа его щипцами, и бросьте в пробирку, нагревание прекратите. Наблюдайте (осторожно!), как происходит горение угля в выделяющемся кислороде.
6) Обменной реакцией получите в пробирке осадок гидроксида марганца (II) (8). Обратите внимание на его цвет. Медленно пропускайте в полученную суспензию ток кислорода до изменения цвета осадка (9). Составьте уравнение реакции. В чем состоит разница между процессами горения и медленного окисления?
Вопросы для допуска
(1) Как получают кислород в промышленности и в лаборатории? Запишите уравнения соответствующих реакций. Чем можно заменить бертолетову соль или перманганат калия в случае их отсутствия в лаборатории?
(2) Вычислите плотность кислорода по воздуху, сделайте вывод о том, можно ли собрать чистый кислород методом вытеснения воздуха?
(3) Как это сделать?
(4)Что может произойти в случае, если сначала прекратить нагревание до того, как убрать газоотводную трубку?
(5)К какому классу соединений относятся продукты горения серы, фосфора и магния в кислороде? Что образуется при взаимодействии этих веществ с водой? Напишите соответствующие уравнения реакций.
(6)Напишите уравнение этой реакции, учитывая, что образуется Fе3O4. Вычислите, в каком интервале температур термодинамически выгодно самопроизвольное протекание этой реакции.
(7)Составьте уравнение реакции разложения нитрата калия.
(8) Какие вещества можно использовать для получения гидроксида марганца? Запишите уравнение реакции.
(9) Составьте уравнение реакции. В чем состоит разница между процессами горения и медленного окисления?
Вопросы и задания для обсуждения
1. Напишите электронную формулу атома кислорода.
2. Используя метод молекулярных орбиталей, составьте энергетическую диаграмму молекулы кислорода. Чем объясняется парамагнетизм кислорода?
3. Используя метод молекулярных орбиталей, проанализируйте изменения длины связи и энергии связи в ряду частиц: О2+, О2, О2-, О2-.
4. Сравните физические свойства кислорода и озона. Чем объясняются бóльшие значения температур кипения и плавления озона в сравнении с кислородом?
5. Сравните химические свойства кислорода и озона. Ответ подтвердите уравнениями реакций.
6. Какие вещества называются оксидами? Как их классифицируют?
7. Каким образом получают оксиды? Приведите уравнения реакций, иллюстрирующие наиболее общие способы получения оксидов.
8. Запишите уравнения реакций, характерных для солеобразующих оксидов.
9. Как получают гидраты оксидов? Ответ подтвердите уравнениями реакций.
10. Какими химическими свойствами обладают оксиды и гидроксиды металлов и неметаллов? Ответ подтвердите уравнениями реакций.
11. Сравните строение молекул, физические и химические свойства (кислотно-основные и окислительно-восстановительные) воды и пероксида водорода.
12. Приведите уравнения реакций, характеризующие химические свойства пероксидов металлов.
13. Какие еще бинарные соединения образует кислород, кроме оксидов и пероксидов? Приведите реакции их получения.
Октагидрат пероксида бария BaO2·8H2O
Меры предосторожности.Какую опасность представляют вещества, используемые в синтезе и при исследовании свойств полученного вещества? Какие меры предосторожности нужно применять при работе с ними?
Методика синтеза.Из навески хлорида бария массой 1,5¸3 г готовят насыщенный раствор (для расчетов используют справочные данные по растворимости хлорида бария при комнатной температуре). К этому раствору прибавляют пятикратный (по сравнению с рассчитанным по уравнению реакции количеством) избыток раствора пероксида водорода с массовой долей 30% (r = 1,1122 г/см3), а затем приливают при перемешивании раствор аммиака (w(NH3) = 25%, r = 0,910 г/см3) до слабощелочной реакции по универсальному индикатору (1). Смесь охлаждают ледяной водой до 0оС, дают отстояться, раствор осторожно сливают с осадка, который затем промывают методом декантации водой, не содержащей углекислого газа, (2) для чего предварительно кипятят 100 мл дистиллированной воды в течение 5¸10 минут (3).Промывание ведут до отрицательной пробы на хлорид-ионы(4), затем осадок количественно переносят на стеклянный фильтр, отфильтровывают при помощи водоструйного насоса, промывают еще раз дистиллированной водой без CO2, просасывают до удаления последних капель жидкости с кончика фильтра, переносят в фарфоровую чашку и сушат в сушильном шкафу при температуре 50¸70оС, изредка растирая шпателем. При образовании рассыпчатой массы температуру в шкафу повышают до 80оС. Высушенный образец взвешивают и рассчитывают выход в % от теоретического (5).