Кафедра «Инженерная защита окружающей среды и реновации техники»

Севмашвтуз

Кафедра «Инженерная защита окружающей среды и реновации техники»

Т.И.Белозёрова

Общая и неорганическая химия

Методические указания по выполнению лабораторных работ №16 и №17

«Химические свойства железа, кобальта, никеля и их соединений».

«Химические свойства хрома, марганца и их соединений»

Количество часов,

планируемые на работу – 4 часа

г.Северодвинск

УКД 557

Белозёрова Т.И.

Общая и неорганическая химия

Методические указания по выполнению лабораторных работ №16 и №17

«Химические свойства хрома, марганца и их соединений»

«Химические свойства железа, кобальта, никеля и их соединений».

по дисциплине «Общая и неорганическая химия»

Северодвинск, Севмашвтуз 2004 г. - …с

Методические указания к лабораторным занятиям по дисциплине «Общая и неорганическая химия» разработаны для студентов специальности 330200

Рассмотрены вопросы взаимодействия металлов с кислотами, свойства гидроксидов, комплексные соединения данных металлов.

Биологическая роль d – элементов и их соединений.

Министерство образования Российской Федерации

Санкт – Петербургский Морской Технический университет

Севмашвтуз

Кафедра «Инженерная защита окружающей среды и реновации техники»

Методические указания по выполнению лабораторных работ №16 и №17

«Свойства хрома, марганца и их соединений»

«Свойства железа, кобальта, никеля и их соединений»

Индекс о.ф.о. 2000 г.

Количество часов,

планируемые на работу – 4 часа

г.Северодвинск

2004 г.

Введение

Целью методического указания, рассчитанного на 4 часа, является систематизация и закрепление теоретических знаний, получаемых на лекционных занятиях по этой дисциплине. В методических указаниях предложены контрольные вопросы по изучаемой теме, что позволяет студентам лучше усвоить данный материал.

I. Цель работы: Изучить свойства d – элементов.

II. Рабочее задание.

Проделать опыты. Ответить на контрольные вопросы.

III. Общие сведения.

Марганец, железо, кобальт, никель находятся в первой вставной декаде периодической системы. Строение внешних электронных оболочек атомов 3d^k4s²(где k = 5 – 8).Характерные степени окисления(в скобках указаны типичные соединения): для марганца +2(соли Mn⁺²), +4(MnO₂), +6(соли H₂MnO₄), +7(соли HMnO₄); для железа +2 (соли Fe⁺²), +3(соли Fe⁺³), +6(соли H₂FeO₄); для кобальта+2(солиCo⁺²); +3(комплексы Co⁺³); для никеля +2(соли Ni⁺²); +3[Ni(OH)₃]. В соответствии с ростом заряда ядра в ряду элементовMn – Ni упрочняется связь валентных электронов с ядром и вследствие этого стабилизируется низкие степени окисления элементов и дестабилизируются высокие.

Марганец, железо, кобальт, никель – белые твёрдые металлы, имеющие высокие температуры плавления (соответственно 1244, 1536, 1493 и 1453ºС) и высокие плотности (соответственно 7,47, 7,91, 8,90 и 8,90 г/см³).

Соли Mn⁺² имеют светло – розовую окраску (в разбавленных растворах практически бесцветны), многие из них хорошо растворимы в воде, гидролиз их незначителен.

Ион Mn⁺² образует менее прочные комплексы, чем Fe⁺², Co⁺², Ni⁺². Такая закономерность объясняется электронным строением Mn⁺² (d – орбитали иона одинаково заполнены (на каждой орбитали находится по одному электрону). Поэтому энергетический эффект, обусловленный расщеплением уровней энергии d – электронов под действием поля лигандов, для иона Mn⁺² равен нулю и склонность к комплексообразованию Mn⁺² примерно такая же, как у двухзарядных ионов благородногазовой конфигурации, имеющих сходные с Mn⁺² радиусы.

Одним из наиболее устойчивых соединений Мn⁺⁴ является диоксид MnO₂ - бурое или чёрное вещество ( в зависимости от условий получения). Соли Mn⁺⁴ в водном растворе почти полностью гидролизируются с образованием гидротированного оксида MnO₂·x H₂O.

Марганец (VI) образует анион MnO ; соли, содержащие этот анион, называются манганатами. Манганаты имеют зелёную окраску. Они образуются при сплавлении MnO₂ с щелочами в присутствие окислителей. Манганаты устойчивы только в щелочной среде, в нейтральных и кислых средах происходит диспропорционирование ионов:

3MnO +2 H₂O→ 2 MnO + MnO₂↓+4ОН

Марганец (VII) образует перманганат - ион MnO , имеющий в водном растворе интенсивную красно – фиолетовую окраску. Перманганаты – одни из наиболее сильных окислителей.

При переходе от Fe к Ni стабильность степени окисления +3 уменьшается. Так, Fe(OH)₂ мгновенно окисляется кислородом воздуха, окисление Со(ОН)₂ идёт медленно, а Ni(OH)₂ с кислородом вообще не реагирует и Ni(OH)₃ может быть получен только при действии очень сильных окислителей на Ni(OH)₂.

Соли Fe⁺³ в водных растворах гидролизируются, в результате чего образуются полиядерные комплексы [Fe₂(OH) и др.], устойчивые в растворе при комнатной температуре. При кипячении разбавленных растворов, содержащих Fe³⁺, осаждается Fe(OH)₃.

Известно много комплексов Fe, Co, Ni. Особенно прочные комплексы с рядом лигандов (NH₃ и его производные, СN и др.) образует Co⁺³( конфигурация d⁶). Комплексы Co⁺³ обычно получают окислением соединений Co⁺² в присутствии соответствующего лиганда.

Гидротированные ионы Fe²⁺, Fe⁺³ имеют очень слабую окраску (соответственно зелёную и фиолетовую). В растворах эта окраска незаметна, её можно наблюдать в обогащённых водой кристаллогидратах, содержащих Fe²⁺, Fe⁺³. Растворы солей Fe⁺³ обычно окрашены в бурый цвет, обусловленный продуктами гидролиза ионов Fe⁺³.

Окраска соединений кобальта зависит от координационного (к.ч.) Co⁺². Если к.ч.=4 (например, в [СоСl₄]^2-), то соединение ярко – синее, при к.ч.=6 (например, в [Со(Н₂О)₆]²⁺) окраска розовая. Данная закономерность обусловлена тем, что расщепление энергетических уровней d – электронов в тетраэдрическом поле лигандов значительно меньше, чем в октаэдрическом.

Соединения Ni²⁺ обычно имеют зелёную окраску.

Марганец входит в состав многих металлоферментов растений и животных. Марганец присутствует в большинстве почв. Обычно его содержание колеблется в пределах 20 – 200 мг/кг. Недостаток марганца в почве проявляется в заболеваниях растений, связанных с замедлением работы цикла Кребса – один из важнейших циклов любой живой клетки, вырабатывающей энергию и запасающей её в АТФ.

Железо играет активную роль в жизнедеятельности любых организмов. Оно образует ферменты, стимулирующие окислительно – восстановительные процессы. Велика роль железа в вопросах фотосинтеза и динамики растений.

IV. Объект исследования.

Ход анализа

Отбирают аликвоту предварительно подготовленной пробы в стакан из термоустойчивого стекла, разбавляют водой до 70 – 80 мл и добавляют реактивы в следующем порядке:

5 мл 25% раствора серной кислоты,

0,5 мл 0,1 н раствора азотнокислого серебра,

1 мл 10% раствора персульфата аммония и

1 мл 10% раствора двухзамещённого фосфорнокислого натрия.

После введения каждого реактива содержимое стакана перемешивают.

Пробу кипятят 1,5 – 2 минуты (но не больше), охлаждают, количественно переносят в мерную колбу на 100 мл и доводят до метки водой.

Измеряют оптическую плотность на фотоколориметре с зелёным светофильтром (λ = 536 нм) в 50 мм кюветах относительно воды со всеми реактивами.

Содержание марганца находят по калибровочному графику и формуле:

, где

С – содержание железа, найденное по калибровочному графику, мг/л;

100 – объём, до которого разбавлена исходная проба, мл;

V_пр – объём исходной пробы, мл.

VII. Рекомендации по планированию и проведению эксперимента.

При проведении лабораторных опытов необходимо учитывать амфотерные свойства гидроксидов.

Гидроксиды d – элементов с низкими валентными состояниями обладают основными свойствами, а с высокими – кислотными.

Гидроксиды со средними значениями валентностей (3-4) – амфотерными, например:

Мn(OH)₂ Мn(OH)₃ – основные гидроксиды

Мn(OH)₄ – амфотерные гидроксиды

H₂MnO₄, HMnO₄ – кислотные гидроксиды

VIII. Составление отчёта

1. Химические реакции с указанием цвета образовавшихся осадков. Составить краткие ионные уравнения. Окислительно-восстановительные реакции уравнивать ионно-электронным методом.

2. Выводы о свойствах d-элементов.

3. Ответить на контрольные вопросы.

IX. Список литературы

1. Ахметов Н.С. «Общая и неорганическая химия» М.В.Ш.,1998г.

2. Глинка Н.Л. «Общая химия» ;Москва, «Интеграл – пресс»;2001г.

3. «Практикум по неорганической химии» под ред. проф. Воробьёва, М., «Химия», 1984г.

X. Рекомендации по технике безопасности

В лабораторной работе используется едкие и агрессивные вещества. По этому любые действия с веществами требуют осторожности и внимания.

1. Содержать рабочее место в чистоте и порядке.

2. Каждый отдельный опыт должен выполняться тщательно, аккуратно, без торопливости.

3. После использования реактива его необходимо сразу поставить на место, Что бы не создавать беспорядка на рабочем месте.

4. После окончания работ нужно вымыть руки.

Методические указания для лабораторных работ «Химические свойства Fe, Co, Ni» и «Химические свойства Cr и Mn» по дисциплине «Химия» разработала доцент кафедры № 9 Белозёрова Т.И. ____________

Методические указания утверждены на заседании кафедры «__» _______2003г

Протокол № ___

Заведующий кафедрой № 9

к.т.н., доцент _________Аин Е.М.

Методические указания введены в учебный процесс «__» _______2004г.

Начальник УМО _________Выборных В.Б.

Севмашвтуз

Кафедра «Инженерная защита окружающей среды и реновации техники»

Т.И.Белозёрова