ПОЗНАВАТЕЛЬНОЕ

Оси и плоскости тела человека - Тело человека состоит из определенных топографических частей и участков, в которых расположены органы, мышцы, сосуды, нервы и т.д.

Отёска стен и прирубка косяков - Когда на доме не достаёт окон и дверей, красивое высокое крыльцо ещё только в воображении, приходится подниматься с улицы в дом по трапу.

Дифференциальные уравнения второго порядка (модель рынка с прогнозируемыми ценами) - В простых моделях рынка спрос и предложение обычно полагают зависящими только от текущей цены на товар.

Утворення і застосування хрому, молібдену, вольфраму

Лабораторна робота 14

Тема: Хімічні властивості d-елементів VІ групи періодичної системи Д.І. Менделєєва

Мета та основні завдання:

Ø удосконалити знання студентів із структури, критеріїв періодичності періодичної системи Д.І. Менделєєва, особливостей будови атомів металів;

Ø удосконалити знання студентів з фізичних та хімічних властивостей металів; способів утворення та застосування металів;

Ø удосконалити уміння студентів складати молекулярні рівняння хімічних реакцій, рівняння окисно-відновних реакцій; іонні рівняння;

Ø удосконалити уміння студентів в розв’язанні задач за формулами та рівняннями;

Ø формувати у студентів уміння працювати в складі малих груп;

Ø формувати уміння студентів давати визначення поняттям;

Ø розвивати комунікативні уміння студентів;

Ø розвивати системне мислення студентів;

Ø розвивати професійні навички студентів в роботі з хімічними реактивами та хімічним обладнанням.

Прикладні задачі: розглянути особливості будови атомів d-елементів VІ групи ПС; фізичні та хімічні властивості простих і складних речовин, утворених d-елементами VІ групи ПС; способи утворення даних речовин; їх застосування.

Ключові поняття:d-електрон, d-елемент, метали, фізичні властивості металів, хімічні властивості металів, способи утворення металів, застосування металів.

Теоретична частина

Хімічні елементи, на електронних оболонках яких заповнюється електронами d-підрівень передзовнішнього енергетичного рівня, називаються d-елементами. D-елементи знаходяться в побічних підгрупах всіх восьми груп періодичної системи. D-елементи утворюють прості речовини метали.

Загальна характеристика d-елементів VІ групи

В побічну підгрупу VІ групи входять хімічні елементи Хром Cr, Молібден Mo, Вольфрам W. Маючи на зовнішньому енергетичному рівні один (₂₄Cr 3s²3p⁶3d⁵4s¹ і ₄₂Mo 4s²4p⁶4d⁵5s¹) або два (₇₄W 5s²5p⁶5d⁴6s²) електрона (всього шість валентних електронів), дані елементи, на відміну від елементів головної підгрупи VІ групи, проявляють металічні властивості.

В сполуках елементи підгрупи Хрома проявляють позитивні ступені окиснення: Cr – 2,3,(4),6; Мо, W – 4,6.

Хром, молібден і вольфрам – сірувато-білі блискучі метали. На властивості цих металів значно впливають домішки. Так, чистий хром недостатньо твердий, а технічний забруднений хром - самий твердий із всіх металів. Чисті молібден і вольфрам значно м’якіші, але навіть незначні домішки в них збільшують їх твердість і крихкість. Всі метали підгрупи Хрома – тугоплавкі. Вольфрам – самий тугоплавкий з усіх досліджених металів (t_пл = 3410⁰С).

З водою хром, молібден і вольфрам реагують тільки при сильному нагріванні:

2Cr + 6Н₂О = 2Cr(ОН)₃ + 3Н₂↑.

Взаємодії даних металів з водою заважає поверхнева оксидна плівка. За звичайних умов вони реагують тільки з фтором. Для взаємодії з іншими неметалами необхідне іноді значне нагрівання. Наприклад, хром горить в кисні тільки при температурі 2000⁰С і вище, а молібден і вольфрам реагують з азотом при 1500⁰С. При прожарюванні цих металів на повітрі хром окислюється до Cr₂О₃, а молібден і вольфрам – до МоО₃ і WО₃.

В порошкоподібному стані хром, молібден і вольфрам за умови нагрівання взаємодіють з хлором, утворюючи відповідні хлориди і проявляючи ступінь окиснення +3.

Заслуговує уваги відношення даних металів до дії кислот та луг. Розглянемо це в таблиці 14.1.

Таблиця 14.1. Взаємодія хрому, молібдену і вольфраму з кислотами та лугами

Метали	HCl	H₂SO₄	HNO₃	«царська водка» HCl+HNO₃	«диявольська суміш» НF+HNO₃	NаОН
Cr	взаємодіє	взаємодіє	пасивує	пасивує	пасивує	не взаємодіє
Мо	не взаємодіє	не взаємодіє	взаємодіє	взаємодіє	взаємодіє	взаємодіє при нагріванні
W	не взаємодіє	не взаємодіє	не взаємодіє	не взаємодіє	взаємодіє	взаємодіє за наявності О₂, окисників NаNO₃,KClO₃

Наприклад: 2W + 4КОН + 3O₂ = 2К₂WО₄ + 2H₂O.

Самостійно складіть рівняння хімічних реакцій взаємодії даних металів з кислотами.

Сполуки хрому

Із всіх відомих сполук хрому практично приходиться зустрічатись тільки з тими, в яких він проявляє ступінь окиснення +3, +6. Це оксиди Cr₂О₃, CrО₃ та їх похідні сполуки. Хром (ІІІ) оксид – тверда тугоплавка речовина темно-зеленого кольору, не розчинна ні у воді, ні в кислотах. Йому відповідає хром (ІІІ) гідроксид Cr(ОH)₃ – речовина сіро-зеленого кольору, малорозчинна у воді. ЇЇ утворюють при дії луг на солі хрому (ІІІ):

Cr₂(SO₄)₃ + 6NaOH = 2Cr(ОH)₃↓ + 3Na₂SO₄.

Хром (ІІІ) гідроксид має амфотерні властивості. Він взаємодіє з кислотами:

Cr(ОH)₃ + 3HCl = CrCl₃ + 3H₂O,

а з лугами дає хроміти (солі хромитної кислоти):

Cr(ОH)₃ + NaOH = NaCrО₂ + 2H₂O (при сплавленні);

Cr(ОH)₃ + 3NaOH = Na₃[Cr(ОH)₆] (в розчині).

Хром (VІ) оксид – кристалічна речовина темно-червоного кольору, легкорозчинна у воді з утворенням хромових кислот. Хром (VІ) оксид – сильний окисник. Якщо, наприклад, сухий CrО₃ змочити етиловим спиртом, то спирт окислюється настільки енергійно, що відбувається самоспалах, а CrО₃ відновлюється до Cr₂О₃. Хром (VІ) оксиду відповідає дві кислоти: хроматна Н₂CrО₄ і дихроматна (біхроматна) Н₂Cr₂О₇. Вони існують тільки в водних розчинах і утворюють відповідно солі хромати і дихромати (біхромати).

Калій дихромат називають хромпіком. Хромати в кристалічному стані і в водних розчинах мають жовте забарвлення, яке обумовлюється наявністю хромат-іона ; дихромати – помаранчево-червоне забарвлення, характерне для іонів

Хромат-іони стійкі в нейтральному та лужному середовищі. В кислому середовищі відбувається їх перетворення в дихромат-іони:

в результаті чого розчин забарвлюється в помаранчевий колір. Під дією лугу дихромат-іони перетворюються в хромат-іони:

Отже, в кислому середовищі існують тільки дихромати, а в лужному – тільки хромати:

2K₂CrO₄ + H₂SO₄ = K₂Cr₂O₇ + K₂SO₄ + H₂O;

K₂Cr₂O₇ +2KOH = 2K₂CrO₄ + H₂O.

Найважливішою властивістю хроматів і дихроматів є їх окислювальна здатність. Поясніть, чому! В кислому середовищі (рН < 7) Cr⁺⁶ відновлюється до Cr⁺³(див. табл. 5.2. «Класифікація речовин на окисники та відновники»). Наприклад: K₂Cr₂O₇ + H₂SO₄ + К₂SO₃ → Cr₂(SO₄)₃ + K₂SO₄ + H₂O;

K₂CrO₄ + H₂SO₄ + H₂S → Cr₂(SO₄)₃ + S + K₂SO₄ + H₂O.

В лужному ж середовищі Cr⁺³ окислюється до Cr⁺⁶ (див. табл. 5.2. «Класифікація речовин на окисники та відновники»). Наприклад:

NaCrO₄ + NaОН + Вr₂ → Na₂CrO₄ + NaВr + H₂O.

Розставте коефіцієнти в даних рівняннях методом електронного балансу.

Утворення і застосування хрому, молібдену, вольфраму

Хром, молібден і вольфрам в природі зустрічаються тільки у вигляді сполук. Найбільш розповсюджений хром, який входить в склад хроміту (хромистого залізняку) Fe(CrO₂)₂ . В промисловості для виділення молібдену використовують молібденіт (молібденовий блиск) МоS₂, вульфеніт (жовту свинцеву руду) РbМоО₄, повеліт СаМоО₄. Вольфрам у природі зустрічається у вигляді мінералів: шеєліту СаWO₄, вольфраміту (W, Mn)WO₄, штольциту РbWO₄.

Для виділення хрому із хромистого залізняку останній відновлюють вугіллям при високій температурі в електричних пічах:

Fe(CrO₂)₂ + 4С = Fe + 2Cr + 4СО.

При цьому залізо з хромом утворює сплав – ферохром, який широко використовують для виготовлення хромистої сталі. Для отримання чистого хрому хромистий залізняк сплавляють з натрій карбонатом в кисні повітря з подальшим відновленням натрій хромату вугіллям:

4Fe(CrO₂)₂ + 8Na₂СО₃ + 7О₂ = 8Na₂CrO₄ + 2Fe₂О₃ + 8СО₂;

2Na₂CrO₄ + 3С = 2Na₂О + Cr₂O₃ + 3СО.

Далі очищений Cr₂O₃ відновлюють алюмінієм:

Cr₂O₃ + 2Аl = Аl₂О₃ + 2Cr.

Основним споживачем хрому є металургійна промисловість. При виготовленні високоякісних сталей ферохром виступає добавкою. Сталі з 1-2% (мас.) хрому відрізняються підвищеною твердістю і міцністю. Нержавіюча сталь містить 12% хрому.

Сплави, які мають великий електричний опір (сплав хрому з нікелем - ніхром), застосовують для виготовлення нагрівальних приладів.

Молібден і вольфрам використовують для утворення високоякісних спеціальних легованих сталей. Вміст молібдену в сталі підвищує її пружність і міцність, вогнестійкість і стійкість до корозії.

В складі швидкоріжучої інструментальної сталі міститься до 18-22% (мас.) вольфраму. Карбіди вольфраму і молібдену (WС і МоС) мають високу твердість і входять до складу надтвердих сплавів, до яких відноситься, наприклад, побідит (його склад % (мас.): W – 80-85; Со – 7-13; С – 5-7).

Вольфрам є найбільш тугоплавким і нелетучим металом (не випаровується навіть при 2600⁰С), тому його використовують у виробництві емітерів для вакуумної техніки, надтвердих і зносостійких інструментальних сталей, для виготовлення електроламп. Сплави вольфраму з міддю і сріблом застосовують для виготовлення рубильників, вимикачів і т. і. Сплав вольфраму з нікелем і міддю складу (в % (мас.): W – 80-95; Nі – 3-10; Си – 2-5) відрізняється високою густиною і здатен для виготовлення щитків, які захищають від γ-промінів.

Для узагальнення знань з властивостей розглянутих d-елементів VІ групи ПС та їх сполук складемо таблицю.

Таблиця 14.2. Узагальнення властивостей d-елементів

VІ групи ПС

Метал і його властивості

Значення стійких ступенів окиснення z

Формула оксиду металуCr, Мо, W за значенням ступеня окиснення +z

ХромCr

CrО

Cr₂O₃

(CrО₂)^*

CrО₃

Колір Cr₂Oz

червоний

зелений

червоно-фіолетовий

Властивості Cr₂Oz

основні

амфотерні

кислотні

Молібден Мо

МоО₂

МоО₃

Вольфрам W

WО₂

WО₃

Гідроксид металу Cr, Мо, W загальною формулою Ме(ОН)z

ХромCr Cr(ОН)z Мо(ОН)z

Cr(ОН)₂ -

Cr(ОН)₃ -

nCrО₂∙mH₂O МоО₂∙2Н₂О

кислоти: Н₂CrО₄ хроматна Н₂Cr₂О₇ біхроматна Н₂МоО₄ Н₂Cr₂О₇ молібдатні

Властивості

Основні; сильні відновники

Амфотерні

Кислотні; сильні окисники

-1127,8

-589,9

-573,9

Кислотно-основні Окисно-відновні

Зміна властивостей оксидів і гідроксидів

послаблення основних і посилення кислотних властивостей

послаблення відновних і посилення окисних властивостей

2. Запитання для самоконтролю і контролю знань

1. В чому полягають особливості будови атомів d-елементів?

2. Які ступені окиснення в сполуках проявляють d-елементи VI групи ПС? Чому?

3. У вигляді яких мінералів знаходяться Хром, Молібден і Вольфрам в природі?

4. Порівняйте фізичні властивості даних металів.

5. Складіть рівняння хімічних реакцій, які підтверджують хімічні властивості хрому, молібдену і вольфраму.

6. Поясніть характер оксидів та гідроксидів даних металів. Доведіть це за допомогою рівнянь хімічних реакцій.

7. Поясніть окисно-відновні властивості сполук даних металів. Доведіть це за допомогою рівнянь хімічних реакцій.

8. Як хімічним способом довести наявність амфотерних властивостей сполук даних металів?

9. Як застосовуються дані метали та їх сполуки в промисловості? Які сплави з них виготовляють?

Завдання для самоконтролю

Рівень А

1. Яку масу хрому можна одержати при відновленні хром (ІІІ) оксиду масою 120 кг, масова частка домішок в якому становить 7%?

2. Хром (VІ) оксид масою 8 г розчинили у воді об’ємом 800 мл. Визначте масову частку (%) хроматної кислоти в одержаному розчину.

3. Термічний розклад амоній біхромату відбувається за схемою:

(NH₄)₂Cr₂O₇ = Cr₂O₃ + N₂ + 4H₂O.

Визначте відсотковий вміст біхромату в солі, якщо при розкладі 32 г її утворилось 20 г твердого залишку (хімічний склад домішок при нагріванні не змінюється).

Рівень В

1. Визначте формулу кристалогідрату хром (ІІІ) сульфату, якщо в 179 г цього кристалогідрату зв’язано 81 г води.

2. Для добування ферохрому використовують суміш ферум (ІІІ) оксиду та хром (ІІІ) оксиду, маси яких відносяться як 2:3. Яку масу алюмінію потрібно використати на відновлення 250 г такої суміші?

3. На повне відновлення оксиду металу складу Ме₂О₃ масою 60,8 г використали певний об’єм водню. При цьому одержали 41,6 г металу. Визначте невідомий метал. Який об’єм водню використали?

Рівень С

1. Розчинили 3,58 г кристалогідрату хром (ІІІ) сульфату Cr₂(SO₄)₃∙18Н₂О. Визначте, скільки часу необхідно пропускати електричний струм силою 2,5 А, щоб повністю виділився хром, якщо вихід його за током становить 80,4%.

2. Визначте масу калій біхромату та об’єм хлоридної кислоти з масовою часткою хлороводню 36% (ρ=1,2 г/мл), які необхідно використати для добування газу, потрібного для окиснення хрому масою 5,2 г. Розчин хлороводню потрібно взяти з 40% надлишком.

3. До 200 мл 0,3 М розчину калій дихромату додали надлишок розчину лугу, а потім прилили 180 мл 1,5 М розчину барій хлориду. Визначте: а)масу осаду, що випав; б) об’єм 0,5 М розчину аргентум нітрату, який потрібно добавити до одержаного розчину, щоб осадити всі наявні в розчині хлорид-іони.

Експериментальна частина

Дослід 1. Добування сполук хрому.

Рівень А

Добування хром (ІІІ) гідроксиду та дослідження його властивостей.

В пробірку налийте 2-3 мл розчину хром (ІІІ) сульфату і краплями додайте розчин натрій гідроксиду до утворення осаду. Яка речовина утворилась? Розчин з осадом перемішайте і розлийте у дві пробірки. В одну з них додайте розбавлений розчин сульфатної кислоти до розчинення осаду, а в другу – розчин натрій гідроксиду також до розчинення осаду. Які властивості хром (ІІІ) гідроксиду ви довели проведеними дослідами? Складіть рівняння хімічних реакцій. Запишіть спостереження. Зробіть висновки.

Рівень В

Добування хром (VI) оксиду та дослідження його властивостей.

У пробірку налийте 2 мл холодного насиченого розчину калій дихромату і додайте краплями вдвічі більший об’єм концентрованої сульфатної кислоти (густиною 1,84 г/см³). Після охолодження суміші спостерігайте випадання темно-червоних кристалів хром (VI) оксиду. Які властивості даної речовини? Поясніть, чому у разі стикання речовини зі спиртом, він спалахує. Складіть рівняння хімічних реакцій. Запишіть спостереження. Зробіть висновки.

Рівень С

Добування хром (ІІІ) оксиду та дослідження його властивостей.

Доведіть теоретично, як утворити хром (ІІІ) оксид з амоній дихромату. Експериментально перевірте гіпотезу. Дослід проведіть у витяжній шафі. У невеликий фарфоровий тигель внесіть 2 г порошку амоній дихромату (NH₄)₂Cr₂O₇.Тигель на аркуші паперу поставте у витяжну шафу. В полум’ї газового пальника розжарте скляну паличку і занурте її в амоній дихромат. Який колір має утворений хром (ІІІ) оксид? Розділіть утворений оксид на дві частини, насипте у фарфорові тигельки. В один додайте такий же об’єм калій піросульфату К₂S₂O₇, а в другий – калій карбонату і сплавте утворені суміші. Охолодіть продукти сплавлення, перенесіть в пробірки і розчиніть в малій кількості води. Який тепер колір розчинів у пробірках? Які властивості має хром (ІІІ) оксид? Складіть рівняння хімічних реакцій. Якого типу дана окисно-відновна реакція? Запишіть спостереження. Зробіть висновки.

Дослід 2 Дослідження властивостей солей хрому

Рівень А

Дослідження порушення рівноваги іонів хромат ⇄ дихромат у розчині.

В пробірку налийте 2-3 мл розчину калій хромату. Поступово додайте розбавлений розчин сульфатної кислоти до появи помаранчевого забарвлення розчину. Відлийте частину розчину в контрольну пробірку. В експериментальній пробірці додаванням лугу доведіть утворений розчин до появи жовтого забарвлення, яке мав вихідний розчин. Порівняйте забарвлення утворених розчинів з тими, які є в лабораторії. Складіть рівняння хімічних реакцій. Запишіть спостереження. Зробіть висновки.

Рівень В

Дослідження відновлювальних властивостей Cr³⁺.

В пробірку налийте 2-3 мл розчину хром (ІІІ) сульфату, додайте розчин лугу до появи осаду і подальшого його розчинення. Яка речовина утворилась? Добутий розчин розлийте у дві пробірки. В одну додайте гідроген пероксиду, а в іншу – краплями хлорну воду. Як змінилось забарвлення розчину в обох пробірках? Чому? Поясніть проведені хімічні реакції. Складіть рівняння хімічних реакцій. Запишіть спостереження. Зробіть висновки.

Рівень С

Дослідження окислювальних властивостей дихроматів.

Теоретично обґрунтуйте окислювальні властивості дихроматів. Складіть рівняння окисно-відновних реакцій взаємодії калій дихромату з такими відновниками, як калій сульфіт та калій йодид в кислому середовищі (з Н₂SО₄). Якого забарвлення повинні набути утворені розчини? Чому? Експериментально перевірте зроблені припущення. Хімічним способом доведіть наявність утворених речовин. Запишіть спостереження. Зробіть висновки.

Дослід 3. Гідроліз солей хрому.

Рівень А

Гідроліз хром (ІІІ) сульфату.

В пробірку з розчином хром (ІІІ) сульфату додайте декілька крапель метилоранжу. Який став колір розчину? Складіть іонні і молекулярні рівняння гідролізу даної солі. Яке рН середовище розчину? Які речовини утворюються? Запишіть спостереження. Зробіть висновки.

Рівень В

Гідроліз натрій хроміту.

Пробірку з розчином натрій хроміту NaCrО₂ нагрійте до випадення осаду. Яка речовина випала в осад? Чому? Складіть іонні і молекулярні рівняння гідролізу даної солі. Яка сіль підлягає гідролізу сильніше: хром (ІІІ) сульфат чи натрій хроміт? Запишіть спостереження. Зробіть висновки.

Рівень С

Сумісний гідроліз хром (ІІІ) сульфату та натрій карбонату.

Теоретично та експериментально (за допомогою індикаторів) проаналізуйте протікання гідролізу хром (ІІІ) сульфату. За допомогою яких речовин можна послабити гідроліз даної солі та як його підсилити? Як вплине на протікання гідролізу додавання натрій карбонату? Перевірте це експериментально, додаючи до 2 мл розчину хром (ІІІ) сульфату краплинами розчин натрій карбонату. Який осад утворюється і який газ виділяється? Запишіть спостереження. Зробіть висновки.