Podział tlenków ze względu na charakter chemiczny

Transkrypt

1 Zakres materiału do sprawdzianu - I klasy LO - Systematyka związków nieorganicznych - część I : TLENKI, WODORKI I WODOROTLENKI + przykładowe zadania I. TLENKI - to związki dwuskładnikowe tlenu z pierwiastkami metalicznymi i niemetalicznymi, których atomy tlenu lub aniony tlenowe tworzą wiązania tylko z danym pierwiastkiem (nie łączą się między sobą) o ogólnym wzorze E m O n lub EO jeżeli m = n, gdzie m - wartościowość pierwiastka a n = 2 (wartościowość tlenu) Tlenki grupy 1, 2 i 13 u.o.p. chem. Grupa 1: E 2 O Li 2 O - tlenek litu, Na 2 O - tlenek sodu, K 2 O - tlenek patasu Grupa 2 : EO BeO - tlenek berylu, MgO - tlenek magnezu, CaO - tlenek wapnia Grupa 13: E 2 O 3 B 2 O 3 - tlenek boru, Al 2 O 3 - tlenek glinu, Ga 2 O 3 - tlenek galu Wyjątek: Tl 2 O - tlenek talu(i) Tl 2 O 3 - tlenek talu(iii) Tlenki pierwiastków pozostałych grup - pierwiastki w związkach z tlenem mogą przyjąć różne wartościowości, czyli mogą tworzyć kilka tlenków, w nazwie systematycznej należy podać wartościowość pierwiastka: N 2 O - tlenek azotu(i), NO - tlenek azotu(ii) N 2 O 3 - tlenek azotu(iii), NO 2 - tlenek azotu(iv) N 2 O 5 - tlenek azotu(v) Cl 2 O - tlenek chloru(i), Cl 2 O 6 - tlenek chloru(vi) Cl 2 O 7 - tlenek chloru(vii) SO 2 - tlenek siarki(iv), SO 3 - tlenek siarki(vi) SiO - tlenek krzemu(ii), SiO 2 - tlenek krzemu(iv) MnO - tlenek manganu(ii) Mn 2 O 3 - tlenek manganu(iii) MnO 2 - tlenek manganu(iv) Mn 2 O 7 - tlenek manganu(vii) Podział tlenków ze względu na charakter chemiczny Tlenki zasadowe - nie reagują z zasadami, ale reagują z wodą dając wodorotlenki zasady lub reagują z kwasami i tlenkami kwasowymi dając sole Reagujące z wodą dając zasady - tlenki litowców i magnezowców, Reagujące z kwasami - tlenki metali pozostałych grup, które nie są tlenkami kwasowymi lub amfoterycznymi Tlenki kwasowe - nie reagują z kwasami, ale reagują z wodą dając kwasy tlenowe lub reagują z zasadami i tlenkami zasadowymi dając sole CO 2 SO 2 ; SO 3 N 2 O 3 ; NO 2 (N 2 O 4 ); N 2 O 5 P 2 O 3 ; P 2 O 5 (P 4 O 10 ) B 2 O 3 Br 2 O; BrO 2 Cl 2 O; Cl 2 O 6 ; Cl 2 O 7 I 2 O 5 SiO 2( reaguje z silnymi zasadami CrO 3 ; Mn 2 O 7 Tlenki amfoteryczne - reagują zarówno z kwasami jak i zasadami BeO Cr 2 O 3 MnO 2 ZnO Al 2 O 3 H 2 O (w teorii kwasów i zasad Brӧnsteda) Tlenki obojętne - nie reagują z wodą, z kwasami i zasadami N 2 O NO, SiO CO

2 1. Metody otrzymywanie tlenków * synteza z pierwiastków 2H 2 + O 2 2 H 2 O S + O 2 SO 2 4Al + 3O 2 2Al 2 O 3 * spalanie związków organicznych 2Mg+ O 2 2MgO C + O 2 CO 2 CH 4 + 2O 2 CO 2 + 2H 2 O C 2 H 5 OH + 3O 2 2CO 2 + 3H 2 O * utlenianie tlenków 2SO 2 + O 2 2SO 3 2CO + O 2 2CO 2 2NO + O 2 2NO 2 * redukcja tlenków 3Fe 2 O 3 + C 2Fe 3 O 4 + CO *termiczny rozkład niektórych soli kwasów tlenowych MgCO 3 MgO + CO 2 * rozkład niektórych tlenków N 2 O 3 NO + NO 2 * termiczny rozkład niektórych wodorotlenków 2Fe(OH) 3 Fe 2 O 3 + 3H 2 O Cu(OH) 2 CuO + H 2 O * rozkład nietrwałych kwasów tlenowych 3HNO 2 2NO + HNO 3 + H 2 O H 2 CO 3 CO 2 + H 2 O *rozkład kwasów utleniających w reakcji z metalami (np.: Cu, Ag, Hg, Bi) Cu + 2H 2 SO 4 (stęż) CuSO 4 + SO 2 + 2H 2 O 3Cu + 8HNO 3 (rozcień.) 3Cu(NO 3 ) 2 + 2NO + 4H 2 O Ag + 2HNO 3 (stęż) AgNO 3 + NO 2 + H 2 O *spalanie niektórych związków nieorganicznych 4NH 3 + 5O 2 4NO + 6H 2 O 2H 2 S + 3O 2 2SO 2 + 2H 2 O 2. Właściwości fizyczne tlenków a) tlenki metali: substancje stałe o budowie krystalicznej, większość tlenków jest związkami jonowymi, sieć krystaliczną tworzą kationy metali i aniony tlenowe O 2-, - w wodzie rozpuszczają się tylko tlenki litowców i berylowców z wyjątkiem tlenku berylu, - w stanie nie przewodzą prądu elektrycznego, w stanie stopionym są przewodnikami prądu, b) tlenki niemetali - związki o wiązaniach kowalencyjnych lub kowalencyjnych spolaryzowanych - z reguły substancje gazowe, rzadziej ciała stałe (SO 3, P 4 O 10, SiO 2, N 2 O 5 ) lub ciecze (H 2 O, N 2 O 3 ), w temp. poniżej temp. topnienia tworzą kryształy cząsteczkowe o niskiej temp. topnienia. 3. Właściwości chemiczne: a) tlenki zasadowe reagujące z wodą lub kwasami i tlenkami kwasowymi - tylko litowców i berylowców z wyjątkiem tlenku berylu: K 2 O + H 2 O 2KOH Na 2 O + 2HCl 2NaCl + H 2 O Li 2 O + CO 2 Li 2 CO 3 BaO + H 2 O Ba(OH) 2 MgO + H 2 SO 4 MgSO 4 + H 2 O CaO + CO 2 CaCO 3 b) tlenki kwasowe (bezwodniki kwasów tlenowych) - reagują z wodą, wodorotlenkami, tlenkami zasadowymi (patrz 3a) lub tylko z mocnymi zasadami (SiO 2 ) : SO 2 + H 2 O H 2 SO 3 P 4 O H 2 O 4H 3 PO 4 N 2 O 4 + H 2 O HNO 3 + HNO 2 N 2 O 3 + H 2 O 2HNO 2 Ca(OH) 2 + CO 2 CaCO 3 + H 2 O 2KOH + N 2 O 5 2KNO 3 + H 2 O 2NaOH + SO 2 Na 2 SO 3 + H 2 O 2NaOH + SiO 2 Na 2 SiO 3 + H 2 O

3 c) tlenki amfoteryczne - reagują zarówno z kwasami jak i mocnymi zasadami Al 2 O 3 + 6HCl 2AlCl 3 + 3H 2 O Al 2 O 3 + 2NaOH + 3H 2 O 2Na[Al(OH) 4 ] po podgrzaniu 2NaAlO 2 + 4H 2 O ZnO + 2HCl ZnCl 2 + H 2 O ZnO + 2KOH + H 2 O K 2 [Zn(OH) 4 ] po podgrzaniu K 2 ZnO 2 + 2H 2 O d) wartościowość metalu w tlenku a charakter chemiczny tlenku - wraz ze wzrostem stopnia utlenienia (liczby atomów tlenu w cząsteczce tlenku niektórych matali bloku d spada udział wiązań jonowych a wzrasta udział wiązań kowalencyjnych) charakter tlenków z reguły zmienia się od właściwości zasadowych poprzez amfoteryczne do kwasowych. Zasadowy Amfoteryczny Kwasowy CrO Cr 2 O 3 CrO 3 MnO; Mn 2 O 3 MnO 2 Mn 2 O 7 II. WODORKI - są to dwuskładnikowe związki wodoru z innymi pierwiastkami Wodorki Pierwiastki grupy 16 i 17 u.o.p. chem. HnE gdzie n to wartościowość pierwiastka, jeżeli n = 1 to ogólny wzór HE - grupa 16: * H 2 O - tlenek wodoru * H 2 S - siarkowodór, * H 2 Se - selenowodór, - grupa 17: * HF - fluorowodór, * HCl - chlorowodór, * HBr - bromowodór, * HI - jodowodór Pierwiastki grupy od 1 do 15 u.o.p.chem. EHn gdzie n to wartościowość pierwiastka, jeżeli n = 1 to ogólny wzór EH - grupa 1: * LiH - wodorek litu, * NaH - wodorek sodu, * KH - wodorek potasu, * RbH - wodorek rubidu, - grupa 2: *BeH 2 - wodorek berylu, *MgH 2 - wodorek magnezu, *CaH 2 - wodorek wapnia, - grupa 14: * CH 4 - metan, * SiH 4 - monosilan, - grupa 15: * NH 3 - amoniak, * PH 3 - fosfina (fosforiak) *AsH 3 - arseniak Podział wodorków ze względu na charakter chemiczny (w reakcji z wodą) Kwasowe - dobrze rozpuszczają się w wodzie dając kwasy beztlenowe: HF - fluorowodór, HCl - chlorowodór, HBr - bromowodór, HI - jodowodór, H 2 S, - siarkowodór, H 2 Se - selenowodór, H 2 Te - tellurowodór HCl + H 2 O H 3 O + + Cl - ; kwas chlorowodorowy, H 2 S + 2H 2 O 2H 3 O + + S 2- ; kwas siarkowodorowy.

4 Zasadowe - reagują z wodą dając wodorotlenki : LiH - wodorek litu, NaH - wodorek sodu, KH - wodorek potasu, RbH - wodorek rubidu, BeH 2 - wodorek berylu, MgH 2 - wodorek magnezu, CaH 2 - wodorek wapnia, a także NH 3 - amoniak, PH 3 - fosfina (bardzo słabe). KH + H 2 O KOH + H 2 ; wodorotlenek potasu + wodór, CaH 2 + 2H 2 O Ca(OH) 2 + 2H 2 ; wodorotlenek wapnia + wodór NH 3 + H 2 O NH 3 H 2 O ; woda amoniakalna (wodny roztwór amoniaku) Obojętne - nie rozpuszczają się w wodzie i nie reagują z nią: CH 4 - metan; SiH 4 - monosilan Amfoteryczne - w zależności rodzaju substratu może być kwasem lub zasadą : H 2 O Właściwości fizyczne wodorków : a) Wodorki metali są związkami typu soli, tworzą kryształy jonowe, w węzłach sieci krystalicznej znajdują się kationy metalu i aniony wodorowe H -, tego typu wodorki tworzą metale grupy 1, 2 oraz metale bloku d i f, b) Wodorki pierwiastków grupy 14, 15, 16, 17 są związkami kowalencyjnymi lub o wiązaniach kowalencyjnych spolaryzowanych, przede wszystkim gazy, stan ciekły H 2 O, HF. Otrzymywanie wodorków - synteza z pierwiastków w określonych warunkach zewnętrznych (uv, temp., ciśnienie, katalizator itp.), np.: H 2 + Cl 3 2HCl (uv) H 2 + F 2 2HF (samorzutnie) H 2 + Br 2 2HBr (temp.) Ca + H 2 CaH 2 (temp.) III. WODOROTLENKI - to związki chemiczne zbudowane z kationu metalu i jednej lub kilku grup wodorotlenowych (-OH) - ogólny wzór wodorotlenku (m = 1) MeOH, gdzie m to wartościowość metalu, - ogólny wzór wodorotlenku (m 1) Me(OH)m, Me - kation metalu 1. Wodorotlenki grupy 1: MeOH (m = 1) *LiOH - wodorotlenek litu; Li - OH 2. Wodorotlenki grupy 2: Me(OH) 2 (m = 2) * Ca(OH) 2 - wodorotlenek wapnia; HO - Ca - OH 3. Wodorotlenki grupy 13: Me(OH) 3 (m = 3) * Al(OH) 3 - wodorotlenek glinu HO - Al - OH ǀ OH

5 4. Metale pozostałych grup u.o.p. chem. mogą posiadać różną wartościowość i tworzyć kilka różnych wodorotlenków, w związku z tym w ich nazwie należy podać wartościowość metalu (stopień utlenienia); Fe(OH) 2 - wodorotlenek żelaza(ii) HO - Fe - OH Fe(OH) 3 - wodorotlenek żelaza(iii) 1. Otrzymywanie wodorotlenków HO - Fe - OH OH 1. Aktywny metal + woda wodorotlenek + wodór 2K + 2H 2 O 2KOH + H 2, (zapis cząsteczkowy) wodorotlenek potasu 2K + 2H 2 O 2K + + 2OH - + H 2, (zapis jonowy) Ca + 2H 2 O Ca(OH) 2 + H 2, (zapis cząsteczkowy) wodorotlenek wapnia Ca + 2H 2 O Ca OH - + H 2, (zapis jonowy) 2. Tlenek aktywnego metalu + woda wodorotlenek Na 2 O + H 2 O 2NaOH, (zapis cząsteczkowy) wodorotlenek sodu Na 2 O + H 2 O 2Na + + 2OH - (zapis jonowy) SrO + H 2 O Sr(OH) 2 (zapis cząsteczkowy) wodorotlenek strontu SrO + H 2 O Sr OH - (zapis jonowy) 3. Wodorek zasadowy + woda wodorotlenek + wodór KH + H 2 O KOH + H 2 (zapis cząsteczkowy) wodorotlenek potasu KH + H 2 O K + + OH - + H 2 (zapis jonowy) Uwaga: w zależności od stosunków stechiometrycznych powyższe równania reakcji wodorków metali grupy 1 i 2: można zapisać również: 2KH + H 2 O K 2 O + H 2 CaH 2 + H 2 O CaO + H 2 CaH 2 + 2HO Ca(OH) 2 + H 2 4. Sól metalu mało aktywnego + zasada wodorotlenek nierozpuszczalny w wodzie + sól metalu aktywnego CuSO 4 + 2NaOH Cu(OH) 2 + Na 2 SO 4 (zapis cząsteczkowy) wodorotlenek miedzi(ii) + siarczan(vi) sodu

6 Cu 2+ + SO Na + + 2OH - Cu(OH) 2 + 2Na + + SO 4 2- (zapis jonowy) Cu OH - Cu(OH) 2 (zapis skrócony) 2. Podział wodorotlenków a) Zasadowe - reagują z kwasami lub tlenkami kwasowymi sól + woda (patrz otrzymywanie soli), b) Amfoteryczne - reagują zarówno z zasadami i kwasami, ważniejsze wodorotlenki amfoteryczne i ich liczby koordynacyjne: Be(OH) 2 (4); Al(OH) 3 (4 lub 6) ; Zn(OH) 2 (4) ; Cr(OH) 3 (najczęściej 6); Mn(OH) 4 (6). W przypadku przytoczonych wodorotlenków liczba koordynacyjna jest równoznaczna z liczbą grup OH - połączonych z atomem centralnym, czyli kationem metalu, liczba ta jest większa od wartościowości metalu, natomiast ładunek ujemny anionu kompleksowego z kationem metalu jest równy liczbie dodatkowych grup - OH- połączonych z kationem metalu, np.: Zn(OH) 2 + 2OH - [Zn(OH) 4 ] 2- ; Al(OH) 3 + OH - [Al(OH) 4 ] - ; Al(OH) 3 + 3OH - [Al(OH) 6 ] 3- *reakcja silną zasadą Zn(OH) 2 + 2NaOH Na 2 [Zn(OH) 4 ] (zapis cząsteczkowy), tetrahroksocynkanian sodu (czterowodrotlenocynkanian(ii) sodu Uwaga: produkt powyższy można zapisać: -2H 2 O Na 2 [Zn(OH) 4 ] Na 2 ZnO 2 [cynkanian(ii) sodu] Zn(OH) 2 + 2Na + + 2OH - 2Na + + [Zn(OH) 4 ] 2- (zapis jonowy) Zn(OH) 2 + 2OH - [Zn(OH) 4 ] 2- (zapis skrócony) *reakcja z kwasem Zn(OH) 2 + 2HCl ZnCl 2 + 2H 2 O (zapis cząsteczkowy) chlorek cynku(ii) Zn(OH) 2 + 2H + + 2Cl - Zn Cl - + 2H 2 O (zapis jonowy) 3. Właściwości wodorotlenków Substancje stałe o budowie krystalicznej, sieć krystaliczną tworzą kationy metalu i aniony wodorotlenowe, mają z reguły wysokie temp. topnienia, w stanie stałym nie przewodzą prądy elektrycznego, rozpuszczalne w wodzie (zasady) lub stopione są przewodnikami prądu elektrycznego. a) Wodorotlenki litowców i berylowców (z wyjątkiem wodorotlenku berylu i magnezu) dobrze rozpuszczają się w wodzie tworząc mocne zasady (wodorotlenki

7 nierozpuszczające się w wodzie nie są zasadami), rozpuszczając się w wodzie ulegają dysocjacji elektrolitycznej (jonowej): H 2 O H 2 O NaOH Na + + OH- Ca(OH) 2 Ca OH - b) Zasadowość wodorotlenków wzrasta w grupie wraz ze wzrostem liczby atomowej Z metalu, natomiast maleje w okresie w wraz ze wzrostem liczby atomowej Z metalu. Przykładowe zadania i proponowane rozwiązania 1. Zapisz równania reakcji chemicznych w formie cząsteczkowej przemian chemicznych przedstawionych na poniższym schemacie, dobierając ewentualnie drugi substrat reakcji, produktom nadaj nazwy systematyczne: A B C Ca CaO Ca(OH) 2 CaCO 3 D E A) 2Ca + O 2 CaO B) CaO + H 2 O Ca(OH) 2 C) Ca(OH) 2 CaCO 3 + H 2 O D) CaCO 3 CaO + CO 2 (temp.) E) Ca(OH) 2 CaO + H 2 O (temp.) 2. Ze zbioru tlenków: SO 3, SiO, Fe 2 O 3, Cr 2 O 3, SiO 2, NO, SrO, SiO wybierz: a) reagujący z wodą i zasadą, b) reaguje z wodą i tlenkiem kwasowym, c) reaguje zarówno z kwasem jak i zasadą d) reaguje wyłącznie z mocną zasadą, e) reaguje wyłącznie z kwasem, f) nie reaguje z wodą, ani kwasem, z zasadą. Zapisz odpowiednie równania reakcji chemicznych tych tlenków. a) SO 3 + H 2 O H 2 SO 4 ; SO 3 + 2NaOH Na 2 SO 4 + H 2 O b) SrO + H 2 O Sr(OH) 2 ; SrO + CO 2 SrCO 3 c) Cr 2 O 3 + 6HI 2CrI 3 + 3H 2 O; Cr 2 O 3 + 6NaOH + 3H 2 O 2Na 3 [Cr(OH) 6 ] d) SiO 2 + 2NaOH Na 2 SiO 3 + H 2 O e) F 2 O 3 + 6HBr 2FeBr 3 f) NO; SiO 3. Poniższy zbiór tlenków: Na 2 O Cs 2 O, MgO, K 2 O, CaO, Rb 2 O uszereguj wg wzrastającego charakteru zasadowego. MgO < CaO < Na 2 O < K 2 O < Rb 2 O < Cs 2 O 4. Polecenie jak wyżej: A B C D K KO 2 K 2 O KOH A) K + O 2 KO 2 (ponadtlenek potasu) B) KO 2 + 3K 2K 2 O (tlenek potasu) C) K 2 O + H 2 O 2KOH (wodorotlenek potasu) D) 2K + 2H2O 2KOH + H 2 (wodorotlenek potasu + wodór)

8 5. Poniższy zbiór wodorków podziel na grypy wg charakteru chemicznego w reakcji z wodą: a) kwasowe, b) zasadowe, c) obojętne, d) amfoteryczne: NH 3, CH 4, CaH 2, HCl, H 2 O, LiH, SiH 4, H 2 S,HI. Zapisz po jednym równaniu reakcji chemicznej wodorku amfoterycznego z e) wodorkiem zasadowym oraz f) wodorkiem kwasowym: a) HCl, H 2 S, HI; b) CaH 2,LiH, NH 3 ; c) CH 4, SiH 4 ; d) H 2 O, e) LiH + H 2 O LiOH + H 2 H 2O f) HI + H 2 O H 3 O + + I - lub HI H + + I - 6. Z tabeli rozpuszczalności soli i wodorotlenków dobierz substraty, które w wyniku reakcji ich wodnych roztworów dadzą wodorotlenek chromu(iii) - zapisz równania reakcji w formie cząsteczkowej, jonowej, jonowej skróconej, zaproponuj metodę rozdzielenia produktów reakcji Wybrana substraty: CrI 3 oraz NaOH CrI 3 + 3NaOH Cr(OH) 3 + 3NaI Cr I - + 3Na + + 3OH - Cr(OH) 3 + 3Na + + 3I - Cr OH - Cr(OH) 3 Przesączenie reagentów prze bibułę filtracyjną oraz przepłukanie osadu wodorotlenku chromu(iii) nierozpuszczalnego w wodzie, wodą destylowaną na bibule, pozostałości substratów i drugi produkt są w roztworze i przejdą do przesączu. 7. Zapisz równania reakcji chemicznych (w formie cząsteczkowej) wodorotlenku glinu wskazujące na jego charakter amfoteryczny (przyjmij liczbę koordynacyjną 6), produktom reakcji nadaj nazwy systematyczne: Al(OH) 3 + 3KOH K 3 [Al(OH) 6 ] sześciowodorotlenoglinian potasu (heksahydroksoglinian potasu) Al(OH) 3 + 3HCl AlCl 3 + 3H 2 O chlorek glinu + woda 8. Dokończ poniższe równania reakcji chemicznych lub zapisz, że reakcja nie zachodzi: a) Fe 2 O 3 + H 2 O r. nie zachodzi, b) Na 2 O + H 2 O 2NaOH c) Mg + 2H 2 O Mg(OH) 2 + H 2, d) Cu + H 2 O reakcja nie zachodzi, e) 2Li + 2H 2 O 2LiOH + H 2 f) ZnO + H 2 O r. niezachodni, g) CuSO 4 + 2KOH Cu(OH) 2 + K 2 SO 4 h) 2Fe(OH) 2 + O 2 + H 2 O 2Fe(OH) 3 g) FeCl 3 + 3NaOH Fe(OH) 3 + 3NaCl 9. Dysponując wodorem, tlenem i węglanem(iv) wapnia, zaproponuj cykl przemian prowadzących od otrzymania wodorotlenku wapnia: a) prażenie węglanu wapnia: CaCO 3 CaO + CO 2 b) spalenie wodoru : 2H 2 + O 2 2H 2 O c) gaszenie wapna palonego wodą: CaO + H 2 O Ca(OH) 2.

9 10. Zapisz obserwacje w probówkach A, C, D doświadczenia przedstawionego na rys. Na Al 2 O 3 CaO A B C Woda + fenoloftaleina a) zawartość probówki A i C przyjmie barwę malinową, b) w probówce B nie obserwuje się żadnych zmian. 11. A B C D NH 3 CH 4 HBr Woda + fenoloftaleina Woda + oranż metylowy Polecenie jak w zadaniu 7: a) zawartość probówki A przyjmie barwę malinową, b) w probówkach B i C nie obserwuje się zmian, c) zawartość probówki D zmieni się z barwy żółtej (pomarańcz.) na barwę czerwoną.