Периодический закон Д.И. Менедлеева и химические свойства элементов: Контрольные вопросы по курсу

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ПЕРИОДИЧЕСКИЙ ЗАКОН Д.И. МЕНДЕЛЕЕВА И ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЭЛЕМЕНТОВ Контрольные вопросы для тестирования по курсу общей и неорганической химии Пособие для студентов Специальность: Химия (011000)

Воронеж - 2004

2

Утверждено научно методическим советом химического факультета (14 апреля 2004 г., протокол № 11)

Составители: – Миттова И.Я., Яценко О.Б., Пшестанчик В.Р., Прокин А.Н., Лаврушина С.С., Самойлов А.М., Томина Е.В. Науч. ред. проф. Я.А. Угай

Пособие подготовлено на кафедре неорганической химии химического факультета Воронежского государственного университета Рекомендуется для студентов первого курса д/о и в/о химического и фармацевтического факультетов

3

1. Периодический закон как основа химической систематики 1.1. Структура Периодической системы Д.И. Менделеева 1.

Правильно ли, изучая Периодическую таблицу Д.И. Менделеева, рассматривать строение только нейтральных (изолированных) атомов?

2.

Как развивались понятия «элемент», «атом» и «простое вещество» в процессе становления химии?

3.

Какое количество химических элементов было известно на момент формулировки Периодического закона и создания Периодической таблицы?

4.

В чем заключалась важность предсказания Менделеевым шести неизвестных химических элементов и описание их физических и химических свойств, а также свойств их соединений?

5.

Чем руководствовался Менделеев, нарушая самим же сформулированный закон о расположении элементов в порядке возрастания атомной массы?

6.

Какие открытия способствовали утверждению Периодического закона еще при жизни Д.И. Менделеева?

7.

В чем заключается различие между менделеевской и так называемой со временной формулировками периодического закона? Раскрывают ли они его физический смысл?

8. Какие признаки элементов лежат в основе их распределения по периодам, группам и подгруппам? 9.

В чем состоит принцип инвариантности положения элемента в Периодической системе? Всегда ли он соблюдается?

10. Чем определяются групповая и типовая аналогии в свойствах элементов? Что такое полная и неполная электронная аналогия? Совпадают ли между собой эти классификации? 11. Чем и почему различается характер электронной аналогии в I – II и III – VIII группах Периодической системы? 12. В чем особенность кайносимметричных орбиталей? Какие изменения в химических свойствах элементов характерны с появлением кайносимметричных орбиталей? Назовите кайносимметричные элементы в Периодической системе.

4

6.

Какие элементы относятся к типическим? В чем заключается качественное своеобразие типических элементов? Какова их роль в фактической неорганической химии?

7.

В чем заключаются различия между типическими элементами 2-го и 3-го периодов с электронной точки зрения? Как эти различия проявляются в химических свойствах элементов?

8.

Что такое слоевая и контракционная аналогии? Чем они обусловлены? Приведите примеры слоевых и контракционных аналогов.

9.

Каковы закономерности изменения орбитальных радиусов атомов для s-, p-, d-, f-элементов в пределах одного периода? В чем сущность эффектов d-сжатия и f-сжатия (лантаноидной контракции)? Почему не рассматриваются, например, р-сжатие или актинидная контракция?

10. В чем заключается принципиальное различие между лантаноидами и актинидами? 11. В чем заключается концепция инертной 6s-электронной пары (Сиджвик)? Чем она обусловлена? Проиллюстрируйте правомерность этой концепции примерами. 12. В чем смысл вторичной и внутренней периодичности и чем обусловлены эти эффекты? Как они влияют на характер изменения свойств элементов в группах и периодах? Приведите примеры вторичной периодичности среди элементов главной и побочной подгрупп. 13. Почему d-элементы 5 и 6 периодов близки по свойствам между собой и существенно отличаются от элементов 4 периода? 14. Приведите примеры горизонтальной аналогии и объясните причины этого эффекта. У каких элементов в Периодической системе проявляется горизонтальная аналогия и почему? 15. В чем заключается и чем обусловлена диагональная аналогия? Чем различаются диагональные аналогии в широком и узком смысле, нисходящие и восходящие диагональные аналогии? Приведите примеры. 1.2. Простые вещества как гомоатомные соединения 1.

В чем заключается значение простых веществ как объектов неорганической химии?

5

2.

Почему простые вещества мы называем гомоатомными соединениями? Как можно обосновать правомерность существования понятия «гомоатомное соединение»?

3.

Чем различаются понятия «химическое строение» и «кристаллохимическое строение» применительно к простым веществам?

4.

Чем, в принципе, различается кристаллохимическое строение металлов и неметаллов как простых веществ?

5.

Каковы области применения терминов «аллотропия» и «полиморфизм» в химии? Когда эти понятия совпадают?

6.

Каков критерий разделения элементов границей Цинтля?

7.

Как формулируется кристаллохимическое правило Юм-Розери? В чем его смысл с точки зрения электронного строения атомов и природы химической связи?

8.

Можно ли применить правило Юм-Розери для характеристики структур инертных и благородных газов в кристаллическом состоянии при низких температурах?

9.

Как проходит граница между металлами и неметаллами в периодической таблице? Почему она не совпадает с границей Цинтля?

10. Совпадает или нет деление химических элементов на металлы и неметаллы по физическим и химическим свойствам? 11. У элементов побочных подгрупп сверху вниз растет химическая благородность простых веществ (за исключением подгруппы скандия). Дайте обоснование этому факту. 12. Как и почему изменяются температуры плавления простых веществ, образованных s-, p- и d-элементами, в подгруппах? Почему изменение температур плавления в периодах не полностью коррелирует с изменением энтальпий атомизации? 13. Для каких химических элементов характерно нахождение их в природе: а) в виде растворимых солей; б) в виде нерастворимых солей; в) в виде оксидов и гидроксидов; г) в виде оксидов и сульфидов; д) в самородном состоянии? На чем основаны общие принципы получения соответствующих простых веществ?

6

14. Каково значение особо чистых веществ в современной науке и технике? В чем заключаются основные аспекты проблемы получения особо чистых веществ? 15. Чем различаются особо чистые вещества и вещества эталонной чистоты? 1.3. Бинарные химические соединения 1.

Всегда ли соблюдается правило формальной валентности в бинарных соединениях?

2.

Как применяются правило октета и правило Музера – Пирсона к бинарным соединениям?

3.

Используя обобщенный критерий Музера – Пирсона, ответьте, какие связи имеются в кристаллах GeAs, GeAs2, SiP, SiP2, GaAs, Cd3P2, CdP2, CdP4, CuP2?

4.

Какие существуют закономерности формирования изоэлектронных семейств бинарных соединений?

5.

Какие существуют закономерности в изменении типов кристаллических решеток для изоэлектронных рядов?

6.

Всегда ли возможно определить дальтонидную или бертоллидную природу односторонних бинарных фаз?

7.

К какому классу соединений и почему относятся катионоизбыточные фазы Ti6O и Ti3O?

8.

От чего зависят структура, состав и свойства бинарных соединений?

9.

Известно, что AlP имеет структуру сфалерита. Что можно сказать о структуре его изоэлектронных аналогов AlN и AlSb и типе связи в них?

10. Почему для неорганических соединений с координационной структурой имеет место нарушение стехиометрического состава? Приведите термодинамическое обоснование и примеры. 11. Как дефекты сказываются на составе бинарных соединений? 12. От чего и как зависит структура оксидов? Какие оксиды относятся к характеристическим соединениям?

7

13. Каким образом классифицируются характеристические оксиды по типу связи и по структурным особенностям? 14. По каким признакам классифицируются бинарные водородные соединения? 15. Охарактеризуйте общие закономерности образования водородных соединений в зависимости от положения элементов в периодической системе. Какие из них относятся к характеристическим соединениям? 16.

Какими особенностями обладают гидриды Be, Mg, Al?

17. От чего зависят кислотно-осно´ вные свойства летучих водородных соединений? 18. Приведите аргументы, обосновывающие целесообразность включения галогенидов в число характеристических соединений. 19. Каковы общие закономерности в изменении температур плавления и кипения в рядах галогенидов элемента для соединений с координационной и молекулярной структурой и чем они обусловлены? 20. Каковы основные типы кристаллических структур халькогенидов в зависимости от типа химической связи в них? Приведите примеры. 21. Каковы общие закономерности образования халькогенидов в зависимости от положения элементов в периодической системе? 22. Охарактеризуйте закономерности образования пниктогенидов, карбидов, силицидов, боридов в зависимости от положения элементов в периодической системе и природы химической связи в этих соединениях. 1.4. Многокомпонентные химические соединения 1.

Что подразумевают понятия «сложное вещество» или «химическое соединение»?

2.

В чем заключаются основные принципы изучения сложных веществ или химических соединений? Как сказывается на свойствах сложных химических соединений сходство и различие свойств исходных бинарных соединений, генетически связанных с образованием сложного соединения?

3.

8

4. 5.

В чем заключаются проблемы классификации сложных химических соединений при отсутствии заметного вклада ионной связи? Что объединяет кислоты, основания и соли с точки зрения специфики структуры и особенностей химической связи?

6.

Почему гидроксиды химических элементов рассматриваются как характеристические соединения и какова их роль в неорганической химии?

7.

Какими факторами определяется устойчивость форм гидроксидов?

8.

Каковы общие закономерности образования гидратных форм, отвечающих гидроксидам с осно´ вными и кислотными свойствами, в зависимости от положения элементов в периодической системе?

9.

Напишите графические формулы азотной и мышьяковой кислот. Чем объясняются различия?

10. Каковы общие критерии (диапазон степеней окисления и электроотрицательностей элементов) образования амфотерных гидроксидов? 11. Может ли азотная кислота проявлять осно´ вные свойства? 12. Как объяснить известный еще со времен алхимии факт, что соли устойчивее кислот? Какую информацию общехимического плана можно извлечь из этого факта? 13. От каких факторов зависит растворимость солей? 14. О чем говорит склонность элемента к образованию кристаллогидратов и двойных солей? 15. Приведите примеры двойных солей. В чем заключается их отличие от комплексных соединений? 16. В природе существует минерал карналлит KCl . MgCl2. 6H2O. Какие выводы, и о каком элементе можно сделать на основании этого факта? 17. В чем Вы видите классификационную роль комплексных соединений и двойных солей для характеристики химических свойств элемента? 18. Какая из двух кислот более сильная: HF или H[BF4]; H2SO4 или H2S2O7? 19. О чем говорит склонность элемента к образованию гидроксокомплексов?

9

2. Химия элементов 2.1. Водород 1.

В некоторых таблицах Периодической системы водород помещают VIIА группу, которую образуют p-элементы. Чем это обосновано? Какие существуют варианты расположения водорода в Периодической таблице? Охарактеризуйте место водорода в Периодической системе.

2.

Есть ли элементы-аналоги у водорода?

3.

Где встречается водород в виде простого вещества в природе?

4.

Какое место по распространенности занимает водород на Земле, а какое – во Вселенной?

5.

В каком состоянии (атомном, молекулярном) свободный водород встречается: а) на Земле, б) в космосе? Какой другой элемент, помимо водорода, является основной составляющей космической материи?

6.

Известно, что ионосфера (верхний слой атмосферы, расположенный на расстоянии 50 - 80 км от поверхности Земли) содержит частично ионизированные газы, в том числе и водород. В виде каких ионов (H+, H2+, H3+, H−, H2−) наиболее вероятно существование водорода в атмосфере?

7.

Какие изотопы водорода Вам известны? Все ли они встречаются в природе?

8.

Каково возможное объяснение разницы в энтальпиях образования молекулы водорода (436 кДж/моль) и молекулы дейтерия (439 кДж/моль)?

9.

Какими способами можно получить молекулярный водород: а) в лаборатории, б) в промышленности?

10. Какими особенностями обладает водород «в момент выделения» (по средневековой латинизированной терминологии – in statu nascendi)? Чем это обусловлено? Можно ли ожидать, что другие вещества «в момент выделения» будут обладать особыми свойствами? 11. Чем отличается орто-водород от пара-водорода?

10

12. Температуры плавления и кипения водорода очень низки. Является ли он самым трудно сжижаемым газом? Дайте мотивированный ответ. 13. Чем обусловлена крайне низкая растворимость водорода в воде? Какой газ растворим в воде хуже водорода и почему? 14. На основании каких признаков можно отличить образование твердого раствора внедрения от фазы внедрения при поглощении водорода некоторыми металлами (какими)? 15. Объясните, почему высокодисперсная платина (так называемая платиновая чернь) вызывает самовозгорание водорода на воздухе, тогда как контакт водорода с компактной платиной вполне безопасен? 16. Какие физические характеристики Pd меняются при растворении в нем водорода и почему? 17. Какие соединения в современной технологии называются твердыми источниками водорода? Приведите примеры соединений и реакций. 18. Почему взаимодействие водорода с хлором и кислородом не протекает самопроизвольно при комнатной температуре, однако при поджигании эти реакции идут? Правильно ли говорить, что водород сгорает в хлоре и кислороде (а не наоборот, хлор или кислород сгорает в водороде)? Дайте мотивированный ответ. 19. Может ли водород при взаимодействиях с другими элементами выступать в роли окислителя? 20. Какие функции могут выполнять в химических реакциях частицы: а) H2, б) H+ (раствор), в) H− (твердое состояние)? Проиллюстрируйте Ваши выводы уравнениями реакций. 21. Каковы химические особенности солеобразных гидридов щелочных и щелочноземельных металлов? Какими фактами можно доказать, что водород в таких гидридах отрицательно поляризован?

11

22. Первая зона гидратации катиона водорода включает одну молекулу воды. Согласно представлениям о строении химических соединений, можно ли указать в ионе гидроксония тот атом водорода, который до образования этого иона был свободным катионом H+? Одинакова или различна длина трех химических связей O − H в ионе H3O+? 23. В чем Вы видите особую роль воды как важнейшего природного соединения водорода на Земле? 24. В чем состоит особая роль воды в химии? Приведите как можно больше аргументов (не менее 7), подтвердите их примерами. 25. Проследите за изменением валентных углов в ряду CH4 – NH3 – H2O. Как можно объяснить наблюдающуюся закономерность? Как особенности строения молекулы воды сказываются на ее свойствах и каких именно? 26. Почему свойства оксида водорода резко отличаются от таковых для его аналогов – халькогенидов? 27. Что такое тяжелая вода и где ее используют в промышленности? Какое вещество – оксид протия или оксид дейтерия имеет более низкую температуру кипения? 28. Каковы особенности химического строения молекулы пероксида водорода? Как они влияют на свойства этого соединения? 29. К какому классу реакций относится реакция разложения пероксида водорода? Какие выводы можно сделать из этого? 30. Как по химическим свойствам можно отличить пероксид от нормального оксида? Являются ли, например, PbO2 и MnO2 нормальными оксидами Э+4, или пероксидами Э+2? 31. Как, ориентируясь на формулу соединения и используя формальные правила расчета степеней окисления, отличить пероксосоединения? 32. К каким классам соединений следует отнести, например, BaO2 и NaOOH?

12

2.2. Элементы I группы 2.2.1. Элементы IA - подгруппы 1.

Сопоставьте распространенность элементов IАгруппы в природе. В виде каких соединений в основном они встречаются?

2.

В чем заключаются особенности химии лития по сравнению со свойствами остальных металлов 1А группы таблицы Д.И. Менделеева?

3.

На чем основаны способы получения щелочных металлов в промышленности?

4.

Какие кислородные соединения образуют щелочные металлы при горении на воздухе? Как получают нормальные оксиды натрия, калия, рубидия и цезия?

5.

Литий реагирует с сухим азотом только при нагревании, однако в присутствии следов влаги реакция протекает при комнатной температуре. Предложите возможный вариант участия воды в этом процессе.

6.

Как можно получить нитриды щелочных металлов?

7.

Почему при сильном прокаливании сухих кристалликов поваренной соли они с хрустом рассыпаются?

8.

Известно, что гидриды щелочных металлов в газообразном состоянии находятся в виде молекул МеН, в твердом состоянии нерастворимы в неполярных органических растворителях, но активно реагируют с водой. Как ведут себя эти вещества в расплавах? Подвергаются ли они электролизу? Какой тип химической связи в этих гидридах?

9.

Известно, что щелочные металлы обладают способностью растворяться в жидком аммиаке с образованием синих растворов, обладающих достаточно высокой электропроводностью (жидкий аммиак – диэлектрик). Объясните это явление.

13

10. Как с помощью энергетической диаграммы образования химической связи в рамках метода МО можно объяснить тот факт, что значение энергии ионизации первого порядка для атома натрия или калия выше, чем для двухатомной молекулы Na2 или K2? 11. На чем основан промышленный способ получения гидроксидов щелочных металлов? 12. Через водный раствор гидроксида калия пропускают смесь газообразного иода и иодоводорода. Какие реакции протекают при этом? 13. На чем основан промышленный способ получения соды? Почему Na2CO3 называют кальцинированной содой? 14. Гидрокарбонаты натрия или калия используют в сухих огнетушителях. Чем это обусловлено? Приведите уравнения реакций, которые лежат в основе противопожарного действия этих веществ. 15. Сопоставьте температуры плавления и термическую устойчивость солей кислородсодержащих кислот для лития и щелочных металлов. Какие общие выводы при этом можно сделать? 16. Какой из элементов IA-группы является лучшим комплексообразователем и почему? 2.2.2. Элементы IB - подгруппы 1.

Медь сравнительно мало распространена на Земле, а содержание серебра и золота еще меньше. Почему же именно эти металлы известны человечеству с глубокой древности?

2.

Каковы основные природные минералы меди, серебра и золота?

3.

Каковы общие принципы извлечения меди, серебра и золота из природных соединений и их рафинирования?

4.

На каком характерном для d-элементов свойстве серебра и золота основан цианидный способ их извлечения из руд в промышленности? Приведите уравнения соответствующих реакций.

5.

Чем объяснить существование так называемых «экстравалентных состояний» для элементов IB-подгруппы? Почему, тем не менее, для серебра наиболее устойчива степень окисления +1?

14

6.

Перечислите, по возможности, максимально возможное число реактивов, с помощью которых можно перевести в водный раствор: а) медь, б) серебро, в) золото.

7.

Какие функции выполняют азотная и соляная кислоты при химическом растворении золота в «царской водке»?

8.

При растворении металлического золота в «царской водке» невозможно получить AuCl3. Объясните – почему.

9.

Какие продукты получатся на катоде и аноде при электролизе водных растворов следующих веществ: а) сульфата меди (II), б) нитрата серебра (I), в) тетрахлороаурата (III) водорода.

10. Осадок гидроксида меди (II) химически растворили в избытке раствора щелочи и добавили пероксодисульфат калия. При этом выпал осадок темно-красного цвета. При температуре выше 400 оС он быстро чернеет и при этом выделяется газ. Вещество химически растворяется в хлороводородной кислоте с образованием зеленого раствора и газа с резким запахом, растворяется в концентрированных щелочах, окрашивая раствор в красный цвет. Приведите уравнения описанных процессов. Какие свойства присущи соединениям меди в высоких степенях окисления? 11. В чем заключаются химические причины наличия окраски у твердых солей AgBr и AgI, хотя AgCl и CuI – бесцветны? 12. Сформулируйте общие закономерности существования галогенидов ЭГ, ЭГ2 и ЭГ3 для элементов IB-группы и всех галогенов? Чем можно объяснить эти закономерности? 13. Если кристаллы хлорида и сульфата меди (II) не имеют окраски (бесцветны), то водные растворы тех же соединений окрашены в голубой цвет, а водно-аммиачные растворы – в синий цвет. Объясните химические причины этого явления. 14. Используя теорию кристаллического поля, объясните, почему комплексный ион [CuCl2]− в водном растворе бесцветный, а [CuCl4]2− окрашен в зеленый цвет. 15. Почему соединения серебра нужно хранить в темных склянках? 16. Малорастворимые в воде галогениды серебра хорошо растворяются в водном растворе тиосульфата натрия. Но при пропускании через полученный раствор сероводорода, или при добавлении сульфида натрия об-

15

разуется черный осадок. Как объяснить наблюдаемые явления? Чем они обусловлены? 17. Какие исходные вещества образуют золотохлороводородную кислоту H[AuCl4]? Какая соль этой кислоты имеет техническое название «золотая соль»? 18. В водном растворе или при нагревании хлорид золота (I) распадается с выделением металлического золота. Напишите уравнение реакции и укажите, к какому типу она относится. 2.3. Элементы II группы 2.3.1. Элементы II А подгруппы 1.

Чем определяются специфические особенности химии бериллия в сравнении с остальными элементами IIAподгруппы и в чем они проявляются?

2.

Какие элементы IIA-подгруппы относятся к щелочноземельным металлам и чем обусловлено это название?

3.

В чем заключаются особенности химии магния как 2-го типического элемента IIA-подгруппы?

4.

Сравните распространенность в природе и основные минеральные формы для элементов IIA-подгруппы. Какие выводы общехимического плана при этом можно сделать?

5.

Чем обусловлена наибольшая способность бериллия к комплексообразованию по сравнению с другими элементами IIА-подгруппы?

6.

Чем объясняется важность химии?

7.

Какие виды аналогий наблюдаются для элементов подгруппы кальция?

8.

На основании положения металлов в Периодической таблице установите, от какого из атомов – натрия или магния – труднее отрывается первый электрон, а от какого - второй? Дайте аргументированный ответ.

Mg для бионеорганической

16

9.

Сравните комплексообразовательную способность бериллия и магния, магния и цинка. Чем объясняются различия?

10. Почему для бериллия характерна полимеризация его соединений? Чему равно в таких соединениях его координационное число? Приведите примеры. 11. Выясните, в каком структурном типе кристаллизуется BeF2. Какие выводы о химии бериллия в целом можно сделать на основании этого факта? 12. Укажите тип гибридизации атомных орбиталей и геометрическую форму следующих ионов: [BeF4]2−, [Be(H2O)4]2+, [Mg(NH3)6]2+, [Mg(H2O)6]2+. 13. Для получения кальция в промышленности CaCO3 прокаливают в смеси с алюминием. Укажите способ разделения образующихся продуктов. 14. Почему гидроксид магния реагирует с сульфатом аммония в растворе, а гидроксид бериллия – нет? 15. Объясните, почему при пропускании углекислого газа через раствор гидроксида кальция образуется осадок, а при пропускании через раствор хлорида кальция - нет? 16. В три пробирки, содержащие равные объемы растворов хлоридов кальция, стронция и бария одинаковой молярной концентрации, добавляют по каплям при перемешивании раствор карбоната натрия. В какой пробирке осадок появится при наименьшем (наибольшем) объеме введенного раствора карбоната натрия? Образуются ли осадки во всех пробирках? Дайте аргументированный ответ. 17. Укажите, какие свойства элементов IIA группы можно использовать для разделения следующих пар катионов: а) Be2+ и Mg2+, б) Ba2+ и Sr2+ , в) Be2+ и Ca2+ . 18. Объясните, почему хромат стронция реагирует с уксусной кислотой, а хромат бария не реагирует. Почему оба хромата реагируют с раствором соляной кислоты? Дайте аргументированный ответ. 19. Как можно отличить известковую воду (насыщенный водный раствор гидроксида кальция) от баритовой воды? 20. Какие соединения относятся к шенитам? Какова их общая формула? Какова их роль в химической характеристике элемента?

17

2.3.2. Элементы IIB-подгруппы 1.

Сопоставьте распространенность элементов IIB- и IIA-подгрупп. Какими основными минеральными формами представлены в природе цинк, кадмий и ртуть?

2.

На чем основаны общие принципы получения цинка, кадмия и ртути в промышленности?

3.

Как сказываются особенности электронного строения металлов подгруппы цинка на их химических свойствах?

4.

Какие факты указывают на более близкую аналогию соединений типического элемента магния с соединениями элементов IIB-группы, чем со щелочноземельными металлами?

5.

Известно, что сульфид цинка образует две полиморфных модификации – кубическую (сфалерит) и гексагональную (вюртцит). Какие предположения можно сделать о структурах ZnO, ZnSe, ZnTe?

6.

Чем можно объяснить существенно меньшую термическую устойчивость карбонатов цинка и кадмия по сравнению с аналогичными соединениями элементов IIA-подгруппы?

7.

Как изменяется устойчивость однотипных соединений цинка, кадмия и ртути с увеличением порядкового номера элемента и почему это изменение особенно заметно при переходе от кадмия к ртути?

8.

В каких свойствах ртути проявляется ее отличие от цинка и кадмия, обусловленное высокой устойчивостью электронной конфигурации 6s2?

9.

Дают ли элементы IIB-подгруппы внутриорбитальные комплексы? Квадратную или тетраэдрическую конфигурацию имеют ионы, в которых координационное число цинка равно 4, например, [Zn(OH)4]2−?

10. Чем будут отличаться процессы растворения ртути: а) в избытке азотной

кислоты, б) в присутствии избытка самой ртути? Напишите уравнения этих реакций и объясните с электронной точки зрения причину образования двухатомной группы – Hg – Hg – ? 11. Какие экспериментальные факты указывают на то, что во всех соедине-

ниях «ртути (+1)» в действительности существуют па´ ры ковалентно связанных атомов Hg?

18 12. Как, пользуясь только индикатором (каким?), различить растворы хлори-

дов бария и цинка? Какие еще реагенты можно использовать для этой же цели? 13. Как можно отличить латунь (сплав цинка с медью) от чистой меди? 14.

Какие свойства гидроксидов цинка и кадмия позволяют сделать вывод об относительной величине степени гидролиза их солей?

15. Как и почему меняется характер гидроксидов элементов IIB-подгруппы с

увеличением порядкового номера элемента? 16. Какими способами можно разделить одновременно находящиеся в рас-

творе ионы Cd2+ и Zn2+?

17. Что такое амальгамы? Изменяются ли химические свойства металлов в

амальгамированном состоянии? Как взаимодействует с водой амальгама натрия, почему ее применяют в качестве восстановителя вместо металлического натрия? 18. Почему случайно пролитая ртуть должна быть тщательно собрана, а те

места, где она могла задержаться, рекомендуется засыпать «серным цветом» (что это такое?)? 19.

Почему ион Cu2+ в растворе имеет интенсивную голубую окраску, а ион Zn2+ - бесцветен?

20. Ион ртути Hg

2+

в растворе бесцветен, как и большинство ее соединений в твердом состоянии. Почему сульфид ртути имеет интенсивную красную окраску (киноварь)?

21. Как можно объяснить изменение окраски в ряду ZnS – CdS – HgS? Какие

выводы о природе химической связи в этих соединениях можно при этом сделать?

19

2.4. Элементы III группы 2.4.1. Общая характеристика 1.

Охарактеризуйте особенности III группы, которые выделяют ее из остальных групп периодической системы.

2.

Почему некоторые авторы относят элементы подгруппы скандия к IIIАподгруппе, а элементы подгруппы галлия – к IIIВ-подгруппе?

2.4.2. Элементы IIIA-подгруппы 2.4.2.1. Бор 3.

В чем заключаются особенности бора как элемента третьей группы Периодической таблицы? В чем уникальность этого элемента (и простого вещества) в Периодической системе:?

4.

Почему для бора не характерны соединения, в которых он был бы одновалентным?

5.

Чем можно объяснить неустойчивость гомоатомных цепей – В − В − и, наоборот, большую устойчивость гетероатомных цепей: – В − О − В − О − В – ?

6.

Оксид бора – полимерное соединение, образованное за счет связей В − О − В. При действии воды эти связи разрушаются в результате гидратации. Какой продукт является конечным, и при каких условиях возможен обратный процесс?

7.

Чему равна основность ортоборной кислоты в водных растворах?

8.

Что является причиной увеличения кислотности борной кислоты с увеличением ее концентрации?

9.

Приведите примеры соединений, образованных атомами бора за счет: а) только валентных электронов; б) всех валентных орбиталей. Какие из них будут координационнонасыщенными? Укажите для того и другого случая координационное число атома бора, тип гибридизации его орбиталей и соответствующую пространственно-геометрическую форму молекул или ионов.

20

10. За счет чего молекула BF3 может присоединять к себе другие молекулы или ионы, например молекулы воды и аммиака, фторид-анионы? Почему невозможно присоединение таких молекул, как CH4? 11. Чем обусловлена высокая склонность галогенидов бора к гидролизу? В чем заключается различие между гидролизом фторида бора и остальных галогенидов? 12. Какую функцию выполняют галогениды бора с точки зрения теории кислот и оснований Льюиса? 13. Почему в обычных условиях не существует простое соединение ВН3, а образуется димер В2Н6? На примере этого соединения покажите, что гидриды бора (бораны) отличаются дефицитом электронов. Как взаимодействуют бораны с водой? Какие свойства этих соединений дают возможность использовать их в качестве ракетного топлива? 14. Какие полиморфные модификации известны для нитрида бора? Чем объясняется их большее разнообразие по сравнению с изоэлектронным аналогом – углеродом? 15. Как получается боразол, каково его строение и на основании каких общих принципов его можно объяснить? 2.4.2.2. Алюминий 16. Сопоставьте распространенность в природе элементов IIIA-подгруппы. Что отличает в этом отношении алюминий? 17. Каковы основные формы природных соединений алюминия? Как Вы думаете, почему алюминий не образует сульфидных минералов, хотя для элементов подгруппы галлия они известны и наиболее типичны? Какие выводы можно сделать из этого факта? 18. Какие общие выводы о химии алюминия можно сделать из факта существования в природе минерала криолита? 19. Какие соединения называются шпинелями? Что такое собственно шпинель? Что можно сказать о свойствах компонентов, из которых могут образовываться шпинели? Можно ли их рассматривать как соли? 20. Что такое алюмотермия? На чем основан этот процесс с термодинамической точки зрения?

21

21. Через какие последовательные стадии протекает реакция при постепенном прибавлении кислоты к раствору, содержащему гексагидроксоалюминат натрия? Какое вещество будет ее конечным результатом? Как провести реакцию в обратном направлении? 22. Почему для осаждения гидроксида алюминия используют не щелочь, а раствор аммиака? 23. Качественной реакцией на алюминий (или кобальт) является образование метаалюмината кобальта синего цвета. Напишите уравнения реакций, которые происходят при сплавлении сульфатов этих металлов. 24. Чем объясняется образование димерных молекул галогенидов алюминия (кроме фторида алюминия)? Покажите их строение на примере димера хлорида алюминия. При каких условиях этот димер диссоциирует на отдельные молекулы? 25. Почему хлорид бериллия полимеризован, а хлорид алюминия только димеризован? 26. Каковы координационные числа алюминия в его комплексных галогенидах? Чем можно объяснить различия в строении и устойчивости этих соединений? Каково пространственно-геометрическое строение этих комплексов и тип гибридизации центрального атома? 27. Учитывая ответ на вопрос 14 из этого раздела, предположите, к какому структурному типу могут относиться AlN, AlP, AlAs, AlSb. У какого из этих соединений наибольшая склонность к гидролизу и чем это можно объяснить? 28. Чем карбид алюминия отличается от карбидов большинства других металлов? 29. В чем особенность кристаллохимического строения фосфата алюминия и как ее можно объяснить? 30. Какие соединения называются квасцами? Какова их общая формула? Какие элементы склонны к образованию квасцов и как эта способность характеризует данные элементы? 31. Что такое аланаты, каково их номенклатурное название? Как можно получить аланат лития, и на чем основано его применение в неорганическом синтезе?

22

2.4.2.3. Подгруппа галлия 32. Известно, что гидроксид галлия является идеальным амфолитом. Что можно сказать о кислотно-осно´ вных свойствах гидроксида алюминия? 33. При переходе от алюминия к галлию нарушается общая закономерность усиления металличности в свойствах элементов главных подгрупп с увеличением их порядкового номера. В чем это выражается и что является причиной этого явления? 34. Какова закономерность в изменении степеней окисления в соединениях элементов подгруппы галлия и с чем это связано? 35. Чем «знамениты» фосфиды, арсениды и антимониды (стибиды) алюминия, галлия и индия? Каково их кристаллохимическое строение? Почему в этом ряду не упомянут таллий? 36. Как протекают реакции взаимодействия галогенидов Ga, In, Tl с водой? 37. Что означает термин «субсоединение»? Относятся ли к субсоединениям, например, Al2O, AlCl, Tl2O, TlCl? 38. Какими свойствами обладает TlOH? 39. Какими свойствами обладают моногалогениды таллия? Как и почему изменяется их окраска (от фторида к иодиду)? 2.4.3. Элементы IIIB-подгруппы 1.

Почему элементы подгруппы скандия и лантаноиды называют редкоземельными элементами? Какому химическому термину соответствует слово «земля»? Почему эти элементы назвали редкими?

2.

Какое вещество является групповым реагентом на катионы лантаноидов (III)? Предложите способы получения оксида лантана (III).

3.

В некоторых учебниках неорганической химии свойства тория, протактиния и урана рассматриваются совместно с элементами IVB, VB и VIB подгрупп соответственно. Оправдано ли такое рассмотрение с Вашей точки зрения? Дайте аргументированный ответ.

4.

В некоторых вариантах Периодической системы непосредственно под бором и алюминием размещают элементы подгруппы скандия, а не галлия. В какой мере это оправдано?

23

5.

В некоторых вариантах Периодической системы предлагается лантан разместить вместе с лантаноидами, а лютеций как элемент IIIB-группы поместить под иттрием. Каковы Ваши соображения по этому поводу?

6.

Перечислите лантаноиды, которые в соединениях проявляют: а) степень окисления (+2); б) степень окисления (+4). Приведите примеры их соединений. Объясните причину подобных свойств этих металлов.

7.

Можно ли, по аналогии с алюмотермией, осуществить, например, процесс лантанотермии или иттрийтермии? Можно ли таким образом получить металлический алюминий? Вопросами экономической целесообразности, разумеется, здесь надо пренебречь.

8.

Приведите примеры уравнений ность гидроксида скандия.

9.

Как влияет лантаноидная контракция на свойства лантаноидов и их соединений? На примере каких свойств это влияние можно проиллюстрировать наиболее наглядно?

реакций,

подтверждающие амфотер-

10. На примере каких свойств можно наглядно проиллюстрировать внутреннюю периодичность в семействе лантаноидов? 11. Связь лантаноид – вода в аквакомплексах [Me(H2O)8]3+ упрочняется при переходе от лантана к лютецию. Как изменяются кислотно-осно´ вные свойства комплексов в этом направлении? 12. Как Вы думаете, какой гидроксид в большей мере обладает амфотерными свойствами – Sc(OH)3 или Lu(OH)3? Чем Вы можете обосновать Вашу точку зрения? 13. Сопоставьте свойства тригалогенидов лантаноидов и элементов подгруппы галлия. Что можно сказать о природе химической связи в этих рядах соединений и об их склонности к гидролизу в водных растворах? 14. Чем отличаются по кристаллохимическому строению фосфиды, арсениды и антимониды лантаноидов от аналогичных соединений алюминия, галлия и индия? Какие выводы можно сделать из этого факта? 15. Как в целом можно охарактеризовать способность лантаноидов к комплексообразованию? Какими примерами это можно проиллюстрировать? 16. Почему 5f-элементы, находящиеся в одной группе с лантаном и актинием, целесообразно называть не актиноидами, а актинидами? В чем состоят проблемы их размещения в периодической системе? Как можно объяснить особенности их свойств с электронной точки зрения?

24

2.5. Элементы IV группы 2.5.1. Элементы IVA-подгруппы 2.5.1.1. Углерод

9.

1.

В чем заключается значение IVA-подгруппы как одной из «осевых» групп Периодической системы?

2.

Почему углерод образует больше химических соединений, чем другие элементы в периодической системе, вместе взятые? Какой еще элемент обладает такими же особенностями? С чем это связано?

3.

Какова природа химической связи углерода с другими элементами периодической системы?

4.

Какое место занимает углерод по распространенности на Земле? В каком виде находится бо´ льшая часть углерода в земной коре?

5.

Можно ли считать аллотропные формы углерода полиморфными модификациями? Является ли аморфный углерод (например, сажа) его аллотропной формой?

6.

Чем обусловлена «металлизация» химической связи в графите, и на каких свойствах графита это сказывается?

7.

Какие гомологические ряды органических соединений генетически связаны с его аллотропными формами?

8.

Все ли известные оксиды углерода относятся к характеристическим соединениям? На каком основании?

Монооксид углерода получается обезвоживанием муравьиной кислоты. Взаимодействие СО с едким натром приводит к образованию формиата натрия. Почему же этот оксид считают несолеобразующим, а не кислотным оксидом муравьиной кислоты?

10. Дайте объяснение химической индифферентности (хотя бы относительно воды) изоэлектронных молекул N2 и CO. 11. Какие реакции наиболее характерны для СО? Чем это можно объяснить?

25

12. Чем можно объяснить ядовитость оксида углерода (П)? 13. Какая способность СО используется в пирометаллургии? 14. Чем интересны карбонилы переходных металлов? 15. Для углерода известны CO2, CS2 и COS. В каком агрегатном состоянии находятся эти вещества при обычных условиях? Полярны ли эти молекулы? Как называется, как получается и к какому классу соединений относится последнее из перечисленных веществ. 16. Знаете ли Вы, чем различаются газ и пар с термодинамической точки зрения? В какой мере правомерно СО2 называть углекислым газом? 17. Чем выгоднее пользоваться для большего поглощения углекислого газа: водой или раствором щелочи? Как можно разделить газы, смесь которых получается при нагревании щавелевой кислоты с концентрированной серной кислотой? 18. Существуют С2Н6 и В2Н6 (диборан или борэтан). Почему, в отличие от метана СН4, отсутствует моноборан ВН3? С чем это связано? 19. Галогениды бора ВГ3 бурно (вплоть до взрыва) взаимодействуют с водой – энергично гидролизуются. Почему галогениды углерода СГ4 инертны по отношению к воде? Чем объясняется такое различие? 20. Приведите экспериментальные доказательства того, что дициан по свойствам напоминает галогены (кроме фтора). 21. Что такое таутомерия? В каких таутомерных формах существуют в водном растворе циановая и циановодородная кислоты? 22. Что такое гремучая кислота? Как называются ее соли? 23. Какие свойства характерны для карбида кремния? В какой мере они обусловлены его кристаллохимическим строением? 24. Как можно объяснить, что для угольной кислоты известна только метаформа, а для кремниевой – и мета-, и орто-формы? 25. Чем в целом определяется термическая устойчивость карбонатов? Приведите примеры наиболее и наименее устойчивых карбонатов.

26

26. Как можно объяснить, что реакция Na2SiO3+CO2 R Na2CO3+SiO2 при комнатной температуре протекает в прямом направлении, а при прокаливании – в обратном? 27. Какие соединения углерода называют тиокарбонатами? Как их можно получить? На какие продукты разлагается водой тиоугольная кислота? 28. Как правило, тиокислоты и устойчивее, и сильнее по сравнению с кислородными кислотами того же элемента. Приведите примеры и дайте объяснение. 2.5.1.2. Кремний 29. Чем, в принципе, химия кремния как второго типического элемента IV группы отличается от химии углерода? Дайте развернутый ответ. 30. Почему кремний иногда называют «главным элементом неорганической химии»? 31. В чем, на Ваш взгляд, заключается особая роль кремния в геохимическом отношении? 32. Какая связь наиболее характерна для химии углерода, и какая – для химии кремния? 33. С чем связано увеличение валентных возможностей кремния по сравнению с углеродом? 34. Кремний не растворяется в царской водке, но может быть переведен в раствор действием смеси HF+HNO3. Дайте химическое объяснение этому факту. 35. Кремний и германий – важнейшие полупроводниковые вещества в современной технике. Германий – редкий и рассеянный элемент, а кремний – один из двух самых распространенных. Как Вы думаете, почему стоимость кремния как полупроводникового материала весьма высока и сопоставима со стоимостью германия? 36. Почему для получения полупроводников применяют так называемую бестигельную зонную плавку? 37. За счет чего связь Si − O более прочна, чем связь C − O? 38. Для кремния характерно и устойчиво координационное число 4. С этой точки зрения объясните существование SiO2 в виде полимера со

27

структурной единицей SiO4. Какую геометрическую конфигурацию она имеет? 39. Чем принципиально отличается кристаллохимическое строение стишовита от кварца, тридимита, кристобалита? 40. Почему СО2 обладает молекулярной структурой, а SiO2 – координационной? 41. Почему, в отличие от галогенидов углерода, галогениды кремния энергично гидролизуются водой (подобно галогенидам бора)? 42. Какой вторичной реакцией отличается гидролиз тетрафторида кремния от гидролиза остальных тетрагалогенидов кремния? Какой тип гибридизации АО кремния при этом осуществляется и какую геометрическую конфигурацию имеет структурная единица конечного продукта? 43. Почему плавиковую кислоту нельзя хранить в стеклянной посуде? 44. На чем основано использование тетрахлорида кремния для получения маскировочных туманов? Почему эффект усиливается в присутствии аммиака? 45. Какими свойствами обладают галогениды кремния с точки зрения льюисовых представлений? 46. Какая из кислот сильнее – HF или H2[SiF]6? Чем это можно объяснить? Почему не существуют H2[SiГ6] с остальными галогенами? 47. С образованием каких продуктов монооксид кремния реагирует с гидроксидом натрия? О чем это говорит? 48. Какие реакции характерны для SiO и SiГ2? Можно ли эти вещества называть субсоединениями? Какие общие выводы при этом можно сделать? 49. В неорганической химии используют так называемые транспортные реакции. Что это такое? Приведите примеры. 50. Приведите примеры, подтверждающие факт стабильности степени окисления +4 для кремния. 51. Какими способами можно получить силаны? Чем они отличаются по свойствам от представителей гомологического ряда предельных углеводородов? Почему гомологический ряд силанов не столь представителен?

28

52. Как происходит гидролиз полисиланов и о чем это свидетельствует? 53. К каким классам соединений относятся фосфиды кремния SiP и SiP2? Каковы особенности их кристаллохимического строения? 54. Чем со структурной точки зрения обусловлено образование разнообразных силикатов? Каковы особенности строения алюмосиликатов? 55. Почему диоксид кремния является одним из лучших стеклообразователей? Как получают обычное стекло? Какие элементы, в принципе, можно использовать при изготовлении стекол с различными свойствами? 56. Чем хрустальное стекло отличается от «горного хрусталя»? Как Вы думаете, откуда вообще произошло слово «хрусталь»? 2.5.1.3. Подгруппа германия 57. Сопоставьте типичные минеральные формы германия, олова и свинца. Какие общие выводы о химии этих элементов при этом можно сделать? 58. Почему относительная электроотрицательность германия больше, чем у кремния? 59. Природный сульфид свинца PbS (свинцовый блеск или галенит) представляет основную фракцию так называемых полиметаллических руд. С химической точки зрения он является солью слабого многокислотного основания и слабой многоосновной кислоты, т.е. должен подвергаться полному гидролизу. Почему же он устойчиво существует в природе миллионы лет? 60. Соблюдается ли для элементов подгруппы германия кристаллохимическое правило Юм-Розери? Дайте объяснения. 61. Какие свойства олова подтверждают его промежуточное положение в ряду германий – олово – свинец? 62. В каких двух модификациях может находиться олово? Чем они различаются? Какой процесс и почему называется «оловянной чумой», и при каких условиях он возможен? 63. Как ведет себя олово в концентрированной и разбавленной азотной кислоте? Какие общие выводы при этом можно сделать?

29

64. Как металлический свинец отличить от германия и олова, пользуясь только азотной кислотой? Приведите примеры реакций. 65. Можно ли отнести к субсоединениям GeO и GeГ2; SnO и SnГ2; PbO и PbГ2? Какие общие выводы можно при этом сделать? 66. Олово и свинец в ряду стандартных электродных потенциалов располагаются перед водородом, однако в разбавленной соляной кислоте растворяются плохо (в отличие, например, от цинка). Почему? Чем обусловлена их значительно лучшая растворимость в концентрированной HCl? 67. Каковы общие принципы получения водородных соединений для элементов подгруппы германия? Что можно сказать об их сравнительной стабильности и чем можно объяснить наблюдаемые закономерности? 68. Какие оксиды образуют элементы подгруппы германия при нагревании на воздухе? Какие выводы о химии этих элементов можно сделать на основании этого факта? 69. К каким структурным типам принадлежат GeO2, SnO2, PbO2, PbO? Какие выводы о природе химической связи в этих оксидах можно при этом сделать? 70. Почему при растирании порошка PbO2 с серой и фосфором происходит воспламенение? В каком производстве это явление используется? 71. Для свинца, помимо PbO и PbO2, известны оксиды Pb2O3 и Pb3O4. Как Вы объясните отсутствие подобных соединений для германия и олова? 72. Чем объясняется резкое различие свойств α− и β−оловянных кислот? Характерна ли эта особенность именно для гидроксидов олова? 73. Какое соединение является более сильным окислителем – PbO2 в кислой среде или плюмбат натрия Na2[Pb(OH)6] в щелочной? Чем это можно объяснить? 74. Каков состав соединений, образующихся при непосредственном взаимодействии элементов подгруппы германия с галогенами? Каков характер химической связи в этих соединениях? Каковы особенности их химического и кристаллохимического строения? 75. Что характерно для тетрагалогенидов элементов подгруппы германия по отношению к воде? Как можно объяснить эти факты?

30

76. Тетрахлорид свинца получают косвенными методами. Можно ли его получить путем взаимодействия диоксида свинца с соляной кислотой? 77. Как можно объяснить невозможность существования PbBr4 и PbI4 в свободном состоянии? Почему, тем не менее, существуют комплексы [PbBr6]2- и [PbI6]2-? 78. Как получить тиогерманаты и тиостаннаты, исходя из моно- и дисульфидов этих элементов? К каким типам относятся соответствующие реакции? 79. Для элементов подгруппы германия в целом характерна халькофильность, что видно и на примере природных соединений и при образовании тиосолей. Почему тиосоли не характерны для свинца? 80. Для какого элемента подгруппы германия наиболее характерны соли кислородсодержащих кислот и почему? 81. При взаимодействии олова с серной кислотой можно получить как SnSO4, так и Sn(SO4)2. Как надо осуществлять взаимодействие для получения указанных соединений? Каковы особенности поведения SnSO4 при нагревании? 82. Как можно получить PbSO4 и Pb(SO4)2? Что можно сказать об отношении этих соединений к воде? 2.5.2. Элементы IVB-подгруппы 1.

В чем, на Ваш взгляд, состоит уникальность IVB-подгруппы в Периодической системе?

2.

В чем проявляется и чем обусловлена вторичная периодичность у элементов IVB-подгруппы? В каких побочных подгруппах Периодической системы она еще должна наблюдаться, а где – нет?

3.

Каковы основные формы соединений элементов подгруппы титана в природе? Какие выводы об особенностях химии этих элементов можно при этом сделать?

4.

В периодической системе долгое время существовала «проблема элемента № 72». Как Вы думаете, почему гафний удалось открыть только в ХХ веке, несмотря на многочисленные более ранние попытки?

5.

Почему металлы подгруппы титана в свободном состоянии невозможно получить традиционными методами, например, карботермически или

31

высокотемпературным восстановлением в атмосфере водорода, хотя такие реакции термодинамически возможны, да и кинетически осуществимы? 6.

Что такое «иодидный» титан (цирконий, гафний)? На каком принципе основано их получение?

7.

Металлы подгруппы титана характеризуются существенно отрицательным стандартным электродным потенциалом (-1,2 ÷ -1,7 В). Почему же они устойчивы по отношению к сильным минеральным кислотам, но в то же время взаимодействуют с такими слабыми кислотами, как HF, H2C2O4, горячая Н3РО4 и др.?

8.

Как Вы думаете, в какой смеси металлы подгруппы титана химически растворяются более энергично: HCl + HNO3 или HF + HNO3?

9.

Запишите уравнения реакций, отражающих взаимодействие металлов подгруппы титана с расплавом щелочи на воздухе. Осуществляются ли подобные взаимодействия в растворе щелочи? Какие выводы о природе элементов и их характеристических соединений можно сделать на основании этого факта?

10. Какие оксиды титана Вы знаете? Какими свойствами они обладают? Как меняется характер связи в них с увеличением содержания кислорода? Какими методами их можно получить? Какие из этих оксидов известны для циркония и гафния? 11. Знаете ли Вы, что такое фианиты? Какое отношение они имеют к элементам IVB-группы? 12. Какими способами можно получить гидроксиды элементов подгруппы титана, отвечающие высшей степени окисления? Какими свойствами они обладают? В каких условиях получаются производные, отвечающие кислотной функции этих гидроксидов? Для каких элементов и почему более характерны мета-, а для каких – орто-формы производных? 13. Чем знаменит по своим свойствам титанат бария? 14. В чем заключается процесс «старения» гидроксидов Э(ОН)4 элементов IVB-подгруппы? Для всех ли элементов он характерен в равной мере? Проведите аналогию с элементами подгруппы германия. 15. Какой из гидроксидов проявляет более осно´ вные свойства: а) Ti(OH)4 или Ti(OH)3, б) Ti(OH)4 или Zr(OH)4? Дайте мотивированный ответ.

32

16. Какими особыми свойствами обладают гидроксиды титана в степенях окисления +3 и +2? В какой мере выражены эти свойства? Ответ подтвердите примерами. 17. Определите, будут ли взаимодействовать с катионом титана (III) следующие реагенты: а) сульфит калия; б) цинк в кислой среде; в) кислород. 18. Известно, что нитрат- и перхлорат-анионы устойчивы к действию многих восстановителей, однако они могут быть восстановлены катионом титана (III). Составьте уравнения этих реакций. 19. Объясните, почему подкисленный бесцветный раствор хлорида титана (IV) становится фиолетовым после добавления металлического магния и снова обеспечивается после добавления пероксида водорода? Напишите уравнения реакций. 20. Какими фактами можно подтвердить, что тетрагалогениды элементов подгруппы титана не являются солеобразными соединениями? 21. Чем обусловлена склонность элементов IVB-группы к образованию прочных галогенидных ацидокомплексов [ЭГ6]2-? Можно ли рассматривать эти комплексы с позиций МВС или ТКП? 22. Для титана максимальное и устойчивое координационное число равно 6. Почему для циркония и гафния оно может иметь большие значения – 7 и 8? 23. Какие соединения элементов IVB-группы в большей степени склонны к гидролизу – сами тетрагалогениды или галогенидные ацидокомплексы? 24. В чем причина устойчивого существования «и´ ловых» катионов для элементов IVB-группы (титанила, цирконила, гафнила)? В каких случаях вообще можно ожидать, что элемент способен образовывать подобные катионы? Каков характер связей, например, в TiOCl2, и что можно сказать о свойствах этого соединения? 25. Можно ли галогениды ЭГ2 и ЭГ3 для элементов IVB-группы рассматривать как субгалогениды? Для всех ли элементов они характерны в равной мере? Почему среди дигалогенидов титана отсутствует фторид? Какое практическое применение находит, например, реакция диспропорционирования дииодида титана? 26. Составьте координационные формулы трех гидратных изомеров состава TiCl3. 6H2O. Предложите химический метод идентификации лигандов,

33

входящих в состав внутренней сферы изомерных комплексных соединений. 27. Что в целом можно сказать о солях кислородсодержащих кислот элементов IVB-группы и на основании каких соображений? 28. Почему растворимые производные элементов подгруппы титана (IV) простого состава TiCl4, Ti(SO4)2 , Zr(NO3)4 и др. нельзя получить в водных растворах? 29. Как можно получить сульфат титана (IV)? Сульфат какого элемента IV группы получают подобным же способом? Какие выводы о природе сульфата титана (IV) можно при этом сделать? 30. Какова характерная особенность сульфата титана (III)? С какими элементами периодической системы Ti+3 в этом смысле проявляет аналогию? 31. Какими свойствами обладает кристаллогидрат Zr(SO4)2. 4H2O? Как следует его называть и записывать его формулу с учетом проявляемых функций? 32. Какие соли более стабильны для циркония и гафния: Э3(РО4)2 или ЭР2О7; Э(SiO3)2 или ЭSiO4? Как можно объяснить эту закономерность?

34

2.6. Элементы V группы 2.6.1. Элементы VA-подгруппы 2.6.1.1. Азот 1.

В чем заключаются и чем обусловлены различия между двумя типическими элементами V группы и соответствующими им простыми веществами?

2.

Каковы основные природные формы существования азота на Земле?

3.

В чем состоит так называемая «проблема связанного азота» в природе? Какие процессы ведут к связыванию азота в природе? Какие промышленные способы «фиксации атмосферного азота» Вам известны?

4.

Что означают названия элемента № 7 – «азот» и «nitrogenium»?

5.

Как получают азот в промышленности? Какие существуют лабораторные способы получения азота?

6.

В середине XIX века было установлено, что плотность азота, полученного из воздуха (после тщательного удаления водяного пара, кислорода, углекислого газа), всегда оказывалась на несколько тысячных г/л выше, чем плотность этого газа, получаемого химически. В истории химии этот факт известен под названием «торжества третьего десятичного знака». Какие выводы были сделаны на основании этого факта?

7. Чем объясняется химическая инертность газообразного азота с позиций МВС и ММО? Какие способы его активации Вам известны? Приведите примеры. 8.

Какой из газов, являющихся основными составляющими воздуха, хуже растворим в воде и почему? Каково значение этого факта для жизни гидробионтов?

9.

Какие степени окисления проявляет азот в своих водородных соединениях?

35

10. Какое из известных Вам водородных соединений азота в принципе не может быть окислителем? В какой мере эта способность выражена у всех остальных водородных соединений азота? 11. Как следует рассматривать аммиак с точки зрения общих правил номенклатуры бинарных соединений? 12. Как получают аммиак в промышленности и в лаборатории? Каково «планетарное» значение процесса синтеза аммиака? 13. На чем основано использование жидкого аммиака в качестве хладагента? Чем обусловлено соответствующее свойство аммиака? 14. Чем обусловлены свойства жидкого аммиака как растворителя? 15. Какую функцию выполняет, например, NH4Cl в растворе жидкого аммиака? 16. Чем можно объяснить рекордно высокую растворимость аммиака в воде? Какими свойствами обладает водный раствор аммиака? Чем объясняются эти свойства? 17. Почему можно говорить о существовании, например, хлорида или нитрата аммония, но нельзя говорить о существовании гидроксида аммония? 18. Почему молекула аммиака способна к образованию солей и комплексов с ионами металлов? Какое пространственно-геометрическое строение имеет ион аммония? Каковы здесь валентные углы? Какие принципиально важные выводы о природе связей можно сделать на основании этого факта? 19. Чему равны валентность и степень окисления азота в ионе аммония? Где здесь комплексообразователь? Назовите ион аммония в соответствии с общими правилами номенклатуры. 20. На какой из катионов IА-подгруппы в наибольшей степени похож катион аммония? Чем, тем не менее, принципиально различаются соли этих двух катионов? 21. Чем различаются процессы термического разложения аммонийных солей – производных кислот-окислителей и кислот, не являющихся таковыми? 22. Приведите примеры функционирования аммиака в качестве основания и кислоты. Как называются и какими общими свойствами обладают производные аммиака как кислоты?

36

23. Как можно получить гидразин, исходя из аммиака? Что означает его название? Какова здесь степень окисления азота? Почему гидразин является более сильным восстановителем, чем аммиак? Приведите примеры, подтверждающие это. 24. Существуют соединения, имеющие торговые названия: сернокислый гидразин (N2H4 . H2SO4), солянокислый гидразин (N2H4 . 2HCl), гидразингидрат (N2H4 . 2Н2О). Что они собой представляют с химической точки зрения, и как их следует называть? Какую реакцию среды будут показывать водные растворы этих соединений? 25. Сопоставьте кислотно-осно´ вные свойства гидразина с таковыми для аммиака. Какие соединения в растворе жидкого гидразина будут обладать свойствами кислот, а какие – оснований? 26. Какими способами можно получить гидроксиламин? Что означает название этого соединения? 27. Известно, что водный раствор гидроксиламина имеет слабо щелочную реакцию. За счет чего он проявляет осно´ вные свойства? 28. Аналогично соединениям гидразина (см. вопрос 24), существуют подобные же соединения гидроксиламина, например, солянокислый гидроксиламин NH2OH . HCl. Что представляет собой это соединение в действительности? 29. Приведите примеры реакций, характеризующих окислительновосстановительную двойственность гидроксиламина. Как зависят его окислительно-восстановительные свойства от реакции среды? 30. Как получают азотистоводородную кислоту? Как называются ее соли? Каковы функции HN3 и ее производных. Какими свойствами обладает смесь HN3+HCl? Почему в этой смеси растворяется металлическое золото? 31. В классических учебниках по неорганической химии структурную формулу азотистоводородной кислоты изображали как Н – N = N ≡ N: . В какой мере согласуется эта формула с современными представлениями об электронном строении атома азота? Как следует изобразить строение молекулы HN3, согласованное с электронными представлениями? 32. Перечислите известные Вам оксиды азота. Укажите хотя бы по одному способу их получения. Какие из них заведомо парамагнитны и почему?

37

33. Почему оксиды азота, отвечающие степеням окисления (+1) и (+2), относят к несолеобразующим, а не к кислотным, хотя известны кислоты, в которых степень окисления азота такая же. Как называются эти кислоты и их соли? Какие свойства для них характерны? 34. Чем можно объяснить устойчивость и сравнительно высокую химическую инертность оксида азота (+2)? Чем обусловлено значение этого оксида в химической индустрии? 35. Приведите примеры реакций, подтверждающие окислительновосстановительную двойственность оксида азота (+2). Как называются комплексы, в которых молекулы NO выступают в качестве лигандов? Приведите примеры таких соединений 36. Какая из форм более устойчива – молекула NO, или ион NO+? Чем можно объяснить устойчивое существование нитрозильных соединений? О каких свойствах азотистой кислоты говорит существование нитрозилсерной кислоты NOHSO4? 37. К какому классу соединений относятся нитрозилгалогениды NOГ с точки зрения их взаимодействия с водой? 38. Кислотные оксиды раньше называли ангидридами кислот (ангидрид – обезвоженный). Ангидридом какой кислоты является NO2? 39. Почему диоксид азота склонен к димеризации? С каких позиций можно объяснить тот факт, что NO2 окрашен, а его димер N2O4 бесцветен? В каком направлении сместится равновесие димеризации диоксида азота: а) при повышении температуры; б) при повышении давления? 40. Объясните пространственно-геометрическое строение нитрат-аниона с позиций МВС. 41. При взаимодействии с кислотами металлы всегда переходят в окисленное состояние. Чем же отличаются минеральные кислоты-окислители от прочих минеральных кислот (которые также окисляют металлы)? От каких факторов зависит глубина восстановления азотной кислоты при ее взаимодействии с металлами? 42. Какую смесь называют «царской водкой»? На чем основано ее окислительное действие? Почему золото не растворяется в HNO3, а растворяется в «царской водке»? 43. Можно ли выявить у азотной кислоты осно´ вные свойства?

38

44. Чем фторид нитроила отличается от прочих производных нитроила? 45. Каковы общие закономерности термического разложения нитратов металлов? 46. Сопоставьте отношение к воде галогенидов бора, углерода и азота. Чем объясняются различия? 47. Какие металлы способны образовывать солеобразные, металлоподобные и ковалентные нитриды? Каковы общие свойства нитридов металлов в зависимости от природы химической связи в них? В каком структурном типе могут кристаллизоваться ковалентные нитриды? 2.6.1.2. Фосфор 48. Сопоставьте распространенность и природные соединения фосфора и азота. Почему фосфор, в отличие от азота, не встречается в природе в свободном состоянии, хотя химически этот элемент менее активен? 49. Сопоставьте пространственное строение молекул Р4, Р4О6 и Р4О10. Какие общие мотивы здесь присутствуют? 50. Почему белый фосфор химически значительно более активен, чем красный? В каком растворителе он растворяется лучше всего? 51. Какие функции может выполнять фосфор при взаимодействии с другими элементами периодической системы? 52. Сопоставьте пространственно-геометрическое строение молекул Н3РО3 и Н3РО4. Объясните это строение с позиций МВС. Какие выводы о свойствах этих кислот можно при этом сделать? 53. Каким образом диспропорционирует (при хранении и нагревании) HNO2 и соответствующие фосфорные кислоты? Что отсюда следует? 54. Как происходит процесс присоединения воды к Р2О5? Какие промежуточные и конечные продукты при этом образуются? 55. Почему метафосфорная кислота неустойчива и может существовать только в виде полимерных молекул (HPO3) n? 56. В чем с химической точки зрения состоит смысл получения двойного суперфосфата из фосфорита?

39

57. Чем различаются по строению Н4Р2О6, Н4Р2О7 и Н4Р2О8? Как они называются? Можно ли эти кислоты рассматривать как простейшие представители полифосфорных кислот? 58. Что такое гипофосфаты и гипофосфиты? Чем различаются по свойствам эти классы солей? 59. В чем сходны и чем различаются структуры полифосфатов и полисиликатов? 60. Как можно получить фосфин в лаборатории, основываясь на общих принципах получения летучих водородных соединений? 61. Почему фосфин значительно хуже растворим в воде, чем аммиак? Чем различаются по свойствам водные растворы аммиака и фосфина? 62. Почему соли фосфония значительно менее распространены и менее устойчивы, чем соли аммония? 63. Сопоставьте восстановительные свойства аммиака и фосфина, приведите примеры реакций. Какие общие выводы при этом можно сделать? 64. В чем сходны и чем различаются по свойствам дифосфин и гидразин? 65. Сопоставьте отношение к воде галогенидов азота и тригалогенидов фосфора. Чем объясняется различие? 66. Почему для азота известны только тригалогениды, а для фосфора помимо РГ3 существуют и РГ5? Почему пентагалогениды известны только для фтора и хлора, но не для брома и иода? 67. Какие орбитали атома фосфора в чистом или гибридном состоянии образуют согласно методу ВС связи в молекулах PCl3, PCl5 и H[PCl6]? В каком из этих соединений валентность больше степени окисления, а в каком атом фосфора имеет неподеленную электронную пару? 68. Какая молекула более устойчива – PCl5 или POCl3? К какому классу соединений относится POCl3 (см. также вопрос 37)? 69. С какими элементами фосфор образует солеобразные, металлоподобные и ковалентные фосфиды? Чем различаются их свойства? 70. Чем «знамениты» фосфиды элементов IIIA-группы – алюминия, галлия, индия? К какому структурному типу принадлежат их кристаллические структуры? Почему в это семейство не включается фосфид таллия?

40

2.6.1.3. Подгруппа мышьяка 71. В чем проявляется вторичная периодичность в ряду мышьяк – сурьма – висмут и чем она обусловлена? 72. Какие природные формы наиболее характерны для элементов подгруппы мышьяка? К какому классу элементов с геохимической точки зрения они относятся? 73. Каковы общие принципы получения мышьяка, сурьмы и висмута в свободном состоянии из природных соединений? 74. В какой мере соблюдается кристаллохимическое правило Юм-Розери – N для элементов подгруппы мышьяка?

8

75. Как относятся элементы подгруппы мышьяка к минеральным кислотам, к щелочам (растворам и расплавам)? Объясните эти факты. 76. Охарактеризуйте отношение элементов подгруппы мышьяка к разбавленной и концентрированной азотной кислоте. Сопоставьте с поведением элементов подгруппы германия. Какие общие выводы о химии мышьяка, сурьмы и висмута при этом можно сделать? 77. До каких оксидов окисляются при нагревании на воздухе и в кислороде мышьяк, сурьма и висмут? О чем это говорит и чем объясняется? 78. Каковы общие способы получения летучих водородных соединений для элементов подгруппы мышьяка? Можно ли эти соединения называть гидридами? Сопоставьте свойства этих соединений для всех элементов VА-группы и объясните наблюдающиеся закономерности. 79. В чем химическая сущность так называемой «пробы Марша» для открытия мышьяка? 80. Охарактеризуйте закономерности изменения кислотно-осно´ вных и окислительно-восстановительных свойств в рядах оксидов и гидроксидов элементов подгруппы мышьяка для степеней окисления +3 и +5. Приведите наиболее типичные примеры. 81. Почему у сурьмы существует двойной оксид Sb2O4, а для мышьяка подобное соединение неизвестно? 82. Чем можно объяснить, что для сурьмы и висмута известны оксо-катионы (в какой степени окисления?), а для мышьяка в этой степени окисления подобные «ил»-производные неизвестны?

41

83. Какие способы получения висмутатов щелочных металлов Вы знаете? Приведите примеры таких реакций. Устойчивы ли эти соединения? Почему нельзя выделить в свободном состоянии висмутовую кислоту? Почему производные Bi(+5) относятся к очень сильным окислителям? 84. Какие по составу галогениды могут образовывать элементы подгруппы мышьяка? Как можно объяснить наблюдающиеся закономерности? Каковы закономерности в изменении температур плавления в этих рядах? 85. Каково пространственно-геометрическое строение галогенидов ЭГ3 и ЭГ5? Как можно объяснить его с позиций МВС? 86. Какие основные типы химических реакций характерны для галогенидов мышьяка, сурьмы и висмута? Приведите примеры. 87. Чем различаются тригалогениды мышьяка, сурьмы и висмута по отношению к воде? Как можно объяснить наблюдаемые различия? 88. Какими реакциями можно показать, что пентагалогениды мышьяка и сурьмы являются кислотными соединениями? 89. Каковы особенности изменения свойств халькогенидов в зависимости от природы элемента подгруппы мышьяка и галогена? 90. В чем заключается различие поведения Э2Х3 (Х – халькоген) для элементов подгруппы мышьяка в кислой среде? 91. Сопоставьте свойства сульфидов подгруппы мышьяка и подгруппы германия. Какими способами можно получить тиосоли элементов подгруппы мышьяка? Как эти взаимодействия характеризуют сульфиды Э2S3 и Э2S5? 92. Что, в принципе, можно сказать о солях кислородсодержащих кислот для элементов подгруппы мышьяка в сопоставлении с элементами IVAгруппы? Приведите примеры солей и способов их получения. 2.6.2. Элементы VB-подгруппы 1.

Ориентируясь на количественные характеристики элементов подгруппы ванадия, обоснуйте вторичную периодичность в этой подгруппе.

2.

Плотность металлического ниобия незначительно превышает плотность ванадия (~ 8,6 и 6,0 г/см3 соответственно). Почему плотность тантала примерно в 2 раза выше (16,65 г/см3)?

42

3.

Что характерно для элементов VB-подгруппы в геохимическом отношении? Сколь велика их распространенность в природе?

4.

Какими способами получают металлические ванадий, ниобий и тантал? Какие при этом существуют общие проблемы?

5.

Стандартный электродный потенциал металлов подгруппы ванадия (менее –1 В) существенно более отрицателен, чем для цинка (– 0,76 В). Почему они устойчивы к действию сильных кислот и даже «царской водки»? Как их можно перевести в раствор? Чем в этом отношении ванадий отличается от ниобия и тантала? Сопоставьте поведение в агрессивных средах металлов IVB и VB-подгрупп.

6.

Назовите способы, которыми обычно переводят ванадий, ниобий и тантал в растворы. Какие вещества образуются при этом? Приведите примеры соответствующих реакций.

7.

Напишите формулы всех известных Вам оксидов ванадия и охарактеризуйте их свойства. Приведите примеры соответствующих реакций. Сопоставьте температуры плавления высших оксидов ванадия, ниобия и тантала. Какие выводы можно при этом сделать?

8.

Какие комплексные ионы могут образоваться при растворении оксидов ванадия (II) и (III) в кислотах неокисляющего действия? Приведите примеры соответствующих реакций. Какой из этих ионов является более сильным восстановителем?

9.

Приведите примеры реакций растворения оксида ванадия (V) в кислотах и щелочах.

10. Чем различаются высшие оксиды ванадия, ниобия и тантала по отношению к водным растворам кислот и щелочей? Какими способами можно перевести в растворимое состояние Nb2O5 и Ta2O5? 11. Какой из ниже перечисленных оксидов имеет более кислотный характер: а) V2O5 или VO2; б) V2O5 или Nb2O5; в) V2O5 или As2O5? Дайте аргументированный ответ. 12. Почему белый порошок метаванадата аммония NH4VO3 краснеет при нагревании? 13. Каким должен быть, по Вашему мнению, состав карбонильного комплекса ванадия. Будет ли он диамагнитным или парамагнитным? Объясните,

43

почему этот комплекс легко реагирует с калием с образованием однозарядного аниона. 14. Какая из поливанадиевых кислот наиболее устойчива? Выразите ее состав через количество формульных единиц оксида ванадия и молекул воды. Какой аналогичной формулой выражается состав поливанадиевых кислот в общем виде? Приведите уравнения реакций их получения, исходя из метаванадата натрия. 15. Что Вы можете сказать об устойчивости степени окисления (+ 4) у ванадия? Какие химические свойства проявляют, в основном, соединения ванадия (IV) в реакциях? Каково реальное строение иона ванадила VO2+ в водном растворе? 16. Чем можно объяснить тот факт, что для ванадия существуют разнообразные по составу «ил»- производные, а для ниобия и тантала подобные производные малохарактерны? 17. Проследите изменение кислотно-осно´ вных свойств в соединениях ванадия при повышении степени его окисления от (II) до (V) и для иллюстрации приведите примеры соединений с различной основной и кислотной функцией. Отличаются ли от них свойства соединений ниобия и тантала в соответствующих степенях окисления? 18. Дайте свое объяснение тому факту, что ванадий не образует высшего хлорида. Исходя из типа химической связи, сопоставьте процессы получения и химические свойства хлорида ванадия (IV). 19. Охарактеризуйте с общих позиций закономерности взаимодействия элементов VB-группы с галогенами. 20. Каковы закономерности изменения температур плавления и кипения в рядах высших галогенидов ванадия, ниобия и тантала? Чем они объясняются? 21. Почему для ниобия и тантала весьма распространены оксогалогениды, хотя, в отличие от ванадия, «ил»- производные для этих элементов не очень характерны (см. вопрос 16)? 22. Чем обусловлена ярко выраженная склонность высших галогенидов элементов VB-группы к комплексообразованию? Каковы характерные координационные числа этих элементов в галогенидгых и оксогалогенидных комплексах? В каких условиях можно получить эти соединения? 23. Какие особенности характерны для низших галогенидов элементов VBгруппы в отношении их состава? Чем их можно объяснить?

44

24. Как можно охарактеризовать способность элементов VB-группы к комплексообразованию? Ответ подтвердите примерами. 25. Что можно сказать о солях кислородсодержащих кислот для элементов VB-группы? Чем можно объяснить существование уникальных по составу сульфатов и фосфатов ниобия и тантала? 2.7. Элементы VI группы 2.7.1. Элементы VIA-подгруппы 2.7.1.1. Кислород 1. В чем заключается особая роль кислорода в химии? 2. Что означают названия элемента №8 «кислород» и «oxygenium»? Откуда и почему произошли эти названия? 3. Охарактеризуйте распространенность кислорода на Земле и наиболее типичные его минералы. Каким способом получают кислород в промышленности и в лаборатории? 4. Молекула кислорода согласно значению магнитного момента имеет два неспаренных электрона и, следовательно, связь между атомами должна осуществляться только одной общей электронной парой. Однако энергия и длина связи соответствует двойной. Как объясняют это несоответствие методы ВС и МО? 5. Каково пространственно-геометрическое строение молекулы озона? В каком гибридном состоянии находится центральный атом кислорода в этой молекуле? Какое соединение элемента-аналога кислорода напоминает по строению молекула озона? Полярна ли эта молекула? 6. В чем состоит различие между выражениями: «элемент образует оксиды» и «элемент соединяется с кислородом»? Приведите примеры. Какие элементы в периодической системе не образуют оксидов; не соединяются с кислородом? 7. В чем проявляется и чем обусловлена особая роль в химии оксида водорода? К каким классам соединений его можно отнести? 8. Какое расположение связей Н − О делает молекулу пероксида водорода сильно полярной?

45

9. В какой реакции пероксид водорода проявляет одновременно окислительную и восстановительную функции? К такому типу относится эта реакция? 10. Оцените качественно возможность существования ионов О22-, О2-, О3- с позиций ММО. Сопоставьте сравнительную стабильность пероксидов, супероксидов и озонидов. Для каких элементов периодической системы характерны эти соединения? 11. Охарактеризуйте общие закономерности состава, строения и свойств оксидов неметаллов и оксидов металлов в зависимости от степени окисления элемента. 12. Каковы особенности взаимодействия кислорода с фтором? Чем эти соединения принципиально отличаются от остальных бинарных кислородсодержащих соединений? 2.7.1.2. Сера 13. Чем в целом отличается химия серы как второго типического элемента VI группы от химии кислорода? 14. Сколь велика распространенность серы в природе? В каких формах она, в основном, встречается? Приведите примеры. 15. Какие координационные числа характерны для серы в соединениях? Какой тип гибридизации орбиталей атома серы имеет место при реализации этих координационных чисел? Приведите примеры соединений. 16. Каков тип гибридизации атомов серы в молекуле S8? Подчиняется ли «устройство» этой молекулы правилу Юм-Розери? 17. Сера плавится при температуре 119 оС, превращаясь в легкоподвижную жидкость желтого цвета. При дальнейшем нагревании вязкость расплава сильно возрастает, и он заметно темнеет, становясь коричневым. Однако выше 250 оС расплав вновь становится менее вязким и более светлым, и при температуре кипения (444 оС) он вновь подвижный и светло-желтый. Объясните наблюдаемые явления. 18. Как ведет себя сера в агрессивных средах (растворах кислот и щелочей)?

46

19. При обезвреживании случайно пролитой ртути ее рекомендуется засыпать тонким порошком серы («серным цветом»). В чем химическая суть этого приема? 20. Почему для серы так характерно существование полисоединений, например полисульфидов, полисульфанов, политионовых кислот? 21. Сопоставьте строение молекул O3, SO2 и S2O? Как следует называть последнюю молекулу с учетом ее строения? Является ли она оксидом серы, отвечающим степени окисления (+1)? 22. Сравните строение ионов SO32-, SO42-, PO33-, PO43-. Какой общий структурный мотив здесь присутствует? 23. Какие свойства проявляет SO2 и H2SO3 в реакциях с Br 2 и H2S? Возможно ли их взаимодействие с менее сильными восстановителями, чем H2S? Одинакова ли способность к окислению в ряду соединений SO2 − H2SO3 − Na2SO3? 24. Сможете ли Вы назвать, например, 10 кислородсодержащих кислот серы? Напишите все известные Вам кислородные кислоты серы. Определите в них степень окисления серы. 25. Как получают политионовые кислоты и их соли? Как меняется сила кислот с увеличением числа атомов серы в цепочке? Почему дитионовую кислоту не относят к политионовым? 26. Как правило, тиокислоты и устойчивее и сильнее по сравнению с кислородными кислотами того же элемента. Приведите примеры и дайте объяснение. 27. На какой реакции основано использование тиосульфата натрия для ликвидации остатков хлора? Как протекает реакция с более мягким окислителем - иодом? 28. Чем различаются и что общее в строении хлорида тионила и хлорида сульфурила? Каково их поведение по отношению к воде? К какому классу соединений их можно отнести? 29. Ориентируясь на тип гибридизации атома серы и строение молекул SO2 и SO3, ответьте, полярны ли эти молекулы? 30. Чем различается строение триоксида серы в разных агрегатных состояниях? Каков тип гибридизации атома серы в этих случаях?

47

31. Какими особыми свойствами обладает концентрированная серная кислота по сравнению с ее водными растворами? 32. Можно ли рассматривать разбавленную серную кислоту как окислитель? Что является окислителем в разбавленных и концентрированных растворах серной кислоты? Возможно ли окисление серной кислотой неметаллов? Приведите примеры соответствующих реакций. 33. Можно ли использовать в качестве осушителя концентрированную серную кислоту при получении углекислого газа, сероводорода, аммиака и иодоводорода? 34. Как бы Вы ответили на вопрос, какая степень окисления все-таки наиболее стабильна для серы. Ответ требует аргументов, рассуждений и комментариев. 35. Каким общим способом получают пероксокислоты серы? Каково их строение и свойства. Приведите примеры. 36. К какому классу соединений можно отнести пиросерную (дисерную) кислоту? Чем она отличается от политионовых кислот и пероксодисерной кислоты? 37. Предложите способы химической идентификации сульфид-, сульфит-, сульфат - и тиосульфат-анионов при их совместном присутствии в водном растворе. 38. Какие соединения серы называют полисульфидами? Напишите их общую формулу и графические формулы полисульфидов натрия, кальция и железа (II), Какой из них встречается в природе и как его используют в промышленности? 39. Каков общий способ получения полисульфанов? Каково их пространственно-геометрическое строение и тип гибридизации атома серы? Почему дисульфан не относят к полисульфанам? Что собой представляет "моносульфан"? 40. Сопоставьте агрегатное состояние H2S и H2S2 при обычных условиях с их кислородными аналогами. Дайте объяснение этим фактам. 41. Охарактеризуйте общие закономерности образования галогенидов серы. 42. Почему SF6 устойчив по отношению к гидролизу, в отличие, например, от SiF4 и PF5?

48

43. Каков тип гибридизации атома серы в S2F10? Изобразите пространственное строение этой молекулы. 44. Сопоставьте устойчивость SCl4, SCl2 и S2Cl2. Каков тип гибридизации серы в этих соединениях? Полярны ли эти молекулы? 45. Как объяснить тот факт, что для серы существует S2Cl2, но отсутствует S2F2, а для кислорода, наоборот, существует O2F2, но отсутствует O2Cl2? 46. Сульфид свинца кристаллизуется в структурном типе NaCl, который характерен для ионных соединений. Почему PbS, тем не менее, обладает полупроводниковыми свойствами, которые обычно характерны для кристаллов с преимущественно ковалентными связями? 47. Как объяснить тот факт, что большинство сульфидов окрашено, в отличие от бесцветных (в подавляющем числе) оксидов? Как связать этот факт с электрическими свойствами сульфидов и оксидов? 2.7.1.3. Подгруппа селена 48. Почему серу, селен и теллур объединяют под общим названием «халькогены»? 49. К какому классу элементов можно отнести селен и теллур по их распространенности на Земле? В каких формах они присутствуют в природе? 50. Откуда происходят названия элементов №34 и №52? 51. Какими сырьевыми источниками пользуются для получения в промышленности селена и теллура 52. Наиболее устойчивы для селена и теллура гексагональные модификации. В какой мере это согласуется с правилом Юм-Розери 8 – N? 53. Сопоставьте строение твердого SeO2 и твердого SO3. Чем различаются эти структуры и что в них общего? 54. В каком структурном типе кристаллизуется ТеО2? Какие выводы можно сделать на основании этого факта? 55. Сопоставьте свойства сернистой, селенистой и теллуристой кислот (устойчивость, кислотные свойства) Дайте объяснения наблюдающимся закономерностям.

49

56. Напишите формулы наиболее устойчивых высших гидроксидов серы, селена и теллура. Чем объясняются различия? В каких гидратных формах существуют селеновая и теллуровая кислоты? Какова их основность? 57. При смешении концентрированных кислот HCl и H2SO4 не выделяется хлор, а при взаимодействии селеновой и соляной кислот выделяется газообразный хлор. Дайте объяснение этому факту и напишите реакцию HCl+H2SеO4. Приведите примеры, подтверждающие тот факт, что селеновая кислота является более сильным окислителем, чем серная. 58. Сопоставьте строение, свойства и закономерности их изменения в ряду H2S – H2Se - H2Te. Дайте объяснение. Как Вы думаете, почему, в отличие от полисульфанов, аналогичные соединения для селена и теллура неизвестны? 59. Охарактеризуйте состав, строение и свойства галогенидов селена и теллура в сравнении с аналогичными соединениями серы. Что общее и в чем различия между ними? 60. В каких структурных типах кристаллизуются халькогениды элементов подгруппы цинка и халькогениды свинца? Какие выводы отсюда следуют? 2.7.2. Элементы VIB-группы 1.

Что означают и чем обусловлены названия элементов VIB-подгруппы?

2.

В каких основных формах встречаются хром, молибден и вольфрам в природе? Какие выводы общего плана о химии этих элементов можно при этом сделать?

3.

Каковы общие принципы промышленного получения металлических хрома, молибдена и вольфрама? Как получают чистые металлы VIBподгруппы?

4.

Почему плотность вольфрама примерно в 2 раза больше плотности молибдена, в то время как плотности молибдена и хрома различаются не столь значительно (примерно на 30 %)?

5.

В отличие от хрома и молибдена у атома вольфрама отсутствует проскок электрона ns → (n-1)d. Как можно объяснить, что именно вольфрам (а не рений) является самым тугоплавким металлом среди d-элементов VI периода?

50

6.

В чем заключается различие между хромом, молибденом и вольфрамом по отношению к агрессивным средам? В чем причины этого различия?

7.

Подтвердите примерами и обоснуйте проявление вторичной периодичности среди элементов VIB-подгруппы

8.

Какие оксиды образуют хром, молибден и вольфрам при сгорании в кислороде? Какие общие выводы о химии этих элементов можно сделать на основании этих фактов?

9.

Укажите способы получения всех оксидов хрома. Рассмотрите возможность из взаимодействия со следующими веществами: а) хлороводородная кислота; б) концентрированная азотная кислота; в) гидроксид натрия (в растворе и при сплавлении). Какие из этих реакций являются окислительно-восстановительными?

10. Какими способами можно перевести оксид хрома (III) в раствор? 11. Остается ли в растворе хром после осаждения гидроксида хрома (III) из водного раствора солей хрома (III)? Если остается, то укажите, в виде каких частиц. При каких условиях, на Ваш взгляд, должно происходить полное осаждение гидроксида хрома (III)? 12. К каким классам соединений относятся продукты, получающиеся при сплавлении оксида или гидроксида хрома (III) с производными щелочных и щелочноземельных металлов? 13. В чем проявляется сходство в химическом поведении аквакатионов и гидроксоанионов хрома (III), железа (III) и алюминия (III)? Является ли оно полным? 14. Изобразите строение гидроксида хрома (III) с учетом того, что координационное число хрома здесь равно 6, и октаэдры связаны между собой через мостиковые группы ОН, называемые «о´ ловыми мостиками» (-ол – номенклатурное обозначение группы ОН). 15. Какими способами можно получить производные хрома (II)? Какие выводы о свойствах этих производных можно при этом сделать? 16. Как CrCl2 ведет себя в водном растворе, а оксид CrO – при умеренном нагревании? Как оксид CrO взаимодействует с кислотами? 17. Какую окраску имеют аквакомплексы [Cr (H2O)6]2+ и [Cr (H2O)6]3+? Почему соединение CrCl3 . 6H2O в зависимости от условий получения дает растворы фиолетового, светло- и темно-зеленого цветов?

51

18. В каком структурном типе кристаллизуется CrO2? О чем это говорит? 19. Какова природа оксидов ЭО2 для хрома, молибдена и вольфрама? Ответ подтвердите примерами. 20. Какова роль серной кислоты при получении CrO3 из дихромата калия? 21. Какие выводы можно сделать из сопоставления температур плавления ЭО3 для хрома, молибдена и вольфрама? 22. Какой из оксидов – CrO3, MoO3 или WO3 – растворяется в воде, разлагается при нагревании и является сильным окислителем? 23. Какие из кислот – H2CrO4, H2MoO4 или H2WO4 – существуют в свободном состоянии или только в растворах? 24. Приведите все возможные доводы для объяснения того факта, что конденсация хромат-анионов в дихромат-анионы легче протекает в кислой среде. 25. Дайте аргументированное объяснение, почему двухромовая кислота является более сильной в растворе, чем хромовая. 26. Попробуйте изобразить геометрическую конфигурацию ионов CrO42−, Cr2O72− и Cr3O102−, принимая во внимание, что изополианионы образуются вследствие цепной конденсации мономерных единиц по их вершинам с образованием мостиковых атомов кислорода, или "оксо´ ловых мостиков". 27. Приведите примеры изо- и гетерополикислот для молибдена и вольфрама. Почему для этих элементов образование подобных соединений более характерно, чем для хрома? 28. В количественном анализе фосфор определяют путем осаждения его в виде фосфомолибдата аммония. Каково строение этого соединения? 29. Какие оксиды получают при термическом разложении дихромата аммония и вольфрамата аммония? Напишите уравнения этих реакций и укажите, в чем заключается причина различного протекания этих реакций. 30. Как можно получить хлористый хромил? К какому классу соединений он относится? Существует ли он в водных растворах?

52

31. Приведите экспериментальные факты, позволяющие говорить о некоторой амфотерности гидроксидов молибдена и вольфрама в высшей степени окисления. 32. Какие из элементов подгруппы хрома, находящиеся в степени окисления +6, восстанавливаются только при действии таких сильных восстановителей, как водород в момент выделения? 33. Какими способами получают пероксопроизводные хрома, молибдена и вольфрама? Как меняется устойчивость таких соединений для этих элементов? 34. Что собой представляют и чем интересны с общехимической точки зрения «молибденовые и вольфрамовые сини» и «вольфрамовые бронзы»? Какое отношение имеют эти «бронзы» к сплавам на основе меди? 35. Сопоставьте состав и свойства известных галогенидов хрома, молибдена и вольфрама. Какие общие закономерности при этом наблюдаются? 36. Чем различаются дихлориды хрома, молибдена и вольфрама? Каково пространственное строение MoCl2 и WCl2? 37. Сопоставьте строение и свойства комплексных ионов [Э2Cl9]2- для хрома, молибдена и вольфрама. В чем заключается и чем обусловлено различие? 38. Каковы общие закономерности существования солей кислородсодержащих кислот для хрома, молибдена и вольфрама? 39. В чем можно увидеть аналогию между химией солеобразных производных хрома (II) и железа (II)? Чем, тем не менее, различаются эти производные? 40. В чем проявляется аналогия между химией хрома (III) и алюминия? 41. Почему при введении в растворы солей хрома (III) сульфид- и карбонатанионов выпадает осадок одинакового состава? 42. Каков состав, строение и какими свойствами обладают карбонилы элементов подгруппы хрома? 43. Почему карбонилы металлов часто называют комплексами с πкислотными лигандами?

53

2.8. Элементы VII группы 2.8.1. Элементы VIIА-подгруппы 1.

Что означает общее название элементов VIIА-подгруппы – галогены?

2.

Что означают и откуда происходят названия галогенов?

3.

Распространенность в природе хлора и фтора сопоставима (~0,02 %), однако хлор значительно более «известен широкой публике». Чем, на Ваш взгляд, можно объяснить это обстоятельство?

4.

В чем заключается уникальность фтора по сравнению со всеми остальными элементами периодической системы?

5.

Сопоставьте характер изменения длины связи, силовой константы и энтальпии диссоциации молекул Г2 в ряду галогенов. Охарактеризуйте и объясните наблюдающиеся закономерности. Объясните характер изменения температур плавления, кипения, а также закономерности изменения окраски.

6.

Несмотря на то, что фтор – самый активный неметалл, энергия сродства к электрону для него меньше, чем для хлора. Чем объясняется, что фтор является менее электрофильным элементом по сравнению с хлором?

7.

Каковы главные фторсодержащие минералы? Как фтор получают в промышленности? В каких условиях его хранят и транспортируют?

8.

Как Вы думаете, существуют ли какие-нибудь элементы в периодической системе, с которыми фтор не взаимодействует?

9.

Как объяснить тот факт, что взаимодействие фтора с неметаллами иногда осуществляется значительно энергичнее, чем со многими металлами?

10.

Чем и почему различается характер взаимодействия с водой фтора и остальных галогенов?

11.

Почему фтороводород не получают в промышленности прямым синтезом, аналогично хлороводороду. Как его, в действительности, получают?

54 12.

Известно, что лед легче воды. Как Вы считаете, твердые фтороводород и иодоводород будут легче или тяжелее соответствующих жидкостей? Дайте аргументированный ответ.

13.

Молекула HF существенно более полярна, чем молекулы остальных галогенов. Почему же плавиковая кислота относится к кислотам средней силы, в то время как остальные галогеноводородные кислоты – одни из наиболее сильных.

14.

Почему плавиковая кислота прекрасно образует кислые соли, а для ее аналогов HCl, HBr, HI существуют только средние соли?

15.

Почему сложные гидрофторид-ионы, например, H2F3-, H3F4- и т.д., имеют зигзагообразное, а не линейное строение?

16.

Перечислите продукты, которые можно получить при взаимодействии газообразного фтора и аммиака. Напишите уравнения соответствующих реакций.

17.

Известно, что смесь 1 объема концентрированной азотной кислоты и 3 объемов концентрированной хлороводородной кислоты называют царской водкой. Можно ли подобную смесь HNO3 (конц.) и HF (конц.) считать некоторым (усиленным или ослабленным) аналогом царской водки? Дайте обоснованный ответ, подкрепленный уравнениями соответствующих реакций.

18.

Почему газообразный HF склонен к осуществлению автокаталитических реакций? Приведите примеры реакций с участием HF, которые, по Вашему мнению, могут протекать по автокаталитическому механизму.

19.

Чем фториды металлов отличаются от остальных галогенидов? Ответ подтвердите примерами.

20.

Известно, что CdF2 и даже HgF2 кристаллизуются в структурном типе флюорита, а BeF2 – в структурном типе SiO2. Какие выводы можно сделать на основании этих фактов?

21.

Учитывая особенности взаимодействия фтора с кислородом, запишите формулы продуктов, которые могут образовываться при взаимодействии фтора с водой.

22.

Какой формульный состав характерен для фторидов галогенов? Каково строение соответствующих молекул? Какими свойствами они обладают?

55 23.

В каких формах, в основном, присутствуют в природе хлор, бром и иод? Как их получают в промышленности и в лаборатории?

24.

Впервые хлор был получен в 1774 г. (действием MnO2 на концентрированную соляную кислоту), однако долгое время его считали «окисью мурия» (гипотетического элемента). Лишь в 1810 г. была установлена его элементарная природа. Как Вы думаете, с чем связано столь длительное «недоразумение»?

25.

Почему в качестве окислителя при промышленном получении иода целесообразнее использовать не сравнительно дешевый хлор, а более дорогой нитрат натрия?

26.

В отличие от остальных галогенов, иод иногда может существовать в природе в свободном состоянии (в водных растворах). Как можно объяснить этот факт с химической точки зрения?

27.

Хлор активно реагирует с большинством металлов. Как объяснить, что этот газ, тем не менее, хранят в стальных баллонах?

28.

В чем причина возрастания силы кислоты в ряду HCl – HBr – HI, несмотря на уменьшение полярности связи в этом направлении?

29.

Сопоставьте и объясните закономерности изменения окислительновосстановительных свойств в ряду галогенов и галогенид-ионов. Ответ подтвердите примерами реакций.

30.

Какова химическая природа так называемых «гидратов хлора»?

31.

Диспропорционирование хлора в воде протекает в большей степени, чем брома, а аналогичная реакция для иода практически не идет. Приведите все возможные доказательства этого факта.

32.

Чем различается взаимодействие хлора с водой и раствором пероксида водорода?

33.

По некоторым данным, хлорноватистая кислота в водном растворе может существовать в двух таутомерных формах. Изобразите графические формулы этих молекул. Какая их них, на Ваш взгляд, обладает повышенной способностью отщеплять атомарный кислород (что объясняет отбеливающее действие хлорной воды), и чем это вызвано?

34.

Что такое хлорная известь? Какова степень окисления хлора в этом соединении? Как ее получают в промышленности?

56 35.

Чем различаются реакции взаимодействия хлора с холодным и горячим раствором КОН? Знаете ли Вы, кто впервые разработал в промышленных масштабах последний процесс?

36.

Для каких степеней окисления хлора известны оксиды? Какими способами их можно получить? Каковы их строение и свойства?

37.

Составьте уравнения реакций известных оксидов хлора с водой, приводящих к получению всех кислородосодержащих кислот хлора. Почему в ряду кислородных кислот хлора с возрастанием его степени окисления растет сила кислот, а их окислительные свойства падают?

38.

Геометрическая форма оксида хлора (VII) – два тетраэдра с общей вершиной и атомами хлора в центре тетраэдров. Подтвердите такое строение молекулы, определив тип гибридизации орбиталей атома хлора. Какова реакционная способность данного оксида? Приведите примеры соответствующих реакций.

39.

Почему для таких типических неметаллов, как S, Cl, Se, Br и др. существуют кислородные кислоты, в основном мета-формы (например, H2SO4, HClO4 и т.д.), а для более тяжелых элементов известны орто-формы и неполные орто-кислоты (например, H6TeO6 и H5IO5)?

40.

Почему при растирании в фарфоровой ступке смеси хлората калия с серой и фосфором почти обязательно происходит взрыв?

41.

Хлорат калия при нагревании способен разлагаться по двум параллельным направлениям. К каким типам относятся эти реакции? Каким способом можно стимулировать преимущественное разложение KClO3 с образованием кислорода?

42.

Охарактеризуйте общие закономерности образования хлоридов металлов и неметаллов, характерные структурные типы (в сравнении с фторидами), качественные критерии образования координационных и молекулярных структур, изменение термодинамической устойчивости.

43.

В чем проявляется вторичная периодичность в ряду хлор – бром – иод?

44.

Почему спиртовый раствор иода имеет буро-коричневую окраску, а бензольный – фиолетовую?

45.

Почему в качестве энергичного окислителя часто используют бром в щелочной среде, а не более активный хлор.

57 46.

Хлороводород в лаборатории обычно получают взаимодействием концентрированной серной кислоты с кристаллическим хлоридом калия. Почему таким способом нельзя получить HBr и HI? Как эти газы получают в лабораторных условиях?

47.

Что такое интергалогениды? Каковы закономерности изменения их состава в зависимости от природы галогенов? Какими свойствами они обладают?

48.

Приведите факты, указывающие на то, что иод может проявлять «металлический» характер в соединениях.

2.8.2. Элементы VIIB-подгруппы 1.

Какие минеральные формы характерны для марганца в природе? О чем говорит его частое совместное присутствие с железом?

2.

Какие степени окисления известны для марганца, технеция и рения? Какие их них наиболее характерны для этих элементов?

3.

Какими способами получают марганец в промышленности? Какими методами его очищают от примесей?

4.

Почему при промышленном производстве металлического рения возможно использовать водородное восстановление?

5.

С каких позиций можно объяснить тот факт, что для технеция не существует ни одного стабильного изотопа?

6.

Сопоставьте химическую устойчивость марганца, технеция и рения по отношению к агрессивным средам.

7.

Опишите взаимодействие марганца с распространенными в лабораториях реактивами. Как ведет себя этот металл по отношению к разбавленным и концентрированным кислотам, разбавленным и концентрированным растворам щелочей?

8.

Какие оксиды образуют марганец, технеций и рений при нагревании на воздухе?

9.

Приведите формулы всех известных Вам оксидов марганца и способы их получения. Как изменяются кислотно-осно´ вные свойства этих оксидов при возрастании степени окисления марганца в них? Какие продукты могут образоваться при взаимодействии оксидов марганца с хлороводородной кислотой? Дайте аргументированные ответы.

58

10. Какие оксиды известны для технеция и рения? Какими свойствами они обладают? Каково их отношение к воде? 11. Каковы свойства гидроксидов марганца, технеция и рения в зависимости от степени окисления и в зависимости от природы элемента при одной степени окисления? 12. Что такое мезорениевая кислота и мезоперренаты? Как можно объяснить их существование, исходя из общих закономерностей образования кислотных гидроксидов? 13. Какова роль концентрированной серной кислоты при получении с ее помощью оксида марганца (VII) из перманганата калия? 14. Чем различаются перманганаты, пертехнаты и перренаты по отношению к нагреванию? 15. Приведите экспериментальные факты, доказывающие, что степень окисления +5 сравнительно мало характерна для марганца. 16. Если сульфат марганца (II), растворенный в безводной серной кислоте, обработать при нагревании перманганатом калия, то образуется сульфат марганца (IV), растворимый в серной кислоте, но полностью гидролизующийся в воде. Запишите уравнения реакций, отражающие эти взаимодействия. Какие выводы о свойствах соединений марганца в различных степенях окисления можно сделать на основании указанных превращений? 17. В какой среде сильнее проявляются окислительно-восстановительные свойства оксида марганца (IV)? Ваш ответ сопроводите соответствующими уравнениями реакций. 18. Почему в окислительно-восстановительных реакциях для усиления процесса окисления необходимо создать сильно кислую среду. Дайте ответ с позиции смещения Red-Ox-потенциала, проиллюстрировав примерами. 19. Через щелочной раствор манганата калия, помещенный в четыре отдельные пробирки, пропускают следующие газы: а) углекислый газ; б) хлор; в) сероводород; г) аммиак. С какими из перечисленных газов протекают реакции? Укажите типы происходящих реакций. 20. Через щелочной раствор манганата калия, помещенный в пять отдельных пробирок, пропускают следующие газы: а) сернистый газ; б) озон; в)

59

бромоводород; г) арсин; д) ацетилен. С какими из перечисленных газов осуществляются взаимодействия? Укажите типы происходящих реакций. 21. С позиций метода валентных связей и теории кристаллического поля рассмотрите геометрическое и электронное строение ионов MnO4−, MnO42−, MnO43−. Что Вы можете сказать об окраске этих ионов? Каковы их магнитные свойства? 22. Известны ионы MnO4−, MnO42−, MnO43−, а ион MnO44− не существует. При попытке его получения образуются двойные оксиды, содержащие марганец (IV), например, CaO. 4MnO2. С позиций теории кристаллического поля объясните этот опытный факт. 23. По каким внешним признакам можно определить, в какой среде проходила реакция восстановления перманганата калия? Приведите примеры таких реакций. Чему равен химический эквивалент перманганата калия в каждом из этих случаев? 24. При пропускании сероводорода через кислый раствор перрената калия выпадает черный осадок, который растворяется при действии азотной кислоты. Почему образование этого осадка и переход его в раствор нельзя характеризовать величиной произведения растворимости? 25. Охарактеризуйте общие закономерности образования галогенидов марганца, технеция и рения в зависимости от природы элемента и галогена. Какова природа химической связи в этих соединениях? Какими свойствами они обладают? 26. Какими способами можно повысить устойчивость галогенопроизводных марганца, технеция и рения в высоких степенях окисления? В какой мере это явление характерно для галогенопроизводных других элементов? 27. Известно, что соединения TcO3F и Tc2O7 реагируют с водой, а Tc2S7 – с концентрированной азотной кислотой или со смесью пероксида водорода и гидроксида натрия. Составьте уравнения протекающих при этом реакций. Меняет ли технеций при этом степень окисления? 28. Почему низкоспиновые комплексы марганца, технеция и рения в большинстве своем парамагнитны? В каких случаях марганец может образовывать диамагнитные комплексы?

60

29. Каковы типичные координационные числа марганца в его комплексных соединениях? Дайте объяснение с точки зрения электронного строения атома. 30. Является ли аквакомплекс марганца (II) внутри- или внешнеорбитальным? Проявляет ли он в этом отношении сходство с аквакомплексом хрома (III)? Одинакова ли геометрическая конфигурация этих ионов? 31. К каким классам комплексных соединений относятся кристаллогидраты MnSO4. 5H2O, MnSO4. 6H2O, MnSO4. 7H2O? 32. Чем различаются по строению галогенидные комплексы марганца и рения? Сравните с аналогичными соединениями элементов VIB-группы. 33. Каковы координационные числа в галогенидных комплексах марганца? С каких позиций можно объяснить наблюдающуюся закономерность? 34. Почему именно для марганца наиболее распространены солеобразные производные среди всех элементов VIIB-группы? Чем это объясняется? Каковы особенности их кристаллизации из водных растворов? Какие выводы о свойствах марганца можно сделать на основании данного факта? 35. Как и почему меняется разнообразие и устойчивость солей марганца в зависимости от его степени окисления? Приведите примеры. 36. Каковы состав, строение и свойства карбонилов элементов VIIB-группы? Какова природа химической связи в этих соединениях

61

2.9. Элементы VIII группы 2.9.1. Элементы VIIIA-подгруппы 1.

В чем состоит особая роль VIIIAподгруппы в понимании структуры Периодической системы и химических свойств остальных элементов?

2.

Как давно в периодической системе возникла VIIIA-подгруппа? Что было до этого? Каковы основания для выделения VIIIAподгруппы?

3.

Какой из элементов VIIIAподгруппы был открыт первым? Как это произошло? Какие проблемы при этом возникли?

4.

Сопоставьте распространенность в природе элементов VIIIAподгруппы. Где на Земле можно ожидать присутствие гелия и радона? Как Вы думаете, почему эти элементы так резко различаются по распространенности?

5. Как на протяжении ХХ века изменялось общее название элементов VIIIA-подгруппы? Как они сейчас называются, и какой смысл вкладывается в это групповое название? 6.

Обсудите происхождение наименований элементов VIIIA-подгруппы. Что они означают?

7.

Как и почему меняются температуры плавления и кипения в ряду He – Ne – Ar – Kr – Xe – Rn, а также их растворимость в воде?

8.

Каковы кристаллические структуры инертных и благородных газов в твердом состоянии (при низких температурах)? Как можно объяснить существование таких структур для этих веществ? Согласуются ли эти структуры с правилом Юм-Розери 8 – N?

62

9.

Какой из перечисленных экспериментальных фактов может служить доказательством одноатомности газообразного неона: а) неон не образует соединений с другими элементами; б) плотность неона примерно в 2 раза меньше, чем плотность аргона; в) плотность неона примерно в два раза меньше, чем плотность фтора?

10. Почему радон часто называют сильнейшим радиоактивным ядом? 11. С каких позиций можно объяснить уникальные свойства жидкого гелия – невозможность перехода в твердое состояние при обычном давлении, сверхтекучесть и т. п.? 12. Что такое соединения включения, аддукты, клатраты? Какие из этих понятий являются синонимами? 13. Какие молекулы исполняют роль «хозяев», а какие – «гостей» в так называемых гидратах благородных газов? Почему точные формулы этих соединений имеют вид Х . 5,75Н2О (а приближенно – Х . 6Н2О)? 14. Почему гидраты благородных газов (и аналогичные соединения с органическими растворителями) не следует рассматривать как комплексы, подобные, например, аквакомплексам переходных металлов? 15. Непосредственным синтезом в жестких условиях можно получить XeF2. Как, исходя из этого соединения, получить фториды ксенона, отвечающие более высоким его степеням окисления? К какому типу относятся эти реакции? 16. Чем и почему отличается разложение XeF8 от разложения остальных фторидов ксенона? Как эта реакция характеризует окислительную способность Хе+8? 17. Какими характерными свойствами обладают фториды ксенона? 18. Каково пространственно-геометрическое строение оксофторидов и оксидов ксенона? 19. Как можно объяснить тот факт, что для ксенона в его соединениях наблюдаются только четные степени окисления? 20. Почему при рассмотрении трехцентровой связи в XeF2 с позиций ММО одна молекулярная орбиталь обязательно должна быть несвязывающей? 21. Пользуясь ММО, покажите возможность (или невозможность) существования катионов XeF+, HeH+, He2+ и NeXe+.

63

22. Основываясь на методе валентных связей и представлении о гибридизации, определите одинаковую или разную геометрическую форму имеют молекулы следующих веществ: KrF2, XeCl2, TeCl2, NF2, SnCl2, BeCl2. 23. Приведите все возможные доводы в пользу того факта, что, хотя оксид ксенона (VI) в свободном виде чрезвычайно взрывоопасен, водный раствор его безопасен в обращении. Какой продукт образуется при его взаимодействии с водой? 24. Предскажите сравнительно силу кислот H2XeO4 и H4XeO6 в водном растворе. 25. Какими способами можно получить перксенаты? Ответ подтвердите уравнениями реакций. 26. На примере фторокомплексов ксенона покажите, как меняются их кислотно-осно´ вные свойства в зависимости от степени окисления ксенона. 27. Определите, какие свойства проявляет фторид криптона KrF2, когда он обеспечивает протекание следующих процессов: а) ClF2 → ClF5, б) Xe → XeF6. 28. В чем заключается химическая причина протекания до конца реакции обмена между Ba2XeO6 и концентрированной серной кислотой? 2.9.2. Элементы VIIIB-подгруппы 2.9.2.1. Общие закономерности 1.

Чем можно объяснить своеобразие структуры VIIIB-подгруппы, не похожей на все остальные группы и подгруппы Периодической системы?

2.

Приведите все возможные доводы целесообразности изучения химических свойств элементов VIIIB группы по следующей схеме: Fe – Co – Ni; Ru – Os; Rh – Ir; Pd – Pt.

3.

Укажите, в чем состоят преимущества и недостатки схем изучения химических свойств по трем вертикальным рядам:

Fe – Ru – Os; Co – Rh – Ir; Ni – Pd – Pt и по триадам: Fe – Co – Ni; Ru – Rh – Pd; Os – Ir – Pt.

64

4.

Приведите примеры различных, в том числе, и комплексных соединений элементов VIIIB-группы в устойчивых для каждого из них степенях окисления.

2.9.2.2. Элементы триады железа 5. Какие степени окисления наиболее характерны для элементов триады железа, и какова общая закономерность в изменении стабильных степеней окисления в ряду Fe – Co – Ni. Приведите примеры и дайте обоснование этой закономерности. 6.

Происхождение названия элемента железа (как русского, так и латинского) теряется в глубине веков. А что Вы знаете о происхождении названий «кобальт» и «никель»?

7.

Сопоставьте распространенность в природе и типичные минеральные формы для железа, кобальта и никеля. К какому геохимическому классу можно отнести эти элементы?

8.

Каковы способы промышленного получения железа, кобальта и никеля? Как их получают в чистом состоянии?

9.

Какие кристаллические структуры характерны для железа, кобальта и никеля как простых веществ? Учитывая этот факт, предположите, в каких случаях эти металлы будут образовывать между собой непрерывные твердые растворы?

10. Вам должно быть известно, что все вещества по отношению к магнитному полю подразделяются на два класса – диамагнетики и парамагнетики. А что такое ферромагнетики? 11. Для железа указываются температуры полиморфных превращений α-, γи δ-модификаций. Что собой представляет β-модификация железа? 12. Как можно объяснить закономерность в изменении температур плавления для железа, кобальта и никеля? 13. Охарактеризуйте отношение железа, кобальта и никеля к агрессивным средам (кислотам и щелочам). 14. Какие оксиды образуют железо, кобальт и никель при сгорании в кислороде? Какие выводы о сравнительной устойчивости различных степеней окисления для этих элементов можно сделать на основании этого факта?

65

15. Чем различаются по свойствам оксиды элементов триады железа состава Э2О3? Каким способом их можно получить? 16. К какому структурному типу принадлежат оксиды состава ЭО для элементов триады железа? О чем это говорит? 17. Какими способами можно получить гидроксиды Fe(OH)3, Co(OH)3, Ni(OH)3? Чем различается их взаимодействие с кислотами? 18. Что такое ферриты? К какому классу соединений относятся ферриты металлов в степени окисления +2? Что собой представляет с этой точки зрения оксид Fe3O4? 19. Предложите несколько способов получения феррата калия. Какой ион является носителем окраски ферратов? Выделены ли железная кислота и соответствующий оксид? 20. Охарактеризуйте состав и свойства галогенидов элементов триады железа в зависимости от природы металлов и галогенов? Какие общие закономерности здесь можно отметить? 21. Чем можно объяснить большое разнообразие солей и комплексных соединений для элементов триады железа? 22. В трех пробирках находятся растворы солей FeSO4, CoCl2, Ni(NO3)2. В каждую из них добавляют (по каплям) раствор нашатырного спирта. Опишите наблюдаемые явления и объясните их. 23. Имеются децимолярные растворы перхлоратов железа (II), кобальта (II) и никеля (II). Не проводя расчетов, укажите, какова реакция среды в этих растворах. Для какого из растворов значение рН будет выше? 24. При кипячении водного раствора смеси нитрата железа (III) и карбоната калия выпадает осадок и выделяется газ. При добавлении избытка раствора щелочи и бромной воды осадок переходит в раствор. Укажите окраску конечного раствора. Приведите уравнения протекающих реакций. 25. Объясните, почему питьевая вода не должна содержать избытка катионов железа (II). Считая, что железо (II) находится в жесткой воде в форме растворимого гидрокарбоната, предложите наиболее простой способ перевода катионов железа (II) в осадок метагидроксида железа (III). Как Вы считаете, удается ли таким способом удалить железо из раствора полностью? Дайте аргументированный ответ.

66

26. Каких комплексов у элементов триады железа больше – высоко- или низкоспиновых? Почему? 27. Будут ли низкоспиновые комплексы железа (II) и железа (III) диамагнитными или парамагнитными? Что в этом отношении можно сказать об аналогичных соединениях кобальта и никеля в степенях окисления +2 и +3? 28. Укажите состав и название простейшего карбонильного комплекса железа. Каково его агрегатное состояние при комнатной температуре? Является ли комплекс высоко- или низкоспиновым, диа- или парамагнитным? Какой тип гибридизации АО определяет его геометрическую форму? Этот комплекс хорошо смешивается с бензолом и этанолом и практически не смешивается с водой. Приведите все возможные доводы для объяснения этого факта. Можно ли взаимодействие этого вещества с горячей водой назвать гидролизом? Дайте мотивированный ответ. 29. Есть ли различие в наборе гибридных АО, которые образуют комплексы [Fe (H2O)6]2+ и [Fe (CN)6]4−? Есть ли различие в их геометрической конфигурации? Какой из них более прочен? 30. Объясните, почему не образуется сульфид и иодид железа (III). Допишите уравнения реакций а) Fe3+ + I− = … ; б) Fe2(SO)3 + (NH4)2S = … 31. Как из K4[Fe (CN)6] получить железистосинеродистую кислоту, которая хорошо растворяется в воде? Почему эта кислота является сильной в отличие от слабой синильной кислоты? 32. Напишите химические формулы желтой и красной кровяной соли. Почему одна из них красная, а другая – желтая? Для какого соединения константа нестойкости будет меньше и почему? 33. Для комплексных ионов [Fe (CN)6]4− и [Fe (CN)6]3− покажите: а) тип гибридизации АО центрального атома и геометрическую конфигурацию ионов; б) их магнитные свойства; в) являются ли они высоко- или низкоспиновыми и чем это определяется; г) какова их прочность по сравнению с аммин- и аквакомплексами. 34. Почему при разбавлении водой синий раствор тетрароданида кобальта (II) становится розовым? При каких условиях он снова приобретает синий цвет? 35. Каков состав так называемого роданида железа (III)? Как называются подобные соединения?

67

36. Каков состав «турнбуллевой сини» и «берлинской лазури», которые образуются при действии красной или желтой кровяной соли на соединения железа в степени окисления +3 и +2 (качественная реакция на ионы Fe2+ и Fe3+)? 37. Почему оксалатный комплекс [Fe(C2O4)3]3- обладает очень малой константой нестойкости? Каково координационное число железа в этом комплексе? 38. Объясните причину различной устойчивости комплексов [Co (NH3)6]2+ и [Co (NH3)6]3+ . 39. К высоко- или низкоспиновым относятся комплексы [Co(NH3)6]2+, [Co(CN)6]4− и [Co (H2O)6]3+? Чем объясняется высокая восстановительная способность низкоспиновых комплексов кобальта (II) и высокая окислительная способность высокоспиновых комплексов кобальта (III)? 40. Какую геометрическую конфигурацию имеют ионы [Ni(CN)4]2− и [Ni(NH3)4]2+ ? Чем определяется различие в их строении? 41. Какой тип гибридизации центральных атомов металлов определяет геометрическую конфигурацию комплекса карбонила никеля? Укажите состав карбонила кобальта. Чем карбонил кобальта отличается от аналогичных соединений железа и никеля? 42. Что такое черная металлургия? Какие сплавы являются основой черной металлургии? Какая еще бывает металлургия? 2.9.2.3. Платиновые металлы 43. В чем заключаются и чем обусловлены особенности электронного строения платиноидов? Чем обусловлена близость атомных радиусов, потенциалов ионизации и электроотрицательностей этих элементов? Как это сказывается на свойствах платиноидов? 44. Откуда происходят и что означают названия элементов семейства платиноидов? 45. Почему платиновые металлы являются лучшими комплексообразователями в периодической системе? 46. В чем проявляется генетическая связь между элементами VIIB, VIIIB и IB подгрупп Периодической системы, и чем она обусловлена?

68

47. К какой категории относятся платиноиды в геохимическом отношении? В каких месторождениях они встречаются? Какие выводы общего плана о химии этих элементов можно сделать на основании этих фактов? 48. Каковы общие принципы выделения и очистки (аффинажа) платиновых металлов? На чем основано их разделение? 49. Какие кристаллические структуры характерны для платиноидов? Чем можно объяснить тот факт, что при близости свойств всех платиноидов плотности двух триад (5 и 6 периодов) различаются примерно в два раза, а в пределах каждой триады плотности металлов очень близки? Почему металлы второй триады (Os, Ir, Pt) обладают наивысшими плотностями в периодической системе? 50. Охарактеризуйте отношение платиноидов к агрессивным средам (кислотам и щелочам). Запишите уравнения протекающих реакций. 51. Каково отношение платиноидов к кислороду при нагревании? Какую информацию о химии этих элементов можно извлечь из этих закономерностей? 52. Как Вы думаете, чем можно объяснить резкое отличие палладия от остальных платиноидов по отношению к водороду? 53. Почему оксиды Ru и Os в высшей степени окисления этих элементов химически не взаимодействуют с водой с образованием устойчивых гидратных форм? 54. В чем проявляется кислотная природа высших оксидов рутения и осмия? Как называются соединения, подобные H2[OsO4(OH)2], H2[PtCl4(OH)2] и т. п.? Как они образуются? 55. Приведите экспериментальные факты, подтверждающие различие стабильности степеней окисления +4 и +8 для рутения и осмия. 56. Как можно получить рутенаты и осматы, отвечающие степени окисления +6? Почему возможно получение перрутенатов (+7), но не существуют аналогичные перосматы? 57. Какие степени окисления характерны для элементов второй вертикальной диады платиноидов (Rh, Ir)? Какие формы оксидов и гидроксидов известны для этих элементов? Какими свойствами они обладают? Ответ подтвердите уравнениями реакций.

69

58. Какие оксиды и соответствующие им гидратные формы известны для палладия и платины? Какими свойствами они обладают? 59. Почему роль галогенидов как характеристических соединений особенно важна для элементов семейства платиноидов? 60. Охарактеризуйте общие закономерности и индивидуальные особенности взаимодействия платиноидов с галогенами. Какие степени окисления наиболее характерны для этих элементов, и каковы закономерности в изменении их стабильности по триадам? 61. Для каких элементов семейства платиноидов наиболее характерны, а для каких наименее характерны соли кислородсодержащих кислот? 62. Какие элементы из семейства платиноидов наиболее склонны к образованию двойных солей типа квасцов? 63. Почему для семейства платиноидов значительно более распространены диамагнитные комплексы, чем для элементов триады железа? 64. Как и почему изменяется устойчивость галогенидных комплексов для палладия и платины в степени окисления +2? 65. Какова сила кислот Н2[ЭГ4] для палладия и платины? Каково пространственно-геометрическое строение соответствующих анионов? 66. Объясните тот факт, что для комплекса [PtCl4]2− возможно экспериментальное определение общей константы устойчивости, а для комплекса [PtCl6]2− это пока не представляется возможным? 67. При нагревании хлорида тетраамминплатины (II) образуется транс-изомер комплекса дихлородиамминплатина, а при действии аммиака на тетрахлороплатинат (II) калия образуется цис-изомер этого комплекса. Объясните этот экспериментальный факт. 68. Чем «знаменито» соединение O2[PtF6] в формировании современного облика VIII группы. Как оно может быть получено? Почему гексафторид платины называют суперокислителем.

70

СОДЕРЖАНИЕ 1. Периодический закон как основа химической систематики 1.1. Структура периодической системы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1.2. Простые вещества как гомоатомные соединения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1.3. Бинарные химические соединения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 1.4. Многокомпонентные химические соединения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 2. Химия элементов 2.1. Водород . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

...... ..............9

2.2. Элементы I группы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 2.2.1. Элементы IA-подгруппы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 2.2.2. Элементы IB-подгруппы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .13 2.3. Элементы II группы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 2.3.1. Элементы IIА-подгруппы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 2.3.2. Элементы IIB-подгруппы .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 2.4. Элементы III группы . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .19 2.4.1. Элементы IIIA-подгруппы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .19 2.4.1.1. Общая характеристика . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ..19 2.4.1.2. Бор . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 2.4.1.3. Алюминий . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .20 2.4.1.4. Подгруппа галлия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 2.4.2. Элементы IIIB-подгруппы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 2.5. Элементы IV группы .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . 24 2.5.1. Элементы IVA-подгруппы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .24 2.5.1.1. Углерод . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .24 2.5.1.2. Кремний . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 2.5.1.3. Подгруппа германия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 2.5.2. Элементы IVB-подгруппы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 2.6.. Элементы V группы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 2.6.1. Элементы VA-подгруппы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

71

2.6.1.1. Азот . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 2.6.1.2. Фосфор . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 2.6.1.3. Подгруппа мышьяка . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 2.6.2. Элементы VB-подгруппы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 2.7. Элементы VI группы . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 2.7.1. Элементы VIA-подгруппы

.................................

44

2.7.1.1. Кислород . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

44

2.7.1.2. Сера . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 2.7.1.3. Подгруппа селена . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 2.7.2. Элементы VIB-подгруппы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 2.8. Элементы VII группы . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 2.8.1. Элементы VIIА-подгруппы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 2.8.2. Элементы VIIB-подгруппы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 2.9. Элементы VIII группы . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 2.9.1. Элементы VIIIA-подгруппы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 2.9.2. Элементы VIIIB-подгруппы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 2.9.2.1. Элементы триады железа . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 2.9.2.2. Платиновые металлы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67

72

Составители: Угай Яков Александрович, Миттова Ирина Яковлевна, Яценко Олег Борисович, Пшестанчик Валерий Рафаилович, Прокин Александр Николаевич, Лаврушина Светлана Семеновна, Самойлов Александр Михайлович, Томина Елена Викторовна Редактор Заказ №

от

Тихомирова О.А. 2004 г. Тир.

экз. Лаборатория оперативной полиграфии ВГУ