ЦУ (ценные указания)

Общая и неорганическая химия в вопросах

14. Элементы IIIA-группы

Теоретическое введение >>>

Задания

14.1. Опишите образование связи в молекуле В₂ по методу молекулярных орбиталей. Укажите порядок связи и магнитные свойства этой молекулы.

14.2. Для получения бора:
а) тетрафтороборат(III) калия восстанавливают при нагревании натрием,
б) триоксид дибора спекают с магнием.
Составьте уравнения реакций. Приведите примеры других способов получения бора.

14.3. Какой из минералов бора экономически выгоднее перевозить из карьера на завод: кернит Na₂B₄O₇ * 4H₂O, тинкалконит Na₂B₄O₇ * 5H₂O или тинкал Na₂B₄O₇ * 10H₂O?

14.4. Известно, что моноборан ВН₃ при обычных условиях не существует, поскольку он полностью димеризуется. Почему невозможно описать строение диборана В₂Н₆ по методу валентных связей? Как объясняется образование мостиковых связей В−Н−В в диборане по методу молекулярных орбиталей в трехцентровом приближении? Составьте уравнение реакции между дибораном и водой.

14.5. Тетрагидридоборат(III) натрия Na[BH₄] вносят в горячую воду, при этом наблюдают выпадение осадка и выделение газа. Периодически определяют рН раствора. Установлено, что выделение газа уменьшается (до почти полного прекращения) при увеличении щелочности среды; при подкислении реакция с выделением газа возобновляется. Объясните результаты опыта.

14.6. Составьте уравнения реакций гидролиза трихлорида и трифторида бора. Укажите все возможные продукты этих реакций. Будут ли конечные растворы кислотными, щелочными или нейтральными?

14.7. Объясните, почему для тетрафторобората(III) водорода правильной является запись формулы H[BF₄], а не [B(H)F₄]. При ответе учтите, что это соединение является сильной кислотой в водном растворе.

14.8. Трифторид бора образует гидрат состава BF₃ * 2H₂O. Составьте координационную формулу и систематическое название этого соединения, если известно, что в твердом состоянии оно является ионным кристаллом, а в растворе полностью диссоциирует на ионы и создает сильнокислотную среду.

14.9. Укажите, как образуется связь (обозначенная звездочкой) в аддукте трифторида бора с аммиаком BF₃ * NH₃. Изобразите пространственное строение аддукта в виде двух пересекающихся тетраэдров (центр одного тетраэдра служит вершиной другого). Составьте координационную формулу и систематическое название этого соединения (центральный атом − бор). При растворении аддукта в воде NH₃ полностью замещается на H₂O, и продукт становится сильным протолитом. Составьте последовательные уравнения возможных стадий и суммарное уравнение реакции.

14.10. Газообразный трихлорид бора поглотили водой при комнатной температуре. Выпавший осадок отфильтровали, промыли холодной водой и растворили в горячей воде. К полученному раствору в отдельных пробирках добавили: а) фтороводородную кислоту, б) карбонат натрия. Составьте уравнения всех реакций и назовите продукты.

14.11. Гидроксид бора В(ОН)₃ часто представляют как трехосновную борную кислоту Н₃ВО₃. Очевидно, что это утверждение неверное, так как ни один из атомов водорода в молекуле В(ОН)₃ не является кислотным. Приведите другие доказательства, подтверждающие правильность записи формулы В(ОН)₃.

14.12. При растворении тетрабората натрия в воде среда становится щелочной. На основании этого определите, является ли переход данной соли в раствор только физическим процессом. При ответе учтите, что после полного растворения соли раствор остается прозрачным.

14.13. При обработке гидроксида бора или смеси тетрабората натрия с серной кислотой этанолом образуется летучий борсодержащий продукт, который при сгорании окрашивает пламя в зеленый цвет. Укажите тип реакции образования этого продукта. Если этот продукт поглотить раствором гидроксида кальция, а затем раствор выпарить досуха и твердый остаток прокалить, то образуется смесь безводных боратов кальция. Пользуясь справочной и учебной литературой, приведите формулы простейших боратов.

14.14. Минерал криолит Na₃[AlF₆], природные запасы которого на Земле уже почти исчерпаны, синтезируют на заводах совместным взаимодействием гидроксида алюминия и карбоната натрия с концентрированной фтороводородной кислотой. Составьте уравнение реакции. Укажите, для чего используется криолит при получении алюминия электролизом из Al₂O₃.

14.15. Для реакции
Al₂O_{3 (т)} + 3СО _(г) 2Al _(т) + 3СО_{2 (г)}
установите, какое вещество − монооксид углерода или алюминий ∨ является более сильным восстановителем.

14.16. В четыре пробирки, содержащие соответственно разбавленную серную кислоту, разбавленную азотную кислоту, концентрированный раствор хлорида аммония и концентрированный раствор щелочи, вносят немного порошкообразного алюминия. Укажите, в каких пробирках будет происходить реакция:
а) с выделением осадка,
б) с выделением газа,
в) с образованием алюминийсодержащих катионов,
г) с образованием алюминийсодержащих анионов,
д) с образованием алюминийсодержащих молекул.

14.17. Составьте уравнения реакций:
а) Al + H₂O =
б) Al + H₃O⁺ =
в) Al + OН⁻ _(конц.) =
г) Al + Na₂СO_{3 (конц.)} =
д) Al + Na₃PO_{4 (конц.)} =
е) Al + HNO_{3 (оч.разб.)} =
ж) Al + H₂SO_{4 (конц.)} =
з) Al + КOН * H₂O (сплавление) =

14.18. Прокипятили водный раствор, содержащий нитрат калия и гидроксид калия, с добавлением порошкообразного алюминия. Выделившийся газ собрали и доказали присутствие в нем двух веществ. Какими способами это осуществили? Укажите, как определить состав алюминийсодержащих частиц в конечном растворе. Составьте уравнения всех реакций.

14.19. Трифторид бора хорошо растворим в жидком фтороводороде, а фторид алюминия в нем практически не растворим, однако полностью переходит в раствор в присутствии фторида натрия. При пропускании газообразного трифторида бора через раствор фторидов алюминия и натрия в жидком фтороводороде фторид алюминия снова выпадает в осадок. По результатам этих опытов сделайте вывод об относительной силе акцеп-торных свойств соединений алюминия(III) и бора(III) по отношению к фторид-иону.

14.20. Составьте уравнения полуреакций восстановления алюминия(III) в кислотной и щелочной средах. Сравните стандартные потенциалы этих процессов. Почему на практике алюминий не взаимодействует с водой, но реагирует с катионами оксония?

14.21. Образование многозарядных одноатомных катионов (типа Al³⁺) из нейтральных атомов термодинамически маловероятно из-за высокой энергии ионизации. Вместе с тем при обработке алюминия хлороводородной кислотой атом алюминия легко переходит в состояние Al^III. Объясните это кажущееся противоречие.

14.22. При обычных условиях хлорид алюминия существует в виде димера Al₂Cl₆, а при высоких температурах − в виде мономера AlCl₃. Сравните геометрическое строение мономера и димера. Составьте графическую формулу димера и назовите его. Укажите химическую причину того, что в закрытой системе реакция:

Al₂Cl_{6 (г)} 2AlCl₃ (г)

протекает в заметной степени только при нагревании.

14.23. Составьте уравнения реакций, которые характеризуют все процессы, протекающие при внесении твердого AlCl₃ в воду с последующим до-ведением рН раствора до 13.

14.24. Известно, что монофосфид алюминия реагирует с горячей водой, с хлороводородной, серной и азотной кислотами, с гидроксидом натрия и гидратом аммиака. Укажите условия проведения каждой реакции. В ка-ких из этих реакций алюминий и фосфор меняют свою степень окисления?

14.25. Цианид и сульфид алюминия не могут быть получены из водного раствора по обменным реакциям из-за полного гидролиза этих соединений. Предложите возможные способы синтеза указанных веществ (реагенты, условия проведения).

14.26. Проводится электролиз расплава смеси гидрида натрия, хлорида магния и фторида алюминия. Составьте уравнения электрохимических реакций.

14.27. Гидроксид алюминия весьма мало, но все же растворим в воде. Какие частицы находятся в растворе? Опишите кислотно-основные свойства гидроксида алюминия в водном растворе (воспользуйтесь справочными данными). Какие из этих свойств преобладают у гидроксида алюминия?

14.28. К осадку гидроксида алюминия добавляют водный раствор гидроксида натрия. Наблюдают химическое растворение осадка, который выпадает снова при насыщении образовавшегося раствора газообразным диокси-дом серы. Объясните результаты опыта.

14.29. Известно, что гомолигандные аквакатионы алюминия существуют в заметных количествах при рН меньше 4, а гомолигандные гидроксоанионы алюминия − при рН > 10. Объясните эти факты и изобразите геометрическое строение указанных ионов, используя метод валентных связей. Какие другие частицы, содержащие алюминий, присутствуют в водном растворе при рН 4-10?

14.30. Из протонной теории известно, что протолитическое равновесие сдви-гается самопроизвольно в сторону образования более слабых протолитов. Вместе с тем катионы аммония (константа кислотности K_к " 10⁻¹⁰) почти полностью реагируют с тетрагидроксоалюминат(III)-ионами (константа основности K_o " 10⁻⁷). Объясните это кажущееся противоречие.

14.31. К 0,5 л 0,2М водного раствора сульфата алюминия добавляют 0,5 л 0,2М раствора сульфата калия, смесь упаривают и охлаждают. Какое вещество выпадает в осадок?

14.32. Укажите тип реакций, протекающих между следующими реагентами: а) тетрагидридоалюминатом(III) лития и водой, б) тетрагидридогаллатом(III) натрия и хлороводородной кислотой. Почему эти реакции необратимы?

14.33. Студент приготовил для опыта шесть пробирок с раствором сульфата алюминия-калия. В первую пробирку он ввел недостаток раствора щелочи, во вторую − избыток щелочи, в третью − вначале избыток щелочи, затем избыток серной кислоты, в четвертую − вначале избыток щелочи, затем избыток диоксида углерода, в пятую и шестую − избыток гидрата аммика на холоду и при кипячении соответственно. В каких пробирках выпал осадок и каков его состав?

14.34. В три пробирки, содержащие раствор сульфата алюминия, добавляют (по каплям) соответственно эквимолярные растворы гидроксида натрия, гидрата аммиака, а также гидрата аммиака с большим избытком хлорида аммония. В какой пробирке осадок гидроксида алюминия появится в первую очередь? Выпадут ли осадки во всех пробирках?

14.35. Водный раствор сульфата алюминия имеет рН меньше 7 (почему?). При одновременном добавлении к нему растворов KIO₃ (рН = 7) и KI (рН = 7) в мольном отношении KIO₃ : KI = 1 : 5 образуется осадок, после промывания которого раствором тиосульфата натрия (зачем?) получают твердый гидроксид алюминия. Объясните результаты опыта. Необходимо ли указанное промывание осадка, если отношение KIO₃ : KI было бы 1 : n, где n больше 8? Дайте обоснованный ответ.

14.36. Используя справочную и учебную литературу, рассмотрите проявление диагональной периодичности свойств в направлении бор → кремний. Укажите свойства, сходные для бора и кремния и одновременно различные для бора и алюминия на примерах оксидов, гидроксидов, кислородсодержащих анионов, галогенидов и гидридов.

14.37. Пользуясь справочными данными, определите степени окисления галлия в диамагнитных соединениях GaCl₂ и GaBr₂. Как они диссоциируют в расплаве?

14.38. Опишите все процессы, происходящие при введении твердого безводного сульфата галлия(III) в воду, добавлении эквимолярного количества твердого сульфата калия и последующем выпаривании раствора до по-явления первых кристаллов соли.

14.39. Пользуясь справочной и учебной литературой, сравните кислотно-основные свойства катионов и гидроксидов галлия(III), индия(III) и таллия(III). Составьте уравнения реакций:
а) Ga + H₃O⁺ =
б) Ga + OH⁻ =
в) Ga₂(SO₄)₃ + H₂O =
г) TlOH + Ga(OH)₃ =
д) In(OH)₃ + OH⁻ _(конц.) =
е) InCl₃ + H₂O =
Предложите способы получения гидроксида таллия(I).

14.40. При сливании водных растворов указанных ниже пар веществ выпадают осадки:
а) хлорида галлия(III) и сульфида аммония
б) нитрата индия(III) и сероводорода
в) сульфата таллия(I) и гидроксида бария
г) трихлоротриакваталлия и сероводорода
д) гидроксида таллия(I) и брома
Пользуясь справочником, укажите состав и цвет этих осадков.

14.41. Сравните окислительно-восстановительные свойства соединений таллия(I) и (III) в водном растворе (используйте справочные данные). Составьте уравнения следующих реакций в растворе:
а) TlNO₃ + KOH + Cl₂ =
б) TlCl + HNO_{3 (конц.)} =
в) Tl⁺ + H₃O⁺ + MnO₄⁻ =
г) Tl(NO₃)₃ + KNO₂ =
д) Tl₂(SO₄)₃ + SO₂ =
е) TlClO₄ + KOH + Br₂ =

14.42. Известно, что хлорид таллия(III) - белое и малорастворимое в воде соединение. Ионное соединение состава TlI₃ имеет черный цвет и получается по реакции: Tl³⁺ + 3I⁻ = TlI₃. Насыщенный раствор этого соединения обладает коричневым цветом и содержит очень мало катионов таллия(III). Укажите состав катиона и аниона в соединении TlI₃.

14.43. В пробирках находятся 0,01М растворы NaF, NaCl и NaBr. В каждую пробирку добавляют равный объем 0,01М раствора нитрата таллия(I). В каких пробирках выпадут осадки? Как это можно предсказать? В какой пробирке количество (моль) осадка будет наибольшим?

14.44. Определите, не прибегая к расчету, одинаковой или разной будет растворимость (моль/л) солей каждой пары при некоторой температуре, если они имеют одинаковые значения ПР:
а) Tl₂SO₄ и TlNCS;
б) TlN₃ и TlCl;
в) TlBr и Tl₂SO₃S. Ответ поясните.

14.45. Объясните, какая из приведенных формул более достоверно описывает строение минерала алунит (квасцовый камень): (K, Na)Al₃(SO₄)₂(OH)₆ {Ga} или (K, Na)₂O * 3Al₂O₃ * 4SO₃ * 6H₂O {Ga}
Вместо какого узла входит примесный галлий в кристаллическую решетку алунита? Дайте аргументированные ответы.

14.46. Составьте названия веществ:
а) Na₃[AlF₆], Na₂[B₄O₅(OH)₄] * 8H₂O, Ba₂[Al₄(OH)₁₆]
б) (MgAl₂)O₄, [Al(H₂O)₄(OH)₂]Cl, Na₂B₄O₇ * 10H₂O
в) K[Ga₂Cl₇], InSO₄(OH) * 2H₂O, KTl(SeO₄)₂ * 12H₂O
г) Tl₂O₃ * nH₂O, [K(H₂O)₆][Ga(H₂O)₆](SO₄)₂

|| Содержание Вопросника || || Содержание раздела "Студгородок" ||