ЦУ (ценные указания)

Общая и неорганическая химия в вопросах

15. Элементы IVA-группы

Теоретическое введение >>>

Задания

15.1. Известно, что веществ, содержащих углерод (в большинстве -- органических соединений), существует около пяти миллионов, тогда как веществ, содержащих все остальные элементы, в 17 раз меньше (примерно триста тысяч). Кроме того, ежегодно синтезируется огромное число (более 250 000) новых соединений углерода; число новых соединений остальных элементов, вместе взятых, значительно меньше. Объясните, в чем заключается химическая причина столь большого (практически неограниченного) многообразия органических соединений. Каковы возможные типы гибридизации орбиталей атомов углерода? Может ли атом углерода быть: а) трехвалентным, б) пятивалентным?

15.2. Объясните, почему атомные орбитали кремния(IV) могут находиться в sp³d²-гибридном состоянии, но этот тип гибридизации не реализуется в соединениях углерода(IV). Приведите конкретные примеры соединений кремния с гибридизацией атомных орбиталей типа sp³d².

15.3. По методу молекулярных орбиталей изобразите энергетическую диаграмму и опишите образование связи в молекулах C₂ и SiC. В какой из этих молекул химическая связь будет прочнее и короче? Проверьте Ваш вывод по справочнику.

15.4. Графит обработали концентрированной азотной кислотой при нагревании. Образовавшуюся смесь газов пропустили через насыщенный раствор гидроксида кальция. Составьте уравнения реакций. Укажите также, что образуется при взаимодействии: а) графита с концентрированной серной кислотой, б) кокса с водяным паром.

15.5. Приведите как можно большее число признаков, подтверждающих неметаллический характер кремния. Не противоречат ли этому свойству кремния его реакции с кислотами и со щелочами?

15.6. Смесь порошкообразного германия и натрия сожгли в атмосфере кислорода, затем прокалили до окончания выделения газа и внесли в концентрированный раствор гидроксида натрия. Составьте уравнения протекающих реакций. Укажите геометрические формы германийсодержащих частиц, участвующих в этих реакциях.

15.7. Укажите распространенные в лаборатории реактивы, с помощью которых можно химически растворить: а) олово, б) свинец. Почему олово активнее, чем свинец, реагирует с катионами оксония в растворе? Ответы мотивируйте справочными данными.

15.8. Предложите реактивы, с помощью которых из сплава олова со свинцом можно химически растворить: а) только олово, б) только свинец. Ваш ответ подтвердите справочными данными.

15.9. Составьте уравнения реакций:
а) Sn + O₂ =
б) Sn + OH⁻ + H₂O =
в) Sn + HNO₃ (конц.) =
г) Sn + HNO₃ (оч. разб.) =
д) Pb + O₂ =
е) Pb + OH⁻ + H₂O =
ж) Sn + HNO₃ (разб.) =
з) Pb + HNO₃ (разб.) =

15.10. Для получения аморфного кремния нагревают смесь диоксида кремния и магния. После окончания реакции и охлаждения спека к нему добавляют хлороводородную кислоту. Наблюдают самовоспламенение выделяющейся газовой смеси. Составьте уравнения реакций.

15.11. Элемент германий достаточно широко распространен в земной коре (массовая доля 2 * 10⁻⁴ %), однако технологи испытывают трудности в получении этого элемента в свободном виде. Как Вы считаете, почему? При составлении ответа воспользуйтесь справочной и учебной литературой.

15.12. Пользуясь справочной и учебной литературой, напишите химические формулы распространенных минералов олова и свинца. Сделайте вывод об относительной устойчивости характерных степеней окисления этих элементов. Почему олово и свинец не встречаются в природе в самородном виде?

15.13. По методу молекулярных орбиталей составьте энергетические диаграммы образования связи в частицах CO, NO⁺, CN⁻, CN, CN⁺. Укажите порядок связи. Сравните значения энергии и длины связи в этих частицах:

Частица		CO	NO+	CN−	CN	CN+
Есв, кДж		1076	1051	1004	762	477
lсв, пм		113	106	111	117	129

Объясните причину разных значений Е_св и l_св в частицах CNO, CN⁺, CN⁻.

15.14. Дициан C₂N₂ образуется при окислении ионов CN⁻. Предскажите гео-метрическую форму молекулы C₂N₂. Почему это вещество называют псевдогалогеном, а цианид-ион CN⁻ − псевдогалогенид-ионом? Срав-ните аналогичные реакции для галогенов и дициана: а) I⁻ и CN⁻ с MnO₄⁻ в кислотной среде, б) Cl₂ и C₂N₂ со щелочью в холодном растворе, в) Br⁻ и CN⁻ с избытком Ag⁺, г) избытка I⁻ и CN⁻ с Hg²⁺.

15.15. Какая из двух таутомерных форм циановодорода, отвечающая формуле H−CN или H−NC, будет более сильным протолитом (в роли кислоты) в водном растворе? Дайте аргументированный ответ.

15.16. Укажите все возможные причины более сильного проявления в ионе CN⁻ электроноакцепторных свойств атомом углерода по сравнению с атомом азота (предварительно составьте электронную формулу цианид-иона). На основе этого сделайте вывод о том, какая из двух изомерных форм циановодорода, со связью Н−С или со связью Н−N, является лучшим донором электронов (предварительно составьте электронные формулы молекул изомеров).

15.17. С учетом гибридизации орбиталей центрального атома изобразите геометрические конфигурации для ионов NCS⁻, CNO⁻, OCN⁻ и NCN²⁻. Докажите изоэлектронность этих ионов между собой и с молекулой СО₂.

15.18. Приведите уравнение синтеза в промышленности цианамида кальция, исходя из оксида кальция.

15.19. Из истории химии известно, что перегруппировка цианата аммония (NH₄)OCN в карбамид (мочевину) (NH₂)₂CO при 60 °С была первым примером синтеза органического соединения из неорганического вещества. Является ли эта реакция окислительно-восстановительной или обменной? Укажите степени окисления всех элементов в обоих веществах.

15.20. Известно, что тетрахлорид углерода негорюч, а дисульфид углерода сильно огнеопасен. Приведите все возможные справочные данные, объясняющие эти факты. Составьте уравнения реакций полного и неполного сгорания этого сульфида в кислороде.

15.21. В некоторых учебниках среди солеобразных карбидов, подвергающихся гидролизу, выделяют группы ацетиленидов (ацетилидов) и метанидов. Почему? Приведите примеры соединений этих типов.

15.22. Составьте уравнение реакции взаимодействия с избытком воды: а) дикарбида кальция, б) трикарбида тетраалюминия. Как называют такие реакции? Обратимые они или необратимые?

15.23. При обработке силицида димагния водой или хлороводородной кислотой наблюдается самовоспламенение выделяющегося газа, а при сплавлении тетранитрида трикремния со щелочью выделяющийся газ не возгорается. Составьте уравнения протекающих реакций и укажите, почему не происходит выделения газа, если указанный нитрид кремния обработать фтороводородной кислотой.

15.24. При открывании склянки с жидким тетрахлоридом кремния у горлышка склянки образуется белый дым. Каков химический состав этого дыма? Напишите уравнение протекающей реакции и укажите ее тип. Почему происходит именно такая реакция? При ответе охарактеризуйте строение и тип связи в тетрахлориде кремния.

15.25. В рамках метода валентных связей строение молекулы монооксида углерода передается формулой ( :СО: ), где атомы С и О имеют по одной неподеленной электронной паре, которая может стать донорной. Будут ли проявляться донорные свойства СО за счет электронной пары атома углерода (с образованием связей Э−СО) или атома кислорода (с образованием связей Э−ОС)? Ответ аргументируйте справочными данными.

15.26. Предложите химическое объяснение чрезвычайно высокой токсичности монооксида углерода, что дало право называть его угарным газом.

15.27. В лаборатории монооксид углерода получают разложением муравьиной или щавелевой кислоты:
HCOOH = CO + H₂O,
H₂C₂O₄ = CO + CO₂ + H₂O
С какой целью разложение проводят не простым нагреванием реагента, а введением этих кислот в горячую концентрированную серную кислоту? Какие способы обнаружения СО вы знаете?

15.28. Укажите, что образуется при взаимодействии щавелевой кислоты в кислотной среде: а) с дииодом, б) с оксидом марганца(IV). Составьте уравнения реакций.

15.29. В молекуле СО₂ атомы С и О химически соединены двойными связями С=О, а в молекуле СО − тройными связями СО, более устойчивыми, чем двойные связи. Однако атмосфера планеты Венера (температура на поверхности 477 °С, давление около 100 атм) содержит 97% СО₂ (монооксид углерода и молекулярный кислород присутствуют в качестве примесей). Дайте объяснение этому факту.

15.30. Известно, что зажженный на воздухе магний продолжает гореть и в атмосфере диоксида углерода. Также хорошо известно применение углекислотных огнетушителей. Нет ли здесь противоречия? Ответ поясните.

15.31. Предложите возможный механизм образования связи в моногидрате СО₂ * Н₂О, который мгновенно образуется при контакте СО₂ с Н₂О, а затем медленно изомеризуется в молекулу Н₂СО₃. Известны ли полигидраты СО₂ * nН₂О (n > 2)?

15.32. Студент провел в пробирке реакцию между карбонатом бария и хлороводородной кислотой, взятой в избытке, и следующим образом записал молекулярное уравнение реакции:
BaCO₃ + 2HCl(изб.) = Н₂СО₃ + BaCl₂
Исправьте допущенные в данной записи ошибки и составьте ионное уравнение этой реакции.

15.33. Через суспензию карбоната кальция в воде пропускают ток диоксида углерода; раствор становится прозрачным. Какими способами можно вновь осадить исходное вещество?

15.34. Известно, что карбонат бария практически нерастворим в воде. Почему же он не выпадает в осадок при насыщении раствора нитрата бария газообразным диоксидом углерода?

15.35. Перечислите все возможные продукты, образующиеся при пропускании диоксида углерода:
а) через раствор гидроксида бария,
б) через суспензию гидроксида магния,
в) через раствор тетрагидроксобериллата(II) натрия,
г) через раствор ортосиликата калия.
Почему в этих же условиях суспензия гидроксида алюминия не становится прозрачным раствором?

15.36. Через насыщенный раствор хлорида натрия пропускают газообразный аммиак, а затем углекислый газ. Выпавший осадок гидрокарбоната натрия отфильтровывают и прокаливают при 500 °С. Получают твердое вещество. Составьте уравнения всех реакций. Как практически наиболее просто убедиться, что последняя реакция закончилась.

15.37. Руководствуясь справочной и учебной литературой, выпишите формулы и названия распространенных карбонатных минералов. Почему в земной коре встречаются карбонаты многих металлов? Дайте мотивированный ответ.

15.38. По правилу Полинга предскажите силу кислот Н₂СО₃, Н₂С₂О₄ и H₄SiO₄. Составьте уравнения протолитических реакций.

15.39. Проанализируйте фразу: "Песок сгорает в газообразном фторе, образуя тетрафторид кремния и кислород". Какой химический смысл вложен здесь в слово "сгорает"?

15.40. Известно, что стекло разрушается плавиковой кислотой, хотя основные компоненты стекла, − силикаты являются очень устойчивыми соединениями. Что является движущей силой реакции между стеклом (условно SiO₂) и плавиковой кислотой?

15.41. При взаимодействии диоксида кремния с фтороводородной кислотой (в избытке) образуется соединение, которому приписывают химическую формулу H₂[SiF₆]. Это соединение в свободном виде не выделено, а существует только в растворе. Руководствуясь справочной и учебной литературой, укажите, в виде каких частиц (молекул, ионов) рассматриваемое соединение присутствует в водном растворе, обоснуйте образование именно таких частиц и охарактеризуйте их строение. Правомерна ли запись формулы [Si(H)₂F₆] вместо H₂[SiF₆]?

15.42. Можно ли получить ортосиликат аммония при сливании водных растворов Na₄SiO₄ и NH₄Cl? Дайте мотивированный ответ.

15.43. Минерал оливин имеет состав (Mg, Fe^II)₂SiO₄. Что означает в такой записи перечисление металлов через запятую? приведите все возможные доводы в пользу одновременного существования в узлах кристаллической решетки катионов двух типов. Можно ли утверждать, что минерал оливин − это смесь двух солей, а именно ортосиликата магния и ортосиликата железа(II)? Дайте обоснованный ответ.

15.44. Твердый продукт полного гидролиза тетрахлорида кремния смешивают с карбонатом натрия, смесь прокаливают, спек растворяют в воде и через раствор пропускают углекислый газ. Составьте уравнения реакций.

15.45. Составьте уравнения реакций с участием германия и его соединений: а) GeO₂ + HCl (конц.) = б) Ge + HCl (конц.) + H₂SO₄ (конц.) = в) [GeCl₆]²⁻ + Zn = г) GeCl₄ + H₂O (изб.) = д) GeS₂ + (NH₄)₂S(р) = е) GeO₂ + С = ж) Ge + HNO₃ (конц.) = з) Ge + OH⁻ + H₂O₂ = и) Na₂GeO₃ + H₂O = к) GeO₂ + H₃O⁺ + HS⁻ = Какие химические свойства германия проявляются в этих реакциях?

15.46. Обнаружение олова в горных породах проводят следующим образом: исследуемую на присутствие SnO₂ пробу вносят в пробирку со смесью цинка и хлороводородной кислоты. Если олово в пробе есть, то выделяющийся станнан SnH₄ окрасит пламя газовой горелки в темно-голубой цвет. Составьте уравнение реакции и укажите ее тип. Какое вещество является реагентом, переводящим SnO₂ в SnH₄?

15.47. Для вещества SnCl₂ * nH₂O (n = 1, 2) составьте координационные формулы. Назовите эти вещества и укажите геометрическое строение их молекул. Составьте уравнения реакций:
а) SnCl₂ * 2H₂O + Cl⁻ (изб.) = ...
б) SnCl₂ + H₂O (изб.) = (осадок) + ...

15.48. Почему для переведения в раствор твердую соль SnCl₂ * 2H₂O вносят не в воду, а в хлороводородную кислоту? Что происходит при разбавлении полученного раствора водой?

15.49. Для олова(II) характерно координационное число (КЧ), равное 3, например, в комплексах [SnCl₃]⁻ и [Sn(OH)₃]⁻. Сравните геометрическую форму (по методу валентных связей), а также устойчивость в водном растворе этих комплексов и соответствующих комплексов с КЧ = 4.

15.50. Составьте уравнения реакций:
а) Sn + Cl⁻ + H₃O⁺ =
б) [SnCl₃]⁻ + Cl⁻ + Br₂ =
в) [Sn(OH)₃]⁻ + OH⁻ + N₂H₄ * H₂O =
г) [SnCl₃]⁻ + H₃O⁺ + Cl⁻ + O₂ =
д) [SnCl₃]⁻ + H₃O⁺ + Cl⁻ + BrO₃⁻ =
е) [SnCl₃]⁻ + SO₃S²⁻ = SnS + …
ж) [SnCl₃]⁻ (изб.) + OH⁻ =
з) [SnCl₃]⁻ + OH⁻ (изб.) =
и) [Sn(OH)₃]⁻ = Sn + …
к) [SnCl₃]⁻ + Zn =
л) [Sn(OH)₃]⁻ + OH⁻ + Bi³⁺ =
м) [Sn(OH)₃]⁻ + OH⁻ + CrO₄²⁻ =
Какие химические свойства олова и его соединений проявляются в этих реакциях?

15.51. Рассмотрите геометрическое строение молекул хлоридов олова(IV) и свинца(IV). Что будет наблюдаться при добавлении к этим веществам: а) воды, б) хлороводородной кислоты?

15.52. Составьте уравнения реакций:
а) SnO₂ + C =
б) SnO₂ + OH⁻ =
в) [SnCl₆]²⁻ + H₂S =
г) SnS₂ + Na₂S(р) =
д) SnS₂ + OH⁻ =
e) SnS₂ + HCl (конц.) =
Какие химические свойства соединений олова(IV) проявляются в этих реакциях?

15.53. Смесь SnS и SnS₂ обрабатывают реактивами:
а) сульфидом аммония
б) дисульфидом(2-) аммония
в) смесью сульфида и дисульфида(2-) аммония
в водном растворе. Что будет наблюдаться в каждом опыте? Затем в каждую пробирку добавляют хлороводородную кислоту. Получится ли исходная смесь сульфидов в каждой пробирке?

15.54. Составьте уравнения возможных реакций по схемам:
а) Sn → Sn(NO₃)₂ → SnS → [SnCl₃]⁻ → [Sn(OH)₃]⁻ → Sn(OH)₂
б) Pb → [Pb(H₂O)₃]²⁺ → Pb(OH)₂ → [Pb(OH)₃]⁻ → Pb(NO₃)₂ → Pb

15.55. Составьте уравнения следующих реакций:
а) PbS + O₂ =
б) PbS + H₂O₂ =
в) PbS + HNO₃ (конц.) =
г) PbCrO₄ + KOH (конц.) =
д) PbSO₄ + H₂SO₄ (конц.) =
е) Na[Pb(OH)₃] = H₂O + …
ж) PbO + C =
з) PbCl₂ + HCl (конц.) =
и) Pb²⁺ + H₂O + Cr₂O₇²⁻ =
к) PbCrO₄ + HNO₃ =
л) PbO + OH⁻ + Cl₂ =
м) Pb(CH₃COO)₂ + NaOH + Ca(ClO)₂ =
Какие химические свойства соединений свинца(II) проявляются в этих реакциях?

15.56. В четырех пробирках находится 0,1М раствор Pb(NO₃)₂; в каждую пробирку добавляют (по каплям, при перемешивании) 0,1М раствор KI, KBr, KCl или KF соответственно. В какой пробирке появится осадок при числе капель: а) наименьшем, б) наибольшем? Появится ли осадок во всех пробирках? Ответ поясните.

15.57. К раствору смеси эквимолярных количеств KCl и KF добавляют по каплям 0,1М раствор нитрата свинца(II) до начала выпадения осадка. Каков его состав? При последующем добавлении достаточного количества HNO₃ (разб.) осадок переходит в раствор (почему?), а после введения AgNO₃ начинает образовываться вновь. Каков состав нового осадка? Ответы сопроводите уравнениями реакций.

15.58. Сравните чувствительность следующих реактивов на катион свинца(II): а) хромат калия, б) сульфид натрия, в) сульфат натрия. Предложите схему последовательного перевода катиона свинца(II) из раствора нит-рата свинца(II) в соли - сульфат, хромат, сульфид. Возможен ли другой порядок превращения одной соли в другую? Дайте обоснованный ответ.

15.59. В осадке находится смесь солей PbS, PbSO₄ и PbCrO₄. Предложите: а) способ количественного определения состава смеси без предварительного разделения и б) схему разделения этих солей.

15.60. Предложите возможные способы: а) разделения смеси ионов Sn²⁺ и Pb²⁺ и б) их определения при совместном присутствии в водном растворе.

15.61. Бромид и иодид свинца(IV) не удается получить из PbO₂ и HBr или HI; при взаимодействии этих соединений наблюдается выделение свободного брома и иода. Составьте уравнения протекающих реакций. Объясните результаты опыта, используя справочные данные.

15.62. На ацетат свинца(II) действуют бромной водой, при этом выпадает осадок. Используя справочную и учебную литературу, укажите, какой свинецсодержащий продукт при этом образуется:
а) Pb(CH₃COO)₄
б) PbBr₄
в) Pb(OH)₂
г) PbO₂ * nH₂O
д) H₂[PbBr₆]
е) H₂[PbBr₄].

15.63. Составьте уравнения полуреакций восстановления оксида свинца(IV) в кислотной и щелочной средах. В каком случае значение стандартного потенциала восстановления выше? Определите, реагируют ли с PbO₂ при стандартных условиях:
а) Fe²⁺, Br₂, I₂, H₂C₂O₄, Mn²⁺ (в кислотной среде)
б) I₂, Al, I⁻, MnO₄²⁻, Zn (в щелочной среде)

15.64. Составьте уравнения реакций:
а) PbO₂ + H₂O₂ =
б) PbO₂ + HNO₃ + KNO₂ =
в) (Pb₂^IIPb^IV)O₄ + HCl (конц.) =
г) PbO₂ + HNO₃ + Mn(NO₃)₂ =
д) PbO₂ + OH⁻ + [Cr(OH)₆]³⁻ =
е) (Pb₂^IIPb^IV)O₄ + HNO₃ + KI =
Сделайте вывод о силе окислительных свойств соединений свинца(IV).

15.65. Составьте уравнения реакций между оксидом свинца(IV)-дисвинца(II) в азотнокислой среде и:
а) нитратом марганца(II),
б) перхлоратом железа(II),
в) нитритом калия.
Является ли окислительно-восстановительной реакция между указанным оксидом свинца и достаточным количеством азотной кислоты? Ответ поясните.

15.66. Смешаны оксиды германия(IV) и свинца(IV). Предложите химические способы их разделения.

15.67. Составьте названия веществ:
а) C(Br)O(F), Mn₇C₃
б) Pb(S₂), Pb₃(CO₃)₂(OH)₂
в) Ag₂CN₂, K₃[SnF₆](HF₂)
г) Ba(NCS)₂, Be₂SiO₄, H₂CS₃
д) Ge₄H₁₀, Rb₂[GeCl₆]
е) Sn(NO₃)₂ * 20H₂O, SiBr₂F₂
ж) K₂[SnCl₃]Cl * H₂O, Si₃H₈
з) Pb(HSO₄)₂, Pb₅(AsO₄)₃Cl

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