Реакции, в результате которых изменяется степень окисления элементов, называются окислительно-восстановительными. Свойства калия и его взаимодействие с водой Взаимодействие калия со сложными веществами

28.08.2020

С помощью воронки и стеклянной палочки насыпьте внутрь баллончика-реактора опилки алюминия, затем щелочь, закройте отверстие кусочком скотча и встряхните содержимое. Далее присоединяем приемник. Его нижнее отверстие (для выхода водорода) должно быть закрыто гвоздем. Аккуратно подмазывают стык реактора и приемника кашицей алебастра (берите его совсем чуть-чуть). Выждав 5 минут, сушим соединение феном около 4-5 минут.

Теперь аккуратно наворачиваем влажную вату на жесть приемника, отступив от краев 5-8 мм, и закрепляем ее тонкой проволокой.

Вначале удаляем гвоздь-затычку. Затем понемногу прогреваем баллончик с реакционной смесью горелкой (можно для экономии пользоваться паяльной лампой).

Для нагрева я использовал бутановый баллончик и большую горелку-насадку, упомянутую выше. Горючий газ внутри баллончика охлаждается, и со временем пламя немного уменьшается, поэтому пришлось согревать бутановый баллончик рукой.

Следите, чтобы половина "реторты" была нагрета до оранжевого каления, горло приемника должно быть нагрето до начала красного каления. Грейте около 13-14 минут. Реакция вначале сопровождается появлением фиолетового пламени, выходящего из приемника, потом оно постепенно уменьшается и пропадает, тогда можно уменьшить отверстие, вставив гвоздь (неплотно и с зазором) . В ходе реакции понемногу смачивайте вату пипеткой, не допуская попадания воды на стыки.

Прекратив нагрев, плотно вставьте затычку. Дайте прибору остыть до комнатной температуры! Я просто вынес его на мороз. Затем удаляем вату, и стираем следы воды.

Заранее подготовьте место, где будете выскребать калий из приемника. Помните об опасности возгорания! У Вас должен быть бензин, пинцет, самодельный шпатель-скребок, емкость для хранения калия с инертной жидкостью, вроде керосина или масла. Желательно, чтобы жидкость была высушена. Соскребаем гипс и разнимаем приемник. Сразу на горло приемника надеваем кусок полиэтилена и придавливаем его пластилином (или заранее сделайте пробочку). Размыкаем половинки приемника, основная часть калия сконденсировалась в левой части (которая была присоединена горлышком к реактору), внутри правой части были лишь следы калия (строение приемника показано на фотографии ). В левую часть налейте бензин (я использовал гексан). Делается это для защиты металла от окисления (бензин хорош тем, что потом он испарится бесследно, и можно будет опять использовать холодильник, не нарушая гипсовую замазку). Операцию проводят в защитных очках!

Шпателем соскребите металл со стенок, потом пинцетом поместите его в емкость для хранения. Помните, маленькие стружки калия окисляются на воздухе так быстро, что могут воспламениться. Это легко увидеть, если тщательно расплющить ножом обсушенный кусочек калия на куске бумаги (лучше фильтровальной или туалетной) - калий обычно воспламеняется. Часть металла получится в виде небольших стружек и крупинок. Их можно собрать смыв бензином в емкость для хранения или сухой стаканчик. Они пригодятся для реакции с водой: даже небольшие крупинки горят красивыми фиолетовыми огоньками.

Мне удалось собрать в бюкс около 1.1 г калия (0.7-0.8 г в виде компактной массы). Всего образовалось где-то 1.3 г металла. Часть калия в виде остатков я собирать не стал, промокнул бумагой от гексана и пинцетом перенес в воду (удобно просто стряхивать крупинки с бумаги). После реакции нужно удалить следы металла с приемника, правую половину ("дно") просто бросьте в воду на вытянутой руке и сразу отойдите. Левая половина пусть полежит на воздухе, пока следы калия частично окислятся, потом удалите их с помощью влажной ваты на проволоке (не повредив гипсовой замазки). Затем промойте приемник пипеткой и просушите его салфеткой (осторожно, не направляйте отверстие на себя).

Калий - девятнадцатый элемент периодической таблицы Менделеева, относится к щелочным металлам. Это простое вещество, которое при нормальных условиях пребывает в твердом агрегатном состоянии. Закипает калий при температуре 761 °С. Температура плавления элемента - 63 °С. Калий имеет серебристо-белую окраску с металлическим блеском.

Химические свойства калия

Калий - , обладающий высокой химической активностью, поэтому его нельзя хранить на открытом воздухе: щелочной металл моментально вступает в реакцию с окружающими веществами. Этот химический элемент относится к I группе и IV периоду таблицы Менделеева. Калий обладает всеми характерными для металлов свойствами.

Он взаимодействует с простыми веществами, к которым относятся галогены (бром, хлор, фтор, иод) и фосфор, азот и кислород. Взаимодействие калия с кислородом называется окислением. В течение этой химической реакции кислород и калий расходуются в молярном соотношении 4:1, в результате чего образуется оксид калия в количестве двух частей. Такое взаимодействие можно выразить уравнением реакции:

4К + О₂ = 2К₂О

Во время горения калия наблюдается пламя ярко-фиолетового цвета.

Такое взаимодействие считается качественной реакцией на определение калия. Реакции калия с галогенами называются в соответствии с названиями химических элементов: это фторирование, иодирование, бромирование, хлорирование. Такие взаимодействия являются реакциями присоединения. Пример - реакция между калием и хлором, в результате которой образуется хлорид калия. Для проведения такого взаимодействия берут два моля калия и один моль . В результате образуется два моля калия:

2К + СІ₂ = 2КСІ

Молекулярное строение хлорида калия

При горении на открытом воздухе калий и азот расходуются в молярном соотношении 6:1. В результате такого взаимодействия образуется нитрид калия в количестве двух частей:

6К + N₂ = 2K₃N

Соединение представляет собой кристаллы зелено-черного цвета. С фосфором калий реагирует по такому же принципу. Если взять 3 моля калия и 1 моль фосфора, получится 1 моль фосфида:

3К + Р = К₃Р

Калий реагирует с водородом, образуя гидрид:

2К + Н₂ = 2КН

Все реакции присоединения происходят при высоких температурах

Взаимодействие калия со сложными веществами

К сложным веществам, с которыми вступает в реакцию калий, относятся вода, соли, кислоты и оксиды. Так как калий - активный металл, он вытесняет атомы водорода из их соединений. Пример - реакция, происходящая между калием и соляной кислотой. Для ее проведения берется по 2 моля калия и кислоты. В результате реакции образуется 2 моля хлорида калия и 1 моль водорода:

2К + 2НСІ = 2КСІ + Н₂

Более детально стоит рассмотреть процесс взаимодействия калия с водой. Калий бурно взаимодействует с водой. Он движется по поверхности воды, его подталкивает выделяющийся водород:

2K + 2H₂O = 2KOH + H₂

В ходе реакции в единицу времени выделяется много тепла, что приводит к воспламенению калия и выделяющегося водорода. Это очень интересный процесс: при контакте с водой калий мгновенно воспламеняется, фиолетовое пламя потрескивает и быстро передвигается по поверхности воды. В конце реакции происходит вспышка с разбрызгиванием капель горящего калия и продуктов реакции.

Реакция калия с водой

Основной конечный продукт реакции калия с водой - гидроксид калия (щелочь). Уравнение реакции калия с водой:

4K + 2H₂O + O₂ = 4KOH

Внимание! Не пытайтесь повторить этот опыт самостоятельно!

При неправильном проведении эксперимента можно получить ожог щелочью. Для реакции обычно используют кристаллизатор с водой, в который помещают кусочек калия. Как только водород прекращает горение, многие хотят заглянуть в кристаллизатор. В этот момент происходит завершающая стадия реакции калия с водой, сопровождающаяся слабым взрывом и разбрызгиванием образовавшейся горячей щелочи. Поэтому в целях безопасности стоит держаться на некотором расстоянии от лабораторного стола, пока реакция не завершится полностью. вы найдете самые зрелищные опыты, которые можно проводить с детьми дома.

Строение калия

Атом калия состоит из ядра, в котором содержатся протоны и нейтроны, и электронов, вращающихся вокруг него. Количество электронов всегда равно количеству протонов, находящихся внутри ядра. При отсоединении электрона или при присоединении к атому он перестает быть нейтральным и превращается в ион. Ионы делятся на катионы и анионы. Катионы обладают положительным зарядом, анионы - отрицательным. При присоединении к атому электрона он превращается в анион; если же один из электронов покидает свою орбиту, нейтральный атом превращается в катион.

Порядковый номер калия в периодической таблице Менделеева - 19. Значит, протонов в ядре химического элемента находится тоже 19. Вывод: электронов вокруг ядра расположено 19. Количество протонов в структуре определяется так: от атомной массы отнять порядковый номер химического элемента. Вывод: в ядре калия находится 20 протонов. Калий принадлежит к IV периоду, имеет 4 «орбиты», на которых равномерно располагаются электроны, пребывающие в постоянном движении. На первой «орбите» расположены 2 электрона, на второй - 8; на третьей и на последней, четвертой «орбите», вращается 1 электрон. Этим объясняется высокий уровень химической активности калия: его последняя «орбита» не заполнена полностью, поэтому элемент стремится соединиться с другими атомами. В результате электроны последних орбит двух элементов станут общими.

Тема 1.6. Окислительно-восстановительные реакции.

Вопросы по ранее изученной теме:

В каких случаях при электролизе водных растворов солей:

a) на катоде выделяется водород;

b) на аноде выделяется кислород;

c) проходит одновременное восстановление катионов металла и катионов водорода воды?

Какие процессы, протекающие на электродах, объединяются общим названием ""электролиз""?
Чем отличаются электролиз расплава едкого натра от электролиза его раствора?
С каким полюсом батареи - положительным или отрицательным должна быть соединена металлическая деталь при её хромировании.
Раскрыть значение электролиз; понятие - электролиз.
Какие химические процессы происходят у катода и анода при электролизе раствора иодида калия? Расплава иодида калия?
Составьте схемы электролиза с использованием угольных электродов расплавов и растворов следующих солей: КСl.
В какой последовательности будут восстанавливаться катионы при электролизе их солей одинаковой концентрации (анод нерастворимый) следующего состава: Al, Sn, Ag, Mn?
Объясните, почему металлический калий нельзя получить на угольных электродах электролизом водного раствора хлорида калия, но можно получить электролизом расплава этой соли?
При электролизе водного раствора нитрата серебра на катоде образуется:

a) Аg b) NО 2 c) NO d) H 2 ?

знать основные понятия и сущность окислительно-восстановительных реакций, правила составления окислительно-восстановительных реакций методом электронного баланса;

уметь классифицировать реакции с точки зрения степени окисления; определять и применять понятия: “степень окисления”, “окислители и восстановители”, “процессы окисления и восстановления”; составлять электронный баланс для окислительно- восстановительных реакций и применять его для расстановки коэффициентов в молекулярном уравнении.

Изменение свойств элементов в зависимости от строения их атомов

Изучив ранее типы химических реакций, строение молекул, взаимосвязь основных классов химических соединений, можно сказать, что большинство реакций - присоединения, разложения и замещения, протекают с изменением степени окисления атомов реагирующих веществ, и только в реакциях обмена этого не происходит.

Реакции, в результате которых изменяется степень окисления элементов, называются окислительно-восстановительными.

Существует несколько способов составления уравнений окислитеьно- восстановительных реакций. Остановимся на методе электронного баланса, основанном на определении общего числа перемещающихся электронов. Например:

МnО 2 + КСlO 3 + КОН = К 2 МnО 4 + КСl + Н 2 О

Определяем, атомы каких элементов изменили степень окисления:

Мn → Мn Сl → Сl

Определяем число потерянных (–) и полученных (+) электронов:

Мn – 2e → Мn Сl + 6e → Сl

Число потерянных и полученных электронов должно быть одинаковым. Оба процесса полуреакций изобразим следующим образом:

восстановитель Мn – 2е ˉ → Мn 3 3Мn – 6е ˉ → 3Мn окисление

окислитель Сl + 6е ˉ → Сl 1 Сl + 6е ˉ → Сl восстановление

Основные коэффициенты при окислителе и восстановителе переносим в уравнение реакции

3МnО 2 + КСlO 3 + 6КОН = 3К 2 МnО 4 + КСl + 3Н 2 О

Процесс превращения марганца +4 в марганец +6 есть провес отдачи (потери) электронов, т.е. окисление; процесс превращения Сl(+5) в Сl(-1) есть процесс получения электронов, т.е. процесс восстановления. Вещество МnО 2 при этом является восстановителем, а КСlO 3 - окислителем.

Иногда одно из веществ, участвующих в реакции, выполняет сразу две функции: окислителя (или восстановителя) и солеобразователя. Рассмотрим в качестве примера реакцию

Zn + НNО 3 = Zn(NO 3) 2 + NН 4 NО 3 + H 2 O

Составим полуреакции для окислителя и восстановителя. Цинк теряет два электрона, а азот N(+5) приобретает восемь электронов:

Zn – 2e ˉ → Zn 8 4

N + 8e ˉ → N 2 1

Таким образом, на окисление четырех атомов цинка необходимо восемь молекул НNО 3 и две молекулы НNO 3 на солеобразование.

4Zn + 2НNО 3 + 8НNO 3 = 4Zn(NО 3) 2 + NН 4 NО 3 + 3Н 2 О

4Zn + 10НNO 3 = 4Zn(NО 3) 2 + NН 4 NО 3 + 3Н 2 О

Типы уравнений окислительно-восстановительных реакций.

Oсновные окислители и восстановители.

Окислительно-восстановительные реакции разделяются на три группы: межмолекулярные, внутримолекулярные и реакции диспропорционирования.

Реакции, в которых одно вещество служит окислителем, а другое - восстановителем, называются межмолекулярными реакциями , например:

2КМnО 4 + 16НСl = 2МnСl 2 + 5Сl 2 + 2КСl + 8Н 2 О

К межмолекулярным реакциям относятся также реакции между веществами, в которых взаимодействующие атомы одного и того же элемента имеют различную степень окисления:

2H 2 S + SO 2 = 3S + 2H 2 O

Реакции, которые протекают с изменением степени окисления атомов в одной и той же молекуле, называются внутримолекулярными реакциями , например:

2KClO 3 = 2KCl + 3O 2

К внутримолекулярным можно отнести реакции, в которых атомы одного и того же элемента имеют разные степени окисления:

NH 4 NO 3 = N 2 O + H 2 O

Реакции, в которых окислительные и восстановительные функции выполняют атомы одного элемента в одной и той же степени окисления, называются реакциями диспропорционирования , например:

2Nа 2 O 2 + 2СО 2 = 2NаСО 3 + О 2

Окислители

Мерой окислительной способности атома или иона, как уже говорилось, является сродство к электрону, т.е. способность их принимать электроны.

Окислителями являются:

1. Все атомы неметаллов. Самые сильные окислители - атомы галогенов, так как они способны принять только один, электрон. С уменьшением номера группы окислительные способности атомов неметаллов, расположенных в них, падают. Поэтому атомы неметаллов IV группы - самые слабые окислители. В группах сверху вниз окислительные свойства атомов неметаллов также уменьшаются вследствие увеличения радиусов атомов.

2. Положительно заряженные ионы металлов в состоянии высокой степени окисле- ния, например:

КМnО 4 , К 2 СrО 4 , V 2 O 5 , МnО 2 и т.д.

Кроме того, окислителями являются ионы металлов с низкой степенью окисления, например:

Аg, Нg, Fе, Сu и др.

3. Концентрированные НNО 3 и Н 2 SO 4 кислоты.

Восстановители

Восстановителями могут быть:

1. Атомы всех элементов, кроме Не, Nе, Аr, F. Наиболее легко теряют электроны атомы тех элементов, которые на последнем слое имеют один, два, три электрона.

2. Положительно заряженные ионы металлов, находящиеся в низкой степени окисле- ния, например:

Fе, Сг, Мn, Sn, Сu.

3. Отрицательно заряженные ионы, например: Сlˉ, Вгˉ, Iˉ, S 2 ˉ.

4. Слабые кислоты и их соли, например: Н 2 SО 3 и К 2 SО 3 ; НNО 2 и КNО 2 .

Вопросы по изученной теме:

1. Какие реакции называются окислительно-восстановительными? Чем отличаются окислительно-восстановительные реакции от других химических реакций?

Почему металлы в соединениях проявляют только положительные степени окисления, а неметаллы - как положительные, так и отрицательные?
Какие вещества называются окислителями и какие восстановителями?
Как по относительной электроотрицательности можно судить о характере связи между атомами в молекуле?
Какая связь между энергией сродства к электрону и окислительной способностью химического элемента?
Для каких сложных веществ характерны только окислительные свойства? В каких случаях сложные вещества могут выступать в роли окислителей и восстановителей?
В следующих уравнениях реакций определите окислитель и восстановитель, их степень окисления, расставьте коэффициенты:

a) НgS + НNО 3 + НСl → НgСl 2 + S + NO + Н 2 O

b) SnСl 2 + К 2 Сr 2 О 7 + Н 2 SО 4 → Sn(SО 4) 2 + SnCl 4 + Сr 2 (SО 4) 3 + К 2 SО 4 + Н 2 O

c) АsН 3 + АgNО 3 + Н 2 О → Н 3 AsO 4 + Аg + НNО 3

В следующих реакциях, в которых окислитель и восстановитель находятся в одном и том же веществе (реакции внутримолекулярного окисления - восстановления), расставьте коэффициенты:

a) NН 4 NО 3 → N 2 О + Н 2 О

b) КСlO 3 → КСl + О 2

c) Аg 2 О → Аg + О 2

Для реакций диспропорционирования (самоокисления - самовосстановления) напишите электронные схемы и расставьте коэффициенты:

a) К 2 МnО 4 + Н 2 О → КМnО 4 + МnО 2 +КОН

b) НСlO 3 → СlO 2 + НСlO 4

c) НNО 2 → НNО 3 + NO + Н 2 О

Какие из приведенных реакций относятся к внутримолекулярным и какие - к реакциям диспропорционирования:

a) Нg(NO 3) 2 → Нg + NO 2 + О 2

b) Сu(NO 3) 2 → СuО + NO 2 + О 2

c) К 2 SО 3 → К 2 SО 4 + К 2 S

d) (NH 4) 2 Сr 2 О 7 → N 2 + Сr 2 О 3 + Н 2 O

Подберите коэффициенты к каждой реакции.

Литература: 1, 2,3.