Właściwości pierwiastków

Właściwości fizyczne siarki

Opis doświadczenia: Badamy różne odmiany krystaliczne siarki, starając się porównać wygląd kryształów, ich barwę oraz zapach i rozpuszczalność w wodzie. Następnie próbki siarki umieszczamy w probówce i ogrzewamy powoli nad płomieniem palnika. Gdy siarka ulegnie stopieniu, przelewamy ją szybko do zlewki z zimną wodą, a potem badamy gdy się zestali i ochłodzi.

Obserwacje:Siarka jest krystalicznym ciałem stałym o żółtej barwie. Jej kryształy mają różne kształty i różnią się między sobą tym, że niektóre są bardziej lub mniej podłużne. Siarka nie rozpuszcza się w wodzie. Po ogrzaniu łatwo ulega stopieniu i wtedy staje się jasnożółta, jest też bardzo płynna (nie "oleista" i "gęsta"). Jednak po dalszym ogrzewaniu zmienia się - jej barwa ciemnieje, zaś sama ciecz staje się gęsta. W następnym etapie zaczyna ponownie się upłynnia i zaczyna parować. Po wlaniu do wody tworzy dość miękką i plastyczną, ciemną masę. Po wlaniu siarki do wody na jej powierzchni powstaje warstewka żółtego pyłu.

Wnioski: Siarka to niemetal, jest ciałem stałym, które posiada stosunkowo niską temperaturę topnienia. Podczas ogrzewania przechodzi kilka "faz", co jest związane z jej pierścieniową strukturą (dla najbardziej popularnych odmian siarki, rombowej i jednoskośnej, są to pierścienie S8). Przy silniejszym ogrzaniu pierścienie te pękają z utworzeniem łańcuchów, co powoduje wzrost gęstości cieczy. Po kolejnym podwyższeniu temperatury łańcuchy pękają dalej, dzieląc się na coraz mniejsze fragmenty, co prowadzi znów to "upłynnienia" siarki. W końcu siarka zaczyna parować. Po gwałtownym oziębieniu siarka nie powraca do takiej samej struktury, jak przed topieniem - jest to związane z tym, że pierścienie nie nadążają się odtworzyć i ułożyć w tak krótkim czasie. Powstający na powierzchni wody pył jest zwany "kwiatem siarczanym" i składa się z rozdrobnionej siarki, która resublimowała z oparów siarki.

Właściwości chemiczne siarki

Opis doświadczenia:

1. Umieszczamy niewielką ilość sproszkowanej siarki na łyżeczce do spalań, a następnie przez chwilę trzymamy łyżeczkę w płomieniu palnika.
2. W probówce umieszczamy mieszaninę składającą się ze sproszkowanej siarki i pyłu żelaznego. Całość ogrzewamy przez chwilę nad palnikiem.

1

2

Obserwacje:

1. Siarka pali się niebieskim płomieniem (słabym). Podczas spalania wydziela się biały dym o ostrym, drażniącym zapachu.
2. Po ogrzaniu mieszanina zaczyna się żarzyć i nie przestaje nawet po wyjęciu probówki z palnika. Po zakończeniu procesu na dnie pozostaje czarny osad.

Wnioski:Siarka jest aktywnym niemetalem, który reaguje zarówno z tlenem jak i z żelazem, tworząc odpowiednie związki. Jeden i drugi proces jest egzotermiczny (zarówno siarka jak i mieszanina paliły się jeszcze po odstawieniu grzania), jednak wymaga dostarczenia energii by zapoczątkować reakcję. Reakcje przebiegały następująco: \[ S + O_{2} \rightarrow SO_{2}\\ Fe + S \rightarrow FeS \]

Właściwości redukcyjne wodoru

Opis doświadczenia: W probówce umieszczamy tlenek miedzi(II), następnie wprowadzamy rurkę połączoną z aparatem Kippa, który wytwarza wodór tak, aby ujście rurki znajdowało się tuż nad CuO. Probówkę ogrzewamy.

Obserwacje: Proszek staje się z czarnego czerwonawy. W górnej części probówki osadzają się krople cieczy.

Wnioski: Tlenek miedzi(II) uległ redukcji do miedzi według reakcji: \[ CuO + H_{2} \rightarrow Cu + H_{2}O \]

Porównanie właściwości fizycznych chlorowców

Opis doświadczenia: Doświadczenie polega na porównaniu podstawowych własności pierwiastków - ich koloru, stanu skupienia oraz rozpuszczalności w wodzie i chloroformie.

Obserwacje:

1. Chlor - jest zielonożółtym gazem rozpuszczalnym w chloroformie oraz w wodzie
2. Brom -to lotna ciecz o brunatnej barwie, rozpuszczalna w chloroformie i w wodzie, jednak słabiej niż chlor
3. Jod - jest fioletowym ciałem stałym, bardzo łatwo sublimuje tworząc charakterystyczne opary. Rozpuszcza się w chloroformie. W wodzie początkowo bardzo słabo się rozpuszcza, ale po intensywnym mieszaniu proces ten zachodzi coraz szybciej. W wodzie tworzy brązowy roztwór.

Wnioski: Zarówno lotność, jak i rozpuszczalność badanych pierwiastków wykazuje zależność od masy atomowej. Wszystkie chlorowce rozpuściły się w chloroformie, co świadczy o ich niepolarnym charakterze. Sam jod słabo rozpuszcza się w wodzie, jednak tworzy w niej jony jodkowe I₃^-, które są dobrze rozpuszczalne i tworzą kompleksy.

Właściwości chemiczne chloru

Opis doświadczenia: Doświadczenie podzielimy na kilka części, w których będziemy badać niektóre z właściwości chemicznych chloru.

1. Sprawdzamy odczyn roztworu chloru w wodzie za pomocą papierka uniwersalnego.
2. Do kolby stożkowej wrzucamy małą bryłkę sodu, a potem napełniamy kolbę chlorem i zamykamy szczelnie. Układ pozostawiamy na kilka-kilkanaście godzin.
3. Przygotowujemy aparat Kippa do otrzymywania wodoru. Wydzielający się wodór zapalamy, a następnie wprowadzamy wylot rurki do cylindra zawierającego chlor.
4. Przygotowujemy dwie probówki, w których umieszczamy roztwory KI i KBr. Dodajemy do obu trochę wody chlorowej i starannie mieszamy zawartość.

Obserwacje:

1. Papierek uniwersalny zabarwił się na czerwono
2. W środku kolby można zaobserwować białe, krystaliczne ciało stałe
3. Wodór spala się w otoczeniu chloru. Zielone zabarwienie gazu znika.
4. Oba roztwory z bezbarwnych stają się brunatne.

Wnioski:

1. Podczas rozpuszczania się w wodzie chlor reaguje z nią, tworząc odpowiednie kwasy:
\[ Cl_{2} + H_{2}O \rightarrow HCl + HClO \]
2. Chlor reaguje bezpośrednio z metalicznym sodem tworząc sól:
\[ 2 Na + Cl_{2} \rightarrow 2 NaCl \]
3. Chlor reaguje bezpośrednio z wodorem:
\[ H_{2} + Cl_{2} \rightarrow 2HCl \]
4. Chlor wypiera z soli zarówno brom, jak i jod - jest od nich bardziej aktywny:
\[ Cl_{2} + 2 KBr \rightarrow Br_{2} + 2 KCl\\ Cl_{2} + 2 KI \rightarrow I_{2} + 2 KCl \]

Porównanie temperatury topnienia cyny i ołowiu

Opis doświadczenia: Przygotowujemy dwie probówki. W jednej umieszczamy niewielką grudkę cyny, w drugiej - ołowiu. Należ dobrać ich wielkość w taki sposób, by miały jak najbardziej zbliżoną masę. Obie probówki umieszczamy jednocześnie w płomieniu palnika, na takiej samej wysokości.

Obserwacje: Cyna szybciej ulega stopieniu

Wnioski: Cyna ma niższą temperaturę topnienia niż ołów.

Reakcja miedzi z kwasem azotowym(V)

Opis doświadczenia: Przygotowujemy dwie probówki. Do jednej z nich dodajemy stężony kwas azotowy, zaś do drugiej - rozcieńczony. Następnie do każdej z nich dosypujemy trochę opiłków miedzianych.

Obserwacje: Roztwór z pierwszej probówki przyjął zielone zabarwienie, a nad jego powierzchnią zaczął wydzielać się brązowy gaz. Roztwór w drugiej probówce stał się niebieski i zaczął wydzielać się z niego bezbarwny gaz.

Wnioski:

1. Miedź podczas reakcji ze stężonym HNO3 redukuje jony azotanowe(V) do NO2.
\[ Cu + 4 HNO_{3(stęż.)} \rightarrow Cu(NO_{3})_{2} + 2 NO_{2} + 2 H_{2}O \]
2. Miedź podczas reakcji z rozcieńczonym HNO3 redukuje jony azotanowe(V) do NO. Kwas azotowy ma tak silne właściwości utleniające, że reaguje z miedzią nawet po rozcieńczeniu
\[ 3 Cu + 8 HNO_{3(rozc.)} \rightarrow 3 Cu(NO_{3})_{2} + 2 NO + 4 H_{2}O \]

Reakcja sodu z wodą

Opis doświadczenia: Do zlewki wlewamy wodę destylowaną tak, by wypełniła połowę objętości, a następnie dodajemy kilka kropel fenoloftaleiny. Ostrożnie wrzucamy niewielką grudkę sodu.

Obserwacje: Sód zaczyna się intensywnie roztwarzać, dymiąc i przemieszczając się po powierzchni wody.  Przybiera też formę kuli. Po pewnym czasie roztwór zmienia barwę na malinową i rozgrzewa się.

Wnioski: Reakcja sodu z wodą jest egzotermiczna. Wniosek taki można wysnuć na podstawie rozgrzania wody oraz formowania się sodu w kulkę - sód ulega stopieniu. Sód jest też lżejszy od wody (pływa na powierzchni), jest metalem aktywnym, ponieważ wypiera wodór z wody. Po reakcji z wodą tworzy zasadę, o czym świadczy malinowe zabarwienie roztworu.

\[ 2 Na + 2 H_{2}O \rightarrow 2 NaOH + H_{2} \]

Spalanie magnezu w powietrzu

Opis doświadczenia: Skrawek magnezu chwytamy szczypcami i umieszczamy nad płomieniem palnika, by się zapalił. Następnie szybko przenosimy płonący magnez nad szkiełko zegarkowe.

Obserwacje: Magnez zapala się dość szybko i płonie bardzo jasnym, białym płomieniem. Po spaleniu na szkiełku zegarkowym pozostaje biały proszek.

Wnioski: Magnez jest pierwiastkiem aktywnym, a proces jego spalania jest reakcją egzotermiczną. Podczas spalania powstaje tlenek magnezu:

\[ 2 Mg + O_{2} \rightarrow 2 MgO \]

Reakcja cynku i miedzi z kwasem solnym

Opis doświadczenia: Do dwóch zlewek ostrożnie wlewamy kwas solny. W pierwszej zlewce umieszczamy drucik cynkowy, zaś w drugiej miedziany.

Obserwacje: Na powierzchni drucika cynkowego zaczęły pojawiać się bąbelki gazu. W drugiej zlewce nie widać żadnych zmian.

Wnioski: Cynk ma ujemny potencjał elektrochemiczny, ponieważ wypiera wodór z kwasu. Miedź jest metalem o dodatnim potencjale elektrochemicznym, dlatego nie wypiera wodoru z kwasu.

\[ Zn + 2HCl \rightarrow ZnCl_{2} + H_{2} \uparrow \]

Reakcja cynku z siarczanem miedzi

Opis doświadczenia: Do zlewki wlewamy roztwór siarczanu(VI) miedzi(II), a potem wkładamy blaszkę cynkową. Pozostawiamy układ na kilkadziesiąt minut.

Obserwacje: Na powierzchni blaszki pojawił się czerwonawy osad. Roztwór odbarwia się.

Wnioski: Cynk ma niższy potencjał elektrochemiczny niż miedź i dlatego wypiera ją z roztworu jej soli:

\[ CuSO_{4} + Zn \rightarrow Cu + ZnSO_{4} \]

Reakcja glinu z kwasem siarkowym

Opis doświadczenia: Do zlewki wlewamy stężony kwas siarkowy(VI), a następnie wkładamy kilka blaszek aluminiowych. Pozostawiamy układ na kilkanaście minut.

Obserwacje: Nie widać żadnych objawów reakcji.

Wnioski: Glin w roztworach kwasów utleniających ulega zjawisku pasywacji, co oznacza, że jego powierzchnia pokrywa się bardzo cieniutką warstwą tlenku odporną na reakcję.