Неизвестный ранний переходный металл
От данных к формуле
В задаче на определение неизвестного металла одного признака обычно недостаточно. Сначала по количественным данным находят возможную молярную массу металла, а затем проверяют, согласуются ли с выбранным элементом свойства его соединений.
- Молярную массу металла можно найти по массам исходного соединения и продукта реакции. Если одному молю соединения соответствует один моль продукта, запишите \(n_1 = n_2\) и решите полученное уравнение относительно \(M\). Если степень окисления металла неизвестна, рассмотрите значения от +2 до +5 и выберите химически разумный результат.
- Массовая доля элемента также позволяет определить состав соединения. Для оксида, содержащего x атомов металла и y атомов кислорода, \(w(\ce{O}) = \dfrac{16y}{xM + 16y}\). Подставьте в это выражение составы \(\ce{MO}\), \(\ce{M2O3}\), \(\ce{MO2}\) и \(\ce{M2O5}\).
- После расчёта проверьте предполагаемый металл по свойствам его соединений: агрегатному состоянию и окраске хлорида, а также его поведению в воде.
edit_noteХлорирование диоксида
При хлорировании диоксида в присутствии углерода протекает реакция \(\ce{XO2 + 2C + 2Cl2 -> XCl4 + 2CO}\). Из 7,987 г диоксида получают 18,97 г тетрахлорида. Поскольку количества этих веществ равны, \(\dfrac{7{,}987}{M + 32} = \dfrac{18{,}97}{M + 141{,}8}\). Отсюда \(M = 47{,}9\), следовательно, металл — титан. С выводом согласуется и то, что \(\ce{TiCl4}\) представляет собой дымящую жидкость.
boltЭквивалентная масса
Эквивалентная масса металла равна \(M/n\), где n — число электронов, отданных одним атомом. Она показывает, какая масса металла приходится на один моль отданных электронов. Найдя эту величину, вычислите \(M = (M/n)\cdot n\) для n = 1, 2, 3, 4, 5. Подходящий результат должен совпасть с атомной массой существующего элемента и соответствовать разумной степени окисления.
Окраска и степени окисления
После расчёта молярной массы полезно обратиться к окраске раствора. При изменении степени окисления ионы одного металла могут иметь разный цвет, поэтому наблюдение помогает проверить выбранный вариант. Для ранних переходных металлов характерны следующие окраски:
| Ион | Конфигурация | Цвет |
|---|---|---|
| \(\ce{Sc^3+}\), \(\ce{Ti^4+}\) (\(\ce{TiO^2+}\)), \(\ce{Zr^4+}\), \(\ce{VO4^3-}\) | \(d^0\) | Растворы бесцветны. |
| \(\ce{VO2+}\) | \(d^0\) | Раствор жёлтый из-за переноса заряда. |
| \(\ce{Ti^3+}\) | \(d^1\) | Раствор фиолетовый. |
| \(\ce{VO^2+}\) | \(d^1\) | Раствор синий. |
| \(\ce{V^3+}\) | \(d^2\) | Раствор зелёный. |
| \(\ce{V^2+}\) | \(d^3\) | Раствор фиолетовый. |
Как показывает пример \(\ce{VO2+}\), конфигурация \(d^0\) не означает, что ион обязательно бесцветен. Поэтому окраску сопоставляют с другими данными. При титровании число электронов, отданных ионами металла, находят по количеству израсходованного окислителя. Для перманганата в кислой среде \(n(e) = n(\ce{MnO4-})\cdot5\); для дихромата используют множитель \(\cdot6\), а для \(\ce{Ce^4+}\) и \(\ce{Fe^3+}\) — множитель \(\cdot1\). Разделив число электронов на количество вещества металла, находят изменение степени окисления, приходящееся на один атом.
errorКислород воздуха как окислитель
Растворы \(\ce{Ti^3+}\), \(\ce{V^2+}\) и \(\ce{V^3+}\) окисляются кислородом воздуха. Если часть ионов окислилась до титрования, расход титранта и рассчитанное по нему число электронов будут занижены. Поэтому сообщение о том, что раствор обесцветился на воздухе, служит подсказкой: исходный раствор содержал восстановитель.
Сквозной разбор
Рассмотрим, как совместить расчёт и наблюдения. Если металл растворяется в кислоте с выделением водорода, его масса и объём водорода позволяют найти эквивалентную массу. Затем по возможной степени окисления вычисляют молярную массу металла и проверяют вывод по окраске раствора и качественным реакциям.
edit_noteМеталл, растворённый в соляной кислоте
При растворении 0,479 г металла выделилось 336 мл \(\ce{H2}\), или 15,0 ммоль. Если образуется \(\ce{X^2+}\), количество вещества металла равно количеству вещества водорода, поэтому \(M = 0{,}479/0{,}0150 = 31{,}9\). Металла с такой атомной массой нет. Если же образуется \(\ce{X^3+}\), то \(n(\ce{X}) = 10{,}0\) ммоль и \(M = 47{,}9\). Следовательно, металл — титан; фиолетовая окраска раствора \(\ce{Ti^3+}\) подтверждает этот вывод.
boltПроверка всех данных
После выбора металла проверьте каждый промежуточный продукт: согласуются ли с расчётом его масса, окраска, агрегатное состояние и поведение в воде и на воздухе? Несоответствие часто обнаруживается уже при проверке второго или третьего продукта. Особенно трудно различить пары Zr/Hf и Nb/Ta: их свойства близки, поэтому в таких задачах решающим признаком становится молярная масса.
scienceПроверочные реакции ранних d-металлов
- \(\ce{TiOSO4 + H2O2 -> [TiO(H2O2)]SO4}\) — при взаимодействии соединения титана с пероксидом водорода образуется жёлто-оранжевый продукт.
- \(\ce{NH4VO3 + H2O2}\) — в кислой среде при взаимодействии метаванадата аммония с пероксидом водорода образуется красно-коричневый пероксованадий \(\ce{[VO(O2)]+}\).
- \(\ce{ZrOCl2 + Na2HPO4}\) — при добавлении гидрофосфата натрия к раствору оксихлорида циркония выпадает белый осадок фосфата циркония даже из кислого раствора.
- \(\ce{TiCl4 + 2H2O -> TiO2 + 4HCl}\) — при гидролизе тетрахлорида титана влагой воздуха появляется белый аэрозоль.
push_pinГлавное
Неизвестный металл определяют по совокупности признаков. Окраска помогает предположить степень окисления: \(\ce{Ti^3+}\) фиолетовый, а при последовательном изменении степени окисления ванадия наблюдаются жёлтая, синяя, зелёная и фиолетовая окраски. Многие ионы с конфигурацией \(d^0\) бесцветны, но возможна и окраска вследствие переноса заряда. Титрование позволяет найти число электронов, приходящееся на атом металла, а массовые соотношения — его молярную массу при предполагаемой формуле соединения. Вывод проверяют по летучести и гидролизу хлоридов (\(\ce{TiCl4}\) — дымящая жидкость, \(\ce{ZrCl4}\) — твёрдое вещество), пероксокомплексам титана с жёлто-оранжевой окраской, амфотерности \(\ce{V2O5}\) и фторокомплексам Nb и Ta. Для каждого промежуточного продукта проверяют согласованность масс и электронного баланса.
Закрепите теорию: 9 заданий с проверкой и подсказками, урок зачитывается от 70 %.