Неорганическая химия : химия d- и f-элементов

Москва
Издательство «ФЛИНТА»
Издательство Уральского университета
2017

Министерство образования и науки российской Федерации

уральский Федеральный университет  

иМени первого президента россии б. н. ельцина

неорганическая хиМия

химия d- и f-элементов

практикум

рекомендовано методическим советом урФу

в качестве учебно-методического пособия  
для студентов, обучающихся по программе бакалавриата 
по направлению подготовки 020100 «химия»,
по программе специалитета по направлению подготовки
020201 «Фундаментальная и прикладная химия»

2-е издание, стереотипное

© уральский федеральный 
   университет, 2015

с о с т а в и т е л и:

л. и. балдина, а. Ф. гусева, и. н. атманских, н. а. кочетова

под общей редакцией

н. а. кочетовой

р е ц е н з е н т ы:
лаборатория химических источников тока

института высокотемпературной электрохимии уро ран

(заведующий лабораторией кандидат химических наук н. н. баталов);

н. в. проскурнина, кандидат химических наук,
старший научный сотрудник института физики металлов уро ран

удк 546 (076.5)
ббк 24.1я7
      н526

Неорганическая химия : химия d- и f-элементов : практи- 
кум [Электронный ресурс]: [учеб.-метод. пособие] / [сост. л. и. 
балдина, а. Ф. гусева, и. н. атманских, н. а. кочетова ; под общ. 
ред. н. а. кочетовой] ; М-во образования и науки рос. Федерации, 
урал. федер. ун-т. — 2-е изд., стер. — М. : ФЛИНТА : Изд-во 
Урал. ун-та, 2017. — 68 с.

ISBN 978-5-9765-3141-3 (ФЛИНТА)
ISBN 978-5-7996-1384-6 (Изд-во Урал. ун-та)

приведены задания для практических занятий и самостоятельной работы 
студентов по химии d- и f-элементов; даны описания лабораторных работ по 
синтезу и изучению свойств неорганических веществ.

пособие предназначено для студентов высших учебных заведений, обучающихся по химическим направлениям и специальностям.

н526

удк 546 (076.5)
ббк 24.1я7

ISBN 978-5-9765-3141-3 (ФЛИНТА)
ISBN 978-5-7996-1384-6 (Изд-во Урал. ун-та)

предисловие ................................................................................................... 4

сеМинарские занятия
 
тема 1. общие закономерности в изменении свойств химических 
элементов главных подгрупп периодической системы д. и. Менделеева, 3d-элементов и их характеристических соединений ............. 7
 
тема 2. подгруппа скандия периодической системы д. и. Менде- 
леева и 4f-элементы .................................................................................. 9
 
задания для самостоятельной работы .............................................. 9
 
тема 3. ранние 4d- и 5d-элементы ........................................................ 13
 
 
задания для самостоятельной работы ............................................ 13
 
тема 4. платиновые металлы ................................................................ 17
 
 
задания для самостоятельной работы ............................................ 18
 
тема 5. 4d- и 5d-металлы I и II групп периодической системы 
д. и. Менделеева .................................................................................... 21
 
 
задания для самостоятельной работы ............................................ 21
 
тема 6. актиниды ................................................................................... 25
 
 
задания для самостоятельной работы ............................................ 25
 
задание для итоговой домашней работы ............................................. 26

лабораторный практикуМ
 
техника проведения ряда лабораторных операций ............................ 28
 
рекомендации к оформлению отчетов по лабораторным работам .... 33
 
лабораторная работа № 1. соединения редкоземельных  
 
элементов ........................................................................................... 34
 
лабораторная работа № 2. синтез соединений циркония,  
 
ниобия, молибдена и вольфрама ..................................................... 36
лабораторная работа № 3. синтез соединений серебра,  
 
кадмия и ртути .................................................................................. 40
 
лабораторная работа № 4. синтез комплексных соединений  
 
3d-металлов ....................................................................................... 43

списки литературы ...................................................................................... 47

приложения .............................................................................................. 48

Оглавление

неорганическая химия — наиболее объемный раздел химической науки, поскольку включает химию подавляющего большинства из известных на сегодня 118 химических элементов. данная 
область знания продолжает активно развиваться. так, непрерывно 
эволюционирует и совершенствуется методология неорганической 
химии, ее теоретический фундамент. обновляются сведения об элементах и свойствах их соединений. разрабатываются новые подходы 
к неорганическому синтезу. Материалы на основе неорганических 
соединений становятся более разнообразными и находят новые 
области применения.
современные студенты испытывают объективные трудности 
как в понимании и освоении фундаментальных закономерностей 
неорганической химии, так и в их применении для описания и прогнозирования свойств неорганических соединений. чтобы облегчить 
усвоение основных положений столь непростой науки модуль «неорганическая химия», включенный в учебные планы ряда направлений, реализуемых в институте естественных наук уральского 
федерального университета, разделен на две дисциплины: «химия 
s-, p- и 3d-элементов» и «химия d- и f-элементов».
в рамках первой дисциплины, преподаваемой во II семестре 
обучения, рассматриваются свойства элементов главных подгрупп 
периодической системы д. и. Менделеева и свойства элементов 
побочных подгрупп четвертого периода. вторая дисциплина, преподаваемая в IV семестре обучения, включает химию d-элементов 
второго и третьего переходных рядов, а также химию f-элементов.

ПредислОвие

перенос одной из дисциплин модуля «неорганическая химия» на 
IV семестр обусловлен, во-первых, тем, что возрастные особенности 
студентов первого года обучения не позволяют им в полной мере осваивать большой по объему материал курса неорганической химии, 
вследствие чего ее изучение сводится зачастую к механическому 
заучиванию фактического материала, который быстро забывается. 
во-вторых, в современной науке и практике в первую очередь востребовано знание химии элементов побочных подгрупп элементов. 
изучение этих разделов неорганической химии, понимание новых 
закономерностей в изменении свойств d- и f-элементов в группах 
и периодах периодической системы д. и. Менделеева требует от 
студентов более высокого уровня физико-химической подготовки, 
более организованного мышления и способности обобщать химические факты, свойства, методы, подходы.
дисциплина «химия d- и f-элементов» включает лекционные, 
семинарские и лабораторные занятия и строится таким образом, 
чтобы дать студентам представление о свойствах соединений химических элементов, основанное на периодическом законе д. и. Менделеева, с использованием современных сведений о строении 
вещества и других вопросов теоретической химии. в данном курсе 
уделяется внимание проблеме распространенности и распределения 
элементов в земной коре, принципам переработки минерального 
сырья, а также оценке практического значения элементов и их 
соединений. у студентов формируется представление о современном состоянии и путях развития неорганической химии, о ее роли 
в получении неорганических веществ с заданными свойствами, 
создании современных технологий, о процессах, происходящих 
в природе и повседневной жизни. дисциплины учебного модуля 
«неорганическая химия» имеют фундаментальное значение в становлении специалиста широкого профиля, химика-исследователя 
и химика-преподавателя.
настоящее учебно-методическое пособие предназначено для 
студентов второго года обучения и содержит планы семинарских 
занятий, задания для самостоятельной работы и описания лабораторных работ.

лабораторный практикум по дисциплине «химия d- и f-элементов» 
представлен лабораторными работами двух типов: по изучению 
свойств веществ и синтезу чистых неорганических веществ. так 
как работы по синтезу неорганических веществ студентами ранее не 
проводились, они требуют особого внимания. для этого в настоящем 
пособии подробно изложены методики синтеза ряда неорганических веществ, образованных 4d- и 5d-элементами, а также техника 
проведения некоторых лабораторных операций. в приложениях 
к пособию приводятся справочные данные, которые потребуются 
студентам при выполнении заданий.

тема 1

Общие закономерности в изменении свойств 
химических элементов главных подгрупп 
Периодической системы Д. И. Менделеева, 3d-элементов 
и их характеристических соединений

периодический закон д. и. Менделеева — основа химической 
систематики. химические элементы, их классификация по строению электронной оболочки (s-, p-, d-, f-элементы) и по свойствам 
изолированных атомов химических элементов (металлы, неметаллы 
и инертные элементы).
закономерности в изменении свойств атомов химических элементов, обусловленных составом ядра: атомной массы, изотопного 
состава (моноизотопные элементы) и распространенности в природе 
(редкие, рассеянные элементы).
закономерности в изменении свойств изолированных атомов 
химических элементов, обусловленных строением электронной 
оболочки: величин радиусов, ионизационных потенциалов, сродства 
к электрону. групповая и типовая аналогии. Электронная аналогия, 
кайносимметрия. внутренняя и вторичная периодичность.
закономерности в изменении свойств связанных атомов химических элементов, обусловленных строением электронной оболочки: величины электроотрицательности, характера химических 
связей в соединениях, значений валентности и характеристических 

сеМинарсКие ЗанЯТиЯ

степеней окисления и состава характеристических соединений — 
летучих водородных, оксидов, галогенидов и гидроксидов. диаграммы латимера. природные соединения химических элементов.
простые вещества как гомоатомные химические соединения. 
классификация простых веществ по физическим и химическим 
свойствам: металлы и неметаллы. граница цинтля. типы химической связи, кратные связи. основные типы кристаллических структур простых веществ, кристаллохимическое правило Юм-розери.
закономерности в изменении физических свойств простых 
веществ: плотности при стандартных условиях, энтальпии атомизации, температур плавления и кипения, электрических, магнитных, 
оптических и механических свойств.
общие закономерности в изменении реакционной способности 
простых веществ по отношению к кислороду, водороду, галогенам, 
металлам, воде, растворам кислот и щелочей. общие способы получения простых веществ.
бинарные химические соединения. классификация бинарных 
соединений. кристаллохимическое строение бинарных соединений. 
постоянство и переменность состава. оксиды. водородные соединения. галогениды. принципы получения индивидуальных веществ.
Многоэлементные химические соединения. классификация 
соединения по доминирующему типу химической связи. гидроксиды как характеристические соединения, их кислотно-основные 
и окислительно-восстановительные свойства. соли кислородсодержащих кислот. принципы получения индивидуальных веществ. 
комплексные соединения.

тема 2

Подгруппа скандия Периодической системы 
Д. И. Менделеева и 4f-элементы

общая характеристика подгруппы скандия и 4f-элементов 
(редкоземельных элементов — рзЭ). нахождение рзЭ в природе, 
изотопный состав. цериевая и иттриевая группы. положение в периодической системе, строение атомов, изменение атомных и ионных радиусов, энергий ионизации, характеристические степени 
окисления и координационные числа атомов. лантанидное сжатие.
сравнение физических свойств простых веществ подгруппы 
скандия, галлия, лантанидов и щелочноземельных металлов: энергии 
атомизации, температур плавления, оптических и магнитных свойств.
химические свойства простых веществ подгруппы скандия 
и лантанидов, методы получения. сложные соединения рзЭ. закономерности в строении, свойствах и методах получения оксидов. гидроксиды, галогениды и соли кислородсодержащих кислот 
в степени окисления +3. гидриды. комплексные соединения: координационные числа, устойчивость. использование комплексных 
соединений для разделения рзЭ (экстракция, ионный обмен). соединения лантанидов в степени окисления +2 и +4. применение рзЭ.
другие способы разделения редкоземельных элементов: дробные кристаллизация и осаждение.

Задания для самостоятельной работы

1. на основании электронного строения атомов объясните изменение атомных радиусов и потенциалов ионизации валентных 
электронов в ряду элементов подгруппы скандия.
2. сравните свойства химических элементов подгруппы скандия 
и подгруппы галлия.
3. чем объяснить, что для редкоземельных элементов степень 
окисления +3 является характеристической? каковы электронные 
конфигурации ионов Ln3+? атомы каких редкоземельных элементов могут иметь степень окисления +2, +4? какова периодичность 

в проявлении тех или иных степеней окисления? почему европий 
находится в природе в минералах на основе кальция, но редко 
встречается вместе с другими лантанидами?
4. объясните, чем обусловлено химическое сходство лантанидов (4f-элементы) и лантана (5d-элемент)? сравните общие 
электронные формулы элементов подгруппы скандия и лантанидов. объясните, по какому признаку рзЭ делятся на цериевую 
и иттриевую группы?
5. рассмотрите причину и следствия лантанидного сжатия.
6. сравните типы структур простых веществ редкоземельных 
металлов. объясните, как изменяются энергия атомизации и температура плавления этих металлов.
7. как ведут себя редкоземельные металлы при нагревании на 
воздухе и в чистом кислороде? ответ обоснуйте и проиллюстрируйте уравнениями химических реакций. как следует хранить 
большинство редкоземельных металлов?
8. рассмотрите условия взаимодействия редкоземельных металлов с простыми веществами — неметаллами и состав образующихся 
продуктов.
9. учитывая значение стандартных электродных потенциалов 
редкоземельных металлов, сделайте вывод об их способности 
взаимодействовать с водой и водными растворами кислот с окисляющими и неокисляющими анионами при стандартных условиях 
и условиях, отличающихся от стандартных? составьте уравнения 
соответствующих реакций. какой фактор определяет скорость этих 
реакций? с какими кислотами не взаимодействуют рассматриваемые 
металлы? почему?
10. охарактеризуйте кристаллохимическую структуру, физические и кислотно-основные свойства Ln2о3. при нагревании 
Ln2о3 с оксидами, карбонатами, нитратами лития и натрия при 
400–1000 °с образуются соединения состава LiLnо2 и NaLnо2. 
составьте уравнения происходящих реакций. о каких свойствах 
оксидов свидетельствуют эти реакции?
11. какие из общих способов получения оксидов металлов можно использовать для их синтеза? укажите, какие оксиды получаются 
при термическом разложении на воздухе гидроксидов, оксалатов, 

нитратов и карбонатов церия (III) и празеодима (III)? предложите 
методику выделения церия из смеси оксидов лантана, неодима, 
церия (III).
12. укажите изменение растворимости в ряду гидроксидов 
се(он)3—Lu(OH)3 и основных свойств этих гидроксидов. какой 
гидроксид будет осаждаться в первую очередь при прибавлении раствора гидроксида натрия к смеси растворов солей лантанидов (III): 
се(он)3 или Lu(OH)3?
13. для какого иона в ряду се3+—Lu3+ равновесие

 
[Me(H2O)n]3+ + H2O ↔ [Me(H2O)n – 1(OH)]2+ + H3O+

сильно сдвинуто вправо?
14. используя диаграммы латимера лантанидов, укажите, какие 
из ионов способны восстанавливать или окислять воду. составьте 
уравнения соответствующих реакций.
15. составьте уравнения реакций взаимодействия:
а) хлорида самария (II) с раствором перманганата калия, подкисленным соляной кислотой (почему этой кислотой?);
б) нитрата церия (III) с пероксодисульфатом аммония, подкисленным азотной кислотой;
в) сульфата церия (IV) с сульфатом железа (II) в кислой среде;
г) хлорида церия (III) с хлоратом калия в щелочной среде;
д) сульфата европия (II) с дихроматом калия в кислой среде;
е) хлорида иттербия (II) с гипохлоритом калия в кислой среде.
16. на каком свойстве европия основано его отделение от других редкоземельных элементов? предложите методику выделения 
металлического европия из смеси оксидов празеодима (III), неодима (III), европия (III).
17. насколько справедливо утверждение, что с химической 
точки зрения редкоземельные элементы имеют некоторое сходство 
со щелочноземельными металлами? при подготовке ответа для 
элементов бария, лантана и церия заполните следующую таблицу:

Эле- 
мент
Ra, 
нм
I1, эв
е0
Э
n+/Э, в
отношение 
к H2O
отношение 
к о2

свойства 
гидроксида

пр
косн