2.1 Урок № 1. Положение химических элементов подгруппы кислорода в периодической таблице химических элементов, строение их атомов

Цели и задачи: учащиеся должны уметь применять знания о строении атома для характеристики атомов элементов подгруппы кислорода; знать, как изменяется строение атомов элементов главной подгруппы.

Ход урока

I. Организационный момент; проверка домашнего задания

II. Новый материал.

1. Строение атомов кислорода и серы (табл. 4).

Таблица 4. Схемы строения атомов кислорода и серы

Размещение электронов по орбиталям

На наружном энергетическом уровне атомов всех элементов VI A группы находится по 6 электронов. До устойчивого энергетического состояния атома, характерного для благородных газов, недостает двух электронов, которые способны присоединять эти элементы. Поэтому кислород является одним из сильных окислителей: О⁰ + 2е^- О^-2

Кислород в подавляющем большинстве соединений проявляет постоянную степень окисления -2. Исключением являются соединения OF₂, где кислород имеет степень окисления +2, и пероксид водорода Н₂О₂, где кислород имеет степень окисления -1 (Н⁺¹--О^-1--О^-1--Н⁺¹). В подгруппе с возрастанием относительных атомных масс и увеличением атомных радиусов: а) закономерно уменьшаются неметаллические свойства; б) прочность водородных соединений падает; в) сила кислородных кислот уменьшается.

Таблица 5. Возможные степени окисления серы

У атомов серы на третьем энергетическом уровне имеется пять незаполненных d-орбиталей. Поэтому возможно распаривание электронов. В результате этого у атомов серы появляется либо четыре, либо шесть неспаренных электронов, которые при образовании соединений с более электроотрицательным элементом смещаются в его сторону (табл. 5). Этим объясняется степень окисления серы в соединениях с кислородом: S⁺⁴O₂ и S⁺⁶O₃.

III. Закрепление нового материала.

3.1 Ответьте на вопросы:

1. На основе теории строения атомов, используя таблицу, поясните, почему кислород является более сильным окислителем, чем сера. Почему кислород проявляет постоянную валентность?

2. Возможные степени окисления кислорода и серы.

2.2 Урок № 2. Сера, строение молекул, физические и химические свойства

Знать: аллотропные модификации серы; физические и химические свойства, получение и применение серы, оксидов серы(IV) и серы(VI), cерной кислоты, сульфатов; качественные реакции на сульфат- и сульфид-ионы; химические реакции, лежащие в основе производства серной кислоты; общие научные принципы химического производства.

Уметь: рассматривать в сравнении аллотропные модификации; записывать уравнения реакций, характеризующие свойства серы и ее соединений; рассматривать химические свойства веществ с точки зрения окислительно-восстановительных и ионных представлений.

Основные понятия: аллотропия, аллотропные модификации.

ХОД УРОКА

I. Организационный момент; проверка домашнего задания

II. Новый материал

1. Сера в природе и ее получение. В природе сера встречается как в свободном состоянии (сопутствует горным породам), так и в виде соединений. Важнейшие природные соединения серы показаны на схеме 1.

Схема 1

2. Получение. Для отделения серы в свободном состоянии от других горных пород пользуются ее легкоплавкостью (112,8°С).

3. Физические свойства серы. Сера - твердое кристаллическое вещество желтого цвета. Как неметалл, она плохо проводит теплоту и не проводит электрический ток. Кусочки серы тонут в воде - ее плотность близка к 2, а порошок серы всплывает (не смачивается водой). Подобно сере в измельченном состоянии водой не смачиваются многие соединения. Этим свойством пользуются для отделения сернистых руд от «пустой породы». Такой метод обогащения руд называется флотацией и используется на практике.

Сера хорошо растворяется в сероуглероде, толуоле и др. При температуре 112,8°С сера плавится, превращаясь в легкоподвижную жидкость желтого цвета. При дальнейшем нагревании она темнеет и густеет. При температуре 444 6 °С она закипает. Если нагретую до кипения серу вылить в холодную воду, то образуется пластическая сера, которая растягивается. Кристаллическая и пластическая сера - это аллотропные видоизменения химического элемента серы.

Кристаллическая сера легко плавится: это свидетельствует о том, что ее кристаллическая решетка должна быть молекулярной. Рентгенографические и другие исследования подтверждают, что кристаллическая решетка серы действительно состоит из кольцевых молекул (рис. 1). При нагревании восьмичленные кольца молекул серы разрываются, превращаясь в длинные цепи (рис. 1), которые могут растягиваться и сокращаться. Это пластическая сера. (Ответьте на вопросы 3--4 ([5], с. 29)).

Рис. 1. Кристаллическая решетка серы, состоящая из восьмичленных колец молекулы серы (а); разрыв восьмичленных колец молекулы серы при нагревании и образование длинных цепей (б).

4. Химические свойства серы. В связи с большим атомным радиусом, чем у кислорода, окислительные свойства серы выражены слабее. Поэтому в реакциях с кислородом сера - восстановитель и проявляет степени окисления +4 и +6 (табл. 6). Окислительные свойства серы проявляются в реакциях с металлами и водородом, а восстановительные -- в реакциях с кислородом и галогенами (кроме иода). Химические свойства серы показаны в таблице 6.

III. Закрепление нового материала

1. Пользуясь данными таблиц, объясните, почему у атомов хлора степени окисления выражаются нечетными числами, а у атомов серы -- четными. Почему кислород проявляет постоянную валентность, а сера -- переменную?

2. Сравните свойства кристаллической и пластической серы. На основе этого примера поясните сущность аллотропии.

Таблица 6

5. Применение серы. Области применения серы показаны на схеме 2

Схема 2

3. Перечислите природные соединения серы, напишите их химические формулы и определите в них степени окисления серы.

4. Составьте уравнения реакций, при которых из простых веществ образуются сложные вещества, формулы которых следующие: Li₂S, ZnS, H₂S, SO₂, CS₂ и SF₆. Используя данные таблицы, поясните, какие свойства (окислительные или восстановительные) проявляет сера в этих реакциях.

5. Как можно получить диоксид серы? Назовите не менее трех способов получения SO₂. Почему диоксид серы может быть и окислителем, и восстановителем?

6. Известно соединение, содержащее 0,27928 массовых долей, или 27,928%, фосфора и 0,72072 массовых долей, или 72,072%, серы. Найдите его простейшую формулу.

7. При образовании 1 моль оксида серы (IV) из элементов выделяется 332,8 кДж. Сколько выделится теплоты при сгорании 1 г серы?

Лабораторные опыты

V. Ознакомление с образцами серы и ее природных соединений

Рассмотрите выданные вам образцы серы и ее природных соединений. В тетрадях сделайте запись по следующей схеме:

Название

Химическая формула

Агрегатное состояние

Цвет

Твердость

IV. Домашнее задание

2.3 Урок № 3. Серная кислота, состав, строение, свойства, применение

Цели урока: учащиеся должны знать строение, физические и химические свойства H₂SO₄; уметь на основе знаний о скорости химических реакций и химическом равновесии обосновывать выбор условий течения реакций, лежащих в основе производства серной кислоты; определять на практике сульфат- и сульфид-ионы.

Основные понятия: сернистый ангидрид, серный ангидрид, комплексное использование сырья.

Ход урока

I. Организационный момент; проверка домашнего задания

II. Новый материал

1. Электронная и структурная формулы. Так как сера находится в 3-м периоде периодической системы, то правило октета не соблюдается и атом серы может приобрести до двенадцати электронов.

(Шесть электронов серы обозначены звездочкой.)

2. Получение. Серная кислота образуется при взаимодействии оксида серы (VI) с водой (SO₃ + Н₂О H₂SO₄). Описание производства серной кислоты приводится в § 16 ([5], с. 37 - 42).

3. Физические свойства. Серная кислота -- бесцветная, тяжелая ( =1,84 г/см³), нелетучая жидкость. При растворении ее в воде происходит очень сильное разогревание. Помните, что нельзя вливать воду в концентрированную серную кислоту (рис. 2)! Концентрированная серная кислота поглощает из воздуха водяные пары. В этом можно убедиться, если открытый сосуд с концентрированной серной кислотой уравновесить на весах: через некоторое время чашка с сосудом опустится.

Рис. 2. Приготовление раствора серной кислоты

4. Химические свойства. Разбавленная серная кислота обладает общими свойствами, характерными для кислот и специфическими (табл. 7).

Таблица 7

Применение. Серную кислоту широко применяют (рис. 3), она является основным продуктам химической промышленности.

Рис. 3. Применение серной кислоты: 1 - получение красителей; 2 - минеральных удобрений; 3 - очистка нефтепродуктов; 4 - электролитическое получение меди; 5 - электролит в аккумуляторах; 6 - получение взрывчатых веществ; 7 - красителей; 8 - искусственного шелка; 9 -- глюкозы; 10 -- солей; 11 - кислот.

Серная кислота образует два ряда солей -- средние и кислые:

Na₂SО₄ NaHSО₄

сульфат натрия гидросульфат натрия

(средняя соль) (кислая соль)

Соли серной кислоты широко используют, например, Na₂SO₄10H₂O - кристаллогидрат сульфата натрия (глауберова соль) применяют в производстве соды, стекла, в медицине и ветеринарии. CaSO₄2H₂O - кристаллогидрат сульфата кальция (природный гипс) - применяют для получения полуводного гипса, необходимого в строительстве, а в медицине - для накладывания гипсовых повязок. CuSO₄5H₂O - кристаллогидрат сульфата меди (II) (медный купорос) - используют в борьбе с вредителями растений.

III. Закрепление нового материала

1. Зимой между рамами окон иногда помещают сосуд с концентрированной серной кислотой. С какой целью это делают, почему сосуд нельзя заполнять кислотой доверху?

2. Концентрированная серная кислота при нагревании реагирует с ртутью и серебром, подобно тому, как она реагирует с медью. Составьте уравнения этих реакций и укажите окислитель и восстановитель.

3. Как распознать сульфиды? Где они применяются?

4. Составьте уравнения реакций, которые практически осуществимы, используя приведенные схемы:

CuSO₄ + HCl

Hg + H₂SO_4(конц)

Cu + HCl

NaNO₃ + HCl

MgCl₂ + H₂SO_4(конц.)

Na₂SO₃ + H₂SO₄

NaOH + H₂SO₄

Al(OH)₃ + H₂SO₄

При составлении уравнений реакций укажите условия их осуществления. В тех случаях, где это требуется, составьте уравнения в ионном и сокращенном ионном виде.

5. Назовите окислитель в реакциях: а) разбавленной серной кислоты с металлами; б) концентрированной серной кислоты с металлами.

6. Что вы знаете о сернистой кислоте?

7. Почему концентрированная серная кислота является сильным окислителем? Каковы особые свойства концентрированной серной кислоты?

8. Как концентрированная серная кислота взаимодействует с металлами?

9. Где применяются серная кислота и ее соли?

Задачи

1. Какой объем кислорода потребуется для сжигания: а) 3,4 кг сероводорода; б) 6500 м³ сероводорода?

2. Какова масса раствора, содержащего 0,2 массовые доли серной кислоты, которая расходуется на реакцию с 4,5 г алюминия?

Лабораторные опыты

VI. Распознавание сульфат-ионов в растворе. В одну пробирку налейте 1--2 мл раствора сульфата натрия, в другую -- столько же сульфата цинка, а в третью -- разбавленного раствора серной кислоты. Во все пробирки поместите по грануле цинка, а затем добавьте несколько капель раствора хлорида бария или нитрата бария.

Задания. 1. Как можно отличить серную кислоту от ее солей? 2. Как отличить сульфаты от других солей? Составьте уравнения проделанных вами реакций в молекулярном, ионном и сокращенном ионном виде.

IV. Домашнее задание [5]

2.4 Урок-зачет по теме «Халькогены»

Цель урока: Закрепление и проверка знаний и умений учащихся.

Перед проведением тестового контроля (15 мин) с целью закрепления пройденного материала нужно решить задачи по теме. [6]

Задача 1. При полном разложении нитрата щелочного металла масса выделившегося кислорода составляет 8,2 % от исходной массы нитрата. Установите формулу нитрата.

Решение

Пусть масса нитрата, вступившего в реакцию, равна 100 г, тогда масса выделившегося кислорода равна 8,2 г.

Запишем уравнение реакции разложения нитрата, обозначив символ элемента буквой X:

NО₃ = 2XNO₂ + О₂.

(у + 62) г/моль 32 г/моль

Находим количества веществ нитрата щелочного металла и кислорода:

(XNO₃) = 100 / (у + 62) (моль); n (О₂) = 8,2 / 32 (моль).

По уравнению реакции из 2 моль нитрата выделяется 1 моль кислорода. Отсюда следует:

2 (8,2 / 32) = 100 / (y + 62).

Решая уравнение, находим, что у = 133. Следовательно, щелочной металл -- это цезий.

Задача 2. Напишите уравнения реакций в соответствии со схемой превращений: . В схеме А -- газ, необходимый для дыхания; В - простое вещество желтого цвета; С - удушливый газ, в два раза тяжелее кислорода; D - газ с неприятным запахом тухлых яиц.

Решение

А -- кислород; В -- сера; С -- оксид серы (IV); D -- сероводород.

Химические превращения могут быть представлены следующими уравнениями:

O₂ + 2H₂S = 2S + 2H₂O; S + O₂ = SO₂; SO₂ + 2H₂S = 3S + 2H₂O; S + H₂= H₂S.

Задача 3. Простое вещество А образуется из газообразного вещества Б во время грозы. Вещество А неустойчиво и легко превращается в вещество Б. В веществе Б сгорает вещество В красного цвета, образуя вещество Г черного цвета. Если на вещество Г подействовать газообразным веществом Д, которое значительно легче воздуха, можно получить вещество В. Определите состав веществ А, Б, В, Г, Д и напишите уравнения реакций.

Решение

А - озон, Б -- кислород, В -- медь, Г -- оксид меди (II), Д -- водород.

Задача 4. В лаборатории имеются вещества: перманганат калия, нитрат натрия, хлорат калия, пероксид бария. Какое из этих веществ нужно использовать, чтобы получить максимальный объем кислорода? Ответ подтвердите расчетами.

Решение

Запишем уравнения реакций получения кислорода из предложенных веществ:

2KMnO₄ = K₂MnO₄ + MnO₂ + О₂;

158 г/моль

2NaNО₃ = 2NaNO₂ + О₂;

85 г/моль

2KClO₃ = 2KCl + 3О₂;

122,5 г/моль

2ВаО₂ = 2ВаО + О₂.

169 г/моль

Пусть для получения кислорода использовали равные навески веществ, обозначим их массу буквой т. Определим количество вещества кислорода по каждому уравнению реакции:

n (KMnO₄) = т /158, следовательно, n(0₂) = т /(2 158);

n (NaNO₃) = т /85, следовательно, n(0₂) = т /(2 85);

n (KClO₃) = т /122,5, следовательно, n(O₂) = 3 т /(2 122,5);

n (BaО₂) = т /169, следовательно, n(О₂) = т /(2 * 169).

Сравнивая количества вещества кислорода, которое получается в каждой реакции, делаем вывод, что максимальное количество, а значит, и объем этого вещества можно получить при разложении хлората калия.

Задача 5. Смесь равных масс алюминия и кислорода нагрели в закрытом сосуде в отсутствие воздуха. После окончания реакции к смеси веществ добавили такую же массу расплавленной серы. Во сколько раз масса исходной смеси отличается от массы полученной смеси веществ?

Решение

Пусть в реакцию вступили 100 г алюминия и 100 г кислорода. Найдем количества веществ:

n (Аl) = 100/27 = 3,7 моль;

n (О₂) = 100/32 = 3,1 моль.

По уравнению реакции

4Аl + 3О₂ = 2Аl₂О₃

с 3,7 моль алюминия прореагируют 2,8 моль кислорода. Следовательно, 0,3 моль кислорода останутся в избытке. Этот избыток кислорода будет взаимодействовать с серой: S + О₂ = SO₂

n (S) = 100/32 = 3,1 моль.

Количество вещества оксида серы(IV) будет равно 0,3 моль; 2,8 моль серы останется после реакции. Итак, по окончании всех реакций смесь будет содержать оксид алюминия (3,7/2 моль), серу (2,8 моль) и оксид серы(IV) (0,3 моль). Найдем массу этой смеси:

т = 1,85 * 102 + 2,8 * 32 + 0,3 * 64 = 298 г.

Масса исходных веществ равна 200 г. Масса полученной смеси больше массы исходных веществ примерно в 1,5 раза.

Задача 6. Через раствор массой 280 г, содержащий 0,02 массовые доли гидроксида калия, пропустили 2,24 л оксида серы(IV). Какая соль (кислая или средняя) образовалась? Какова ее масса?

Ответ. Кислая соль KHSO₃ массой 12 г.

Задача 7. Какова массовая доля гидроксида натрия в растворе массой 200 г, если известно, что при пропускании сернистого газа через раствор образуется сульфит натрия массой 25,2 г? Ответ. 8%.

Задача 8. Рассчитайте массу серной кислоты, содержащейся в растворе объемом 2 л с массовой долей кислоты 0,98, плотность раствора 1,84 г/см³. Ответ. 3,6 кг.

Задача 9. Какой объем раствора серной кислоты концентрацией 0,25 моль/л вступает в реакцию с цинком, если при этом выделяется водород объемом 6,72 л (н. у.)? Ответ: 1,2 л.

Задача 10. При полном разложении 56,1 г смеси хлората калия и перманганата калия образовалось 8,96 л кислорода. Определите состав исходной смеси в % по массе.

Ответ. (KMnO₄) = 56,3%; (KClO₃) = 43,7%.

Задача 11. При нагревании 63,2 г перманганата калия получено 3,36 л кислорода. Определите степень разложения перманганата калия (в %) и количественный состав твердого остатка.

Ответ. Степень разложения KMnO₄ - 75%; (K₂MnO₄) = 50,6%; (MnO₂) = 22,3%; (KMnO₄) = 27,1%.

Задача 12. Вычислите объем раствора серной кислоты с массовой долей Н₂SO₄ 96% (= 1,84 г/мл), необходимого для приготовления 2 л раствора с молярной концентрацией 0,25 моль/л.

Ответ: 27,74 мл.

Далее учащимся на доске предлагаются задания для самоконтроля из следующих заданий:

1. Допишите уравнения практически осуществимых реакций:

а) Na₂SO₄ + KCl... ;

б) SO₂ + Cа(ОН)₂... ;

в) Al + O₂... ;

г) KOH + H₂SO₄... ;

д) Сu(OH)₂ + SO₃... ;

е) Ba(OH)₂ + H₂S... ;

ж) H₂SO₄ + Cu... ;

з) CaSO₄ + Ba(NO₃)₂... ;

и) Na₂SO₃ + H₂SO₄... ;

к) Al + H₂SO_{4 (разб.)}... .

2. Какие из предложенных веществ реагируют между собой:

Мg, Ва(ОН)₂, SO₃, Н₂О, Сu(ОН)₂, К₂SO₄, Н₂SO₄, Сu?

Напишите молекулярные и ионные уравнения реакций.

3. С какими веществами реагирует оксид серы(IV):

H₂O, H₂SO₄, NаСl, NаОН, СаО, О₂, Аl(ОН)₃?

4. Напишите уравнения реакций следующих превращений:

Установите формулы веществ А и Х.

5. Составьте схемы электронного баланса, расставьте коэффициенты в уравнениях реакций:

а) H₂S + НNO₂ S + NO + H₂O;

б) Н₂О₂ + FeSO₄ + Н₂SO₄ Fe₂(SO₄)₃ + Н₂О;

в) Na₂O + NaI + Н₂SO₄ I₂ + Na₂SO₄ + Н₂О;

г) Н₂SO₄ + КВr K₂SO₄ + Вr₂ + SO₂ + Н₂О;

д) Н₂SO₄ + NaI + NаNО₃ I₂ + NO + Na₂SO₄ + Н₂О.

3.5 Система уроков по теме «Кислотные дожди» для 10-11 классов с углубленным изучением экологии