内容正文:
第2章
微粒间相互作用与物质性质
第2章 微粒间相互作用与物质性质
化 学
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微项目 补铁剂中铁元素的检验——应用配合物进行物质检验
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课 时 作 业(十二)
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[素养发展目标] 1.了解金属离子可以形成丰富多彩的配合物,许多配合物都具有颜色;知道可以利用形成的配合物的特征颜色对金属离子进行定性检验。 2.了解配合物的稳定性各不相同,配合物之间可以发生转化;知道如何在实验过程中根据配合物的稳定性及转化关系选择实验条件。
一、
1.Fe2+和Fe3+的检验方法
Fe2+
Fe3+
(1)观察法
浅绿色
棕黄色
Fe2+
Fe3+
(2)加碱法
(NaOH)
①现象:白色沉淀 eq \o(――→,\s\up17(迅速),\s\do5( )) 灰绿色 eq \o(――→,\s\up17(最终),\s\do5( )) 红褐色沉淀
②反应:Fe2++2OH-===Fe(OH)2↓(白色)、4Fe(OH)2+O2+2H2O===4Fe(OH)3(红褐色)
①现象:红褐色沉淀②反应:Fe3++3OH-===Fe(OH)3↓(红褐色)
Fe2+
Fe3+
(3)加盐法
(SCN-)
①现象:加入KSCN溶液无明显现象,再滴入氯水变成红色溶液
②反应:2Fe2++Cl2===2Fe3++2Cl-、
Fe3++3SCN-Fe(SCN)3(红色)
①现象:加入KSCN溶液,溶液变为红色
②反应:Fe3++3SCN-Fe(SCN)3(红色)
(4)沉淀法
(可用于定
量检验)
加入K3[Fe(CN)6],产生蓝色沉淀
加入K4[Fe(CN)6],产生蓝色沉淀
2.Fe2+和Fe3+形成的配合物的颜色
中心原子
配体
形成的配合物
颜色
Fe2+
H2O
[Fe(H2O)6]2+
浅绿色
Fe3+
H2O
[Fe(H2O)6]3+
淡紫色
Fe3+
OH-
[Fe(OH)]2+
黄色
Fe2+
SCN-
[Fe(SCN)n]2-n
无色
Fe3+
SCN-
[Fe(SCN)n]3-n
红色
Fe2+
phen
[Fe(phen)3]2+
橙红色
Fe2+
EDTA4-
[Fe(EDTA)]2-
浅绿色
Fe3+
EDTA4-
[Fe(EDTA)]-
黄色
3.螯合物
(1)定义:多齿配体形成的配合物。
(2)特征:比金属离子与其配体生成的类似配合物稳定性高,用途更广。
(3)常见的螯合剂:EDTA、环状配体冠醚类螯合剂。
C [加NaOH溶液时,若有Fe2+存在而生成Fe(OH)2,会被生成的Fe(OH)3的红褐色掩盖,现象不明显;加KSCN溶液可检验Fe3+无法检验Fe2+;加入氯水无明显现象,故A、B、D均错误;滴加少量酸性KMnO4溶液,若紫红色褪去,则证明有Fe2+存在,故C正确。]
2.铁的化合物常见的有:①FeO ②Fe2O3 ③Fe3O4
④FeS ⑤Fe(OH)3 ⑥NH4Fe(SO4)2·12H2O
⑦FeSO4,将上述物质分别溶于足量稀盐酸后进行实验,已知K3[Fe(CN)6]溶液遇亚铁盐会产生蓝色沉淀。下列说法不正确的是( )
A.滴加KSCN溶液不显红色,滴加新制氯水后显红色的是①④⑦
B.加铜片能发生反应2Fe3++Cu===Cu2++2Fe2+的是②⑤⑥
C.滴加KSCN溶液显红色,滴加KMnO4溶液紫红色褪去的是③
D.滴加K3[Fe(CN)6]溶液,能产生蓝色沉淀的是①③④⑦
B [题述含铁元素的化合物溶于足量稀盐酸后的溶液中含Fe2+不含Fe3+的为①FeO、④FeS、⑦FeSO4;含Fe3+不含Fe2+的为②Fe2O3、⑤Fe(OH)3、⑥NH4Fe(SO4)2·12H2O;既含Fe2+又含Fe3+的为③Fe3O4;A项说明溶液中含Fe2+不含Fe3+,符合题意的为①④⑦;B项说明溶液中含有Fe3+,符合题意的为②③⑤⑥;C项说明溶液中既含Fe2+又含Fe3+,符合题意的为③;D项说明溶液中含有Fe2+,符合题意的为①③④⑦。]
3.(双选)(2022·天津一零二中学高二模拟)如图所示,a为乙二胺四乙酸(EDTA),易与金属离子形成螯合物,b为EDTA与Ca2+形成的螯合物。下列叙述正确的是( )
A.a和b中N原子均采取sp3杂化
B.b中Ca2+的配位数为6
C.a中配位原子是C原子
D.b中含有共价键、离子键和配位键
AB [A项,a中N原子有3对σ键电子对,1对孤电子对,b中N原子有4对σ键电子对,没有孤电子对,则a、b中N原子均采取sp3杂化,正确;B项,Ca2+的配位数为6,正确;C项,a不是配合物,错误;D项,钙离子与N、O之间形成配位键,其他原子之间形成共价键,不含离子键,错误。]
探究一 补铁药片中铁元素价态的检验
[实验用品]
琥珀酸亚铁片、KSCN溶液、稀盐酸、氯水、研钵、试管、烧杯、胶头滴管
[实验方案]
(1)溶解固体样品:取几粒琥珀酸亚铁片,将其在研钵中研成粉末状,然后将粉末溶于稀盐酸中。
(2)Fe2+、Fe3+的检验
①步骤:在一支试管中加入2~3 mL琥珀酸亚铁溶液,滴加少量KSCN溶液,观察颜色,然后再加入新制氯水,振荡,静置,观察颜色变化。
②现象:滴加KSCN溶液,溶液颜色没有变化(但是实际操作中可能会显示浅红色),再滴加新制氯水后,溶液变为红色。
③结论:琥珀酸亚铁中含有Fe2+,反应的离子方程式为2Fe2++Cl2===2Fe3++2Cl-、Fe3++3SCN-Fe(SCN)3。
1.在做Fe2+的检验的实验中,加入KSCN溶液后,有些同学在未加新制氯水的情况下,溶液中也产生了红色,其可能的原因是什么?
提示:在溶解过程中或操作中,没有隔绝空气,导致少量的Fe2+被空气中的氧气氧化。
2.在做Fe3+的检验的实验时,老师将所有同学分成两组,一组用蒸馏水溶解琥珀酸亚铁片形成悬浊液,一组用盐酸溶解琥珀酸亚铁片形成悬浊液,结果用蒸馏水的一组未见红色,而用盐酸的一组看到了红色,这是什么原因?
提示:Fe3+的水合离子[Fe(H2O)6]3+呈淡紫色,但因Fe3+极易水解,故未充分酸化的水溶液会由于有[Fe(OH)]2+存在显黄色,随着pH的升高,Fe3+水解程度增加,可以生成Fe(OH)3胶体或沉淀,用SCN-检验时,在pH>3时,SCN-无法竞争到Fe3+,故不会变色;当pH<3时,OH-浓度很小,这时SCN-会与Fe3+结合而变红色。
1.不同价态的铁的检验
(1)Fe2+的检验方法
①方法:加入KSCN溶液无明显现象,再滴入氯水变成红色溶液。
②发生的反应:2Fe2++Cl2===2Fe3++2Cl-
Fe3++3SCN-Fe(SCN)3(红色)
(2)Fe3+的检验方法
①方法:加入KSCN溶液,溶液变为红色
②反应:Fe3++3SCN-Fe(SCN)3(红色)
(3)注意事项
①用SCN-检验时,在pH>3时,SCN-无法竞争到Fe3+,故不会变色;当pH<3时,OH-浓度很小,这时SCN-会与Fe3+结合而变红色,故检验Fe3+须在酸性条件下进行。
②检验Fe2+和Fe3+最好都用形成配合物的方式进行检验,否则很容易产生误差。
2.陌生现象寻找原因的思路
(1)列出体系中存在的微粒;
(2)逐一判断每一种微粒是否是影响因素;
(3)筛选出潜在的影响因素;
(4)作出解释、提出猜想;
(5)进一步设计出控制变量的实验,检验猜想的合理性,确认影响因素。
1.(2022·河北张家口月考)为检验某溶液中是否含有Fe2+和Fe3+,某同学进行了下列实验,其中不正确的是( )
A.用试管取少量溶液,加入KSCN溶液,溶液不变为红色,通入少量氯气,溶液变为红色,证明原溶液中不含Fe3+,含有Fe2+
B.用试管取少量溶液,加入KSCN溶液,溶液不变为红色,用试管另取少量溶液,加入NaOH溶液,有白色沉淀生成,沉淀迅速变为灰绿色,最后变为红褐色,证明原溶液中不含Fe3+,含有Fe2+
C.用试管取少量溶液,加入KSCN溶液,溶液变为红色,用试管另取少量溶液,加入NaOH溶液,出现红褐色沉淀,证明原溶液中不含Fe2+,含有Fe3+
D.用试管取少量溶液,加入KSCN溶液,溶液变为红色,用试管另取少量溶液,加入少量酸性高锰酸钾溶液,高锰酸钾的紫红色褪去,证明原溶液中含有Fe3+和Fe2+
C [向溶液中加入KSCN溶液,溶液不变为红色,说明原溶液中不含Fe3+,通入少量氯气,溶液变为红色,说明原溶液中含有Fe2+,故A正确;向溶液中加入KSCN溶液,溶液不变为红色,说明原溶液中不含Fe3+,另取少量溶液,加入NaOH溶液,有白色沉淀生成,沉淀迅速变成灰绿色,最后变成红褐色,即Fe(OH)2被氧化生成Fe(OH)3,说明原溶液中不含Fe3+,含有Fe2+,故B正确;向溶液中加入KSCN溶液,溶液变为红色,向溶液中加入NaOH溶液,出现红褐色沉淀,两个实验均说明原溶液中含有Fe3+,不能说明原溶液中是否含有Fe2+,故C错误;向溶液中加入KSCN溶液,溶液变为红色,说明原溶液中含有Fe3+,另取少量溶液,加入少量酸性高锰酸钾溶液,高锰酸钾的紫红色褪去,说明原溶液中含有Fe2+,故D正确。]
探究二 寻找更优的检验试剂
1.Fe2+、Fe3+形成配合物的实验探究
[实验用品]
硫酸亚铁溶液、氯化铁溶液、苯酚、KSCN、邻二氮菲、乙二胺四乙酸二钠盐、试管、胶头滴管。
[实验步骤]
(1)在四支试管中分别加入硫酸亚铁溶液,分别向四支试管中滴加苯酚、硫氰化钾、邻二氮菲、EDTA2Na四种试剂,观察颜色变化。
现象:每种溶液中均有颜色变化,但是邻二氮菲颜色变化最明显,硫酸亚铁溶液由浅绿色变成橙红色。
结论:Fe2+与四种物质均可以形成配合物,邻二氮菲是Fe2+检验的特效试剂。
(2)在四支试管中分别加入氯化铁溶液,分别向四支试管中滴加苯酚、硫氰化钾、邻二氮菲、EDTA2Na四种试剂,观察颜色变化。
现象:每种溶液中均有颜色变化,滴加苯酚的溶液变紫色,滴加硫氰化钾的溶液变红色,滴加邻二氮菲的溶液变为淡红色,滴加EDTA2Na溶液显黄色,但是颜色变化不明显。
结论:Fe3+与四种物质均可以形成配合物,苯酚和硫氰化钾颜色变化最明显,苯酚和硫氰化钾是Fe3+检验的特效试剂。
2.Fe2+、Fe3+检验中配体作为检验试剂的条件选择
[实验用品]
硫酸亚铁溶液、邻二氮菲、NaOH溶液、稀硫酸、试管、胶头滴管。
[实验步骤]
(1)在一支试管中加入硫酸亚铁溶液,向试管中滴加邻二氮菲,观察颜色变化;然后将溶液分成两份,一份滴加NaOH溶液,观察现象,一份滴加稀硫酸,观察颜色变化。
现象:硫酸亚铁溶液由浅绿色变成橙红色,加入NaOH溶液后,溶液颜色变浅直至产生白色沉淀;加入稀硫酸后溶液颜色变浅,直至消失。
结论:邻二氮菲是Fe2+检验的特效试剂,其显色与溶液的pH有关,适宜范围为2~9。
(2)在一支试管中加入氯化铁溶液,向试管中滴加硫氰化钾,观察颜色变化;将溶液分成两份,一份中加入NaOH溶液,另一份中加入盐酸,观察溶液颜色的变化。
现象:开始滴加硫氰化钾的溶液后变红色,一份滴加NaOH后溶液颜色变浅,最终生成红褐色沉淀;一份加入盐酸,溶液颜色没有明显变化。
结论:硫氰化钾检验Fe3+时受溶液pH的影响,其中检验时的pH<3。
1.根据以上实验说出什么试剂在什么条件下适用于检验Fe2+、Fe3+?
提示:邻二氮菲是Fe2+检验的特效试剂,其显色与溶液的pH有关,适宜范围在2~9之间;硫氰化钾检验Fe3+时受溶液pH的影响,其中检验时的pH<3。
提示:邻二氮菲与Fe2+形成配合物的反应同样受到pH的影响,当H+浓度较高时,邻二氮菲中的N会优先与H+形成配位键,导致金属离子的配位能力减弱。若OH-浓度高,OH-又会与Fe2+作用,同邻二氮菲形成竞争,所以邻二氮菲检验Fe2+的pH适宜范围在2~9之间。
2.说明检验试剂与Fe2+显色的酸碱性条件,运用配合物和平衡原理进行解释。
1.检验Fe2+、Fe3+的特效试剂与使用条件
(1)Fe2+的检验:邻二氮菲是Fe2+检验的特效试剂,其显色与溶液的pH有关,适宜范围在2~9之间。
(2)Fe3+的检验:硫氰化钾是检验Fe3+的特效试剂,但检验过程受溶液pH的影响,其中检验时的pH<3。
(3)检验Fe2+、Fe3+的另外特效试剂
①Fe3+的检验:亚铁氰化钾K4[Fe(CN)6]可以检验,现象是有蓝色沉淀产生;
②Fe2+的检验:铁氰化钾K3[Fe(CN)6]可以检验,现象是有蓝色沉淀产生。
2.配合物在检验离子中的应用
(1)配体结合中心离子的强弱关系:一般是配体中可配位的原子越多越稳定,稳定性弱的配合物在一定条件下可以转化成稳定性强的配合物。
(2)影响因素:溶液的酸碱性、中心离子和配体浓度。
2.(双选)邻二氮菲(phen)与Fe2+生成稳定的橙红色邻二氮菲亚铁离子[Fe (phen)3]2+,可用于Fe2+浓度的测定,邻二氮菲的结构简式如图所示。下列说法正确的是( )
A.邻二氮菲的一氯代物有4种
B.[Fe(phen)3]2+中Fe2+的配位数为3
C.邻二氮菲的熔点主要取决于所含化学键的键能
D.溶液酸性太强时无法用邻二氮菲测定Fe2+的浓度,其原因可能是邻二氮菲中的N优先与H+形成配位键而减弱与Fe2+的配位能力
AD [邻二氮菲分子中含有4种不同位置的H原子,故其一氯代物有4种,A正确;N原子上有孤电子对,易形成配位键,在邻二氮菲分子内有2个N原子,则Fe2+和3个邻二氮菲形成配合物时,Fe2+的配位数为6,B错误;邻二氮菲是由分子构成的分子晶体,物质熔点高低取决于分子间作用力的大小,与分子内所含化学键的键能无关,C错误;用邻二氮菲测定Fe2+浓度时应控制pH在2~9的适宜范围,因为当H+浓度较高时,邻二氮菲中的N优先与H+形成配位键,导致与Fe2+配位能力减弱;当OH-浓度较高时,OH-与Fe2+反应,也影响与邻二氮菲配位,D正确。]
1.乳酸亚铁[(CH3CHOHCOO)2Fe]是一种食品铁强化剂。某同学为检验其中的铁元素设计了如下方案,其中不合理的是( )
A.向乳酸亚铁溶液中滴加铁氰化钾溶液,出现蓝色沉淀
B.向乳酸亚铁溶液中滴加氢氧化钠溶液,出现灰绿色沉淀
C.向乳酸亚铁溶液中滴加酸性高锰酸钾溶液,振荡后紫红色褪去
D.向乳酸亚铁溶液中滴加硫氰化钾溶液,无现象,再加入氯水,溶液变红
C [Fe2+和[Fe(CN)6]3-反应产生Fe3[Fe(CN)6]2蓝色沉淀,A方案合理;Fe2+和OH-反应产生Fe(OH)2白色沉淀,该沉淀迅速转变为灰绿色,最终变为红褐色,B方案合理;乳酸亚铁分子中含有醇羟基,该结构也易被酸性高锰酸钾溶液氧化,故该方案不能说明乳酸亚铁中含有Fe2+,C方案不合理;向乳酸亚铁溶液中滴加硫氰化钾溶液,无现象,说明溶液中不含Fe3+,再加入氯水,溶液变红,说明溶液中有Fe3+生成,则Fe3+只能是Fe2+被氧化得来的,故该方案可以检验乳酸亚铁中铁元素,D方案合理。]
2.下列关于配合物的方法不正确的是( )
A.硫酸铜的水溶液中,铜离子实际上主要以四水合铜离子的形式存在
B.氯化银沉淀能溶于氨水,说明有的配合物(或配离子)很稳定
C.金属离子都能作为中心离子,含有孤电子对的分子(或离子)都可作配体
D.硫氰合铁(Ⅲ)离子呈红色,由此可用KSCN溶液检验Fe3+
C [铜离子在水溶液中主要以四水合铜离子的形式存在,故A正确;因Ag+能与NH3形成更稳定的配离子[Ag(NH3)2]+,导致氯化银沉淀能溶于氨水,故B正确;不是所有金属离子都能作为中心离子,只有含有孤电子对的分子(或离子)才可作配体,故C错误;常用KSCN溶液检验Fe3+,现象是溶液呈红色,故D正确。]
3.分子中含有两个或两个以上中心原子(离子)的配合物称为多核配合物,如图为Co(Ⅱ)双核配合物的内界,下列说法正确的是( )
A.每个中心离子的配位数为6
B.如图结构中的氯元素为Cl-,则其含有极性键、非极性键和离子键
C.配合物中的C原子都是sp2杂化
D.如图结构中所有微粒共平面
A [在题给配合物中,带“*”的碳原子,都与4个原子形成共价键。
在Co(Ⅱ)双核配合物中,每个中心离子与5个N原子、1个Cl-形成配位键,则配位数为6,A正确;如图结构中的氯元素为Cl-,则其含有C—H、C—N极性键、C—C非极性键,但不含有离子键,B错误;分析中所标记的“*”碳原子,与周围4个原子形成共价键,都发生sp3杂化,C错误;图中“*”标记碳原子与周围4个原子以共价键相连接,5个原子不可能共平面,D错误。]
4.铁元素不仅可以与SCN-、CN-等离子形成配合物,还可以与CO、NO等分子以及许多有机试剂形成配合物。回答下列问题:
(1)基态铁原子有________个未成对电子;
(2)CN-有毒,含CN-的工业废水必须处理,用TiO2作光催化剂可将废水中的CN-转化为OCN-,并最终氧化为N2、CO2
①C、N、O三种元素的第一电离能由大到小的顺序是_________________;
②1 mol CN-中含有σ键的数目为_______________________________;
(3)乙二胺四乙酸中碳原子的杂化轨道类型是________________。
解析: (1)基态铁原子的核外电子排布为:
1s22s22p63s23p63d64s2,3d6中最多容纳10个电子,现在有6个,先占据单个的,所以只有2个成对,还有4个未成对;
(2)①同周期第一电离能自左而右具有增大趋势,所以第一电离能:O>C。由于氮元素原子2p能级有3个电子,处于半充满稳定状态,能量较低,第一电离能大于相邻元素,所以C、N、O三种元素的第一电离能由大到小的顺序是N>O>C;
②1 mol CN-含有碳氮三键,其中1个是σ键,个数为NA。(3)乙二胺四乙酸中碳原子为—CH2、—COOH,前者碳原子以单键连接4个原子为四面体结构,为sp3杂化,—COOH中碳原子含有1个双键为sp2杂化。
答案: (1)4 (2)①N>O>C ②NA
(3)sp2、sp3
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