Страница 25 - гдз по химии 10 класс учебник Еремин, Кузьменко

1. Как изменяются кислотно-основные свойства оксидов в ряду $N_2O_5$ – $CO_2$ – $B_2O_3$ – $BeO$ – $Li_2O$? Ответ поясните.

В представленном ряду оксидов $N_2O_5$ — $CO_2$ — $B_2O_3$ — $BeO$ — $Li_2O$ кислотно-основные свойства изменяются от сильно кислотных к сильно основным. Происходит последовательное ослабление кислотных свойств и усиление основных.

Пояснение:

Данный ряд оксидов образован химическими элементами, которые расположены во втором периоде периодической системы Д.И. Менделеева: азот (N), углерод (C), бор (B), бериллий (Be) и литий (Li). В указанной последовательности оксидов мы движемся по периоду справа налево. В периоде при движении справа налево атомный радиус увеличивается, а электроотрицательность уменьшается, что приводит к усилению металлических свойств элементов и, как следствие, к изменению свойств их оксидов.

Рассмотрим свойства каждого оксида в ряду:

• $N_2O_5$ (оксид азота(V)) — это оксид типичного неметалла, азота. Он является сильным кислотным оксидом. Ему соответствует сильная азотная кислота ($HNO_3$). Он активно реагирует с водой и основаниями:

  $N_2O_5 + H_2O \rightarrow 2HNO_3$

  $N_2O_5 + 2KOH \rightarrow 2KNO_3 + H_2O$

• $CO_2$ (оксид углерода(IV)) — оксид неметалла углерода. Это также кислотный оксид, но его кислотные свойства выражены слабее, чем у $N_2O_5$. Ему соответствует слабая угольная кислота ($H_2CO_3$).

  $CO_2 + H_2O \rightleftharpoons H_2CO_3$

• $B_2O_3$ (оксид бора) — оксид бора, элемента, занимающего промежуточное положение между металлами и неметаллами (металлоид). Его оксид является слабокислотным. Ему соответствует очень слабая борная кислота ($H_3BO_3$).

  $B_2O_3 + 3H_2O \rightarrow 2H_3BO_3$

• $BeO$ (оксид бериллия) — оксид металла бериллия. Этот оксид является амфотерным, то есть он способен проявлять как кислотные, так и основные свойства, реагируя и с кислотами, и с щелочами.

  Как основание (реакция с кислотой): $BeO + 2HCl \rightarrow BeCl_2 + H_2O$

  Как кислота (реакция с основанием): $BeO + 2NaOH + H_2O \rightarrow Na_2[Be(OH)_4]$

• $Li_2O$ (оксид лития) — оксид типичного щелочного металла, лития. Это сильный основный оксид. Он бурно реагирует с водой, образуя сильное основание — гидроксид лития ($LiOH$).

  $Li_2O + H_2O \rightarrow 2LiOH$

Таким образом, в ряду $N_2O_5 \rightarrow CO_2 \rightarrow B_2O_3 \rightarrow BeO \rightarrow Li_2O$ происходит закономерный переход от ярко выраженных кислотных свойств к амфотерным и далее к ярко выраженным основным свойствам.

Ответ: В ряду оксидов $N_2O_5$ — $CO_2$ — $B_2O_3$ — $BeO$ — $Li_2O$ кислотные свойства ослабевают, а основные свойства усиливаются.

2. Основываясь на Периодическом законе и известных вам сведениях о свойствах неметаллов, предскажите свойства селена.

Решение

Для предсказания свойств селена ($Se$) воспользуемся его положением в Периодической системе Д. И. Менделеева и общими закономерностями изменения свойств химических элементов и их соединений.

1.Положение в Периодической системе и строение атома.
Селен ($Se$) — элемент 4-го периода, 16-й группы (VIА группы), его порядковый номер 34. Он расположен под серой ($S$) и над теллуром ($Te$).
Строение атома:

• Заряд ядра +34, в атоме 34 протона и 34 электрона.
• Электроны распределены по 4 энергетическим уровням (соответствует номеру периода).
• Электронная конфигурация внешнего слоя: $4s^24p^4$. На внешнем слое 6 валентных электронов, что определяет его принадлежность к группе халькогенов.

2.Физические свойства простого вещества.
Поскольку селен находится в одной группе с неметаллами кислородом и серой, он также является неметаллом. Однако неметаллические свойства в группе ослабевают сверху вниз, поэтому селен должен быть менее типичным неметаллом, чем сера, и проявлять некоторые свойства, сближающие его с металлоидами (как и его сосед снизу, теллур). Сера — твердое вещество, теллур — тоже. Следовательно, селен при обычных условиях должен быть твердым веществом. По аналогии с серой ($S_8$, пластическая сера) можно предположить, что селен способен к аллотропии (существованию в виде нескольких простых веществ), что и наблюдается на практике (серый кристаллический, красный аморфный селен).

3.Химические свойства.
Прогнозируем химические свойства селена, сравнивая его с серой.

• Степени окисления: Как для элемента 16-й группы, для селена характерны степени окисления от -2 до +6. Наиболее устойчивыми будут:
  • -2 в соединениях с металлами (селенидах) и водородом.
  • +4 и +6 в соединениях с более электроотрицательными элементами, например, с кислородом.

• Водородное соединение: По аналогии с сероводородом ($H_2S$), селен образует селеноводород ($H_2Se$). Это должен быть ядовитый газ с неприятным запахом. Так как сила кислот бескислородных кислот в группах растет сверху вниз (из-за ослабления связи Н–Э), то водный раствор $H_2Se$ (селеноводородная кислота) будет более сильной кислотой, чем сероводородная ($H_2S$). Также $H_2Se$ будет более сильным восстановителем, чем $H_2S$.
• Оксиды и соответствующие им гидроксиды (кислоты): Селен образует два кислотных оксида:
  • Оксид селена(IV), $SeO_2$. Ему соответствует селенистая кислота $H_2SeO_3$. Сила кислородсодержащих кислот в группе уменьшается сверху вниз, поэтому $H_2SeO_3$ — более слабая кислота, чем сернистая ($H_2SO_3$).
  • Высший оксид селена(VI), $SeO_3$. Ему соответствует селеновая кислота $H_2SeO_4$. Она должна быть сильной кислотой, но слабее, чем серная ($H_2SO_4$). В отличие от сульфат-иона, селенат-ион ($SeO_4^{2-}$) является сильным окислителем.

• Взаимодействие с другими веществами:
  • Как неметалл, селен будет реагировать с активными металлами, образуя селениды: $Ca + Se \rightarrow CaSe$.
  • Он будет гореть в кислороде, образуя оксид: $Se + O_2 \xrightarrow{t} SeO_2$.
  • Как и сера, селен будет реагировать с сильными кислотами-окислителями, проявляя восстановительные свойства: $Se + 2H_2SO_4(конц.) \rightarrow SeO_2 + 2SO_2 \uparrow + 2H_2O$.

Ответ:
Основываясь на положении селена в Периодической системе (4-й период, 16-я группа), можно предсказать следующие его свойства:

1. Физические свойства: Селен — твердое вещество, неметалл, проявляющий свойства, промежуточные между серой и теллуром. Обладает аллотропией.
2. Химические свойства:
   • Проявляет степени окисления -2, 0, +4, +6.
   • Как неметалл, он менее активен, чем сера, но активнее теллура.
   • Образует газообразное водородное соединение $H_2Se$ (селеноводород), водный раствор которого является более сильной кислотой, чем сероводородная.
   • Образует два кислотных оксида: $SeO_2$ и $SeO_3$. Им соответствуют кислоты: селенистая $H_2SeO_3$ (средней силы) и селеновая $H_2SeO_4$ (сильная, но слабее серной, и сильный окислитель).
   • Реагирует с металлами, образуя селениды, и с более активными неметаллами (кислородом, галогенами).

3. Назовите самые активные металл и неметалл; напишите формулу соединения, образованного этими двумя элементами.

Решение

Для определения самых активных металла и неметалла необходимо обратиться к закономерностям изменения свойств химических элементов в Периодической системе Д. И. Менделеева.

Активность металлов, то есть их способность отдавать электроны, усиливается в группах сверху вниз и ослабевает в периодах слева направо. Следовательно, самый активный металл находится в левом нижнем углу Периодической системы. Этим элементом является франций ($Fr$). Он расположен в I группе, 7 периоде и обладает самой низкой электроотрицательностью, что делает его химически наиболее активным металлом.

Активность неметаллов, то есть их способность принимать электроны, наоборот, усиливается в периодах слева направо и ослабевает в группах сверху вниз. Самый активный неметалл располагается в правом верхнем углу таблицы (за исключением благородных газов). Этим элементом является фтор ($F$). Он расположен во VII группе, 2 периоде и обладает самой высокой электроотрицательностью среди всех элементов.

Теперь составим формулу соединения, образованного этими двумя элементами.

Франций ($Fr$) — щелочной металл I группы, в соединениях он всегда проявляет степень окисления +1, отдавая свой единственный валентный электрон и образуя ион $Fr^+$.

Фтор ($F$) — галоген VII группы, самый электроотрицательный элемент, поэтому в соединениях он всегда проявляет степень окисления –1, принимая один электрон и образуя ион $F^-$.

Для того чтобы образовалось электронейтральное соединение, необходимо, чтобы суммарный заряд был равен нулю. Один катион франция $Fr^+$ и один анион фтора $F^-$ вступают во взаимодействие, образуя ионное соединение. Таким образом, формула соединения — $FrF$ (фторид франция).

Ответ: самый активный металл — франций ($Fr$); самый активный неметалл — фтор ($F$); формула соединения, образованного этими двумя элементами, — $FrF$.

4. Напишите уравнения реакций высших оксидов калия, кальция, фосфора и серы с водой.

Калий

Калий (K) — это щелочной металл, находящийся в I группе периодической таблицы. Его высшая степень окисления равна +1. Соответственно, формула его высшего оксида — $K_2O$. Оксид калия является основным оксидом и при взаимодействии с водой образует сильное основание (щёлочь) — гидроксид калия ($KOH$).

Ответ: $K_2O + H_2O \rightarrow 2KOH$

Кальций

Кальций (Ca) — щелочноземельный металл, расположенный во II группе. Его высшая степень окисления равна +2. Формула высшего оксида — $CaO$. Оксид кальция также является основным оксидом. Он реагирует с водой, образуя основание — гидроксид кальция ($Ca(OH)_2$). Эта реакция известна как гашение извести.

Ответ: $CaO + H_2O \rightarrow Ca(OH)_2$

Фосфор

Фосфор (P) — неметалл, находится в V группе. Его высшая степень окисления равна +5. Высший оксид фосфора имеет эмпирическую формулу $P_2O_5$ (оксид фосфора(V)). Это кислотный оксид, который энергично реагирует с водой. При взаимодействии с избытком воды образуется ортофосфорная кислота ($H_3PO_4$).

Ответ: $P_2O_5 + 3H_2O \rightarrow 2H_3PO_4$

Сера

Сера (S) — неметалл VI группы. Её высшая степень окисления равна +6. Высший оксид серы — это оксид серы(VI) или серный ангидрид, формула которого $SO_3$. Он является кислотным оксидом и при растворении в воде образует одну из сильнейших кислот — серную кислоту ($H_2SO_4$).

Ответ: $SO_3 + H_2O \rightarrow H_2SO_4$

5. Напишите формулу высшего гидроксида хлора и опишите его кислотно-основные свойства.

Решение

Чтобы определить формулу высшего гидроксида хлора, необходимо сначала найти его высшую степень окисления. Хлор ($Cl$) расположен в 17-й группе (старая классификация — VIIA группа) Периодической таблицы. Высшая положительная степень окисления для элементов этой группы, как правило, совпадает с номером группы и равна +7.

Высший оксид хлора, в котором хлор проявляет степень окисления +7, имеет формулу $Cl_2O_7$ (оксид хлора(VII)).

Гидроксиды неметаллов, соответствующие их высшим оксидам, являются кислородсодержащими кислотами. Формулу кислоты можно получить, добавив воду к оксиду:
$Cl_2O_7 + H_2O \rightarrow 2HClO_4$
Следовательно, формула высшего гидроксида хлора — $HClO_4$. Это хлорная кислота. Проверим степень окисления хлора в этом соединении: $H^{(+1)}Cl^{(x)}O_4^{(-2)}$. Сумма степеней окисления в молекуле равна нулю: $+1 + x + 4 \cdot (-2) = 0$, откуда $x = +7$. Расчет верен.

Кислотно-основные свойства
Хлорная кислота ($HClO_4$) — это одноосновная кислота, являющаяся одной из самых сильных неорганических кислот. Ее сила обусловлена максимальной степенью окисления центрального атома (+7) и наличием трех атомов кислорода, не связанных с водородом. Эти атомы сильно оттягивают на себя электронную плотность, что приводит к сильной поляризации и ослаблению связи $H-O$ и, как следствие, к легкой диссоциации.
В водных растворах хлорная кислота практически полностью диссоциирует на ионы:
$HClO_4 \leftrightarrow H^+ + ClO_4^-$
Как сильная кислота, $HClO_4$ обладает ярко выраженными кислотными свойствами и вступает в реакции, характерные для этого класса соединений:
- Реагирует с основаниями (реакция нейтрализации) с образованием соли (перхлората) и воды:
$HClO_4 + KOH \rightarrow KClO_4 + H_2O$
- Реагирует с основными и амфотерными оксидами:
$2HClO_4 + CuO \rightarrow Cu(ClO_4)_2 + H_2O$
- Реагирует с металлами, стоящими в ряду активности до водорода:
$2HClO_4 + Mg \rightarrow Mg(ClO_4)_2 + H_2\uparrow$
- Вытесняет более слабые кислоты из их солей:
$2HClO_4 + Na_2CO_3 \rightarrow 2NaClO_4 + H_2O + CO_2\uparrow$
Таким образом, высший гидроксид хлора проявляет исключительно кислотные свойства. Основные или амфотерные свойства для хлорной кислоты не характерны.

Ответ: Формула высшего гидроксида хлора — $HClO_4$ (хлорная кислота). Это соединение обладает ярко выраженными кислотными свойствами, являясь одной из самых сильных неорганических кислот. Она вступает во все типичные реакции для сильных кислот: с основаниями, основными/амфотерными оксидами, активными металлами и солями слабых кислот, образуя при этом соли — перхлораты.

6. Некоторый элемент-неметалл Э образует высший хлорид состава $ЭCl_4$. Напишите формулы его высшего оксида и летучего водородного соединения.

Решение

1. В условии задачи сказано, что некоторый элемент-неметалл Э образует высший хлорид состава $ЭCl_4$. В соединениях с менее электроотрицательными элементами хлор ($Cl$) проявляет постоянную степень окисления, равную -1. Так как $ЭCl_4$ является высшим хлоридом, это означает, что элемент Э проявляет свою высшую положительную степень окисления.

Рассчитаем степень окисления элемента Э в этом соединении. Сумма степеней окисления в молекуле равна нулю. Пусть степень окисления Э равна $x$: $x + 4 \cdot (-1) = 0$ $x - 4 = 0$ $x = +4$ Высшая степень окисления для элементов главных подгрупп численно равна номеру группы. Следовательно, элемент Э находится в IV группе периодической системы.

2. Формула высшего оксида. В высшем оксиде элемент Э также проявляет свою высшую степень окисления +4. Степень окисления кислорода ($O$) в оксидах равна -2. Составим формулу оксида, исходя из электронейтральности молекулы. Пусть формула оксида будет $Э_aO_b$: $a \cdot (+4) + b \cdot (-2) = 0$ $4a = 2b$ Простейшее соотношение целых чисел для $a$ и $b$ — это $a=1$ и $b=2$. Следовательно, формула высшего оксида элемента Э — $ЭO_2$.

3. Формула летучего водородного соединения. В летучих водородных соединениях неметаллы проявляют свою низшую степень окисления. Для элементов IV группы она рассчитывается по формуле: (Номер группы - 8). Низшая степень окисления Э = $4 - 8 = -4$. Степень окисления водорода ($H$) в соединениях с неметаллами равна +1. Составим формулу водородного соединения $Э_aH_b$: $a \cdot (-4) + b \cdot (+1) = 0$ $-4a + b = 0$ $b = 4a$ Простейшее соотношение целых чисел для $a$ и $b$ — это $a=1$ и $b=4$. Следовательно, формула летучего водородного соединения — $ЭH_4$.

Ответ: высший оксид — $ЭO_2$, летучее водородное соединение — $ЭH_4$.

7. Массовая доля водорода в его соединении с элементом IV группы равна 0,125. Определите формулу водородного соединения.

Дано:

Элемент Э $\in$ IV группе

Соединение: $Э_xH_y$

Массовая доля водорода $ω(H) = 0,125$

Найти:

Формулу соединения - ?

Решение:

Элементы IV группы (главной подгруппы) в летучих водородных соединениях обычно проявляют валентность IV. Водород в таких соединениях проявляет валентность I. Следовательно, общая формула водородного соединения для элемента IV группы будет $ЭH_4$.

Массовая доля элемента в соединении ($ω$) вычисляется как отношение массы всех атомов этого элемента в молекуле к относительной молекулярной массе всего соединения.

$ω(H) = \frac{n \cdot A_r(H)}{M_r(ЭH_4)} = \frac{4 \cdot A_r(H)}{A_r(Э) + 4 \cdot A_r(H)}$

где $A_r(H)$ – относительная атомная масса водорода (примем за 1), а $A_r(Э)$ – относительная атомная масса искомого элемента.

Подставим известные значения в формулу и найдем $A_r(Э)$:

$0,125 = \frac{4 \cdot 1}{A_r(Э) + 4 \cdot 1}$

$0,125 = \frac{4}{A_r(Э) + 4}$

Выразим знаменатель:

$A_r(Э) + 4 = \frac{4}{0,125}$

$A_r(Э) + 4 = 32$

$A_r(Э) = 32 - 4 = 28$

Относительная атомная масса неизвестного элемента равна 28. По периодической таблице химических элементов Д.И. Менделеева находим элемент IV группы с такой атомной массой. Это кремний (Si).

Следовательно, искомое водородное соединение – это силан.

Ответ: Формула водородного соединения – $SiH_4$.

8. Какая из кислот — сероводородная $H_2S$ или селеноводородная $H_2Se$ — является более слабой?

Решение

Для определения силы бескислородных кислот, образованных элементами одной главной подгруппы (в данном случае, 16-й группы, халькогенов), необходимо рассмотреть их положение в периодической системе. Сера ($S$) и селен ($Se$) являются элементами одной группы, при этом селен находится под серой.

Сила кислот в ряду $H_2O – H_2S – H_2Se – H_2Te$ возрастает сверху вниз по группе. Это объясняется следующими факторами:

1.Увеличение атомного радиуса. При движении вниз по группе атомный радиус элемента увеличивается (радиус $Se$ больше радиуса $S$).

2.Ослабление связи $H–Э$. С увеличением радиуса центрального атома ($Э$) увеличивается длина связи $H–Э$. Более длинная связь является менее прочной. Энергия, необходимая для разрыва связи $H–Se$ в селеноводороде, меньше, чем для разрыва связи $H–S$ в сероводороде.

3.Легкость диссоциации. Поскольку связь $H–Se$ слабее, молекула $H_2Se$ легче диссоциирует в водном растворе на ионы, отдавая протон ($H^+$), чем молекула $H_2S$.

Процесс диссоциации по первой ступени:

$H_2S \leftrightarrow H^+ + HS^-$

$H_2Se \leftrightarrow H^+ + HSe^-$

Так как селеноводородная кислота ($H_2Se$) легче отдает протон, она является более сильной кислотой. Следовательно, сероводородная кислота ($H_2S$) является более слабой из двух.

Это также подтверждается значениями констант кислотности ($K_a$): для $H_2S$ $K_{a1} \approx 10^{-7}$, а для $H_2Se$ $K_{a1} \approx 10^{-4}$. Чем меньше значение $K_a$, тем слабее кислота.

Ответ: более слабой кислотой является сероводородная кислота ($H_2S$).

9. Гидроксид какого металла — натрия или магния — является более сильным основанием и почему?

Чтобы определить, какой из гидроксидов — гидроксид натрия ($NaOH$) или гидроксид магния ($Mg(OH)_2$) — является более сильным основанием, необходимо проанализировать положение образующих их металлов в Периодической системе химических элементов Д.И. Менделеева и связанные с этим свойства.

Сила основания определяется его способностью диссоциировать (распадаться на ионы) в водном растворе. Чем выше степень диссоциации и, соответственно, концентрация гидроксид-ионов ($OH^-$) в растворе, тем сильнее основание.

1. Положение в Периодической системе.
Натрий (Na) и магний (Mg) находятся в одном, третьем, периоде. Натрий является элементом I группы (щелочной металл), а магний — элементом II группы. В периоде при движении слева направо наблюдается закономерное ослабление металлических свойств элементов и усиление неметаллических. Это означает, что натрий является более активным металлом, чем магний.

2. Свойства гидроксидов.
Основные свойства гидроксидов элементов одного периода также ослабевают слева направо. Это связано с тем, что с ростом электроотрицательности металла увеличивается прочность связи между металлом и гидроксильной группой ($M-OH$). У натрия, как у более активного металла, связь $Na-OH$ менее прочна, чем связь $Mg-OH$ у магния. Поэтому в водном растворе гидроксид натрия диссоциирует гораздо легче и полнее.

3. Диссоциация и растворимость.
Гидроксид натрия ($NaOH$) является сильным основанием (щёлочью). Он хорошо растворим в воде и практически полностью диссоциирует на ионы, создавая высокую концентрацию $OH^-$:
$NaOH \rightarrow Na^+ + OH^-$

Гидроксид магния ($Mg(OH)_2$), в свою очередь, является слабым основанием. Он очень плохо растворяется в воде, и лишь его незначительная растворившаяся часть диссоциирует на ионы. Из-за этого равновесие реакции сильно смещено влево, а концентрация ионов $OH^-$ в растворе низкая:
$Mg(OH)_2 \rightleftharpoons Mg^{2+} + 2OH^-$

Ответ: Более сильным основанием является гидроксид натрия ($NaOH$). Причина в том, что натрий в Периодической системе расположен левее магния (в том же периоде), что делает его более активным металлом. Вследствие этого основные свойства его гидроксида выражены сильнее. Гидроксид натрия — это сильное, хорошо растворимое основание (щёлочь), тогда как гидроксид магния — слабое и малорастворимое основание.

10. Являются ли термины «кислота» и «гидроксид элемента-неметалла» синонимами? Поясните свой ответ.

Нет, термины «кислота» и «гидроксид элемента-неметалла» не являются синонимами, хотя между этими понятиями есть значительное пересечение.

Пояснение заключается в следующем:

1. Понятие «кислота» является более широким. Оно включает в себя не только кислородсодержащие кислоты, но и бескислородные. Бескислородные кислоты, такие как соляная ($HCl$), сероводородная ($H_2S$) и плавиковая ($HF$), являются кислотами по своим химическим свойствам (диссоциируют в воде с образованием ионов $H^+$), но не являются гидроксидами, поскольку в их составе отсутствует кислород. Гидроксид по определению содержит гидроксогруппу ($-OH$), которая подразумевает наличие кислорода.

2. С другой стороны, большинство гидроксидов неметаллов действительно проявляют кислотные свойства и относятся к классу кислот. Такие соединения принято называть кислородсодержащими кислотами. Например, серная кислота $H_2SO_4$ является гидроксидом, соответствующим оксиду серы(VI), азотная кислота $HNO_3$ — гидроксидом, соответствующим оксиду азота(V), а угольная кислота $H_2CO_3$ — гидроксидом, соответствующим оксиду углерода(IV).

Таким образом, можно сказать, что любая кислородсодержащая кислота является гидроксидом неметалла. Однако обратное утверждение — что любая кислота является гидроксидом неметалла — неверно из-за существования бескислородных кислот. Следовательно, эти термины не синонимичны.

Ответ: Термины «кислота» и «гидроксид элемента-неметалла» не являются синонимами, так как класс кислот, помимо кислородсодержащих кислот (которые являются гидроксидами неметаллов), включает также бескислородные кислоты (например, $HCl$, $H_2S$), не являющиеся гидроксидами.