Страница 193 - гдз по химии 10-11 класс задачник Еремин, Дроздов

7.1. В лаборатории находятся две ёмкости, в одной из которых содержится 1 кг хлорида натрия, а в другой – 1 кг хлорида калия. В какой из ёмкостей находится больше хлорид-ионов? Мотивируйте свой ответ.

Для того чтобы определить, в какой из ёмкостей находится больше хлорид-ионов, необходимо сравнить количество вещества (в молях) хлорида натрия (NaCl) и хлорида калия (KCl) в 1 кг каждого вещества. Количество частиц (в данном случае, ионов) прямо пропорционально количеству вещества.

Дано:
$m(\text{NaCl}) = 1 \text{ кг}$
$m(\text{KCl}) = 1 \text{ кг}$

Массы веществ даны в единицах системы СИ (килограмм). Для удобства расчетов с молярной массой (г/моль) переведем массу в граммы:
$m(\text{NaCl}) = 1000 \text{ г}$
$m(\text{KCl}) = 1000 \text{ г}$

Найти:
В какой из емкостей большее число хлорид-ионов ($N(\text{Cl}^-)$)?

Решение:
Количество вещества ($n$) связано с массой ($m$) и молярной массой ($M$) соотношением: $n = \frac{m}{M}$

Число частиц ($N$) связано с количеством вещества ($n$) и числом Авогадро ($N_A$) соотношением: $N = n \cdot N_A$

1. Найдем молярные массы хлорида натрия и хлорида калия. Для этого используем относительные атомные массы элементов из Периодической таблицы Д. И. Менделеева: $Ar(\text{Na}) \approx 23$, $Ar(\text{K}) \approx 39$, $Ar(\text{Cl}) \approx 35.5$.
Молярная масса хлорида натрия ($NaCl$):
$M(\text{NaCl}) = Ar(\text{Na}) + Ar(\text{Cl}) = 23 + 35.5 = 58.5 \text{ г/моль}$
Молярная масса хлорида калия ($KCl$):
$M(\text{KCl}) = Ar(\text{K}) + Ar(\text{Cl}) = 39 + 35.5 = 74.5 \text{ г/моль}$

2. Рассчитаем количество вещества для каждой соли.
Количество вещества хлорида натрия:
$n(\text{NaCl}) = \frac{m(\text{NaCl})}{M(\text{NaCl})} = \frac{1000 \text{ г}}{58.5 \text{ г/моль}} \approx 17.09 \text{ моль}$
Количество вещества хлорида калия:
$n(\text{KCl}) = \frac{m(\text{KCl})}{M(\text{KCl})} = \frac{1000 \text{ г}}{74.5 \text{ г/моль}} \approx 13.42 \text{ моль}$

3. Сравним количество вещества.
$17.09 \text{ моль} > 13.42 \text{ моль}$, следовательно, $n(\text{NaCl}) > n(\text{KCl})$.

4. Определим количество хлорид-ионов.
При диссоциации (или в формульной единице) одна молекула каждой соли даёт один хлорид-ион:
$\text{NaCl} \rightarrow \text{Na}^+ + \text{Cl}^-$
$\text{KCl} \rightarrow \text{K}^+ + \text{Cl}^-$
Это означает, что количество моль хлорид-ионов равно количеству моль соответствующей соли: $n(\text{Cl}^-)_{\text{из NaCl}} = n(\text{NaCl})$ и $n(\text{Cl}^-)_{\text{из KCl}} = n(\text{KCl})$.

Поскольку $n(\text{NaCl}) > n(\text{KCl})$, то и число хлорид-ионов в ёмкости с хлоридом натрия будет больше, чем в ёмкости с хлоридом калия. Это можно показать и без вычисления точных значений: при одинаковой массе ($m$) количество вещества ($n$) обратно пропорционально молярной массе ($M$). Так как молярная масса $NaCl$ ($58.5 \text{ г/моль}$) меньше молярной массы $KCl$ ($74.5 \text{ г/моль}$), то в 1 кг хлорида натрия содержится больше молей вещества, а следовательно, и больше хлорид-ионов.

Ответ: Больше хлорид-ионов находится в ёмкости с хлоридом натрия. Это связано с тем, что при одинаковой массе (1 кг) количество вещества хлорида натрия больше, так как его молярная масса ($58.5 \text{ г/моль}$) меньше молярной массы хлорида калия ($74.5 \text{ г/моль}$), а каждая формульная единица обоих веществ содержит по одному хлорид-иону.

7.2. Как в лаборатории получить хлор из хлорида натрия, не прибегая к электролизу? Запишите уравнение реакции.

Решение

В лабораторных условиях хлор ($Cl_2$) можно получить из хлорида натрия ($NaCl$) без электролиза с помощью химического окисления. Для этого хлорид-ионы ($Cl^−$) нужно окислить до молекулярного хлора ($Cl_2^0$). Этот процесс проводят с использованием сильного окислителя в кислой среде, которую обычно создают с помощью концентрированной серной кислоты ($H_2SO_4$).

Одним из самых распространенных лабораторных методов является реакция смеси твердого хлорида натрия, диоксида марганца ($MnO_2$) и концентрированной серной кислоты при нагревании. Диоксид марганца выступает в роли окислителя.

Протекает следующая окислительно-восстановительная реакция:

$2NaCl + MnO_2 + 2H_2SO_4 \xrightarrow{t} Na_2SO_4 + MnSO_4 + Cl_2\uparrow + 2H_2O$

В ходе этой реакции хлор изменяет степень окисления с -1 до 0 (окисляется), а марганец — с +4 до +2 (восстанавливается).

Ответ: Чтобы получить хлор из хлорида натрия в лаборатории без электролиза, необходимо провести реакцию окисления с помощью сильного окислителя в кислой среде. Например, можно нагреть смесь твердых хлорида натрия и диоксида марганца с концентрированной серной кислотой. Уравнение реакции: $2NaCl + MnO_2 + 2H_2SO_4 \xrightarrow{t} Na_2SO_4 + MnSO_4 + Cl_2\uparrow + 2H_2O$.

7.3. Как доказать наличие примеси бромида натрия в поваренной соли?

Для того чтобы доказать присутствие примеси бромида натрия ($NaBr$) в поваренной соли ($NaCl$), необходимо провести качественную реакцию на бромид-ион ($Br^-$), которая позволит отличить его от хлорид-иона ($Cl^-$). Метод основан на различной способности галогенид-ионов к окислению: бромид-ионы окисляются легче, чем хлорид-ионы. В качестве окислителя можно использовать хлор (в виде хлорной воды), так как он, будучи более активным галогеном, вытесняет бром из его солей, но не реагирует с хлоридами.

Решение

Для проведения качественного анализа необходимо выполнить следующие действия.
1. Растворить образец поваренной соли в дистиллированной воде.
2. Подкислить полученный раствор несколькими каплями разбавленной серной кислоты ($H_2SO_4$).
3. К подкисленному раствору добавить по каплям хлорную воду (раствор хлора $Cl_2$ в воде). Если в растворе есть бромид-ионы, они окислятся до молекулярного брома.

Уравнение реакции в молекулярном виде:

$2NaBr + Cl_2 \rightarrow 2NaCl + Br_2$

Уравнение реакции в ионном виде:

$2Br^- + Cl_2 \rightarrow 2Cl^- + Br_2$

Образовавшийся молекулярный бром придает раствору желтовато-бурую окраску. Однако при малых концентрациях примеси цвет может быть слабо выражен. Для более надежного обнаружения брома проводят экстракцию.
4. В пробирку с раствором добавляют небольшой объем органического растворителя, не смешивающегося с водой (например, гексан, толуол).
5. Пробирку энергично встряхивают и дают смеси отстояться. Бром значительно лучше растворяется в органическом растворителе, чем в воде, и переходит в органический слой.
6. Появление желто-бурой или оранжево-коричневой окраски органического слоя однозначно указывает на наличие брома и, следовательно, на присутствие примеси бромида натрия в исходной соли.

Ответ: Наличие примеси бромида натрия в поваренной соли можно доказать, обработав ее подкисленный водный раствор хлорной водой. Образование свободного брома подтверждается методом экстракции с помощью органического растворителя. Появление желто-бурой окраски органического слоя свидетельствует о присутствии бромид-ионов.