Страница 225 - гдз по химии 10-11 класс задачник Еремин, Дроздов

7.305. Учащийся проводил синтез гидромагнезита ${\mathrm{Mg}}_5{\left({\mathrm{CO}}_3\right)}_4{\left(\mathrm{OH}\right)}_2$ смешением растворов сульфата магния и карбоната натрия. Фильтрат, полученный после отделения осадка, при кипячении дал осадок среднего карбоната магния. Как это можно объяснить? Запишите уравнения реакций.

Решение

Данное явление можно объяснить последовательным протеканием нескольких химических процессов.

1. При смешении водных растворов сульфата магния ($MgSO_4$) и карбоната натрия ($Na_2CO_3$) происходит не просто реакция обмена с образованием среднего карбоната, а синтез основной соли — гидромагнезита $Mg_5(CO_3)_4(OH)_2$. Это связано с тем, что карбонат натрия, будучи солью сильного основания и слабой кислоты, в водном растворе подвергается гидролизу. Гидролиз карбонат-иона приводит к появлению в растворе гидроксид-ионов ($OH^-$) и гидрокарбонат-ионов ($HCO_3^-$), что создает щелочную среду.

$CO_3^{2-} + H_2O \rightleftharpoons HCO_3^- + OH^-$

Образовавшиеся гидроксид-ионы участвуют в формировании осадка основной соли. При этом в качестве побочного продукта образуется растворимый гидрокарбонат натрия. Суммарное уравнение первой реакции:

$5 MgSO_4 + 6 Na_2CO_3 + 2 H_2O \rightarrow Mg_5(CO_3)_4(OH)_2 \downarrow + 5 Na_2SO_4 + 2 NaHCO_3$

2. После фильтрования и отделения осадка гидромагнезита в фильтрате остаются растворимые вещества: сульфат натрия ($Na_2SO_4$), гидрокарбонат натрия ($NaHCO_3$) и, вероятно, некоторое количество непрореагировавшего сульфата магния (ионов $Mg^{2+}$). Ионы магния вступают в реакцию с гидрокарбонат-ионами, образуя гидрокарбонат магния $Mg(HCO_3)_2$, который хорошо растворим в воде.

3. Гидрокарбонат магния — термически нестойкое соединение. При нагревании (кипячении) раствора он разлагается с образованием нерастворимого в горячей воде среднего карбоната магния ($MgCO_3$), который и выпадает в виде осадка, а также воды и углекислого газа.

$Mg(HCO_3)_2 \xrightarrow{t^\circ} MgCO_3 \downarrow + H_2O + CO_2 \uparrow$

Таким образом, появление второго осадка при кипячении фильтрата объясняется наличием в нем растворимого гидрокарбоната магния и его последующим термическим разложением.

Ответ:

Образование осадка при кипячении фильтрата объясняется тем, что в ходе основной реакции из-за гидролиза карбонат-иона в растворе образуется растворимый гидрокарбонат натрия. Он, в свою очередь, реагирует с избыточными ионами магния, образуя растворимый гидрокарбонат магния. При кипячении гидрокарбонат магния разлагается с образованием нерастворимого среднего карбоната магния.

Уравнения реакций:

1. Синтез гидромагнезита:
$5 MgSO_4 + 6 Na_2CO_3 + 2 H_2O \rightarrow Mg_5(CO_3)_4(OH)_2 \downarrow + 5 Na_2SO_4 + 2 NaHCO_3$

2. Разложение гидрокарбоната магния в фильтрате при кипячении:
$Mg(HCO_3)_2 \xrightarrow{t^\circ} MgCO_3 \downarrow + H_2O + CO_2 \uparrow$

7.306. Хранящаяся в лаборатории дистиллированная вода содержит 0,5 мг/л углекислого газа. Рассчитайте pH этой воды, предполагая, что весь углекислый газ присутствует в растворе в виде угольной кислоты, первая константа диссоциации которой равна $3,6 · {10}^{-7}.$

Дано:

Массовая концентрация $CO_2$: $\gamma(CO_2) = 0,5 \text{ мг/л}$

Первая константа диссоциации угольной кислоты: $K_{a1} = 3,6 \cdot 10^{-7}$

Найти:

pH - ?

Решение

Согласно условию задачи, весь углекислый газ, растворенный в воде, образует угольную кислоту ($H_2CO_3$):

$CO_2 + H_2O \rightleftharpoons H_2CO_3$

Следовательно, начальная концентрация угольной кислоты равна молярной концентрации растворенного $CO_2$.

1. Рассчитаем молярную массу углекислого газа:

$M(CO_2) = M(C) + 2 \cdot M(O) = 12,01 + 2 \cdot 16,00 = 44,01 \text{ г/моль}$

2. Рассчитаем начальную молярную концентрацию угольной кислоты ($C_{H_2CO_3}$):

$C_{H_2CO_3} = \frac{\gamma(CO_2)}{M(CO_2)} = \frac{0,5 \cdot 10^{-3} \text{ г/л}}{44,01 \text{ г/моль}} \approx 1,136 \cdot 10^{-5} \text{ моль/л}$

3. Угольная кислота является слабой двухосновной кислотой. Поскольку в задаче дана только первая константа диссоциации, для расчета pH мы будем учитывать только первую ступень диссоциации, так как вклад второй ступени в концентрацию ионов $H^+$ пренебрежимо мал.

Уравнение диссоциации по первой ступени:

$H_2CO_3 \rightleftharpoons H^+ + HCO_3^-$

4. Запишем выражение для константы диссоциации $K_{a1}$:

$K_{a1} = \frac{[H^+][HCO_3^-]}{[H_2CO_3]}$

Пусть равновесная концентрация ионов $[H^+]$ равна $x$. Тогда, согласно уравнению реакции, $[HCO_3^-] = x$, а равновесная концентрация недиссоциированной кислоты $[H_2CO_3] = C_{H_2CO_3} - x$.

Подставим эти значения в выражение для константы:

$K_{a1} = \frac{x \cdot x}{C_{H_2CO_3} - x} = \frac{x^2}{1,136 \cdot 10^{-5} - x}$

Получаем квадратное уравнение:

$x^2 = K_{a1} \cdot (1,136 \cdot 10^{-5} - x)$

$x^2 + K_{a1}x - K_{a1} \cdot (1,136 \cdot 10^{-5}) = 0$

$x^2 + (3,6 \cdot 10^{-7})x - (3,6 \cdot 10^{-7}) \cdot (1,136 \cdot 10^{-5}) = 0$

$x^2 + 3,6 \cdot 10^{-7}x - 4,09 \cdot 10^{-12} = 0$

5. Решим квадратное уравнение вида $ax^2 + bx + c = 0$ с помощью формулы $x = \frac{-b \pm \sqrt{b^2 - 4ac}}{2a}$:

$x = \frac{-3,6 \cdot 10^{-7} \pm \sqrt{(3,6 \cdot 10^{-7})^2 - 4 \cdot 1 \cdot (-4,09 \cdot 10^{-12})}}{2 \cdot 1}$

$x = \frac{-3,6 \cdot 10^{-7} \pm \sqrt{1,296 \cdot 10^{-13} + 1,636 \cdot 10^{-11}}}{2}$

$x = \frac{-3,6 \cdot 10^{-7} \pm \sqrt{0,01296 \cdot 10^{-11} + 1,636 \cdot 10^{-11}}}{2}$

$x = \frac{-3,6 \cdot 10^{-7} \pm \sqrt{1,649 \cdot 10^{-11}}}{2}$

$x = \frac{-3,6 \cdot 10^{-7} \pm 4,06 \cdot 10^{-6}}{2}$

Так как концентрация не может быть отрицательной, выбираем корень со знаком плюс:

$x = [H^+] = \frac{-3,6 \cdot 10^{-7} + 4,06 \cdot 10^{-6}}{2} = \frac{3,70 \cdot 10^{-6}}{2} = 1,85 \cdot 10^{-6} \text{ моль/л}$

6. Теперь рассчитаем pH:

$pH = -\lg[H^+] = -\lg(1,85 \cdot 10^{-6})$

$pH = -(\lg(1,85) + \lg(10^{-6})) = -(\lg(1,85) - 6) = 6 - \lg(1,85)$

$pH \approx 6 - 0,267 = 5,733$

Округляя до двух знаков после запятой, получаем:

$pH \approx 5,73$

Ответ: $pH \approx 5,73$.

7.307. Смесь карбоната натрия и гидрокарбоната натрия может прореагировать с 73 г 20%-го раствора соляной кислоты или 100 г 8%-го раствора гидроксида натрия. Определите массовую долю карбоната натрия в исходной смеси.

Дано:

$m(\text{р-ра } HCl) = 73 \text{ г}$
$\omega(HCl) = 20\% = 0.2$
$m(\text{р-ра } NaOH) = 100 \text{ г}$
$\omega(NaOH) = 8\% = 0.08$

Найти:

$\omega(Na_2CO_3)$ в исходной смеси

Решение:

В исходной смеси находятся карбонат натрия ($Na_2CO_3$) и гидрокарбонат натрия ($NaHCO_3$).

С гидроксидом натрия ($NaOH$) реагирует только гидрокарбонат натрия, так как карбонат натрия является солью сильного основания и слабой кислоты и не взаимодействует с $NaOH$. Уравнение реакции:

$NaHCO_3 + NaOH \rightarrow Na_2CO_3 + H_2O$

С соляной кислотой ($HCl$) реагируют оба компонента смеси:

$Na_2CO_3 + 2HCl \rightarrow 2NaCl + H_2O + CO_2$

$NaHCO_3 + HCl \rightarrow NaCl + H_2O + CO_2$

1. Определим количество вещества $NaHCO_3$ в смеси по реакции с $NaOH$.

Найдем массу чистого гидроксида натрия в растворе:
$m(NaOH) = m(\text{р-ра } NaOH) \cdot \omega(NaOH) = 100 \text{ г} \cdot 0.08 = 8 \text{ г}$.

Найдем количество вещества $NaOH$, используя молярную массу $M(NaOH) = 40 \text{ г/моль}$:
$n(NaOH) = \frac{m(NaOH)}{M(NaOH)} = \frac{8 \text{ г}}{40 \text{ г/моль}} = 0.2 \text{ моль}$.

Согласно уравнению реакции, $n(NaHCO_3) = n(NaOH)$. Следовательно, в исходной смеси содержится:
$n(NaHCO_3) = 0.2 \text{ моль}$.

2. Определим количество вещества $Na_2CO_3$ в смеси по реакции с $HCl$.

Найдем массу чистой соляной кислоты в растворе:
$m(HCl) = m(\text{р-ра } HCl) \cdot \omega(HCl) = 73 \text{ г} \cdot 0.20 = 14.6 \text{ г}$.

Найдем общее количество вещества $HCl$, используя молярную массу $M(HCl) = 36.5 \text{ г/моль}$:
$n_{\text{общ}}(HCl) = \frac{m(HCl)}{M(HCl)} = \frac{14.6 \text{ г}}{36.5 \text{ г/моль}} = 0.4 \text{ моль}$.

Это общее количество кислоты расходуется на реакцию с обоими компонентами. Рассчитаем, сколько кислоты ушло на реакцию с $NaHCO_3$ (соотношение 1:1):
$n_1(HCl) = n(NaHCO_3) = 0.2 \text{ моль}$.

Оставшееся количество кислоты прореагировало с $Na_2CO_3$:
$n_2(HCl) = n_{\text{общ}}(HCl) - n_1(HCl) = 0.4 \text{ моль} - 0.2 \text{ моль} = 0.2 \text{ моль}$.

Согласно уравнению реакции, $n(Na_2CO_3) = \frac{1}{2} n_2(HCl)$. Следовательно, в исходной смеси содержится:
$n(Na_2CO_3) = \frac{0.2 \text{ моль}}{2} = 0.1 \text{ моль}$.

3. Рассчитаем массовую долю $Na_2CO_3$ в смеси.

Найдем массы компонентов смеси, используя их молярные массы: $M(Na_2CO_3) = 106 \text{ г/моль}$, $M(NaHCO_3) = 84 \text{ г/моль}$.
$m(Na_2CO_3) = n(Na_2CO_3) \cdot M(Na_2CO_3) = 0.1 \text{ моль} \cdot 106 \text{ г/моль} = 10.6 \text{ г}$.
$m(NaHCO_3) = n(NaHCO_3) \cdot M(NaHCO_3) = 0.2 \text{ моль} \cdot 84 \text{ г/моль} = 16.8 \text{ г}$.

Общая масса смеси:
$m(\text{смеси}) = m(Na_2CO_3) + m(NaHCO_3) = 10.6 \text{ г} + 16.8 \text{ г} = 27.4 \text{ г}$.

Массовая доля $Na_2CO_3$ в смеси:
$\omega(Na_2CO_3) = \frac{m(Na_2CO_3)}{m(\text{смеси})} \cdot 100\% = \frac{10.6 \text{ г}}{27.4 \text{ г}} \cdot 100\% \approx 38.69\%$.

Ответ: массовая доля карбоната натрия в исходной смеси составляет 38,7%.

7.308. Смесь гидрокарбоната и карбоната калия с массовой долей карбоната в ней 73,4% может прореагировать с 80 г 7%-го раствора гидроксида калия. Исходную смесь обработали избытком раствора серной кислоты. Какой объём (н. у.) газа выделяется при этом?

Дано:

Смесь $KHCO_3$ и $K_2CO_3$

$\omega(K_2CO_3) = 73,4\% = 0,734$

$m_{р-ра}(KOH) = 80 \text{ г}$

$\omega(KOH) = 7\% = 0,07$

Избыток раствора $H_2SO_4$

Условия: нормальные (н. у.)

Найти:

$V(газа) - ?$

Решение:

1. Взаимодействие с гидроксидом калия. Из двух солей, входящих в состав смеси, с гидроксидом калия ($KOH$) будет реагировать только кислая соль — гидрокарбонат калия ($KHCO_3$). Карбонат калия ($K_2CO_3$) с $KOH$ не реагирует.

Уравнение реакции:

$KHCO_3 + KOH \rightarrow K_2CO_3 + H_2O$

2. Найдем количество вещества $KOH$, вступившего в реакцию. Сначала вычислим массу чистого $KOH$ в растворе:

$m(KOH) = m_{р-ра}(KOH) \times \omega(KOH) = 80 \text{ г} \times 0,07 = 5,6 \text{ г}$

Молярная масса $KOH$:

$M(KOH) = 39 + 16 + 1 = 56 \text{ г/моль}$

Количество вещества $KOH$:

$n(KOH) = \frac{m(KOH)}{M(KOH)} = \frac{5,6 \text{ г}}{56 \text{ г/моль}} = 0,1 \text{ моль}$

3. Определим количество вещества $KHCO_3$ в исходной смеси. Согласно уравнению реакции, $n(KHCO_3) = n(KOH)$, следовательно:

$n(KHCO_3) = 0,1 \text{ моль}$

4. Определим количество вещества $K_2CO_3$ в исходной смеси. Нам известна массовая доля $K_2CO_3$ в смеси (73,4%), следовательно, массовая доля $KHCO_3$ составляет $100\% - 73,4\% = 26,6\%$.

Вычислим молярные массы компонентов смеси:

$M(KHCO_3) = 39 + 1 + 12 + 3 \times 16 = 100 \text{ г/моль}$

$M(K_2CO_3) = 2 \times 39 + 12 + 3 \times 16 = 138 \text{ г/моль}$

Пусть в смеси содержится $x$ моль $K_2CO_3$. Тогда массы компонентов равны:

$m(KHCO_3) = n(KHCO_3) \times M(KHCO_3) = 0,1 \text{ моль} \times 100 \text{ г/моль} = 10 \text{ г}$

$m(K_2CO_3) = x \text{ моль} \times 138 \text{ г/моль} = 138x \text{ г}$

Составим уравнение, используя определение массовой доли:

$\omega(K_2CO_3) = \frac{m(K_2CO_3)}{m(K_2CO_3) + m(KHCO_3)}$

$0,734 = \frac{138x}{138x + 10}$

$0,734 \times (138x + 10) = 138x$

$101,292x + 7,34 = 138x$

$36,708x = 7,34$

$x = \frac{7,34}{36,708} \approx 0,2 \text{ моль}$

Таким образом, $n(K_2CO_3) = 0,2 \text{ моль}$.

5. Взаимодействие с серной кислотой. При обработке смеси избытком серной кислоты ($H_2SO_4$) оба компонента вступают в реакцию, выделяя углекислый газ ($CO_2$).

Уравнения реакций:

$2KHCO_3 + H_2SO_4 \rightarrow K_2SO_4 + 2H_2O + 2CO_2\uparrow$

$K_2CO_3 + H_2SO_4 \rightarrow K_2SO_4 + H_2O + CO_2\uparrow$

6. Рассчитаем общее количество вещества выделившегося $CO_2$. Из реакции с $KHCO_3$: по уравнению $n_1(CO_2) = n(KHCO_3) = 0,1 \text{ моль}$.

Из реакции с $K_2CO_3$: по уравнению $n_2(CO_2) = n(K_2CO_3) = 0,2 \text{ моль}$.

Общее количество вещества $CO_2$:

$n_{общ}(CO_2) = n_1(CO_2) + n_2(CO_2) = 0,1 \text{ моль} + 0,2 \text{ моль} = 0,3 \text{ моль}$

7. Рассчитаем объём выделившегося газа при нормальных условиях (н. у.), где молярный объём газа $V_m = 22,4 \text{ л/моль}$.

$V(CO_2) = n_{общ}(CO_2) \times V_m = 0,3 \text{ моль} \times 22,4 \text{ л/моль} = 6,72 \text{ л}$

Ответ: выделится $6,72 \text{ л}$ газа.

7.309. Объясните, почему гидрокарбонат кальция не удаётся выделить в виде индивидуального вещества.

Гидрокарбонат кальция ($Ca(HCO_3)_2$) является кислой солью, которая существует только в водном растворе и не может быть выделена в твердом, индивидуальном виде из-за своей нестабильности.

Образование гидрокарбоната кальция описывается обратимой химической реакцией, которая происходит при пропускании избытка углекислого газа через водную суспензию карбоната кальция:

$CaCO_3(тв) + H_2O(ж) + CO_2(г) \rightleftharpoons Ca(HCO_3)_2(р-р)$

В результате этой реакции нерастворимый в воде карбонат кальция ($CaCO_3$) превращается в растворимую соль – гидрокарбонат кальция ($Ca(HCO_3)_2$). Существование этой соли в растворе поддерживается за счет наличия растворенного углекислого газа ($CO_2$), то есть равновесие смещено вправо.

Если попытаться выделить гидрокарбонат кальция из раствора, например, путем выпаривания воды, то равновесие реакции сместится влево. При нагревании раствора растворимость углекислого газа в воде резко падает, и он улетучивается. Согласно принципу Ле Шателье, система будет стремиться скомпенсировать это изменение, и равновесие сдвинется в сторону разложения гидрокарбоната кальция. Происходит обратная реакция:

$Ca(HCO_3)_2(р-р) \xrightarrow{t} CaCO_3(тв)\downarrow + H_2O(ж) + CO_2(г)\uparrow$

Таким образом, при любой попытке удаления растворителя (воды) гидрокарбонат кальция разлагается с образованием нерастворимого осадка карбоната кальция. Именно по этой причине невозможно получить твердый $Ca(HCO_3)_2$. Этот же процесс объясняет образование накипи в чайниках и котлах при кипячении жесткой воды.

Ответ: Гидрокарбонат кальция не удается выделить в виде индивидуального вещества, так как он неустойчив и существует только в водном растворе в состоянии химического равновесия, которое поддерживается присутствием растворенного углекислого газа. При попытке его выделения (например, при нагревании для испарения воды) равновесие смещается, и гидрокарбонат кальция разлагается на исходные вещества: нерастворимый карбонат кальция, воду и углекислый газ.

7.310. Объясните, почему карбонат алюминия не может быть получен из водного раствора.

Решение

Карбонат алюминия ($Al_2(CO_3)_3$) — это соль, образованная катионом, соответствующим слабому основанию ($Al(OH)_3$), и анионом, соответствующим слабой кислоте ($H_2CO_3$). Для солей, образованных одновременно слабым основанием и слабой кислотой, характерен процесс полного, необратимого взаимного гидролиза в водной среде.

Это означает, что при попытке получить карбонат алюминия реакцией обмена в водном растворе (например, смешивая растворы хлорида алюминия и карбоната натрия), ионы $Al^{3+}$ и $CO_3^{2-}$ не образуют осадок $Al_2(CO_3)_3$, а необратимо реагируют с молекулами воды.

Происходит совместный гидролиз (взаимное усиление гидролиза), который можно представить в виде суммарного ионного уравнения. Ионы алюминия реагируют с водой с образованием гидроксида алюминия, а карбонат-ионы — с образованием угольной кислоты: $$2Al^{3+} + 3CO_3^{2-} + 6H_2O \rightarrow 2Al(OH)_3 \downarrow + 3H_2CO_3$$

Образовавшаяся в результате реакции угольная кислота ($H_2CO_3$) является крайне нестабильным соединением и немедленно разлагается на углекислый газ и воду: $$3H_2CO_3 \rightarrow 3CO_2 \uparrow + 3H_2O$$

Таким образом, итоговое уравнение реакции, которое наблюдается на практике, включает образование осадка гидроксида алюминия и выделение углекислого газа, а не образование карбоната алюминия. Для примера с хлоридом алюминия и карбонатом натрия молекулярное уравнение выглядит так: $$2AlCl_3 + 3Na_2CO_3 + 3H_2O \rightarrow 2Al(OH)_3 \downarrow + 3CO_2 \uparrow + 6NaCl$$

Вместо ожидаемого осадка карбоната алюминия образуется осадок гидроксида алюминия ($Al(OH)_3$) и выделяется углекислый газ ($CO_2$), что делает невозможным получение $Al_2(CO_3)_3$ из водного раствора.

Ответ: Карбонат алюминия не может быть получен из водного раствора, потому что он является солью, образованной катионом слабого основания ($Al^{3+}$) и анионом слабой кислоты ($CO_3^{2-}$). В присутствии воды такое соединение подвергается полному и необратимому взаимному гидролизу с образованием нерастворимого гидроксида алюминия ($Al(OH)_3$) и углекислого газа ($CO_2$), который выделяется в результате разложения нестабильной угольной кислоты.

7.311. Почему жёлтый кварцевый песок при обработке концентрированной соляной кислотой становится бесцветным?

Решение

Кварцевый песок по своей химической природе является диоксидом кремния ($SiO_2$). В чистом виде это бесцветное вещество. Жёлтый или рыжеватый оттенок песку придают примеси, в основном это соединения трёхвалентного железа, такие как оксид железа(III) ($Fe_2O_3$) или гидроксид железа(III) ($FeO(OH)$). Эти соединения образуют тонкую плёнку на поверхности песчинок.

При обработке песка концентрированной соляной кислотой ($HCl$) происходят следующие процессы:

1. Диоксид кремния ($SiO_2$) является кислотным оксидом и химически инертен по отношению к соляной кислоте, поэтому он с ней не реагирует.
2. Соединения железа(III), обладающие основными свойствами, вступают в реакцию с кислотой. В результате реакции образуется хлорид железа(III) ($FeCl_3$), который является хорошо растворимой в воде солью, и вода.

Уравнения соответствующих химических реакций:
$Fe_2O_3 + 6HCl \rightarrow 2FeCl_3 + 3H_2O$
$FeO(OH) + 3HCl \rightarrow FeCl_3 + 2H_2O$

Таким образом, окрашенные примеси соединений железа растворяются в кислоте и смываются с поверхности зёрен кварца. В результате остаётся чистый диоксид кремния, который бесцветен.

Ответ: Жёлтый цвет кварцевому песку придают примеси соединений железа(III). Концентрированная соляная кислота растворяет эти примеси, превращая их в растворимый хлорид железа(III), но не реагирует с самим диоксидом кремния. После удаления окрашенных примесей песок становится бесцветным.

7.312. Как объяснить растворение кремния в смеси азотной и плавиковой кислот и растворение кварца в плавиковой кислоте?

Растворение кремния в смеси азотной и плавиковой кислот

Растворение кремния ($Si$) в смеси концентрированной азотной ($HNO_3$) и плавиковой ($HF$) кислот является результатом совместного действия этих двух реагентов. По отдельности эти кислоты не могут растворить кремний в значительной степени.

Процесс можно разбить на два одновременно протекающих этапа:

1. Окисление кремния. Азотная кислота является сильным окислителем. Она окисляет поверхность кремния, образуя на ней тонкую, но очень прочную и химически стойкую пленку диоксида кремния ($SiO_2$). Этот процесс называется пассивацией, и он защищает кремний от дальнейшего взаимодействия с одной лишь азотной кислотой.
Уравнение реакции окисления: $Si + 4HNO_{3(конц.)} \rightarrow SiO_2 \downarrow + 4NO_2 \uparrow + 2H_2O$

2. Растворение оксидной пленки. Плавиковая кислота — одна из немногих кислот, способных реагировать с диоксидом кремния. Она немедленно растворяет оксидную пленку, образующуюся на поверхности кремния, превращая ее в хорошо растворимую в воде гексафторокремниевую кислоту ($H_2[SiF_6]$).
Уравнение реакции растворения оксида: $SiO_2 + 6HF \rightarrow H_2[SiF_6] + 2H_2O$

Таким образом, плавиковая кислота постоянно удаляет защитный слой $SiO_2$, открывая доступ азотной кислоте к "свежим" слоям кремния. Это позволяет процессу окисления и последующего растворения оксида протекать непрерывно до тех пор, пока весь кремний не растворится. Суммарное уравнение этого сложного процесса выглядит так:

$3Si + 4HNO_3 + 18HF \rightarrow 3H_2[SiF_6] + 4NO \uparrow + 8H_2O$

Ответ: Растворение кремния в смеси азотной и плавиковой кислот объясняется двухстадийным процессом: азотная кислота окисляет кремний до диоксида кремния ($SiO_2$), а плавиковая кислота немедленно растворяет эту оксидную пленку, что позволяет реакции окисления продолжаться.

Растворение кварца в плавиковой кислоте

Кварц представляет собой кристаллическую модификацию диоксида кремния ($SiO_2$). Это вещество с атомной кристаллической решеткой, в которой атомы связаны очень прочными ковалентными связями $Si-O$. Благодаря этому кварц химически очень инертен и не растворяется в воде и большинстве кислот.

Плавиковая (фтороводородная) кислота ($HF$) является уникальным исключением. Её способность растворять кварц и стекло (которое также в основном состоит из $SiO_2$) обусловлена несколькими факторами:

1. Высокая прочность связи $Si-F$. Связь между кремнием и фтором является одной из самых прочных одинарных связей в химии.

2. Образование устойчивого комплекса. В ходе реакции образуется очень устойчивое комплексное соединение — гексафторокремниевая кислота ($H_2[SiF_6]$), которая хорошо растворима в воде. Ион фтора ($F^−$) эффективно атакует атом кремния в структуре $SiO_2$, разрушая прочные $Si-O-Si$ мостики.

Реакция растворения кварца в водном растворе плавиковой кислоты описывается следующим уравнением:

$SiO_2 + 6HF \rightarrow H_2[SiF_6] + 2H_2O$

Именно эта реакция лежит в основе процесса травления стекла.

Ответ: Растворение кварца ($SiO_2$) в плавиковой кислоте ($HF$) объясняется уникальной способностью этой кислоты разрушать прочные связи $Si-O$ в кристаллической решетке диоксида кремния с образованием растворимого и очень устойчивого комплексного соединения — гексафторокремниевой кислоты ($H_2[SiF_6]$).

7.313. Что такое карборунд? Как его получают в промышленности из кварцевого песка? Запишите уравнение реакции.

Что такое карборунд?

Карборунд — это техническое название карбида кремния, бинарного неорганического химического соединения кремния с углеродом. Его химическая формула — $SiC$. Карборунд является одним из самых твёрдых материалов (твёрдость по шкале Мооса 9–9,5), уступая по этому показателю только алмазу. Благодаря своей высокой твёрдости, тугоплавкости (температура разложения около 2700 °C) и химической стойкости, он широко используется в качестве абразивного материала (для шлифовки, резки), в производстве огнеупоров, а также как полупроводник в силовой электронике.

Ответ: Карборунд — это карбид кремния ($SiC$), очень твёрдое и тугоплавкое соединение кремния и углерода, используемое как абразив, огнеупор и полупроводник.

Как его получают в промышленности из кварцевого песка?

В промышленности карборунд получают по так называемому процессу Ачесона. Этот метод заключается в высокотемпературном нагреве смеси (шихты) из чистого кварцевого песка, который является источником кремния ($SiO_2$), и углеродистого восстановителя, например, нефтяного кокса или антрацита. Смесь загружают в электрическую печь сопротивления и нагревают до температур порядка 2000–2500 °C. При этих условиях происходит карботермическое восстановление диоксида кремния до карбида кремния.

Ответ: Карборунд получают путём нагревания смеси кварцевого песка ($SiO_2$) и кокса (углерода) в электрических печах при температуре 2000–2500 °C.

Запишите уравнение реакции.

Основная химическая реакция, лежащая в основе промышленного получения карборунда, представляет собой восстановление диоксида кремния углеродом. Уравнение этой высокотемпературной реакции выглядит следующим образом:

$SiO_2 + 3C \xrightarrow{t^\circ} SiC + 2CO\uparrow$

В данной реакции из диоксида кремния (кварцевый песок) и углерода (кокс) образуются целевой продукт — карбид кремния (карборунд), и побочный продукт — угарный газ, который удаляется из зоны реакции.

Ответ: $SiO_2 + 3C \xrightarrow{t^\circ} SiC + 2CO\uparrow$.

7.314. При взаимодействии кремния с хлороводородом при нагревании образуется силикохлороформ ${\mathrm{SiHCl}}_3$ – бесцветная жидкость, разлагаемая водой с выделением газа. Запишите уравнения реакций.

В задаче описаны два химических процесса, для которых необходимо составить уравнения реакций.

1. Взаимодействие кремния с хлороводородом при нагревании

При пропускании газообразного хлороводорода над кремнием при температуре около 300-350°C происходит окислительно-восстановительная реакция. Кремний (степень окисления 0) окисляется, а водород из хлороводорода (степень окисления +1) восстанавливается, образуя силикохлороформ (трихлорсилан) и газообразный водород.

Уравнение реакции:

$$Si + 3HCl \xrightarrow{t} SiHCl_3 + H_2 \uparrow$$

Ответ: $$Si + 3HCl \xrightarrow{t} SiHCl_3 + H_2 \uparrow$$

2. Разложение силикохлороформа водой

Силикохлороформ (трихлорсилан) является соединением с ковалентными полярными связями Si-Cl и Si-H, которые легко подвергаются гидролизу (разложению водой). В результате реакции с водой образуется нерастворимый гидратированный диоксид кремния (кремниевая кислота), который выпадает в осадок, а также хлороводород и газообразный водород, о выделении которого говорится в условии задачи.

Уравнение реакции, где в качестве твёрдого продукта образуется диоксид кремния:

$$SiHCl_3 + 2H_2O \rightarrow SiO_2 \downarrow + 3HCl + H_2 \uparrow$$

Иногда в качестве продукта записывают метакремниевую кислоту, что также является верным. В этом случае уравнение выглядит так:

$$SiHCl_3 + 3H_2O \rightarrow H_2SiO_3 \downarrow + 3HCl + H_2 \uparrow$$

Ответ: $$SiHCl_3 + 2H_2O \rightarrow SiO_2 \downarrow + 3HCl + H_2 \uparrow$$

7.315. Какое координационное число имеет кремний практически во всех кислородных соединениях?

Координационное число (КЧ) — это число ближайших атомов (лигандов), окружающих центральный атом в химическом соединении. Для кремния в его кислородных соединениях это число почти всегда постоянно.

Кремний ($Si$) в подавляющем большинстве своих кислородных соединений, таких как диоксид кремния ($SiO_2$) и различные силикаты, имеет координационное число 4. Это связано с тем, что атом кремния образует четыре прочные ковалентные связи с четырьмя атомами кислорода. Эти атомы кислорода располагаются в вершинах тетраэдра, в центре которого находится атом кремния. Структурная единица `$[SiO_4]$` является основной для построения кристаллических решеток кварца, других модификаций $SiO_2$, а также всех силикатных минералов, составляющих большую часть земной коры.

Например, в кристаллической решетке кварца каждый атом кремния связан с четырьмя атомами кислорода, а каждый атом кислорода, в свою очередь, является мостиком между двумя атомами кремния, образуя трехмерный каркас из тетраэдров `$[SiO_4]$`.

Формулировка «практически во всех» указывает на существование редких исключений. При очень высоких давлениях (сотни тысяч атмосфер) кремний может проявлять координационное число 6. Примером является минерал стишовит — полиморфная модификация $SiO_2$, образующаяся при ударном метаморфизме (например, при падении метеоритов). В структуре стишовита каждый атом кремния окружен шестью атомами кислорода, образуя октаэдрическую координацию. Однако такие условия являются экстремальными и нетипичными.

Таким образом, для всех распространенных в природе и технике кислородных соединений кремния его координационное число равно четырем.

Ответ: Практически во всех кислородных соединениях кремний имеет координационное число 4.

7.316. Почему кремниевая кислота ${\mathrm{H}}_4{\mathrm{SiO}}_4,$ в отличие от серной, не устойчива к поликонденсации и выпадает в осадок в виде смеси различных поликремниевых кислот?

Неустойчивость кремниевой кислоты ($H_4SiO_4$, или более точно, ортокремниевой кислоты $Si(OH)_4$) и её склонность к поликонденсации, в отличие от серной кислоты ($H_2SO_4$), объясняется несколькими ключевыми различиями в их строении и свойствах центральных атомов.

1. Структура и количество функциональных групп

Молекула ортокремниевой кислоты $Si(OH)_4$ имеет тетраэдрическое строение с четырьмя гидроксильными группами ($-OH$), связанными с центральным атомом кремния. Каждая из этих групп способна вступать в реакцию конденсации с гидроксильной группой другой молекулы. В ходе этой реакции отщепляется молекула воды и образуется прочная силоксановая связь ($Si-O-Si$).

Процесс начинается с димеризации:

$2H_4SiO_4 \rightarrow (HO)_3Si-O-Si(OH)_3 + H_2O$

Так как у каждой молекулы четыре реакционных центра, этот процесс продолжается, приводя к образованию длинных цепей, разветвленных структур и, в конечном итоге, трёхмерной сетки поликремниевых кислот. Общая формула этих кислот может быть записана как $[SiO_x(OH)_{4-2x}]_n$. По мере роста полимерные молекулы становятся нерастворимыми в воде и выпадают в осадок в виде геля (силикагель).

В отличие от этого, молекула серной кислоты $H_2SO_4$ (структурная формула $O_2S(OH)_2$) имеет только две гидроксильные группы. Теоретически, они могут вступать в реакцию конденсации с образованием дисерной (пиросерной) кислоты:

$2H_2SO_4 \rightleftharpoons H_2S_2O_7 + H_2O$

Однако эта реакция является обратимой, и дальнейшая поликонденсация с образованием более длинных цепей практически не происходит.

2. Прочность и стабильность связей

Ключевым фактором является исключительно высокая прочность и термодинамическая стабильность силоксановой связи $Si-O-Si$. Её образование является энергетически выгодным процессом, что и служит движущей силой поликонденсации. Образовавшиеся поликремниевые кислоты и их конечный продукт, диоксид кремния ($SiO_2$), очень устойчивы к гидролизу (обратному процессу расщепления водой).

Связь $S-O-S$ в дисерной кислоте, напротив, значительно менее стабильна и легко подвергается гидролизу. В водных растворах равновесие реакции образования $H_2S_2O_7$ сильно смещено влево, в сторону исходной серной кислоты. Кроме того, атом серы в $H_2SO_4$ уже образует две очень прочные двойные связи $S=O$, что делает всю молекулу очень стабильной и несклонной к перестройке связей для образования полимеров.

3. Свойства центрального атома

Атом кремния (период 3, группа 14) имеет больший радиус и меньшую электроотрицательность по сравнению с атомом серы (период 3, группа 16). Эти свойства кремния способствуют образованию стабильных одинарных связей $Si-O$ и формированию протяженных полимерных каркасов. Сера, будучи более электроотрицательной, образует стабильные, компактные молекулы с прочными двойными связями $S=O$, что делает полимеризацию невыгодной.

Ответ:

Кремниевая кислота ($H_4SiO_4$) неустойчива и поликонденсируется, потому что её молекула имеет четыре реакционноспособные гидроксильные группы и образование очень прочных и стабильных силоксановых связей ($Si-O-Si$) является энергетически выгодным процессом. Это приводит к росту полимерных цепей и сеток, которые нерастворимы в воде и выпадают в осадок. Серная кислота ($H_2SO_4$), напротив, имеет только две гидроксильные группы и очень стабильные двойные связи $S=O$. Образование полимерных цепей через связи $S-O-S$ для неё энергетически невыгодно, а немногочисленные продукты конденсации (например, дисерная кислота) легко гидролизуются обратно до исходной кислоты, поэтому серная кислота существует в виде стабильных отдельных молекул.