Страница 229 - гдз по химии 10-11 класс задачник Еремин, Дроздов

8.1. Как изменяется восстановительная активность щелочных металлов с ростом порядкового номера?

Восстановительная активность элемента характеризует его способность отдавать электроны в химических реакциях. Щелочные металлы (элементы IA группы: Li, Na, K, Rb, Cs, Fr) имеют на внешнем электронном слое всего один электрон, который они легко отдают, проявляя сильные восстановительные свойства.

Рассмотрим, как эта способность изменяется с ростом порядкового номера, то есть при движении по группе сверху вниз.

С ростом порядкового номера у щелочных металлов:

• Увеличивается число энергетических уровней (электронных слоев). Например, у лития (Li, Z=3) их два, а у цезия (Cs, Z=55) — шесть.
• Возрастает радиус атома. Внешний (валентный) электрон оказывается все дальше от ядра.
• Ослабевает сила притяжения валентного электрона к ядру из-за его удаленности и экранирующего эффекта внутренних электронов.

Вследствие этих факторов энергия, которую необходимо затратить на отрыв валентного электрона (энергия ионизации), уменьшается в ряду от лития к цезию. Чем меньше энергии требуется для отрыва электрона, тем легче атом его отдает, и, следовательно, тем выше его восстановительная активность.

Таким образом, в ряду Li → Na → K → Rb → Cs восстановительная активность возрастает.

Ответ: С ростом порядкового номера восстановительная активность щелочных металлов увеличивается (возрастает).

8.2. Почему ряд активности металлов начинается с лития?

Ряд активности металлов, также известный как электрохимический ряд напряжений, представляет собой последовательность металлов, расположенных в порядке увеличения их стандартных электродных потенциалов ($E^0$). Этот ряд отражает сравнительную способность металлов вступать в химические реакции в водных растворах, в частности, их способность окисляться (отдавать электроны). Чем левее металл находится в ряду, тем он активнее, тем легче он отдает электроны и тем более отрицательным значением стандартного электродного потенциала он характеризуется.

Литий (Li) начинает этот ряд, потому что он обладает самым низким (наиболее отрицательным) стандартным электродным потенциалом среди всех металлов:

$Li^+ + e^- \rightleftharpoons Li \quad E^0 = -3,04 \text{ В}$

Это делает литий самым сильным восстановителем в водных растворах и, следовательно, самым активным металлом в данном ряду.

Может показаться странным, что литий, а не, например, цезий или франций, является самым активным. Ведь в группах периодической системы восстановительные свойства атомов (способность отдавать электроны) усиливаются сверху вниз с увеличением атомного радиуса и уменьшением энергии ионизации. Действительно, у цезия самая низкая энергия ионизации среди стабильных щелочных металлов.

Однако стандартный электродный потенциал определяется не только энергией ионизации, но и суммарным энергетическим эффектом всего процесса перехода металла из твёрдого состояния в состояние гидратированного иона в растворе:

$M_{(тв)} \rightarrow M^+_{(aq)} + e^-$

Этот процесс можно условно разбить на три стадии:

1. Энергия атомизации (сублимации): затраты энергии на перевод металла из твердого состояния в газообразное ($M_{(тв)} \rightarrow M_{(г)}$).
2. Энергия ионизации: затраты энергии на отрыв электрона от газообразного атома ($M_{(г)} \rightarrow M^+_{(г)} + e^-$). У лития эта энергия выше, чем у других щелочных металлов.
3. Энергия гидратации: энергия, которая выделяется при взаимодействии иона металла с молекулами воды в растворе ($M^+_{(г)} \rightarrow M^+_{(aq)}$).

Ключевым фактором, который ставит литий на первое место, является его чрезвычайно высокая энергия гидратации. Ион лития ($Li^+$) имеет очень маленький радиус по сравнению с ионами других щелочных металлов. Из-за этого он обладает высокой плотностью заряда, что позволяет ему очень сильно притягивать полярные молекулы воды. В результате процесс гидратации иона лития сопровождается выделением огромного количества энергии. Этот большой выигрыш в энергии гидратации с лихвой компенсирует более высокие затраты энергии на атомизацию и ионизацию лития по сравнению с другими щелочными металлами (например, калием или цезием).

Таким образом, суммарный энергетический эффект для процесса окисления лития в водном растворе оказывается самым выгодным, что и соответствует самому низкому значению стандартного электродного потенциала.

Ответ: Ряд активности металлов начинается с лития, потому что литий имеет самый низкий (наиболее отрицательный) стандартный электродный потенциал ($-3,04$ В). Это обусловлено тем, что аномально высокая энергия гидратации его очень маленького иона ($Li^+$) с избытком компенсирует его относительно высокие энергии атомизации и ионизации, делая процесс окисления лития в водном растворе наиболее энергетически выгодным по сравнению с другими металлами.

8.3. Какие продукты образуются при сжигании щелочных металлов в кислороде?

Щелочные металлы, являясь очень активными восстановителями, реагируют с кислородом с образованием различных продуктов. Состав этих продуктов зависит от конкретного металла и условий реакции (в основном от положения металла в Периодической системе).

Литий (Li)

При сжигании в атмосфере кислорода литий образует преимущественно оксид лития ($Li_2O$). Это единственный щелочной металл, для которого оксид является основным продуктом горения. Также в незначительных количествах может образовываться пероксид лития ($Li_2O_2$).

Уравнение реакции образования основного продукта:

$4Li + O_2 \rightarrow 2Li_2O$

Натрий (Na)

Горение натрия в кислороде приводит к образованию в основном пероксида натрия ($Na_2O_2$) — соединения, в котором кислород имеет степень окисления -1. Оксид натрия ($Na_2O$) образуется лишь как примесь.

Уравнение реакции образования основного продукта:

$2Na + O_2 \rightarrow Na_2O_2$

Калий (K), Рубидий (Rb) и Цезий (Cs)

Остальные щелочные металлы — калий, рубидий и цезий — при сжигании в кислороде образуют еще более сложные соединения с кислородом, называемые супероксидами (или надпероксидами). В них кислород имеет дробную степень окисления -1/2. Общая формула супероксидов щелочных металлов — $MO_2$.

Уравнения реакций образования основных продуктов:

$K + O_2 \rightarrow KO_2$ (супероксид калия)

$Rb + O_2 \rightarrow RbO_2$ (супероксид рубидия)

$Cs + O_2 \rightarrow CsO_2$ (супероксид цезия)

Такая закономерность объясняется увеличением радиуса катиона щелочного металла при движении вниз по группе. Маленький ион лития ($Li^+$) с высокой плотностью заряда образует наиболее устойчивую кристаллическую решетку с маленьким оксид-анионом ($O^{2-}$). По мере увеличения размера катиона ($Na^+$, $K^+$, $Rb^+$, $Cs^+$) он становится способен стабилизировать в кристаллической решетке более крупные и менее заряженные анионы — пероксид-ион ($O_2^{2-}$) и супероксид-ион ($O_2^{-}$).

Ответ: При сжигании в кислороде литий образует в основном оксид ($Li_2O$), натрий — пероксид ($Na_2O_2$), а калий, рубидий и цезий — супероксиды (соответственно $KO_2$, $RbO_2$, $CsO_2$).

8.4. Как различить оксид и пероксид натрия?

Оксид натрия ($Na_2O$) и пероксид натрия ($Na_2O_2$) можно различить с помощью качественных химических реакций, основанных на различии в их свойствах. Основное отличие заключается в том, что пероксид натрия является сильным окислителем и при взаимодействии с водой или кислотами образует пероксид водорода ($H_2O_2$), который, в свою очередь, может разлагаться с выделением кислорода.

Способ 1. Взаимодействие с водой.

Это самый простой и наглядный способ. Необходимо в две пробирки с небольшим количеством дистиллированной воды аккуратно добавить поочередно исследуемые вещества.

• При добавлении оксида натрия ($Na_2O$) в воду произойдет бурная реакция с выделением большого количества тепла и образованием раствора гидроксида натрия. Выделения газа наблюдаться не будет.
  Уравнение реакции:
  $Na_2O + H_2O \rightarrow 2NaOH$
• При добавлении пероксида натрия ($Na_2O_2$) в воду также произойдет бурная экзотермическая реакция с образованием гидроксида натрия, но, кроме этого, будет наблюдаться интенсивное выделение пузырьков газа — кислорода. Кислород образуется в результате разложения пероксида водорода, который является промежуточным продуктом реакции.
  Уравнение реакции:
  $2Na_2O_2 + 2H_2O \rightarrow 4NaOH + O_2 \uparrow$

Ответ: В пробирке, где выделяется газ, находится пероксид натрия. В пробирке, где газ не выделяется, — оксид натрия.

Способ 2. Взаимодействие с кислотой.

Можно подействовать на оба вещества разбавленным раствором сильной кислоты, например, соляной ($HCl$) или серной ($H_2SO_4$). Реакции лучше проводить при охлаждении, чтобы избежать разложения пероксида водорода.

• Оксид натрия ($Na_2O$) реагирует с кислотой, образуя соль и воду.
  $Na_2O + 2HCl \rightarrow 2NaCl + H_2O$
• Пероксид натрия ($Na_2O_2$) реагирует с кислотой, образуя соль и пероксид водорода.
  $Na_2O_2 + 2HCl \rightarrow 2NaCl + H_2O_2$

Полученные растворы будут внешне неразличимы, но их состав разный. Для обнаружения пероксида водорода в одной из пробирок можно добавить несколько капель раствора иодида калия ($KI$). В пробирке, где образовался пероксид водорода, начнется реакция с выделением свободного йода, который окрасит раствор в бурый цвет.

$H_2O_2 + 2KI + 2HCl \rightarrow I_2 \downarrow + 2KCl + 2H_2O$

В пробирке с продуктами реакции оксида натрия и кислоты никаких изменений при добавлении иодида калия не произойдет.

Ответ: Проба, которая при добавлении раствора иодида калия окрашивается в бурый цвет, содержит пероксид натрия.

Способ 3. Взаимодействие с углекислым газом.

Этот способ основан на разной реакции веществ с углекислым газом ($CO_2$).

• Оксид натрия ($Na_2O$) поглощает углекислый газ, образуя карбонат натрия.
  $Na_2O + CO_2 \rightarrow Na_2CO_3$
• Пероксид натрия ($Na_2O_2$) также реагирует с углекислым газом с образованием карбоната натрия, но при этом выделяется кислород. Эта реакция используется в изолирующих противогазах и на подводных лодках для регенерации воздуха.
  $2Na_2O_2 + 2CO_2 \rightarrow 2Na_2CO_3 + O_2 \uparrow$

Ответ: Вещество, которое при реакции с углекислым газом выделяет кислород, — это пероксид натрия.

8.5. Продукт сгорания лития на воздухе при обработке водой пахнет аммиаком. Как это объяснить?

Решение

Запах аммиака при обработке водой продукта сгорания лития объясняется протеканием нескольких химических реакций.

Во-первых, при сгорании лития на воздухе он взаимодействует не только с кислородом, но и с азотом, который является основной составляющей воздуха (около 78% по объему). Литий – единственный щелочной металл, способный напрямую реагировать с азотом при нагревании.

1. Реакция с кислородом с образованием оксида лития:

$4Li + O_2 \rightarrow 2Li_2O$

2. Реакция с азотом с образованием нитрида лития:

$6Li + N_2 \rightarrow 2Li_3N$

Таким образом, продукт сгорания лития на воздухе представляет собой смесь оксида лития ($Li_2O$) и нитрида лития ($Li_3N$).

Во-вторых, при добавлении воды к этой смеси оба компонента вступают в реакцию:

1. Оксид лития, как основный оксид, реагирует с водой, образуя щёлочь – гидроксид лития ($LiOH$):

$Li_2O + H_2O \rightarrow 2LiOH$

2. Нитрид лития подвергается необратимому гидролизу (разложению водой). В результате этой реакции также образуется гидроксид лития и выделяется газообразный аммиак ($NH_3$), который имеет характерный резкий запах:

$Li_3N + 3H_2O \rightarrow 3LiOH + NH_3 \uparrow$

Следовательно, появление запаха аммиака обусловлено образованием нитрида лития при сгорании лития и его последующей реакцией с водой.

Ответ:

Запах аммиака появляется из-за того, что при сгорании лития на воздухе, помимо оксида лития ($Li_2O$), образуется также нитрид лития ($Li_3N$) за счёт реакции с азотом воздуха. При последующей обработке водой нитрид лития гидролизуется, выделяя аммиак, который и обуславливает характерный запах: $Li_3N + 3H_2O \rightarrow 3LiOH + NH_3 \uparrow$.

8.6. Неизвестная соль окрашивает лакмус в красный цвет, даёт белый кристаллический осадок с раствором хлорида бария и вызывает окрашивание пламени в жёлтый цвет. Что это за соль?

Решение

Для определения неизвестной соли проанализируем последовательно все приведенные в условии факты.

1. «вызывает окрашивание пламени в жёлтый цвет». Окрашивание пламени в жёлтый цвет является качественной реакцией на ионы натрия ($Na^+$). Следовательно, катионом в составе соли является натрий.

2. «даёт белый кристаллический осадок с раствором хлорида бария». Раствор хлорида бария ($BaCl_2$) используется как реагент для обнаружения сульфат-ионов ($SO_4^{2-}$). При взаимодействии ионов бария ($Ba^{2+}$) и сульфат-ионов ($SO_4^{2-}$) образуется нерастворимый в воде и кислотах белый кристаллический осадок сульфата бария ($BaSO_4$).

Уравнение реакции в ионной форме:

$Ba^{2+} + SO_4^{2-} \rightarrow BaSO_4 \downarrow$

Из этого можно сделать вывод, что анионом в составе соли является сульфат-ион ($SO_4^{2-}$).

3. «окрашивает лакмус в красный цвет». Покраснение лакмуса свидетельствует о кислой среде раствора ($pH < 7$). Соль, состоящая из катиона натрия ($Na^+$) и сульфат-аниона ($SO_4^{2-}$), — это сульфат натрия ($Na_2SO_4$). Однако сульфат натрия является солью, образованной сильным основанием ($NaOH$) и сильной кислотой ($H_2SO_4$), поэтому его водный раствор нейтрален и не изменяет цвет лакмуса. Кислая среда может быть обусловлена тем, что соль является кислой. Кислая соль серной кислоты и натрия — это гидросульфат натрия ($NaHSO_4$).

Проверим, соответствует ли гидросульфат натрия всем условиям. В водном растворе гидросульфат натрия диссоциирует на ионы натрия и гидросульфат-ионы:

$NaHSO_4 \rightarrow Na^+ + HSO_4^-$

Гидросульфат-ион, в свою очередь, диссоциирует с образованием ионов водорода, что и создаёт кислую среду:

$HSO_4^- \rightleftharpoons H^+ + SO_4^{2-}$

Наличие ионов $H^+$ объясняет красную окраску лакмуса. Наличие сульфат-ионов ($SO_4^{2-}$) в растворе объясняет образование белого осадка с хлоридом бария. Наличие ионов натрия ($Na^+$) объясняет жёлтое окрашивание пламени.

Таким образом, все три условия выполняются для гидросульфата натрия.

Ответ: неизвестная соль — гидросульфат натрия ($NaHSO_4$).

8.7. Неизвестная соль окрашивает пламя в жёлтый цвет, а при нагревании разлагается, выделяя газ, вызывающий помутнение известковой воды и не изменяющий окраску подкисленного раствора перманганата калия. Что это за соль?

Решение

1. Согласно условию, неизвестная соль окрашивает пламя в жёлтый цвет. Это качественная реакция на ионы натрия ($Na^+$). Следовательно, в состав соли входит катион натрия.

2. При нагревании соль разлагается с выделением газа. Этот газ вызывает помутнение известковой воды (раствора $Ca(OH)_2$). Такой газ — углекислый газ ($CO_2$), который реагирует с гидроксидом кальция с образованием нерастворимого осадка карбоната кальция ($CaCO_3$):

$CO_2 + Ca(OH)_2 \rightarrow CaCO_3 \downarrow + H_2O$

3. Дополнительно указано, что выделяющийся газ не изменяет окраску подкисленного раствора перманганата калия ($KMnO_4$). Это означает, что газ не является восстановителем. Углекислый газ ($CO_2$) соответствует этому условию, так как углерод в нем находится в высшей степени окисления (+4).

4. Итак, мы ищем соль натрия, которая при нагревании разлагается с выделением углекислого газа. Среди распространенных солей натрия, содержащих углерод, такими свойствами обладает гидрокарбонат натрия ($NaHCO_3$). Карбонат натрия ($Na_2CO_3$) является термически устойчивым и плавится без разложения. Гидрокарбонат натрия же при нагревании разлагается по следующему уравнению:

$2NaHCO_3 \xrightarrow{t} Na_2CO_3 + H_2O + CO_2 \uparrow$

Все условия задачи выполняются: соль содержит натрий, разлагается при нагревании, выделяя $CO_2$, который вызывает помутнение известковой воды и не реагирует с $KMnO_4$.

Ответ: Неизвестная соль — гидрокарбонат натрия ($NaHCO_3$).

8.8. Смесь оксида и пероксида калия имеет массовую долю кислорода 21,5%. Найдите мольные доли веществ в этой смеси.

Дано:

Смесь оксида калия ($K_2O$) и пероксида калия ($K_2O_2$)

Массовая доля кислорода в смеси $\omega(O) = 21,5\% = 0,215$

Найти:

Мольную долю оксида калия - $\chi(K_2O)$

Мольную долю пероксида калия - $\chi(K_2O_2)$

Решение:

1. Рассчитаем молярные массы веществ. Используем относительные атомные массы: $Ar(K) = 39$, $Ar(O) = 16$.

Молярная масса оксида калия ($K_2O$):

$M(K_2O) = 2 \cdot Ar(K) + Ar(O) = 2 \cdot 39 + 16 = 94 \text{ г/моль}$

Молярная масса пероксида калия ($K_2O_2$):

$M(K_2O_2) = 2 \cdot Ar(K) + 2 \cdot Ar(O) = 2 \cdot 39 + 2 \cdot 16 = 110 \text{ г/моль}$

2. Для нахождения мольных долей удобно принять общее количество вещества в смеси за 1 моль.

Пусть $x$ – количество вещества (и мольная доля) оксида калия $K_2O$ в смеси. Тогда $\chi(K_2O) = x$.

Тогда количество вещества (и мольная доля) пероксида калия $K_2O_2$ будет равно $(1-x)$. Тогда $\chi(K_2O_2) = 1-x$.

3. Выразим массу каждого компонента и общую массу смеси через $x$.

Масса $K_2O$: $m(K_2O) = n(K_2O) \cdot M(K_2O) = x \cdot 94 \text{ г}$

Масса $K_2O_2$: $m(K_2O_2) = n(K_2O_2) \cdot M(K_2O_2) = (1-x) \cdot 110 \text{ г}$

Общая масса смеси: $m_{смеси} = m(K_2O) + m(K_2O_2) = 94x + 110(1-x)$

4. Выразим массу кислорода в каждом компоненте и общую массу кислорода в смеси.

Масса кислорода в $K_2O$: $m_O(K_2O) = n(K_2O) \cdot 1 \cdot M(O) = x \cdot 16 \text{ г}$

Масса кислорода в $K_2O_2$: $m_O(K_2O_2) = n(K_2O_2) \cdot 2 \cdot M(O) = (1-x) \cdot 2 \cdot 16 = 32(1-x) \text{ г}$

Общая масса кислорода в смеси: $m_{общ}(O) = m_O(K_2O) + m_O(K_2O_2) = 16x + 32(1-x)$

5. Составим уравнение, используя известную массовую долю кислорода в смеси.

$\omega(O) = \frac{m_{общ}(O)}{m_{смеси}}$

$0,215 = \frac{16x + 32(1-x)}{94x + 110(1-x)}$

6. Решим полученное уравнение относительно $x$.

$0,215 = \frac{16x + 32 - 32x}{94x + 110 - 110x}$

$0,215 = \frac{32 - 16x}{110 - 16x}$

$0,215 \cdot (110 - 16x) = 32 - 16x$

$23,65 - 3,44x = 32 - 16x$

$16x - 3,44x = 32 - 23,65$

$12,56x = 8,35$

$x = \frac{8,35}{12,56} \approx 0,665$

7. Найдем мольные доли компонентов.

Мольная доля оксида калия: $\chi(K_2O) = x \approx 0,665$

Мольная доля пероксида калия: $\chi(K_2O_2) = 1 - x = 1 - 0,665 = 0,335$

Таким образом, мольная доля оксида калия в смеси составляет 66,5%, а пероксида калия – 33,5%.

Ответ: мольная доля оксида калия $\chi(K_2O) = 0,665$ (66,5%); мольная доля пероксида калия $\chi(K_2O_2) = 0,335$ (33,5%).

8.9. Какую примесь часто содержит технический гидроксид натрия, получаемый электролизом? Как доказать наличие этой примеси?

Какую примесь часто содержит технический гидроксид натрия, получаемый электролизом?

Технический гидроксид натрия ($NaOH$), получаемый в промышленности электролизом водного раствора поваренной соли ($NaCl$), в качестве основной примеси, обусловленной самим процессом производства, часто содержит исходное вещество — хлорид натрия ($NaCl$). Это связано с тем, что в промышленных электролизерах (особенно диафрагменного типа) не происходит полного превращения хлорида натрия, и он остается в конечном продукте.

Кроме того, гидроксид натрия является очень гигроскопичным веществом и активно поглощает углекислый газ ($CO_2$) из воздуха. Поэтому в техническом продукте при хранении практически всегда образуется примесь карбоната натрия ($Na_2CO_3$) по реакции:$2NaOH + CO_2 \rightarrow Na_2CO_3 + H_2O$

Как доказать наличие этой примеси?

Для доказательства наличия примеси хлорида натрия (а точнее, хлорид-ионов $Cl^−$) необходимо провести качественную реакцию. Порядок действий следующий:

1. Растворить небольшой образец технического гидроксида натрия в дистиллированной воде.
2. Так как раствор имеет сильнощелочную среду, его необходимо сначала нейтрализовать, а затем подкислить, осторожно добавляя по каплям раствор азотной кислоты ($HNO_3$). Кислоту добавляют до тех пор, пока среда не станет кислой (это можно проверить с помощью индикаторной бумаги, например, синий лакмус покраснеет). Нейтрализация необходима, чтобы предотвратить осаждение оксида или карбоната серебра.
3. К полученному кислому раствору добавить несколько капель раствора нитрата серебра ($AgNO_3$).

При наличии в растворе хлорид-ионов будет наблюдаться выпадение белого творожистого осадка хлорида серебра ($AgCl$), который не растворяется в азотной кислоте.

Уравнение реакции обнаружения в ионном виде:$Ag^+ + Cl^− \rightarrow AgCl\downarrow$

Ответ: Технический гидроксид натрия, полученный электролизом, часто содержит примесь хлорида натрия ($NaCl$). Доказать её наличие можно с помощью качественной реакции на хлорид-ион: к подкисленному азотной кислотой водному раствору образца добавляют раствор нитрата серебра. Образование белого творожистого осадка ($AgCl$) подтверждает наличие примеси.

8.10. Что происходит с гидроксидом натрия при его хранении на воздухе?

При хранении на открытом воздухе гидроксид натрия ($NaOH$), являясь химически активным веществом, взаимодействует с его компонентами. Происходят два основных параллельных процесса.

Поглощение влаги из воздуха
Гидроксид натрия обладает высокой гигроскопичностью, то есть способностью активно поглощать водяные пары ($H_2O$) из окружающей среды. Твердые гранулы или чешуйки $NaOH$ сначала становятся влажными на поверхности, а затем, по мере поглощения воды, "расплываются" — растворяются в ней с образованием концентрированного раствора. Это явление называется деликвесценцией.

Реакция с углекислым газом
Будучи сильной щелочью, гидроксид натрия реагирует с углекислым газом ($CO_2$), который является кислотным оксидом и всегда содержится в воздухе. В результате этой реакции образуется карбонат натрия ($Na_2CO_3$) и вода.
Уравнение химической реакции:
$2NaOH + CO_2 \rightarrow Na_2CO_3 + H_2O$
Эта реакция протекает особенно активно на влажной поверхности гидроксида натрия, образовавшейся после поглощения влаги.

Таким образом, со временем на поверхности твердого гидроксида натрия образуется белый налет, состоящий из карбоната натрия. Это приводит к порче реагента: его чистота и концентрация активного вещества уменьшаются. По этой причине гидроксид натрия необходимо хранить в герметично закрытой таре.

Ответ: При хранении на воздухе гидроксид натрия поглощает водяные пары (расплывается) и реагирует с углекислым газом с образованием карбоната натрия ($Na_2CO_3$).

8.11. Как доказать наличие примеси карбоната калия в гидроксиде калия?

Решение

Гидроксид калия ($KOH$) является сильным основанием и, как и другие щелочи, активно реагирует с углекислым газом ($CO_2$), содержащимся в воздухе. Эта реакция приводит к образованию карбоната калия ($K_2CO_3$) в качестве примеси, особенно при хранении гидроксида калия в негерметичной таре.

Уравнение реакции:

$2KOH + CO_2 \rightarrow K_2CO_3 + H_2O$

Для того чтобы доказать наличие этой примеси, необходимо провести качественную реакцию на карбонат-ион ($CO_3^{2-}$) в присутствии большого количества гидроксид-ионов ($OH^-$). Существует два основных способа.

Первый способ — это добавление к водному раствору исследуемого образца сильной кислоты, например, соляной ($HCl$) или серной ($H_2SO_4$). При добавлении кислоты сначала произойдет реакция нейтрализации гидроксида калия. После этого кислота начнет реагировать с карбонатом калия, что приведет к выделению углекислого газа. Этот процесс можно наблюдать визуально по появлению пузырьков газа (вскипанию раствора).

$K_2CO_3 + 2HCl \rightarrow 2KCl + H_2O + CO_2\uparrow$

Чтобы убедиться, что выделяющийся газ — это именно диоксид углерода, его можно пропустить через известковую воду (насыщенный раствор гидроксида кальция $Ca(OH)_2$). Помутнение известковой воды из-за образования белого осадка карбоната кальция ($CaCO_3$) однозначно подтвердит наличие карбонат-ионов в исходном образце.

$CO_2 + Ca(OH)_2 \rightarrow CaCO_3\downarrow + H_2O$

Второй способ основан на реакции осаждения. К раствору гидроксида калия добавляют раствор соли, катион которой образует нерастворимый карбонат, но растворимый гидроксид. Наилучшим реагентом для этой цели является растворимая соль бария, например, хлорид бария ($BaCl_2$) или нитрат бария ($Ba(NO_3)_2$), поскольку гидроксид бария ($Ba(OH)_2$) хорошо растворим в воде и не будет выпадать в осадок. При наличии в растворе карбонат-ионов образуется белый мелкокристаллический осадок карбоната бария.

$K_2CO_3 + BaCl_2 \rightarrow BaCO_3\downarrow + 2KCl$

Для дополнительного подтверждения можно отделить полученный осадок (например, фильтрованием) и добавить к нему немного сильной кислоты. Растворение осадка с выделением пузырьков газа подтвердит, что это был карбонат.

$BaCO_3 + 2HCl \rightarrow BaCl_2 + H_2O + CO_2\uparrow$

Ответ: Для доказательства наличия примеси карбоната калия в гидроксиде калия следует к его водному раствору добавить раствор соли бария (например, $BaCl_2$) — выпадение белого осадка укажет на присутствие карбонат-ионов. Альтернативно, можно добавить избыток сильной кислоты (например, $HCl$) — выделение пузырьков газа будет свидетельствовать о наличии карбоната.

8.12. Оксид натрия количеством 0,1 моль растворили в 33,8 г воды. Найдите массовую долю вещества в полученном растворе.

Дано:

Количество вещества оксида натрия ($n(Na_2O)$) = 0,1 моль
Масса воды ($m(H_2O)$) = 33,8 г

Перевод в систему СИ:
Масса воды ($m(H_2O)$) = 0,0338 кг

Найти:

Массовую долю вещества в полученном растворе ($\omega_{вещества}$) - ?

Решение:

При растворении оксида натрия ($Na_2O$) в воде происходит химическая реакция, в результате которой образуется новое вещество — гидроксид натрия ($NaOH$). Именно он и будет являться растворенным веществом в полученном растворе.

1. Составим уравнение химической реакции:
$Na_2O + H_2O \rightarrow 2NaOH$

2. Для нахождения массы всего раствора необходимо знать массу добавленного оксида натрия. Найдем ее, используя молярную массу.
Молярная масса оксида натрия:
$M(Na_2O) = 2 \times M(Na) + M(O) = 2 \times 23 \text{ г/моль} + 16 \text{ г/моль} = 62 \text{ г/моль}$
Масса оксида натрия:
$m(Na_2O) = n(Na_2O) \times M(Na_2O) = 0,1 \text{ моль} \times 62 \text{ г/моль} = 6,2 \text{ г}$

3. Рассчитаем массу конечного раствора. Согласно закону сохранения массы, масса раствора равна сумме масс исходных компонентов:
$m_{раствора} = m(Na_2O) + m(H_2O) = 6,2 \text{ г} + 33,8 \text{ г} = 40,0 \text{ г}$

4. Теперь найдем массу растворенного вещества — гидроксида натрия ($NaOH$). Из уравнения реакции видно, что из 1 моль $Na_2O$ образуется 2 моль $NaOH$. Найдем количество вещества $NaOH$:
$n(NaOH) = 2 \times n(Na_2O) = 2 \times 0,1 \text{ моль} = 0,2 \text{ моль}$

5. Рассчитаем массу образовавшегося гидроксида натрия.
Молярная масса гидроксида натрия:
$M(NaOH) = M(Na) + M(O) + M(H) = 23 \text{ г/моль} + 16 \text{ г/моль} + 1 \text{ г/моль} = 40 \text{ г/моль}$
Масса гидроксида натрия:
$m(NaOH) = n(NaOH) \times M(NaOH) = 0,2 \text{ моль} \times 40 \text{ г/моль} = 8,0 \text{ г}$

6. Наконец, рассчитаем массовую долю гидроксида натрия в растворе по формуле:
$\omega(вещества) = \frac{m_{вещества}}{m_{раствора}}$
$\omega(NaOH) = \frac{m(NaOH)}{m_{раствора}} = \frac{8,0 \text{ г}}{40,0 \text{ г}} = 0,2$

Для выражения массовой доли в процентах, умножим полученное значение на 100%:
$\omega(NaOH) = 0,2 \times 100\% = 20\%$

Ответ: массовая доля вещества в полученном растворе составляет 20%.

8.13. Какую массу натрия надо ввести в реакцию с 1 л воды для получения 4%-го раствора щёлочи?

Дано:
$V(H_2O) = 1 \text{ л}$
$\omega(\text{щёлочи}) = 4\% = 0.04$
$\rho(H_2O) \approx 1000 \text{ г/л}$

Перевод в систему СИ:
$V(H_2O) = 1 \text{ л} = 1 \cdot 10^{-3} \text{ м}^3$
$\rho(H_2O) \approx 1000 \text{ кг/м}^3$
Масса воды: $m(H_2O) = V \cdot \rho = 1 \cdot 10^{-3} \text{ м}^3 \cdot 1000 \text{ кг/м}^3 = 1 \text{ кг} = 1000 \text{ г}$.

Найти:
$m(Na) = ?$

Решение:

При взаимодействии натрия с водой образуется щёлочь (гидроксид натрия) и выделяется водород. Запишем уравнение реакции:

$2Na + 2H_2O \rightarrow 2NaOH + H_2\uparrow$

Начальная масса воды составляет:
$m(H_2O) = V(H_2O) \cdot \rho(H_2O) = 1 \text{ л} \cdot 1000 \text{ г/л} = 1000 \text{ г}$.

Пусть масса натрия, которую необходимо ввести в реакцию, равна $x$ г. Тогда $m(Na) = x$.

Рассчитаем молярные массы веществ, участвующих в расчете:
$M(Na) = 23 \text{ г/моль}$;
$M(NaOH) = 23 + 16 + 1 = 40 \text{ г/моль}$;
$M(H_2) = 2 \cdot 1 = 2 \text{ г/моль}$.

На основе уравнения реакции составим пропорции для нахождения масс продуктов реакции.

Из $2 \cdot 23 = 46 \text{ г}$ натрия образуется $2 \cdot 40 = 80 \text{ г}$ гидроксида натрия. Следовательно, из $x \text{ г}$ натрия образуется $m(NaOH)$: $m(NaOH) = \frac{x \cdot 80}{46} = \frac{40}{23}x \text{ г}$.

Из $46 \text{ г}$ натрия выделяется $2 \text{ г}$ водорода. Следовательно, из $x \text{ г}$ натрия выделяется $m(H_2)$: $m(H_2) = \frac{x \cdot 2}{46} = \frac{1}{23}x \text{ г}$.

Масса конечного раствора складывается из массы исходной воды и массы добавленного натрия за вычетом массы улетучившегося водорода: $m_{\text{раствора}} = m(H_2O)_{\text{исх.}} + m(Na) - m(H_2) = 1000 + x - \frac{1}{23}x$.

Массовая доля щёлочи в растворе определяется по формуле: $\omega(NaOH) = \frac{m(NaOH)}{m_{\text{раствора}}}$.

Подставим известные значения и выражения в формулу: $0.04 = \frac{\frac{40}{23}x}{1000 + x - \frac{1}{23}x}$

Упростим знаменатель: $1000 + x - \frac{1}{23}x = 1000 + \frac{22}{23}x$.

Получаем уравнение: $0.04 = \frac{\frac{40x}{23}}{1000 + \frac{22x}{23}}$

Для удобства умножим числитель и знаменатель дроби на 23: $0.04 = \frac{40x}{23000 + 22x}$

Решим уравнение относительно $x$:
$0.04 \cdot (23000 + 22x) = 40x$
$920 + 0.88x = 40x$
$40x - 0.88x = 920$
$39.12x = 920$
$x = \frac{920}{39.12} \approx 23.52 \text{ г}$

Ответ: для получения 4%-го раствора щёлочи необходимо ввести в реакцию 23.52 г натрия.

8.14. Какую массу оксида калия надо ввести в реакцию с 1 л воды для получения 1М раствора щёлочи (плотность 1,04 г/мл)?

Дано:

$V(H_2O) = 1$ л

$C_{M}(KOH) = 1$ М (моль/л)

$\rho_{раствора} = 1,04$ г/мл

Перевод в единую систему измерений (г, мл):

$V(H_2O) = 1000$ мл

Плотность воды $\rho(H_2O) \approx 1$ г/мл, следовательно, масса воды $m(H_2O) = 1000$ г.

$\rho_{раствора} = 1,04$ г/мл

Найти:

$m(K_2O) - ?$

Решение:

1. Запишем уравнение реакции взаимодействия оксида калия с водой с образованием щёлочи (гидроксида калия):

$K_2O + H_2O \rightarrow 2KOH$

2. Обозначим количество вещества (моль) оксида калия, необходимое для реакции, как $x$.

$n(K_2O) = x$ моль

3. Рассчитаем молярные массы веществ, участвующих в расчетах:

$M(K_2O) = 2 \cdot 39,1 + 16 = 94,2$ г/моль

$M(KOH) = 39,1 + 16 + 1 = 56,1$ г/моль

4. Согласно уравнению реакции, из $x$ моль $K_2O$ образуется $2x$ моль $KOH$:

$n(KOH) = 2 \cdot n(K_2O) = 2x$ моль

5. Выразим массу оксида калия и образовавшегося гидроксида калия через $x$:

$m(K_2O) = n(K_2O) \cdot M(K_2O) = x \cdot 94,2$ г

$m(KOH) = n(KOH) \cdot M(KOH) = 2x \cdot 56,1 = 112,2x$ г

6. Масса конечного раствора складывается из массы исходной воды и массы добавленного оксида калия:

$m_{раствора} = m(H_2O) + m(K_2O) = 1000 + 94,2x$ г

7. Объем конечного раствора можно найти, используя его массу и плотность:

$V_{раствора} = \frac{m_{раствора}}{\rho_{раствора}} = \frac{1000 + 94,2x}{1,04}$ мл

8. Для использования в формуле молярной концентрации переведем объем раствора в литры, разделив на 1000:

$V_{раствора(л)} = \frac{1000 + 94,2x}{1,04 \cdot 1000} = \frac{1000 + 94,2x}{1040}$ л

9. Теперь используем формулу молярной концентрации $C_M = \frac{n}{V}$ для полученного раствора щёлочи. Подставим все известные и выраженные через $x$ величины:

$C_M(KOH) = \frac{n(KOH)}{V_{раствора(л)}}$

$1 = \frac{2x}{\frac{1000 + 94,2x}{1040}}$

10. Решим полученное уравнение относительно $x$:

$1 = \frac{2x \cdot 1040}{1000 + 94,2x}$

$1000 + 94,2x = 2080x$

$1000 = 2080x - 94,2x$

$1000 = 1985,8x$

$x = \frac{1000}{1985,8} \approx 0,50357$ моль

11. Найдём искомую массу оксида калия:

$m(K_2O) = 94,2 \cdot x = 94,2 \cdot 0,50357 \approx 47,436$ г

Округляя до трех значащих цифр, получаем 47,4 г.

Ответ: необходимо ввести в реакцию 47,4 г оксида калия.