Страница 238 - гдз по химии 10-11 класс задачник Еремин, Дроздов

9.1. Сравните взаимодействие хрома с соляной кислотой на воздухе и в инертной атмосфере.

Решение

Взаимодействие хрома с соляной кислотой протекает по-разному в зависимости от того, присутствует ли в реакционной среде кислород воздуха.

В инертной атмосфере (например, аргона), где кислород отсутствует, хром реагирует с соляной кислотой с образованием соли хрома(II) и выделением водорода. Хром, как металл, стоящий в ряду напряжений до водорода, вытесняет его из кислоты. В этих условиях хром окисляется до степени окисления +2.

Уравнение реакции:

$Cr + 2HCl \rightarrow CrCl_2 + H_2\uparrow$

В результате реакции образуется хлорид хрома(II), который придает раствору характерный голубой цвет. Ионы $Cr^{2+}$ устойчивы в отсутствие окислителей.

На воздухе реакция протекает в две стадии. На первой стадии, как и в инертной атмосфере, образуется хлорид хрома(II):

$Cr + 2HCl \rightarrow CrCl_2 + H_2\uparrow$

Однако образовавшиеся ионы хрома(II) являются сильными восстановителями и немедленно окисляются кислородом воздуха в кислой среде до более устойчивой степени окисления +3. В результате образуется соль хрома(III).

Уравнение второй стадии:

$4CrCl_2 + 4HCl + O_2 \rightarrow 4CrCl_3 + 2H_2O$

Хлорид хрома(III) придает раствору зеленую окраску. Таким образом, при взаимодействии хрома с соляной кислотой на воздухе конечным продуктом является соль хрома(III), и итоговый раствор будет зеленым.

Ответ:

Основное различие во взаимодействии хрома с соляной кислотой в разных условиях заключается в конечном продукте и, соответственно, в степени окисления хрома и цвете раствора. В инертной атмосфере образуется голубой раствор хлорида хрома(II) ($CrCl_2$), где хром имеет степень окисления +2. На воздухе, из-за окисляющего действия кислорода, конечным продуктом является зеленый раствор хлорида хрома(III) ($CrCl_3$), в котором хром находится в степени окисления +3.

9.2. Раствор сульфата хрома(III) нагревали с раствором пероксида водорода и гидроксида натрия до тех пор, пока фиолетовая окраска раствора не стала ярко-жёлтой. При добавлении к полученному жёлтому раствору серной кислоты окраска его сменилась на оранжевую. Через оранжевый раствор пропустили сернистый газ. Затем к полученному фиолетовому раствору добавили избыток гидроксида калия до образования изумрудно-зелёного раствора. Запишите уравнения реакций.

Решение

В задаче описана последовательность химических превращений соединений хрома. Запишем уравнения для каждой стадии.

1. Нагревание раствора сульфата хрома(III) с пероксидом водорода и гидроксидом натрия

В щелочной среде пероксид водорода является сильным окислителем и окисляет хром из степени окисления +3 до +6. При этом фиолетовый раствор сульфата хрома(III) превращается в ярко-жёлтый раствор хромата натрия.

$Cr_2(SO_4)_3 + 3H_2O_2 + 10NaOH \xrightarrow{t} 2Na_2CrO_4 + 3Na_2SO_4 + 8H_2O$

Ответ: $Cr_2(SO_4)_3 + 3H_2O_2 + 10NaOH \rightarrow 2Na_2CrO_4 + 3Na_2SO_4 + 8H_2O$.

2. Добавление серной кислоты к жёлтому раствору

В кислой среде существует равновесие между хромат- и дихромат-ионами. При добавлении серной кислоты равновесие смещается в сторону образования дихромат-ионов, и жёлтая окраска раствора сменяется на оранжевую.

$2Na_2CrO_4 + H_2SO_4 \rightarrow Na_2Cr_2O_7 + Na_2SO_4 + H_2O$

Ответ: $2Na_2CrO_4 + H_2SO_4 \rightarrow Na_2Cr_2O_7 + Na_2SO_4 + H_2O$.

3. Пропускание сернистого газа через оранжевый раствор

Сернистый газ ($SO_2$) является восстановителем и в кислой среде восстанавливает хром из степени окисления +6 (в составе дихромат-иона) обратно до степени окисления +3. Раствор снова становится фиолетовым, так как образуется сульфат хрома(III).

$Na_2Cr_2O_7 + 3SO_2 + H_2SO_4 \rightarrow Cr_2(SO_4)_3 + Na_2SO_4 + H_2O$

Ответ: $Na_2Cr_2O_7 + 3SO_2 + H_2SO_4 \rightarrow Cr_2(SO_4)_3 + Na_2SO_4 + H_2O$.

4. Добавление избытка гидроксида калия к фиолетовому раствору

Гидроксид хрома(III) является амфотерным. При добавлении избытка щёлочи ($KOH$) к раствору соли хрома(III) сначала выпадает осадок $Cr(OH)_3$, который затем растворяется в избытке щёлочи с образованием растворимого комплексного соединения — гексагидроксохромата(III) калия, имеющего изумрудно-зелёный цвет.

$Cr_2(SO_4)_3 + 12KOH_{ (изб.) } \rightarrow 2K_3[Cr(OH)_6] + 3K_2SO_4$

Ответ: $Cr_2(SO_4)_3 + 12KOH \rightarrow 2K_3[Cr(OH)_6] + 3K_2SO_4$.

9.3. Как осуществить следующие превращения?

$\mathrm{а}) \mathrm{Сг}⟶{\mathrm{СгСl}}_2⟶{\mathrm{СгСl}}_3⟶\mathrm{Сг}{\left(\mathrm{ОН}\right)}_3⟶$ ${\mathrm{Na}}_3\left[\mathrm{Cr}{\left(\mathrm{OH}\right)}_6\right]⟶{\mathrm{Na}}_2{\mathrm{CrO}}_4⟶{\mathrm{Na}}_2{\mathrm{Cr}}_2{\mathrm{O}}_7$

$\mathrm{б}) {\mathrm{CrO}}_3⟶{\left({\mathrm{NH}}_4\right)}_2{\mathrm{Cr}}_2{\mathrm{O}}_7⟶{\mathrm{Cr}}_2{\mathrm{O}}_3⟶{\mathrm{NaCrO}}_2⟶$${\mathrm{Na}}_2{\mathrm{CrO}}_4⟶{\mathrm{Cr}}_2{\left({\mathrm{SO}}_4\right)}_3⟶{\mathrm{CrSO}}_4⟶{\mathrm{CrCl}}_2$

а) Для осуществления данной цепочки превращений необходимо последовательно провести следующие химические реакции. Каждая стрелка в схеме соответствует одному уравнению реакции.

1. Получение хлорида хрома(II) взаимодействием металлического хрома с соляной кислотой. Хром, как металл, стоящий левее водорода в ряду активности, вытесняет его из кислоты.

$Cr + 2HCl \rightarrow CrCl_2 + H_2 \uparrow$

2. Окисление хлорида хрома(II) до хлорида хрома(III). Соединения хрома(II) являются сильными восстановителями и легко окисляются, например, хлором.

$2CrCl_2 + Cl_2 \rightarrow 2CrCl_3$

3. Получение гидроксида хрома(III) реакцией обмена между солью хрома(III) и щелочью. Гидроксид хрома(III) выпадает в виде серо-зеленого осадка.

$CrCl_3 + 3NaOH \rightarrow Cr(OH)_3 \downarrow + 3NaCl$

4. Растворение амфотерного гидроксида хрома(III) в избытке концентрированной щелочи с образованием комплексного соединения — гексагидроксохромата(III) натрия.

$Cr(OH)_3 + 3NaOH \rightarrow Na_3[Cr(OH)_6]$

5. Окисление соединения хрома(III) до хромата(VI) натрия. В щелочной среде это можно сделать с помощью сильного окислителя, например, пероксида водорода.

$2Na_3[Cr(OH)_6] + 3H_2O_2 \rightarrow 2Na_2CrO_4 + 2NaOH + 8H_2O$

6. Перевод хромата в дихромат. В кислой среде желтый раствор хромата переходит в оранжевый раствор дихромата.

$2Na_2CrO_4 + H_2SO_4 \rightarrow Na_2Cr_2O_7 + Na_2SO_4 + H_2O$

Ответ:

$Cr + 2HCl \rightarrow CrCl_2 + H_2 \uparrow$

$2CrCl_2 + Cl_2 \rightarrow 2CrCl_3$

$CrCl_3 + 3NaOH \rightarrow Cr(OH)_3 \downarrow + 3NaCl$

$Cr(OH)_3 + 3NaOH \rightarrow Na_3[Cr(OH)_6]$

$2Na_3[Cr(OH)_6] + 3H_2O_2 \rightarrow 2Na_2CrO_4 + 2NaOH + 8H_2O$

$2Na_2CrO_4 + H_2SO_4 \rightarrow Na_2Cr_2O_7 + Na_2SO_4 + H_2O$

б) Для осуществления данной цепочки превращений необходимо последовательно провести следующие химические реакции.

1. Оксид хрома(VI) является кислотным оксидом (ангидрид хромовой и дихромовой кислот). При реакции с раствором аммиака (гидроксидом аммония) образуется дихромат аммония.

$2CrO_3 + 2NH_4OH \rightarrow (NH_4)_2Cr_2O_7 + H_2O$

2. Термическое разложение дихромата аммония — известная демонстрационная реакция "Химический вулкан". В результате образуется оксид хрома(III), газообразный азот и вода.

$(NH_4)_2Cr_2O_7 \xrightarrow{t} Cr_2O_3 + N_2 \uparrow + 4H_2O$

3. Оксид хрома(III) — амфотерный оксид. При сплавлении с твердой щелочью он проявляет кислотные свойства, образуя соль — хромит натрия.

$Cr_2O_3 + 2NaOH \xrightarrow{сплавление} 2NaCrO_2 + H_2O$

4. Окисление хромита(III) натрия до хромата(VI) натрия. Реакция проводится в щелочной среде с использованием окислителя, например, пероксида водорода.

$2NaCrO_2 + 3H_2O_2 + 2NaOH \rightarrow 2Na_2CrO_4 + 4H_2O$

5. Восстановление хромата(VI) натрия до сульфата хрома(III). В кислой среде хроматы являются сильными окислителями. В качестве восстановителя можно использовать диоксид серы.

$2Na_2CrO_4 + 3SO_2 + 2H_2SO_4 \rightarrow Cr_2(SO_4)_3 + 2Na_2SO_4 + 2H_2O$

6. Восстановление соединений хрома(III) до хрома(II). Это можно осуществить с помощью активного металла, например, цинка, в кислой среде.

$Cr_2(SO_4)_3 + Zn \rightarrow 2CrSO_4 + ZnSO_4$

7. Получение хлорида хрома(II) из его сульфата. Для этого проводят реакцию ионного обмена с растворимой солью бария, например, хлоридом бария. Сульфат бария выпадает в осадок.

$CrSO_4 + BaCl_2 \rightarrow CrCl_2 + BaSO_4 \downarrow$

Ответ:

$2CrO_3 + 2NH_4OH \rightarrow (NH_4)_2Cr_2O_7 + H_2O$

$(NH_4)_2Cr_2O_7 \xrightarrow{t} Cr_2O_3 + N_2 \uparrow + 4H_2O$

$Cr_2O_3 + 2NaOH \xrightarrow{сплавление} 2NaCrO_2 + H_2O$

$2NaCrO_2 + 3H_2O_2 + 2NaOH \rightarrow 2Na_2CrO_4 + 4H_2O$

$2Na_2CrO_4 + 3SO_2 + 2H_2SO_4 \rightarrow Cr_2(SO_4)_3 + 2Na_2SO_4 + 2H_2O$

$Cr_2(SO_4)_3 + Zn \rightarrow 2CrSO_4 + ZnSO_4$

$CrSO_4 + BaCl_2 \rightarrow CrCl_2 + BaSO_4 \downarrow$