Страница 310 - гдз по химии 10-11 класс задачник Еремин, Дроздов

11.102. Какие из перечисленных веществ: 1) фтороводород; 2) ацетат калия; 3) хлорид алюминия; 4) пиридин; 5) негашёная известь – при растворении в воде образуют раствор с $\mathrm{pH} > 7?$ Объясните с помощью ионных уравнений.

Раствор с pH > 7 имеет щелочную среду. Это означает, что при растворении вещества в воде концентрация гидроксид-ионов ($OH^-$) становится выше концентрации ионов водорода ($H^+$). Рассмотрим каждое вещество по отдельности.

1) фтороводород

Фтороводород ($HF$) является слабой кислотой. При растворении в воде он частично диссоциирует, создавая в растворе избыток ионов водорода ($H^+$), что приводит к кислой среде.

$HF \rightleftharpoons H^+ + F^-$

В результате pH раствора становится меньше 7.

Ответ: pH < 7.

2) ацетат калия

Ацетат калия ($CH_3COOK$) — это соль, образованная сильным основанием ($KOH$) и слабой уксусной кислотой ($CH_3COOH$). В воде эта соль полностью диссоциирует:

$CH_3COOK \rightarrow K^+ + CH_3COO^-$

Ион калия ($K^+$) — катион сильного основания, поэтому он не вступает в реакцию с водой. Ацетат-ион ($CH_3COO^-$) — анион слабой кислоты, поэтому он подвергается гидролизу, реагируя с водой и образуя гидроксид-ионы ($OH^-$):

$CH_3COO^- + H_2O \rightleftharpoons CH_3COOH + OH^-$

Накопление ионов $OH^-$ в растворе создает щелочную среду.

Ответ: pH > 7.

3) хлорид алюминия

Хлорид алюминия ($AlCl_3$) — это соль, образованная слабым основанием ($Al(OH)_3$) и сильной соляной кислотой ($HCl$). При растворении в воде диссоциирует:

$AlCl_3 \rightarrow Al^{3+} + 3Cl^-$

Хлорид-ион ($Cl^-$) — анион сильной кислоты и гидролизу не подвергается. Ион алюминия ($Al^{3+}$) — катион слабого основания, поэтому он гидролизуется, что приводит к образованию в растворе избытка ионов водорода ($H^+$):

$Al^{3+} + H_2O \rightleftharpoons [Al(OH)]^{2+} + H^+$

Из-за накопления ионов $H^+$ среда становится кислой.

Ответ: pH < 7.

4) пиридин

Пиридин ($C_5H_5N$) — органическое вещество, проявляющее свойства слабого основания за счет неподеленной электронной пары атома азота. Он реагирует с водой, отщепляя от нее протон и образуя гидроксид-ионы:

$C_5H_5N + H_2O \rightleftharpoons C_5H_5NH^+ + OH^-$

Образование ионов $OH^-$ обуславливает щелочную среду раствора.

Ответ: pH > 7.

5) негашёная известь

Негашёная известь — это оксид кальция ($CaO$), который является основным оксидом. Он активно реагирует с водой с образованием сильного основания — гидроксида кальция ($Ca(OH)_2$):

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

Гидроксид кальция диссоциирует в воде, создавая высокую концентрацию гидроксид-ионов:

$Ca(OH)_2 \rightarrow Ca^{2+} + 2OH^-$

Это приводит к сильнощелочной среде раствора.

Ответ: pH > 7.

Таким образом, вещества, которые при растворении в воде образуют раствор с pH > 7: ацетат калия, пиридин и негашёная известь.

11.103. Какие из перечисленных веществ: 1) хлор; 2) кальций; 3) глюкоза; 4) фенол; 5) селеноводород – при растворении в воде образуют раствор с $\mathrm{pH}<7?$ Объясните с помощью ионных уравнений.

Решение

Раствор с водородным показателем pH < 7 является кислым. Это означает, что при растворении вещества в воде концентрация ионов водорода $H^+$ в растворе увеличивается, становясь больше концентрации гидроксид-ионов $OH^-$. Проанализируем каждое из предложенных веществ.

При растворении в воде хлор ($Cl_2$) частично и обратимо реагирует с ней в реакции диспропорционирования. В результате образуются две кислоты: соляная ($HCl$ — сильная) и хлорноватистая ($HClO$ — слабая). Образование кислот приводит к увеличению концентрации ионов водорода и, следовательно, к созданию кислой среды (pH < 7).

Ионное уравнение, отражающее этот процесс:

$Cl_2 + H_2O \rightleftharpoons H^+ + Cl^- + HClO$

Кальций ($Ca$) — это активный щелочноземельный металл. Он реагирует с водой с образованием гидроксида кальция $Ca(OH)_2$ и выделением водорода. Гидроксид кальция является сильным основанием (щелочью) и при растворении диссоциирует на ионы кальция $Ca^{2+}$ и гидроксид-ионы $OH^-$. Увеличение концентрации гидроксид-ионов приводит к созданию щелочной среды (pH > 7).

Ионное уравнение диссоциации образовавшегося основания:

$Ca(OH)_2 \rightarrow Ca^{2+} + 2OH^-$

Глюкоза ($C_6H_{12}O_6$) — это нейтральное органическое соединение (углевод). При растворении в воде она не диссоциирует на ионы и не вступает в реакции гидролиза, которые могли бы изменить кислотность среды. Поэтому pH раствора глюкозы остается близким к 7 (нейтральная среда).

Фенол ($C_6H_5OH$), также известный как карболовая кислота, проявляет слабые кислотные свойства. В водном растворе молекулы фенола обратимо диссоциируют, отдавая протон и образуя фенолят-ион $C_6H_5O^-$ и ион водорода $H^+$. Это приводит к созданию слабокислой среды (pH < 7).

Ионное уравнение диссоциации фенола:

$C_6H_5OH \rightleftharpoons C_6H_5O^- + H^+$

Селеноводород ($H_2Se$) является слабой двухосновной кислотой. Растворяясь в воде, он диссоциирует (преимущественно по первой ступени) с образованием ионов водорода $H^+$, что обуславливает кислую среду раствора (pH < 7).

Ионное уравнение диссоциации селеноводорода по первой ступени:

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

Раствор с pH < 7 образуют следующие вещества: хлор, фенол и селеноводород.

Объясняющие ионные уравнения:

• хлор: $Cl_2 + H_2O \rightleftharpoons H^+ + Cl^- + HClO$
• фенол: $C_6H_5OH \rightleftharpoons C_6H_5O^- + H^+$
• селеноводород: $H_2Se \rightleftharpoons H^+ + HSe^-$

11.104. Даны вещества: $1) {\mathrm{H}}_2{\mathrm{SO}}_4;$ $2) {\mathrm{KMnO}}_4;$ $3) {\mathrm{AlCl}}_3;$ 4) КОН; $5) {\mathrm{K}}_2\mathrm{S}.$ Расположите эти вещества в ряд в порядке увеличения pH 0,1 М водного раствора. Запишите ионные уравнения реакций, определяющих кислотность растворов.

Для того чтобы расположить вещества в порядке увеличения водородного показателя (pH) их 0,1 М водных растворов, необходимо определить характер среды каждого раствора. Значение pH < 7 соответствует кислой среде, pH = 7 — нейтральной, а pH > 7 — щелочной. Характер среды для кислот и оснований определяется их способностью к диссоциации, а для солей — их способностью к гидролизу.

Проанализируем каждое вещество:

Серная кислота является сильной кислотой. В водном растворе она практически полностью диссоциирует, создавая высокую концентрацию ионов водорода $H^+$. Это приводит к сильнокислой среде и, следовательно, очень низкому значению pH.

Ионное уравнение, определяющее кислотность раствора (диссоциация по первой ступени):

$H_2SO_4 \rightarrow H^+ + HSO_4^-$

Перманганат калия — это соль, образованная сильным основанием ($KOH$) и сильной марганцовой кислотой ($HMnO_4$). Соли, образованные сильными кислотами и сильными основаниями, не подвергаются гидролизу, поэтому водный раствор этого вещества имеет нейтральную среду (pH ≈ 7). Реакции, изменяющей кислотность среды, не происходит.

Хлорид алюминия — это соль, образованная слабым основанием ($Al(OH)_3$) и сильной кислотой ($HCl$). В водном растворе данная соль подвергается гидролизу по катиону. Ион алюминия $Al^{3+}$ взаимодействует с водой, что приводит к образованию ионов водорода $H^+$ и созданию кислой среды (pH < 7).

Ионное уравнение гидролиза (по первой ступени), определяющее кислотность раствора:

$Al^{3+} + H_2O \rightleftharpoons AlOH^{2+} + H^+$

Гидроксид калия — это сильное основание (щёлочь). В водном растворе он полностью диссоциирует на ионы, образуя высокую концентрацию гидроксид-ионов $OH^-$. Это создает сильнощелочную среду и, следовательно, очень высокое значение pH.

Ионное уравнение диссоциации, определяющее щелочность раствора:

$KOH \rightarrow K^+ + OH^-$

Сульфид калия — это соль, образованная сильным основанием ($KOH$) и слабой сероводородной кислотой ($H_2S$). В водном растворе эта соль подвергается гидролизу по аниону. Сульфид-ион $S^{2-}$ взаимодействует с водой, образуя гидроксид-ионы $OH^-$, что создает щелочную среду (pH > 7).

Ионное уравнение гидролиза (по первой ступени), определяющее щелочность раствора:

$S^{2-} + H_2O \rightleftharpoons HS^- + OH^-$

Сравнивая характер среды растворов ($H_2SO_4$ — сильнокислая, $AlCl_3$ — кислая, $KMnO_4$ — нейтральная, $K_2S$ — щелочная, $KOH$ — сильнощелочная), можно расположить их в порядке возрастания pH.

Ответ:
Ряд веществ в порядке увеличения pH их 0,1 М водных растворов:
$H_2SO_4, AlCl_3, KMnO_4, K_2S, KOH$

Ионные уравнения реакций, определяющих кислотность растворов:

• для $H_2SO_4$: $H_2SO_4 \rightarrow H^+ + HSO_4^-$
• для $AlCl_3$: $Al^{3+} + H_2O \rightleftharpoons AlOH^{2+} + H^+$
• для $KOH$: $KOH \rightarrow K^+ + OH^-$
• для $K_2S$: $S^{2-} + H_2O \rightleftharpoons HS^- + OH^-$

11.105. Даны вещества: 1) NaOH; $2) {\mathrm{KClO}}_3;$ $3) {\mathrm{FeCl}}_3;$ $4) {\mathrm{NH}}_3;$ $5) {\mathrm{HNO}}_3.$ Расположите эти вещества в ряд в порядке увеличения pH 0,2 М водного раствора. Запишите ионные уравнения реакций, определяющих кислотность растворов.

Дано:

Концентрация водных растворов, $C = 0.2$ М (моль/л).

Вещества: 1) $NaOH$; 2) $KClO_3$; 3) $FeCl_3$; 4) $NH_3$; 5) $HNO_3$.

Найти:

1. Расположить вещества в ряд в порядке увеличения $pH$ их водных растворов.

2. Записать ионные уравнения реакций, определяющих кислотность растворов.

Решение:

Для определения $pH$ растворов и их расположения в порядке возрастания этого показателя необходимо проанализировать природу каждого вещества и характер его взаимодействия с водой.

5) $HNO_3$ (азотная кислота)

Азотная кислота является сильной кислотой. В водном растворе она полностью диссоциирует на ионы. Это создает высокую концентрацию ионов гидроксония $H_3O^+$ (или протонов $H^+$), что соответствует очень низкому значению $pH$ и сильнокислой среде.

Уравнение диссоциации, определяющее кислотность:

$HNO_3 \rightarrow H^+ + NO_3^-$

Поскольку диссоциация полная, $[H^+] = 0.2$ М. $pH = -log[H^+] = -log(0.2) \approx 0.7$.

3) $FeCl_3$ (хлорид железа(III))

Хлорид железа(III) – это соль, образованная слабым основанием ($Fe(OH)_3$) и сильной кислотой ($HCl$). В водном растворе соли такого типа подвергаются гидролизу по катиону. Гидролиз иона $Fe^{3+}$ приводит к образованию ионов $H^+$, создавая кислую среду ($pH < 7$).

Сокращенное ионное уравнение гидролиза (по первой ступени), определяющее кислотность:

$Fe^{3+} + H_2O \rightleftharpoons FeOH^{2+} + H^+$

Среда раствора кислая, но менее кислая, чем у сильной кислоты той же концентрации, так как гидролиз является обратимым и неполным процессом.

2) $KClO_3$ (хлорат калия)

Хлорат калия – это соль, образованная сильным основанием ($KOH$) и сильной кислотой (хлорноватой кислотой, $HClO_3$). Такие соли не подвергаются гидролизу, поскольку ни катион $K^+$, ни анион $ClO_3^-$ не реагируют с водой с образованием ионов $H^+$ или $OH^-$. Поэтому раствор будет иметь нейтральную среду.

$pH \approx 7$.

Ионные уравнения, определяющие кислотность, отсутствуют.

4) $NH_3$ (аммиак)

Аммиак является слабым основанием. При растворении в воде он обратимо реагирует с ней, образуя ионы аммония $NH_4^+$ и гидроксид-ионы $OH^-$. Накопление ионов $OH^-$ создает в растворе щелочную среду ($pH > 7$).

Ионное уравнение, определяющее щелочность (и, следовательно, $pH$) раствора:

$NH_3 + H_2O \rightleftharpoons NH_4^+ + OH^-$

Среда раствора щелочная. Так как аммиак – слабое основание, степень его диссоциации невелика, и $pH$ будет выше 7, но значительно ниже, чем у раствора сильной щелочи той же концентрации.

1) $NaOH$ (гидроксид натрия)

Гидроксид натрия – это сильное основание (щелочь). В водном растворе он полностью диссоциирует на ионы $Na^+$ и $OH^-$. Это приводит к высокой концентрации гидроксид-ионов и, следовательно, к очень высокому значению $pH$ (сильнощелочная среда).

Уравнение диссоциации, определяющее щелочность:

$NaOH \rightarrow Na^+ + OH^-$

Поскольку диссоциация полная, $[OH^-] = 0.2$ М. $pOH = -log[OH^-] = -log(0.2) \approx 0.7$. Тогда $pH = 14 - pOH \approx 13.3$.

Сравнивая значения $pH$ для всех растворов, мы можем расположить их в порядке возрастания $pH$ (от наиболее кислого к наиболее щелочному):

Сильная кислота ($HNO_3$) < Соль со средой, кислой из-за гидролиза ($FeCl_3$) < Нейтральная соль ($KClO_3$) < Слабое основание ($NH_3$) < Сильное основание ($NaOH$).

Ответ:

Ряд веществ в порядке увеличения pH 0,2 М водного раствора:

$HNO_3 < FeCl_3 < KClO_3 < NH_3 < NaOH$.

Ионные уравнения реакций, определяющих кислотность или щелочность растворов:

• Для $HNO_3$: $H^+ + NO_3^-$
• Для $FeCl_3$: $Fe^{3+} + H_2O \rightleftharpoons FeOH^{2+} + H^+$
• Для $KClO_3$: гидролиз не происходит, среда нейтральная.
• Для $NH_3$: $NH_3 + H_2O \rightleftharpoons NH_4^+ + OH^-$
• Для $NaOH$: $Na^+ + OH^-$