Номер 3, страница 346 - гдз по химии 11 класс учебник Габриелян, Остроумов

Глава 7. Неметаллы. Параграф 48. Углерод и его соединения - номер 3, страница 346.

Условие.

3. Сравните свойства, получение и применение наиболее значимых карбонатов.

Ответ подтвердите уравнениями реакций.

Решение.

Решение 2.

Свойства наиболее значимых карбонатов

Наиболее значимые карбонаты — карбонат кальция ($CaCO_3$), карбонат натрия ($Na_2CO_3$) и гидрокарбонат натрия ($NaHCO_3$) — обладают рядом общих и отличительных свойств.

Физические свойства: Все три вещества — твёрдые белые вещества. Ключевое различие заключается в их растворимости в воде:
– $CaCO_3$ (карбонат кальция) практически нерастворим.
– $Na_2CO_3$ (карбонат натрия, кальцинированная сода) хорошо растворим.
– $NaHCO_3$ (гидрокарбонат натрия, пищевая сода) малорастворим в холодной воде.

Химические свойства:
1. Отношение к нагреванию (термическая стабильность):
– Гидрокарбонат натрия наименее стабилен и разлагается уже при слабом нагревании (50–100 °C):
$2NaHCO_3 \xrightarrow{t} Na_2CO_3 + H_2O + CO_2\uparrow$
– Карбонат кальция разлагается при высокой температуре (около 900 °C):
$CaCO_3 \xrightarrow{t} CaO + CO_2\uparrow$
– Карбонат натрия является термически очень устойчивым и плавится без разложения при 851 °C.

2. Взаимодействие с кислотами: Все карбонаты бурно реагируют с сильными кислотами с выделением углекислого газа, что является качественной реакцией на карбонат-ион:
$CaCO_3 + 2HCl \rightarrow CaCl_2 + H_2O + CO_2\uparrow$
$Na_2CO_3 + 2HCl \rightarrow 2NaCl + H_2O + CO_2\uparrow$
$NaHCO_3 + HCl \rightarrow NaCl + H_2O + CO_2\uparrow$

3. Гидролиз: Растворимые карбонаты натрия подвергаются гидролизу по аниону, создавая щелочную среду в растворе.
– Раствор $Na_2CO_3$ имеет сильнощелочную среду (pH > 11) из-за гидролиза: $CO_3^{2-} + H_2O \rightleftharpoons HCO_3^- + OH^-$
– Раствор $NaHCO_3$ имеет слабощелочную среду (pH ≈ 8,3): $HCO_3^- + H_2O \rightleftharpoons H_2CO_3 + OH^-$

Ответ: Карбонаты различаются по растворимости ($CaCO_3$ нерастворим, $Na_2CO_3$ растворим, $NaHCO_3$ малорастворим) и термической стабильности ($Na_2CO_3$ > $CaCO_3$ > $NaHCO_3$). Все они реагируют с кислотами с выделением $CO_2$. Растворы солей натрия имеют щелочную среду.

Получение наиболее значимых карбонатов

Карбонат кальция ($CaCO_3$) в промышленности в основном добывают в виде природных минералов (известняк, мел). В лаборатории его можно получить реакцией обмена, осаждая из раствора:
$CaCl_2 + Na_2CO_3 \rightarrow CaCO_3\downarrow + 2NaCl$

Карбонат натрия ($Na_2CO_3$) в промышленности получают аммиачным способом (метод Сольве). Этот метод основан на низкой растворимости гидрокарбоната натрия, который осаждают из раствора хлорида натрия, насыщенного аммиаком и диоксидом углерода:
$NaCl + NH_3 + CO_2 + H_2O \rightarrow NaHCO_3\downarrow + NH_4Cl$
Затем полученный гидрокарбонат натрия прокаливают (кальцинируют):
$2NaHCO_3 \xrightarrow{t} Na_2CO_3 + H_2O + CO_2\uparrow$

Гидрокарбонат натрия ($NaHCO_3$) является промежуточным продуктом в методе Сольве. Также его получают целенаправленно, пропуская углекислый газ через охлажденный концентрированный раствор карбоната натрия:
$Na_2CO_3 + H_2O + CO_2 \rightarrow 2NaHCO_3\downarrow$

Ответ: $CaCO_3$ в основном добывают; $Na_2CO_3$ и $NaHCO_3$ получают промышленно по методу Сольве, основанному на осаждении $NaHCO_3$ с последующим его прокаливанием для получения $Na_2CO_3$.

Применение наиболее значимых карбонатов

Области применения карбонатов напрямую связаны с их свойствами.

Карбонат кальция ($CaCO_3$):
– Благодаря своей распространённости и прочности (в виде известняка и мрамора) является важнейшим строительным материалом.
– Продукт его разложения, $CaO$ (негашёная известь), используется для производства цемента и гашёной извести.
– Применяется для нейтрализации кислых почв в сельском хозяйстве.
– Используется как наполнитель в производстве бумаги, пластмасс, красок; как пищевая добавка E170 и антацидное средство.

Карбонат натрия ($Na_2CO_3$):
– Основной потребитель — стекольная промышленность (производство стекла).
– Используется в производстве мыла и синтетических моющих средств благодаря щелочной среде его растворов.
– Применяется для умягчения воды (осаждает ионы $Ca^{2+}$ и $Mg^{2+}$).
– Служит сырьём для получения других соединений натрия (например, $NaOH$).

Гидрокарбонат натрия ($NaHCO_3$):
– Свойство разлагаться при нагревании с выделением $CO_2$ используется в пищевой промышленности (разрыхлитель теста) и в порошковых огнетушителях.
– Способность реагировать с кислотами используется в медицине (антацид для нейтрализации желудочного сока) и в производстве газированных напитков.
– Слабощелочные и мягкие абразивные свойства позволяют использовать его в быту как чистящее средство.

Ответ: $CaCO_3$ применяется в строительстве и сельском хозяйстве; $Na_2CO_3$ — в производстве стекла и моющих средств; $NaHCO_3$ — в пищевой промышленности, медицине и быту.