Страница 140 - гдз по химии 11 класс учебник Рудзитис, Фельдман

1. Подготовьте таблицу, характеризующую свойства и применение цинка, подобную ранее рассмотренным таблицам для металлов А-групп.

Ниже представлена таблица, характеризующая основные свойства и области применения цинка.

Ответ: представлена таблица, характеризующая свойства и применение цинка.

2. Напишите уравнения химических реакций, с помощью которых можно осуществить следующие превращения:

$Zn \rightarrow X \rightarrow Y \rightarrow Zn(OH)_2 \rightarrow ZnSO_4$

$\downarrow$ $\downarrow$

$Na_2ZnO_2$ $Na_2[Zn(OH)_4]$

Для осуществления данной цепочки превращений необходимо последовательно провести шесть химических реакций. Веществами X и Y могут быть, например, оксид цинка ($ZnO$) и хлорид цинка ($ZnCl_2$) соответственно.

$Zn \rightarrow X$

Первое превращение — получение вещества X из металлического цинка. В качестве X выберем оксид цинка ($ZnO$), который можно получить при сжигании цинка в кислороде.

$2Zn + O_2 \xrightarrow{t} 2ZnO$

Ответ: $2Zn + O_2 \xrightarrow{t} 2ZnO$.

$X \rightarrow Y$

Второе превращение — получение вещества Y из X ($ZnO$). Чтобы из оксида получить вещество, из которого далее можно синтезировать гидроксид, необходимо получить растворимую соль. Проведем реакцию оксида цинка с соляной кислотой, в результате чего образуется хлорид цинка ($ZnCl_2$), который будет веществом Y.

$ZnO + 2HCl \rightarrow ZnCl_2 + H_2O$

Ответ: $ZnO + 2HCl \rightarrow ZnCl_2 + H_2O$.

$Y \rightarrow Zn(OH)_2$

Третье превращение — получение гидроксида цинка ($Zn(OH)_2$) из вещества Y ($ZnCl_2$). Гидроксид цинка является нерастворимым основанием, его можно осадить из раствора соли, добавив щелочь, например, гидроксид натрия.

$ZnCl_2 + 2NaOH \rightarrow Zn(OH)_2\downarrow + 2NaCl$

Ответ: $ZnCl_2 + 2NaOH \rightarrow Zn(OH)_2\downarrow + 2NaCl$.

$Zn(OH)_2 \rightarrow ZnSO_4$

Четвертое превращение — получение сульфата цинка ($ZnSO_4$) из гидроксида цинка. Гидроксид цинка, будучи амфотерным, реагирует с сильными кислотами, такими как серная кислота, с образованием соли и воды.

$Zn(OH)_2 + H_2SO_4 \rightarrow ZnSO_4 + 2H_2O$

Ответ: $Zn(OH)_2 + H_2SO_4 \rightarrow ZnSO_4 + 2H_2O$.

$Zn \rightarrow Na_2ZnO_2$

Это превращение иллюстрирует амфотерные свойства металлического цинка. При сплавлении с твердой щелочью, такой как гидроксид натрия, цинк образует цинкат натрия ($Na_2ZnO_2$) и выделяется водород.

$Zn + 2NaOH \xrightarrow{t, сплавление} Na_2ZnO_2 + H_2\uparrow$

Ответ: $Zn + 2NaOH \xrightarrow{t} Na_2ZnO_2 + H_2\uparrow$.

$Zn(OH)_2 \rightarrow Na_2[Zn(OH)_4]$

Данная реакция демонстрирует амфотерность гидроксида цинка. Он способен растворяться в избытке раствора щелочи, образуя комплексную соль — тетрагидроксоцинкат натрия.

$Zn(OH)_2 + 2NaOH \rightarrow Na_2[Zn(OH)_4]$

Ответ: $Zn(OH)_2 + 2NaOH \rightarrow Na_2[Zn(OH)_4]$.

3. При взаимодействии цинка с 300 г 49%-ного раствора серной кислоты получили 1,2 моль соли. Вычислите практический выход соли в процентах от теоретически возможного.

Дано:

$m(р-ра\ H_2SO_4) = 300\ г$

$\omega(H_2SO_4) = 49\ \% = 0,49$

$n_{практ}(соли) = 1,2\ моль$

Найти:

$\eta(соли)\ -\ ?$

Решение:

1. Запишем уравнение реакции взаимодействия цинка с серной кислотой. В результате реакции образуется соль сульфат цинка ($ZnSO_4$) и выделяется водород:

$Zn + H_2SO_4 \rightarrow ZnSO_4 + H_2\uparrow$

2. Рассчитаем массу чистой серной кислоты, содержащейся в 300 г 49%-го раствора:

$m(H_2SO_4) = m(р-ра\ H_2SO_4) \cdot \omega(H_2SO_4) = 300\ г \cdot 0,49 = 147\ г$

3. Вычислим молярную массу серной кислоты ($H_2SO_4$):

$M(H_2SO_4) = 2 \cdot Ar(H) + Ar(S) + 4 \cdot Ar(O) = 2 \cdot 1 + 32 + 4 \cdot 16 = 98\ г/моль$

4. Найдем количество вещества серной кислоты, вступившей в реакцию:

$n(H_2SO_4) = \frac{m(H_2SO_4)}{M(H_2SO_4)} = \frac{147\ г}{98\ г/моль} = 1,5\ моль$

5. Согласно уравнению реакции, из 1 моль серной кислоты образуется 1 моль соли (сульфата цинка). Значит, стехиометрическое соотношение количеств веществ $n(H_2SO_4) : n(ZnSO_4)$ равно $1:1$. Следовательно, теоретически возможное количество вещества соли равно количеству вещества серной кислоты:

$n_{теор}(ZnSO_4) = n(H_2SO_4) = 1,5\ моль$

6. Теперь мы можем вычислить практический выход соли в процентах от теоретически возможного. Практический выход (η) — это отношение практически полученного количества вещества продукта к теоретически возможному, выраженное в процентах:

$\eta(соли) = \frac{n_{практ}(соли)}{n_{теор}(соли)} \cdot 100\%$

$\eta(ZnSO_4) = \frac{1,2\ моль}{1,5\ моль} \cdot 100\% = 0,8 \cdot 100\% = 80\%$

Ответ: практический выход соли составляет 80%.

4. При «растворении» в соляной кислоте $12,9 \text{ г}$ сплава, состоящего из меди и цинка, получили $2,24 \text{ л}$ водорода (н. у.). Вычислите массовые доли цинка и меди в этом сплаве.

Дано:

$m_{сплава} = 12,9 \text{ г}$

$V(H_2) = 2,24 \text{ л}$ (н. у.)

Перевод в СИ:

$m_{сплава} = 0,0129 \text{ кг}$

$V(H_2) = 2,24 \cdot 10^{-3} \text{ м}^3$

Найти:

$\omega(Zn) - ?$

$\omega(Cu) - ?$

Решение:

Сплав состоит из меди (Cu) и цинка (Zn). При взаимодействии с соляной кислотой (HCl) в реакцию вступает только цинк, так как медь в электрохимическом ряду напряжений металлов стоит после водорода и не способна вытеснять его из растворов кислот.

Уравнение реакции цинка с соляной кислотой:

$Zn + 2HCl \rightarrow ZnCl_2 + H_2 \uparrow$

Медь с соляной кислотой не реагирует:

$Cu + HCl \rightarrow \text{реакция не идет}$

Следовательно, весь выделившийся водород является продуктом реакции с участием цинка. Найдем количество вещества водорода, зная его объем при нормальных условиях (н. у.). Молярный объем газа при н. у. составляет $V_m = 22,4$ л/моль.

$n(H_2) = \frac{V(H_2)}{V_m} = \frac{2,24 \text{ л}}{22,4 \text{ л/моль}} = 0,1 \text{ моль}$

Согласно уравнению реакции, стехиометрическое соотношение количеств вещества цинка и водорода равно 1:1.

$n(Zn) = n(H_2) = 0,1 \text{ моль}$

Теперь вычислим массу цинка, который прореагировал. Молярная масса цинка $M(Zn)$ составляет примерно 65 г/моль.

$m(Zn) = n(Zn) \cdot M(Zn) = 0,1 \text{ моль} \cdot 65 \text{ г/моль} = 6,5 \text{ г}$

Зная общую массу сплава и массу цинка в нем, можем найти массу меди:

$m(Cu) = m_{сплава} - m(Zn) = 12,9 \text{ г} - 6,5 \text{ г} = 6,4 \text{ г}$

Теперь вычислим массовые доли цинка и меди в сплаве. Массовая доля компонента в смеси рассчитывается по формуле:

$\omega(\text{компонента}) = \frac{m(\text{компонента})}{m(\text{смеси})} \cdot 100\%$

Массовая доля цинка:

$\omega(Zn) = \frac{m(Zn)}{m_{сплава}} \cdot 100\% = \frac{6,5 \text{ г}}{12,9 \text{ г}} \cdot 100\% \approx 50,4\%$

Массовая доля меди:

$\omega(Cu) = \frac{m(Cu)}{m_{сплава}} \cdot 100\% = \frac{6,4 \text{ г}}{12,9 \text{ г}} \cdot 100\% \approx 49,6\%$

Проверка: $50,4\% + 49,6\% = 100\%$.

Ответ: массовая доля цинка в сплаве составляет 50,4%, массовая доля меди – 49,6%.

1. Определите, верны ли следующие суждения.

А. Цинк реагирует и с раствором серной кислоты, и с раствором щёлочи.

Б. Цинк реагирует с раствором кислоты, но не реагирует с раствором щёлочи.

1) верно только А

2) верно только Б

3) верны оба суждения

4) оба суждения неверны

Решение

Для того чтобы определить верность представленных суждений, необходимо рассмотреть химические свойства цинка ($Zn$).

А. Цинк реагирует и с раствором серной кислоты, и с раствором щёлочи.

Цинк является амфотерным металлом. Амфотерность означает способность вещества проявлять как кислотные, так и основные свойства, то есть реагировать и с кислотами, и с основаниями (в данном случае, со щелочами).
1. Реакция с раствором серной кислоты ($H_2SO_4$). Цинк находится в электрохимическом ряду активности металлов до водорода, поэтому он вступает в реакцию замещения с растворами кислот (кроме азотной), вытесняя водород:
$Zn + H_2SO_4 \rightarrow ZnSO_4 + H_2\uparrow$
В результате образуется соль (сульфат цинка) и выделяется газообразный водород.
2. Реакция с раствором щёлочи (например, гидроксида натрия $NaOH$). Как амфотерный металл, цинк реагирует с водными растворами щелочей, образуя комплексные соли (гидроксоцинкаты) и водород:
$Zn + 2NaOH + 2H_2O \rightarrow Na_2[Zn(OH)_4] + H_2\uparrow$
Поскольку цинк реагирует как с раствором серной кислоты, так и с раствором щёлочи, данное суждение является верным.

Б. Цинк реагирует с раствором кислоты, но не реагирует с раствором щёлочи.

Это суждение состоит из двух частей. Первая часть ("Цинк реагирует с раствором кислоты") верна, как было показано выше. Однако вторая часть ("но не реагирует с раствором щёлочи") противоречит амфотерным свойствам цинка. Как мы выяснили, цинк реагирует со щелочами. Следовательно, всё суждение Б является неверным.

Таким образом, из двух суждений верным является только суждение А. Это соответствует варианту ответа под номером 1.

Ответ: 1

2. Амфотерные свойства проявляют соединения

1) магния и кальция

2) цинка и алюминия

3) меди и серебра

4) калия и натрия

Амфотерными называют химические соединения, которые в зависимости от условий могут проявлять как кислотные, так и основные свойства. Это означает, что они способны взаимодействовать и с кислотами, и с основаниями (щелочами). Типичными представителями амфотерных соединений являются оксиды и гидроксиды некоторых металлов, таких как алюминий, цинк, бериллий, хром(III), свинец(II), олово(II).

Рассмотрим предложенные варианты:

1) магния и кальция
Магний (Mg) и кальций (Ca) — это металлы IIA группы (щелочноземельные металлы). Их оксиды ($MgO$, $CaO$) и гидроксиды ($Mg(OH)_2$, $Ca(OH)_2$) являются типичными основными соединениями. Они реагируют с кислотами, но не реагируют со щелочами. Например: $CaO + 2HCl \rightarrow CaCl_2 + H_2O$.

2) цинка и алюминия
Цинк (Zn) и алюминий (Al) образуют оксиды и гидроксиды, которые являются классическими примерами амфотерных соединений.
Гидроксид цинка $Zn(OH)_2$ реагирует и с кислотой, и со щелочью:
$Zn(OH)_2 + 2HCl \rightarrow ZnCl_2 + 2H_2O$ (проявляет основные свойства)
$Zn(OH)_2 + 2NaOH \rightarrow Na_2[Zn(OH)_4]$ (проявляет кислотные свойства)
Гидроксид алюминия $Al(OH)_3$ также реагирует и с кислотой, и со щелочью:
$Al(OH)_3 + 3HCl \rightarrow AlCl_3 + 3H_2O$ (проявляет основные свойства)
$Al(OH)_3 + NaOH \rightarrow Na[Al(OH)_4]$ (проявляет кислотные свойства)
Следовательно, соединения цинка и алюминия проявляют амфотерные свойства.

3) меди и серебра
Оксиды меди ($CuO$, $Cu_2O$) и оксид серебра ($Ag_2O$) проявляют преимущественно основные свойства. Они легко реагируют с кислотами, но их взаимодействие со щелочами возможно только в очень жестких условиях, поэтому в общем курсе химии их не относят к амфотерным.

4) калия и натрия
Калий (K) и натрий (Na) — это щелочные металлы (IA группа). Их оксиды ($K_2O$, $Na_2O$) и гидроксиды ($KOH$, $NaOH$) являются сильными основаниями (щелочами) и проявляют исключительно основные свойства.

Исходя из анализа, верным является вариант 2.

Ответ: 2