Страница 145 - гдз по химии 11 класс учебник Рудзитис, Фельдман

1. На основании чего можно утверждать, что титан является одним из важнейших металлов в современной технике?

Утверждать, что титан является одним из важнейших металлов в современной технике, можно на основании его уникального сочетания физических и химических свойств, которые делают его незаменимым в ряде высокотехнологичных и стратегически важных отраслей. Ключевыми основаниями для такого утверждения являются:

• Высокая удельная прочность. Титан обладает прочностью, сопоставимой с прочностью многих легированных сталей, но при этом он значительно легче (плотность титана $ \rho_{Ti} \approx 4,51 \text{ г/см}^3 $, а стали $ \rho_{Fe} \approx 7,8 \text{ г/см}^3 $). Это выдающееся соотношение прочности к весу делает его незаменимым в аэрокосмической промышленности для создания элементов конструкции самолетов, ракет и космических аппаратов, где снижение массы напрямую влияет на эффективность и грузоподъемность.
• Исключительная коррозионная стойкость. На воздухе и в большинстве агрессивных сред на поверхности титана мгновенно образуется тонкая, но очень прочная и химически инертная оксидная пленка ($TiO_2$). Эта пленка надежно защищает металл от коррозии в морской воде, растворах хлоридов, многих кислотах и щелочах. Благодаря этому титан широко применяется в химической промышленности, судостроении (обшивка подводных лодок, гребные винты) и для создания опреснительных установок.
• Биосовместимость. Титан является биоинертным материалом: он не токсичен, не отторгается организмом человека и не вызывает аллергических реакций. Более того, он способен срастаться с костной тканью (процесс остеоинтеграции). Эти свойства сделали его основным материалом в медицине для изготовления имплантатов: эндопротезов суставов, зубных имплантов, кардиостимуляторов, а также хирургических инструментов.
• Жаропрочность. Титан и его сплавы сохраняют высокую прочность при нагреве до температур 500–600 °C. Его температура плавления достаточно высока и составляет $1668 \text{ °C}$. Это позволяет использовать его для изготовления деталей реактивных двигателей, сверхзвуковых самолетов и другого оборудования, работающего в условиях высоких температур и нагрузок.

Таким образом, сочетание лёгкости, прочности, коррозионной стойкости, жаропрочности и биосовместимости делает титан уникальным конструкционным материалом, который играет ключевую роль в развитии самых передовых технологий.

Ответ: Утверждать, что титан является одним из важнейших металлов в современной технике, можно на основании его уникальных свойств: высокой удельной прочности (он прочный и легкий одновременно), превосходной коррозионной стойкости, биосовместимости (используется для медицинских имплантатов) и жаропрочности. Эти характеристики делают его незаменимым в таких отраслях, как авиакосмическая промышленность, медицина, химическая промышленность и судостроение.

2. Какие степени окисления характерны для хрома в его соединениях? Приведите примеры. Составьте схему размещения электронов по орбиталям в атоме хрома.

Характерные степени окисления хрома и их примеры

Хром ($Cr$) — это переходный металл, который способен проявлять в своих соединениях несколько различных степеней окисления. Наиболее важными и распространенными являются +2, +3 и +6.

• Степень окисления +2 ($Cr^{2+}$): Соединения двухвалентного хрома являются сильными восстановителями и проявляют основные свойства. Они неустойчивы на воздухе и легко окисляются до соединений $Cr^{3+}$.
  Примеры: оксид хрома(II) — $CrO$, гидроксид хрома(II) — $Cr(OH)_2$, хлорид хрома(II) — $CrCl_2$.
• Степень окисления +3 ($Cr^{3+}$): Это наиболее устойчивая степень окисления для хрома. Соединения трехвалентного хрома обладают амфотерными свойствами, то есть могут реагировать как с кислотами, так и со щелочами.
  Примеры: оксид хрома(III) — $Cr_2O_3$, гидроксид хрома(III) — $Cr(OH)_3$, сульфат хрома(III) — $Cr_2(SO_4)_3$.
• Степень окисления +6 ($Cr^{6+}$): Соединения шестивалентного хрома проявляют кислотные свойства и являются сильными окислителями, особенно в кислой среде.
  Примеры: оксид хрома(VI) — $CrO_3$ (хромовый ангидрид), хроматы (например, хромат калия $K_2CrO_4$) и дихроматы (например, дихромат калия $K_2Cr_2O_7$).

Также хром может иметь и другие степени окисления, например, 0 в металлоорганических соединениях, таких как гексакарбонил хрома $Cr(CO)_6$.

Ответ: Наиболее характерными для хрома в его соединениях являются степени окисления +2, +3 и +6.

Схема размещения электронов по орбиталям в атоме хрома

Атом хрома ($Cr$) имеет порядковый номер 24 в периодической системе, следовательно, заряд его ядра составляет +24, а в нейтральном атоме содержится 24 электрона.

При заполнении электронных оболочек у хрома наблюдается явление, известное как "провал" или "проскок" электрона. Для достижения более энергетически выгодного состояния один электрон с 4s-подуровня переходит на 3d-подуровень. В результате атом хрома имеет наполовину заполненные 4s- и 3d-подуровни, что придает ему дополнительную устойчивость.

Полная электронная конфигурация атома хрома выглядит следующим образом:
$ {}_{24}Cr \quad 1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^6 3d^5 4s^1 $

Электронно-графическая схема для валентных электронов (электронов внешнего и предвнешнего уровней) имеет вид:

На данной схеме видно, что у атома хрома есть шесть неспаренных электронов: один на 4s-орбитали и пять на 3d-орбиталях.

Ответ: Электронная формула атома хрома — $1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^6 3d^5 4s^1$. Электронно-графическая схема валентных слоев показывает наличие одного неспаренного электрона на 4s-подуровне и пяти неспаренных электронов на 3d-подуровне.

3. Какую массу хрома можно получить из 200 г оксида хрома(III), содержащего 5% примесей, алюминотермическим способом?

Дано:

$m(\text{Cr}_2\text{O}_3\text{ с примесями}) = 200 \text{ г}$

$\omega(\text{примесей}) = 5\%$

Найти:

$m(\text{Cr}) - ?$

Решение:

1. Сначала найдем массу чистого оксида хрома(III) ($Cr_2O_3$) в исходном образце. Массовая доля примесей составляет 5%, значит массовая доля чистого вещества равна:

$\omega(\text{Cr}_2\text{O}_3) = 100\% - \omega(\text{примесей}) = 100\% - 5\% = 95\% \text{ или } 0.95$

Теперь вычислим массу чистого $Cr_2O_3$:

$m(\text{Cr}_2\text{O}_3) = m(\text{Cr}_2\text{O}_3\text{ с примесями}) \cdot \omega(\text{Cr}_2\text{O}_3) = 200 \text{ г} \cdot 0.95 = 190 \text{ г}$

2. Запишем уравнение реакции получения хрома алюминотермическим способом. В этой реакции алюминий, как более активный металл, вытесняет хром из его оксида:

$\text{Cr}_2\text{O}_3 + 2\text{Al} \rightarrow 2\text{Cr} + \text{Al}_2\text{O}_3$

3. Рассчитаем молярные массы оксида хрома(III) и хрома, используя данные из периодической таблицы химических элементов (атомная масса Cr ≈ 52 г/моль, O ≈ 16 г/моль).

Молярная масса оксида хрома(III):

$M(\text{Cr}_2\text{O}_3) = 2 \cdot M(\text{Cr}) + 3 \cdot M(\text{O}) = 2 \cdot 52 + 3 \cdot 16 = 104 + 48 = 152 \text{ г/моль}$

Молярная масса хрома:

$M(\text{Cr}) = 52 \text{ г/моль}$

4. Найдем количество вещества (число моль) оксида хрома(III), которое вступает в реакцию:

$n(\text{Cr}_2\text{O}_3) = \frac{m(\text{Cr}_2\text{O}_3)}{M(\text{Cr}_2\text{O}_3)} = \frac{190 \text{ г}}{152 \text{ г/моль}} = 1.25 \text{ моль}$

5. По уравнению реакции определим количество вещества хрома, которое образуется. Из уравнения видно, что из 1 моль $Cr_2O_3$ образуется 2 моль $Cr$. Соотношение количеств веществ:

$\frac{n(\text{Cr}_2\text{O}_3)}{1} = \frac{n(\text{Cr})}{2}$

Отсюда находим количество вещества хрома:

$n(\text{Cr}) = 2 \cdot n(\text{Cr}_2\text{O}_3) = 2 \cdot 1.25 \text{ моль} = 2.5 \text{ моль}$

6. Наконец, вычислим массу хрома, которую можно получить:

$m(\text{Cr}) = n(\text{Cr}) \cdot M(\text{Cr}) = 2.5 \text{ моль} \cdot 52 \text{ г/моль} = 130 \text{ г}$

Ответ: 130 г.

1. В схеме превращений

$Cr \xrightarrow{X} CrCl_3 \xrightarrow{Y} Cr(OH)_3$

веществами X и Y могут быть соответственно

1) $Cl_2$ и $H_2O$

2) $Cl_2$ и $NaOH$

3) $NaCl$ и $KOH$

4) $HCl$ и $KOH$

Решение

Для решения задачи необходимо проанализировать каждый этап предложенной цепочки превращений и выбрать подходящие реагенты из списка.

Схема превращений: $Cr \xrightarrow{X} CrCl_3 \xrightarrow{Y} Cr(OH)_3$

1. Превращение $Cr \rightarrow CrCl_3$

На первом этапе металлический хром ($Cr$) должен превратиться в хлорид хрома(III) ($CrCl_3$). В этой реакции степень окисления хрома повышается с $0$ до $+3$. Для этого необходим сильный окислитель, содержащий хлор.

Рассмотрим реагенты, предложенные для вещества X:

- $Cl_2$: Хлор является сильным окислителем. При нагревании хром реагирует с хлором, образуя именно хлорид хрома(III). Уравнение реакции: $2Cr + 3Cl_2 \xrightarrow{t} 2CrCl_3$. Этот вариант подходит.

- $NaCl$: Хром не будет реагировать с хлоридом натрия, так как натрий — более активный металл.

- $HCl$: Соляная кислота реагирует с хромом, но в этой реакции образуется хлорид хрома(II) ($CrCl_2$), а не хлорид хрома(III), так как окислителем выступают ионы $H^+$, которые слабее, чем $Cl_2$. Уравнение реакции: $Cr + 2HCl \rightarrow CrCl_2 + H_2\uparrow$.

Таким образом, вещество X — это хлор ($Cl_2$). Это соответствует вариантам 1 и 2.

2. Превращение $CrCl_3 \rightarrow Cr(OH)_3$

На втором этапе из соли, хлорида хрома(III), необходимо получить нерастворимое основание — гидроксид хрома(III) ($Cr(OH)_3$). Это реакция ионного обмена, для которой требуется добавить раствор щелочи (растворимого основания).

Рассмотрим реагенты, предложенные для вещества Y в оставшихся вариантах (1 и 2):

- $H_2O$: Вода не является щелочью. Хлорид хрома(III) просто растворяется в воде, возможен лишь частичный обратимый гидролиз, но не полное образование осадка.

- $NaOH$: Гидроксид натрия — это щелочь. При его добавлении к раствору $CrCl_3$ выпадает осадок гидроксида хрома(III). Уравнение реакции: $CrCl_3 + 3NaOH \rightarrow Cr(OH)_3\downarrow + 3NaCl$. Этот вариант подходит.

Проанализировав оба этапа, можно сделать вывод, что для осуществления данной цепочки превращений необходимо использовать хлор ($Cl_2$) в качестве вещества X и гидроксид натрия ($NaOH$) в качестве вещества Y.

Данная пара реагентов представлена в варианте ответа под номером 2.

Ответ: 2

2. Установите соответствие между степенью окисления хрома в веществе и формулой этого вещества.

1) $0$ А. $K_2Cr_2O_7$

2) $+2$ Б. $Cr$

3) $+3$ В. $CrCl_2$

4) $+6$ Г. $Cr_2(SO_4)_3$

Для того чтобы установить соответствие, необходимо определить степень окисления хрома (Cr) в каждом из предложенных соединений (А, Б, В, Г), помня, что сумма степеней окисления всех атомов в нейтральной молекуле равна нулю.

1) 0

Степень окисления, равная нулю, характерна для простых веществ, то есть веществ, состоящих из атомов одного химического элемента. В предложенном списке формул таким веществом является хром.

Б. Cr – простое вещество, поэтому степень окисления хрома в нем равна 0.

Таким образом, степени окисления 0 соответствует формула Б.

Ответ: Б

2) +2

Рассмотрим соединение В. CrCl₂ (хлорид хрома(II)). В хлоридах металлов галогены (в данном случае хлор, Cl) обычно проявляют степень окисления -1. Обозначим степень окисления хрома как x. Составим уравнение для электронейтральной молекулы:

$x + 2 \cdot (-1) = 0$

$x - 2 = 0$

$x = +2$

Следовательно, в соединении CrCl₂ степень окисления хрома равна +2.

Ответ: В

3) +3

Рассмотрим соединение Г. Cr₂(SO₄)₃ (сульфат хрома(III)). Сульфат-ион (SO₄) является кислотным остатком серной кислоты и имеет постоянный заряд -2. Обозначим степень окисления хрома как x. Составим уравнение:

$2 \cdot x + 3 \cdot (-2) = 0$

$2x - 6 = 0$

$2x = 6$

$x = +3$

Следовательно, в соединении Cr₂(SO₄)₃ степень окисления хрома равна +3.

Ответ: Г

4) +6

Рассмотрим соединение А. K₂Cr₂O₇ (дихромат калия). Калий (K) – щелочной металл, его степень окисления в соединениях всегда +1. Кислород (O) в оксидах и солях кислородсодержащих кислот (за редким исключением) имеет степень окисления -2. Обозначим степень окисления хрома как x:

$2 \cdot (+1) + 2 \cdot x + 7 \cdot (-2) = 0$

$2 + 2x - 14 = 0$

$2x - 12 = 0$

$2x = 12$

$x = +6$

Следовательно, в соединении K₂Cr₂O₇ степень окисления хрома равна +6.

Ответ: А

3. В реакции оксида хрома(III) с алюминием восстановительные свойства проявляет

1) $Cr^{+3}$

2) $Al^{0}$

3) $O^{-2}$

4) $Cr^{0}$

Решение

Восстановитель в окислительно-восстановительной реакции — это частица (атом, ион или молекула), которая отдает электроны и в процессе реакции повышает свою степень окисления. Окислитель, наоборот, принимает электроны и понижает свою степень окисления.

Запишем уравнение реакции между оксидом хрома(III) и алюминием. Это реакция алюмотермии, в ходе которой более активный металл (алюминий) вытесняет менее активный (хром) из его оксида.

Схема реакции с указанием степеней окисления элементов: $$ \overset{+3}{Cr}_2\overset{-2}{O}_3 + 2\overset{0}{Al} \rightarrow \overset{+3}{Al}_2\overset{-2}{O}_3 + 2\overset{0}{Cr} $$

Проанализируем изменение степеней окисления:
Хром ($Cr$) изменил свою степень окисления с $+3$ в оксиде хрома($Cr_2O_3$) до $0$ в простом веществе ($Cr$). Так как степень окисления понизилась, хром принял электроны ($Cr^{+3} + 3e^- \rightarrow Cr^0$), то есть он восстановился. Следовательно, оксид хрома(III) является окислителем.
Алюминий ($Al$) изменил свою степень окисления с $0$ в простом веществе ($Al$) до $+3$ в оксиде алюминия ($Al_2O_3$). Так как степень окисления повысилась, алюминий отдал электроны ($Al^0 - 3e^- \rightarrow Al^{+3}$), то есть он окислился. Следовательно, алюминий является восстановителем.
Степень окисления кислорода ($O$) не изменилась (осталась $-2$) и он не участвует в окислительно-восстановительном процессе.

Таким образом, в реакции оксида хрома(III) с алюминием восстановительные свойства проявляет алюминий ($Al$) в степени окисления $0$.

Ответ: 2) Al

Используя дополнительную литературу и Интернет, подготовьте электронную презентацию о свойствах и применении титана или хрома.

Общая характеристика титана

Титан (химический символ — $Ti$, от лат. Titanium) — химический элемент 4-й группы (по устаревшей классификации — побочной подгруппы четвёртой группы, IVB), четвёртого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 22. Атомная масса — 47,867 а. е. м. Титан был открыт в 1791 году английским химиком и минералогом Уильямом Грегором в составе минерала менаканита. Своё название металл получил в честь титанов, могущественных персонажей древнегреческой мифологии.

Ответ: Титан — это химический элемент №22, переходный металл, названный в честь мифологических титанов за свою прочность.

Физические свойства титана

Титан — лёгкий, прочный металл серебристо-белого цвета. Его уникальные физические свойства определяют широкую область его применения:

• Высокая удельная прочность: Титан обладает самым высоким отношением прочности к весу среди всех металлов. Он так же прочен, как некоторые стали, но на 45% легче.
• Высокая температура плавления: Температура плавления титана составляет около 1668 °C, что позволяет использовать его в высокотемпературных приложениях.
• Низкая плотность: Плотность титана составляет 4,51 г/см³, что значительно ниже плотности стали (около 7,8 г/см³).
• Коррозионная стойкость: Обладает исключительной устойчивостью к коррозии в морской воде, царской водке и хлоре.
• Низкая тепло- и электропроводность: Титан плохо проводит тепло и электричество по сравнению с другими металлами, такими как медь или алюминий.
• Аллотропия: Существует в двух кристаллических формах: α-титан с гексагональной плотноупакованной решёткой (стабилен до 882 °C) и β-титан с кубической объёмно-центрированной решёткой (стабилен при более высоких температурах).

Ответ: Титан — это легкий, прочный, тугоплавкий металл с уникальным сочетанием высокой удельной прочности и коррозионной стойкости.

Химические свойства титана

Химически титан довольно инертен при комнатной температуре, но его активность возрастает с повышением температуры. Ключевым химическим свойством является его способность образовывать на поверхности тонкую, но очень прочную и химически инертную оксидную плёнку.

• Пассивация: На воздухе и в окислительных средах титан покрывается пассивной оксидной плёнкой (в основном, из диоксида титана $TiO_2$), которая защищает металл от дальнейшего окисления и коррозии. Именно эта плёнка обеспечивает его выдающуюся коррозионную стойкость.
• Взаимодействие с кислотами: Титан устойчив к действию разбавленных серной и соляной кислот, но растворяется в концентрированных, а также в плавиковой кислоте ($HF$).
• Взаимодействие при нагревании: При высоких температурах титан реагирует с кислородом, азотом (образуя нитрид титана $TiN$), водородом, галогенами и другими неметаллами. Горит на воздухе при 1200 °C и в чистом азоте при 800 °C.

Ответ: Основное химическое свойство титана — высокая коррозионная стойкость благодаря образованию защитной оксидной плёнки $TiO_2$, при этом при высоких температурах он становится химически активным.

Применение титана и его соединений

Благодаря своим уникальным свойствам титан и его сплавы незаменимы во многих высокотехнологичных отраслях:

• Аэрокосмическая промышленность: Изготовление деталей самолётов и ракет (обшивка, силовые элементы конструкции, шасси, диски и лопатки компрессоров реактивных двигателей). Причина — сочетание лёгкости, прочности и жаропрочности.
• Медицина: Производство имплантатов (тазобедренные и коленные суставы, зубные имплантаты, пластины для остеосинтеза), хирургических инструментов. Причина — биосовместимость (не отторгается организмом и не вызывает аллергических реакций) и коррозионная стойкость в биологических средах.
• Химическая и нефтехимическая промышленность: Создание реакторов, трубопроводов, теплообменников, насосов для работы в агрессивных средах. Причина — исключительная коррозионная стойкость.
• Судостроение: Обшивка корпусов подводных лодок, изготовление гребных винтов. Причина — стойкость к коррозии в морской воде и высокая прочность.
• Спорт и потребительские товары: Производство клюшек для гольфа, теннисных ракеток, оправ для очков, корпусов часов, ювелирных изделий. Причина — лёгкость, прочность и привлекательный внешний вид.
• Диоксид титана ($TiO_2$): Самое распространённое соединение титана. Используется как белый пигмент ("титановые белила") в производстве красок, пластмасс, бумаги, пищевых продуктов (добавка E171), косметики и солнцезащитных кремов (как физический УФ-фильтр).

Ответ: Титан и его сплавы применяются в аэрокосмической, медицинской, химической отраслях, а его диоксид является важнейшим белым пигментом.