Страница 159 - гдз по химии 11 класс учебник Рудзитис, Фельдман

1. От каких факторов зависят свойства оксидов и гидроксидов металлов? Поясните на конкретных примерах.

Свойства оксидов и гидроксидов металлов, в первую очередь их кислотно-основный характер, зависят от двух главных факторов:

• Положения металла в Периодической системе химических элементов Д.И. Менделеева.
• Степени окисления, которую проявляет металл в данном соединении.

1. Зависимость свойств от положения металла в Периодической системе

Основные свойства оксидов и гидроксидов напрямую связаны с металлическими свойствами самого элемента. Чем активнее металл (чем ниже его электроотрицательность и больше атомный радиус), тем более выраженными основными свойствами обладают его соединения.

а) В пределах одного периода (при движении слева направо)

С увеличением порядкового номера в периоде металлические свойства элементов ослабевают, а неметаллические — усиливаются. Это приводит к закономерному изменению характера их высших оксидов и гидроксидов от основного через амфотерный к кислотному.

Рассмотрим в качестве примера элементы 3-го периода:

• Натрий (Na), I группа. Оксид натрия $Na_2O$ является типичным основным оксидом. Он бурно реагирует с водой, образуя сильное основание — щёлочь $NaOH$.
  $Na_2O + H_2O \rightarrow 2NaOH$
  $NaOH + HCl \rightarrow NaCl + H_2O$
• Магний (Mg), II группа. Оксид магния $MgO$ также является основным, но его свойства выражены слабее, чем у $Na_2O$. Соответствующий гидроксид $Mg(OH)_2$ — слабое, нерастворимое в воде основание.
  $MgO + 2HNO_3 \rightarrow Mg(NO_3)_2 + H_2O$
• Алюминий (Al), III группа (13-я по новой номенклатуре). Оксид алюминия $Al_2O_3$ и гидроксид алюминия $Al(OH)_3$ являются амфотерными, то есть проявляют двойственные свойства: реагируют и с кислотами, и со щелочами.
  Как основание: $Al(OH)_3 + 3HCl \rightarrow AlCl_3 + 3H_2O$
  Как кислота: $Al(OH)_3 + NaOH \rightarrow Na[Al(OH)_4]$ (тетрагидроксоалюминат натрия)

б) В пределах одной главной подгруппы (при движении сверху вниз)

С увеличением порядкового номера в группе радиус атомов растет, электроотрицательность падает, а металлические свойства усиливаются. Вследствие этого, основные свойства оксидов и гидроксидов также усиливаются.

Рассмотрим в качестве примера элементы II группы, главной подгруппы:

• Бериллий (Be). $BeO$ и $Be(OH)_2$ проявляют амфотерные свойства.
• Магний (Mg). $MgO$ — основный оксид, а $Mg(OH)_2$ — слабое основание.
• Кальций (Ca). $CaO$ — основный оксид, а $Ca(OH)_2$ — уже достаточно сильное основание (щёлочь).
• Стронций (Sr) и Барий (Ba). Их оксиды ($SrO, BaO$) и гидроксиды ($Sr(OH)_2, Ba(OH)_2$) являются сильными основными соединениями, а их сила нарастает от кальция к барию.

2. Зависимость свойств от степени окисления металла

Если металл образует несколько оксидов и гидроксидов с разными степенями окисления, то действует следующее правило: с ростом степени окисления металла основные свойства его соединений ослабевают, а кислотные — нарастают.

Рассмотрим на примере соединений хрома (Cr):

• При степени окисления +2: оксид хрома(II) $CrO$ — основный, ему соответствует гидроксид $Cr(OH)_2$, являющийся основанием.
  $CrO + 2H^+ \rightarrow Cr^{2+} + H_2O$
• При степени окисления +3: оксид хрома(III) $Cr_2O_3$ и гидроксид $Cr(OH)_3$ — амфотерные.
  $Cr_2O_3 + 6H^+ \rightarrow 2Cr^{3+} + 3H_2O$
  $Cr_2O_3 + 2OH^- + 3H_2O \rightarrow 2[Cr(OH)_4]^-$
• При степени окисления +6: оксид хрома(VI) $CrO_3$ — кислотный. Ему соответствуют сильные кислоты: хромовая $H_2CrO_4$ и дихромовая $H_2Cr_2O_7$.
  $CrO_3 + 2NaOH \rightarrow Na_2CrO_4 + H_2O$

Таким образом, химический характер оксида и гидроксида металла является комплексной характеристикой, зависящей как от природы самого металла, так и от его валентного состояния в соединении.

Ответ: Свойства оксидов и гидроксидов металлов зависят от положения элемента в периодической системе (период, группа) и от его степени окисления. С усилением металлических свойств элемента (движение по группе сверху вниз, по периоду справа налево) усиливаются основные свойства его оксидов и гидроксидов. С увеличением степени окисления металла в его соединениях основные свойства ослабевают, а кислотные усиливаются, что может приводить к переходу от основных свойств к амфотерным и далее к кислотным.

2. Напишите формулы высших оксидов селена и хлора. Определите их характер. Запишите уравнения реакций этих оксидов с водой.

Решение

Для того чтобы написать формулы высших оксидов, необходимо определить высшую степень окисления для каждого элемента. Для элементов главных подгрупп высшая степень окисления, как правило, равна номеру группы в Периодической системе химических элементов Д.И. Менделеева. Характер оксида (кислотный, основный, амфотерный) зависит от природы элемента и его степени окисления.

Высший оксид селена ($Se$)

1. Формула. Селен ($Se$) — химический элемент 16-й группы (старая классификация — VIА группа). Его высшая степень окисления равна +6. Степень окисления кислорода в оксидах составляет -2. Для составления электронейтральной формулы оксида необходимо уравнять суммарные положительные и отрицательные заряды. Формула высшего оксида селена будет $Se^{+6}O_3^{-2}$, то есть $SeO_3$ (оксид селена(VI) или триоксид селена).

2. Характер. Селен является неметаллом. Оксиды неметаллов в высоких степенях окисления (+5, +6, +7) проявляют кислотные свойства. Следовательно, $SeO_3$ — это кислотный оксид.

3. Реакция с водой. Кислотные оксиды реагируют с водой, образуя соответствующие кислоты. Оксиду селена(VI) соответствует селеновая кислота ($H_2SeO_4$), в которой селен сохраняет свою степень окисления +6.
Уравнение реакции: $SeO_3 + H_2O \rightarrow H_2SeO_4$

Ответ: Высший оксид селена имеет формулу $SeO_3$, является кислотным оксидом. Уравнение реакции с водой: $SeO_3 + H_2O \rightarrow H_2SeO_4$.

Высший оксид хлора ($Cl$)

1. Формула. Хлор ($Cl$) — химический элемент 17-й группы (старая классификация — VIIА группа). Его высшая степень окисления равна +7. Составим формулу его высшего оксида, учитывая степень окисления кислорода -2. Формула будет $Cl_2^{+7}O_7^{-2}$, то есть $Cl_2O_7$ (оксид хлора(VII)).

2. Характер. Хлор — типичный неметалл. Его оксид в высшей степени окисления ($+7$) проявляет ярко выраженные кислотные свойства. $Cl_2O_7$ — сильный кислотный оксид.

3. Реакция с водой. При взаимодействии с водой оксид хлора(VII) образует соответствующую ему хлорную кислоту ($HClO_4$), одну из самых сильных неорганических кислот. Степень окисления хлора (+7) при этом не изменяется.
Уравнение реакции: $Cl_2O_7 + H_2O \rightarrow 2HClO_4$

Ответ: Высший оксид хлора имеет формулу $Cl_2O_7$, является кислотным оксидом. Уравнение реакции с водой: $Cl_2O_7 + H_2O \rightarrow 2HClO_4$.

3. Определите степени окисления в соединениях хрома $CrO$, $Cr_2O_3$ и $CrO_3$. Как изменение степени окисления элемента влияет на характер его оксида?

Дано:

Соединения хрома: оксид хрома(II) - $CrO$, оксид хрома(III) - $Cr_2O_3$, оксид хрома(VI) - $CrO_3$.

Найти:

1. Степени окисления хрома в указанных соединениях.

2. Зависимость характера оксида от степени окисления элемента.

Решение:

1. Определение степеней окисления в соединениях хрома

Для определения степени окисления (с.о.) хрома воспользуемся правилом, что сумма степеней окисления всех атомов в электронейтральной молекуле равна нулю. Степень окисления кислорода в оксидах, как правило, равна $-2$. Обозначим степень окисления хрома за $x$.

• Для оксида хрома(II) $CrO$:

  Составим уравнение: $x + (-2) = 0$. Отсюда $x = +2$.

  Таким образом, в $CrO$ хром имеет степень окисления $+2$ ($\stackrel{+2}{Cr}\stackrel{-2}{O}$).

• Для оксида хрома(III) $Cr_2O_3$:

  Составим уравнение для двух атомов хрома и трех атомов кислорода: $2 \cdot x + 3 \cdot (-2) = 0$.

  $2x - 6 = 0 \Rightarrow 2x = 6 \Rightarrow x = +3$.

  Таким образом, в $Cr_2O_3$ хром имеет степень окисления $+3$ ($\stackrel{+3}{Cr}_{2}\stackrel{-2}{O}_{3}$).

• Для оксида хрома(VI) $CrO_3$:

  Составим уравнение: $x + 3 \cdot (-2) = 0$.

  $x - 6 = 0 \Rightarrow x = +6$.

  Таким образом, в $CrO_3$ хром имеет степень окисления $+6$ ($\stackrel{+6}{Cr}\stackrel{-2}{O}_{3}$).

Ответ: Степень окисления хрома в $CrO$ равна $+2$, в $Cr_2O_3$ - $+3$, в $CrO_3$ - $+6$.

2. Как изменение степени окисления элемента влияет на характер его оксида?

Характер оксида (основный, амфотерный, кислотный) напрямую зависит от степени окисления образующего его элемента. Для металлов существует общая закономерность: с увеличением степени окисления металла происходит ослабление основных свойств его оксида и усиление кислотных свойств.

Рассмотрим эту закономерность на примере оксидов хрома:

• $CrO$ (с.о. хрома $+2$) — оксид с низкой степенью окисления, проявляет ярко выраженные основные свойства. Он реагирует с кислотами, образуя соли хрома(II), но не реагирует со щелочами. Пример реакции с соляной кислотой: $CrO + 2HCl \rightarrow CrCl_2 + H_2O$.

• $Cr_2O_3$ (с.о. хрома $+3$) — оксид с промежуточной степенью окисления, проявляет амфотерные свойства. Он реагирует как с кислотами, образуя соли хрома(III), так и со щелочами, образуя хромиты. Пример реакций:

  с кислотой: $Cr_2O_3 + 6HCl \rightarrow 2CrCl_3 + 3H_2O$

  со щелочью (при сплавлении): $Cr_2O_3 + 2NaOH \rightarrow 2NaCrO_2 + H_2O$

• $CrO_3$ (с.о. хрома $+6$) — оксид с высшей степенью окисления, является типичным кислотным оксидом. Он реагирует с водой, образуя сильные хромовые кислоты ($H_2CrO_4$ и $H_2Cr_2O_7$), и со щелочами, образуя соли — хроматы и дихроматы. Пример реакции со щелочью: $CrO_3 + 2KOH \rightarrow K_2CrO_4 + H_2O$.

Таким образом, с ростом степени окисления хрома от $+2$ до $+6$ происходит переход от основного характера оксида к амфотерному, а затем к кислотному.

Ответ: С увеличением степени окисления элемента в оксиде его основные свойства ослабевают, а кислотные усиливаются. Происходит переход от основных оксидов (в низких степенях окисления) через амфотерные (в промежуточных) к кислотным (в высоких).

4. Для полной нейтрализации 150 г раствора с массовой долей хлороводорода 7,3 % потребовалось 200 г раствора гидроксида натрия. Вычислите массовую долю щёлочи в этом растворе.

Дано:

$m_{р-ра(HCl)} = 150$ г
$\omega(HCl) = 7,3\%$
$m_{р-ра(NaOH)} = 200$ г

Перевод в СИ:
$m_{р-ра(HCl)} = 0,15$ кг
$m_{р-ра(NaOH)} = 0,2$ кг

Найти:

$\omega(NaOH)$ - ?

Решение:

1. Запишем уравнение реакции нейтрализации между соляной кислотой (раствор хлороводорода) и гидроксидом натрия (щёлочью):

$HCl + NaOH \rightarrow NaCl + H_2O$

Из уравнения видно, что реагенты вступают в реакцию в мольном соотношении 1:1.

2. Вычислим массу чистого хлороводорода ($HCl$) в 150 г его раствора. Для этого переведем массовую долю из процентов в доли единицы: $7,3\% = 0,073$.

$m(HCl) = m_{р-ра(HCl)} \cdot \omega(HCl) = 150 \text{ г} \cdot 0,073 = 10,95 \text{ г}$

3. Рассчитаем количество вещества (в молях) хлороводорода. Для этого нам понадобится его молярная масса.

$M(HCl) = M(H) + M(Cl) \approx 1 + 35,5 = 36,5 \text{ г/моль}$

$n(HCl) = \frac{m(HCl)}{M(HCl)} = \frac{10,95 \text{ г}}{36,5 \text{ г/моль}} = 0,3 \text{ моль}$

4. Согласно уравнению реакции, для полной нейтрализации 0,3 моль $HCl$ потребуется такое же количество вещества $NaOH$.

$n(NaOH) = n(HCl) = 0,3 \text{ моль}$

5. Теперь найдем массу гидроксида натрия, необходимую для реакции. Рассчитаем молярную массу $NaOH$.

$M(NaOH) = M(Na) + M(O) + M(H) \approx 23 + 16 + 1 = 40 \text{ г/моль}$

$m(NaOH) = n(NaOH) \cdot M(NaOH) = 0,3 \text{ моль} \cdot 40 \text{ г/моль} = 12 \text{ г}$

6. Мы знаем, что 12 г чистого гидроксида натрия содержалось в 200 г его раствора. Вычислим массовую долю щёлочи в этом растворе.

$\omega(NaOH) = \frac{m(NaOH)}{m_{р-ра(NaOH)}} = \frac{12 \text{ г}}{200 \text{ г}} = 0,06$

7. Переведем полученное значение в проценты.

$\omega(NaOH) = 0,06 \cdot 100\% = 6\%$

Ответ: массовая доля щёлочи в растворе гидроксида натрия составляет 6%.