Страница 179 - гдз по химии 11 класс учебник Рудзитис, Фельдман

3. Пользуясь таблицей 23, в пунктах 1, 2 и 3 дополнительно напишите по два-три уравнения химических реакций, в которых участвуют другие кислотные оксиды.

Решение

В задании требуется написать по два-три уравнения химических реакций, иллюстрирующих свойства кислотных оксидов. В качестве примеров кислотных оксидов, помимо наиболее распространенных, можно использовать оксид фосфора(V) ($P_2O_5$), оксид азота(V) ($N_2O_5$) и оксид кремния(IV) ($SiO_2$). Пункты 1, 2 и 3, как правило, соответствуют основным химическим свойствам кислотных оксидов.

пункт 1

Взаимодействие кислотных оксидов с водой с образованием кислот. Большинство кислотных оксидов (кроме нерастворимых, таких как $SiO_2$) вступают в реакцию с водой, образуя соответствующие им кислоты.

1) Реакция оксида фосфора(V) с водой, в результате которой образуется ортофосфорная кислота:

$P_2O_5 + 3H_2O \rightarrow 2H_3PO_4$

2) Реакция оксида азота(V) с водой с образованием азотной кислоты:

$N_2O_5 + H_2O \rightarrow 2HNO_3$

Ответ: $P_2O_5 + 3H_2O \rightarrow 2H_3PO_4$; $N_2O_5 + H_2O \rightarrow 2HNO_3$.

пункт 2

Взаимодействие кислотных оксидов с основаниями (в частности, со щелочами) с образованием соли и воды.

1) Реакция оксида кремния(IV) с гидроксидом натрия (реакция протекает при сплавлении или в концентрированном растворе щелочи) с образованием силиката натрия и воды:

$SiO_2 + 2NaOH \rightarrow Na_2SiO_3 + H_2O$

2) Реакция оксида фосфора(V) с гидроксидом калия с образованием фосфата калия и воды:

$P_2O_5 + 6KOH \rightarrow 2K_3PO_4 + 3H_2O$

3) Реакция оксида азота(V) с гидроксидом кальция с образованием нитрата кальция и воды:

$N_2O_5 + Ca(OH)_2 \rightarrow Ca(NO_3)_2 + H_2O$

Ответ: $SiO_2 + 2NaOH \rightarrow Na_2SiO_3 + H_2O$; $P_2O_5 + 6KOH \rightarrow 2K_3PO_4 + 3H_2O$; $N_2O_5 + Ca(OH)_2 \rightarrow Ca(NO_3)_2 + H_2O$.

пункт 3

Взаимодействие кислотных оксидов с основными оксидами с образованием солей. Данные реакции, как правило, происходят при нагревании (сплавлении) реагентов.

1) Реакция оксида кремния(IV) с оксидом кальция с образованием силиката кальция:

$SiO_2 + CaO \xrightarrow{t} CaSiO_3$

2) Реакция оксида фосфора(V) с оксидом натрия с образованием фосфата натрия:

$P_2O_5 + 3Na_2O \xrightarrow{t} 2Na_3PO_4$

3) Реакция оксида азота(V) с оксидом магния с образованием нитрата магния:

$N_2O_5 + MgO \rightarrow Mg(NO_3)_2$

Ответ: $SiO_2 + CaO \xrightarrow{t} CaSiO_3$; $P_2O_5 + 3Na_2O \xrightarrow{t} 2Na_3PO_4$; $N_2O_5 + MgO \rightarrow Mg(NO_3)_2$.

4. Каким образом можно доказать, что оксид кремния(IV), который не растворяется в воде, принадлежит к числу кислотных оксидов?

Решение

Оксид кремния(IV) ($SiO_2$) относят к кислотным оксидам, несмотря на его нерастворимость в воде. Классификация оксидов основана на их химических свойствах, в частности, на их способности реагировать с веществами, проявляющими противоположные свойства (с основаниями или кислотами).

Доказать кислотный характер оксида кремния(IV) можно, продемонстрировав его взаимодействие с основаниями или основными оксидами. Эти реакции являются типичными для кислотных оксидов.

1. Реакция со щелочами. Кислотные оксиды реагируют с растворами или расплавами щелочей с образованием соли и воды. Оксид кремния(IV) реагирует при сплавлении с твёрдыми щелочами или с их концентрированными растворами при нагревании. Например, реакция с гидроксидом натрия ($NaOH$):

$SiO_2 + 2NaOH \xrightarrow{t} Na_2SiO_3 + H_2O$

В результате реакции образуется соль — силикат натрия ($Na_2SiO_3$) и вода. Эта реакция подтверждает кислотные свойства $SiO_2$, так как он реагирует с основанием.

2. Реакция с основными оксидами. Кислотные оксиды взаимодействуют при нагревании (сплавлении) с основными оксидами, образуя соли. Оксид кремния(IV) вступает в такие реакции, например, с оксидом кальция ($CaO$):

$SiO_2 + CaO \xrightarrow{t} CaSiO_3$

В данной реакции образуется соль — силикат кальция ($CaSiO_3$). Этот процесс является основой производства стекла и цемента и служит еще одним доказательством кислотного характера оксида кремния(IV).

Тот факт, что оксид кремния(IV) не реагирует с водой, объясняется его атомной кристаллической решеткой, которая обладает очень высокой прочностью. Для разрыва связей $Si-O$ требуется много энергии, поэтому реакция с водой в обычных условиях не идет.

Ответ: Чтобы доказать, что оксид кремния(IV) является кислотным, необходимо провести его реакцию со щелочью или основным оксидом. Например, при сплавлении оксида кремния(IV) с гидроксидом натрия ($SiO_2 + 2NaOH \rightarrow Na_2SiO_3 + H_2O$) или с оксидом кальция ($SiO_2 + CaO \rightarrow CaSiO_3$) образуются соли — силикаты. Способность реагировать с основаниями и основными оксидами с образованием солей является ключевой характеристикой кислотных оксидов.

5. Вычислите массу азотной кислоты, полученной при взаимодействии 130 г нитрата натрия с концентрированной серной кислотой, если массовая доля выхода азотной кислоты от теоретически возможного равна 0,8.

Дано:

$m(NaNO_3) = 130 \text{ г}$

$\eta = 0,8$

Найти:

$m_{практ}(HNO_3) - ?$

Решение:

1. Составим уравнение реакции взаимодействия нитрата натрия с концентрированной серной кислотой. При слабом нагревании образуется азотная кислота и гидросульфат натрия:

$NaNO_3 + H_2SO_4 \rightarrow NaHSO_4 + HNO_3$

2. Рассчитаем молярные массы ($M$) нитрата натрия ($NaNO_3$) и азотной кислоты ($HNO_3$).

$M(NaNO_3) = 23 + 14 + 3 \cdot 16 = 85 \text{ г/моль}$

$M(HNO_3) = 1 + 14 + 3 \cdot 16 = 63 \text{ г/моль}$

3. Найдем количество вещества ($n$) нитрата натрия, вступившего в реакцию:

$n(NaNO_3) = \frac{m(NaNO_3)}{M(NaNO_3)} = \frac{130 \text{ г}}{85 \text{ г/моль}} \approx 1,5294 \text{ моль}$

4. По уравнению реакции видно, что стехиометрическое соотношение между нитратом натрия и азотной кислотой составляет 1:1. Следовательно, теоретически возможное количество вещества азотной кислоты равно количеству вещества нитрата натрия:

$n_{теор}(HNO_3) = n(NaNO_3) \approx 1,5294 \text{ моль}$

5. Вычислим теоретически возможную массу азотной кислоты ($m_{теор}$), которую можно получить:

$m_{теор}(HNO_3) = n_{теор}(HNO_3) \cdot M(HNO_3) = 1,5294 \text{ моль} \cdot 63 \text{ г/моль} \approx 96,35 \text{ г}$

6. Рассчитаем практическую массу ($m_{практ}$) полученной азотной кислоты, зная, что массовая доля выхода ($\eta$) от теоретически возможного составляет 0,8:

$m_{практ}(HNO_3) = m_{теор}(HNO_3) \cdot \eta = 96,35 \text{ г} \cdot 0,8 = 77,08 \text{ г}$

Ответ: $77,08 \text{ г}$.

6. На 0,9 моль карбоната кальция подействовали 540 мл 8 %-ной соляной кислоты (плотность $1,04 \text{ г/см}^3$). Какой газ и сколько его по объёму выделится?

Дано

$n(CaCO_3) = 0,9 \text{ моль}$
$V_{р-ра}(HCl) = 540 \text{ мл}$
$\omega(HCl) = 8 \% = 0,08$
$\rho_{р-ра}(HCl) = 1,04 \text{ г/см}^3$

$V_{р-ра}(HCl) = 540 \text{ мл} = 540 \text{ см}^3 = 540 \cdot 10^{-6} \text{ м}^3 = 5,4 \cdot 10^{-4} \text{ м}^3$
$\rho_{р-ра}(HCl) = 1,04 \text{ г/см}^3 = 1040 \text{ кг/м}^3$

Найти:

Газ - ?
$V(газа) - ?$

Решение

1. Запишем уравнение реакции взаимодействия карбоната кальция с соляной кислотой:

$CaCO_3 + 2HCl \rightarrow CaCl_2 + H_2O + CO_2\uparrow$

В результате реакции выделяется углекислый газ ($CO_2$).

2. Найдем количество вещества соляной кислоты ($HCl$), чтобы определить, какое из веществ находится в недостатке.

а) Найдем массу раствора соляной кислоты, используя его объем и плотность. Учитывая, что 1 мл = 1 см³:

$m_{р-ра}(HCl) = V_{р-ра}(HCl) \cdot \rho_{р-ра}(HCl) = 540 \text{ мл} \cdot 1,04 \text{ г/мл} = 561,6 \text{ г}$

б) Найдем массу чистого хлороводорода в растворе:

$m(HCl) = m_{р-ра}(HCl) \cdot \omega(HCl) = 561,6 \text{ г} \cdot 0,08 = 44,928 \text{ г}$

в) Найдем молярную массу хлороводорода:

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

г) Рассчитаем количество вещества хлороводорода:

$n(HCl) = \frac{m(HCl)}{M(HCl)} = \frac{44,928 \text{ г}}{36,5 \text{ г/моль}} \approx 1,23 \text{ моль}$

3. Определим, какое из исходных веществ является лимитирующим (находится в недостатке). Согласно уравнению реакции, на 1 моль $CaCO_3$ требуется 2 моль $HCl$.

Для реакции с 0,9 моль $CaCO_3$ теоретически необходимо:

$n_{теор}(HCl) = 2 \cdot n(CaCO_3) = 2 \cdot 0,9 \text{ моль} = 1,8 \text{ моль}$

В наличии у нас только 1,23 моль $HCl$, что меньше, чем 1,8 моль. Следовательно, соляная кислота находится в недостатке и будет реагировать полностью, а карбонат кальция — в избытке. Дальнейшие расчеты ведем по веществу в недостатке, то есть по $HCl$.

4. Рассчитаем количество вещества выделившегося углекислого газа ($CO_2$). По уравнению реакции, из 2 моль $HCl$ образуется 1 моль $CO_2$.

$n(CO_2) = \frac{1}{2} n(HCl) = \frac{1,23 \text{ моль}}{2} = 0,615 \text{ моль}$

5. Найдем объем выделившегося углекислого газа. Расчет будем проводить для нормальных условий (н.у.), при которых молярный объем любого газа ($V_m$) составляет 22,4 л/моль.

$V(CO_2) = n(CO_2) \cdot V_m = 0,615 \text{ моль} \cdot 22,4 \text{ л/моль} \approx 13,776 \text{ л}$

Округлим результат до десятых: 13,8 л.

Ответ: В результате реакции выделится углекислый газ ($CO_2$) объемом 13,8 л.

1. Установите соответствие между исходными веществами и продуктами реакций, характеризующих свойства оксида серы(IV).

1) $SO_2 + H_2O$

2) $SO_2 + KOH$

3) $SO_2 + CaO$

4) $SO_2 + O_2$

А. $K_2SO_3 + H_2O$

Б. $H_2SO_3$

В. $SO_3$

Г. $CaSO_3$

) $SO_2 + H_2O$

Оксид серы(IV) ($SO_2$) является кислотным оксидом. При взаимодействии с водой он образует соответствующую ему кислоту — сернистую кислоту ($H_2SO_3$). Это обратимая реакция, так как сернистая кислота является слабой и нестабильной. Уравнение реакции: $SO_2 + H_2O \rightleftharpoons H_2SO_3$. Таким образом, продуктом реакции является сернистая кислота.

Ответ: Б

2) $SO_2 + KOH$

Оксид серы(IV) ($SO_2$), будучи кислотным оксидом, вступает в реакцию нейтрализации с основанием, в данном случае с гидроксидом калия ($KOH$), который является щелочью. В результате образуется соль (сульфит калия) и вода. Уравнение реакции: $SO_2 + 2KOH \rightarrow K_2SO_3 + H_2O$. Продуктами являются сульфит калия и вода.

Ответ: А

3) $SO_2 + CaO$

В этой реакции кислотный оксид ($SO_2$) реагирует с основным оксидом (оксидом кальция, $CaO$). В результате реакции соединения образуется соль — сульфит кальция ($CaSO_3$). Уравнение реакции: $SO_2 + CaO \rightarrow CaSO_3$.

Ответ: Г

4) $SO_2 + O_2$

Оксид серы(IV) ($SO_2$) вступает в окислительно-восстановительную реакцию с кислородом ($O_2$), где сера повышает свою степень окисления с +4 до +6. Продуктом этой реакции является оксид серы(VI) ($SO_3$). Реакция является обратимой и для её проведения требуются условия: высокая температура (400–500 °C) и наличие катализатора (например, $V_2O_5$). Уравнение реакции: $2SO_2 + O_2 \rightleftharpoons 2SO_3$.

Ответ: В

2. Верны ли следующие суждения?

А. В А-группах сверху вниз кислотные свойства высших оксидов неметаллов усиливаются.

Б. В периодах слева направо свойства высших оксидов постепенно изменяются от основных к кислотным.

1) верно только А

2) верно только Б

3) верны оба суждения

4) оба суждения неверны

Для ответа на этот вопрос необходимо проанализировать каждое суждение с точки зрения периодического закона и закономерностей изменения свойств химических элементов и их соединений.

А. В А-группах сверху вниз кислотные свойства высших оксидов неметаллов усиливаются.

Это суждение неверно. В главных подгруппах (А-группах) при движении сверху вниз увеличивается атомный радиус и уменьшается электроотрицательность элементов. В связи с этим неметаллические свойства элементов ослабевают, а металлические — усиливаются. Кислотный характер оксидов напрямую связан с неметаллическими свойствами образующего их элемента. Следовательно, кислотные свойства высших оксидов в группах сверху вниз не усиливаются, а, наоборот, ослабевают.

Например, рассмотрим высшие оксиды элементов 15-й группы (VA-группы):

• Высший оксид азота $N_2O_5$ — сильный кислотный оксид.
• Высший оксид фосфора $P_4O_{10}$ ($P_2O_5$) — также сильный кислотный оксид, но соответствующая ему ортофосфорная кислота ($H_3PO_4$) слабее азотной ($HNO_3$).
• Высший оксид мышьяка $As_2O_5$ — амфотерный оксид с преобладанием кислотных свойств.
• Высший оксид сурьмы $Sb_2O_5$ — амфотерный оксид.

Эта последовательность показывает явное ослабление кислотных свойств высших оксидов при движении по группе сверху вниз.

Б. В периодах слева направо свойства высших оксидов постепенно изменяются от основных к кислотным.

Это суждение верно. При движении по периоду слева направо происходит увеличение заряда ядра атома, что приводит к уменьшению атомного радиуса и увеличению электроотрицательности. Металлические свойства элементов ослабевают, а неметаллические — усиливаются. Соответственно, характер их высших оксидов закономерно изменяется от основного через амфотерный к кислотному.

Рассмотрим в качестве примера высшие оксиды элементов 3-го периода:

• $Na_2O$ — сильный основный оксид.
• $MgO$ — основный оксид.
• $Al_2O_3$ — амфотерный оксид.
• $SiO_2$ — кислотный оксид.
• $P_4O_{10}$ ($P_2O_5$) — сильный кислотный оксид.
• $SO_3$ — очень сильный кислотный оксид.
• $Cl_2O_7$ — чрезвычайно сильный кислотный оксид.

Таким образом, наблюдается чёткий переход от основных свойств к кислотным.

Из анализа следует, что суждение А неверно, а суждение Б верно.

Ответ: 2