Страница 191 - гдз по химии 11 класс учебник Рудзитис, Фельдман

1. Докажите, что в сульфате натрия находится примесь хлорида натрия.

• Напишите уравнение химической реакции в молекулярном, полном и сокращённом ионном виде.

Для того чтобы доказать наличие примеси хлорида натрия ($NaCl$) в сульфате натрия ($Na_2SO_4$), необходимо провести качественную реакцию на хлорид-ион ($Cl^-$). Качественным реактивом на хлорид-ионы является раствор, содержащий ионы серебра ($Ag^+$), например, нитрат серебра ($AgNO_3$).

Для проведения анализа необходимо растворить исследуемый образец в дистиллированной воде и добавить к полученному раствору несколько капель раствора нитрата серебра. Если в образце присутствует примесь хлорида натрия, то произойдет реакция ионного обмена с образованием характерного белого творожистого осадка хлорида серебра ($AgCl$).

$Ag^+ + Cl^- \rightarrow AgCl\downarrow$

Этот осадок нерастворим в сильных кислотах, например, в азотной кислоте ($HNO_3$), что позволяет отличить его от других солей серебра (например, сульфита или карбоната серебра), которые могли бы выпасть в осадок в нейтральной среде. Таким образом, образование белого творожистого осадка при добавлении нитрата серебра, нерастворимого в азотной кислоте, однозначно доказывает присутствие хлорид-ионов и, следовательно, примеси хлорида натрия в сульфате натрия.

Напишите уравнение химической реакции в молекулярном, полном и сокращённом ионном виде.

Реакция происходит между примесью хлорида натрия ($NaCl$) и реагентом нитратом серебра ($AgNO_3$). Сульфат натрия ($Na_2SO_4$) в реакции не участвует.

Молекулярное уравнение:
$NaCl + AgNO_3 \rightarrow AgCl\downarrow + NaNO_3$

Полное ионное уравнение (в нем расписываются на ионы все сильные растворимые электролиты):
$Na^+ + Cl^- + Ag^+ + NO_3^- \rightarrow AgCl\downarrow + Na^+ + NO_3^-$

Сокращённое ионное уравнение (получается после сокращения одинаковых ионов в левой и правой частях полного ионного уравнения):
$Ag^+ + Cl^- \rightarrow AgCl\downarrow$

Ответ: Для доказательства наличия примеси хлорида натрия в сульфате натрия к водному раствору образца добавляют раствор нитрата серебра. Образование белого творожистого осадка $AgCl$ подтверждает наличие хлорид-ионов.
Уравнения реакции:
Молекулярное: $NaCl + AgNO_3 \rightarrow AgCl\downarrow + NaNO_3$
Полное ионное: $Na^+ + Cl^- + Ag^+ + NO_3^- \rightarrow AgCl\downarrow + Na^+ + NO_3^-$
Сокращённое ионное: $Ag^+ + Cl^- \rightarrow AgCl\downarrow$

2. Выданы вещества: кристаллогидрат сульфата меди(II), карбонат магния, гидроксид натрия, железо, соляная кислота, хлорид железа(III). Пользуясь этими веществами, получите:

а) оксид железа(III);

б) оксид магния;

в) медь;

г) хлорид магния.

Составьте уравнения проведённых вами реакций в молекулярном, полном и сокращённом ионном виде.

а) оксид железа(III)

Для получения оксида железа(III) сначала получим его гидроксид $Fe(OH)_3$ реакцией обмена между хлоридом железа(III) и гидроксидом натрия. В результате реакции выпадает бурый осадок гидроксида железа(III).

Реакция 1:

Молекулярное уравнение: $FeCl_3 + 3NaOH \rightarrow Fe(OH)_3 \downarrow + 3NaCl$

Полное ионное уравнение: $Fe^{3+} + 3Cl^- + 3Na^+ + 3OH^- \rightarrow Fe(OH)_3 \downarrow + 3Na^+ + 3Cl^-$

Сокращенное ионное уравнение: $Fe^{3+} + 3OH^- \rightarrow Fe(OH)_3 \downarrow$

Затем полученный гидроксид железа(III) необходимо прокалить (нагреть). Он разлагается на оксид железа(III) и воду.

Реакция 2:

Молекулярное уравнение: $2Fe(OH)_3 \xrightarrow{t^\circ} Fe_2O_3 + 3H_2O$

Для реакции термического разложения твердого вещества ионные уравнения не составляются.

Ответ: Оксид железа(III) можно получить в две стадии: 1. $FeCl_3 + 3NaOH \rightarrow Fe(OH)_3 \downarrow + 3NaCl$; 2. $2Fe(OH)_3 \xrightarrow{t^\circ} Fe_2O_3 + 3H_2O$.

б) оксид магния

Оксид магния можно получить прямым термическим разложением карбоната магния при сильном нагревании.

Молекулярное уравнение: $MgCO_3 \xrightarrow{t^\circ} MgO + CO_2 \uparrow$

Эта реакция является разложением твердого вещества, поэтому ионные уравнения для нее не пишут.

Ответ: Оксид магния получают по реакции: $MgCO_3 \xrightarrow{t^\circ} MgO + CO_2 \uparrow$.

в) медь

Металлическую медь можно получить реакцией замещения, добавив железо (в виде порошка или стружки) в раствор сульфата меди(II). Железо как более активный металл вытесняет медь из раствора ее соли.

Молекулярное уравнение: $Fe + CuSO_4 \rightarrow FeSO_4 + Cu \downarrow$

Полное ионное уравнение: $Fe + Cu^{2+} + SO_4^{2-} \rightarrow Fe^{2+} + SO_4^{2-} + Cu \downarrow$

Сокращенное ионное уравнение: $Fe + Cu^{2+} \rightarrow Fe^{2+} + Cu \downarrow$

Ответ: Медь получают по реакции: $Fe + CuSO_4 \rightarrow FeSO_4 + Cu \downarrow$.

г) хлорид магния

Хлорид магния образуется при взаимодействии карбоната магния (нерастворимой соли) с соляной кислотой. В ходе реакции выделяется углекислый газ.

Молекулярное уравнение: $MgCO_3 + 2HCl \rightarrow MgCl_2 + H_2O + CO_2 \uparrow$

Полное ионное уравнение: $MgCO_3 + 2H^+ + 2Cl^- \rightarrow Mg^{2+} + 2Cl^- + H_2O + CO_2 \uparrow$

Сокращенное ионное уравнение: $MgCO_3 + 2H^+ \rightarrow Mg^{2+} + H_2O + CO_2 \uparrow$

Ответ: Хлорид магния получают по реакции: $MgCO_3 + 2HCl \rightarrow MgCl_2 + H_2O + CO_2 \uparrow$.

3. В трёх пробирках без надписей даны кристаллические вещества: сульфат натрия, карбонат натрия, хлорид натрия. Опытным путём определите, какое вещество находится в каждой из пробирок.

• Составьте уравнения соответствующих реакций в молекулярном, полном и сокращённом ионном виде.

Для того чтобы экспериментально определить, в какой из пробирок находится сульфат натрия ($Na_2SO_4$), карбонат натрия ($Na_2CO_3$) и хлорид натрия ($NaCl$), необходимо провести качественные реакции на анионы: сульфат-ион ($SO_4^{2-}$), карбонат-ион ($CO_3^{2-}$) и хлорид-ион ($Cl^-$), так как катион натрия ($Na^+$) присутствует во всех трех солях.

Порядок проведения эксперимента:

1. Пронумеруем пробирки (№1, №2 и №3). Из каждой пробирки отберем небольшую пробу кристаллического вещества и растворим в воде в трех новых, соответственно пронумерованных, пробирках. Все три соли являются хорошо растворимыми в воде белыми кристаллическими веществами, поэтому на данном этапе различить их невозможно.
2. Для распознавания карбоната натрия ($Na_2CO_3$) в каждую из трех пробирок с растворами добавим несколько капель сильной кислоты, например, соляной кислоты ($HCl$). В пробирке, где будет наблюдаться бурное выделение пузырьков газа (вскипание), находится карбонат натрия. Этот газ — диоксид углерода ($CO_2$). $Na_2CO_3 + 2HCl \rightarrow 2NaCl + H_2O + CO_2\uparrow$
3. После определения пробирки с карбонатом натрия, остаются две пробирки, содержащие сульфат натрия и хлорид натрия. Чтобы их различить, проведем качественную реакцию на сульфат-ион. В обе пробирки добавим несколько капель раствора, содержащего ионы бария, например, хлорида бария ($BaCl_2$). В пробирке, где выпадет белый осадок сульфата бария ($BaSO_4$), находится сульфат натрия. $Na_2SO_4 + BaCl_2 \rightarrow BaSO_4\downarrow + 2NaCl$
4. В последней пробирке, где не произошло видимых изменений ни при добавлении кислоты, ни при добавлении раствора хлорида бария, находится хлорид натрия ($NaCl$). Для дополнительного контроля можно провести качественную реакцию на хлорид-ион: к новой пробе раствора из этой пробирки добавить раствор нитрата серебра ($AgNO_3$). Выпадение белого творожистого осадка хлорида серебра ($AgCl$) подтвердит наличие хлорида натрия. $NaCl + AgNO_3 \rightarrow AgCl\downarrow + NaNO_3$

Ответ: Чтобы определить вещества, нужно растворить пробы из каждой пробирки в воде. Затем последовательно провести качественные реакции: 1. Добавить в каждую пробирку раствор сильной кислоты (например, $HCl$); выделение газа укажет на карбонат натрия. 2. К двум оставшимся растворам добавить раствор соли бария (например, $BaCl_2$); выпадение белого осадка укажет на сульфат натрия. 3. В пробирке, где не наблюдалось реакций, находится хлорид натрия.

1. Реакция для определения карбонат-иона ($CO_3^{2-}$):

• Молекулярное уравнение: $Na_2CO_3 + 2HCl \rightarrow 2NaCl + H_2O + CO_2\uparrow$
• Полное ионное уравнение: $2Na^+ + CO_3^{2-} + 2H^+ + 2Cl^- \rightarrow 2Na^+ + 2Cl^- + H_2O + CO_2\uparrow$
• Сокращённое ионное уравнение: $CO_3^{2-} + 2H^+ \rightarrow H_2O + CO_2\uparrow$

2. Реакция для определения сульфат-иона ($SO_4^{2-}$):

• Молекулярное уравнение: $Na_2SO_4 + BaCl_2 \rightarrow BaSO_4\downarrow + 2NaCl$
• Полное ионное уравнение: $2Na^+ + SO_4^{2-} + Ba^{2+} + 2Cl^- \rightarrow BaSO_4\downarrow + 2Na^+ + 2Cl^-$
• Сокращённое ионное уравнение: $Ba^{2+} + SO_4^{2-} \rightarrow BaSO_4\downarrow$

3. Реакция для определения хлорид-иона ($Cl^-$) (подтверждающая):

• Молекулярное уравнение: $NaCl + AgNO_3 \rightarrow AgCl\downarrow + NaNO_3$
• Полное ионное уравнение: $Na^+ + Cl^- + Ag^+ + NO_3^- \rightarrow AgCl\downarrow + Na^+ + NO_3^-$
• Сокращённое ионное уравнение: $Ag^+ + Cl^- \rightarrow AgCl\downarrow$

Ответ:

1. Реакция на $CO_3^{2-}$:

Молекулярное: $Na_2CO_3 + 2HCl \rightarrow 2NaCl + H_2O + CO_2\uparrow$

Полное ионное: $2Na^+ + CO_3^{2-} + 2H^+ + 2Cl^- \rightarrow 2Na^+ + 2Cl^- + H_2O + CO_2\uparrow$

Сокращённое ионное: $CO_3^{2-} + 2H^+ \rightarrow H_2O + CO_2\uparrow$

2. Реакция на $SO_4^{2-}$:

Молекулярное: $Na_2SO_4 + BaCl_2 \rightarrow BaSO_4\downarrow + 2NaCl$

Полное ионное: $2Na^+ + SO_4^{2-} + Ba^{2+} + 2Cl^- \rightarrow BaSO_4\downarrow + 2Na^+ + 2Cl^-$

Сокращённое ионное: $Ba^{2+} + SO_4^{2-} \rightarrow BaSO_4\downarrow$

3. Реакция на $Cl^{-}$:

Молекулярное: $NaCl + AgNO_3 \rightarrow AgCl\downarrow + NaNO_3$

Полное ионное: $Na^+ + Cl^- + Ag^+ + NO_3^- \rightarrow AgCl\downarrow + Na^+ + NO_3^-$

Сокращённое ионное: $Ag^+ + Cl^- \rightarrow AgCl\downarrow$

4. В пробирках даны твёрдые вещества:

а) сульфат натрия, сульфид натрия, сульфит натрия;

б) карбонат калия, сульфат калия, хлорид аммония;

в) сульфат калия, сульфит натрия, карбонат кальция.

Определите, в какой пробирке находится каждое из веществ.

Для определения веществ в каждой из пробирок необходимо провести качественные реакции, характерные для ионов, входящих в состав данных солей.

Решение

Все три вещества – белые кристаллические порошки, растворимые в воде. Для их распознавания можно использовать сильную кислоту, например, соляную ($HCl$).

1. Отберём пробы каждого вещества в три отдельные пробирки и добавим в каждую немного дистиллированной воды для растворения солей.
2. В каждую пробирку с раствором добавим несколько капель раствора соляной кислоты.
3. Наблюдаем за происходящими изменениями:
   • В пробирке, где выделяется газ с резким запахом тухлых яиц (сероводород), находится сульфид натрия ($Na_2S$). Уравнение реакции:
     $Na_2S + 2HCl \rightarrow 2NaCl + H_2S \uparrow$
   • В пробирке, где выделяется газ с резким удушливым запахом (сернистый газ, запах зажжённой спички), находится сульфит натрия ($Na_2SO_3$). Уравнение реакции:
     $Na_2SO_3 + 2HCl \rightarrow 2NaCl + SO_2 \uparrow + H_2O$
   • В пробирке, где видимых изменений не происходит (газ не выделяется, осадок не образуется), находится сульфат натрия ($Na_2SO_4$).

Ответ: Для распознавания веществ к их водным растворам следует добавить соляную кислоту. Выделение газа с запахом тухлых яиц укажет на сульфид натрия, выделение газа с резким удушливым запахом – на сульфит натрия, а отсутствие реакции – на сульфат натрия.

Решение

Все три вещества – белые кристаллические порошки, растворимые в воде. Для их распознавания проведем реакции на катион аммония и анионы карбоната и сульфата.

1. Отберём пробы каждого вещества в три отдельные пробирки и растворим их в воде.
2. Для обнаружения хлорида аммония ($NH_4Cl$) в каждую пробирку добавим раствор щёлочи (например, $NaOH$) и осторожно нагреем. В пробирке с хлоридом аммония выделится газ с резким характерным запахом аммиака ($NH_3$). Его также можно обнаружить по посинению влажной красной лакмусовой бумажки, поднесенной к отверстию пробирки. Уравнение реакции:
   $NH_4Cl + NaOH \xrightarrow{t} NaCl + H_2O + NH_3 \uparrow$
3. Для распознавания оставшихся двух веществ – карбоната калия ($K_2CO_3$) и сульфата калия ($K_2SO_4$) – добавим в пробирки с их растворами сильную кислоту (например, $HCl$).
   • В пробирке с карбонатом калия будет наблюдаться бурное выделение бесцветного газа без запаха (углекислый газ, $CO_2$). Уравнение реакции:
     $K_2CO_3 + 2HCl \rightarrow 2KCl + H_2O + CO_2 \uparrow$
   • В пробирке с сульфатом калия видимых изменений не произойдёт.

Ответ: Хлорид аммония определяется по выделению аммиака при действии щёлочи и нагревании. Карбонат калия определяется по выделению углекислого газа при действии кислоты. Сульфат калия не реагирует ни со щёлочью, ни с кислотой в данных условиях.

Решение

В данном наборе веществ одно из них нерастворимо в воде, что позволяет легко его идентифицировать. Остальные два можно различить с помощью кислоты.

1. Отберём пробы каждого вещества в три отдельные пробирки и добавим в каждую дистиллированную воду.
2. В одной из пробирок вещество не растворится, образуя белый осадок. Это карбонат кальция ($CaCO_3$). Для подтверждения можно добавить к этому осадку соляную кислоту – осадок растворится с выделением углекислого газа.
   $CaCO_3 + 2HCl \rightarrow CaCl_2 + H_2O + CO_2 \uparrow$
3. В двух других пробирках образуются прозрачные растворы – это сульфат калия ($K_2SO_4$) и сульфит натрия ($Na_2SO_3$).
4. Для их распознавания добавим в обе пробирки по несколько капель раствора сильной кислоты (например, $HCl$).
   • В пробирке, содержащей сульфит натрия, выделится газ с резким удушливым запахом ($SO_2$). Уравнение реакции:
     $Na_2SO_3 + 2HCl \rightarrow 2NaCl + SO_2 \uparrow + H_2O$
   • В пробирке с сульфатом калия никаких видимых изменений не произойдет.

Ответ: Карбонат кальция определяется по нерастворимости в воде. Из двух оставшихся растворимых солей сульфит натрия определяется по выделению сернистого газа при действии кислоты, а сульфат калия не будет реагировать с кислотой.

5. Осуществите практические следующие превращения:

a) $CaCO_3 \rightarrow CO_2 \rightarrow CaCO_3 \rightarrow Ca(HCO_3)_2 \rightarrow CaCl_2 \rightarrow AgCl$

б) $CuO \rightarrow CuSO_4 \rightarrow BaSO_4$

$\downarrow$

$CuCl_2 \rightarrow Cu(OH)_2 \rightarrow CuO$

а) Для осуществления данной цепочки превращений необходимо последовательно провести следующие химические реакции:

1. $CaCO_3 \rightarrow CO_2$

Чтобы получить углекислый газ из карбоната кальция, можно провести его термическое разложение при высокой температуре (прокаливание) или подействовать на него сильной кислотой, например, соляной. Используем метод прокаливания:

$CaCO_3 \xrightarrow{t^\circ} CaO + CO_2\uparrow$

2. $CO_2 \rightarrow CaCO_3$

Для обратного превращения углекислого газа в карбонат кальция необходимо пропустить $CO_2$ через раствор гидроксида кальция (известковую воду). При этом выпадает белый осадок карбоната кальция.

$CO_2 + Ca(OH)_2 \rightarrow CaCO_3\downarrow + H_2O$

3. $CaCO_3 \rightarrow Ca(HCO_3)_2$

Карбонат кальция — нерастворимая соль, но она может реагировать с избытком углекислого газа в водной среде с образованием растворимого гидрокарбоната кальция.

$CaCO_3 + H_2O + CO_2 \rightarrow Ca(HCO_3)_2$

4. $Ca(HCO_3)_2 \rightarrow CaCl_2$

Для получения хлорида кальция из гидрокарбоната кальция необходимо добавить соляную кислоту. В результате реакции образуется соль, вода и выделяется углекислый газ.

$Ca(HCO_3)_2 + 2HCl \rightarrow CaCl_2 + 2H_2O + 2CO_2\uparrow$

5. $CaCl_2 \rightarrow AgCl$

Это качественная реакция на ионы хлора. При добавлении к раствору хлорида кальция раствора нитрата серебра выпадает белый творожистый осадок хлорида серебра.

$CaCl_2 + 2AgNO_3 \rightarrow 2AgCl\downarrow + Ca(NO_3)_2$

Ответ:

$CaCO_3 \xrightarrow{t^\circ} CaO + CO_2$

$CO_2 + Ca(OH)_2 \rightarrow CaCO_3\downarrow + H_2O$

$CaCO_3 + H_2O + CO_2 \rightarrow Ca(HCO_3)_2$

$Ca(HCO_3)_2 + 2HCl \rightarrow CaCl_2 + 2H_2O + 2CO_2\uparrow$

$CaCl_2 + 2AgNO_3 \rightarrow 2AgCl\downarrow + Ca(NO_3)_2$

б) Для данной схемы необходимо осуществить две ветви превращений, исходящих из оксида меди(II).

Первая цепь превращений: $CuO \rightarrow CuSO_4 \rightarrow BaSO_4$

1. $CuO \rightarrow CuSO_4$

Оксид меди(II) является основным оксидом и реагирует с кислотами. Для получения сульфата меди(II) нужно провести реакцию с серной кислотой.

$CuO + H_2SO_4 \rightarrow CuSO_4 + H_2O$

2. $CuSO_4 \rightarrow BaSO_4$

Для получения сульфата бария (нерастворимого белого осадка) к раствору сульфата меди(II) нужно добавить растворимую соль бария, например, хлорид или нитрат бария. Это качественная реакция на сульфат-ион.

$CuSO_4 + BaCl_2 \rightarrow BaSO_4\downarrow + CuCl_2$

Вторая цепь превращений: $CuO \rightarrow CuCl_2 \rightarrow Cu(OH)_2 \rightarrow CuO$

1. $CuO \rightarrow CuCl_2$

Аналогично первой реакции, оксид меди(II) реагирует с соляной кислотой с образованием хлорида меди(II) и воды.

$CuO + 2HCl \rightarrow CuCl_2 + H_2O$

2. $CuCl_2 \rightarrow Cu(OH)_2$

Гидроксид меди(II) — нерастворимое основание. Его можно получить, добавив к раствору хлорида меди(II) раствор щелочи, например, гидроксида натрия. Выпадает голубой осадок.

$CuCl_2 + 2NaOH \rightarrow Cu(OH)_2\downarrow + 2NaCl$

3. $Cu(OH)_2 \rightarrow CuO$

Гидроксид меди(II) — термически неустойчивое соединение. При нагревании он разлагается на оксид меди(II) черного цвета и воду.

$Cu(OH)_2 \xrightarrow{t^\circ} CuO + H_2O$

Ответ:

$CuO + H_2SO_4 \rightarrow CuSO_4 + H_2O$

$CuSO_4 + BaCl_2 \rightarrow BaSO_4\downarrow + CuCl_2$

$CuO + 2HCl \rightarrow CuCl_2 + H_2O$

$CuCl_2 + 2NaOH \rightarrow Cu(OH)_2\downarrow + 2NaCl$

$Cu(OH)_2 \xrightarrow{t^\circ} CuO + H_2O$