Страница 88 - гдз по химии 11 класс учебник Рудзитис, Фельдман

1. Какие из следующих веществ относят к электролитам, а какие — к неэлектролитам: этиловый спирт, водный раствор гидроксида калия, расплав гидроксида калия, водный раствор сульфата меди(II), соляная кислота, водный раствор глюкозы, раствор кислорода в воде?

Для классификации веществ на электролиты и неэлектролиты необходимо определить их способность диссоциировать (распадаться) на ионы в растворе или расплаве. Вещества, диссоциирующие на ионы, являются электролитами, так как их растворы или расплавы проводят электрический ток. Вещества, которые не диссоциируют на ионы, являются неэлектролитами.

К электролитам относятся:

• Водный раствор гидроксида калия. Гидроксид калия ($KOH$) — это сильное основание (щёлочь). В водном растворе он практически полностью диссоциирует на ионы калия ($K^+$) и гидроксид-ионы ($OH^-$), обеспечивая электропроводность.
• Расплав гидроксида калия. Гидроксид калия — вещество с ионной кристаллической решёткой. В расплавленном состоянии ионы ($K^+$ и $OH^-$) становятся подвижными, что позволяет расплаву проводить электрический ток.
• Водный раствор сульфата меди(II). Сульфат меди(II) ($CuSO_4$) — это растворимая соль, которая в воде диссоциирует на ионы меди ($Cu^{2+}$) и сульфат-ионы ($SO_4^{2-}$).
• Соляная кислота. Соляная кислота ($HCl$) — это сильная кислота, которая в водном растворе полностью диссоциирует на ионы водорода ($H^+$) и хлорид-ионы ($Cl^-$).

К неэлектролитам относятся:

• Этиловый спирт. Этиловый спирт ($C_2H_5OH$) — это органическое соединение, которое в водном растворе существует в виде молекул и не диссоциирует на ионы.
• Водный раствор глюкозы. Глюкоза ($C_6H_{12}O_6$) — это органическое вещество (углевод), которое растворяется в воде, но не образует ионов.
• Раствор кислорода в воде. Кислород ($O_2$) — это простое вещество, состоящее из неполярных молекул. При растворении в воде ионы не образуются.

Ответ:
К электролитам относятся: водный раствор гидроксида калия, расплав гидроксида калия, водный раствор сульфата меди(II), соляная кислота.
К неэлектролитам относятся: этиловый спирт, водный раствор глюкозы, раствор кислорода в воде.

2. Составьте уравнения диссоциации следующих электролитов: $NaOH$, $Na_3PO_4$, $HNO_3$, $CH_3COONa$, $FeCl_3$, $Al_2(SO_4)_3$, $Cu(OH)Cl$, $KH_2PO_4$.

NaOH

Гидроксид натрия (едкий натр) — сильное основание (щёлочь), является сильным электролитом и в водных растворах диссоциирует полностью и необратимо в одну ступень.

Ответ: $NaOH \rightarrow Na^+ + OH^-$

Na₃PO₄

Фосфат натрия — средняя соль, образованная сильным основанием (NaOH) и слабой трёхосновной кислотой (H₃PO₄). Как и большинство солей, является сильным электролитом и диссоциирует в одну ступень на катионы металла и анионы кислотного остатка.

Ответ: $Na_3PO_4 \rightarrow 3Na^+ + PO_4^{3-}$

HNO₃

Азотная кислота — сильная одноосновная кислота, является сильным электролитом и в водных растворах диссоциирует полностью на ионы водорода и нитрат-ионы.

Ответ: $HNO_3 \rightarrow H^+ + NO_3^-$

CH₃COONa

Ацетат натрия — соль, образованная слабой одноосновной кислотой (уксусной, CH₃COOH) и сильным основанием (NaOH). Является сильным электролитом и диссоциирует полностью.

Ответ: $CH_3COONa \rightarrow CH_3COO^- + Na^+$

FeCl₃

Хлорид железа(III) — соль, образованная слабым основанием (Fe(OH)₃) и сильной кислотой (HCl). Является сильным электролитом и диссоциирует полностью на ионы.

Ответ: $FeCl_3 \rightarrow Fe^{3+} + 3Cl^-$

Al₂(SO₄)₃

Сульфат алюминия — соль, образованная слабым основанием (Al(OH)₃) и сильной кислотой (H₂SO₄). Является сильным электролитом и диссоциирует в одну ступень.

Ответ: $Al_2(SO_4)_3 \rightarrow 2Al^{3+} + 3SO_4^{2-}$

Cu(OH)Cl

Гидроксид-хлорид меди(II) — это основная соль. Диссоциация основных солей протекает ступенчато. Первая ступень — отщепление аниона кислотного остатка, протекает необратимо. Вторая ступень — диссоциация гидроксокатиона, протекает обратимо.
Ответ:
I ступень: $Cu(OH)Cl \rightarrow [Cu(OH)]^+ + Cl^-$
II ступень: $[Cu(OH)]^+ \rightleftharpoons Cu^{2+} + OH^-$

KH₂PO₄

Дигидрофосфат калия — это кислая соль, образованная сильным основанием (KOH) и слабой многоосновной кислотой (H₃PO₄). Диссоциация кислых солей протекает ступенчато. Первая ступень — диссоциация соли на катион металла и кислый анион, протекает необратимо. Последующие ступени — диссоциация кислого аниона по типу слабой кислоты, протекают обратимо.
Ответ:
I ступень: $KH_2PO_4 \rightarrow K^+ + H_2PO_4^-$
II ступень: $H_2PO_4^- \rightleftharpoons H^+ + HPO_4^{2-}$
III ступень: $HPO_4^{2-} \rightleftharpoons H^+ + PO_4^{3-}$

3. Чему равно pH $0.001\text{ M}$ раствора соляной кислоты?

Дано:

Найти:

Решение:

Водородный показатель $pH$ определяется как отрицательный десятичный логарифм концентрации ионов водорода $[H^+]$ в растворе.

Формула для расчета $pH$:

$pH = -\lg[H^+]$

Соляная кислота ($HCl$) является сильной кислотой, что означает, что в водном растворе она диссоциирует на ионы практически полностью. Процесс диссоциации можно описать уравнением:

$HCl \rightarrow H^+ + Cl^-$

Поскольку диссоциация полная, концентрация ионов водорода $[H^+]$ в растворе будет равна исходной молярной концентрации соляной кислоты $C(\text{HCl})$.

$[H^+] = C(\text{HCl}) = 0,001 \text{ моль/л}$

Для удобства расчета представим концентрацию в виде степени числа 10:

$0,001 = 1 \cdot 10^{-3}$

Теперь подставим значение концентрации ионов водорода в формулу для расчета $pH$:

$pH = -\lg(10^{-3})$

Используя свойство логарифма $\lg(a^b) = b \cdot \lg(a)$, получаем:

$pH = -(-3) \cdot \lg(10)$

Так как $\lg(10) = 1$, то:

$pH = 3 \cdot 1 = 3$

Ответ: $pH$ раствора равен 3.

4. Определите, больше, меньше или равно 7 $pH$ водных растворов следующих веществ: $Na_2SO_4$, $KOH$, $HNO_3$.

Na₂SO₄
Сульфат натрия (Na₂SO₄) – это соль, образованная сильным основанием (гидроксидом натрия, NaOH) и сильной кислотой (серной кислотой, H₂SO₄). В водном растворе соли, образованные сильными кислотами и сильными основаниями, не подвергаются гидролизу. Это происходит потому, что ни катион сильного основания (Na⁺), ни анион сильной кислоты (SO₄²⁻) не взаимодействуют с молекулами воды с образованием избыточных ионов H⁺ или OH⁻.
Процесс диссоциации соли в воде:
$Na₂SO₄ \rightleftharpoons 2Na⁺ + SO₄^{2-}$
Так как гидролиз не происходит, концентрация ионов водорода (H⁺) и гидроксид-ионов (OH⁻) в растворе остается такой же, как в чистой воде ($[H⁺] = [OH⁻] = 10^{-7}$ моль/л при 25°C). Следовательно, среда раствора является нейтральной.

Ответ: pH водного раствора Na₂SO₄ равен 7.

KOH
Гидроксид калия (KOH) – это сильное основание (щёлочь). В водном растворе сильные основания полностью диссоциируют на ионы.
Уравнение диссоциации:
$KOH \rightarrow K⁺ + OH⁻$
В результате диссоциации в растворе образуется избыток гидроксид-ионов (OH⁻). Повышение концентрации OH⁻ делает среду раствора щелочной. В любой водной среде произведение концентраций ионов H⁺ и OH⁻ является постоянной величиной (ионное произведение воды, $K_w = [H⁺][OH⁻] = 10^{-14}$). Увеличение $[OH⁻]$ приводит к соответствующему уменьшению $[H⁺]$. Поскольку в растворе щёлочи $[OH⁻] > 10^{-7}$ моль/л, то концентрация ионов водорода $[H⁺] < 10^{-7}$ моль/л.
Водородный показатель pH рассчитывается по формуле $pH = -\lg[H⁺]$. Следовательно, pH будет больше 7.

Ответ: pH водного раствора KOH больше 7.

HNO₃
Азотная кислота (HNO₃) – это сильная одноосновная кислота. В водном растворе сильные кислоты практически нацело диссоциируют на ионы.
Уравнение диссоциации:
$HNO₃ \rightarrow H⁺ + NO₃⁻$
В результате диссоциации в растворе образуется избыток ионов водорода (H⁺), что и обуславливает кислую среду. Концентрация ионов водорода в растворе кислоты будет больше, чем в чистой воде: $[H⁺] > 10^{-7}$ моль/л.
Исходя из определения водородного показателя $pH = -\lg[H⁺]$, значение pH для данного раствора будет меньше 7.

Ответ: pH водного раствора HNO₃ меньше 7.

5. Почему $pH$ дождевой воды всегда меньше 7? От чего это зависит?

Почему pH дождевой воды всегда меньше 7?

Водородный показатель ($pH$) химически чистой воды при стандартных условиях равен 7, что соответствует нейтральной среде. Однако дождевая вода не является чистой, так как при своем образовании и падении она контактирует с атмосферой и растворяет содержащиеся в ней газы. Главная причина естественной кислотности дождевой воды — это растворение в ней углекислого газа ($CO_2$), который является неотъемлемой частью земной атмосферы.

При растворении в воде углекислый газ образует слабую угольную кислоту ($H_2CO_3$):

$CO_2 + H_2O \rightleftharpoons H_2CO_3$

Угольная кислота, в свою очередь, обратимо диссоциирует (распадается) на ионы, высвобождая ионы водорода ($H^+$), которые и обуславливают кислую среду:

$H_2CO_3 \rightleftharpoons H^+ + HCO_3^-$

В результате этого процесса $pH$ даже самого чистого, незагрязненного дождя составляет примерно 5,6, а не 7,0. Таким образом, любая дождевая вода в природных условиях является слабокислой.

От чего это зависит?

Степень кислотности дождевой воды, то есть конкретное значение ее $pH$, зависит от концентрации и состава кислотообразующих газов в атмосфере. Эти газы могут иметь как природное, так и антропогенное происхождение.

1. Природные факторы. К ним относится, в первую очередь, фоновая концентрация углекислого газа ($CO_2$). Также на кислотность могут влиять вулканические выбросы, содержащие оксиды серы, и лесные пожары.

2. Антропогенные (техногенные) факторы. Они являются главной причиной возникновения так называемых "кислотных дождей", при которых $pH$ осадков может опускаться до 4,0 и ниже. Основной источник загрязнения — сжигание ископаемого топлива (угля, мазута, газа) на промышленных предприятиях, электростанциях и в двигателях внутреннего сгорания. В результате в атмосферу выбрасываются большие объемы оксидов серы ($SO_2$, $SO_3$) и оксидов азота ($NO_x$). Взаимодействуя с атмосферной влагой, эти оксиды образуют сильные кислоты:

— серную кислоту ($H_2SO_4$);

— азотную кислоту ($HNO_3$).

Чем выше концентрация этих промышленных выбросов в регионе, тем ниже будет $pH$ выпадающих дождей и тем больший вред они нанесут окружающей среде.

Ответ: $pH$ дождевой воды всегда меньше 7, потому что в ней растворяется атмосферный углекислый газ ($CO_2$), образуя слабую угольную кислоту ($H_2CO_3$), что понижает $pH$ до ~5,6. Степень кислотности зависит от концентрации в атмосфере кислотных оксидов. Главными факторами являются: естественное содержание $CO_2$ и, в большей степени, антропогенные выбросы оксидов серы ($SO_x$) и азота ($NO_x$), которые при взаимодействии с водой образуют сильные кислоты (серную и азотную), вызывая кислотные дожди.

6. К 170 г 10 %-ного раствора нитрата серебра добавили 120 г соляной кислоты (массовая доля HCl равна 20 %). Чему равна масса образовавшегося осадка? Какое вещество осталось в избытке? Вычислите его массу.

Дано

$m(р-ра~AgNO_3) = 170~г$

$\omega(AgNO_3) = 10~\% = 0.1$

$m(р-ра~HCl) = 120~г$

$\omega(HCl) = 20~\% = 0.2$

Найти:

$m(осадка) - ?$

Вещество в избытке $- ?$

$m(избытка) - ?$

Решение

1. Запишем уравнение реакции между нитратом серебра и соляной кислотой:

$AgNO_3 + HCl \rightarrow AgCl \downarrow + HNO_3$

В ходе реакции образуется нерастворимый осадок белого цвета — хлорид серебра ($AgCl$).

2. Рассчитаем массы чистых веществ (реагентов) в исходных растворах.

Масса нитрата серебра:

$m(AgNO_3) = m(р-ра~AgNO_3) \cdot \omega(AgNO_3) = 170~г \cdot 0.1 = 17~г$

Масса хлороводорода:

$m(HCl) = m(р-ра~HCl) \cdot \omega(HCl) = 120~г \cdot 0.2 = 24~г$

3. Вычислим молярные массы веществ, участвующих в реакции.

$M(AgNO_3) = 108 + 14 + 3 \cdot 16 = 170~г/моль$

$M(HCl) = 1 + 35.5 = 36.5~г/моль$

$M(AgCl) = 108 + 35.5 = 143.5~г/моль$

4. Найдем количество вещества (в молях) для каждого реагента.

$\nu(AgNO_3) = \frac{m(AgNO_3)}{M(AgNO_3)} = \frac{17~г}{170~г/моль} = 0.1~моль$

$\nu(HCl) = \frac{m(HCl)}{M(HCl)} = \frac{24~г}{36.5~г/моль} \approx 0.658~моль$

5. Определим, какое из веществ находится в избытке. Согласно уравнению реакции, вещества реагируют в соотношении $1:1$.

$\frac{\nu(AgNO_3)}{1} = 0.1~моль$

$\frac{\nu(HCl)}{1} \approx 0.658~моль$

Поскольку $0.1 < 0.658$, нитрат серебра ($AgNO_3$) находится в недостатке и прореагирует полностью, а соляная кислота ($HCl$) — в избытке. Дальнейшие расчеты ведем по веществу в недостатке, то есть по $AgNO_3$.

Чему равна масса образовавшегося осадка?

Количество вещества образовавшегося осадка ($AgCl$) равно количеству вещества нитрата серебра, вступившего в реакцию:

$\nu(AgCl) = \nu(AgNO_3) = 0.1~моль$

Теперь найдем массу осадка:

$m(AgCl) = \nu(AgCl) \cdot M(AgCl) = 0.1~моль \cdot 143.5~г/моль = 14.35~г$

Ответ: масса образовавшегося осадка ($AgCl$) равна $14.35~г$.

Какое вещество осталось в избытке?

Как было определено в пункте 5, в избытке осталась соляная кислота ($HCl$).

Ответ: в избытке осталась соляная кислота.

Вычислите его массу.

Рассчитаем, какое количество соляной кислоты прореагировало:

$\nu(HCl_{прореаг.}) = \nu(AgNO_3) = 0.1~моль$

Масса прореагировавшей соляной кислоты:

$m(HCl_{прореаг.}) = \nu(HCl_{прореаг.}) \cdot M(HCl) = 0.1~моль \cdot 36.5~г/моль = 3.65~г$

Найдем массу соляной кислоты, оставшейся в избытке, вычитая массу прореагировавшего вещества из исходной массы:

$m(HCl_{изб.}) = m(HCl_{исх.}) - m(HCl_{прореаг.}) = 24~г - 3.65~г = 20.35~г$

Ответ: масса соляной кислоты, оставшейся в избытке, равна $20.35~г$.