Страница 92 - гдз по химии 11 класс учебник Рудзитис, Фельдман

3. Приведите по два примера уравнений реакций ионного обмена, соответствующих кратким ионным уравнениям:

а) $H^{+} + OH^{-} = H_2O$

б) $Pb^{2+} + 2OH^{-} = Pb(OH)_2 \downarrow$

Решение

а) $H^+ + OH^- = H_2O$

Данное краткое ионное уравнение соответствует реакции нейтрализации, протекающей между сильной кислотой (которая диссоциирует с образованием катионов водорода $H^+$) и сильным основанием (которое диссоциирует с образованием гидроксид-анионов $OH^-$). Продуктами такой реакции являются вода (слабый электролит, поэтому в ионных уравнениях записывается в молекулярном виде) и растворимая соль. Ионы, образующие соль, в реакции не участвуют и называются ионами-наблюдателями.

Пример 1: Взаимодействие соляной кислоты (сильная кислота) и гидроксида натрия (сильное основание).

Молекулярное уравнение реакции:

$HCl + NaOH \rightarrow NaCl + H_2O$

Полное ионное уравнение (все сильные электролиты записываем в виде ионов):

$H^+ + Cl^- + Na^+ + OH^- \rightarrow Na^+ + Cl^- + H_2O$

Ионы $Na^+$ и $Cl^-$ присутствуют в левой и правой частях уравнения, поэтому мы их сокращаем. В результате получаем краткое ионное уравнение:

$H^+ + OH^- = H_2O$

Пример 2: Взаимодействие серной кислоты (сильная кислота) и гидроксида калия (сильное основание).

Молекулярное уравнение реакции (необходимо расставить коэффициенты):

$H_2SO_4 + 2KOH \rightarrow K_2SO_4 + 2H_2O$

Полное ионное уравнение:

$2H^+ + SO_4^{2-} + 2K^+ + 2OH^- \rightarrow 2K^+ + SO_4^{2-} + 2H_2O$

Сокращаем ионы-наблюдатели $K^+$ и $SO_4^{2-}$. Делим все коэффициенты на 2:

$H^+ + OH^- = H_2O$

Ответ: 1) $HCl + NaOH = NaCl + H_2O$; 2) $H_2SO_4 + 2KOH = K_2SO_4 + 2H_2O$.

б) $Pb^{2+} + 2OH^- = Pb(OH)_2\downarrow$

Данное краткое ионное уравнение описывает реакцию ионного обмена, в результате которой образуется нерастворимое вещество (осадок) — гидроксид свинца(II) $Pb(OH)_2$. Для проведения такой реакции необходимо использовать растворимую соль свинца (источник ионов $Pb^{2+}$) и растворимое сильное основание, то есть щёлочь (источник ионов $OH^-$).

Пример 1: Взаимодействие нитрата свинца(II) (растворимая соль) и гидроксида натрия (щёлочь).

Молекулярное уравнение реакции (с расстановкой коэффициентов):

$Pb(NO_3)_2 + 2NaOH \rightarrow Pb(OH)_2\downarrow + 2NaNO_3$

Полное ионное уравнение (учитываем, что $Pb(OH)_2$ — осадок и не диссоциирует):

$Pb^{2+} + 2NO_3^- + 2Na^+ + 2OH^- \rightarrow Pb(OH)_2\downarrow + 2Na^+ + 2NO_3^-$

Сокращаем ионы-наблюдатели $Na^+$ и $NO_3^-$ и получаем краткое ионное уравнение:

$Pb^{2+} + 2OH^- = Pb(OH)_2\downarrow$

Пример 2: Взаимодействие ацетата свинца(II) (растворимая соль) и гидроксида бария (щёлочь).

Молекулярное уравнение реакции:

$Pb(CH_3COO)_2 + Ba(OH)_2 \rightarrow Pb(OH)_2\downarrow + Ba(CH_3COO)_2$

Полное ионное уравнение:

$Pb^{2+} + 2CH_3COO^- + Ba^{2+} + 2OH^- \rightarrow Pb(OH)_2\downarrow + Ba^{2+} + 2CH_3COO^-$

Сокращаем ионы-наблюдатели $Ba^{2+}$ и $CH_3COO^-$:

$Pb^{2+} + 2OH^- = Pb(OH)_2\downarrow$

Ответ: 1) $Pb(NO_3)_2 + 2NaOH = Pb(OH)_2\downarrow + 2NaNO_3$; 2) $Pb(CH_3COO)_2 + Ba(OH)_2 = Pb(OH)_2\downarrow + Ba(CH_3COO)_2$.

4. В 1 л 21 %-ного раствора фосфорной кислоты (плотность 1,12 г/мл) растворили 28,4 г оксида фосфора(V). Найдите массовую долю вещества в полученном растворе.

Дано:

Найти:

$\omega_{кон}(H_3PO_4) - ?$

Решение:

1. Найдем массу исходного раствора фосфорной кислоты, зная его объем и плотность. Для удобства расчетов переведем объем в миллилитры: $1 \text{ л} = 1000 \text{ мл}$.

$m_{р-ра1} = \rho_{р-ра1} \cdot V_{р-ра1} = 1.12 \text{ г/мл} \cdot 1000 \text{ мл} = 1120 \text{ г}$

2. Рассчитаем массу фосфорной кислоты ($H_3PO_4$) в исходном растворе.

$m_1(H_3PO_4) = m_{р-ра1} \cdot \omega_1(H_3PO_4) = 1120 \text{ г} \cdot 0.21 = 235.2 \text{ г}$

3. При растворении оксида фосфора(V) ($P_2O_5$) в водном растворе кислоты он реагирует с водой, образуя дополнительное количество фосфорной кислоты. Запишем уравнение реакции:

$P_2O_5 + 3H_2O \rightarrow 2H_3PO_4$

4. Рассчитаем молярные массы веществ, участвующих в расчетах:

$M(P_2O_5) = 2 \cdot 31 + 5 \cdot 16 = 142 \text{ г/моль}$

$M(H_3PO_4) = 3 \cdot 1 + 31 + 4 \cdot 16 = 98 \text{ г/моль}$

5. Найдем количество вещества (в молях) добавленного оксида фосфора(V):

$\nu(P_2O_5) = \frac{m(P_2O_5)}{M(P_2O_5)} = \frac{28.4 \text{ г}}{142 \text{ г/моль}} = 0.2 \text{ моль}$

6. По уравнению реакции определим количество вещества и массу фосфорной кислоты, которая образовалась в результате реакции:

$\nu_{обр}(H_3PO_4) = 2 \cdot \nu(P_2O_5) = 2 \cdot 0.2 \text{ моль} = 0.4 \text{ моль}$

$m_{обр}(H_3PO_4) = \nu_{обр}(H_3PO_4) \cdot M(H_3PO_4) = 0.4 \text{ моль} \cdot 98 \text{ г/моль} = 39.2 \text{ г}$

7. Теперь найдем общую массу фосфорной кислоты в конечном растворе. Она складывается из массы кислоты в исходном растворе и массы кислоты, образовавшейся в ходе реакции.

$m_{кон}(H_3PO_4) = m_1(H_3PO_4) + m_{обр}(H_3PO_4) = 235.2 \text{ г} + 39.2 \text{ г} = 274.4 \text{ г}$

8. Масса конечного раствора будет равна сумме масс исходного раствора и добавленного оксида фосфора(V).

$m_{р-ра2} = m_{р-ра1} + m(P_2O_5) = 1120 \text{ г} + 28.4 \text{ г} = 1148.4 \text{ г}$

9. Наконец, рассчитаем массовую долю фосфорной кислоты в полученном растворе.

$\omega_{кон}(H_3PO_4) = \frac{m_{кон}(H_3PO_4)}{m_{р-ра2}} = \frac{274.4 \text{ г}}{1148.4 \text{ г}} \approx 0.23894$

Переведем в проценты: $0.23894 \cdot 100\% \approx 23.9\%$

Ответ: массовая доля фосфорной кислоты в полученном растворе составляет 23,9%.

5. Какой объём 20 %-ного раствора серной кислоты (плотность 1,14 г/мл) необходим для нейтрализации 100 мл 6 %-ного раствора карбоната натрия (плотность 1,06 г/мл)?

Дано:

$\omega(H_2SO_4) = 20\% = 0.20$

$\rho_{р-ра}(H_2SO_4) = 1.14 \text{ г/мл}$

$V_{р-ра}(Na_2CO_3) = 100 \text{ мл}$

$\omega(Na_2CO_3) = 6\% = 0.06$

$\rho_{р-ра}(Na_2CO_3) = 1.06 \text{ г/мл}$

Найти:

$V_{р-ра}(H_2SO_4) - ?$

Решение:

1. Запишем уравнение реакции нейтрализации карбоната натрия серной кислотой:

$Na_2CO_3 + H_2SO_4 \rightarrow Na_2SO_4 + H_2O + CO_2\uparrow$

Из уравнения видно, что вещества реагируют в мольном соотношении 1:1, то есть $\nu(Na_2CO_3) = \nu(H_2SO_4)$.

2. Найдем массу раствора карбоната натрия:

$m_{р-ра}(Na_2CO_3) = V_{р-ра}(Na_2CO_3) \cdot \rho_{р-ра}(Na_2CO_3)$

$m_{р-ра}(Na_2CO_3) = 100 \text{ мл} \cdot 1.06 \text{ г/мл} = 106 \text{ г}$

3. Вычислим массу чистого карбоната натрия в растворе:

$m(Na_2CO_3) = m_{р-ра}(Na_2CO_3) \cdot \omega(Na_2CO_3)$

$m(Na_2CO_3) = 106 \text{ г} \cdot 0.06 = 6.36 \text{ г}$

4. Определим молярные массы карбоната натрия и серной кислоты:

$M(Na_2CO_3) = 2 \cdot 23 + 12 + 3 \cdot 16 = 106 \text{ г/моль}$

$M(H_2SO_4) = 2 \cdot 1 + 32 + 4 \cdot 16 = 98 \text{ г/моль}$

5. Найдем количество вещества (число моль) карбоната натрия:

$\nu(Na_2CO_3) = \frac{m(Na_2CO_3)}{M(Na_2CO_3)}$

$\nu(Na_2CO_3) = \frac{6.36 \text{ г}}{106 \text{ г/моль}} = 0.06 \text{ моль}$

6. Согласно уравнению реакции, для нейтрализации потребуется такое же количество вещества серной кислоты:

$\nu(H_2SO_4) = \nu(Na_2CO_3) = 0.06 \text{ моль}$

7. Вычислим массу чистой серной кислоты, которая необходима для реакции:

$m(H_2SO_4) = \nu(H_2SO_4) \cdot M(H_2SO_4)$

$m(H_2SO_4) = 0.06 \text{ моль} \cdot 98 \text{ г/моль} = 5.88 \text{ г}$

8. Найдем массу 20%-ного раствора серной кислоты, в котором содержится 5.88 г чистого вещества:

$m_{р-ра}(H_2SO_4) = \frac{m(H_2SO_4)}{\omega(H_2SO_4)}$

$m_{р-ра}(H_2SO_4) = \frac{5.88 \text{ г}}{0.20} = 29.4 \text{ г}$

9. Наконец, определим объем этого раствора, зная его массу и плотность:

$V_{р-ра}(H_2SO_4) = \frac{m_{р-ра}(H_2SO_4)}{\rho_{р-ра}(H_2SO_4)}$

$V_{р-ра}(H_2SO_4) = \frac{29.4 \text{ г}}{1.14 \text{ г/мл}} \approx 25.79 \text{ мл}$

Ответ: для нейтрализации потребуется 25.79 мл 20%-ного раствора серной кислоты.

1. Реакция ионного обмена возможна между растворами веществ

1) $KOH$ и $FeSO_4$

2) $BaCl_2$ и $HNO_3$

3) $HNO_3$ и $Li_2SO_4$

4) $NaOH$ и $K_2CO_3$

Реакция ионного обмена в растворах электролитов протекает необратимо (является возможной), если в результате этой реакции образуется нерастворимое вещество (осадок), выделяется газ или образуется слабый электролит (например, вода).

Проанализируем каждую пару реагентов:

1) KOH и FeSO₄
При взаимодействии сильного основания гидроксида калия ($KOH$) и растворимой соли сульфата железа(II) ($FeSO_4$) происходит реакция обмена:
$2KOH + FeSO_4 \rightarrow Fe(OH)_2\downarrow + K_2SO_4$
В результате образуется гидроксид железа(II) $Fe(OH)_2$, который является нерастворимым веществом и выпадает в осадок. Следовательно, реакция возможна.

2) BaCl₂ и HNO₃
Взаимодействие соли хлорида бария ($BaCl_2$) и сильной азотной кислоты ($HNO_3$). Продуктами обмена могли бы стать нитрат бария $Ba(NO_3)_2$ и соляная кислота $HCl$. Оба этих вещества растворимы и являются сильными электролитами. Условия для протекания реакции не выполняются.

3) HNO₃ и Li₂SO₄
Взаимодействие сильной азотной кислоты ($HNO_3$) и соли сульфата лития ($Li_2SO_4$). Продуктами обмена могли бы стать нитрат лития $LiNO_3$ и серная кислота $H_2SO_4$. Все вещества в системе являются растворимыми и сильными электролитами. Реакция не протекает.

4) NaOH и K₂CO₃
Взаимодействие сильного основания гидроксида натрия ($NaOH$) и соли карбоната калия ($K_2CO_3$). Продуктами обмена могли бы стать карбонат натрия $Na_2CO_3$ и гидроксид калия $KOH$. Все вещества являются растворимыми сильными электролитами. Реакция не протекает.

Таким образом, единственная реакция, удовлетворяющая условиям протекания реакций ионного обмена, — это реакция между $KOH$ и $FeSO_4$.

Ответ: 1

2. Уравнению химической реакции $\text{H}_2\text{SO}_4 + 2\text{KOH} = \text{K}_2\text{SO}_4 + 2\text{H}_2\text{O}$ соответствует сокращённое ионное уравнение

1) $\text{H}^+ + \text{OH}^- = \text{H}_2\text{O}$

2) $\text{KOH} = \text{K}^+ + \text{OH}^-$

3) $2\text{K}^+ + \text{SO}_4^{2-} = \text{K}_2\text{SO}_4$

4) $\text{H}_2\text{SO}_4 = \text{H}^+ + \text{HSO}_4^-$

Решение

Исходное молекулярное уравнение химической реакции:

$$ H_2SO_4 + 2KOH = K_2SO_4 + 2H_2O $$

Чтобы определить сокращённое ионное уравнение для этой реакции, необходимо последовательно составить полное ионное уравнение и затем исключить из него ионы-наблюдатели.

1. Составление полного ионного уравнения. В нём сильные электролиты (сильные кислоты, щёлочи и растворимые соли) записываются в виде ионов, а слабые электролиты (вода), нерастворимые вещества и газы — в молекулярном виде.

Определим диссоциацию веществ, участвующих в реакции:

- Серная кислота $H_2SO_4$ — сильная кислота, в водном растворе полностью диссоциирует на ионы: $H_2SO_4 \rightarrow 2H^+ + SO_4^{2-}$.

- Гидроксид калия $KOH$ — сильное основание (щёлочь), полностью диссоциирует: $KOH \rightarrow K^+ + OH^-$.

- Сульфат калия $K_2SO_4$ — растворимая соль, полностью диссоциирует: $K_2SO_4 \rightarrow 2K^+ + SO_4^{2-}$.

- Вода $H_2O$ — очень слабый электролит, записывается в молекулярной форме.

Запишем полное ионное уравнение, учитывая стехиометрические коэффициенты из исходного уравнения:

$$ 2H^+ + SO_4^{2-} + 2K^+ + 2OH^- = 2K^+ + SO_4^{2-} + 2H_2O $$

2. Составление сокращённого ионного уравнения. Для этого необходимо сократить одинаковые ионы (ионы-наблюдатели), находящиеся в левой и правой частях полного ионного уравнения. В данном случае это катионы калия ($2K^+$) и сульфат-анионы ($SO_4^{2-}$).

$$ 2H^+ + \cancel{SO_4^{2-}} + \cancel{2K^+} + 2OH^- = \cancel{2K^+} + \cancel{SO_4^{2-}} + 2H_2O $$

После сокращения получаем:

$$ 2H^+ + 2OH^- = 2H_2O $$

3. Упрощение сокращённого ионного уравнения. Необходимо разделить все коэффициенты на их наибольший общий делитель (в данном случае на 2).

$$ H^+ + OH^- = H_2O $$

Полученное уравнение является сокращённым ионным уравнением для данной реакции. Оно показывает, что суть реакции сводится к взаимодействию ионов водорода и гидроксид-ионов с образованием молекул воды.

Сравнивая результат с предложенными вариантами, заключаем, что верным является вариант под номером 1.

Ответ: 1) $H^+ + OH^- = H_2O$

3. В водном растворе невозможно получить новую соль в результате реакции ионного обмена между веществами

1) $K_2CO_3$ и $NaOH$

2) $K_2CO_3$ и $HCl$

3) $FeCl_3$ и $NaOH$

4) $NaCl$ и $H_2SO_4$

Для того чтобы реакция ионного обмена в водном растворе прошла до конца, необходимо выполнение хотя бы одного из следующих условий:

• выпадение осадка (образование нерастворимого вещества);
• выделение газа;
• образование слабого электролита (например, воды, слабой кислоты или слабого основания).

Рассмотрим каждую пару веществ:

1) K₂CO₃ и NaOH

Карбонат калия ($K_2CO_3$) – растворимая соль, гидроксид натрия ($NaOH$) – растворимое сильное основание (щёлочь). Запишем возможное уравнение реакции ионного обмена: $K_2CO_3 + 2NaOH \rightleftarrows 2KOH + Na_2CO_3$ В результате реакции могли бы образоваться гидроксид калия ($KOH$) и карбонат натрия ($Na_2CO_3$). Согласно таблице растворимости, оба этих вещества являются растворимыми в воде. Гидроксид калия – сильное основание. Таким образом, в ходе реакции не образуется ни осадка, ни газа, ни слабого электролита. Все вещества в растворе существуют в виде ионов ($K^+$, $Na^+$, $CO_3^{2-}$, $OH^-$). Реакция ионного обмена не протекает, и получить новую соль невозможно.

Ответ: в данной паре веществ реакция ионного обмена невозможна.

2) K₂CO₃ и HCl

Карбонат калия ($K_2CO_3$) – растворимая соль, соляная кислота ($HCl$) – сильная кислота. Уравнение реакции: $K_2CO_3 + 2HCl \rightarrow 2KCl + H_2CO_3$ Образующаяся в результате обмена угольная кислота ($H_2CO_3$) является очень слабой и неустойчивой. Она сразу же разлагается на воду (слабый электролит) и углекислый газ (газ): $H_2CO_3 \rightarrow H_2O + CO_2 \uparrow$ Реакция протекает, так как образуется слабый электролит (вода) и выделяется газ. В результате образуется новая соль – хлорид калия ($KCl$).

Ответ: в результате реакции образуется новая соль $KCl$.

3) FeCl₃ и NaOH

Хлорид железа(III) ($FeCl_3$) – растворимая соль, гидроксид натрия ($NaOH$) – щёлочь. Уравнение реакции: $FeCl_3 + 3NaOH \rightarrow Fe(OH)_3 \downarrow + 3NaCl$ В результате реакции образуется гидроксид железа(III) $Fe(OH)_3$ – нерастворимое в воде основание, которое выпадает в осадок. Реакция протекает, так как выполняется условие образования осадка. В результате образуется новая соль – хлорид натрия ($NaCl$).

Ответ: в результате реакции образуется новая соль $NaCl$.

4) NaCl и H₂SO₄

Хлорид натрия ($NaCl$) – растворимая соль, серная кислота ($H_2SO_4$) – сильная кислота. Уравнение возможной реакции обмена в водном растворе: $2NaCl + H_2SO_4 \rightleftarrows Na_2SO_4 + 2HCl$ В данном случае все исходные вещества и продукты являются сильными электролитами и хорошо растворимы в воде. Реакция между сильной кислотой и солью другой сильной кислоты в водном растворе не протекает, так как нет движущей силы (не образуется осадок, газ или слабый электролит). Однако, в отличие от пары №1, данная реакция возможна при других условиях (например, при использовании концентрированной серной кислоты), что делает ее "возможной" в принципе, в то время как реакция №1 невозможна ни при каких условиях. В рамках вопроса о реакции "в водном растворе", где не указаны особые условия, эта реакция не идет, но вариант №1 является более однозначным примером невозможности реакции.

Ответ: в стандартных условиях в водном растворе реакция не идет, и новая соль не образуется.

Таким образом, единственная пара веществ, между которыми реакция ионного обмена с образованием новой соли принципиально невозможна в водном растворе, — это карбонат калия и гидроксид натрия.

Ответ: 1.