Страница 97 - гдз по химии 11 класс учебник Рудзитис, Фельдман

1. Предположите, какие из солей: хлорид железа(III), сульфат натрия, карбонат лития, нитрат натрия — будут подвергаться гидролизу. Какими опытами это можно проверить?

Гидролиз — это реакция обмена ионов соли с молекулами воды, которая приводит к образованию слабого электролита (слабой кислоты или слабого основания) и изменению pH среды. Возможность гидролиза определяется силой кислоты и основания, из которых образована соль.

Проанализируем каждую из предложенных солей:

1. Хлорид железа(III) ($FeCl_3$). Соль образована слабым основанием — гидроксидом железа(III) ($Fe(OH)_3$) — и сильной кислотой — соляной ($HCl$). Гидролиз протекает по катиону ($Fe^{3+}$), в результате чего в растворе накапливаются ионы водорода ($H^+$), создавая кислую среду ($pH < 7$).
Уравнение гидролиза по первой ступени в сокращенной ионной форме:
$Fe^{3+} + H_2O \rightleftharpoons FeOH^{2+} + H^+$

2. Сульфат натрия ($Na_2SO_4$). Соль образована сильным основанием — гидроксидом натрия ($NaOH$) — и сильной кислотой — серной ($H_2SO_4$). Соли, образованные сильными кислотами и сильными основаниями, гидролизу не подвергаются. Среда в растворе нейтральная ($pH \approx 7$).

3. Карбонат лития ($Li_2CO_3$). Соль образована сильным основанием — гидроксидом лития ($LiOH$) — и слабой кислотой — угольной ($H_2CO_3$). Гидролиз протекает по аниону ($CO_3^{2-}$), в результате чего в растворе накапливаются гидроксид-ионы ($OH^-$), создавая щелочную среду ($pH > 7$).
Уравнение гидролиза по первой ступени в сокращенной ионной форме:
$CO_3^{2-} + H_2O \rightleftharpoons HCO_3^{-} + OH^{-}$

4. Нитрат натрия ($NaNO_3$). Соль образована сильным основанием — гидроксидом натрия ($NaOH$) — и сильной кислотой — азотной ($HNO_3$). Данная соль не подвергается гидролизу, среда в ее растворе нейтральная ($pH \approx 7$).

Ответ: Гидролизу будут подвергаться хлорид железа(III) и карбонат лития.

Какими опытами это можно проверить?

Поскольку гидролиз солей приводит к изменению кислотно-щелочного баланса раствора, это можно экспериментально подтвердить, измерив pH полученных растворов. Для этого можно использовать кислотно-основные индикаторы или прибор pH-метр.

План опыта:

1. Приготовить в четырех разных пробирках водные растворы солей: хлорида железа(III), сульфата натрия, карбоната лития и нитрата натрия.
2. В каждую пробирку добавить по несколько капель раствора индикатора (например, лакмуса или универсального индикатора) или опустить индикаторную бумагу.

Ожидаемые наблюдения:

- В растворе хлорида железа(III) среда будет кислой, поэтому лакмус станет красным, а универсальный индикатор покажет значение pH меньше 7 (окрасится в желто-оранжевый цвет).
- В растворе карбоната лития среда будет щелочной, поэтому лакмус станет синим, а универсальный индикатор покажет значение pH больше 7 (окрасится в сине-фиолетовый цвет).
- В растворах сульфата натрия и нитрата натрия среда останется нейтральной, и цвет индикаторов не изменится (лакмус останется фиолетовым, универсальный индикатор — зеленым).

Эти наблюдения докажут, что хлорид железа(III) и карбонат лития подвергаются гидролизу, в то время как сульфат натрия и нитрат натрия — нет.

Ответ: Наличие гидролиза можно проверить с помощью кислотно-основных индикаторов (лакмус, универсальный индикатор) или pH-метра. В растворах солей, подвергающихся гидролизу, среда изменится: раствор хлорида железа(III) станет кислым, а раствор карбоната лития — щелочным, что будет зафиксировано изменением цвета индикатора. В растворах сульфата натрия и нитрата натрия среда останется нейтральной.

2. Какую окраску приобретёт индикатор метиловый оранжевый, если его добавить к растворам:

а) сульфата алюминия;

б) нитрата калия;

в) карбоната натрия?

Почему?

Окраска индикатора метилового оранжевого зависит от pH среды раствора. Для определения pH растворов солей необходимо проанализировать, подвергаются ли они гидролизу.

а) сульфата алюминия
Сульфат алюминия ($Al_2(SO_4)_3$) — это соль, образованная слабым основанием ($Al(OH)_3$) и сильной кислотой ($H_2SO_4$). В водном растворе соли такого типа подвергаются гидролизу по катиону. При диссоциации сульфата алюминия в воде образуются ионы $Al^{3+}$ и $SO_4^{2-}$. Ион алюминия взаимодействует с молекулами воды:
$Al^{3+} + H_2O \rightleftharpoons AlOH^{2+} + H^+$
В результате этой реакции в растворе накапливаются ионы водорода $H^+$, что создает кислую среду (pH < 7). Метиловый оранжевый в кислой среде (при pH < 3,1) становится красным.

Ответ: красную.

б) нитрата калия
Нитрат калия ($KNO_3$) — это соль, образованная сильным основанием ($KOH$) и сильной кислотой ($HNO_3$). Такие соли не подвергаются гидролизу, так как ни катион калия $K^+$, ни нитрат-анион $NO_3^-$ не вступают в реакцию с водой. Поэтому среда в растворе остается нейтральной (pH ≈ 7). В нейтральной и щелочной среде (при pH > 4,4) метиловый оранжевый имеет желтую окраску.

Ответ: желтую.

в) карбоната натрия
Карбонат натрия ($Na_2CO_3$) — это соль, образованная сильным основанием ($NaOH$) и слабой кислотой ($H_2CO_3$). В водном растворе соли такого типа подвергаются гидролизу по аниону. При диссоциации в воде образуются ионы $Na^+$ и $CO_3^{2-}$. Карбонат-ион взаимодействует с молекулами воды:
$CO_3^{2-} + H_2O \rightleftharpoons HCO_3^- + OH^-$
В результате этой реакции в растворе накапливаются гидроксид-ионы $OH^-$, что создает щелочную (основную) среду (pH > 7). В щелочной среде (при pH > 4,4) метиловый оранжевый имеет желтую окраску.

Ответ: желтую.

3. Укажите, какую среду имеет водный раствор:

а) $Na_2S$;

б) $NaCl$;

в) $CuSO_4$;

г) $K_2CO_3$.

Среда водного раствора соли определяется явлением гидролиза — обменным взаимодействием ионов соли с молекулами воды, приводящим к образованию слабодиссоциирующих соединений. Характер среды (кислая, щелочная или нейтральная) зависит от силы кислоты и основания, из которых образована соль.

Проанализируем каждую соль:

а) Na₂S

Сульфид натрия – это соль, образованная сильным основанием ($NaOH$, гидроксид натрия) и слабой кислотой ($H_2S$, сероводородная кислота). При растворении в воде соль полностью диссоциирует на ионы:

$Na_2S \leftrightarrow 2Na^+ + S^{2-}$

Ионы натрия $Na^+$ являются катионами сильного основания и не подвергаются гидролизу. Сульфид-ионы $S^{2-}$ являются анионами слабой кислоты и вступают в реакцию с водой, то есть гидролизуются по аниону.

Сокращенное ионное уравнение гидролиза (по первой ступени):

$S^{2-} + HOH \rightleftharpoons HS^- + OH^-$

В результате этой реакции в растворе накапливаются гидроксид-ионы ($OH^-$), что создает щелочную среду.

Ответ: щелочная среда ($pH > 7$).

б) NaCl

Хлорид натрия – это соль, образованная сильным основанием ($NaOH$, гидроксид натрия) и сильной кислотой ($HCl$, соляная кислота). В водном растворе соль диссоциирует:

$NaCl \leftrightarrow Na^+ + Cl^-$

Ни катион натрия $Na^+$, ни хлорид-анион $Cl^-$ не взаимодействуют с водой, так как они соответствуют сильному основанию и сильной кислоте. Следовательно, гидролиз не происходит, и концентрация ионов $H^+$ и $OH^-$ в растворе остается такой же, как в чистой воде.

Ответ: нейтральная среда ($pH = 7$).

в) CuSO₄

Сульфат меди(II) – это соль, образованная слабым основанием ($Cu(OH)_2$, гидроксид меди(II)) и сильной кислотой ($H_2SO_4$, серная кислота). В воде соль диссоциирует на ионы:

$CuSO_4 \leftrightarrow Cu^{2+} + SO_4^{2-}$

Ионы меди $Cu^{2+}$ являются катионами слабого основания и подвергаются гидролизу по катиону. Сульфат-ионы $SO_4^{2-}$ являются анионами сильной кислоты и с водой не взаимодействуют.

Сокращенное ионное уравнение гидролиза (по первой ступени):

$Cu^{2+} + HOH \rightleftharpoons CuOH^+ + H^+$

В результате реакции в растворе накапливаются ионы водорода ($H^+$), что создает кислую среду.

Ответ: кислая среда ($pH < 7$).

г) K₂CO₃

Карбонат калия – это соль, образованная сильным основанием ($KOH$, гидроксид калия) и слабой кислотой ($H_2CO_3$, угольная кислота). В воде соль диссоциирует на ионы:

$K_2CO_3 \leftrightarrow 2K^+ + CO_3^{2-}$

Ионы калия $K^+$ являются катионами сильного основания и не гидролизуются. Карбонат-ионы $CO_3^{2-}$ являются анионами слабой кислоты и подвергаются гидролизу по аниону.

Сокращенное ионное уравнение гидролиза (по первой ступени):

$CO_3^{2-} + HOH \rightleftharpoons HCO_3^- + OH^-$

В результате реакции в растворе накапливаются гидроксид-ионы ($OH^-$), что создает щелочную среду.

Ответ: щелочная среда ($pH > 7$).

4. Приведите примеры органических веществ, которые подвергаются гидролизу. Напишите уравнения соответствующих реакций.

Гидролиз — это реакция обменного разложения вещества с водой. В органической химии многие классы соединений подвергаются гидролизу, который часто катализируется кислотами, щелочами или ферментами. Ниже приведены примеры таких реакций.

1. Гидролиз сложных эфиров

Сложные эфиры гидролизуются до исходных карбоновой кислоты и спирта. В качестве примера рассмотрим гидролиз этилацетата в кислой среде. Реакция является обратимой.

Уравнение реакции:

$CH_3COOC_2H_5 + H_2O \stackrel{H^+}{\rightleftharpoons} CH_3COOH + C_2H_5OH$

Ответ: Продуктами гидролиза этилацетата являются уксусная кислота и этанол.

2. Гидролиз жиров (триглицеридов)

Жиры представляют собой сложные эфиры глицерина и высших карбоновых кислот. Их гидролиз приводит к образованию глицерина и соответствующих жирных кислот. Пример — гидролиз тристеарина (тристеарат глицерина).

Уравнение реакции:

$(C_{17}H_{35}COO)_3C_3H_5 + 3H_2O \stackrel{кат., t^\circ}{\rightleftharpoons} C_3H_5(OH)_3 + 3C_{17}H_{35}COOH$

Ответ: Продуктами гидролиза тристеарина являются глицерин и стеариновая кислота.

3. Гидролиз углеводов

Гидролизу подвергаются сложные углеводы (ди- и полисахариды), распадаясь на более простые углеводы, вплоть до моносахаридов.

Пример 1: Гидролиз дисахарида (сахарозы)

При гидролизе сахарозы образуется смесь двух моносахаридов — глюкозы и фруктозы.

$C_{12}H_{22}O_{11} (\text{сахароза}) + H_2O \xrightarrow{H^+} C_6H_{12}O_6 (\text{глюкоза}) + C_6H_{12}O_6 (\text{фруктоза})$

Ответ: Продуктами гидролиза сахарозы являются глюкоза и фруктоза.

Пример 2: Гидролиз полисахарида (крахмала)

Крахмал — это полимер, мономером которого является глюкоза. Полный гидролиз крахмала приводит к образованию глюкозы.

$(C_6H_{10}O_5)_n (\text{крахмал}) + nH_2O \xrightarrow{H^+, t^\circ} nC_6H_{12}O_6 (\text{глюкоза})$

Ответ: Конечным продуктом полного гидролиза крахмала является глюкоза.

4. Гидролиз белков и пептидов

При гидролизе белков и пептидов происходит разрыв пептидных связей с образованием аминокислот, из которых они состоят. В качестве примера рассмотрим гидролиз дипептида глицилаланина.

Уравнение реакции:

$H_2N-CH_2-CO-NH-CH(CH_3)-COOH + H_2O \xrightarrow{H^+ \text{ или } OH^-} H_2N-CH_2-COOH + H_2N-CH(CH_3)-COOH$

Ответ: Продуктами гидролиза глицилаланина являются аминокислоты глицин и аланин.

5. Гидролиз галогеналканов

Галогенопроизводные углеводородов при взаимодействии с водой (гидролизе) образуют спирты. Реакция, как правило, обратима, поэтому для смещения равновесия её часто проводят в щелочной среде. Пример — гидролиз хлорэтана.

Уравнение реакции:

$CH_3CH_2Cl + H_2O \rightleftharpoons CH_3CH_2OH + HCl$

Ответ: Продуктами гидролиза хлорэтана являются этанол и хлороводород.

5*. Укажите черты сходства и различия в составе растворов фосфата натрия и фосфорной кислоты. Дайте обоснованный ответ.

Для анализа сходств и различий в составе водных растворов фосфорной кислоты ($H_3PO_4$) и фосфата натрия ($Na_3PO_4$) необходимо рассмотреть процессы, происходящие при растворении этих веществ в воде.

Черты сходства

Несмотря на разную химическую природу, растворы фосфорной кислоты и фосфата натрия имеют ряд общих черт в своем ионно-молекулярном составе.

1. Общий растворитель. В обоих случаях растворителем является вода, поэтому основной компонент обоих растворов — молекулы $H_2O$.

2. Наличие общих ионов. В результате электролитической диссоциации и гидролиза в обоих растворах одновременно присутствуют следующие частицы:

   • В растворе фосфорной кислоты ($H_3PO_4$), которая является слабой трехосновной кислотой, устанавливается равновесие ступенчатой диссоциации:

     I ступень: $H_3PO_4 \rightleftharpoons H^+ + H_2PO_4^-$

     II ступень: $H_2PO_4^- \rightleftharpoons H^+ + HPO_4^{2-}$

     III ступень: $HPO_4^{2-} \rightleftharpoons H^+ + PO_4^{3-}$

     Таким образом, в растворе присутствуют ионы $H_2PO_4^-$, $HPO_4^{2-}$ и (в очень малой концентрации) $PO_4^{3-}$.

   • В растворе фосфата натрия ($Na_3PO_4$), который является солью сильного основания и слабой кислоты, происходит полная диссоциация:

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

     Образовавшийся фосфат-ион $PO_4^{3-}$ подвергается ступенчатому гидролизу (взаимодействию с водой):

     I ступень: $PO_4^{3-} + H_2O \rightleftharpoons HPO_4^{2-} + OH^-$

     II ступень: $HPO_4^{2-} + H_2O \rightleftharpoons H_2PO_4^- + OH^-$

     III ступень: $H_2PO_4^- + H_2O \rightleftharpoons H_3PO_4 + OH^-$

     В результате в растворе соли также образуются ионы $HPO_4^{2-}$, $H_2PO_4^-$ и даже некоторое количество недиссоциированных молекул $H_3PO_4$.

3. Присутствие ионов $H^+$ и $OH^-$. В любом водном растворе происходит автопротолиз воды: $H_2O \rightleftharpoons H^+ + OH^-$. Кроме того, в растворе кислоты $H^+$ образуются при диссоциации, а в растворе соли $OH^-$ образуются при гидролизе. Следовательно, ионы $H^+$ и $OH^-$ есть в обоих растворах, хотя и в разных концентрациях.

Ответ:

Общими чертами состава растворов фосфорной кислоты и фосфата натрия является наличие в них одинакового набора частиц: молекул воды ($H_2O$), ионов дигидрофосфата ($H_2PO_4^-$), гидрофосфата ($HPO_4^{2-}$), фосфата ($PO_4^{3-}$), ионов водорода ($H^+$) и гидроксид-ионов ($OH^-$), а также молекул фосфорной кислоты ($H_3PO_4$).

Различия

Ключевые различия в составе растворов обусловлены разной природой растворенных веществ и, как следствие, разными доминирующими процессами.

1. Преобладающие частицы в растворе.

   • В растворе фосфорной кислоты, как слабой кислоты, большая часть вещества находится в виде недиссоциированных молекул $H_3PO_4$.
   • В растворе фосфата натрия, как сильного электролита, вещество практически полностью диссоциировано, поэтому преобладающими частицами являются ионы натрия $Na^+$ и фосфат-ионы $PO_4^{3-}$.

2. Реакция среды (значение pH).

   • Раствор фосфорной кислоты имеет кислую среду ($pH < 7$), так как в результате ее диссоциации концентрация ионов водорода $H^+$ становится выше концентрации гидроксид-ионов $OH^-$.
   • Раствор фосфата натрия имеет сильнощелочную среду ($pH > 7$). Это вызвано процессом гидролиза фосфат-иона, который связывает протоны из воды, приводя к накоплению избытка гидроксид-ионов $OH^-$.

3. Наличие уникальных ионов.

   • Только в растворе фосфата натрия присутствуют катионы натрия $Na^+$.

4. Соотношение концентраций частиц.

   • В растворе $H_3PO_4$: $[H_3PO_4]$ — наибольшая концентрация, концентрации продуктов диссоциации убывают с каждой ступенью: $[H_2PO_4^-] > [HPO_4^{2-}] > [PO_4^{3-}]$. При этом $[H^+] > [OH^-]$.
   • В растворе $Na_3PO_4$: $[Na^+]$ и $[PO_4^{3-}]$ — наибольшие концентрации. Концентрации продуктов гидролиза значительно меньше и убывают с каждой ступенью: $[HPO_4^{2-}] > [H_2PO_4^-] > [H_3PO_4]$. При этом $[OH^-] > [H^+]$.

Ответ:

Основные различия в составе растворов:

• В растворе фосфорной кислоты основная растворенная частица — молекула $H_3PO_4$, а в растворе фосфата натрия — ионы $Na^+$ и $PO_4^{3-}$.
• Раствор фосфорной кислоты имеет кислую среду ($pH < 7$), а раствор фосфата натрия — щелочную ($pH > 7$).
• В растворе фосфата натрия содержатся ионы $Na^+$, отсутствующие в растворе чистой фосфорной кислоты.
• Количественные соотношения концентраций всех общих частиц в этих двух растворах кардинально различаются.

6. Определите массу нитрата калия, необходимого для получения 200 мл 20%-ного раствора азотной кислоты (плотность 1,115 г/мл).

Дано:

$V_{\text{р-ра}}(HNO_3) = 200 \text{ мл}$
$\omega(HNO_3) = 20\% = 0.20$
$\rho_{\text{р-ра}}(HNO_3) = 1.115 \text{ г/мл}$

Найти:

$m(KNO_3) - ?$

Решение:

1. Для решения задачи необходимо знать химическую реакцию получения азотной кислоты из нитрата калия. Это стандартный лабораторный метод, заключающийся во взаимодействии нитрата калия с концентрированной серной кислотой при нагревании:

$KNO_3 + H_2SO_4 (\text{конц.}) \xrightarrow{t} KHSO_4 + HNO_3$

2. Первым шагом рассчитаем массу раствора азотной кислоты, используя заданные объем и плотность:

$m_{\text{р-ра}}(HNO_3) = V_{\text{р-ра}}(HNO_3) \cdot \rho_{\text{р-ра}}(HNO_3)$

$m_{\text{р-ра}}(HNO_3) = 200 \text{ мл} \cdot 1.115 \text{ г/мл} = 223 \text{ г}$

3. Далее определим массу чистой азотной кислоты ($HNO_3$), которая содержится в полученном растворе:

$m(HNO_3) = m_{\text{р-ра}}(HNO_3) \cdot \omega(HNO_3)$

$m(HNO_3) = 223 \text{ г} \cdot 0.20 = 44.6 \text{ г}$

4. Для стехиометрических расчетов нам понадобятся молярные массы азотной кислоты ($HNO_3$) и нитрата калия ($KNO_3$). Рассчитаем их, используя относительные атомные массы элементов из периодической таблицы (K ≈ 39, N ≈ 14, O ≈ 16, H ≈ 1):

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

$M(KNO_3) = 39 + 14 + 3 \cdot 16 = 101 \text{ г/моль}$

5. Теперь найдем количество вещества (в молях) для чистой азотной кислоты:

$n(HNO_3) = \frac{m(HNO_3)}{M(HNO_3)} = \frac{44.6 \text{ г}}{63 \text{ г/моль}} \approx 0.7079 \text{ моль}$

6. Согласно уравнению реакции, соотношение между нитратом калия и азотной кислотой составляет 1:1. Это означает, что для получения одного моля азотной кислоты требуется один моль нитрата калия.

$n(KNO_3) = n(HNO_3) \approx 0.7079 \text{ моль}$

7. Наконец, зная количество вещества нитрата калия, мы можем найти его массу:

$m(KNO_3) = n(KNO_3) \cdot M(KNO_3)$

$m(KNO_3) \approx 0.7079 \text{ моль} \cdot 101 \text{ г/моль} \approx 71.5 \text{ г}$

Ответ: для получения указанного раствора азотной кислоты потребуется 71,5 г нитрата калия.

7. Для нейтрализации 11,4 г столового уксуса понадобилось 18,24 мл раствора гидроксида натрия с концентрацией 0,5 моль/л. Вычислите массовую долю уксусной кислоты в растворе.

Дано:

$m_{\text{р-ра уксуса}} = 11,4 \text{ г}$

$V_{\text{р-ра } NaOH} = 18,24 \text{ мл}$

$C_{NaOH} = 0,5 \text{ моль/л}$

Найти:

$w(CH_3COOH)$ - ?

Решение:

1. Запишем уравнение реакции нейтрализации уксусной кислоты ($CH_3COOH$) гидроксидом натрия ($NaOH$):

$CH_3COOH + NaOH \rightarrow CH_3COONa + H_2O$

Из уравнения видно, что кислота и щелочь реагируют в мольном соотношении 1:1.

2. Рассчитаем количество вещества (число моль) гидроксида натрия, вступившего в реакцию. Для этого сначала переведем объем раствора из миллилитров в литры:

$V_{\text{р-ра } NaOH} = 18,24 \text{ мл} = 0,01824 \text{ л}$

Теперь найдем количество вещества по формуле $n = C \cdot V$:

$n_{NaOH} = 0,5 \text{ моль/л} \cdot 0,01824 \text{ л} = 0,00912 \text{ моль}$

3. Согласно уравнению реакции, количество вещества уксусной кислоты равно количеству вещества гидроксида натрия:

$n_{CH_3COOH} = n_{NaOH} = 0,00912 \text{ моль}$

4. Вычислим молярную массу уксусной кислоты ($CH_3COOH$):

$M(CH_3COOH) = 2 \cdot A_r(C) + 4 \cdot A_r(H) + 2 \cdot A_r(O) = 2 \cdot 12 + 4 \cdot 1 + 2 \cdot 16 = 60 \text{ г/моль}$

5. Найдем массу уксусной кислоты в исследуемом растворе столового уксуса по формуле $m = n \cdot M$:

$m_{CH_3COOH} = 0,00912 \text{ моль} \cdot 60 \text{ г/моль} = 0,5472 \text{ г}$

6. Теперь можно вычислить массовую долю ($w$) уксусной кислоты в растворе. Массовая доля - это отношение массы растворенного вещества к массе всего раствора:

$w(CH_3COOH) = \frac{m_{CH_3COOH}}{m_{\text{р-ра уксуса}}}$

$w(CH_3COOH) = \frac{0,5472 \text{ г}}{11,4 \text{ г}} \approx 0,048$

Для выражения в процентах, умножим полученное значение на 100%:

$0,048 \cdot 100\% = 4,8\%$

Ответ: массовая доля уксусной кислоты в растворе составляет 4,8%.