Страница 100 - гдз по химии 7 класс учебник Габриелян, Остроумов

1. Какие вещества называются оксидами? На какие группы их можно разделить?

Оксидами называются сложные вещества, состоящие из двух химических элементов, один из которых — кислород в степени окисления -2. Общая формула оксидов — $Э_xO_y$, где Э — химический элемент.

По химическим свойствам (способности взаимодействовать с кислотами и основаниями с образованием солей) оксиды можно разделить на две большие группы: солеобразующие и несолеобразующие.

• Солеобразующие оксиды — это оксиды, которые образуют соли при взаимодействии с кислотами или щелочами. Они, в свою очередь, делятся на три подгруппы:

  • Основные оксиды — это оксиды металлов с низкой степенью окисления (обычно +1, +2). Они реагируют с кислотами и кислотными оксидами, образуя соль. Примеры: оксид натрия $Na_2O$, оксид кальция $CaO$, оксид меди(II) $CuO$.

  • Кислотные оксиды — это оксиды неметаллов, а также металлов с высокой степенью окисления (как правило, от +5 до +7). Они реагируют с основаниями и основными оксидами, образуя соль. Большинству кислотных оксидов соответствуют определённые кислоты. Примеры: оксид углерода(IV) $CO_2$, оксид серы(VI) $SO_3$, оксид фосфора(V) $P_2O_5$.

  • Амфотерные оксиды — это оксиды металлов с промежуточной степенью окисления (чаще всего +3, +4, а также оксиды $Zn$, $Be$, $Sn$, $Pb$). Они проявляют двойственные свойства, то есть могут реагировать как с кислотами (проявляя себя как основные оксиды), так и с основаниями (проявляя себя как кислотные оксиды). Примеры: оксид алюминия $Al_2O_3$, оксид цинка $ZnO$, оксид бериллия $BeO$.

• Несолеобразующие (безразличные) оксиды — это оксиды, которые не взаимодействуют ни с кислотами, ни с основаниями и, следовательно, не образуют солей. Их немного. Примеры: оксид углерода(II) $CO$, оксид азота(II) $NO$, оксид азота(I) $N_2O$.

Ответ: Оксиды — это бинарные соединения химических элементов с кислородом в степени окисления -2. Их делят на солеобразующие (основные, кислотные, амфотерные) и несолеобразующие (безразличные) оксиды.

2. Как состав и строение оксидов сказываются на их свойствах? Покажите это на конкретных примерах.

Состав и строение оксидов напрямую определяют их химические и физические свойства. Ключевыми факторами являются природа элемента, образующего оксид (металл или неметалл), его степень окисления, а также тип химической связи и кристаллической решетки в оксиде.

1. Основные оксиды

Состав и строение: Образуются, как правило, металлами с низкой степенью окисления (+1, +2), например, щелочными и щелочноземельными металлами. Связь в таких оксидах преимущественно ионная, а кристаллическая решетка — ионная. Это обуславливает их твердое агрегатное состояние при обычных условиях.
Свойства: Эти оксиды проявляют основные свойства. Они реагируют с кислотами и кислотными оксидами с образованием соли. Оксиды активных металлов также реагируют с водой, образуя щелочи (растворимые основания).
Примеры:
• Оксид натрия ($Na_2O$) — типичный основный оксид. Реагирует с водой, образуя гидроксид натрия:
$Na_2O + H_2O \rightarrow 2NaOH$
Реагирует с соляной кислотой:
$Na_2O + 2HCl \rightarrow 2NaCl + H_2O$
• Оксид кальция ($CaO$) — также основный оксид. Реагирует с кислотным оксидом углерода(IV):
$CaO + CO_2 \rightarrow CaCO_3$

2. Кислотные оксиды

Состав и строение: Образуются неметаллами (например, S, C, N, P) или металлами в высоких степенях окисления (от +4 до +7). Связь в них преимущественно ковалентная полярная. Кристаллические решетки могут быть молекулярными (как у $CO_2$, $SO_3$), что обуславливает их газообразное или жидкое состояние и низкие температуры кипения, или атомными (как у $SiO_2$), что делает их очень твердыми и тугоплавкими.
Свойства: Проявляют кислотные свойства. Они реагируют с основаниями и основными оксидами с образованием соли. Большинство из них реагируют с водой, образуя соответствующие кислоты.
Примеры:
• Оксид серы(VI) ($SO_3$) — оксид неметалла с молекулярной решеткой. Реагирует с водой, образуя серную кислоту:
$SO_3 + H_2O \rightarrow H_2SO_4$
Реагирует с основанием, например, с гидроксидом калия:
$SO_3 + 2KOH \rightarrow K_2SO_4 + H_2O$
• Оксид кремния(IV) ($SiO_2$) — оксид неметалла с атомной кристаллической решеткой. Он не реагирует с водой, но как кислотный оксид реагирует со щелочами при сплавлении:
$SiO_2 + 2NaOH \xrightarrow{t} Na_2SiO_3 + H_2O$

3. Амфотерные оксиды

Состав и строение: Образуются переходными металлами или элементами, находящимися на границе между металлами и неметаллами (например, Be, Al, Zn, Cr, Fe) в промежуточных степенях окисления (чаще +3, +4, но есть исключения, как $ZnO$, $BeO$). Тип связи — ионный со значительной долей ковалентности.
Свойства: Проявляют двойственные (амфотерные) свойства, то есть способны реагировать и с сильными кислотами (проявляя основные свойства), и со щелочами (проявляя кислотные свойства).
Примеры:
• Оксид алюминия ($Al_2O_3$):
Реакция с кислотой:
$Al_2O_3 + 6HCl \rightarrow 2AlCl_3 + 3H_2O$
Реакция со щелочью при сплавлении:
$Al_2O_3 + 2NaOH \xrightarrow{t} 2NaAlO_2 + H_2O$
• Оксид цинка ($ZnO$):
Реакция с кислотой:
$ZnO + H_2SO_4 \rightarrow ZnSO_4 + H_2O$
Реакция со щелочью в растворе с образованием комплексной соли:
$ZnO + 2NaOH + H_2O \rightarrow Na_2[Zn(OH)_4]$

Зависимость свойств от степени окисления элемента

Для одного и того же элемента, способного образовывать несколько оксидов, с ростом степени окисления характер оксида закономерно меняется от основного к амфотерному и далее к кислотному. Это связано с увеличением ковалентного характера связи «элемент–кислород».
Пример — оксиды хрома:
• $CrO$ (оксид хрома(II), с.о. +2) — основный оксид.
• $Cr_2O_3$ (оксид хрома(III), с.о. +3) — амфотерный оксид.
• $CrO_3$ (оксид хрома(VI), с.о. +6) — кислотный оксид.

Ответ: Состав (природа элемента и его степень окисления) и строение (тип химической связи и кристаллической решетки) оксидов являются определяющими факторами их химических и физических свойств. Оксиды металлов в низких степенях окисления с ионной связью (например, $Na_2O$, $CaO$) проявляют основные свойства. Оксиды неметаллов и металлов в высоких степенях окисления с ковалентной связью (например, $SO_3$, $CrO_3$) проявляют кислотные свойства. Оксиды металлов в промежуточных степенях окисления (например, $Al_2O_3$, $ZnO$) проявляют амфотерные свойства. Тип кристаллической решетки влияет на физические свойства, такие как агрегатное состояние и температура плавления (например, газообразный $CO_2$ с молекулярной решеткой и твердый тугоплавкий $SiO_2$ с атомной).

3. Запишите формулы оксидов серы(IV) и (VI), марганца(II), (IV) и (VII), хрома(II), (III) и (VI), олова(II) и (IV).

оксиды серы(IV) и (VI)
Для составления формулы оксида используем правило электронейтральности: сумма степеней окисления всех атомов в молекуле должна быть равна нулю. Степень окисления кислорода в оксидах, как правило, равна -2.
Оксид серы(IV): Степень окисления серы (S) равна +4. Чтобы молекула была электронейтральной, на один атом серы со степенью окисления +4 должно приходиться два атома кислорода со степенью окисления -2, так как $1 \cdot (+4) + 2 \cdot (-2) = 0$. Формула: $SO_2$.
Оксид серы(VI): Степень окисления серы (S) равна +6. На один атом серы (+6) должно приходиться три атома кислорода (-2), так как $1 \cdot (+6) + 3 \cdot (-2) = 0$. Формула: $SO_3$.

Ответ: $SO_2$ и $SO_3$.

оксиды марганца(II), (IV) и (VII)
Оксид марганца(II): Степень окисления марганца (Mn) равна +2. На один атом марганца (+2) приходится один атом кислорода (-2): $1 \cdot (+2) + 1 \cdot (-2) = 0$. Формула: $MnO$.
Оксид марганца(IV): Степень окисления марганца (Mn) равна +4. На один атом марганца (+4) приходится два атома кислорода (-2): $1 \cdot (+4) + 2 \cdot (-2) = 0$. Формула: $MnO_2$.
Оксид марганца(VII): Степень окисления марганца (Mn) равна +7. Для электронейтральности необходимо взять два атома марганца и семь атомов кислорода: $2 \cdot (+7) + 7 \cdot (-2) = 0$. Формула: $Mn_2O_7$.

Ответ: $MnO$, $MnO_2$ и $Mn_2O_7$.

оксиды хрома(II), (III) и (VI)
Оксид хрома(II): Степень окисления хрома (Cr) равна +2. На один атом хрома (+2) приходится один атом кислорода (-2): $1 \cdot (+2) + 1 \cdot (-2) = 0$. Формула: $CrO$.
Оксид хрома(III): Степень окисления хрома (Cr) равна +3. Для электронейтральности необходимо взять два атома хрома и три атома кислорода: $2 \cdot (+3) + 3 \cdot (-2) = 0$. Формула: $Cr_2O_3$.
Оксид хрома(VI): Степень окисления хрома (Cr) равна +6. На один атом хрома (+6) приходится три атома кислорода (-2): $1 \cdot (+6) + 3 \cdot (-2) = 0$. Формула: $CrO_3$.

Ответ: $CrO$, $Cr_2O_3$ и $CrO_3$.

оксиды олова(II) и (IV)
Оксид олова(II): Степень окисления олова (Sn) равна +2. На один атом олова (+2) приходится один атом кислорода (-2): $1 \cdot (+2) + 1 \cdot (-2) = 0$. Формула: $SnO$.
Оксид олова(IV): Степень окисления олова (Sn) равна +4. На один атом олова (+4) приходится два атома кислорода (-2): $1 \cdot (+4) + 2 \cdot (-2) = 0$. Формула: $SnO_2$.

Ответ: $SnO$ и $SnO_2$.

4. Назовите оксиды, формулы которых: $ZnO$, $Ag_2O$, $Li_2O$, $Cl_2O_7$, $Cl_2O$, $ClO_2$, $As_2O_3$, $As_2O_5$.

Решение

Для того чтобы дать названия оксидам, необходимо следовать номенклатуре ИЮПАК. Название оксида состоит из слова «оксид» и названия элемента в родительном падеже. Если элемент может проявлять несколько степеней окисления (имеет переменную валентность), то его степень окисления в данном соединении указывается римской цифрой в скобках сразу после названия элемента. Степень окисления кислорода в оксидах принимается равной –2.

ZnO

Цинк (Zn) — металл, который в соединениях, как правило, проявляет постоянную степень окисления +2. Так как степень окисления постоянна, её можно не указывать в названии.

Ответ: оксид цинка.

Ag₂O

Серебро (Ag) в большинстве соединений имеет степень окисления +1. Рассчитаем её в данном оксиде, приняв за $x$: $2 \cdot x + (-2) = 0$. Отсюда $2x=2$, $x = +1$. Хотя степень окисления +1 для серебра наиболее характерна, формально она не является единственно возможной, поэтому правильнее будет её указать.

Ответ: оксид серебра(I).

Li₂O

Литий (Li) — щелочной металл, который находится в I группе главной подгруппы периодической системы и в соединениях всегда проявляет постоянную степень окисления +1. Указывать её в названии не требуется.

Ответ: оксид лития.

Cl₂O₇

Хлор (Cl) — неметалл с переменной степенью окисления. Рассчитаем её в данном соединении, приняв за $x$: $2 \cdot x + 7 \cdot (-2) = 0$. Отсюда $2x - 14 = 0$, $2x = 14$, $x = +7$.

Ответ: оксид хлора(VII).

Cl₂O

Рассчитаем степень окисления хлора (Cl), приняв её за $x$: $2 \cdot x + (-2) = 0$. Отсюда $2x = 2$, $x = +1$.

Ответ: оксид хлора(I).

ClO₂

Рассчитаем степень окисления хлора (Cl), приняв её за $x$: $x + 2 \cdot (-2) = 0$. Отсюда $x - 4 = 0$, $x = +4$.

Ответ: оксид хлора(IV).

As₂O₃

Мышьяк (As) — элемент с переменной степенью окисления. Рассчитаем её, приняв за $x$: $2 \cdot x + 3 \cdot (-2) = 0$. Отсюда $2x - 6 = 0$, $2x = 6$, $x = +3$.

Ответ: оксид мышьяка(III).

As₂O₅

Рассчитаем степень окисления мышьяка (As), приняв её за $x$: $2 \cdot x + 5 \cdot (-2) = 0$. Отсюда $2x - 10 = 0$, $2x = 10$, $x = +5$.

Ответ: оксид мышьяка(V).

В природе встречаются оксид меди(I) (минерал тенорит) и оксид меди(II) (минерал куприт). Какая масса тенорита содержит столько же меди, сколько 160 г куприта?

Дано:

Согласно условию задачи:

Тенорит — оксид меди(I), химическая формула $Cu_2O$.

Куприт — оксид меди(II), химическая формула $CuO$.

Масса куприта $m(CuO) = 160$ г.

Масса меди в искомой массе тенорита равна массе меди в 160 г куприта.

m(CuO) = 160 г = 0,16 кг

Найти:

Массу тенорита $m(Cu_2O)$ — ?

Решение:

В условии задачи содержится неточность: в действительности минерал тенорит — это оксид меди(II) ($CuO$), а куприт — оксид меди(I) ($Cu_2O$). Для решения задачи будем строго следовать определениям, данным в условии.

1. Сначала определим массу меди, которая содержится в 160 г куприта ($CuO$).

Для расчетов используем относительные атомные массы: $Ar(Cu) \approx 64$ а.е.м., $Ar(O) \approx 16$ а.е.м.

Молярная масса оксида меди(II) ($CuO$):$M(CuO) = Ar(Cu) + Ar(O) = 64 + 16 = 80$ г/моль.

Найдем количество вещества $CuO$ в 160 г:$n(CuO) = \frac{m(CuO)}{M(CuO)} = \frac{160 \text{ г}}{80 \text{ г/моль}} = 2$ моль.

В одной молекуле $CuO$ содержится один атом меди, следовательно, количество вещества меди равно количеству вещества $CuO$:$n(Cu) = n(CuO) = 2$ моль.

Теперь найдем массу меди:$m(Cu) = n(Cu) \cdot M(Cu) = 2 \text{ моль} \cdot 64 \text{ г/моль} = 128$ г.

2. Далее определим, какая масса тенорита ($Cu_2O$) содержит 128 г меди.

Молярная масса оксида меди(I) ($Cu_2O$):$M(Cu_2O) = 2 \cdot Ar(Cu) + Ar(O) = 2 \cdot 64 + 16 = 128 + 16 = 144$ г/моль.

В одной молекуле $Cu_2O$ содержится два атома меди. Значит, для получения 128 г меди (что соответствует 2 моль атомов меди) нам потребуется в два раза меньшее количество вещества $Cu_2O$.

$n(Cu_2O) = \frac{n(Cu)}{2} = \frac{2 \text{ моль}}{2} = 1$ моль.

Наконец, вычислим массу тенорита ($Cu_2O$):$m(Cu_2O) = n(Cu_2O) \cdot M(Cu_2O) = 1 \text{ моль} \cdot 144 \text{ г/моль} = 144$ г.

Ответ: 144 г тенорита.

Используя ресурсы Интернета, найдите все возможные синонимы для названий веществ, формулы которых: $H_2O$, $CO_2$, $SiO_2$. Какому веществу, на ваш взгляд, соответствует наибольшее число синонимов? Подготовьте сообщение об одном из этих оксидов.

Используя ресурсы Интернета, найдите все возможные синонимы для названий веществ, формулы которых: $H_2O$, $CO_2$, $SiO_2$.

Для данных веществ можно привести следующие синонимы:

$H_2O$ (Оксид водорода):
- Вода
- Гидроксид водорода
- Монооксид дигидрогена
- Гидроксильная кислота
- Лед (в твердом агрегатном состоянии)
- Пар (в газообразном агрегатном состоянии)

$CO_2$ (Диоксид углерода):
- Двуокись углерода
- Углекислый газ
- Оксид углерода(IV)
- Угольный ангидрид
- Сухой лед (в твердом агрегатном состоянии)

$SiO_2$ (Диоксид кремния):
- Двуокись кремния
- Оксид кремния(IV)
- Кремнезём
- Кварц, горный хрусталь, аметист, агат, опал, халцедон, яшма (различные природные формы и минералы)
- Песок (природный материал, состоящий преимущественно из $SiO_2$)
- Кварцевое стекло, силикагель, аэросил (аморфные и синтетические формы)

Ответ: Для $H_2O$ синонимами являются вода, оксид водорода, гидроксид водорода; для $CO_2$ — диоксид углерода, углекислый газ, угольный ангидрид; для $SiO_2$ — диоксид кремния, кремнезём, а также названия его многочисленных природных минералов (кварц, агат, опал) и материалов (песок, кварцевое стекло).

Какому веществу, на ваш взгляд, соответствует наибольшее число синонимов?

Наибольшее число синонимов, на мой взгляд, соответствует диоксиду кремния ($SiO_2$). Это обусловлено его широчайшим распространением в земной коре и огромным разнообразием природных форм. Каждая кристаллическая модификация (например, кварц, тридимит, кристобалит), каждая окрашенная примесями разновидность (аметист, цитрин, морион), каждая структура (халцедоны, опалы) и каждый материал на его основе (песок, диатомит, кварцевое стекло) имеет собственное, исторически сложившееся название, которое является синонимом для $SiO_2$.

Ответ: Наибольшее число синонимов соответствует диоксиду кремния ($SiO_2$).

Подготовьте сообщение об одном из этих оксидов.

Сообщение об оксиде водорода ($H_2O$)

Вода, или оксид водорода ($H_2O$), — одно из самых распространенных и важнейших веществ на планете Земля. В нормальных условиях это прозрачная жидкость без вкуса, цвета и запаха.

Уникальные свойства:
Вода обладает рядом аномальных свойств, которые определяют ее особую роль в природе. Во-первых, она существует на Земле сразу в трех агрегатных состояниях: твердом (лед), жидком и газообразном (пар). Во-вторых, в отличие от большинства веществ, плотность воды в твердом состоянии меньше, чем в жидком. Максимальную плотность вода имеет при температуре около $4$ °C. Это свойство позволяет льду плавать на поверхности водоемов, защищая их от полного промерзания и сохраняя жизнь водным обитателям. В-третьих, вода обладает очень высокой теплоемкостью, что позволяет ей поглощать большое количество тепла, незначительно нагреваясь. Это играет ключевую роль в регуляции климата на планете. Наконец, вода — универсальный полярный растворитель, способный растворять множество солей, кислот и других веществ, что делает ее основной средой для протекания биохимических реакций.

Значение для жизни:
Вода является основой всех известных форм жизни. Тело человека состоит из воды примерно на 65-70%. Она участвует в обмене веществ, транспорте питательных элементов и терморегуляции организма. Вся биосфера Земли неразрывно связана с водой. Человек широко использует воду в быту, сельском хозяйстве, промышленности и для выработки электроэнергии. Поэтому чистая вода является одним из самых ценных природных ресурсов, требующих бережного отношения.

Ответ: Представлено сообщение об оксиде водорода ($H_2O$).

На основе выполненного домашнего задания обоснуйте отбор авторами учебника в качестве представителей оксидов соединений с формулами $H_2O$, $CO_2$, $SiO_2$

Отбор авторами учебника оксидов с формулами $H_2O$, $CO_2$ и $SiO_2$ в качестве представительных примеров является глубоко продуманным и методически верным. Эти три соединения позволяют наглядно продемонстрировать ключевые различия в строении, физических и химических свойствах оксидов, используя при этом широко известные и важные для жизни и природы вещества.

Обоснование выбора $H_2O$ (оксид водорода)

Вода выбрана в качестве примера, прежде всего, из-за её исключительной важности для жизни и широкой распространённости на планете. Её уникальные физические свойства, такие как нахождение в трёх агрегатных состояниях (твёрдое, жидкое, газообразное) в естественных условиях, обусловлены полярностью её молекул и наличием межмолекулярных водородных связей. С химической точки зрения вода является амфотерным оксидом, что делает её универсальным растворителем. Строение молекулы воды — угловое, а в твёрдом состоянии она образует молекулярную кристаллическую решётку. Таким образом, вода — это пример важнейшего, уникального по свойствам оксида с молекулярным строением.

Обоснование выбора $CO_2$ (диоксид углерода)

Диоксид углерода, или углекислый газ, представляет собой классический пример кислотного оксида неметалла. При нормальных условиях это газ, что контрастирует с жидкой водой и твёрдым диоксидом кремния. В твёрдом состоянии («сухой лёд») он, как и вода, имеет молекулярную кристаллическую решётку, но состоит из неполярных молекул линейного строения. Это позволяет сравнить свойства веществ с полярными и неполярными молекулами. Кроме того, велика биологическая и экологическая роль $CO_2$ как участника фотосинтеза, дыхания и как парникового газа, что делает его изучение актуальным.

Обоснование выбора $SiO_2$ (диоксид кремния)

Диоксид кремния, основной компонент песка и кварца, включён в этот список для демонстрации принципиально иного типа строения вещества. В отличие от $H_2O$ и $CO_2$ с их молекулярными решётками, $SiO_2$ имеет атомную кристаллическую решётку. В этой решётке все атомы прочно связаны ковалентными связями в единую трёхмерную сетку. Такое строение объясняет его характерные свойства: он является очень твёрдым и тугоплавким веществом. Сравнение свойств $CO_2$ и $SiO_2$, оксидов элементов одной и той же группы периодической системы, наглядно показывает, как тип кристаллической решётки кардинально влияет на свойства вещества. Химически $SiO_2$ также является кислотным оксидом, но менее активным, чем $CO_2$.

Таким образом, выбор именно этих трёх оксидов позволяет комплексно и наглядно изучить данный класс соединений. На их примере можно рассмотреть разные агрегатные состояния, химические свойства, а главное — продемонстрировать фундаментальную связь между строением вещества (тип молекулы, тип кристаллической решётки) и его макроскопическими свойствами.

Ответ: Авторы учебника выбрали соединения $H_2O$, $CO_2$ и $SiO_2$ в качестве представителей оксидов, так как они являются широко известными и важными веществами, которые наглядно демонстрируют разнообразие свойств в данном классе соединений. Вместе они представляют различные агрегатные состояния (жидкость, газ, твёрдое тело), типы кристаллических решёток (молекулярная у $H_2O$ и $CO_2$, атомная у $SiO_2$), химический характер (амфотерный у воды и кислотный у диоксидов углерода и кремния) и строение молекул (полярная угловая у воды, неполярная линейная у углекислого газа). Такое сравнение позволяет эффективно объяснить зависимость физических и химических свойств веществ от их внутреннего строения.