Страница 109 - гдз по химии 7 класс учебник Габриелян, Остроумов

1. Какие вещества называются кислотами? На какие группы можно разделить этот класс веществ по происхождению, растворимости, содержанию кислорода?

С точки зрения теории электролитической диссоциации, кислотами называются сложные вещества, которые в водных растворах диссоциируют с образованием катионов водорода ($H^+$) и анионов кислотного остатка. Общая формула кислот — $H_nA$, где $H$ — атом водорода, $A$ — кислотный остаток, а $n$ — основность кислоты (число атомов водорода, способных замещаться на металл).

Этот класс веществ можно разделить на группы по нескольким признакам.

по происхождению кислоты делят на две большие группы:
1. Неорганические (минеральные) – кислоты, которые, как правило, не содержат атомов углерода (за исключением угольной кислоты $H_2CO_3$ и циановодородной $HCN$). Примерами являются серная кислота ($H_2SO_4$), соляная кислота ($HCl$) и азотная кислота ($HNO_3$).
2. Органические – кислоты, содержащие в своей структуре углеводородный радикал. Большинство из них являются карбоновыми кислотами и содержат одну или несколько карбоксильных групп ($-COOH$). Примеры: уксусная кислота ($CH_3COOH$), муравьиная кислота ($HCOOH$), лимонная кислота ($C_6H_8O_7$).

по растворимости в воде кислоты бывают:
1. Растворимые – к этой группе относится абсолютное большинство неорганических и низших органических кислот. Например, серная ($H_2SO_4$), азотная ($HNO_3$), соляная ($HCl$), уксусная ($CH_3COOH$) кислоты.
2. Нерастворимые – кислоты, которые практически не растворяются в воде. Единственным распространенным примером неорганической нерастворимой кислоты является кремниевая кислота ($H_2SiO_3$). Среди органических кислот нерастворимы в воде высшие карбоновые кислоты, например, стеариновая ($C_{17}H_{35}COOH$) и пальмитиновая ($C_{15}H_{31}COOH$).

по содержанию кислорода в кислотном остатке кислоты делят на:
1. Кислородсодержащие (оксокислоты) – в состав их молекул входят атомы кислорода. Примеры: серная кислота ($H_2SO_4$), азотная кислота ($HNO_3$), фосфорная кислота ($H_3PO_4$).
2. Бескислородные – в составе их молекул атомы кислорода отсутствуют. Примеры: соляная (хлороводородная) кислота ($HCl$), сероводородная кислота ($H_2S$), бромоводородная кислота ($HBr$).

Ответ: Кислоты — это сложные вещества, молекулы которых состоят из атомов водорода и кислотного остатка, и которые диссоциируют в воде с образованием катионов водорода ($H^+$). Кислоты классифицируют по следующим признакам: 1. По происхождению: неорганические (минеральные) и органические. 2. По растворимости в воде: растворимые и нерастворимые. 3. По содержанию кислорода: кислородсодержащие и бескислородные.

2. Дайте характеристику фосфорной кислоты по плану:

а) Формула;

б) наличие кислорода в молекуле;

в) растворимость в воде;

г) валентность кислотного остатка.

а) Формула
Химическая формула фосфорной (или ортофосфорной) кислоты — $H_3PO_4$. Она показывает, что молекула кислоты состоит из трех атомов водорода, одного атома фосфора и четырех атомов кислорода.

Ответ: $H_3PO_4$.

б) наличие кислорода в молекуле
В состав молекулы фосфорной кислоты ($H_3PO_4$) входят атомы кислорода. Поэтому фосфорная кислота относится к классу кислородсодержащих кислот.

Ответ: фосфорная кислота является кислородсодержащей.

в) растворимость в воде
Фосфорная кислота является твердым кристаллическим веществом, которое очень хорошо растворяется в воде. В таблице растворимости кислот, солей и оснований она помечена как растворимое соединение (буква «Р»).

Ответ: растворима в воде.

г) валентность кислотного остатка
Кислотным остатком в фосфорной кислоте является фосфат-ион ($PO_4$). Валентность кислотного остатка равна числу атомов водорода в молекуле кислоты. Так как в молекуле $H_3PO_4$ содержится три атома водорода, валентность кислотного остатка $PO_4$ равна трем (III).

Ответ: III.

3. В 300 мл воды растворили 40 г серной кислоты. Найдите массовую долю серной кислоты в полученном растворе.

3. Дано:

Объем воды, $V(H_2O) = 300$ мл
Масса серной кислоты, $m(H_2SO_4) = 40$ г
Плотность воды, $\rho(H_2O) \approx 1$ г/мл

$V(H_2O) = 300 \text{ мл} = 300 \cdot 10^{-6} \text{ м}^3 = 3 \cdot 10^{-4} \text{ м}^3$
$m(H_2SO_4) = 40 \text{ г} = 0.04 \text{ кг}$
$\rho(H_2O) \approx 1 \text{ г/мл} = 1000 \text{ кг/м}^3$

Найти:

Массовую долю серной кислоты, $\omega(H_2SO_4)$

Решение:

Массовая доля растворенного вещества $(\omega)$ вычисляется как отношение массы растворенного вещества к общей массе раствора, выраженное в долях единицы или в процентах.

Формула для расчета массовой доли в процентах:

$\omega(\text{вещества}) = \frac{m(\text{вещества})}{m(\text{раствора})} \cdot 100\%$

1. Найдем массу растворителя — воды. Масса связана с объемом и плотностью по формуле $m = \rho \cdot V$. Примем плотность воды за 1 г/мл.

$m(H_2O) = \rho(H_2O) \cdot V(H_2O) = 1 \text{ г/мл} \cdot 300 \text{ мл} = 300 \text{ г}$

2. Найдем общую массу раствора. Масса раствора складывается из массы растворителя (воды) и массы растворенного вещества (серной кислоты).

$m(\text{раствора}) = m(H_2O) + m(H_2SO_4) = 300 \text{ г} + 40 \text{ г} = 340 \text{ г}$

3. Рассчитаем массовую долю серной кислоты в полученном растворе.

$\omega(H_2SO_4) = \frac{m(H_2SO_4)}{m(\text{раствора})} \cdot 100\% = \frac{40 \text{ г}}{340 \text{ г}} \cdot 100\% \approx 11.76\%$

Ответ: массовая доля серной кислоты в полученном растворе составляет приблизительно 11.76%.

1. Сравните состав азотной и азотистой кислот. В какой из этих кислот массовая доля азота выше? Ответ подтвердите расчётами.

Сравните состав азотной и азотистой кислот.

Химическая формула азотной кислоты — $HNO_3$. Молекула этой кислоты состоит из одного атома водорода (H), одного атома азота (N) и трёх атомов кислорода (O).

Химическая формула азотистой кислоты — $HNO_2$. Молекула этой кислоты состоит из одного атома водорода (H), одного атома азота (N) и двух атомов кислорода (O).

Ответ: Обе кислоты состоят из одних и тех же химических элементов (водорода, азота и кислорода), но различаются по количественному составу — в молекуле азотной кислоты на один атом кислорода больше, чем в молекуле азотистой кислоты.

В какой из этих кислот массовая доля азота выше? Ответ подтвердите расчётами.

Дано:

Азотная кислота ($HNO_3$)

Азотистая кислота ($HNO_2$)

Относительные атомные массы (округлённые):

$Ar(H) = 1$

$Ar(N) = 14$

$Ar(O) = 16$

Найти:

Сравнить массовые доли азота $ω(N)$ в $HNO_3$ и $HNO_2$.

Решение:

Массовая доля элемента ($ω$) в веществе рассчитывается по формуле:
$ω(элемента) = (n \cdot Ar(элемента) / Mr(вещества)) \cdot 100\%$
где $n$ — число атомов элемента в молекуле, $Ar$ — относительная атомная масса элемента, $Mr$ — относительная молекулярная масса вещества.

1. Рассчитаем массовую долю азота для азотной кислоты ($HNO_3$):
Сначала найдём её относительную молекулярную массу:
$Mr(HNO_3) = Ar(H) + Ar(N) + 3 \cdot Ar(O) = 1 + 14 + 3 \cdot 16 = 63$
Теперь рассчитаем массовую долю азота:
$ω(N \text{ в } HNO_3) = (Ar(N) / Mr(HNO_3)) \cdot 100\% = (14 / 63) \cdot 100\% \approx 22,22\%$

2. Рассчитаем массовую долю азота для азотистой кислоты ($HNO_2$):
Сначала найдём её относительную молекулярную массу:
$Mr(HNO_2) = Ar(H) + Ar(N) + 2 \cdot Ar(O) = 1 + 14 + 2 \cdot 16 = 47$
Теперь рассчитаем массовую долю азота:
$ω(N \text{ в } HNO_2) = (Ar(N) / Mr(HNO_2)) \cdot 100\% = (14 / 47) \cdot 100\% \approx 29,79\%$

3. Сравним полученные значения:
$29,79\% > 22,22\%$

Ответ: Массовая доля азота выше в азотистой кислоте ($HNO_2$).

2. Какую роль играет соляная кислота в процессе пищеварения? Почему эту кислоту называют также хлороводородной? Предложите способ образования названий бескислородных кислот.

Какую роль играет соляная кислота в процессе пищеварения?

Соляная кислота ($HCl$), являющаяся основным компонентом желудочного сока, играет несколько ключевых ролей в пищеварении:

• Активация ферментов: она создает в желудке сильнокислую среду (pH 1,5–3,5), которая необходима для превращения неактивного фермента пепсиногена в его активную форму — пепсин. Пепсин начинает процесс расщепления белков.
• Денатурация белков: кислая среда вызывает денатурацию (разрушение сложной пространственной структуры) белков, поступивших с пищей. Это делает их более доступными для воздействия пищеварительных ферментов.
• Защитная функция: соляная кислота обладает мощным бактерицидным действием, уничтожая большинство патогенных бактерий и микроорганизмов, попадающих в желудок вместе с едой, тем самым предотвращая кишечные инфекции.
• Регуляторная функция: она стимулирует моторику желудка и способствует переходу его содержимого (химуса) в двенадцатиперстную кишку, а также участвует в регуляции секреции поджелудочной железы.

Ответ: Соляная кислота активирует фермент пепсин для расщепления белков, денатурирует белки, обеззараживает пищу, уничтожая микроорганизмы, и регулирует дальнейшие этапы пищеварения.

Почему эту кислоту называют также хлороводородной?

Соляная кислота имеет два названия, отражающих разные подходы к именованию. Название "соляная кислота" является историческим, или тривиальным. Оно возникло в алхимии и связано со способом получения этой кислоты — реакцией поваренной соли ($NaCl$) с концентрированной серной кислотой. Название "хлороводородная кислота" является систематическим, то есть отражающим ее химический состав. Эта кислота представляет собой водный раствор газообразного вещества — хлороводорода, химическая формула которого $HCl$. Название образовано от наименований элементов, входящих в его состав: хлор и водород.

Ответ: Название "хлороводородная" является систематическим и указывает на химический состав кислоты — она является водным раствором соединения хлора и водорода (хлороводорода, $HCl$).

Предложите способ образования названий бескислородных кислот.

Названия бескислородных кислот (кислот, в состав которых не входит кислород) в русском языке образуются по единому правилу. За основу берется название кислотообразующего неметалла, к которому добавляется корень "-водород-" и соответствующее окончание. Общая схема выглядит так:

[Корень названия неметалла] + -о- (соединительная гласная) + "водород" + суффикс "-н-" + окончание "-ая" + слово "кислота".

Примеры образования названий:

• $HF$ — фтор → фтор + о + водород + ная кислота → фтороводородная кислота.
• $HCl$ — хлор → хлор + о + водород + ная кислота → хлороводородная кислота.
• $HBr$ — бром → бром + о + водород + ная кислота → бромоводородная кислота.
• $HI$ — иод → иод + о + водород + ная кислота → иодоводородная кислота.
• $H_2S$ — сера → сер + о + водород + ная кислота → сероводородная кислота.

Ответ: Способ образования названий бескислородных кислот заключается в сложении корня названия неметалла, соединительной гласной, слова "водород" и суффикса с окончанием "-ная кислота" (например, сера + водород → сероводородная кислота).

3. Смешали два раствора азотной кислоты: 140 г 10%-го и 160 г 25%-го. Найдите массовую долю кислоты в полученном растворе.

Дано:

$m_{раствора1} = 140$ г

$\omega_1 = 10\%$

$m_{раствора2} = 160$ г

$\omega_2 = 25\%$

$m_{раствора1} = 140 \text{ г} = 0.14 \text{ кг}$

$m_{раствора2} = 160 \text{ г} = 0.16 \text{ кг}$

Найти:

$\omega_{конечн}$ - ?

Решение:

Массовая доля вещества в растворе ($\omega$) определяется как отношение массы растворенного вещества к массе всего раствора:

$\omega = \frac{m_{вещества}}{m_{раствора}}$

Из этой формулы можно выразить массу растворенного вещества (кислоты):

$m_{вещества} = m_{раствора} \cdot \omega$

Для проведения расчетов необходимо перевести массовые доли из процентов в доли единицы:

$\omega_1 = 10\% = 0.10$

$\omega_2 = 25\% = 0.25$

1. Найдем массу азотной кислоты в первом растворе, используя данные в системе СИ:

$m_{к-ты1} = m_{раствора1} \cdot \omega_1 = 0.14 \text{ кг} \cdot 0.10 = 0.014 \text{ кг}$

2. Найдем массу азотной кислоты во втором растворе:

$m_{к-ты2} = m_{раствора2} \cdot \omega_2 = 0.16 \text{ кг} \cdot 0.25 = 0.040 \text{ кг}$

3. Общая масса кислоты в полученном растворе равна сумме масс кислоты в исходных растворах:

$m_{к-ты, общ} = m_{к-ты1} + m_{к-ты2} = 0.014 \text{ кг} + 0.040 \text{ кг} = 0.054 \text{ кг}$

4. Общая масса полученного раствора равна сумме масс исходных растворов:

$m_{раствора, конечн} = m_{раствора1} + m_{раствора2} = 0.14 \text{ кг} + 0.16 \text{ кг} = 0.30 \text{ кг}$

5. Найдем массовую долю кислоты в конечном растворе:

$\omega_{конечн} = \frac{m_{к-ты, общ}}{m_{раствора, конечн}} = \frac{0.054 \text{ кг}}{0.30 \text{ кг}} = 0.18$

Чтобы выразить массовую долю в процентах, умножим полученное значение на 100%:

$\omega_{конечн} (\%) = 0.18 \cdot 100\% = 18\%$

Ответ: 18%.

1. Какие свойства серной кислоты требуют чрезвычайно осторожного обращения с ней? Каким правилом следует руководствоваться, разбавляя серную кислоту? Почему?

Решение

Чрезвычайно осторожное обращение с серной кислотой ($H_2SO_4$) обусловлено несколькими её ключевыми свойствами. Во-первых, это сильная кислота, обладающая высокой коррозионной активностью, она вызывает тяжелые химические ожоги при контакте с кожей и слизистыми оболочками. Во-вторых, концентрированная серная кислота является мощным окислителем, способным бурно реагировать со многими веществами, что может привести к возгоранию. В-третьих, она является сильным водоотнимающим средством, которое обугливает органические материалы (например, сахар, древесину), отнимая у них элементы воды. Наконец, процесс её растворения в воде является сильно экзотермическим, то есть сопровождается выделением очень большого количества тепла.

При разбавлении серной кислоты следует руководствоваться строгим правилом: необходимо медленно вливать кислоту в воду, а не наоборот. Процесс должен сопровождаться непрерывным перемешиванием, и желательно использовать для этого термостойкую посуду, помещенную в ледяную баню для лучшего отвода тепла.

Это правило жизненно важно из-за физических свойств реагентов и теплового эффекта реакции. Плотность концентрированной серной кислоты ($\rho \approx 1,84 \text{ г/см}^3$) значительно выше плотности воды ($\rho \approx 1 \text{ г/см}^3$). Если приливать воду к кислоте, то легкая вода останется на поверхности. Все огромное количество тепла выделится в тонком поверхностном слое, что вызовет мгновенное вскипание воды и, как следствие, разбрызгивание капель горячей, едкой кислоты. Если же, как и положено, вливать более тяжелую кислоту в воду, она будет опускаться на дно, перемешиваться, и тепло будет равномерно распределяться по всему большому объему воды. Высокая теплоемкость воды позволяет поглотить эту энергию без опасного вскипания.

Ответ: Свойства серной кислоты, требующие осторожного обращения: высокая коррозионная активность (вызывает сильные ожоги), сильные окислительные и водоотнимающие свойства, а также выделение большого количества тепла при смешивании с водой. При разбавлении серной кислоты необходимо медленно вливать кислоту в воду при постоянном перемешивании. Это правило необходимо соблюдать потому, что растворение кислоты в воде — сильно экзотермический процесс, и при добавлении воды в кислоту (более плотную) произойдёт её мгновенное вскипание на поверхности и опасное разбрызгивание едкого реагента.

2. Какие вещества называются индикаторами? Приготовьте самодельный индикатор1 и исследуйте на предмет содержания кислот некоторые продукты питания.

Какие вещества называются индикаторами?

Индикаторы – это сложные органические вещества, которые обратимо изменяют свой цвет в зависимости от кислотности среды (то есть от концентрации ионов водорода $H^+$, которая выражается через водородный показатель pH). Их используют для качественного определения реакции среды (кислотная, щелочная или нейтральная) и для установления точки эквивалентности в методе титрования в аналитической химии.

Принцип действия большинства кислотно-основных индикаторов заключается в том, что они являются слабыми кислотами или основаниями, у которых молекулярная и ионизированная формы имеют разную окраску. В растворе устанавливается химическое равновесие, которое смещается в ту или иную сторону в зависимости от pH. Например, для индикатора, являющегося слабой кислотой ($HInd$):

$HInd_{ (цвет\ 1)} \rightleftharpoons H^+ + Ind^-_{ (цвет\ 2)}$

В кислой среде (избыток $H^+$) равновесие смещено влево, и преобладает цвет недиссоциированной формы $HInd$. В щелочной среде (недостаток $H^+$) равновесие смещается вправо, и проявляется цвет иона $Ind^-$.

Наиболее известные химические индикаторы:

• Лакмус: в кислой среде – красный, в нейтральной – фиолетовый, в щелочной – синий.
• Фенолфталеин: в кислой и нейтральной среде (до $pH \approx 8,2$) – бесцветный, в щелочной – малиновый.
• Метиловый оранжевый (метилоранж): в кислой среде (до $pH \approx 3,1$) – красный, в щелочной (выше $pH \approx 4,4$) – желтый.

Ответ: Индикаторы – это вещества, способные изменять свой цвет в зависимости от кислотности (pH) среды, что позволяет визуально определить ее характер (кислая, щелочная или нейтральная).

Приготовьте самодельный индикатор и исследуйте на предмет содержания кислот некоторые продукты питания.

В качестве самодельного индикатора можно использовать отвар из краснокочанной капусты, так как она содержит природные пигменты антоцианы, меняющие свой цвет в широком диапазоне pH.

Этап 1: Приготовление индикатора

1. Мелко нашинкуйте несколько листьев краснокочанной капусты.
2. Поместите капусту в термостойкую посуду и залейте кипятком так, чтобы вода покрывала капусту.
3. Дайте настояться 20–30 минут, пока вода не приобретет насыщенный фиолетовый цвет. Для ускорения процесса можно прокипятить смесь 5–10 минут.
4. Остудите отвар и процедите его через сито или марлю, чтобы отделить жидкость. Полученный фиолетовый раствор готов к использованию в качестве индикатора.

Этап 2: Исследование продуктов

Для эксперимента возьмем следующие продукты: лимонный сок, столовый уксус, кефир, молоко. Для сравнения также используем водопроводную воду (нейтральная среда) и раствор пищевой соды (щелочная среда).

1. Подготовьте несколько прозрачных емкостей (стаканов, баночек).
2. В каждую емкость налейте небольшое количество исследуемого вещества.
3. Добавьте в каждую емкость по 1–2 чайные ложки приготовленного капустного индикатора и перемешайте.
4. Наблюдайте за изменением цвета раствора.

Этап 3: Анализ результатов

Отвар краснокочанной капусты меняет цвет следующим образом:

• Кислая среда ($pH < 7$): цвет изменяется на розовый или красный.
• Нейтральная среда ($pH \approx 7$): цвет остается фиолетовым.
• Щелочная среда ($pH > 7$): цвет изменяется на синий, зеленый или даже желтый.

Ожидаемые результаты для выбранных продуктов:

• Лимонный сок (содержит лимонную кислоту): индикатор станет ярко-красным.
• Столовый уксус (содержит уксусную кислоту): индикатор станет красным.
• Кефир (содержит молочную кислоту): индикатор приобретет розовато-фиолетовый оттенок.
• Молоко (слабокислая среда): цвет изменится незначительно, станет светло-фиолетовым.
• Водопроводная вода (нейтральная среда): индикатор сохранит фиолетовый цвет.
• Раствор пищевой соды (щелочная среда): индикатор станет синим или зеленым.

Вывод: Продукты, в которых индикатор окрасился в красный или розовый цвет (лимонный сок, уксус, кефир), содержат кислоты.

Ответ: Для исследования продуктов на содержание кислот можно приготовить индикатор из отвара краснокочанной капусты. Добавление этого индикатора к лимонному соку, уксусу или кефиру приведет к изменению цвета на красный или розовый, что подтверждает наличие в них кислот.