Страница 112 - гдз по химии 7 класс учебник Габриелян, Остроумов

1. Какие вещества называются основаниями? На какие группы делят основания?

Какие вещества называются основаниями?

Основаниями называют сложные вещества, состоящие из катионов металла (или иона аммония $NH_4^+$) и связанных с ними гидроксид-анионов ($OH^-$). Общая формула оснований имеет вид $Me(OH)_n$, где $Me$ – это металл или ион аммония, а $n$ – это число гидроксогрупп, которое соответствует степени окисления металла.

Согласно теории электролитической диссоциации, основания — это электролиты, которые при диссоциации в водном растворе образуют в качестве анионов только гидроксид-ионы ($OH^-$). Например, диссоциация гидроксида калия:

$KOH \rightleftarrows K^+ + OH^-$

Ответ: Основаниями называются сложные вещества, которые состоят из атомов металла (или иона аммония) и одной или нескольких гидроксогрупп.

На какие группы делят основания?

Основания классифицируют по нескольким основным признакам: по растворимости в воде, по силе (степени электролитической диссоциации) и по кислотности (числу гидроксогрупп).

1. По растворимости в воде:
- Растворимые (щёлочи): это гидроксиды щелочных металлов (Li, Na, K и др.) и щёлочноземельных металлов (Ca, Sr, Ba). Примеры: $NaOH$ (гидроксид натрия), $KOH$ (гидроксид калия), $Ba(OH)_2$ (гидроксид бария).
- Нерастворимые: гидроксиды большинства других металлов. Они не растворяются или очень плохо растворяются в воде. Примеры: $Cu(OH)_2$ (гидроксид меди(II)), $Fe(OH)_3$ (гидроксид железа(III)).

2. По силе (степени диссоциации):
- Сильные: это основания, которые в водных растворах практически полностью диссоциируют на ионы. К сильным основаниям относятся щёлочи. Примеры: $NaOH$, $KOH$, $Ca(OH)_2$.
- Слабые: это основания, которые в водных растворах диссоциируют лишь в незначительной степени. К ним относятся все нерастворимые основания, а также гидрат аммиака ($NH_3 \cdot H_2O$ или $NH_4OH$). Примеры: $Fe(OH)_2$, $Cu(OH)_2$.

3. По кислотности (числу гидроксогрупп $OH^-$):
- Однокислотные: содержат в молекуле одну гидроксогруппу. Примеры: $NaOH$, $LiOH$.
- Двухкислотные: содержат две гидроксогруппы. Примеры: $Ca(OH)_2$, $Mg(OH)_2$.
- Трехкислотные: содержат три гидроксогруппы. Примеры: $Al(OH)_3$, $Fe(OH)_3$.

Ответ: Основания делят на группы по растворимости (растворимые/щёлочи и нерастворимые), по силе (сильные и слабые) и по кислотности (однокислотные, двухкислотные, трехкислотные).

2. Гидроксиды каких металлов являются щелочами?

Щелочами называют растворимые в воде сильные основания. К щелочам относятся гидроксиды, которые образованы металлами IА и IIА групп Периодической системы Д. И. Менделеева.

1. Гидроксиды щелочных металлов (IА группа). Это гидроксиды лития ($LiOH$), натрия ($NaOH$), калия ($KOH$), рубидия ($RbOH$), цезия ($CsOH$) и франция ($FrOH$). Все они являются сильными основаниями и хорошо растворимы в воде.

2. Гидроксиды щелочноземельных металлов (IIА группа). К щелочам относят гидроксиды металлов этой группы, начиная с кальция: гидроксид кальция ($Ca(OH)_2$), гидроксид стронция ($Sr(OH)_2$), гидроксид бария ($Ba(OH)_2$) и гидроксид радия ($Ra(OH)_2$). Их сила и растворимость возрастают вниз по группе. Гидроксид магния ($Mg(OH)_2$) является малорастворимым и слабым основанием, поэтому его обычно не классифицируют как щелочь. Гидроксид бериллия ($Be(OH)_2$) является амфотерным.

Ответ: Щелочами являются гидроксиды щелочных металлов (Li, Na, K, Rb, Cs, Fr) и щелочноземельных металлов, начиная с кальция (Ca, Sr, Ba, Ra).

3. Назовите вещества, формулы которых: $LiOH$, $Mg(OH)_2$, $Ba(OH)_2$, $Fe(OH)_2$, $Fe(OH)_3$, $Al(OH)_3$, $Cu(OH)_2$, $CuOH$. Какие из этих веществ изменят окраску индикатора?

Названия веществ

Приведем названия для каждой из указанных химических формул:

• $LiOH$ — гидроксид лития.
• $Mg(OH)_2$ — гидроксид магния.
• $Ba(OH)_2$ — гидроксид бария.
• $Fe(OH)_2$ — гидроксид железа(II). В данном соединении железо проявляет степень окисления +2.
• $Fe(OH)_3$ — гидроксид железа(III). В данном соединении железо проявляет степень окисления +3.
• $Al(OH)_3$ — гидроксид алюминия.
• $Cu(OH)_2$ — гидроксид меди(II). В данном соединении медь проявляет степень окисления +2.
• $CuOH$ — гидроксид меди(I). В данном соединении медь проявляет степень окисления +1.

Ответ: $LiOH$ – гидроксид лития, $Mg(OH)_2$ – гидроксид магния, $Ba(OH)_2$ – гидроксид бария, $Fe(OH)_2$ – гидроксид железа(II), $Fe(OH)_3$ – гидроксид железа(III), $Al(OH)_3$ – гидроксид алюминия, $Cu(OH)_2$ – гидроксид меди(II), $CuOH$ – гидроксид меди(I).

Вещества, изменяющие окраску индикатора

Решение

Окраску химических индикаторов (таких как лакмус, фенолфталеин) изменяют вещества, которые создают в водном растворе щелочную или кислую среду. Все представленные вещества являются гидроксидами, то есть относятся к классу оснований. Для создания щелочной среды, способной изменить цвет индикатора, основание должно быть растворимым в воде. Растворимые в воде основания называют щелочами. При растворении в воде щелочи диссоциируют с образованием гидроксид-ионов ($OH^-$), которые и обуславливают щелочную реакцию среды.

Определим растворимость каждого из данных гидроксидов в воде, чтобы выявить среди них щелочи:

• $LiOH$ (гидроксид лития) — хорошо растворим в воде, является сильной щёлочью.
• $Mg(OH)_2$ (гидроксид магния) — практически нерастворим в воде.
• $Ba(OH)_2$ (гидроксид бария) — растворим в воде, является сильной щёлочью.
• $Fe(OH)_2$ (гидроксид железа(II)) — нерастворим в воде.
• $Fe(OH)_3$ (гидроксид железа(III)) — нерастворим в воде.
• $Al(OH)_3$ (гидроксид алюминия) — нерастворим в воде (является амфотерным гидроксидом).
• $Cu(OH)_2$ (гидроксид меди(II)) — нерастворим в воде.
• $CuOH$ (гидроксид меди(I)) — нерастворим в воде.

Таким образом, только растворимые гидроксиды ($LiOH$ и $Ba(OH)_2$) создадут в растворе достаточную концентрацию гидроксид-ионов для заметного изменения окраски индикатора.

Ответ: Окраску индикатора изменят гидроксид лития ($LiOH$) и гидроксид бария ($Ba(OH)_2$).

4. В трёх пробирках находятся вода, раствор лимонной кислоты и раствор едкого натра. Как их распознать?

Для того чтобы распознать, в какой из трёх пробирок находится вода, раствор лимонной кислоты и раствор едкого натра (гидроксида натрия), необходимо воспользоваться их различными химическими свойствами. Ключевым отличием в данном случае является кислотно-основной характер растворов.

• Вода ($H_2O$) – вещество с нейтральной средой, pH ≈ 7.
• Раствор лимонной кислоты ($C_6H_8O_7$) – имеет кислотную среду за счёт диссоциации с образованием ионов водорода $H^+$, поэтому pH < 7.
• Раствор едкого натра ($NaOH$) – сильное основание (щёлочь), которое в воде диссоциирует с образованием гидроксид-ионов $OH^-$, создавая щелочную среду, pH > 7.

Различить среды можно с помощью кислотно-основных индикаторов — веществ, которые обратимо изменяют свой цвет в зависимости от кислотности среды.

Решение

Один из самых простых и наглядных способов — использование индикатора лакмуса (в виде раствора или индикаторной бумаги).

1. Пронумеруем пробирки, чтобы не перепутать их.
2. В каждую пробирку добавим несколько капель раствора лакмуса или опустим в неё полоску лакмусовой бумаги.
3. Пронаблюдаем за изменением окраски индикатора в каждой пробирке:
   • В пробирке, где индикатор приобрёл красный цвет, находится раствор лимонной кислоты.
   • В пробирке, где индикатор приобрёл синий цвет, находится раствор едкого натра.
   • В пробирке, где индикатор не изменил свой фиолетовый цвет, находится вода.

Таким образом, по характерному изменению цвета индикатора можно однозначно идентифицировать содержимое каждой из пробирок.

Ответ: Распознать вещества можно с помощью кислотно-основного индикатора (например, лакмуса). В пробирке с раствором лимонной кислоты индикатор станет красным, в пробирке с раствором едкого натра — синим, а в пробирке с водой цвет индикатора не изменится.

5. Назовите области применения гидроксидов натрия, калия и кальция.

Гидроксид натрия ($NaOH$)

Гидроксид натрия, также известный как каустическая сода или едкий натр, — это сильное основание (щёлочь), которое имеет очень широкое применение в различных отраслях промышленности и в быту.

• Химическая промышленность: используется для производства мыла, шампуней и других моющих средств (реакция омыления жиров), получения искусственных волокон (вискозы), органических красителей, фенола, а также для получения солей натрия.
• Целлюлозно-бумажная промышленность: применяется для обработки древесины (процесс варки целлюлозы) с целью получения бумаги, картона и искусственных волокон.
• Нефтепереработка: используется для очистки нефти и нефтепродуктов от кислотных соединений (например, серной кислоты и органических кислот).
• Пищевая промышленность: зарегистрирован как пищевая добавка E524. Применяется для мытья и очистки овощей и фруктов от кожуры, в производстве шоколада и какао, для придания характерной тёмной корочки и хрустящей текстуры выпечке (например, брецелям), а также для размягчения маслин.
• Производство алюминия: является ключевым реагентом в процессе Байера, где он используется для растворения оксида алюминия из бокситовой руды.
• Бытовое применение: входит в состав многих чистящих средств, в том числе для прочистки канализационных труб, так как эффективно растворяет жировые и органические загрязнения.

Ответ: Основные области применения гидроксида натрия — химическая (производство мыла, моющих средств), целлюлозно-бумажная, нефтеперерабатывающая и пищевая промышленность, а также металлургия (производство алюминия) и бытовая химия.

Гидроксид калия ($KOH$)

Гидроксид калия, или едкое кали, — сильное основание, по свойствам похожее на гидроксид натрия, но имеющее свои специфические области применения.

• Производство мыла: используется для получения жидкого и мягкого мыла, так как соли калия и жирных кислот более растворимы в воде, чем соответствующие соли натрия.
• Электротехника: применяется в качестве электролита в щелочных (алкалиновых) аккумуляторах и батарейках (например, никель-кадмиевых).
• Химическая промышленность: служит сырьём для получения различных солей калия (карбоната, фосфатов и др.).
• Сельское хозяйство: используется в производстве некоторых видов удобрений.
• Пищевая промышленность: применяется как регулятор кислотности, стабилизатор и эмульгатор (пищевая добавка E525).
• Промышленная очистка: используется для поглощения кислых газов (например, диоксида углерода $CO_2$ и диоксида серы $SO_2$) из промышленных выбросов.

Ответ: Гидроксид калия применяется в производстве жидкого мыла, в качестве электролита в щелочных аккумуляторах, для получения солей калия и удобрений, в пищевой промышленности и для очистки газов.

Гидроксид кальция ($Ca(OH)_2$)

Гидроксид кальция, известный как гашёная известь или пушонка, — сильное, но малорастворимое в воде основание. Его водный раствор называют известковой водой.

• Строительство: является одним из старейших строительных материалов. Используется для приготовления строительных растворов (известковый раствор), штукатурки и в производстве силикатного кирпича. При контакте с углекислым газом из воздуха он твердеет, превращаясь в карбонат кальция ($CaCO_3$).
• Сельское хозяйство: применяется для известкования кислых почв с целью снижения их кислотности и улучшения структуры.
• Водоочистка: используется для умягчения воды (устранения временной жёсткости), а также в качестве флокулянта для очистки сточных вод, помогая осаждать взвешенные частицы.
• Пищевая промышленность: зарегистрирован как пищевая добавка E526. Применяется в производстве сахара для очистки свекловичного сока, для обработки кукурузных зерен (никстамализация), в приготовлении солений для придания им хрусткости.
• Химическая промышленность: используется для получения хлорной извести (отбеливателя), соды, а также других соединений кальция.
• Кожевенная промышленность: применяется для удаления волосяного покрова со шкур животных.
• Стоматология: используется в качестве лечебного материала при обработке корневых каналов зубов благодаря своим антисептическим свойствам.

Ответ: Гидроксид кальция широко применяется в строительстве (строительные растворы), сельском хозяйстве (нейтрализация почв), для очистки воды, в пищевой и химической промышленности, а также в стоматологии.

1. Сравните свойства гидроксида магния и гидроксида кальция. Для гидроксида кальция найдите «строительные» синонимы его разновидностей. Рассчитайте массовую долю металлов для этих оснований по их формулам.

Сравнение свойств гидроксида магния и гидроксида кальция

Гидроксид магния ($Mg(OH)_2$) и гидроксид кальция ($Ca(OH)_2$) являются гидроксидами щелочноземельных металлов (II группа, главная подгруппа). Оба представляют собой белые твердые вещества, проявляющие основные свойства.

Общие свойства:

• Являются основаниями, вступают в реакции нейтрализации с кислотами с образованием соли и воды. Например: $Ca(OH)_2 + 2HCl \rightarrow CaCl_2 + 2H_2O$.
• Термически неустойчивы и при нагревании разлагаются на оксид соответствующего металла и воду.

Отличительные свойства:

• Сила основания: В группе сверху вниз основные свойства гидроксидов усиливаются. Так как кальций расположен ниже магния, гидроксид кальция ($Ca(OH)_2$) является более сильным основанием (щёлочью), чем гидроксид магния ($Mg(OH)_2$), который относится к слабым основаниям.
• Растворимость в воде: Гидроксид магния практически нерастворим в воде. Гидроксид кальция является малорастворимым веществом. Его насыщенный водный раствор известен как известковая вода.
• Термическая устойчивость: Гидроксид кальция более устойчив к нагреванию. Температура его разложения (около 580 °C) значительно выше, чем у гидроксида магния (около 350 °C).

Ответ: Гидроксид кальция является более сильным, более растворимым в воде и более термически устойчивым основанием по сравнению с гидроксидом магния.

«Строительные» синонимы разновидностей гидроксида кальция

Гидроксид кальция ($Ca(OH)_2$) — одно из древнейших вяжущих веществ, используемых человеком, и в строительной сфере он известен под несколькими названиями, которые отражают его состояние или способ получения:

• Гашёная известь — общее техническое название, полученное в результате реакции оксида кальция (негашёной извести) с водой.
• Известь-пушонка — сухой тонкодисперсный порошок гашёной извести.
• Известковое молоко — суспензия (взвесь) гидроксида кальция в воде, используется для побелки.
• Известковая вода — прозрачный насыщенный раствор гидроксида кальция, используется в лабораториях и для отделочных работ.

Ответ: Основные «строительные» синонимы гидроксида кальция — гашёная известь и известь-пушонка. Также используются термины известковое молоко и известковая вода.

Расчет массовой доли металлов для этих оснований по их формулам

Дано:
Гидроксид магния - $Mg(OH)_2$
Гидроксид кальция - $Ca(OH)_2$
Относительные атомные массы (округленные):
$A_r(Mg) = 24$
$A_r(Ca) = 40$
$A_r(O) = 16$
$A_r(H) = 1$

Найти:
Массовую долю магния $\omega(Mg)$ в $Mg(OH)_2$
Массовую долю кальция $\omega(Ca)$ в $Ca(OH)_2$

Решение:

Массовая доля элемента в веществе рассчитывается по формуле:
$\omega(Э) = \frac{n \cdot A_r(Э)}{M_r(вещества)} \cdot 100\%$,
где $n$ — число атомов элемента в формуле, $A_r(Э)$ — относительная атомная масса элемента, $M_r(вещества)$ — относительная молекулярная масса вещества.

1. Расчет для гидроксида магния $Mg(OH)_2$:

Сначала найдем относительную молекулярную массу $Mg(OH)_2$:
$M_r(Mg(OH)_2) = A_r(Mg) + 2 \cdot (A_r(O) + A_r(H)) = 24 + 2 \cdot (16 + 1) = 24 + 34 = 58$

Теперь рассчитаем массовую долю магния:
$\omega(Mg) = \frac{A_r(Mg)}{M_r(Mg(OH)_2)} \cdot 100\% = \frac{24}{58} \cdot 100\% \approx 41,38\%$

2. Расчет для гидроксида кальция $Ca(OH)_2$:

Найдем относительную молекулярную массу $Ca(OH)_2$:
$M_r(Ca(OH)_2) = A_r(Ca) + 2 \cdot (A_r(O) + A_r(H)) = 40 + 2 \cdot (16 + 1) = 40 + 34 = 74$

Рассчитаем массовую долю кальция:
$\omega(Ca) = \frac{A_r(Ca)}{M_r(Ca(OH)_2)} \cdot 100\% = \frac{40}{74} \cdot 100\% \approx 54,05\%$

Ответ: Массовая доля магния в гидроксиде магния составляет примерно 41,38%, а массовая доля кальция в гидроксиде кальция — примерно 54,05%.

2. Какая масса гидроксида калия содержится в 120 г 15%-го раствора этого вещества? Какую массу щёлочи необходимо добавить к этому раствору, чтобы массовая доля гидроксида калия стала равна 25 %?

Дано:

$m_{\text{р-ра 1}} = 120$ г

$w_1(\text{KOH}) = 15\%$

$w_2(\text{KOH}) = 25\%$

Перевод в систему СИ:

$m_{\text{р-ра 1}} = 0.12$ кг

$w_1(\text{KOH}) = 0.15$

$w_2(\text{KOH}) = 0.25$

Найти:

$m_1(\text{KOH})$ - ?

$m_{\text{доб}}(\text{KOH})$ - ?

Решение:

Какая масса гидроксида калия содержится в 120 г 15%-го раствора этого вещества?

Массовая доля вещества в растворе ($w$) определяется как отношение массы растворенного вещества к массе всего раствора. Формула для расчета массы растворенного вещества ($m_{\text{вещества}}$) выглядит следующим образом:

$m_{\text{вещества}} = w \cdot m_{\text{раствора}}$

Найдем массу гидроксида калия ($m_1(\text{KOH})$) в исходном растворе, используя данные в системе СИ:

$m_1(\text{KOH}) = w_1(\text{KOH}) \cdot m_{\text{р-ра 1}} = 0.15 \cdot 0.12 \text{ кг} = 0.018 \text{ кг}$.

Это составляет 18 г.

Ответ: в 120 г 15%-го раствора содержится 18 г гидроксида калия.

Какую массу щёлочи необходимо добавить к этому раствору, чтобы массовая доля гидроксида калия стала равна 25 %?

Обозначим массу добавленной щёлочи (гидроксида калия) как $x$. При добавлении чистого вещества к раствору, увеличивается как масса самого вещества, так и общая масса раствора. Новая масса гидроксида калия в растворе будет $m_2(\text{KOH}) = m_1(\text{KOH}) + x$, а новая масса раствора $m_{\text{р-ра 2}} = m_{\text{р-ра 1}} + x$.

Новая массовая доля $w_2(\text{KOH})$ по условию должна стать 25 % (или 0.25). Составим уравнение на основе формулы массовой доли:

$w_2(\text{KOH}) = \frac{m_2(\text{KOH})}{m_{\text{р-ра 2}}} = \frac{m_1(\text{KOH}) + x}{m_{\text{р-ра 1}} + x}$

Подставим известные значения (в СИ):

$0.25 = \frac{0.018 + x}{0.12 + x}$

Решим полученное уравнение относительно $x$:

$0.25 \cdot (0.12 + x) = 0.018 + x$

$0.03 + 0.25x = 0.018 + x$

$x - 0.25x = 0.03 - 0.018$

$0.75x = 0.012$

$x = \frac{0.012}{0.75} = 0.016$ кг.

Это составляет 16 г.

Ответ: необходимо добавить 16 г щёлочи.