Страница 108 - гдз по химии 8 класс учебник Габриелян, Остроумов

4. Запишите уравнения реакций, с помощью которых можно осуществить следующие превращения:

$Li \to Li_2O \to LiOH \to Li_2CO_3 \to CO_2$

Решение

Для осуществления данной цепочки превращений необходимо провести четыре последовательные химические реакции.

1. $Li \rightarrow Li_2O$

Первое превращение – получение оксида лития из металлического лития. Это реакция соединения, в которой литий реагирует с кислородом при нагревании.

$4Li + O_2 \xrightarrow{t} 2Li_2O$

Ответ: $4Li + O_2 \rightarrow 2Li_2O$

2. $Li_2O \rightarrow LiOH$

Второе превращение – получение гидроксида лития из оксида лития. Оксид лития является основным оксидом и при взаимодействии с водой образует соответствующее основание (щёлочь) – гидроксид лития.

$Li_2O + H_2O \rightarrow 2LiOH$

Ответ: $Li_2O + H_2O \rightarrow 2LiOH$

3. $LiOH \rightarrow Li_2CO_3$

Третье превращение – получение карбоната лития из гидроксида лития. Для этого через раствор гидроксида лития пропускают углекислый газ. Происходит реакция нейтрализации.

$2LiOH + CO_2 \rightarrow Li_2CO_3 + H_2O$

Ответ: $2LiOH + CO_2 \rightarrow Li_2CO_3 + H_2O$

4. $Li_2CO_3 \rightarrow CO_2$

Четвертое превращение – получение углекислого газа из карбоната лития. Это можно сделать двумя способами: термическим разложением карбоната лития при высокой температуре или действием на него сильной кислоты (например, соляной или серной).

Вариант с кислотой:

$Li_2CO_3 + 2HCl \rightarrow 2LiCl + H_2O + CO_2\uparrow$

Вариант с термическим разложением:

$Li_2CO_3 \xrightarrow{t} Li_2O + CO_2\uparrow$

Оба способа верны. Выберем реакцию с кислотой как более общую для получения углекислого газа из карбонатов.

Ответ: $Li_2CO_3 + 2HCl \rightarrow 2LiCl + H_2O + CO_2\uparrow$

5. К 120 мл воды добавили 48 г раствора гидроксида натрия с массовой долей щёлочи 25 %. Найдите массовую долю щёлочи в полученном растворе.

Дано:

$V(\text{H}_2\text{O}) = 120 \text{ мл}$
$m_{\text{р-ра 1}}(\text{NaOH}) = 48 \text{ г}$
$w_1(\text{NaOH}) = 25\% = 0.25$

Найти:

$w_2(\text{NaOH}) - ?$

Решение:

1. Найдем массу добавленной воды. Плотность воды $\rho(\text{H}_2\text{O})$ принимается равной 1 г/мл.

$m(\text{H}_2\text{O}) = V(\text{H}_2\text{O}) \cdot \rho(\text{H}_2\text{O}) = 120 \text{ мл} \cdot 1 \text{ г/мл} = 120 \text{ г}$.

2. Вычислим массу гидроксида натрия (щёлочи) в исходном растворе, используя формулу массы вещества через массовую долю:

$m(\text{NaOH}) = m_{\text{р-ра 1}}(\text{NaOH}) \cdot w_1(\text{NaOH}) = 48 \text{ г} \cdot 0.25 = 12 \text{ г}$.

3. Определим массу конечного раствора. Она равна сумме масс исходного раствора и добавленной воды.

$m_{\text{р-ра 2}} = m_{\text{р-ра 1}}(\text{NaOH}) + m(\text{H}_2\text{O}) = 48 \text{ г} + 120 \text{ г} = 168 \text{ г}$.

4. Рассчитаем итоговую массовую долю щёлочи в полученном растворе. Масса щёлочи осталась прежней, а масса раствора увеличилась.

$w_2(\text{NaOH}) = \frac{m(\text{NaOH})}{m_{\text{р-ра 2}}} \cdot 100\% = \frac{12 \text{ г}}{168 \text{ г}} \cdot 100\% \approx 7.14\%$.

Ответ: массовая доля щёлочи в полученном растворе равна 7.14%.

6. Найдите массу осадка, выпавшего при добавлении к 160 г 2 %-ного раствора сульфата меди(II) ($CuSO_4$) необходимого количества раствора гидроксида натрия ($NaOH$). Какое количество вещества гидроксида натрия вступило в реакцию?

Дано:

$m_{р-ра}(CuSO_4) = 160 \text{ г}$

$\omega(CuSO_4) = 2\% = 0.02$

Найти:

$m(осадка) - ?$

$n(NaOH) - ?$

Решение:

1. Запишем уравнение химической реакции между сульфатом меди(II) и гидроксидом натрия. Это реакция обмена, в результате которой образуется нерастворимое основание - гидроксид меди(II), который выпадает в осадок.

$CuSO_4 + 2NaOH \rightarrow Cu(OH)_2 \downarrow + Na_2SO_4$

Осадком является гидроксид меди(II) - $Cu(OH)_2$.

2. Рассчитаем массу чистого сульфата меди(II) ($CuSO_4$) в исходном растворе, используя формулу массовой доли:

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

$m(CuSO_4) = m_{р-ра}(CuSO_4) \times \omega(CuSO_4) = 160 \text{ г} \times 0.02 = 3.2 \text{ г}$

3. Рассчитаем молярные массы веществ, необходимых для решения задачи (используя округленные атомные массы: $Cu=64, S=32, O=16, Na=23, H=1$):

$M(CuSO_4) = 64 + 32 + 4 \times 16 = 160 \text{ г/моль}$

$M(Cu(OH)_2) = 64 + 2 \times (16 + 1) = 64 + 34 = 98 \text{ г/моль}$

$M(NaOH) = 23 + 16 + 1 = 40 \text{ г/моль}$

4. Найдем количество вещества (число моль) сульфата меди(II), вступившего в реакцию:

$n = \frac{m}{M}$

$n(CuSO_4) = \frac{m(CuSO_4)}{M(CuSO_4)} = \frac{3.2 \text{ г}}{160 \text{ г/моль}} = 0.02 \text{ моль}$

5. Используя уравнение реакции, определим количество вещества осадка и гидроксида натрия. Из уравнения видно, что вещества реагируют в следующих стехиометрических соотношениях:

$n(CuSO_4) : n(NaOH) : n(Cu(OH)_2) = 1 : 2 : 1$

Найдите массу осадка, выпавшего при добавлении к 160 г 2 %-ного раствора сульфата меди(II) необходимого количества раствора гидроксида натрия.

Исходя из соотношения, количество вещества осадка $Cu(OH)_2$ равно количеству вещества $CuSO_4$:

$n(Cu(OH)_2) = n(CuSO_4) = 0.02 \text{ моль}$

Теперь вычислим массу осадка $Cu(OH)_2$:

$m(Cu(OH)_2) = n(Cu(OH)_2) \times M(Cu(OH)_2) = 0.02 \text{ моль} \times 98 \text{ г/моль} = 1.96 \text{ г}$

Ответ: масса выпавшего осадка гидроксида меди(II) составляет 1.96 г.

Какое количество вещества гидроксида натрия вступило в реакцию?

Исходя из соотношения, количество вещества $NaOH$ в два раза больше количества вещества $CuSO_4$:

$n(NaOH) = 2 \times n(CuSO_4) = 2 \times 0.02 \text{ моль} = 0.04 \text{ моль}$

Ответ: в реакцию вступило 0.04 моль гидроксида натрия.

7. Подготовьте сообщение о получении, свойствах и применении одной из едких щелочей.

В качестве примера одной из едких щелочей для данного сообщения выбран гидроксид натрия ($NaOH$), также известный как каустическая сода или едкий натр. Это одно из самых производимых и применяемых химических веществ в мире.

Получение

Исторически гидроксид натрия получали методом каустификации. Этот процесс заключается во взаимодействии раствора карбоната натрия (кальцинированной соды) с гидроксидом кальция (гашеной известью). Реакция приводит к образованию раствора щелочи и нерастворимого осадка карбоната кальция, который затем отфильтровывают.
$Na_2CO_3 + Ca(OH)_2 \rightarrow 2NaOH + CaCO_3\downarrow$

В современной промышленности основным методом получения гидроксида натрия является электролиз водных растворов хлорида натрия (поваренной соли). Этот процесс является крупнотоннажным, так как наряду с гидроксидом натрия получают такие важные продукты, как хлор и водород.
Суммарное уравнение электролиза:
$2NaCl + 2H_2O \xrightarrow{электролиз} 2NaOH + H_2\uparrow + Cl_2\uparrow$
Существуют три основные технологии электролиза:
1. Мембранный метод: Наиболее современный и экологически безопасный. Анодное и катодное пространства разделены катионообменной мембраной, которая позволяет получать гидроксид натрия высокой чистоты без примесей хлорида натрия.
2. Диафрагменный метод: Использует пористую диафрагму (часто из асбеста) для разделения продуктов. Получаемый раствор щелочи содержит примеси исходной соли, что требует дополнительной очистки.
3. Ртутный метод: Позволяет получать очень чистый продукт, но постепенно выводится из эксплуатации из-за высокой токсичности ртути и связанных с этим экологических рисков.

Ответ: В промышленности гидроксид натрия получают электролизом водного раствора хлорида натрия (мембранным, диафрагменным или ртутным методом). Исторический способ — каустификация раствора соды известью.

Свойства

Физические свойства: Гидроксид натрия — это твердое вещество белого цвета. Он очень гигроскопичен — активно поглощает водяные пары из воздуха, из-за чего "расплывается", поэтому его необходимо хранить в герметичной упаковке. Растворение гидроксида натрия в воде — сильно экзотермический процесс, сопровождающийся выделением большого количества тепла. Водные растворы $NaOH$ мылкие на ощупь. Из-за сильного разрушающего действия на живые ткани его называют "едким натром". При попадании на кожу, в глаза или на слизистые оболочки вызывает серьезные химические ожоги.

Химические свойства: Гидроксид натрия является сильным основанием (щелочью). В водных растворах он практически нацело диссоциирует на ионы:
$NaOH \leftrightarrow Na^+ + OH^-$
Как сильная щелочь, гидроксид натрия вступает в реакции:
1. С кислотами (реакция нейтрализации): $NaOH + HCl \rightarrow NaCl + H_2O$
2. С кислотными оксидами: $2NaOH + SO_3 \rightarrow Na_2SO_4 + H_2O$
3. С амфотерными оксидами и гидроксидами: $2NaOH + ZnO \xrightarrow{t} Na_2ZnO_2 + H_2O$
4. С солями, если в результате реакции образуется нерастворимое основание или выделяется газ: $2NaOH + CuSO_4 \rightarrow Cu(OH)_2\downarrow + Na_2SO_4$
5. С жирами (реакция омыления), в результате которой образуются глицерин и соли высших жирных кислот, то есть мыло.
6. С некоторыми неметаллами, например, с хлором: $2NaOH + Cl_2 \rightarrow NaCl + NaClO + H_2O$

Ответ: Гидроксид натрия — белое твердое гигроскопичное вещество, сильная щелочь. Он бурно растворяется в воде с выделением тепла, реагирует с кислотами, кислотными и амфотерными оксидами, солями, жирами, некоторыми неметаллами. Является очень едким веществом.

Применение

Гидроксид натрия — один из важнейших продуктов химической промышленности с очень широким спектром применения:
- Целлюлозно-бумажная промышленность: используется для варки целлюлозы (обработки древесины) при производстве бумаги, картона и искусственных волокон.
- Химическая промышленность: является основой для производства мыла, шампуней и других моющих средств. Используется в органическом синтезе, для производства различных солей, для нейтрализации кислот.
- Нефтепереработка: для очистки нефти, масел и других нефтепродуктов от кислотных соединений (например, сернистых).
- Производство биотоплива: выступает в качестве катализатора для получения биодизеля из растительных масел и животных жиров.
- Пищевая промышленность: известен как пищевая добавка E524. Применяется в малых количествах как регулятор кислотности, для промышленной чистки овощей и фруктов от кожуры, в производстве какао-порошка и шоколада.
- Текстильная промышленность: для процесса мерсеризации хлопка, который придает ткани блеск, прочность и улучшает ее способность к окрашиванию.
- В быту: является активным компонентом средств для прочистки засоров в канализационных трубах, так как эффективно растворяет жиры и другие органические отложения.

Ответ: Гидроксид натрия применяется в целлюлозно-бумажной промышленности, в производстве моющих средств (мыла), в нефтепереработке, в пищевой промышленности (добавка E524), для получения биотоплива, в текстильной промышленности, а также как бытовое чистящее средство.

Вспомните названия изученных кислот, их состав и классификацию. Какая часть молекул кислот определяет их общие химические свойства?

Названия изученных кислот, их состав и классификация

Кислоты — это сложные вещества, молекулы которых состоят из одного или нескольких атомов водорода, способных замещаться на атомы металлов, и кислотного остатка. Общая формула кислот $H_n A$, где $H$ — водород, $A$ — кислотный остаток, а $n$ — основность кислоты.

Названия и состав (химические формулы) некоторых кислот:
Неорганические кислоты:
$HCl$ — соляная (хлороводородная) кислота
$H_2SO_4$ — серная кислота
$HNO_3$ — азотная кислота
$H_2S$ — сероводородная кислота
$H_2CO_3$ — угольная кислота
$H_3PO_4$ — ортофосфорная (фосфорная) кислота
$H_2SiO_3$ — кремниевая кислота

Классификация кислот:
Кислоты классифицируют по нескольким признакам:

1. По содержанию атомов кислорода в молекуле:
- Кислородсодержащие (оксикислоты): содержат атомы кислорода. Например: серная кислота ($H_2SO_4$), азотная кислота ($HNO_3$), фосфорная кислота ($H_3PO_4$).
- Бескислородные: не содержат атомов кислорода. Например: соляная кислота ($HCl$), сероводородная кислота ($H_2S$).

2. По основности (по числу атомов водорода, способных к диссоциации):
- Одноосновные: содержат один «кислый» атом водорода. Например: $HCl$, $HNO_3$.
- Двухосновные: содержат два «кислых» атома водорода. Например: $H_2SO_4$, $H_2S$, $H_2CO_3$.
- Трехосновные: содержат три «кислых» атома водорода. Например: $H_3PO_4$.

3. По силе (по степени электролитической диссоциации в водном растворе):
- Сильные: практически полностью диссоциируют на ионы. Например: $H_2SO_4$, $HCl$, $HNO_3$.
- Слабые: диссоциируют обратимо и в незначительной степени. Например: $H_2CO_3$, $H_2S$, $H_2SiO_3$, $H_3PO_4$.

4. По растворимости в воде:
- Растворимые: большинство кислот. Например: $H_2SO_4$, $HCl$, $HNO_3$.
- Нерастворимые: например, кремниевая кислота ($H_2SiO_3$).

Ответ: Примерами изученных кислот являются соляная ($HCl$), серная ($H_2SO_4$), азотная ($HNO_3$), фосфорная ($H_3PO_4$) и угольная ($H_2CO_3$). Их состав включает атомы водорода и кислотный остаток. Классифицируют кислоты по содержанию кислорода (кислородсодержащие и бескислородные), по основности (числу атомов H), по силе (сильные и слабые) и по растворимости в воде.

Какая часть молекул кислот определяет их общие химические свойства?

Общие химические свойства кислот обусловлены наличием в их молекулах атомов водорода, которые при растворении в воде способны отщепляться (диссоциировать) в виде положительно заряженных ионов — катионов водорода $H^+$.

Согласно теории электролитической диссоциации, кислота — это электролит, который при диссоциации в качестве катионов образует только катионы водорода $H^+$. Именно наличие этих ионов в растворе и определяет общие свойства всех кислот: кислый вкус, способность изменять окраску индикаторов (лакмус становится красным), а также вступать в реакции с металлами, основными оксидами, основаниями и солями.

Примеры диссоциации кислот в водном растворе:
Диссоциация сильной соляной кислоты (необратима):
$HCl \rightarrow H^+ + Cl^-$
Диссоциация сильной серной кислоты (протекает ступенчато):
I ступень (полностью): $H_2SO_4 \rightarrow H^+ + HSO_4^-$
II ступень (обратимо): $HSO_4^- \rightleftharpoons H^+ + SO_4^{2-}$

Ответ: Общие химические свойства кислот определяет атом водорода, а точнее — катион водорода ($H^+$), который образуется при диссоциации кислот в водном растворе.