Страница 110 - гдз по химии 8 класс учебник Габриелян, Остроумов

Лабораторный опыт 23

В пробирку с раствором карбоната натрия (1 мл) добавьте такой же объём соляной кислоты. Что наблюдаете?

В пробирку с соляной кислотой добавьте несколько капель раствора нитрата серебра. Что наблюдаете? Запишите уравнения реакций.

В пробирку с раствором карбоната натрия (1 мл) добавьте такой же объём соляной кислоты. Что наблюдаете?

При добавлении раствора соляной кислоты ($HCl$) к раствору карбоната натрия ($Na_2CO_3$) происходит реакция ионного обмена. Сильная соляная кислота вытесняет слабую угольную кислоту из её соли. Образующаяся угольная кислота ($H_2CO_3$) очень неустойчива и сразу же разлагается на воду ($H_2O$) и углекислый газ ($CO_2$).

Визуально это наблюдается как бурное вскипание раствора с выделением большого количества пузырьков бесцветного газа без запаха.

Уравнение реакции в молекулярном виде:

$Na_2CO_3 + 2HCl \rightarrow 2NaCl + H_2O + CO_2 \uparrow$

Полное ионное уравнение, показывающее все ионы в растворе:

$2Na^+ + CO_3^{2-} + 2H^+ + 2Cl^- \rightarrow 2Na^+ + 2Cl^- + H_2O + CO_2 \uparrow$

Сокращенное ионное уравнение, показывающее суть процесса:

$CO_3^{2-} + 2H^+ \rightarrow H_2O + CO_2 \uparrow$

Ответ: наблюдается бурное выделение бесцветного газа без запаха (шипение). Уравнение реакции: $Na_2CO_3 + 2HCl \rightarrow 2NaCl + H_2O + CO_2 \uparrow$.

В пробирку с соляной кислотой добавьте несколько капель раствора нитрата серебра. Что наблюдаете? Запишите уравнения реакций.

Добавление раствора нитрата серебра ($AgNO_3$) к соляной кислоте ($HCl$) является качественной реакцией на хлорид-ионы ($Cl^-$). В ходе реакции ионного обмена катион серебра ($Ag^+$) связывается с хлорид-ионом ($Cl^-$), образуя нерастворимое в воде и сильных кислотах вещество — хлорид серебра ($AgCl$).

Визуально это наблюдается как мгновенное образование густого белого осадка, по виду напоминающего творог.

Уравнение реакции в молекулярном виде:

$HCl + AgNO_3 \rightarrow AgCl \downarrow + HNO_3$

Полное ионное уравнение:

$H^+ + Cl^- + Ag^+ + NO_3^- \rightarrow AgCl \downarrow + H^+ + NO_3^-$

Сокращенное ионное уравнение, отражающее образование осадка:

$Ag^+ + Cl^- \rightarrow AgCl \downarrow$

Ответ: наблюдается выпадение белого творожистого осадка. Уравнение реакции: $HCl + AgNO_3 \rightarrow AgCl \downarrow + HNO_3$.

1. Дайте определение кислот, исходя из их состава.

Дайте определение кислот, исходя из их состава.

Решение

Исходя из состава, кислоты — это сложные вещества, молекулы которых состоят из одного или нескольких атомов водорода ($H$) и кислотного остатка ($Ac$). Ключевой особенностью, вытекающей из такого состава, является способность атомов водорода замещаться на атомы металлов с образованием солей.

Общая формула кислот выглядит как $H_n(Ac)$, где:

- $H$ – это химический символ водорода.

- $Ac$ – это кислотный остаток. Он может быть простым, состоящим из одного атома неметалла (например, $Cl^-$ в соляной кислоте), или сложным, состоящим из нескольких атомов (например, $SO_4^{2-}$ в серной кислоте).

- $n$ – это индекс, который показывает количество атомов водорода в молекуле. Это число называется основностью кислоты. Основность кислоты численно равна валентности (или заряду) кислотного остатка.

Например:

1. Соляная кислота $HCl$: один атом водорода ($n=1$), кислотный остаток – хлорид $Cl^-$. Кислота одноосновная.

2. Серная кислота $H_2SO_4$: два атома водорода ($n=2$), кислотный остаток – сульфат $SO_4^{2-}$. Кислота двухосновная.

3. Ортофосфорная кислота $H_3PO_4$: три атома водорода ($n=3$), кислотный остаток – фосфат $PO_4^{3-}$. Кислота трехосновная.

Таким образом, наличие в составе молекулы одного или нескольких атомов водорода, связанных с кислотным остатком, является определяющим признаком класса кислот.

Ответ: Кислоты — это сложные вещества, состоящие из атомов водорода, которые могут быть замещены атомами металлов, и кислотного остатка.

2. Приведите классификацию $H_2SO_4$(разб.) и напишите уравнение реакции её получения.

Классификация H₂SO₄ (разб.)

Серную кислоту ($H_2SO_4$) классифицируют по нескольким признакам:
- По наличию кислорода: кислородсодержащая кислота.
- По основности: двухосновная, так как в ее молекуле содержится два атома водорода, способных замещаться на атомы металла. В водных растворах диссоциирует ступенчато:
I ступень: $H_2SO_4 \leftrightarrow H^+ + HSO_4^-$
II ступень: $HSO_4^- \leftrightarrow H^+ + SO_4^{2-}$
- По силе: сильная кислота. В разбавленных растворах является сильным электролитом, практически полностью диссоциирует по первой ступени.
- По стабильности: стабильная (термически устойчивая).
- По летучести: нелетучая (высококипящая жидкость).
- По растворимости в воде: растворимая (смешивается с водой в любых соотношениях).

Ответ: Разбавленная серная кислота ($H_2SO_4$) является сильной, двухосновной, кислородсодержащей, стабильной, нелетучей и растворимой в воде кислотой.

Уравнение реакции её получения

В промышленности и лаборатории серную кислоту получают взаимодействием оксида серы(VI) (серного ангидрида) с водой. Эта реакция лежит в основе одного из важнейших химических производств.

Уравнение реакции:
$SO_3 + H_2O \rightarrow H_2SO_4 + Q$

Реакция является сильно экзотермической, то есть протекает с выделением большого количества теплоты ($Q$).

Ответ: Уравнение реакции получения серной кислоты: $SO_3 + H_2O \rightarrow H_2SO_4$.

3. Как образуются названия кислот?

Названия кислот в химии образуются по систематическим правилам, которые зависят от состава кислоты, в первую очередь от наличия или отсутствия в ней атомов кислорода. Также многие распространенные кислоты имеют исторически сложившиеся (тривиальные) названия.

Названия бескислородных кислот

Названия кислот, не содержащих кислород, образуются от русского названия кислотообразующего элемента (неметалла) с добавлением суффикса «-о-» и окончания «-водородная», после чего следует слово «кислота». Общая схема: (название неметалла) + -о- + водородная кислота.

Примеры:

• $HCl$ — хлор + о + водородная = хлороводородная кислота (также известна как соляная кислота).
• $H_2S$ — сер + о + водородная = сероводородная кислота.
• $HBr$ — бром + о + водородная = бромоводородная кислота.
• $HCN$ — циановодородная кислота (образована от кислотного остатка цианида $CN^-$).

Ответ: Названия бескислородных кислот образуются по схеме «(название неметалла)оводородная кислота».

Названия кислородсодержащих кислот (оксокислот)

Названия этих кислот образуются от названия кислотообразующего элемента, а суффикс в названии указывает на степень окисления этого элемента. Чем выше степень окисления, тем «выше» суффикс.

Основные правила:

1. Суффикс -ная или -овая используется для кислот, в которых кислотообразующий элемент проявляет свою высшую или близкую к ней степень окисления.

   • $H_2SO_4$ — серная кислота (степень окисления серы $S^{+6}$, высшая).
   • $HNO_3$ — азотная кислота (степень окисления азота $N^{+5}$, высшая).
   • $H_3PO_4$ — фосфорная кислота (степень окисления фосфора $P^{+5}$, высшая).
   • $H_2CrO_4$ — хромовая кислота (степень окисления хрома $Cr^{+6}$, высшая).

2. Суффикс -истая используется для кислот, в которых кислотообразующий элемент имеет более низкую (промежуточную) степень окисления по сравнению с кислотой с суффиксом -ная.

   • $H_2SO_3$ — сернистая кислота (степень окисления серы $S^{+4}$).
   • $HNO_2$ — азотистая кислота (степень окисления азота $N^{+3}$).
   • $H_3PO_3$ — фосфористая кислота (степень окисления фосфора $P^{+3}$).

3. Для элементов, образующих целый ряд кислородсодержащих кислот (например, галогены), используется более сложная система с дополнительными суффиксами для различения всех степеней окисления. На примере кислот хлора:

   • $HClO_4$ — хлорная кислота (хлор в высшей степени окисления $Cl^{+7}$).
   • $HClO_3$ — хлорноватая кислота (хлор в степени окисления $Cl^{+5}$).
   • $HClO_2$ — хлористая кислота (хлор в степени окисления $Cl^{+3}$).
   • $HClO$ — хлорноватистая кислота (хлор в степени окисления $Cl^{+1}$).

Ответ: Названия кислородсодержащих кислот образуются от названия кислотообразующего элемента с добавлением суффиксов, указывающих на его степень окисления: -ная/-овая для высших степеней окисления, -истая для более низких, и другие для промежуточных состояний.

Тривиальные (исторические) названия

Многие широко используемые кислоты, особенно органические, носят не систематические, а тривиальные названия, которые сложились исторически и связаны со способом их получения, природным источником или свойствами.

Примеры:

• $HCl$ — соляная кислота (исторически получали из поваренной соли).
• $HCN$ — синильная кислота (название связано с веществом «берлинская лазурь»).
• $CH_3COOH$ — уксусная кислота (основной компонент уксуса).
• $H_2SO_4$ — купоросное масло (старое алхимическое название).

Ответ: Некоторые кислоты имеют исторически сложившиеся тривиальные названия, не связанные с систематической номенклатурой, но широко используемые на практике.

4. Какими общими свойствами обладают кислоты?

Кислоты представляют собой класс химических соединений, общие свойства которых обусловлены их способностью диссоциировать в водных растворах с образованием катионов водорода $H^+$ и анионов кислотного остатка. Эти свойства определяют их поведение в химических реакциях.

Взаимодействие с индикаторами

Кислоты изменяют цвет химических индикаторов, что является качественной реакцией на кислую среду. Например, в присутствии кислоты лакмус приобретает красный цвет, а метиловый оранжевый — розовый. Фенолфталеин в кислой среде остается бесцветным.

Ответ: Индикаторы позволяют визуально определить наличие кислоты в растворе по изменению их цвета.

Взаимодействие с металлами

Типичные кислоты (за исключением азотной и концентрированной серной) реагируют с металлами, расположенными в электрохимическом ряду напряжений левее водорода. В ходе этой реакции замещения образуется соль и выделяется газообразный водород.

Примером может служить реакция магния с соляной кислотой: $Mg + 2HCl \rightarrow MgCl_2 + H_2\uparrow$.

Ответ: Кислоты реагируют с активными металлами, вытесняя из них водород и образуя соль.

Взаимодействие с основными и амфотерными оксидами

Кислоты вступают в реакцию обмена с оксидами металлов (основными и амфотерными), в результате чего образуются соль и вода.

Например, при реакции оксида кальция с азотной кислотой образуется нитрат кальция и вода: $CaO + 2HNO_3 \rightarrow Ca(NO_3)_2 + H_2O$.

Ответ: Продуктами реакции кислоты с основным или амфотерным оксидом являются соль и вода.

Взаимодействие с основаниями (реакция нейтрализации)

Это классическая реакция обмена между кислотой и основанием (как растворимым — щёлочью, так и нерастворимым), которая называется реакцией нейтрализации. Продукты реакции — соль и вода.

Пример реакции щёлочи с кислотой: $KOH + HCl \rightarrow KCl + H_2O$.

Пример реакции нерастворимого основания с кислотой: $Fe(OH)_3 + 3HNO_3 \rightarrow Fe(NO_3)_3 + 3H_2O$.

Ответ: В результате реакции нейтрализации кислота и основание взаимно нейтрализуют друг друга с образованием соли и воды.

Взаимодействие с солями

Кислоты реагируют с солями других кислот, если в результате реакции образуется вещество, уходящее из сферы реакции: выпадает осадок, выделяется газ или образуется слабый электролит (например, вода или более слабая кислота).

Пример с выделением газа (более слабая угольная кислота разлагается): $CaCO_3 + 2HCl \rightarrow CaCl_2 + H_2O + CO_2\uparrow$.

Пример с выпадением осадка: $AgNO_3 + HBr \rightarrow AgBr\downarrow + HNO_3$.

Ответ: Реакция кислоты с солью протекает, если один из продуктов реакции является осадком, газом или слабым электролитом.

Термическое разложение

Некоторые кислоты являются термически неустойчивыми и при нагревании разлагаются. В частности, это характерно для многих кислородсодержащих кислот.

Например, кремниевая кислота разлагается на оксид кремния(IV) и воду: $H_2SiO_3 \xrightarrow{t} SiO_2 + H_2O$.

Угольная кислота неустойчива даже при комнатной температуре: $H_2CO_3 \leftrightarrow H_2O + CO_2\uparrow$.

Ответ: Неустойчивые кислоты при нагревании разлагаются, как правило, на соответствующий кислотный оксид и воду.

5. Какие условия необходимо соблюдать для протекания реакций кислот с металлами и солями?

Для протекания реакций кислот с металлами и солями необходимо соблюдение определенных условий, которые различаются для этих двух классов веществ.

Реакции кислот с металлами

Взаимодействие кислот с металлами является окислительно-восстановительной реакцией. Основные условия для ее протекания следующие:

1. Положение металла в электрохимическом ряду напряжений (ряду активности). Это основное правило для реакций с кислотами-неокислителями (например, $HCl$, $H_2SO_4(разб.)$, $H_3PO_4$).

   • Металл должен стоять в ряду активности левее водорода (H). В этом случае металл способен вытеснять водород из раствора кислоты, образуя соль и газообразный водород.

     Пример: Цинк (Zn) стоит левее водорода и реагирует с соляной кислотой.

     $Zn + 2HCl \rightarrow ZnCl_2 + H_2 \uparrow$

   • Металлы, стоящие правее водорода (например, Cu, Ag, Hg, Au, Pt), с кислотами-неокислителями не реагируют.

     $Cu + HCl \rightarrow$ реакция не идет.

2. Тип кислоты (для кислот-окислителей). Концентрированная серная ($H_2SO_4$) и любая азотная ($HNO_3$) кислоты являются сильными окислителями. Они реагируют с большинством металлов, включая некоторые, стоящие правее водорода. В этих реакциях водород, как правило, не выделяется. Вместо этого восстанавливается кислотообразующий элемент кислоты.

   Пример: Медь (Cu) реагирует с концентрированной серной кислотой.

   $Cu + 2H_2SO_4(конц.) \xrightarrow{t} CuSO_4 + SO_2 \uparrow + 2H_2O$

   Важно отметить, что некоторые металлы (например, железо (Fe), алюминий (Al), хром (Cr)) пассивируются холодной концентрированной серной и азотной кислотами из-за образования на их поверхности плотной оксидной пленки, которая препятствует дальнейшей реакции.

3. Растворимость образующейся соли. Если продукт реакции — нерастворимая соль, она может покрыть поверхность металла и прекратить реакцию. Например, реакция свинца с серной кислотой быстро замедляется из-за образования нерастворимого сульфата свинца(II).

   $Pb + H_2SO_4 \rightarrow PbSO_4 \downarrow + H_2 \uparrow$

Ответ: Для реакции кислоты с металлом необходимо, чтобы: 1) для кислот-неокислителей металл стоял в ряду активности левее водорода; 2) для кислот-окислителей ($HNO_3$, $H_2SO_4(конц.)$) это правило не обязательно, но следует учитывать возможность пассивации; 3) образующаяся соль была растворима, чтобы не блокировать доступ кислоты к металлу.

Реакции кислот с солями

Реакции между кислотами и солями являются реакциями ионного обмена. Они протекают в растворе до конца только в том случае, если один из продуктов уходит из сферы реакции. Исходные реагенты (кислота и соль), как правило, должны быть растворимы в воде.

1. Выделение газа. Продукт реакции — неустойчивая или летучая кислота, которая разлагается с выделением газа. Это происходит, если исходная кислота сильнее той, которая образует соль.

   Пример: Реакция соляной кислоты с карбонатом кальция (мелом).

   $2HCl + CaCO_3 \rightarrow CaCl_2 + H_2CO_3$

   Угольная кислота ($H_2CO_3$) неустойчива и разлагается:

   $H_2CO_3 \rightarrow H_2O + CO_2 \uparrow$

   Аналогично протекают реакции с сульфитами ($SO_3^{2-}$) и сульфидами ($S^{2-}$), с выделением $SO_2$ и $H_2S$ соответственно.

2. Образование осадка. Один из продуктов реакции (новая соль или новая кислота) является нерастворимым веществом.

   Пример: Реакция серной кислоты с хлоридом бария.

   $H_2SO_4 + BaCl_2 \rightarrow BaSO_4 \downarrow + 2HCl$

   Сульфат бария ($BaSO_4$) — нерастворимый осадок белого цвета.

   Пример: Реакция соляной кислоты с силикатом натрия.

   $2HCl + Na_2SiO_3 \rightarrow 2NaCl + H_2SiO_3 \downarrow$

   Кремниевая кислота ($H_2SiO_3$) — нерастворима.

3. Образование слабого электролита. Более сильная кислота вытесняет более слабую из ее соли. Продукт реакции — слабая, но устойчивая и растворимая кислота.

   Пример: Реакция соляной кислоты с ацетатом натрия.

   $HCl + CH_3COONa \rightarrow NaCl + CH_3COOH$

   Соляная кислота (сильная) вытесняет уксусную кислоту (слабую).

Также существует правило, что менее летучая кислота может вытеснять более летучую из ее соли при нагревании. Например, получение хлороводорода из твердого хлорида натрия и концентрированной серной кислоты.

$2NaCl(тв.) + H_2SO_4(конц.) \xrightarrow{t} Na_2SO_4 + 2HCl \uparrow$

Ответ: Для реакции кислоты с солью необходимо, чтобы исходные вещества были растворимы (в большинстве случаев) и чтобы в результате реакции образовывался: 1) газ; 2) осадок; или 3) слабый электролит (например, слабая кислота). В общем случае, реакция идет, если один из продуктов покидает реакционную среду.