Страница 120 - гдз по химии 8 класс учебник Габриелян, Остроумов

Какие задачи можно решать с помощью химического эксперимента?

Химический эксперимент является фундаментальным инструментом в химии, позволяющим решать широкий спектр теоретических и практических задач. Он служит для получения новых знаний о веществах, их свойствах, строении и превращениях. С помощью эксперимента можно проверять гипотезы, создавать новые материалы и технологии, а также контролировать качество продукции и состояние окружающей среды. Основные типы задач, решаемых с помощью химического эксперимента, можно сгруппировать следующим образом:

1. Определение качественного состава вещества

Эта задача заключается в установлении, из каких химических элементов, ионов или функциональных групп состоит исследуемое вещество или смесь. Для этого используются качественные реакции, которые сопровождаются характерными визуальными эффектами: изменением цвета, выпадением осадка, выделением газа. Например, для обнаружения ионов хлора ($Cl^−$) в растворе к нему добавляют раствор нитрата серебра ($AgNO_3$), что приводит к выпадению белого творожистого осадка хлорида серебра ($AgCl$). С помощью пламенной пробы можно определить наличие ионов щелочных и щелочноземельных металлов по характерной окраске пламени (например, ионы натрия $Na^+$ окрашивают пламя в желтый цвет, а ионы калия $K^+$ — в фиолетовый).
Ответ: С помощью эксперимента можно идентифицировать компоненты неизвестного образца.

2. Определение количественного состава вещества

Количественный анализ направлен на определение массовой доли, молярной концентрации или количества вещества компонента в образце. Для этого применяются такие методы, как титриметрия, гравиметрия, спектрофотометрия и хроматография. Например, методом кислотно-основного титрования можно точно определить концентрацию кислоты в растворе, постепенно добавляя к ней раствор щелочи известной концентрации в присутствии индикатора. Гравиметрический анализ позволяет определить массу компонента путем его осаждения в виде малорастворимого соединения, последующего отделения, высушивания и взвешивания осадка.
Ответ: Экспериментальные методы позволяют точно измерить содержание определенных веществ в смеси или растворе.

3. Синтез новых и получение известных веществ

Одной из важнейших задач химии является создание веществ с заданными свойствами (лекарств, полимеров, катализаторов) или получение уже известных веществ более эффективными и дешевыми способами. Эксперимент позволяет подобрать оптимальные условия для проведения химической реакции: температуру, давление, концентрацию реагентов, тип катализатора. Примером может служить синтез аспирина (ацетилсалициловой кислоты) в лаборатории путем реакции этерификации между салициловой кислотой и уксусным ангидридом. В промышленности примером является процесс Габера-Боша — синтез аммиака из азота и водорода при высоком давлении и температуре в присутствии катализатора.
Ответ: Эксперимент является основой для разработки методов получения как новых, так и уже известных химических соединений.

4. Изучение физических и химических свойств веществ

Экспериментально определяются важнейшие характеристики веществ: температура плавления и кипения, плотность, растворимость, электропроводность, цвет, запах. Также изучается их химическая активность: способность вступать в реакции с другими веществами (кислотами, щелочами, окислителями, восстановителями), устойчивость при нагревании. Например, можно экспериментально установить, что медь не реагирует с соляной кислотой, но реагирует с азотной, или определить, при какой температуре разлагается перманганат калия ($KMnO_4$).
Ответ: С помощью эксперимента можно охарактеризовать физические и химические свойства веществ.

5. Изучение закономерностей протекания химических реакций

Эксперимент позволяет исследовать кинетику и механизм химических реакций. Кинетические исследования включают измерение скорости реакции и изучение ее зависимости от различных факторов (концентрации, температуры, давления, наличия катализатора). Это позволяет определить порядок реакции, энергию активации и константу скорости. Изучение механизма реакции направлено на установление последовательности элементарных стадий, через которые проходит реакция. Например, измеряя изменение концентрации реагентов с течением времени, можно построить кинетическую кривую и рассчитать параметры реакции.
Ответ: Эксперимент позволяет выяснить, с какой скоростью и по какому пути протекает химическая реакция.

6. Установление строения молекул

Хотя строение молекул является теоретическим понятием, его установление невозможно без сложных физико-химических экспериментов. Такие методы, как рентгеноструктурный анализ, ядерный магнитный резонанс (ЯМР), инфракрасная (ИК) и масс-спектрометрия, позволяют получить данные о пространственном расположении атомов в молекуле, длинах связей, валентных углах и наличии определенных функциональных групп. Например, с помощью ИК-спектроскопии можно подтвердить наличие гидроксильной группы ($-OH$) в молекуле спирта по характерной полосе поглощения.
Ответ: Экспериментальные методы позволяют определить точную трехмерную структуру химических соединений.

1. Реакции обмена. С помощью выданных растворов-реактивов (гидроксид натрия, серная кислота, азотная кислота, сульфат меди(II), фенолфталеин) проводите возможные реакции. Запишите уравнения реакций.

Реакции ионного обмена в растворах протекают до конца только в том случае, если в результате образуется осадок, газ или слабый электролит, например, вода. Проанализируем возможные взаимодействия между предоставленными реагентами: гидроксидом натрия ($NaOH$), серной кислотой ($H_2SO_4$), азотной кислотой ($HNO_3$), сульфатом меди(II) ($CuSO_4$) и фенолфталеином.

Решение

1. Взаимодействие гидроксида натрия и серной кислоты

При смешивании раствора сильного основания (щелочи) гидроксида натрия и сильной серной кислоты протекает реакция нейтрализации, которая является частным случаем реакции обмена. Реакция идет до конца, так как образуется вода — слабый электролит.

Уравнение реакции:

$2NaOH + H_2SO_4 \rightarrow Na_2SO_4 + 2H_2O$

Ответ: $2NaOH + H_2SO_4 \rightarrow Na_2SO_4 + 2H_2O$

2. Взаимодействие гидроксида натрия и азотной кислоты

Аналогично реакции с серной кислотой, гидроксид натрия вступает в реакцию нейтрализации с азотной кислотой ($HNO_3$) с образованием соли нитрата натрия и воды.

Уравнение реакции:

$NaOH + HNO_3 \rightarrow NaNO_3 + H_2O$

Ответ: $NaOH + HNO_3 \rightarrow NaNO_3 + H_2O$

3. Взаимодействие гидроксида натрия и сульфата меди(II)

При взаимодействии раствора гидроксида натрия с раствором сульфата меди(II) происходит реакция обмена, в результате которой образуется нерастворимое основание — гидроксид меди(II), выпадающее в виде осадка голубого цвета. Наличие осадка является признаком протекания реакции.

Уравнение реакции:

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

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

4. Взаимодействие с индикатором фенолфталеином

Фенолфталеин не вступает в классическую реакцию обмена, но позволяет качественно определить наличие щелочи. В растворе гидроксида натрия, имеющем щелочную среду ($pH > 8.2$), фенолфталеин изменяет свою окраску на малиновую. Это свойство можно использовать для наблюдения за ходом реакций нейтрализации: при добавлении кислоты к раствору щелочи с фенолфталеином малиновая окраска исчезнет в момент полной нейтрализации.

Ответ: Фенолфталеин в растворе $NaOH$ приобретает малиновую окраску, что является качественной реакцией на щелочную среду.

5. Другие комбинации реагентов

Остальные возможные комбинации реагентов не приводят к химическим реакциям обмена, так как не образуется ни осадка, ни газа, ни воды:

• $H_2SO_4$ и $HNO_3$: две сильные кислоты, не реагируют между собой.
• $H_2SO_4$ и $CuSO_4$: нет реакции, так как у реагентов общий сульфат-ион и не образуются новые вещества.
• $HNO_3$ и $CuSO_4$: реакция не идет, так как все возможные продукты ($H_2SO_4$ и $Cu(NO_3)_2$) являются сильными электролитами и хорошо растворимы.

Ответ: Реакции обмена между парами $H_2SO_4 + HNO_3$, $H_2SO_4 + CuSO_4$ и $HNO_3 + CuSO_4$ не протекают.

2. Получение соединений. С помощью выданных растворов-реактивов (гидроксид натрия, хлорид бария, сульфат меди(II), соляная кислота) и твёрдых веществ (железо, карбонат натрия) получите четыре соли и нерастворимое основание, одну кислоту и один металл. Запишите уравнения реакций.

Для выполнения задания воспользуемся выданными веществами: растворами гидроксида натрия ($NaOH$), хлорида бария ($BaCl_2$), сульфата меди(II) ($CuSO_4$), соляной кислоты ($HCl$) и твердыми веществами: железом ($Fe$) и карбонатом натрия ($Na_2CO_3$).

Получение нерастворимого основания

Для получения нерастворимого основания, гидроксида меди(II), проведем реакцию ионного обмена между раствором сульфата меди(II) и раствором гидроксида натрия. В результате выпадает осадок гидроксида меди(II) голубого цвета. В этой же реакции образуется первая из четырех требуемых солей — сульфат натрия.

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

Ответ: Нерастворимое основание, гидроксид меди(II) ($Cu(OH)_2$), получено в результате реакции $CuSO_4 + 2NaOH \rightarrow Cu(OH)_2 \downarrow + Na_2SO_4$.

Получение металла

Для получения чистого металла используем реакцию замещения. Железо, как более активный металл (согласно ряду активности металлов), вытесняет менее активную медь из раствора её соли — сульфата меди(II). Продуктом также является вторая соль — сульфат железа(II).

$Fe + CuSO_4 \rightarrow FeSO_4 + Cu$

Ответ: Металл, медь ($Cu$), получен в результате реакции $Fe + CuSO_4 \rightarrow FeSO_4 + Cu$.

Получение кислоты

Для получения кислоты используем реакцию обмена, в которой более сильная кислота вытесняет более слабую из её соли. При добавлении соляной кислоты к карбонату натрия образуется слабая и неустойчивая угольная кислота, которая сразу же разлагается на углекислый газ и воду. Третья соль, хлорид натрия, также является продуктом этой реакции.

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

Ответ: Кислота, угольная ($H_2CO_3$), получена в результате реакции $Na_2CO_3 + 2HCl \rightarrow 2NaCl + H_2CO_3$.

Получение четырех солей

В ходе описанных выше реакций уже были получены три различные соли: сульфат натрия ($Na_2SO_4$), сульфат железа(II) ($FeSO_4$) и хлорид натрия ($NaCl$).

Для получения четвертой соли проведем реакцию обмена между хлоридом бария и сульфатом меди(II). В результате образуется нерастворимая соль — сульфат бария ($BaSO_4$) в виде белого осадка.

$BaCl_2 + CuSO_4 \rightarrow BaSO_4 \downarrow + CuCl_2$

Ответ: Четыре соли получены в следующих реакциях:
1. Сульфат натрия ($Na_2SO_4$): $CuSO_4 + 2NaOH \rightarrow Cu(OH)_2 \downarrow + Na_2SO_4$
2. Сульфат железа(II) ($FeSO_4$): $Fe + CuSO_4 \rightarrow FeSO_4 + Cu$
3. Хлорид натрия ($NaCl$): $Na_2CO_3 + 2HCl \rightarrow 2NaCl + H_2O + CO_2 \uparrow$
4. Сульфат бария ($BaSO_4$): $BaCl_2 + CuSO_4 \rightarrow BaSO_4 \downarrow + CuCl_2$

3. Идентификация кислоты. Используя необходимые реактивы, проведите реакции, подтверждающие качественный состав серной кислоты. Запишите уравнения реакций.

Решение

Идентификация серной кислоты ($H_2SO_4$) заключается в проведении качественных реакций на ионы, из которых она состоит: катионы водорода ($H^+$) и сульфат-анионы ($SO_4^{2-}$).

1. Обнаружение катионов водорода ($H^+$), определяющих кислотные свойства

Наличие ионов водорода доказывает принадлежность вещества к классу кислот. Это можно сделать несколькими способами.

Первый способ – с помощью индикаторов: при добавлении в раствор серной кислоты лакмуса он окрасится в красный цвет, а метилоранж – в розовый.

Второй способ – химической реакцией. Кислоты реагируют с металлами, стоящими в ряду активности до водорода, с основными оксидами, основаниями и солями более слабых кислот. Характерной реакцией является взаимодействие с карбонатами, при котором выделяется углекислый газ. Проведем реакцию с карбонатом натрия ($Na_2CO_3$). При добавлении раствора серной кислоты к карбонату натрия наблюдается бурное выделение бесцветного газа без запаха – углекислого газа ($CO_2$).

Уравнение реакции:
$H_2SO_4 + Na_2CO_3 \rightarrow Na_2SO_4 + H_2O + CO_2 \uparrow$

2. Обнаружение сульфат-анионов ($SO_4^{2-}$)

Это специфическая реакция, позволяющая отличить серную кислоту и ее соли (сульфаты) от других веществ. Качественным реактивом на сульфат-ион является растворимая соль бария, например, хлорид бария ($BaCl_2$).

При добавлении к раствору серной кислоты раствора хлорида бария выпадает белый мелкокристаллический осадок сульфата бария ($BaSO_4$), который не растворяется в сильных кислотах (например, в $HCl$ или $HNO_3$), что и подтверждает наличие сульфат-иона.

Уравнение реакции в молекулярном виде:
$H_2SO_4 + BaCl_2 \rightarrow BaSO_4 \downarrow + 2HCl$

Реакция в ионном виде, показывающая суть процесса:
Сокращенное ионное уравнение: $Ba^{2+} + SO_4^{2-} \rightarrow BaSO_4 \downarrow$

Ответ: Качественный состав серной кислоты подтверждается реакцией на ион водорода $H^+$ (например, с карбонатом натрия: $H_2SO_4 + Na_2CO_3 \rightarrow Na_2SO_4 + H_2O + CO_2 \uparrow$) и качественной реакцией на сульфат-ион $SO_4^{2-}$ (с растворимой солью бария: $H_2SO_4 + BaCl_2 \rightarrow BaSO_4 \downarrow + 2HCl$).

4. Идентификация основания. Используя необходимые реактивы, проведите реакции, подтверждающие качественный состав гидроксида кальция, выданного вам в виде известковой воды. Запишите уравнения проведённых реакций.

Дано:

Раствор гидроксида кальция (известковая вода) - $Ca(OH)_2(aq)$.

Найти:

Провести качественные реакции, подтверждающие наличие в растворе ионов кальция $Ca^{2+}$ и гидроксид-ионов $OH^−$, и записать уравнения реакций.

Решение:

Гидроксид кальция, $Ca(OH)_2$, является сильным основанием (щелочью), которое в водном растворе диссоциирует на катионы кальция ($Ca^{2+}$) и гидроксид-анионы ($OH^−$):

$Ca(OH)_2 \rightleftharpoons Ca^{2+} + 2OH^−$

Следовательно, для идентификации качественного состава гидроксида кальция необходимо доказать наличие в растворе ионов $Ca^{2+}$ и $OH^−$.

1. Определение гидроксид-ионов ($OH^−$)

Наличие гидроксид-ионов создает в растворе щелочную среду. Это можно доказать одним из следующих способов:

• С помощью индикаторов. В пробирку с известковой водой добавим 1-2 капли раствора фенолфталеина. Наблюдается появление яркого малинового окрашивания, что характерно для щелочной среды и подтверждает наличие ионов $OH^−$.

• Реакцией осаждения. При добавлении к раствору гидроксида кальция раствора сульфата меди(II) ($CuSO_4$) выпадает осадок голубого цвета — гидроксид меди(II) ($Cu(OH)_2$). Это доказывает присутствие гидроксид-ионов.

  Уравнение реакции:

  $Ca(OH)_2 + CuSO_4 \rightarrow Cu(OH)_2 \downarrow + CaSO_4 \downarrow$

  В этой реакции также образуется малорастворимый сульфат кальция ($CaSO_4$), который представляет собой белый осадок.

2. Определение ионов кальция ($Ca^{2+}$)

Наличие ионов кальция в растворе можно доказать, проведя реакции, в результате которых образуется нерастворимое соединение кальция.

• Реакция с углекислым газом ($CO_2$). Это классическая качественная реакция на известковую воду. Если пропустить через раствор углекислый газ (например, выдыхаемый воздух), то прозрачный раствор мутнеет. Помутнение вызвано образованием нерастворимого в воде белого осадка — карбоната кальция ($CaCO_3$).

  Уравнение реакции:

  $Ca(OH)_2 + CO_2 \rightarrow CaCO_3 \downarrow + H_2O$

• Реакция с растворимыми карбонатами. При добавлении к известковой воде раствора растворимого карбоната, например, карбоната натрия ($Na_2CO_3$), также наблюдается образование белого осадка карбоната кальция.

  Уравнение реакции:

  $Ca(OH)_2 + Na_2CO_3 \rightarrow CaCO_3 \downarrow + 2NaOH$

  Сокращенное ионное уравнение этой реакции, которое и является качественной реакцией на ион $Ca^{2+}$, выглядит так:

  $Ca^{2+} + CO_3^{2−} \rightarrow CaCO_3 \downarrow$

Проведение данных реакций доказывает, что выданное вещество является гидроксидом кальция, так как в нем присутствуют ионы $Ca^{2+}$ и $OH^−$.

Ответ:

Качественный состав гидроксида кальция $Ca(OH)_2$ подтверждается следующими реакциями:
1. Наличие гидроксид-ионов $OH^−$ доказывается появлением малиновой окраски при добавлении фенолфталеина.
2. Наличие ионов кальция $Ca^{2+}$ доказывается помутнением раствора (образованием белого осадка $CaCO_3$) при пропускании углекислого газа $CO_2$ или при добавлении раствора карбоната натрия $Na_2CO_3$.
Уравнения проведенных реакций для идентификации: $Ca(OH)_2 + CO_2 \rightarrow CaCO_3 \downarrow + H_2O$ и $Ca(OH)_2 + Na_2CO_3 \rightarrow CaCO_3 \downarrow + 2NaOH$.

5. Идентификация солей. Используя необходимые реактивы, проведите реакции, подтверждающие качественный состав:

а) хлорида бария;

б) сульфата магния.

Запишите уравнения реакций.

а) хлорида бария

Хлорид бария ($BaCl_2$) — это соль, состоящая из катиона бария ($Ba^{2+}$) и хлорид-аниона ($Cl^{-}$). Для подтверждения качественного состава необходимо провести две отдельные реакции: одну на катион, другую на анион.

1. Качественная реакция на катион бария ($Ba^{2+}$). Реактивом на ион бария является сульфат-ион ($SO_4^{2-}$). При добавлении к раствору хлорида бария раствора, содержащего сульфат-ионы (например, серной кислоты $H_2SO_4$ или сульфата натрия $Na_2SO_4$), наблюдается выпадение белого мелкокристаллического осадка сульфата бария ($BaSO_4$), который не растворяется в кислотах.

Уравнение реакции в молекулярном виде:

$BaCl_2 + Na_2SO_4 \rightarrow BaSO_4 \downarrow + 2NaCl$

Сокращенное ионное уравнение, показывающее суть процесса:

$Ba^{2+} + SO_4^{2-} \rightarrow BaSO_4 \downarrow$

2. Качественная реакция на хлорид-ион ($Cl^{-}$). Реактивом на хлорид-ион является катион серебра ($Ag^+$). При добавлении к раствору хлорида бария раствора нитрата серебра ($AgNO_3$) выпадает белый творожистый осадок хлорида серебра ($AgCl$), нерастворимый в азотной кислоте.

Уравнение реакции в молекулярном виде:

$BaCl_2 + 2AgNO_3 \rightarrow 2AgCl \downarrow + Ba(NO_3)_2$

Сокращенное ионное уравнение:

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

Ответ: Качественный состав хлорида бария ($BaCl_2$) подтверждается реакциями с раствором сульфата натрия ($Na_2SO_4$) с образованием белого осадка $BaSO_4$ и с раствором нитрата серебра ($AgNO_3$) с образованием белого осадка $AgCl$. Уравнения реакций: $BaCl_2 + Na_2SO_4 \rightarrow BaSO_4 \downarrow + 2NaCl$ и $BaCl_2 + 2AgNO_3 \rightarrow 2AgCl \downarrow + Ba(NO_3)_2$.

б) сульфата магния

Сульфат магния ($MgSO_4$) — это соль, состоящая из катиона магния ($Mg^{2+}$) и сульфат-аниона ($SO_4^{2-}$). Для подтверждения качественного состава также проводятся две реакции.

1. Качественная реакция на катион магния ($Mg^{2+}$). Реактивом на ион магния является гидроксид-ион ($OH^{-}$). При добавлении к раствору сульфата магния раствора щелочи (например, гидроксида натрия $NaOH$) выпадает белый студенистый (объемный) осадок гидроксида магния ($Mg(OH)_2$).

Уравнение реакции в молекулярном виде:

$MgSO_4 + 2NaOH \rightarrow Mg(OH)_2 \downarrow + Na_2SO_4$

Сокращенное ионное уравнение:

$Mg^{2+} + 2OH^- \rightarrow Mg(OH)_2 \downarrow$

2. Качественная реакция на сульфат-ион ($SO_4^{2-}$). Реактивом на сульфат-ион является катион бария ($Ba^{2+}$). При добавлении к раствору сульфата магния раствора, содержащего ионы бария (например, хлорида бария $BaCl_2$), выпадает белый осадок сульфата бария ($BaSO_4$).

Уравнение реакции в молекулярном виде:

$MgSO_4 + BaCl_2 \rightarrow BaSO_4 \downarrow + MgCl_2$

Сокращенное ионное уравнение:

$Ba^{2+} + SO_4^{2-} \rightarrow BaSO_4 \downarrow$

Ответ: Качественный состав сульфата магния ($MgSO_4$) подтверждается реакциями с раствором щелочи (например, $NaOH$) с образованием белого осадка $Mg(OH)_2$ и с раствором хлорида бария ($BaCl_2$) с образованием белого осадка $BaSO_4$. Уравнения реакций: $MgSO_4 + 2NaOH \rightarrow Mg(OH)_2 \downarrow + Na_2SO_4$ и $MgSO_4 + BaCl_2 \rightarrow BaSO_4 \downarrow + MgCl_2$.