Страница 46 - гдз по химии 8 класс учебник Габриелян, Остроумов

5. Запишите формулы сульфатов калия, магния и алюминия, если сульфаты — это соединения металла с остатком серной кислоты $H_2SO_4$.

Решение

Сульфаты — это соли, образованные металлом и кислотным остатком серной кислоты ($H_2SO_4$). Кислотный остаток серной кислоты — это сульфат-ион $SO_4^{2-}$. Этот ион имеет валентность II и заряд 2-. Для написания формулы сульфата необходимо знать валентность металла и составить формулу так, чтобы суммарная валентность атомов металла была равна суммарной валентности кислотных остатков. Этого можно достичь, найдя наименьшее общее кратное (НОК) для валентностей металла и кислотного остатка. Индексы в формуле будут показывать, сколько атомов металла и кислотных остатков нужно взять. Молекула соли должна быть электронейтральной.

Сульфат калия

Калий (K) — металл I группы главной подгруппы, его валентность постоянна и равна I. Валентность сульфат-иона ($SO_4$) — II. Находим наименьшее общее кратное для валентностей I и II: НОК(1, 2) = 2. Определяем индексы: для калия 2 / 1 = 2; для сульфат-иона 2 / 2 = 1. Таким образом, на два атома калия приходится один сульфат-ион.

Ответ: $K_2SO_4$

Сульфат магния

Магний (Mg) — металл II группы главной подгруппы, его валентность постоянна и равна II. Валентность сульфат-иона ($SO_4$) — II. Поскольку валентности металла и кислотного остатка равны, индексы в формуле будут равны 1. На один атом магния приходится один сульфат-ион.

Ответ: $MgSO_4$

Сульфат алюминия

Алюминий (Al) — металл III группы главной подгруппы, его валентность постоянна и равна III. Валентность сульфат-иона ($SO_4$) — II. Находим наименьшее общее кратное для валентностей III и II: НОК(3, 2) = 6. Определяем индексы: для алюминия 6 / 3 = 2; для сульфат-иона 6 / 2 = 3. Таким образом, на два атома алюминия приходится три сульфат-иона. Поскольку индекс у кислотного остатка больше единицы, его необходимо взять в скобки.

Ответ: $Al_2(SO_4)_3$

6. Запишите формулы гидроксидов натрия, железа(II) и железа(III), если гидроксиды — это соединения, содержащие атомы металла и одновалентные гидроксильные группы ${-\text{OH}}$.

Решение

Гидроксиды — это сложные вещества, состоящие из атома металла и одной или нескольких гидроксогрупп (–OH). Согласно условию, гидроксогруппа является одновалентной. Общая формула гидроксида — $Me(OH)_n$, где $Me$ — металл, а $n$ — его валентность (степень окисления). Для составления формулы необходимо, чтобы суммарный положительный заряд ионов металла был равен суммарному отрицательному заряду гидроксогрупп.

Гидроксид натрия
Натрий (Na) — это элемент IА группы Периодической системы, его валентность постоянна и равна I. Заряд иона натрия $Na^{+}$. Гидроксогруппа (OH) имеет валентность I и заряд $OH^{-}$. Для создания электронейтральной молекулы требуется один ион натрия и одна гидроксогруппа ($+1$ и $-1$). Формула соединения: $NaOH$.

Гидроксид железа(II)
Римская цифра (II) в названии указывает, что валентность железа (Fe) в данном соединении равна II. Заряд иона железа $Fe^{2+}$. Чтобы скомпенсировать заряд иона железа $+2$, необходимо взять две гидроксогруппы, каждая с зарядом $-1$ ($+2 + 2 \cdot (-1) = 0$). Формула соединения: $Fe(OH)_2$. Группа $OH$ заключается в скобки, чтобы показать, что индекс «2» относится ко всей группе.

Гидроксид железа(III)
Римская цифра (III) в названии указывает, что валентность железа (Fe) в данном соединении равна III. Заряд иона железа $Fe^{3+}$. Чтобы скомпенсировать заряд иона железа $+3$, необходимо взять три гидроксогруппы, каждая с зарядом $-1$ ($+3 + 3 \cdot (-1) = 0$). Формула соединения: $Fe(OH)_3$.

Ответ: формула гидроксида натрия — $NaOH$; формула гидроксида железа(II) — $Fe(OH)_2$; формула гидроксида железа(III) — $Fe(OH)_3$.

7. Создайте шаростержневые модели молекул метана, воды, углекислого газа, аммиака из пластилина и нарезанных одинаковыми кусочками трубочек для напитков.

Для выполнения этого задания необходимо подготовить пластилин нескольких цветов и трубочки для напитков. Рекомендуется использовать общепринятую цветовую схему для атомов: углерод (C) – черный, водород (H) – белый, кислород (O) – красный, азот (N) – синий. Из пластилина нужно скатать шарики, которые будут представлять атомы. Трубочки следует нарезать ножницами на равные отрезки – они будут служить стержнями, изображающими химические связи.

Метан

Молекула метана имеет химическую формулу $CH_4$. Она состоит из одного атома углерода и четырех атомов водорода. Для создания модели понадобится один черный шарик (углерод), четыре белых шарика (водород) и четыре одинаковых отрезка трубочки.

1. Возьмите черный шарик пластилина (атом углерода). Это будет центр молекулы.

2. Возьмите четыре отрезка трубочки (химические связи) и воткните их в черный шарик так, чтобы они были направлены к вершинам воображаемого тетраэдра. Угол между любыми двумя связями должен быть примерно $109.5^\circ$. Чтобы это сделать, можно сначала расположить три связи как ножки штатива, а четвертую направить вертикально вверх.

3. На свободный конец каждой трубочки прикрепите по одному белому шарику пластилина (атомы водорода).

Ответ: Получилась шаростержневая модель молекулы метана, имеющая тетраэдрическое строение. В центре находится атом углерода, соединенный с четырьмя атомами водорода, которые расположены в вершинах тетраэдра.

Вода

Молекула воды имеет химическую формулу $H_2O$. Она состоит из одного атома кислорода и двух атомов водорода. Для модели нужен один красный шарик (кислород), два белых шарика (водород) и два отрезка трубочки.

1. Возьмите один красный шарик пластилина (атом кислорода).

2. Воткните в него два отрезка трубочки так, чтобы они образовывали угол примерно $104.5^\circ$. Модель должна иметь уголковое (V-образное) строение, то есть угол должен быть немного больше прямого.

3. На свободные концы трубочек прикрепите по одному белому шарику (атомы водорода).

Ответ: Создана шаростержневая модель молекулы воды, которая имеет уголковое строение. Атом кислорода соединен с двумя атомами водорода под углом, близким к $104.5^\circ$.

Углекислый газ

Молекула углекислого газа имеет химическую формулу $CO_2$. Она состоит из одного атома углерода и двух атомов кислорода. В этой молекуле атом углерода соединен с каждым атомом кислорода двойной связью ($O=C=O$). Для модели нужен один черный шарик (углерод), два красных шарика (кислород) и четыре отрезка трубочки.

1. Возьмите один черный шарик (атом углерода).

2. Чтобы изобразить двойные связи, будем использовать по две трубочки для каждой. Воткните две трубочки параллельно друг другу с одной стороны шарика углерода.

3. С противоположной стороны (под углом $180^\circ$) воткните еще две трубочки, также параллельно друг другу. Все атомы должны оказаться на одной прямой.

4. На каждую пару трубочек-связей прикрепите по одному красному шарику (атомы кислорода).

Ответ: Построена шаростержневая модель молекулы углекислого газа. Она имеет линейное строение: атом углерода расположен в центре, а два атома кислорода — по бокам на одной прямой. Связи между атомами углерода и кислорода — двойные, что показано с помощью парных трубочек.

Аммиак

Молекула аммиака имеет химическую формулу $NH_3$. Она состоит из одного атома азота и трех атомов водорода. Для модели понадобится один синий шарик (азот), три белых шарика (водород) и три отрезка трубочки.

1. Возьмите один синий шарик пластилина (атом азота).

2. Воткните в него три отрезка трубочки так, чтобы они были направлены вниз и в стороны, образуя трехгранную пирамиду (как ножки у треноги). Углы между связями (H-N-H) составляют примерно $107.8^\circ$.

3. На свободный конец каждой трубочки прикрепите по одному белому шарику (атомы водорода).

Ответ: Собрана шаростержневая модель молекулы аммиака. Модель имеет форму трехгранной пирамиды, в вершине которой находится атом азота, а в основании — три атома водорода.

8. Подготовьте сообщение «История развития понятия „валентность“».

Понятие валентности является фундаментальным в химии. Оно определяет способность атомов химических элементов образовывать определённое число химических связей. История развития этого понятия — это история становления теоретической химии, отражающая смену научных парадигм от простых эмпирических наблюдений до сложных квантово-механических моделей.

Предпосылки возникновения понятия валентности

В начале XIX века основы для учения о валентности были заложены работами Джона Дальтона. Его атомная теория и, в частности, закон кратных отношений, показали, что элементы соединяются друг с другом в определённых, целочисленных весовых соотношениях. Это наводило на мысль, что атомы обладают некой свойственной им «соединительной силой».

Дальнейшим шагом стала дуалистическая теория Йёнса Якоба Берцелиуса, который предполагал, что химическое сродство имеет электрическую природу. Согласно его теории, атомы несут положительные и отрицательные заряды и притягиваются друг к другу. Хотя эта теория была успешна для объяснения строения солей, она не могла объяснить строение многих органических соединений и была в итоге отвергнута. Однако сама идея о связи химического взаимодействия с электрическими силами оказалась пророческой.

Рождение теории валентности (середина XIX века)

Термин «валентность» (от латинского valentia — сила) и само понятие были введены в науку в 1852 году английским химиком Эдуардом Франклендом. Изучая металлоорганические соединения, он заметил, что атомы таких элементов, как азот, фосфор, сурьма, мышьяк, соединяются с определённым числом атомов других элементов (например, тремя или пятью). Он назвал это свойство «соединительной силой» или «атомностью» и пришёл к выводу, что «...каждый элемент имеет определённую насыщающую способность...».

Огромный вклад в развитие теории внесли Август Кекуле и Арчибальд Скотт Купер. В 1857-1858 годах, независимо друг от друга, они установили, что углерод в органических соединениях всегда четырёхвалентен. Более того, они выдвинули революционную идею о том, что атомы углерода способны соединяться друг с другом, образуя цепи. Это открытие стало ключом к пониманию строения бесчисленного множества органических молекул.

Окончательное формирование классической теории валентности связано с именем русского химика Александра Михайловича Бутлерова. В 1861 году он создал теорию химического строения, в основе которой лежали два ключевых положения:
1. Атомы в молекулах соединены друг с другом в определённой последовательности согласно их валентности.
2. Свойства вещества определяются не только его элементным составом, но и порядком соединения атомов в молекуле (химическим строением).
Теория Бутлерова позволила предсказывать свойства соединений и целенаправленно их синтезировать, превратив химию из описательной науки в предсказательную.

Валентность и Периодический закон

Создание Дмитрием Ивановичем Менделеевым Периодической системы химических элементов в 1869 году придало учению о валентности строгую системную основу. Оказалось, что валентность является периодически изменяющимся свойством элементов. Менделеев установил, что высшая валентность элемента в соединениях с кислородом, как правило, равна номеру группы, в которой он находится. Например, для элементов 1-й группы (Na, K) она равна I, для 2-й (Mg, Ca) — II, для 7-й (Cl, Br) — VII (в $Cl_2O_7$). Также была замечена закономерность в валентности по водороду.

Электронная природа валентности (начало XX века)

С открытием электрона в конце XIX века стало ясно, что химическая связь и валентность имеют физическую, электронную природу. Прорыв в понимании этого был сделан в 1916 году.

Американский физико-химик Гилберт Ньютон Льюис предположил, что химическая связь между двумя атомами (ковалентная связь) образуется за счёт общей электронной пары. Он также сформулировал правило октета, согласно которому атомы стремятся приобрести устойчивую восьмиэлектронную внешнюю оболочку, подобную оболочке инертных газов, путём образования общих электронных пар. Валентность в этой модели стала трактоваться как число электронных пар, которыми данный атом связан с другими атомами.

Одновременно и независимо немецкий учёный Вальтер Коссель разработал теорию ионной связи, объясняя её как результат полного перехода электронов от одного атома к другому с образованием заряженных ионов, которые притягиваются электростатически.

Таким образом, было показано, что валентность — это следствие поведения электронов на внешних электронных оболочках атомов.

Квантово-механическое объяснение и современное понимание

Дальнейшее развитие учения о валентности связано с созданием квантовой механики. В 1927 году Вальтер Гайтлер и Фриц Лондон впервые выполнили квантово-механический расчёт молекулы водорода $H_2$, показав, что образование химической связи приводит к понижению общей энергии системы.

Огромный вклад в современную теорию внёс Лайнус Полинг, который в 1930-х годах разработал метод валентных связей (ВС). Он ввёл такие важные понятия, как гибридизация атомных орбиталей (например, $sp^3$, $sp^2$, $sp$-гибридизация для атома углерода, объясняющая его тетраэдрическую, плоскую или линейную геометрию связей), электроотрицательность и резонанс. Его работа «Природа химической связи» стала настольной книгой для нескольких поколений химиков.

В современной химии наряду с методом ВС широко используется метод молекулярных орбиталей (ММО), который рассматривает молекулу как единое целое с электронами, движущимися по молекулярным, а не атомным орбиталям.

Также важно различать понятия валентность и степень окисления. Валентность — это число химических связей, образованных атомом, и она не имеет знака (например, валентность углерода в метане $CH_4$ равна IV). Степень окисления — это условный заряд атома в соединении, вычисленный из предположения, что все связи являются ионными. Для углерода в метане она равна -4.

Ответ: История понятия «валентность» прошла путь от эмпирической «соединительной силы» (Франкленд) через структурную теорию (Бутлеров, Кекуле) и систематизацию в рамках Периодического закона (Менделеев) к электронным теориям (Льюис, Коссель) и, наконец, к современному квантово-механическому описанию природы химической связи (Гайтлер, Лондон, Полинг), которое объясняет валентность через поведение электронов, гибридизацию орбиталей и энергетическую выгодность образования связей.

При физических явлениях состав веществ не изменяется. При химических явлениях из одних веществ образуются другие вещества со свойствами, отличными от свойств исходных веществ: из растворимых веществ могут получиться нерастворимые, из твёрдых — газообразные, из бесцветных — окрашенные и т. д. Какие признаки указывают на протекание химической реакции?

Решение

В тексте вопроса дано определение химического явления (реакции) как процесса, в результате которого из исходных веществ образуются новые вещества с другими свойствами. В отличие от физических явлений, при которых состав веществ не меняется (например, плавление льда или кипение воды), химические реакции всегда сопровождаются качественными изменениями.

На протекание химической реакции указывают следующие внешние признаки:

Изменение цвета. Например, если к бесцветному раствору крахмального клейстера добавить каплю бурого раствора йода, смесь мгновенно окрасится в интенсивный синий цвет. Это свидетельствует об образовании нового сложного соединения.

Выделение газа. Примером может служить реакция пищевой соды (гидрокарбоната натрия) с уксусом (раствором уксусной кислоты). Мы наблюдаем шипение и образование пузырьков – это выделяется углекислый газ, новое газообразное вещество.

Выпадение или растворение осадка. Осадок – это твёрдое нерастворимое вещество, образующееся в растворе. Например, при сливании двух прозрачных растворов – сульфата меди(II) и гидроксида натрия – выпадает синий студенистый осадок гидроксида меди(II).

Выделение или поглощение теплоты (иногда света). Реакции, идущие с выделением тепла, называются экзотермическими (например, горение древесины). Реакции, идущие с поглощением тепла из окружающей среды, называются эндотермическими. Некоторые реакции, например, горение магния, сопровождаются выделением не только тепла, но и яркого света.

Появление запаха. Если у исходных веществ не было запаха, а в результате реакции он появился, это указывает на образование нового пахучего вещества. Классический пример – образование сероводорода с запахом тухлых яиц при взаимодействии сульфидов с кислотами.

Важно отметить, что часто для достоверного вывода о протекании химической реакции наблюдают не один, а сразу несколько признаков.

Ответ:

Признаками, которые указывают на протекание химической реакции, являются: изменение цвета, выделение газа, выпадение осадка, выделение или поглощение теплоты и/или света, появление запаха.

Лабораторный опыт 5

В одну пробирку налейте 1 мл раствора хлорида натрия, в другую — 1 мл раствора иодида калия. С помощью пипетки в каждую пробирку добавьте 4–5 капель раствора нитрата серебра. Что наблюдаете?

При проведении реакции между хлоридом натрия и нитратом серебра, иодидом натрия и нитратом серебра наблюдается выпадение осадка, только в первом случае осадок белый, а во втором — жёлтый. Образование новых нерастворимых веществ (выпадение осадка) — признак химической реакции.

Обесцвечивание окрашенного раствора или изменение его цвета в результате химической реакции тоже сигнализирует о её протекании.

Может ли быть исходное вещество нерастворимо, а продукт реакции растворим?

Растворение осадка — тоже признак химической реакции.

Что наблюдаете?

При проведении данного опыта мы наблюдаем протекание двух химических реакций ионного обмена, признаком которых является выпадение осадка.

1. В первой пробирке, где смешиваются растворы хлорида натрия ($NaCl$) и нитрата серебра ($AgNO_3$), происходит следующая реакция:

$NaCl + AgNO_3 \rightarrow AgCl \downarrow + NaNO_3$

В результате образуется нерастворимая соль — хлорид серебра ($AgCl$). Визуально это наблюдается как выпадение белого творожистого осадка.

Полное ионное уравнение:

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

Сокращенное ионное уравнение:

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

2. Во второй пробирке, где смешиваются растворы иодида калия ($KI$) и нитрата серебра ($AgNO_3$), протекает аналогичная реакция:

$KI + AgNO_3 \rightarrow AgI \downarrow + KNO_3$

В этом случае образуется другая нерастворимая соль — иодид серебра ($AgI$). Он выпадает в виде осадка светло-жёлтого цвета.

Полное ионное уравнение:

$K^+ + I^- + Ag^+ + NO_3^- \rightarrow AgI \downarrow + K^+ + NO_3^-$

Сокращенное ионное уравнение:

$Ag^+ + I^- \rightarrow AgI \downarrow$

Ответ: В пробирке с раствором хлорида натрия при добавлении нитрата серебра наблюдается выпадение белого творожистого осадка. В пробирке с раствором иодида калия при добавлении нитрата серебра наблюдается выпадение светло-жёлтого осадка.

Может ли быть исходное вещество нерастворимо, а продукт реакции растворим?

Да, такая ситуация возможна и часто встречается в химических реакциях. Признаком такой реакции является растворение исходного нерастворимого вещества (осадка).

Это происходит, когда нерастворимое вещество вступает в реакцию, в результате которой образуются растворимые в воде продукты. Классическими примерами являются реакции нерастворимых оснований, амфотерных гидроксидов или солей (например, карбонатов) с кислотами.

Пример 1: Растворение нерастворимого основания в кислоте.

Гидроксид меди(II) ($Cu(OH)_2$) — это нерастворимое в воде вещество голубого цвета (осадок). При добавлении к нему раствора серной кислоты ($H_2SO_4$) происходит реакция, в результате которой образуется растворимая соль сульфат меди(II) ($CuSO_4$), придающая раствору голубой цвет, и вода. Осадок растворяется.

$Cu(OH)_2(тв) + H_2SO_4(р-р) \rightarrow CuSO_4(р-р) + 2H_2O(ж)$

Пример 2: Растворение нерастворимой соли в кислоте.

Карбонат кальция ($CaCO_3$), основной компонент мела и известняка, является нерастворимой в воде солью. При взаимодействии с соляной кислотой ($HCl$) он растворяется с образованием растворимой соли хлорида кальция ($CaCl_2$), воды и углекислого газа, который выделяется в виде пузырьков.

$CaCO_3(тв) + 2HCl(р-р) \rightarrow CaCl_2(р-р) + H_2O(ж) + CO_2(г) \uparrow$

Ответ: Да, может. Например, при реакции нерастворимого гидроксида меди(II) с серной кислотой образуется растворимый сульфат меди(II) и вода, при этом осадок растворяется.