Страница 47 - гдз по химии 8 класс учебник Габриелян, Остроумов

Лабораторный опыт 6

Получите нерастворимый гидроксид меди(II). Для этого в пробирку налейте 1 мл раствора сульфата меди(II) синего цвета, а затем добавьте 1 мл раствора гидроксида натрия. Выпадает студенистый осадок синего цвета. Небольшими порциями добавляйте в пробирку раствор серной кислоты до полного растворения осадка. Вновь образуется раствор сульфата меди(II) (медного купороса).

Выделение газа — ещё один признак химической реакции.

В данном лабораторном опыте описывается двухстадийный химический процесс: получение нерастворимого основания — гидроксида меди(II) — и его последующее взаимодействие с кислотой для регенерации исходной соли.

Этап 1: Получение нерастворимого гидроксида меди(II)

В ходе первого этапа опыта к раствору сульфата меди(II) ($CuSO_4$) синего цвета приливают раствор гидроксида натрия ($NaOH$). Между солью и щёлочью происходит реакция ионного обмена.

Признаком реакции является выпадение объемистого студенистого осадка синего цвета. Этот осадок представляет собой гидроксид меди(II) — $Cu(OH)_2$, который является нерастворимым в воде основанием.

Уравнение реакции в молекулярном виде:
$CuSO_4 + 2NaOH \rightarrow Cu(OH)_2 \downarrow + Na_2SO_4$

Второй продукт реакции, сульфат натрия ($Na_2SO_4$), является растворимой солью и остается в растворе, не изменяя его прозрачности.

Полное ионное уравнение показывает, какие ионы реально участвуют в реакции:
$Cu^{2+} + SO_4^{2-} + 2Na^+ + 2OH^- \rightarrow Cu(OH)_2 \downarrow + 2Na^+ + SO_4^{2-}$

Сокращенное ионное уравнение отражает суть произошедшего химического превращения — связывание ионов меди и гидроксид-ионов в нерастворимое соединение:
$Cu^{2+} + 2OH^- \rightarrow Cu(OH)_2 \downarrow$

Ответ: При смешивании раствора сульфата меди(II) и раствора гидроксида натрия наблюдается образование синего студенистого осадка гидроксида меди(II).

Этап 2: Растворение гидроксида меди(II) в серной кислоте

На втором этапе к полученному осадку гидроксида меди(II) ($Cu(OH)_2$) добавляют раствор серной кислоты ($H_2SO_4$). Гидроксид меди(II) проявляет свойства основания, а серная кислота — сильная кислота. Между ними протекает реакция нейтрализации, которая также является разновидностью реакции обмена.

Признаком реакции является растворение синего осадка и образование прозрачного раствора синего цвета. Этот цвет обусловлен наличием в растворе гидратированных ионов меди(II), то есть вновь образовался раствор сульфата меди(II) (медного купороса).

Уравнение реакции в молекулярном виде:
$Cu(OH)_2 + H_2SO_4 \rightarrow CuSO_4 + 2H_2O$

В результате реакции образуются растворимая соль — сульфат меди(II) ($CuSO_4$) — и вода ($H_2O$). Так как продукты реакции растворимы, мы наблюдаем исчезновение осадка.

Полное ионное уравнение (учитывая, что $Cu(OH)_2$ — нерастворимое вещество и в ионных уравнениях записывается в молекулярной форме):
$Cu(OH)_2 \downarrow + 2H^+ + SO_4^{2-} \rightarrow Cu^{2+} + SO_4^{2-} + 2H_2O$

Сокращенное ионное уравнение показывает взаимодействие нерастворимого основания с ионами водорода (протонами) из кислоты:
$Cu(OH)_2 \downarrow + 2H^+ \rightarrow Cu^{2+} + 2H_2O$

Ответ: При добавлении серной кислоты к осадку гидроксида меди(II) осадок растворяется, и вновь образуется раствор сульфата меди(II) синего цвета.

Лабораторный опыт 7

Поместите в пробирку немного (на кончике шпателя) питьевой соды. Добавьте к ней 1–2 мл раствора уксусной или другой кислоты. Что наблюдаете?

Решение

В данном лабораторном опыте описана химическая реакция между питьевой содой (гидрокарбонатом натрия, $NaHCO_3$) и раствором уксусной (или другой) кислоты. Уксусная кислота имеет химическую формулу $CH_3COOH$.

При смешивании этих двух веществ происходит реакция обмена. Уксусная кислота, будучи более сильной, чем угольная кислота ($H_2CO_3$), вытесняет ее из соли (гидрокарбоната натрия). Образующаяся угольная кислота крайне неустойчива и мгновенно разлагается на воду ($H_2O$) и углекислый газ ($CO_2$).

Уравнение химической реакции:
$NaHCO_3 + CH_3COOH \rightarrow CH_3COONa + H_2O + CO_2\uparrow$

Продуктами реакции являются ацетат натрия ($CH_3COONa$), вода и углекислый газ. Именно бурное выделение газообразного углекислого газа определяет наблюдаемые в опыте явления.

При проведении опыта мы будем наблюдать:
1. При контакте кислоты с содой начинается бурная реакция, сопровождающаяся шипением и "вскипанием" смеси.
2. Интенсивно выделяются пузырьки бесцветного газа, не имеющего запаха. Это углекислый газ ($CO_2$).
3. Белый порошок питьевой соды постепенно растворяется, так как он расходуется в ходе реакции.

Если вместо уксусной кислоты использовать другую, например, соляную ($HCl$) или лимонную, результат будет аналогичным, так как все кислоты реагируют с карбонатами и гидрокарбонатами с выделением углекислого газа.

Ответ:

При добавлении к питьевой соде раствора уксусной кислоты наблюдается бурное шипение ("вскипание") с выделением большого количества пузырьков бесцветного газа. Твердая сода при этом постепенно растворяется.

Какие условия необходимы, чтобы химические вещества вступили в реакцию?

Для того чтобы химические вещества вступили в химическую реакцию, необходимо одновременное выполнение нескольких фундаментальных условий. Эти условия создают возможность для разрыва старых химических связей в исходных веществах (реагентах) и образования новых связей, приводящих к появлению продуктов реакции.

1. Соприкосновение (контакт) реагирующих веществ

Это самое базовое и очевидное условие. Чтобы частицы веществ (атомы, молекулы, ионы) могли провзаимодействовать, они должны сблизиться на расстояние, достаточное для перераспределения электронных плотностей и образования новых связей. Иными словами, они должны столкнуться. Для обеспечения эффективного контакта между реагентами применяют следующие методы:

• Измельчение и перемешивание твердых веществ. Это значительно увеличивает площадь их поверхности соприкосновения, что критически важно для гетерогенных реакций (реакций, протекающих на границе раздела фаз, например, твердое-газ или твердое-жидкость).
• Растворение. При растворении твердых веществ в подходящем растворителе их частицы (ионы или молекулы) переходят в раствор, где они становятся гораздо более подвижными и могут свободно сталкиваться с частицами другого реагента.
• Использование веществ в газовой фазе. Молекулы газов хаотично движутся с высокими скоростями, что обеспечивает большое количество столкновений в единицу времени.

Ответ: Первым необходимым условием является обеспечение тесного контакта между частицами реагирующих веществ.

2. Преодоление энергетического барьера (наличие энергии активации)

Далеко не каждое столкновение частиц приводит к химическому превращению. Чтобы реакция началась, сталкивающиеся частицы должны обладать определенным избытком энергии по сравнению с их средним значением. Этот минимальный избыток энергии, необходимый для начала реакции, называется энергией активации ($E_a$). Эта энергия идет на деформацию и разрыв существующих химических связей в молекулах реагентов, переводя их в неустойчивое переходное состояние, которое затем распадается с образованием продуктов реакции. Сообщить системе энергию активации можно различными способами:

• Нагревание. Повышение температуры приводит к увеличению средней кинетической энергии частиц. В результате растет не только частота столкновений, но и их сила (энергия). Доля "активных" частиц, обладающих энергией, достаточной для преодоления энергетического барьера, экспоненциально возрастает с температурой.
• Облучение светом (фотохимические реакции). Энергия фотонов (квантов света) может поглощаться молекулами, переводя их в возбужденное состояние и инициируя реакцию. Примерами служат фотосинтез в растениях, реакция хлора с водородом на свету или разложение бромида серебра в фотографии.
• Действие электрического тока (электрохимические реакции). В процессе электролиза электрическая энергия заставляет протекать химические реакции, которые самопроизвольно не идут (например, разложение воды на водород и кислород).
• Механическое воздействие. Сильный удар или трение могут инициировать реакцию в некоторых взрывчатых веществах.

Ответ: Вторым необходимым условием является наличие у сталкивающихся частиц энергии, равной или превышающей энергию активации данной реакции.

3. Другие важные факторы и условия

Помимо двух основных, на возможность и скорость протекания реакции влияют и другие факторы, которые часто рассматриваются как отдельные условия:

• Природа реагирующих веществ. Химическая активность веществ заложена в их электронном строении и прочности химических связей. Например, щелочные металлы (Na, K) очень активны и бурно реагируют с водой при комнатной температуре, тогда как медь реагирует с ней только при сильном нагревании, а золото не реагирует вовсе.
• Концентрация (для растворов) или давление (для газов). Согласно закону действующих масс, скорость реакции прямо пропорциональна произведению концентраций реагентов. Чем выше концентрация, тем больше частиц находится в единице объема, тем чаще они сталкиваются, и тем выше скорость реакции.
• Наличие катализатора или ингибитора. Катализаторы – это вещества, которые участвуют в реакции и изменяют ее скорость (как правило, ускоряют), но по окончании реакции остаются в неизменном виде. Они действуют, предоставляя альтернативный путь реакции с более низкой энергией активации ($E_a$). Ингибиторы, напротив, замедляют реакцию.
• Правильная взаимная ориентация частиц. Для сложных молекул столкновение должно произойти определенным образом, чтобы реакционноспособные центры оказались в контакте. Это условие особенно важно в биохимических реакциях, где ферменты обеспечивают строго определенную ориентацию субстратов.

Ответ: На протекание реакции также влияют природа реагентов, их концентрация, наличие катализаторов и взаимная ориентация сталкивающихся частиц.