Страница 52 - гдз по химии 8 класс учебник Габриелян, Остроумов

Лабораторный опыт 8

На электронные весы поставьте химический стакан, налейте в него 3—4 мл раствора едкого натра $NaOH$ и добавьте 1—2 капли фенолфталеина. Что наблюдаете? Рядом на весы поставьте стакан с раствором серной кислоты $H_2SO_4$. Запишите показания весов. Добавьте из второго стакана в первый раствор кислоты до исчезновения окраски. Поставьте стакан с оставшейся кислотой на весы. Запишите показания весов. Какой вывод можно сделать из проведённого опыта? Запишите схему, а затем уравнение химической реакции, зная, что продуктами реакции являются сульфат натрия $Na_2SO_4$ и вода $H_2O$.

Что наблюдаете?

Раствор едкого натра ($NaOH$) является щелочью. Индикатор фенолфталеин в щелочной среде приобретает яркую малиновую окраску. Поэтому при добавлении капель фенолфталеина в стакан с раствором $NaOH$ мы наблюдаем, как бесцветный раствор становится малиновым.

При постепенном добавлении раствора серной кислоты ($H_2SO_4$) к раствору щелочи происходит химическая реакция нейтрализации. Щелочь расходуется, и среда раствора становится нейтральной. В нейтральной среде фенолфталеин бесцветен, поэтому мы наблюдаем постепенное обесцвечивание раствора до полного исчезновения малиновой окраски в точке эквивалентности (когда вся щелочь прореагировала).

Ответ: При добавлении фенолфталеина к раствору $NaOH$ раствор окрашивается в малиновый цвет. При последующем добавлении раствора $H_2SO_4$ окраска исчезает, и раствор становится бесцветным.

Какой вывод можно сделать из проведённого опыта?

Эксперимент поставлен таким образом, чтобы проверить закон сохранения массы. Сначала на весах измеряется суммарная масса двух стаканов с исходными веществами (реагентами) до их смешивания. Затем, после проведения реакции внутри системы (один раствор переливают в другой), на весы снова ставятся оба стакана. Поскольку реакция протекает в открытых стаканах, но без выделения летучих газообразных продуктов, масса системы остается неизменной. Показания весов до и после реакции будут одинаковыми. Это доказывает, что в ходе химической реакции атомы не исчезают и не появляются из ниоткуда, а лишь перегруппировываются, образуя новые вещества.

Ответ: Масса веществ, вступивших в реакцию, равна массе веществ, образовавшихся в результате реакции. Опыт подтверждает справедливость закона сохранения массы веществ.

Запишите схему, а затем уравнение химической реакции, зная, что продуктами реакции являются сульфат натрия $Na_2SO_4$ и вода $H_2O$.

Схема реакции отражает, какие вещества вступают в реакцию и какие образуются, без учета стехиометрических коэффициентов.

Схема реакции: $NaOH + H_2SO_4 \rightarrow Na_2SO_4 + H_2O$

Для составления уравнения реакции необходимо уравнять число атомов каждого химического элемента в левой (реагенты) и правой (продукты) частях схемы. Это делается с помощью расстановки коэффициентов.

1. Уравняем атомы натрия ($Na$). Справа их 2 (в $Na_2SO_4$), слева 1. Ставим коэффициент 2 перед $NaOH$:
$2NaOH + H_2SO_4 \rightarrow Na_2SO_4 + H_2O$

2. Теперь уравняем атомы водорода ($H$). Слева их стало $2 \cdot 1 + 2 = 4$. Справа их 2 (в $H_2O$). Ставим коэффициент 2 перед $H_2O$:
$2NaOH + H_2SO_4 \rightarrow Na_2SO_4 + 2H_2O$

3. Проверим баланс атомов кислорода ($O$). Слева: $2 \cdot 1 + 4 = 6$. Справа: $4 + 2 \cdot 1 = 6$. Атомы кислорода уравнены. Атомы серы ($S$) также уравнены (1 слева и 1 справа).

В итоге мы получили сбалансированное уравнение реакции.

Ответ: Схема реакции: $NaOH + H_2SO_4 \rightarrow Na_2SO_4 + H_2O$. Уравнение химической реакции: $2NaOH + H_2SO_4 = Na_2SO_4 + 2H_2O$.

Лабораторный опыт 9

На электронные весы поставьте химический стакан, налейте в него 3–4 мл раствора сульфата железа(III) $Fe_2(SO_4)_3$. Рядом на весы поставьте стакан с 4–6 мл раствора едкого натра $NaOH$. Запишите показания весов. Слейте два раствора в один стакан. Что наблюдаете? Пустой стакан оставьте на весах. Запишите показания весов. Какой вывод следует из проделанного опыта? Запишите схему, а затем уравнение химической реакции, зная, что продуктами реакции являются сульфат натрия $Na_2SO_4$ и гидроксид железа(III) $Fe(OH)_3$, который выпадает в осадок. В уравнении рядом с формулой нерастворимого вещества нарисуйте стрелку, направленную вниз.

Чтобы записать уравнения проведённых химических реакций, используем коэффициенты и в случае равенства числа атомов элементов, образующих реагенты и продукты реакции, заменим стрелку на знак «равно».

Обобщим информацию. Химическое уравнение показывает:

• какие вещества вступают в химическую реакцию и какие вещества образуются в её результате;

• число молекул (формульных единиц) реагентов и число молекул (формульных единиц) продуктов реакции;

• тип химической реакции (о типах химических реакций вы узнаете на следующем уроке).

Наблюдение:

При смешивании двух растворов — сульфата железа(III) ($Fe_2(SO_4)_3$), который имеет желтовато-бурый цвет, и бесцветного раствора гидроксида натрия ($NaOH$) — наблюдается образование бурого студенистого (гелеобразного) осадка. Это гидроксид железа(III) - $Fe(OH)_3$. Показания весов при этом не изменяются.

Ответ: При смешивании растворов образуется бурый осадок, а масса системы остается неизменной.

Вывод:

Опыт демонстрирует выполнение закона сохранения массы веществ. Поскольку весы показывают одинаковую массу до и после проведения химической реакции в замкнутой системе (все вещества остались в стаканах на весах), можно сделать вывод, что масса веществ, вступивших в реакцию, равна массе веществ, образовавшихся в результате реакции. Атомы в ходе реакции не исчезают и не появляются из ниоткуда, а лишь перегруппировываются, образуя новые химические соединения.

Ответ: Масса веществ до реакции равна массе веществ после реакции, что подтверждает закон сохранения массы.

Схема и уравнение реакции:

Сначала запишем схему реакции, указав формулы реагентов и продуктов.

Схема реакции: $Fe_2(SO_4)_3 + NaOH \rightarrow Na_2SO_4 + Fe(OH)_3$

Далее, согласно закону сохранения массы, необходимо уравнять число атомов каждого элемента в левой и правой частях уравнения, расставив стехиометрические коэффициенты. Так мы превратим схему в уравнение реакции. Учитывая, что гидроксид железа(III) является нерастворимым веществом и выпадает в осадок, рядом с его формулой поставим стрелку, направленную вниз.

Уравнение реакции: $Fe_2(SO_4)_3 + 6NaOH = 3Na_2SO_4 + 2Fe(OH)_3 \downarrow$

Ответ: Схема: $Fe_2(SO_4)_3 + NaOH \rightarrow Na_2SO_4 + Fe(OH)_3$. Уравнение: $Fe_2(SO_4)_3 + 6NaOH = 3Na_2SO_4 + 2Fe(OH)_3 \downarrow$.

1. Что представляет собой химическое уравнение? Какому основному закону химии оно должно соответствовать?

Химическое уравнение представляет собой условную запись химической реакции с помощью химических формул и математических знаков. В левой части уравнения записываются формулы исходных веществ (реагентов), а в правой — формулы продуктов реакции. Между реагентами и продуктами ставится стрелка ($→$), указывающая направление протекания реакции. Если в реакцию вступает или образуется несколько веществ, их формулы соединяются знаком «+».

Например, уравнение реакции горения метана выглядит так: $CH_4 + 2O_2 \rightarrow CO_2 + 2H_2O$

Здесь $CH_4$ (метан) и $O_2$ (кислород) — это реагенты, а $CO_2$ (углекислый газ) и $H_2O$ (вода) — продукты. Числа, стоящие перед формулами веществ (в данном случае '2' перед $O_2$ и '2' перед $H_2O$), называются стехиометрическими коэффициентами. Они показывают, в каких количественных (мольных) соотношениях вещества вступают в реакцию и образуются в ее результате.

Химическое уравнение обязательно должно соответствовать основному закону химии — закону сохранения массы веществ. Этот закон гласит, что масса веществ, вступивших в химическую реакцию, равна массе веществ, образовавшихся в результате реакции. На атомном уровне это означает, что атомы не создаются и не разрушаются в ходе химической реакции, а лишь перегруппировываются. Поэтому количество атомов каждого химического элемента в левой части уравнения (у реагентов) должно быть равно количеству атомов этого же элемента в правой части (у продуктов). Именно для соблюдения этого закона и подбираются стехиометрические коэффициенты.

Ответ: Химическое уравнение — это условная запись химической реакции с помощью формул, показывающая, какие вещества и в каких соотношениях участвуют в реакции. Оно должно соответствовать закону сохранения массы веществ, что выражается в равенстве числа атомов каждого элемента в левой и правой частях уравнения.

2. Укажите коэффициенты перед формулами фосфора и кислорода в уравнении реакции между этими веществами.

Решение

Реакция между фосфором и кислородом является реакцией горения. При сгорании фосфора в избытке кислорода образуется оксид фосфора(V). Химическая формула фосфора в уравнении записывается как $P$, молекулярного кислорода — $O_2$, а оксида фосфора(V) — $P_2O_5$.

Сначала запишем схему химической реакции без коэффициентов:

$P + O_2 \rightarrow P_2O_5$

Далее необходимо уравнять количество атомов каждого химического элемента в левой и правой частях уравнения, то есть расставить стехиометрические коэффициенты. Это делается для соблюдения закона сохранения массы.

1. Начнем с уравнивания атомов кислорода. В левой части уравнения в молекуле $O_2$ содержится 2 атома кислорода, а в правой части в молекуле $P_2O_5$ — 5 атомов. Наименьшее общее кратное для чисел 2 и 5 равно 10. Чтобы получить по 10 атомов кислорода с каждой стороны, поставим коэффициент 5 перед $O_2$ и коэффициент 2 перед $P_2O_5$.

$P + 5O_2 \rightarrow 2P_2O_5$

2. Теперь уравняем атомы фосфора. После установки коэффициентов в правой части уравнения стало $2 \times 2 = 4$ атома фосфора. В левой части находится только один атом фосфора. Чтобы их уравнять, поставим коэффициент 4 перед $P$ в левой части.

$4P + 5O_2 \rightarrow 2P_2O_5$

3. Проверим правильность расстановки коэффициентов, посчитав атомы каждого элемента в обеих частях уравнения.
Слева: 4 атома $P$; $5 \times 2 = 10$ атомов $O$.
Справа: $2 \times 2 = 4$ атома $P$; $2 \times 5 = 10$ атомов $O$.
Количество атомов совпадает, следовательно, уравнение сбалансировано верно.

Таким образом, в итоговом уравнении реакции коэффициент перед формулой фосфора ($P$) равен 4, а коэффициент перед формулой кислорода ($O_2$) равен 5.

Ответ: коэффициент перед формулой фосфора — 4, коэффициент перед формулой кислорода — 5.

3. Перечислите, какую информацию несёт уравнение химической реакции.

Уравнение химической реакции — это условная запись химического процесса с помощью химических формул, знаков и коэффициентов. Оно несет в себе как качественную, так и количественную информацию о реакции.

1. Качественная информация

• Участники реакции: Показывает, какие вещества (реагенты) вступают в реакцию и какие вещества (продукты) образуются. Реагенты записываются в левой части уравнения, а продукты — в правой.

• Качественный состав веществ: Химические формулы точно указывают, из атомов каких химических элементов состоят исходные вещества и продукты реакции.

• Условия протекания реакции: Часто над или под знаком стрелки ($\rightarrow$) указываются необходимые условия, такие как температура ($t^\circ$), давление ($p$), наличие катализатора ($kat$ или формула катализатора), облучение светом ($h\nu$).

• Агрегатное состояние веществ: Могут быть указаны агрегатные состояния участников реакции: (г) — газ, (ж) — жидкость, (т) или (к) — твердое вещество, (р-р) — раствор. Также могут использоваться знаки: $(\downarrow)$ — выпадение осадка, $(\uparrow)$ — выделение газа.

• Тип и направление реакции: Вид уравнения позволяет классифицировать реакцию (например, реакция соединения, разложения, замещения, обмена). Использование специального знака ($\rightleftarrows$) указывает на обратимость процесса.

• Тепловой эффект: Указание $+Q$ или $-Q$ (или значение изменения энтальпии $\Delta H$) в конце уравнения информирует о том, является ли реакция экзотермической (с выделением тепла) или эндотермической (с поглощением тепла).

2. Количественная информация

• Количественный состав веществ: Индексы в химических формулах показывают количество атомов каждого элемента в одной молекуле (или формульной единице) вещества.

• Стехиометрические соотношения: Коэффициенты, стоящие перед формулами веществ, показывают количественные (мольные) соотношения, в которых вещества вступают в реакцию и образуются. Это основа для всех стехиометрических расчетов.

• Массовые соотношения: На основании мольных соотношений и молярных масс веществ можно рассчитать массы реагентов и продуктов. Уравнение реакции является математическим выражением закона сохранения массы веществ.

• Объемные соотношения (для газов): Согласно закону объемных отношений Гей-Люссака и закону Авогадро, для газообразных веществ коэффициенты в уравнении также показывают соотношение их объемов (при одинаковых температуре и давлении).

Пример: Рассмотрим уравнение реакции горения водорода:

$$2H_2(г) + O_2(г) \rightarrow 2H_2O(ж) + Q$$

Из этого уравнения можно получить следующую информацию:

• Качественная: В реакцию вступают газообразные водород ($H_2$) и кислород ($O_2$), а в результате образуется жидкая вода ($H_2O$). Реакция является экзотермической (выделяется теплота $Q$).

• Количественная: $2$ моль водорода реагируют с $1$ моль кислорода с образованием $2$ моль воды. Соотношение объемов газообразных реагентов: $2$ объема $H_2$ на $1$ объем $O_2$. Массовое соотношение (исходя из молярных масс $M(H_2) \approx 2$ г/моль, $M(O_2) = 32$ г/моль, $M(H_2O) = 18$ г/моль): $2 \cdot 2$ г водорода реагируют с $32$ г кислорода, образуя $2 \cdot 18$ г воды, т.е. $4 \text{ г } H_2 + 32 \text{ г } O_2 = 36 \text{ г } H_2O$.

Ответ: Уравнение химической реакции несет информацию о качественном и количественном составе участников реакции (реагентов и продуктов), их стехиометрических (мольных, массовых, а для газов и объемных) соотношениях, а также может содержать данные об условиях протекания реакции (температура, давление, катализатор), ее тепловом эффекте, обратимости и агрегатном состоянии веществ.