Страница 186 - гдз по химии 8 класс учебник Габриелян

Какие реакции называют реакциями замещения?

Реакциями замещения называют химические реакции, протекающие между простым и сложным веществами, в ходе которых атомы простого вещества замещают атомы одного из химических элементов в сложном веществе. В результате образуются новое простое и новое сложное вещество.

В общем виде схему реакции замещения можно представить так:

$A + BC \rightarrow AC + B$

где $A$ – простое вещество, а $BC$ – сложное вещество.

Примеры реакций замещения:

• Взаимодействие активного металла с кислотой:

  Цинк вытесняет водород из соляной кислоты.

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

• Взаимодействие металла с солью менее активного металла:

  Железо вытесняет медь из раствора сульфата меди(II).

  $Fe + CuSO_4 \rightarrow FeSO_4 + Cu \downarrow$

• Взаимодействие более активного неметалла с солью менее активного неметалла:

  Хлор вытесняет бром из раствора бромида калия.

  $Cl_2 + 2KBr \rightarrow 2KCl + Br_2$

Ответ: Реакции замещения – это реакции между простым и сложным веществами, в результате которых атомы простого вещества становятся на место атомов одного из элементов в сложном веществе, образуя при этом новое сложное и новое простое вещество.

Сравните их с реакциями соединения и разложения.

Чтобы сравнить реакции замещения с реакциями соединения и разложения, необходимо сначала определить, что представляют собой эти типы реакций.

• Реакции соединения – это реакции, в ходе которых из двух или нескольких исходных веществ (простых или сложных) образуется одно, более сложное, вещество.

  Общая схема: $A + B + ... \rightarrow C$.

  Пример: $2Na + Cl_2 \rightarrow 2NaCl$.

• Реакции разложения – это реакции, в ходе которых из одного сложного вещества образуется два или более новых веществ (простых или сложных).

  Общая схема: $C \rightarrow A + B + ...$.

  Пример: $CaCO_3 \xrightarrow{t^\circ} CaO + CO_2 \uparrow$.

Основное различие между этими тремя типами реакций заключается в изменении числа и состава реагентов и продуктов. Сравнение можно представить в виде таблицы:

Таким образом, реакции замещения отличаются от реакций соединения и разложения по количественному признаку: число реагентов и продуктов в них всегда равно двум. В реакциях соединения число реагентов всегда больше числа продуктов, а в реакциях разложения – наоборот. Качественное отличие заключается в том, что в реакциях замещения всегда участвуют одно простое и одно сложное вещество.

Ответ: В отличие от реакций соединения, где из нескольких веществ образуется одно, и реакций разложения, где из одного вещества образуется несколько, в реакциях замещения число исходных веществ и продуктов реакции одинаково (два). Кроме того, реакции замещения всегда протекают между простым и сложным веществом, в то время как для реакций соединения и разложения это не является обязательным условием.

а) оксид железа (III) + алюминий $\xrightarrow{t}$

В данной реакции замещения, называемой алюмотермией, более активный металл алюминий вытесняет менее активный металл железо из его оксида при высокой температуре. В результате реакции образуется оксид алюминия и металлическое железо.

Уравнение реакции:

$Fe_2O_3 + 2Al \xrightarrow{t} Al_2O_3 + 2Fe$

Ответ: $Fe_2O_3 + 2Al \xrightarrow{t} Al_2O_3 + 2Fe$

б) оксид железа (III) + водород $\xrightarrow{t}$

Это реакция замещения, в которой водород выступает в роли восстановителя. При нагревании водород восстанавливает железо из оксида железа (III), отнимая у него кислород. Продуктами реакции являются металлическое железо и вода.

Уравнение реакции:

$Fe_2O_3 + 3H_2 \xrightarrow{t} 2Fe + 3H_2O$

Ответ: $Fe_2O_3 + 3H_2 \xrightarrow{t} 2Fe + 3H_2O$

в) хлорид меди (II) (р-р) + алюминий →

В ряду активности металлов алюминий стоит левее меди, что указывает на его большую химическую активность. Поэтому алюминий вытесняет медь из водного раствора её соли, хлорида меди (II). В результате образуются хлорид алюминия и металлическая медь.

Уравнение реакции:

$3CuCl_2 + 2Al \rightarrow 2AlCl_3 + 3Cu$

Ответ: $3CuCl_2 + 2Al \rightarrow 2AlCl_3 + 3Cu$

г) оксид свинца (IV) + углерод $\xrightarrow{t}$

При высокой температуре углерод (в виде кокса) способен восстанавливать металлы из их оксидов. В данной реакции замещения углерод восстанавливает свинец из оксида свинца (IV), при этом сам окисляется до оксида углерода (IV).

Уравнение реакции:

$PbO_2 + C \xrightarrow{t} Pb + CO_2$

Ответ: $PbO_2 + C \xrightarrow{t} Pb + CO_2$

д) бромид железа (III) (р-р) + хлор →

Активность галогенов уменьшается сверху вниз по группе в периодической системе. Хлор является более активным галогеном, чем бром, поэтому он вытесняет бром из раствора его соли — бромида железа (III). Продуктами реакции являются хлорид железа (III) и свободный бром.

Уравнение реакции:

$2FeBr_3 + 3Cl_2 \rightarrow 2FeCl_3 + 3Br_2$

Ответ: $2FeBr_3 + 3Cl_2 \rightarrow 2FeCl_3 + 3Br_2$

Дано:

Количество вещества алюминия $n(\text{Al}) = 1.5$ моль

Молярный объем газа при н. у. $V_m = 22.4$ л/моль

Найти:

Объём водорода $V(\text{H}_2)$ - ?

Количество вещества хлороводорода $n(\text{HCl})$ - ?

Решение:

1. Сначала запишем уравнение химической реакции взаимодействия алюминия с соляной кислотой. В результате реакции образуются хлорид алюминия и водород.

$2\text{Al} + 6\text{HCl} \rightarrow 2\text{AlCl}_3 + 3\text{H}_2$

2. По уравнению реакции определим соотношение количеств веществ. На 2 моль алюминия ($Al$) расходуется 6 моль хлороводорода ($HCl$) и образуется 3 моль водорода ($H_2$).

3. Рассчитаем количество вещества хлороводорода ($n(\text{HCl})$), которое потребуется для реакции. Для этого составим пропорцию, исходя из стехиометрических коэффициентов в уравнении:

$\frac{n(\text{Al})}{2} = \frac{n(\text{HCl})}{6}$

Выразим из пропорции искомое количество вещества $n(\text{HCl})$:

$n(\text{HCl}) = \frac{6 \times n(\text{Al})}{2} = 3 \times n(\text{Al})$

Подставим данное значение $n(\text{Al})$:

$n(\text{HCl}) = 3 \times 1.5 \text{ моль} = 4.5 \text{ моль}$

4. Теперь рассчитаем количество вещества водорода ($n(\text{H}_2)$), которое образуется в ходе реакции. Составим аналогичную пропорцию:

$\frac{n(\text{Al})}{2} = \frac{n(\text{H}_2)}{3}$

Выразим $n(\text{H}_2)$:

$n(\text{H}_2) = \frac{3 \times n(\text{Al})}{2}$

Подставим значение $n(\text{Al})$:

$n(\text{H}_2) = \frac{3 \times 1.5 \text{ моль}}{2} = \frac{4.5 \text{ моль}}{2} = 2.25 \text{ моль}$

5. Зная количество вещества водорода, можем найти его объём ($V(\text{H}_2)$) при нормальных условиях (н. у.) по формуле $V = n \times V_m$, где $V_m$ — молярный объём газа при н. у., равный 22,4 л/моль.

$V(\text{H}_2) = n(\text{H}_2) \times V_m$

$V(\text{H}_2) = 2.25 \text{ моль} \times 22.4 \text{ л/моль} = 50.4 \text{ л}$

Ответ: объём водорода, который образуется при взаимодействии 1,5 моль алюминия с соляной кислотой, составляет 50,4 л; для этой реакции потребуется 4,5 моль хлороводорода.

Дано:

$m_{\text{образца}} = 640 \text{ мг} = 0.64 \text{ г}$

$\omega_{\text{примесей}} = 25\% = 0.25$

Найти:

$V(H_2) - ?$

Решение:

1. Первым шагом определим массу чистого оксида меди (II) в предоставленном образце. Если массовая доля примесей составляет 25%, то массовая доля чистого вещества $CuO$ равна:

$\omega(CuO) = 100\% - \omega_{\text{примесей}} = 100\% - 25\% = 75\% = 0.75$

2. Теперь можем рассчитать массу чистого оксида меди (II), который будет участвовать в реакции:

$m(CuO) = m_{\text{образца}} \times \omega(CuO) = 0.64 \text{ г} \times 0.75 = 0.48 \text{ г}$

3. Составим уравнение химической реакции замещения меди из оксида меди (II) водородом. Водород восстанавливает медь из ее оксида, образуя металлическую медь и воду:

$CuO + H_2 \rightarrow Cu + H_2O$

4. Согласно уравнению реакции, оксид меди (II) и водород реагируют в мольном соотношении 1:1. Это означает, что для реакции потребуется одинаковое количество вещества водорода и оксида меди (II):

$n(H_2) = n(CuO)$

5. Рассчитаем молярную массу оксида меди (II), используя относительные атомные массы меди $(Cu)$ и кислорода $(O)$ из периодической таблицы химических элементов Д.И. Менделеева ($Ar(Cu) \approx 64$, $Ar(O) \approx 16$):

$M(CuO) = Ar(Cu) + Ar(O) = 64 \text{ г/мол} + 16 \text{ г/мол} = 80 \text{ г/мол}$

6. Найдем количество вещества (число молей) чистого оксида меди (II) в 0.48 г:

$n(CuO) = \frac{m(CuO)}{M(CuO)} = \frac{0.48 \text{ г}}{80 \text{ г/мол}} = 0.006 \text{ мол}$

7. Так как $n(H_2) = n(CuO)$, количество вещества водорода, необходимого для реакции, также равно 0.006 моль.

8. Объем газа при нормальных условиях (н. у.) можно рассчитать, используя молярный объем газа $V_m$, который при н. у. составляет 22,4 л/моль.

$V(H_2) = n(H_2) \times V_m = 0.006 \text{ мол} \times 22.4 \text{ л/мол} = 0.1344 \text{ л}$

При необходимости можно перевести объем в миллилитры: $0.1344 \text{ л} = 134.4 \text{ мл}$.

Ответ: объем водорода (н. у.), который потребуется для замещения всей меди, составляет 0,1344 л (или 134,4 мл).