Страница 227 - гдз по химии 8 класс учебник Габриелян

а) Ca⁰ и Ca²⁺

Сравнение атома кальция ($Ca^0$) и иона кальция ($Ca^{2+}$) проводится по двум основным параметрам: строению и свойствам.

Строение:

1. Состав частиц. Атом кальция $Ca^0$ является электронейтральной частицей. Его ядро содержит 20 протонов, а электронная оболочка — 20 электронов. Ион кальция $Ca^{2+}$ является катионом с зарядом +2. Он образуется из атома кальция, когда тот отдает 2 электрона. Поэтому ядро иона $Ca^{2+}$ также содержит 20 протонов, но его электронная оболочка насчитывает только 18 электронов.

2. Электронная конфигурация. Электронная конфигурация атома кальция: $1s^22s^22p^63s^23p^64s^2$. У него 4 электронных уровня, а на внешнем (валентном) уровне находятся 2 электрона. Электронная конфигурация иона кальция: $1s^22s^22p^63s^23p^6$. Он имеет завершенный третий электронный уровень (8 электронов), который стал для него внешним. Эта конфигурация идентична электронной конфигурации инертного газа аргона (Ar), что обеспечивает иону высокую стабильность.

3. Радиус. Атомный радиус $Ca^0$ значительно больше ионного радиуса $Ca^{2+}$. Это объясняется двумя причинами: во-первых, у иона $Ca^{2+}$ отсутствует четвертый электронный слой; во-вторых, у иона оставшиеся 18 электронов сильнее притягиваются к ядру с тем же зарядом +20.

Свойства:

1. Химическая активность. Атом кальция $Ca^0$ (как простое вещество металл кальций) является химически очень активным. Он легко отдает свои 2 валентных электрона, выступая в реакциях сильным восстановителем (например, бурно реагирует с водой: $Ca + 2H_2O \rightarrow Ca(OH)_2 + H_2 \uparrow$). Ион $Ca^{2+}$ химически пассивен в окислительно-восстановительном смысле, так как имеет устойчивую электронную оболочку. Он уже отдал электроны и является окисленной формой кальция. В растворах он может участвовать в реакциях ионного обмена, например, образуя осадки: $Ca^{2+} + SO_4^{2-} \rightarrow CaSO_4 \downarrow$.

2. Агрегатное состояние и форма существования. $Ca^0$ образует простое вещество — твердый серебристо-белый металл. $Ca^{2+}$ не существует как самостоятельное вещество, а является частью ионных кристаллических решеток (в солях, оксидах, гидроксидах) или существует в виде ионов в растворах и расплавах.

Ответ: Атом $Ca^0$ и ион $Ca^{2+}$ имеют одинаковый заряд ядра, но разное число электронов (20 и 18), разные электронные конфигурации и радиусы (атомный > ионного). Вследствие этого они обладают кардинально разными химическими свойствами: $Ca^0$ — химически активный металл, сильный восстановитель, а $Ca^{2+}$ — стабильный ион, входящий в состав соединений и являющийся окисленной формой кальция.

б) Cu²⁺(гидр) и Cu²⁺(негидр)

Сравнение гидратированного ($Cu^{2+}_{(\text{гидр})}$) и негидратированного ($Cu^{2+}_{(\text{негидр})}$) ионов меди(II) затрагивает их строение и обусловленные им свойства, в первую очередь оптические.

Строение:

1. Негидратированный ион $Cu^{2+}_{(\text{негидр})}$ — это «голый» катион меди с зарядом +2, лишенный связанного с ним водного окружения. В таком виде он существует, например, в кристаллических решетках безводных солей, таких как сульфат меди(II) $CuSO_4$.

2. Гидратированный ион $Cu^{2+}_{(\text{гидр})}$ — это ион меди(II), находящийся в водном растворе. Молекулы воды, будучи диполями, окружают ион $Cu^{2+}$ и связываются с ним донорно-акцепторными связями, образуя устойчивую частицу — аквакомплекс. Чаще всего образуется аквакомплекс состава $[Cu(H_2O)_6]^{2+}$, имеющий октаэдрическое строение. В этом комплексе ион $Cu^{2+}$ является центральным ионом, а молекулы воды — лигандами.

Свойства:

Основное различие в свойствах заключается в цвете. 1. Негидратированный ион $Cu^{2+}_{(\text{негидр})}$ в составе многих безводных солей не придает им окраски. Например, безводный $CuSO_4$ — это белый порошок. Это связано с тем, что электронные переходы d-уровня, ответственные за цвет, в отсутствие лигандов (молекул воды) поглощают свет вне видимой области спектра.

2. Гидратированный ион $[Cu(H_2O)_6]^{2+}$ придает растворам солей меди(II), а также их кристаллогидратам (например, медному купоросу $CuSO_4 \cdot 5H_2O$) характерный ярко-голубой цвет. Наличие лигандов (молекул $H_2O$) вызывает расщепление d-орбиталей иона меди, в результате чего комплекс начинает поглощать свет в оранжево-красной части видимого спектра, а отраженный свет воспринимается нами как голубой. Кроме того, безводные соли меди(II) очень гигроскопичны, так как ион $Cu^{2+}$ активно стремится перейти в более стабильное гидратированное состояние.

Ответ: Негидратированный ион $Cu^{2+}$ — это катион без лигандов, входящий в состав безводных солей (часто бесцветных). Гидратированный ион $Cu^{2+}$ — это аквакомплекс (например, $[Cu(H_2O)_6]^{2+}$), существующий в водных растворах. Различие в строении (наличие или отсутствие гидратной оболочки) кардинально влияет на свойства, в первую очередь на цвет: гидратированный ион придает соединениям и растворам голубую окраску.

в) H₂⁰ и H⁺

Сравнение молекулы водорода ($H_2^0$) и иона водорода ($H^+$) показывает фундаментальные различия между молекулой простого вещества и ионом, определяющим кислотные свойства.

Строение:

1. Молекула водорода $H_2^0$ — это электронейтральная двухатомная молекула. Два атома водорода в ней соединены прочной одинарной ковалентной неполярной связью (H–H), образованной общей электронной парой.

2. Ион водорода $H^+$ — это атом водорода, который лишился своего единственного электрона. Таким образом, он представляет собой элементарную частицу — протон, то есть «голое» атомное ядро без электронной оболочки. Из-за крайне малого размера и концентрированного положительного заряда ион $H^+$ не может существовать в свободном виде в конденсированных средах (например, в воде). Он мгновенно взаимодействует с молекулами растворителя, образуя в воде ион гидроксония $H_3O^+$ по донорно-акцепторному механизму ($H^+ + :OH_2 \rightarrow [H_3O]^+$).

Свойства:

1. Молекула водорода $H_2^0$ — это простое вещество, газ без цвета и запаха. Из-за высокой энергии связи H–H (436 кДж/моль) молекула водорода довольно инертна при обычных условиях. Однако при нагревании или в присутствии катализаторов водород проявляет сильные восстановительные свойства, реагируя с оксидами металлов, неметаллами ($CuO + H_2 \rightarrow Cu + H_2O$). В реакциях с активными металлами водород может выступать как окислитель, образуя гидриды ($2Na + H_2 \rightarrow 2NaH$).

2. Ион водорода $H^+$ (в виде $H_3O^+$) не является веществом, а является частицей, которая определяет кислотные свойства водных растворов (высокая концентрация $H^+$ соответствует низкому значению pH). Он является сильным окислителем, так как стремится принять электрон для восстановления до атомарного или молекулярного водорода. Участвует в ключевых химических процессах: реакциях нейтрализации ($H^+ + OH^- \rightarrow H_2O$), реакциях с металлами, стоящими в ряду напряжений до водорода ($Zn + 2H^+ \rightarrow Zn^{2+} + H_2 \uparrow$), а также с основными оксидами, основаниями и солями слабых кислот.

Ответ: $H_2^0$ — это стабильная электронейтральная двухатомная молекула (газ), проявляющая преимущественно восстановительные свойства. $H^+$ — это протон, не имеющий электронов, который не существует в свободном виде в растворах (образует ион $H_3O^+$) и является сильным окислителем, определяющим кислотную среду.

Для образования сульфат-ионов ($SO_4^{2-}$) в растворе необходимо использовать растворимые в воде вещества, содержащие сульфатную группу. Такими веществами являются серная кислота и растворимые соли-сульфаты. Согласно таблице растворимости, большинство сульфатов растворимы, за исключением сульфатов бария, свинца, стронция и кальция (малорастворим).

Ниже приведены пять примеров таких веществ и уравнения их электролитической диссоциации.

1. Серная кислота ($H_2SO_4$)

Серная кислота является сильной двухосновной кислотой и сильным электролитом. В водных растворах она диссоциирует с образованием катионов водорода и сульфат-анионов. Суммарное уравнение диссоциации выглядит следующим образом:

$H_2SO_4 \rightarrow 2H^+ + SO_4^{2-}$

Ответ: Уравнение диссоциации серной кислоты: $H_2SO_4 \rightarrow 2H^+ + SO_4^{2-}$.

2. Сульфат натрия ($Na_2SO_4$)

Сульфат натрия — это соль, образованная сильным основанием ($NaOH$) и сильной кислотой ($H_2SO_4$). Является сильным электролитом и хорошо растворяется в воде, диссоциируя на ионы натрия и сульфат-ионы.

$Na_2SO_4 \rightarrow 2Na^+ + SO_4^{2-}$

Ответ: Уравнение диссоциации сульфата натрия: $Na_2SO_4 \rightarrow 2Na^+ + SO_4^{2-}$.

3. Сульфат калия ($K_2SO_4$)

Сульфат калия, как и сульфат натрия, является солью сильного основания ($KOH$) и сильной кислоты ($H_2SO_4$). Это сильный электролит, который в водном растворе полностью распадается на ионы.

$K_2SO_4 \rightarrow 2K^+ + SO_4^{2-}$

Ответ: Уравнение диссоциации сульфата калия: $K_2SO_4 \rightarrow 2K^+ + SO_4^{2-}$.

4. Сульфат меди(II) ($CuSO_4$)

Сульфат меди(II) — растворимая в воде соль. При растворении диссоциирует на катионы меди(II) и сульфат-анионы.

$CuSO_4 \rightarrow Cu^{2+} + SO_4^{2-}$

Ответ: Уравнение диссоциации сульфата меди(II): $CuSO_4 \rightarrow Cu^{2+} + SO_4^{2-}$.

5. Сульфат цинка ($ZnSO_4$)

Сульфат цинка — это также хорошо растворимая соль и сильный электролит. В растворе он диссоциирует на катионы цинка и сульфат-ионы.

$ZnSO_4 \rightarrow Zn^{2+} + SO_4^{2-}$

Ответ: Уравнение диссоциации сульфата цинка: $ZnSO_4 \rightarrow Zn^{2+} + SO_4^{2-}$.

Какую информацию несёт в себе следующее уравнение: $Al(NO_3)_3 = Al^{3+} + 3NO_3^-$?

Представленное уравнение описывает процесс электролитической диссоциации. Это процесс распада электролита на ионы при его растворении или расплавлении. Из уравнения можно извлечь следующую информацию:

1. Исходное вещество — нитрат алюминия ($Al(NO_3)_3$) — является солью, образованной сильной азотной кислотой и амфотерным гидроксидом алюминия. Как и большинство растворимых солей, нитрат алюминия является сильным электролитом.

2. Процесс диссоциации показывает, что одна формульная единица нитрата алюминия распадается на ионы в водном растворе.

3. В результате диссоциации образуется один трехзарядный катион алюминия ($Al^{3+}$) и три однозарядных нитрат-аниона ($NO_3^-$).

4. Уравнение отражает количественные (стехиометрические) соотношения: из 1 моль нитрата алюминия образуется 1 моль катионов алюминия и 3 моль нитрат-анионов.

5. Уравнение демонстрирует выполнение закона сохранения электрического заряда: исходное вещество электронейтрально (заряд равен 0), и суммарный заряд ионов в правой части также равен нулю: $(+3) + 3 \cdot (-1) = 0$.

Ответ: Уравнение показывает, что нитрат алюминия является сильным электролитом, который в водном растворе полностью диссоциирует на один катион алюминия $Al^{3+}$ и три нитрат-аниона $NO_3^-$.

Дайте названия вещества и ионов.

$Al(NO_3)_3$ — нитрат алюминия.

$Al^{3+}$ — катион алюминия (или ион алюминия).

$NO_3^-$ — нитрат-ион (или нитрат-анион).

Ответ: Вещество: нитрат алюминия. Ионы: катион алюминия, нитрат-ион.

Сульфат железа (III)

Сульфат железа (III) — это растворимая соль с химической формулой $Fe_2(SO_4)_3$. Являясь сильным электролитом, в водном растворе он полностью диссоциирует на ионы. Уравнение диссоциации:

$Fe_2(SO_4)_3 \rightarrow 2Fe^{3+} + 3SO_4^{2-}$

В результате образуются катионы железа (III) и сульфат-ионы.

Названия ионов: $Fe^{3+}$ — катион железа (III), $SO_4^{2-}$ — сульфат-ион.

Ответ: Уравнение диссоциации: $Fe_2(SO_4)_3 \rightarrow 2Fe^{3+} + 3SO_4^{2-}$; ионы: катион железа (III), сульфат-ион.

Карбонат калия

Карбонат калия — это соль с химической формулой $K_2CO_3$. Это сильный электролит, который в воде диссоциирует на ионы калия и карбонат-ионы. Уравнение диссоциации:

$K_2CO_3 \rightarrow 2K^{+} + CO_3^{2-}$

Названия ионов: $K^{+}$ — катион калия, $CO_3^{2-}$ — карбонат-ион.

Ответ: Уравнение диссоциации: $K_2CO_3 \rightarrow 2K^{+} + CO_3^{2-}$; ионы: катион калия, карбонат-ион.

Сульфат аммония

Сульфат аммония — это соль с химической формулой $(NH_4)_2SO_4$. В водном растворе полностью диссоциирует как сильный электролит. Уравнение диссоциации:

$(NH_4)_2SO_4 \rightarrow 2NH_4^{+} + SO_4^{2-}$

Названия ионов: $NH_4^{+}$ — катион аммония, $SO_4^{2-}$ — сульфат-ион.

Ответ: Уравнение диссоциации: $(NH_4)_2SO_4 \rightarrow 2NH_4^{+} + SO_4^{2-}$; ионы: катион аммония, сульфат-ион.

Нитрат меди (II)

Нитрат меди (II) — это соль с химической формулой $Cu(NO_3)_2$. Являясь растворимой солью, диссоциирует в воде на ионы. Уравнение диссоциации:

$Cu(NO_3)_2 \rightarrow Cu^{2+} + 2NO_3^{-}$

Названия ионов: $Cu^{2+}$ — катион меди (II), $NO_3^{-}$ — нитрат-ион.

Ответ: Уравнение диссоциации: $Cu(NO_3)_2 \rightarrow Cu^{2+} + 2NO_3^{-}$; ионы: катион меди (II), нитрат-ион.

Гидроксид бария

Гидроксид бария — это сильное основание (щёлочь) с химической формулой $Ba(OH)_2$. Он хорошо растворим в воде и полностью диссоциирует. Уравнение диссоциации:

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

Названия ионов: $Ba^{2+}$ — катион бария, $OH^{-}$ — гидроксид-ион.

Ответ: Уравнение диссоциации: $Ba(OH)_2 \rightarrow Ba^{2+} + 2OH^{-}$; ионы: катион бария, гидроксид-ион.

Соляная кислота

Соляная кислота — это сильная кислота с химической формулой $HCl$. В водном растворе она полностью диссоциирует. Уравнение диссоциации:

$HCl \rightarrow H^{+} + Cl^{-}$

Названия ионов: $H^{+}$ — катион водорода, $Cl^{-}$ — хлорид-ион.

Ответ: Уравнение диссоциации: $HCl \rightarrow H^{+} + Cl^{-}$; ионы: катион водорода, хлорид-ион.

Гидроксид калия

Гидроксид калия — это сильное основание (щёлочь) с химической формулой $KOH$. Полностью диссоциирует в воде. Уравнение диссоциации:

$KOH \rightarrow K^{+} + OH^{-}$

Названия ионов: $K^{+}$ — катион калия, $OH^{-}$ — гидроксид-ион.

Ответ: Уравнение диссоциации: $KOH \rightarrow K^{+} + OH^{-}$; ионы: катион калия, гидроксид-ион.

Хлорид железа (II)

Хлорид железа (II) — это растворимая соль с химической формулой $FeCl_2$. Как сильный электролит, он диссоциирует в водном растворе на ионы. Уравнение диссоциации:

$FeCl_2 \rightarrow Fe^{2+} + 2Cl^{-}$

Названия ионов: $Fe^{2+}$ — катион железа (II), $Cl^{-}$ — хлорид-ион.

Ответ: Уравнение диссоциации: $FeCl_2 \rightarrow Fe^{2+} + 2Cl^{-}$; ионы: катион железа (II), хлорид-ион.

Уравнения диссоциации можно записать для веществ, являющихся электролитами. Электролиты – это вещества (кислоты, основания и соли), которые при растворении в воде или в расплавленном состоянии распадаются на ионы (диссоциируют). Вещества с ковалентной неполярной связью и оксиды не являются электролитами и не диссоциируют, поэтому для них уравнения диссоциации записать нельзя.

Из предложенного списка уравнения диссоциации можно записать для кислот, оснований и солей. Нельзя записать для оксидов: оксида серы (IV) и оксида кремния (IV), так как они не являются электролитами.

гидроксид железа (II)

Гидроксид железа (II) $Fe(OH)_2$ – нерастворимое в воде основание, поэтому является слабым электролитом. Его диссоциация протекает обратимо и ступенчато.

I ступень: $Fe(OH)_2 \leftrightarrow Fe(OH)^+ + OH^-$

II ступень: $Fe(OH)^+ \leftrightarrow Fe^{2+} + OH^-$

Ответ: $Fe(OH)_2 \leftrightarrow Fe(OH)^+ + OH^-$; $Fe(OH)^+ \leftrightarrow Fe^{2+} + OH^-$

гидроксид калия

Гидроксид калия $KOH$ – растворимое основание (щёлочь), сильный электролит. В водном растворе диссоциирует практически полностью (необратимо) в одну ступень.

$KOH \rightarrow K^+ + OH^-$

Ответ: $KOH \rightarrow K^+ + OH^-$

кремниевая кислота

Кремниевая кислота $H_2SiO_3$ – нерастворимая в воде и очень слабая кислота. Её диссоциация крайне незначительна, но формально её можно записать как обратимый ступенчатый процесс.

I ступень: $H_2SiO_3 \leftrightarrow H^+ + HSiO_3^-$

II ступень: $HSiO_3^- \leftrightarrow H^+ + SiO_3^{2-}$

Ответ: $H_2SiO_3 \leftrightarrow H^+ + HSiO_3^-$; $HSiO_3^- \leftrightarrow H^+ + SiO_3^{2-}$

азотная кислота

Азотная кислота $HNO_3$ – сильная одноосновная кислота, сильный электролит. Диссоциирует в водном растворе полностью в одну ступень.

$HNO_3 \rightarrow H^+ + NO_3^-$

Ответ: $HNO_3 \rightarrow H^+ + NO_3^-$

сульфид натрия

Сульфид натрия $Na_2S$ – растворимая в воде соль, образованная сильным основанием и слабой кислотой. Является сильным электролитом и полностью диссоциирует.

$Na_2S \rightarrow 2Na^+ + S^{2-}$

Ответ: $Na_2S \rightarrow 2Na^+ + S^{2-}$

сульфид железа (II)

Сульфид железа (II) $FeS$ – нерастворимая в воде соль. Как и все нерастворимые соли, является очень слабым электролитом. Его диссоциация в воде незначительна и обратима.

$FeS \leftrightarrow Fe^{2+} + S^{2-}$

Ответ: $FeS \leftrightarrow Fe^{2+} + S^{2-}$

серная кислота

Серная кислота $H_2SO_4$ – сильная двухосновная кислота, сильный электролит. Диссоциация протекает ступенчато. По первой ступени диссоциация полная, по второй – обратимая, так как гибросульфат-ион $HSO_4^-$ является слабым электролитом.

I ступень: $H_2SO_4 \rightarrow H^+ + HSO_4^-$

II ступень: $HSO_4^- \leftrightarrow H^+ + SO_4^{2-}$

Ответ: $H_2SO_4 \rightarrow H^+ + HSO_4^-$; $HSO_4^- \leftrightarrow H^+ + SO_4^{2-}$

Решение

Различие в знаках, используемых для записи уравнений ступенчатой диссоциации серной кислоты, объясняется тем, что по первой ступени серная кислота является сильным электролитом, а по второй — слабым.

Серная кислота ($H_2SO_4$) — это сильная двухосновная кислота, и её диссоциация в водном растворе протекает в две ступени.

Первая ступень диссоциации:

$H_2SO_4 = H^+ + HSO_4^-$

На этой ступени серная кислота ведёт себя как сильная кислота. Это означает, что её диссоциация происходит практически полностью и считается необратимым процессом. Равновесие этой реакции почти на 100% смещено в сторону образования продуктов: ионов водорода ($H^+$) и гидросульфат-ионов ($HSO_4^-$). Для обозначения такого необратимого процесса в химии используют знак равенства (=) или стрелку в одну сторону ($\rightarrow$).

Вторая ступень диссоциации:

$HSO_4^- \rightleftharpoons H^+ + SO_4^{2-}$

Гидросульфат-ион ($HSO_4^-$), который образовался на первой ступени, сам является кислотой, но уже значительно более слабой. Его дальнейшая диссоциация на ион водорода ($H^+$) и сульфат-ион ($SO_4^{2-}$) является обратимым процессом. Это значит, что в растворе устанавливается химическое равновесие, при котором одновременно существуют как гидросульфат-ионы, так и продукты их распада. Для обозначения обратимых реакций и состояния равновесия используется знак обратимости ($\rightleftharpoons$).

Таким образом, использование разных знаков в уравнениях диссоциации наглядно показывает различие в силе кислоты на каждой ступени.

Ответ: Знак равенства для первой ступени диссоциации серной кислоты используется потому, что $H_2SO_4$ — это сильная кислота, и её диссоциация на этом этапе является практически полным, необратимым процессом. Знак обратимости для второй ступени используется потому, что образующийся гидросульфат-ион ($HSO_4^-$) является слабой кислотой, и его дальнейшая диссоциация — это частичный и обратимый процесс, приводящий к установлению химического равновесия.