Страница 269 - гдз по химии 8 класс учебник Габриелян

Растворение — это сложный физико-химический процесс, который сочетает в себе признаки как физических, так и химических явлений. Нельзя однозначно отнести его только к одной категории, и современная наука рассматривает его именно как совокупность явлений.

С одной стороны, растворение проявляет признаки физического процесса:

• Диффузия: частицы растворяемого вещества самопроизвольно и равномерно распределяются по всему объему растворителя. Это чисто физическое явление переноса вещества.

• Обратимость: во многих случаях (например, при растворении соли или сахара в воде) можно выделить исходное вещество из раствора путем простого выпаривания растворителя. Это указывает на то, что не произошло необратимого образования нового химического вещества.

• Сохранение химической индивидуальности (в некоторых случаях): при растворении, например, сахара в воде, молекулы сахарозы $C_{12}H_{22}O_{11}$ не изменяются, а лишь распределяются между молекулами воды $H_2O$. Происходит разрыв межмолекулярных связей в кристалле сахара, что является физическим процессом.

С другой стороны, растворение имеет явные признаки химического процесса:

• Тепловые эффекты: процесс растворения почти всегда сопровождается выделением (экзотермический процесс, например, растворение серной кислоты $H_2SO_4$ или гидроксида натрия $NaOH$) или поглощением (эндотермический процесс, например, растворение нитрата аммония $NH_4NO_3$) теплоты. Изменение энергии системы — характерный признак химической реакции.

• Взаимодействие частиц (сольватация): между частицами растворяемого вещества и частицами растворителя происходит химическое взаимодействие, которое называется сольватацией (а если растворитель — вода, то гидратацией). В результате этого взаимодействия образуются новые, более сложные частицы — сольваты (или гидраты). Например, при растворении безводного сульфата меди(II) $CuSO_4$ (белый порошок) в воде ионы меди $Cu^{2+}$ образуют с молекулами воды гидратированные ионы (аквакомплексы) $[Cu(H_2O)_6]^{2+}$, имеющие характерный синий цвет. Изменение цвета свидетельствует о химическом превращении.

• Электролитическая диссоциация: многие вещества с ионной или полярной ковалентной связью (соли, кислоты, основания) при растворении в полярных растворителях распадаются на ионы. Это химический процесс разрыва существующих и образования новых связей (ион-дипольных). Например, поваренная соль $NaCl$ в воде диссоциирует на гидратированные ионы $Na^{+}$ и $Cl^{-}$.

Таким образом, растворение — это единый процесс, который включает в себя физический аспект разрушения структуры растворяемого вещества (например, кристаллической решетки) и диффузии его частиц, а также химический аспект взаимодействия этих частиц с молекулами растворителя (сольватацию).

Ответ: Растворение — это физико-химический процесс, поскольку он включает в себя как физические явления (диффузия, разрушение связей в растворяемом веществе), так и химические (взаимодействие между частицами растворителя и растворенного вещества с образованием сольватов/гидратов, которое сопровождается тепловыми эффектами и часто изменением других свойств, например, цвета).

Решение

Вопрос о том, является ли диссоциация физическим или химическим процессом, является дискуссионным, так как этот процесс обладает признаками и того, и другого. Однако, если проанализировать его с точки зрения фундаментальных определений, преобладают признаки химического процесса.

С одной стороны, диссоциацию можно рассматривать как физический процесс из-за её обратимости. Например, при испарении воды из раствора поваренной соли ($NaCl$) ионы $Na^+$ и $Cl^−$ вновь соединяются, образуя исходное кристаллическое вещество. Это свойство сближает диссоциацию с такими физическими процессами, как плавление и замерзание.

С другой стороны, существует несколько весомых аргументов в пользу химической природы диссоциации. Во-первых, в ходе процесса происходит разрыв химических связей: ионных в кристаллических решетках (как у $NaCl$) или ковалентных в молекулах (как у $HCl$). Во-вторых, образуются новые химические частицы — ионы, свойства которых кардинально отличаются от свойств исходных веществ. Например, ион натрия $Na^+$ химически стабилен в воде, в отличие от взрывоопасного металлического натрия $Na$. Появление частиц с новыми свойствами — ключевой признак химической реакции. В-третьих, происходит образование новых химических связей при взаимодействии ионов с молекулами растворителя (процесс сольватации), в результате чего образуются сольватированные ионы, например $[Na(H_2O)_n]^+$. Наконец, процесс всегда сопровождается тепловым эффектом (выделением или поглощением тепла), что также характерно для химических реакций.

Таким образом, учитывая, что диссоциация включает в себя разрыв и образование химических связей и приводит к появлению новых химических частиц с новыми свойствами, её корректнее классифицировать как химический процесс. Иногда, чтобы подчеркнуть её пограничный характер, её называют физико-химическим процессом.

Ответ: Диссоциация — это химический процесс, так как он сопровождается разрывом существующих и образованием новых химических связей, а также появлением новых химических частиц (ионов), обладающих иными свойствами, чем исходное вещество.

Формулировки понятия «соли»

Существует несколько определений понятия «соли», которые рассматривают эти вещества с разных теоретических позиций:

1. С точки зрения теории электролитической диссоциации (классическое определение): Соли — это сложные вещества, которые в водных растворах диссоциируют на катионы металла (или катион аммония $NH_4^+$) и анионы кислотного остатка. Например, хлорид натрия $NaCl$ диссоциирует на катион натрия $Na^+$ и хлорид-анион $Cl^-$.

$NaCl \leftrightarrow Na^+ + Cl^-$

2. С точки зрения продуктов взаимодействия: Соли — это продукты реакции нейтрализации, то есть взаимодействия кислоты и основания. В общем виде реакцию можно представить так: кислота + основание → соль + вода. Например, при реакции соляной кислоты $HCl$ и гидроксида натрия $NaOH$ образуются соль хлорид натрия $NaCl$ и вода $H_2O$.

$HCl + NaOH \rightarrow NaCl + H_2O$

3. С точки зрения строения: Соли — это ионные соединения, состоящие из положительно заряженных ионов (катионов) и отрицательно заряженных ионов (анионов), связанных ионной связью. В твердом состоянии они образуют кристаллические решетки.

Классификация солей

Соли классифицируют по различным признакам, в первую очередь по их составу и способности к замещению.

1. Средние (нормальные) соли

Это продукты полного замещения атомов водорода в молекуле кислоты на атомы металла (или ион аммония). Они не содержат ни атомов водорода, способных замещаться на металл, ни гидроксогрупп $OH^-$.

Примеры: хлорид калия $KCl$, сульфат натрия $Na_2SO_4$, нитрат меди(II) $Cu(NO_3)_2$.

2. Кислые соли

Это продукты неполного замещения атомов водорода в многоосновной кислоте на атомы металла. В состав их аниона входят атомы водорода, которые могут быть замещены металлом. Образуются при реакции основания с избытком многоосновной кислоты.

Примеры: гидрокарбонат натрия (питьевая сода) $NaHCO_3$, гидросульфат калия $KHSO_4$, дигидрофосфат кальция $Ca(H_2PO_4)_2$.

3. Основные соли

Это продукты неполного замещения гидроксогрупп ($OH^-$) в многоосновном основании на кислотные остатки. В состав их катиона входят гидроксогруппы. Образуются при реакции кислоты с избытком многоосновного основания.

Примеры: гидроксохлорид магния $Mg(OH)Cl$, гидроксокарбонат меди(II) (малахит) $(CuOH)_2CO_3$.

4. Двойные соли

Это соли, в состав которых входят катионы двух разных металлов и один вид кислотного остатка. В растворах они диссоциируют на все составляющие ионы.

Примеры: сульфат алюминия-калия (алюмокалиевые квасцы) $KAl(SO_4)_2 \cdot 12H_2O$, соль Мора $(NH_4)_2Fe(SO_4)_2 \cdot 6H_2O$.

5. Смешанные соли

Это соли, в состав которых входит один вид катионов и анионы двух разных кислот.

Пример: хлорид-гипохлорит кальция (составная часть хлорной извести) $Ca(OCl)Cl$.

6. Комплексные соли

Это соли, содержащие в своем составе комплексный ион (катион или анион), который в растворе существует как единое целое. Комплексный ион заключается в квадратные скобки.

Примеры: гексацианоферрат(II) калия $K_4[Fe(CN)_6]$, сульфат тетраамминмеди(II) $[Cu(NH_3)_4]SO_4$.

Помимо классификации по составу, соли также делят по их растворимости в воде на:

• Растворимые (например, $NaCl$, $KNO_3$)
• Малорастворимые (например, $CaSO_4$, $Ag_2SO_4$)
• Практически нерастворимые (например, $AgCl$, $BaSO_4$, $CaCO_3$)

Растворимость определяется с помощью таблицы растворимости кислот, оснований и солей в воде.

Ответ:

Соли — это класс химических соединений, представляющих собой продукты взаимодействия кислот и оснований, состоящие из катионов металла (или аммония) и анионов кислотного остатка. Их классифицируют по составу на средние, кислые, основные, двойные, смешанные и комплексные, а также по растворимости в воде на растворимые, малорастворимые и нерастворимые.

В ходе опыта при добавлении раствора хлорида бария к растворам сульфата натрия и сульфата калия в обеих пробирках наблюдается образование густого белого осадка. Это происходит потому, что ионы бария $Ba^{2+}$ из раствора хлорида бария реагируют с сульфат-ионами $SO_4^{2-}$ из растворов сульфатов, образуя нерастворимое в воде вещество — сульфат бария $BaSO_4$.

Составьте уравнения электролитической диссоциации взятых солей и уравнение реакции обмена. Запишите полное и сокращённое ионные уравнения реакции.

Уравнения электролитической диссоциации исходных солей (все они являются сильными электролитами):

Сульфат натрия: $Na_2SO_4 \leftrightarrow 2Na^+ + SO_4^{2-}$

Сульфат калия: $K_2SO_4 \leftrightarrow 2K^+ + SO_4^{2-}$

Хлорид бария: $BaCl_2 \leftrightarrow Ba^{2+} + 2Cl^-$

Уравнения реакции обмена (на примере реакции с сульфатом натрия):

Молекулярное уравнение:

$Na_2SO_4 + BaCl_2 \rightarrow BaSO_4\downarrow + 2NaCl$

Полное ионное уравнение:

$2Na^+ + SO_4^{2-} + Ba^{2+} + 2Cl^- \rightarrow BaSO_4\downarrow + 2Na^+ + 2Cl^-$

Сокращённое ионное уравнение (показывает суть реакции):

$Ba^{2+} + SO_4^{2-} \rightarrow BaSO_4\downarrow$

Реакция с сульфатом калия протекает аналогично и описывается тем же сокращённым ионным уравнением.

Ответ: Уравнения диссоциации: $Na_2SO_4 \leftrightarrow 2Na^+ + SO_4^{2-}$; $K_2SO_4 \leftrightarrow 2K^+ + SO_4^{2-}$; $BaCl_2 \leftrightarrow Ba^{2+} + 2Cl^-$. Молекулярное уравнение: $Na_2SO_4 + BaCl_2 \rightarrow BaSO_4\downarrow + 2NaCl$. Полное ионное уравнение: $2Na^+ + SO_4^{2-} + Ba^{2+} + 2Cl^- \rightarrow BaSO_4\downarrow + 2Na^+ + 2Cl^-$. Сокращённое ионное уравнение: $Ba^{2+} + SO_4^{2-} \rightarrow BaSO_4\downarrow$.

Какие соединения могут служить реактивом на ионы бария Ba²⁺?

Реактивом на ионы бария $Ba^{2+}$ служат растворимые соединения, содержащие анионы, которые образуют с барием нерастворимые соли (осадки). Качественной реакцией на ион бария является его взаимодействие с сульфат-ионом $SO_4^{2-}$, так как образующийся осадок сульфата бария $BaSO_4$ не растворяется в кислотах. Также можно использовать ионы $CO_3^{2-}$, $SO_3^{2-}$, $PO_4^{3-}$, но образующиеся осадки растворимы в сильных кислотах, что делает этот метод менее специфичным.

Примеры соединений-реактивов:

• Любые растворимые сульфаты, например, сульфат натрия ($Na_2SO_4$), сульфат калия ($K_2SO_4$), сульфат аммония (($NH_4)_2SO_4$).
• Серная кислота ($H_2SO_4$).

Ответ: Реактивом на ионы бария $Ba^{2+}$ могут служить растворимые сульфаты (например, $Na_2SO_4$, $K_2SO_4$) и серная кислота ($H_2SO_4$).

В чём сущность обнаружения ионов с помощью реактива?

Сущность обнаружения (или качественного определения) ионов с помощью реактива заключается в проведении характерной химической реакции, которая сопровождается чётким, легко наблюдаемым внешним эффектом. Реактив — это вещество, которое избирательно взаимодействует с определяемым ионом, вызывая этот эффект. Таким эффектом может быть:

• Выпадение осадка определённого цвета и характера (например, белый творожистый осадок $AgCl$ при реакции на хлорид-ионы).
• Выделение газа с характерным запахом или цветом (например, выделение $CO_2$ при действии кислоты на карбонаты).
• Появление или изменение окраски раствора (например, образование ярко-синего раствора при добавлении аммиака к солям меди(II)).

Таким образом, по наличию специфического визуального или обонятельного сигнала делают вывод о присутствии искомого иона в исследуемом растворе.

Ответ: Сущность обнаружения ионов состоит в проведении специфической реакции с помощью подобранного реактива, которая приводит к явному наблюдаемому эффекту (осадок, газ, изменение цвета), что свидетельствует о наличии искомого иона.

По таблице растворимости выясните, какие соли, содержащие хлорид-ион Cl⁻, нерастворимы (малорастворимы).

Согласно таблице растворимости, большинство солей соляной кислоты (хлоридов) хорошо растворимы в воде. Однако существуют исключения. К нерастворимым или малорастворимым хлоридам относятся:

• Хлорид серебра(I) ($AgCl$) — практически нерастворимая соль, выпадает в виде белого творожистого осадка. Это свойство является основой для качественного определения хлорид-ионов.
• Хлорид свинца(II) ($PbCl_2$) — малорастворимая соль, выпадает в виде белого кристаллического осадка. Его растворимость заметно увеличивается при нагревании.
• Хлорид ртути(I) ($Hg_2Cl_2$), также известный как каломель, — нерастворим в воде.
• Хлорид меди(I) ($CuCl$) — нерастворим в воде.

Ответ: Нерастворимыми (малорастворимыми) солями, содержащими хлорид-ион, являются хлорид серебра(I) $AgCl$, хлорид свинца(II) $PbCl_2$, хлорид ртути(I) $Hg_2Cl_2$ и другие.

2. При помощи имеющихся у вас реактивов докажите, что в растворе хлорида натрия присутствуют хлорид-ионы.

Качественной реакцией на хлорид-ион ($Cl^−$) является его взаимодействие с ионом серебра ($Ag^+$). В качестве реактива, содержащего ионы серебра, обычно используют раствор нитрата серебра($I$) ($AgNO_3$).

Ход опыта:

В пробирку наливаем 1-2 мл раствора хлорида натрия ($NaCl$). Затем добавляем несколько капель раствора нитрата серебра ($AgNO_3$).

Наблюдение:

Сразу после добавления нитрата серебра наблюдается образование обильного белого творожистого осадка. Этот осадок — хлорид серебра ($AgCl$).

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

Для полной уверенности можно добавить к полученному осадку несколько капель азотной кислоты ($HNO_3$). Осадок $AgCl$ в кислотах не растворяется, что подтверждает его идентичность и, следовательно, наличие хлорид-ионов в исходном растворе. Таким образом, мы доказали присутствие хлорид-ионов в растворе хлорида натрия.

Ответ: Для доказательства присутствия хлорид-ионов в растворе хлорида натрия необходимо добавить к нему раствор нитрата серебра. Образование белого творожистого осадка $AgCl$, нерастворимого в азотной кислоте, подтверждает наличие ионов $Cl^−$.

3. Составьте уравнения диссоциации солей, реакции обмена и полные и сокращённые ионные уравнения проведённых реакций.

Исходные соли, хлорид натрия и нитрат серебра, являются сильными электролитами и в водных растворах полностью диссоциируют на ионы.

Уравнения диссоциации солей:

Хлорид натрия: $NaCl \leftrightarrow Na^+ + Cl^−$

Нитрат серебра: $AgNO_3 \leftrightarrow Ag^+ + NO_3^−$

Реакция между хлоридом натрия и нитратом серебра является реакцией ионного обмена.

Молекулярное уравнение реакции обмена:

$NaCl + AgNO_3 = AgCl\downarrow + NaNO_3$

Полное ионное уравнение (показывает все ионы, присутствующие в растворе):

$Na^+ + Cl^− + Ag^+ + NO_3^− = AgCl\downarrow + Na^+ + NO_3^−$

Сокращённое ионное уравнение (показывает только те ионы, которые непосредственно участвуют в реакции, после сокращения одинаковых ионов в левой и правой частях):

$Ag^+ + Cl^− = AgCl\downarrow$

Ответ:

Уравнения диссоциации: $NaCl \leftrightarrow Na^+ + Cl^−$; $AgNO_3 \leftrightarrow Ag^+ + NO_3^−$.

Молекулярное уравнение: $NaCl + AgNO_3 = AgCl\downarrow + NaNO_3$.

Полное ионное уравнение: $Na^+ + Cl^− + Ag^+ + NO_3^− = AgCl\downarrow + Na^+ + NO_3^−$.

Сокращённое ионное уравнение: $Ag^+ + Cl^− = AgCl\downarrow$.