Страница 274 - гдз по химии 8 класс учебник Габриелян

1. Налейте в пробирку 1—2 мл концентрированного раствора серной кислоты и опустите в неё гранулу цинка. Составьте уравнение реакции в молекулярном и ионном видах, покажите переход электронов. Что в этой реакции является окислителем?

Решение

При взаимодействии металлического цинка ($Zn$) с концентрированной серной кислотой ($H_2SO_4$) протекает окислительно-восстановительная реакция. Концентрированная серная кислота является сильным окислителем за счёт атома серы в высшей степени окисления +6. В отличие от реакции с разбавленной кислотой, водород не выделяется. Продуктами реакции являются соль (сульфат цинка, $ZnSO_4$), вода ($H_2O$) и продукт восстановления серы. Для цинка, как металла средней активности, основным продуктом восстановления серы является диоксид серы ($SO_2$).

Уравнение реакции в молекулярном виде:

Составляем уравнение реакции и уравниваем его с помощью метода электронного баланса.

$Zn + 2H_2SO_4(конц.) \rightarrow ZnSO_4 + SO_2\uparrow + 2H_2O$

Уравнение реакции в ионном виде:

Запишем полное и сокращенное ионные уравнения. В ионных уравнениях сильные электролиты записываются в виде ионов, а слабые электролиты, газы и осадки — в виде молекул. Концентрированная $H_2SO_4$ является сильным окислителем, и для отражения процесса в ионном виде участвующие в нем частицы ($H^+$ и $SO_4^{2-}$) записываются отдельно.

Полное ионное уравнение:

$Zn^0 + 4H^+ + 2SO_4^{2-} \rightarrow Zn^{2+} + SO_4^{2-} + SO_2 + 2H_2O$

Сокращенное ионное уравнение (после исключения ионов $SO_4^{2-}$, которые не изменяются в ходе реакции и присутствуют в обеих частях уравнения):

$Zn + 4H^+ + SO_4^{2-} \rightarrow Zn^{2+} + SO_2 + 2H_2O$

Переход электронов:

Определим элементы, изменяющие степень окисления, и составим схему электронного баланса.

$\overset{0}{Zn} + 2H_2\overset{+6}{S}O_4 \rightarrow \overset{+2}{Zn}SO_4 + \overset{+4}{S}O_2 + 2H_2O$

$Zn^0 - 2e^- \rightarrow Zn^{+2}$ | 1 | процесс окисления, цинк ($Zn$) — восстановитель

$S^{+6} + 2e^- \rightarrow S^{+4}$ | 1 | процесс восстановления, сера ($S^{+6}$) — окислитель

Окислитель в реакции:

Окислителем является вещество, в состав которого входит элемент, принимающий электроны (т.е. понижающий свою степень окисления). В данной реакции сера понижает степень окисления с +6 до +4. Следовательно, окислителем является концентрированная серная кислота ($H_2SO_4$).

Ответ: Молекулярное уравнение реакции: $Zn + 2H_2SO_4(конц.) \rightarrow ZnSO_4 + SO_2\uparrow + 2H_2O$. Сокращенное ионное уравнение: $Zn + 4H^+ + SO_4^{2-} \rightarrow Zn^{2+} + SO_2 + 2H_2O$. Схема перехода электронов: $Zn^0 - 2e^- \rightarrow Zn^{+2}$ (окисление), $S^{+6} + 2e^- \rightarrow S^{+4}$ (восстановление). Окислителем в данной реакции является концентрированная серная кислота ($H_2SO_4$).

а) гидроксид натрия

При взаимодействии раствора хлорида магния с раствором гидроксида натрия происходит реакция ионного обмена, которая идет до конца, так как в результате образуется нерастворимое основание — гидроксид магния ($Mg(OH)_2$), выпадающий в виде белого осадка.

Молекулярное уравнение реакции:

$MgCl_2 + 2NaOH \rightarrow Mg(OH)_2\downarrow + 2NaCl$

Полное ионное уравнение:

$Mg^{2+} + 2Cl^{-} + 2Na^{+} + 2OH^{-} \rightarrow Mg(OH)_2\downarrow + 2Na^{+} + 2Cl^{-}$

Сокращенное ионное уравнение, показывающее суть процесса:

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

Ответ: реакция протекает с образованием белого осадка гидроксида магния.

б) сульфат калия

Реакция между хлоридом магния и сульфатом калия не протекает. В результате возможного обмена образуются хлорид калия ($KCl$) и сульфат магния ($MgSO_4$), оба вещества хорошо растворимы в воде. Таким образом, в растворе присутствуют только ионы, и видимых признаков реакции нет, она не идет до конца.

$MgCl_2 + K_2SO_4 \not\rightarrow$

Ответ: реакция не протекает.

в) карбонат натрия

При взаимодействии раствора хлорида магния с раствором карбоната натрия протекает реакция обмена с образованием нерастворимой соли — карбоната магния ($MgCO_3$), который выпадает в виде белого осадка.

Молекулярное уравнение реакции:

$MgCl_2 + Na_2CO_3 \rightarrow MgCO_3\downarrow + 2NaCl$

Полное ионное уравнение:

$Mg^{2+} + 2Cl^{-} + 2Na^{+} + CO_3^{2-} \rightarrow MgCO_3\downarrow + 2Na^{+} + 2Cl^{-}$

Сокращенное ионное уравнение:

$Mg^{2+} + CO_3^{2-} \rightarrow MgCO_3\downarrow$

Ответ: реакция протекает с образованием белого осадка карбоната магния.

г) нитрат цинка

Реакция между хлоридом магния и нитратом цинка не протекает. В результате возможного обмена образуются хлорид цинка ($ZnCl_2$) и нитрат магния ($Mg(NO_3)_2$). Обе соли хорошо растворимы в воде, поэтому реакция не идет до конца.

$MgCl_2 + Zn(NO_3)_2 \not\rightarrow$

Ответ: реакция не протекает.

д) фосфат калия

При взаимодействии раствора хлорида магния с раствором фосфата калия протекает реакция обмена с образованием нерастворимой соли — фосфата магния ($Mg_3(PO_4)_2$), который выпадает в виде белого осадка.

Молекулярное уравнение реакции:

$3MgCl_2 + 2K_3PO_4 \rightarrow Mg_3(PO_4)_2\downarrow + 6KCl$

Полное ионное уравнение:

$3Mg^{2+} + 6Cl^{-} + 6K^{+} + 2PO_4^{3-} \rightarrow Mg_3(PO_4)_2\downarrow + 6K^{+} + 6Cl^{-}$

Сокращенное ионное уравнение:

$3Mg^{2+} + 2PO_4^{3-} \rightarrow Mg_3(PO_4)_2\downarrow$

Ответ: реакция протекает с образованием белого осадка фосфата магния.

е) сульфид натрия

В этом случае протекает необратимый совместный гидролиз, так как соль образована катионом слабого основания ($Mg^{2+}$ от $Mg(OH)_2$) и анионом слабой кислоты ($S^{2-}$ от $H_2S$). Реакция идет до конца с образованием осадка гидроксида магния и выделением газа сероводорода.

Молекулярное уравнение реакции (с участием воды):

$MgCl_2 + Na_2S + 2H_2O \rightarrow Mg(OH)_2\downarrow + H_2S\uparrow + 2NaCl$

Полное ионное уравнение:

$Mg^{2+} + 2Cl^{-} + 2Na^{+} + S^{2-} + 2H_2O \rightarrow Mg(OH)_2\downarrow + H_2S\uparrow + 2Na^{+} + 2Cl^{-}$

Сокращенное ионное уравнение:

$Mg^{2+} + S^{2-} + 2H_2O \rightarrow Mg(OH)_2\downarrow + H_2S\uparrow$

Ответ: реакция протекает с образованием осадка гидроксида магния и выделением газа сероводорода.

Реакции ионного обмена в растворах протекают до конца (являются необратимыми), если в результате образуется вещество, уходящее из сферы реакции. Такими веществами могут быть:

• газ ($\uparrow$);
• осадок ($\downarrow$);
• слабый электролит (например, вода $H_2O$).

В данной задаче мы определяем протекание реакции по выделению газа, который в некоторых случаях можно обнаружить по запаху.

а) карбоната калия и соляной кислоты

При смешивании растворов карбоната калия ($K_2CO_3$) и соляной кислоты (HCl) происходит реакция обмена. Карбонат калия — это соль слабой угольной кислоты ($H_2CO_3$), а соляная кислота — сильная. Сильная кислота вытесняет слабую из её соли. Образующаяся угольная кислота неустойчива и сразу разлагается на воду и углекислый газ ($CO_2$), который выделяется в виде пузырьков. Выделение газа смещает равновесие реакции вправо, и она протекает до конца. Углекислый газ не имеет запаха, поэтому обнаружить его по запаху невозможно, но можно наблюдать его выделение (вскипание).

Молекулярное уравнение реакции:

$K_2CO_3 + 2HCl \rightarrow 2KCl + H_2O + CO_2\uparrow$

Полное ионное уравнение:

$2K^+ + CO_3^{2-} + 2H^+ + 2Cl^- \rightarrow 2K^+ + 2Cl^- + H_2O + CO_2\uparrow$

Сокращенное ионное уравнение:

$CO_3^{2-} + 2H^+ \rightarrow H_2O + CO_2\uparrow$

Ответ: Реакция протекает до конца, так как выделяется углекислый газ ($CO_2$), который является продуктом, уходящим из сферы реакции. Однако этот газ не имеет запаха.

б) сульфида натрия и серной кислоты

При смешивании растворов сульфида натрия ($Na_2S$) и серной кислоты ($H_2SO_4$) происходит реакция обмена. Сульфид натрия — соль слабой сероводородной кислоты ($H_2S$), а серная кислота — сильная. В результате реакции выделяется сероводород — газ с резким неприятным запахом тухлых яиц. Выделение газа свидетельствует о том, что реакция протекает до конца.

Молекулярное уравнение реакции:

$Na_2S + H_2SO_4 \rightarrow Na_2SO_4 + H_2S\uparrow$

Полное ионное уравнение:

$2Na^+ + S^{2-} + 2H^+ + SO_4^{2-} \rightarrow 2Na^+ + SO_4^{2-} + H_2S\uparrow$

Сокращенное ионное уравнение:

$S^{2-} + 2H^+ \rightarrow H_2S\uparrow$

Ответ: Реакция протекает до конца, так как выделяется газ сероводород ($H_2S$) с характерным запахом.

в) хлорида цинка и азотной кислоты

Хлорид цинка ($ZnCl_2$) — соль, образованная сильной кислотой (HCl). Азотная кислота ($HNO_3$) также является сильной. При их смешивании реакция обмена не идет, так как в растворе находятся только ионы сильных электролитов, и не образуется ни осадка, ни газа, ни слабого электролита. Все вещества остаются в растворе в виде ионов.

$ZnCl_2 + 2HNO_3 \nrightarrow$

В ионном виде:

$Zn^{2+} + 2Cl^- + 2H^+ + 2NO_3^- \rightarrow Zn^{2+} + 2Cl^- + 2H^+ + 2NO_3^-$

Ответ: Реакция не протекает до конца, так как не образуется ни газа, ни осадка, ни слабого электролита.

г) сульфита натрия и серной кислоты

При смешивании растворов сульфита натрия ($Na_2SO_3$) и серной кислоты ($H_2SO_4$) происходит реакция обмена. Сульфит натрия — соль слабой сернистой кислоты ($H_2SO_3$). Образующаяся в ходе реакции сернистая кислота неустойчива и при небольшом нагревании разлагается на воду и сернистый газ ($SO_2$) с резким, удушливым запахом (запах зажженной спички). Выделение газа смещает равновесие вправо, и реакция идет до конца.

Молекулярное уравнение реакции:

$Na_2SO_3 + H_2SO_4 \rightarrow Na_2SO_4 + H_2O + SO_2\uparrow$

Полное ионное уравнение:

$2Na^+ + SO_3^{2-} + 2H^+ + SO_4^{2-} \rightarrow 2Na^+ + SO_4^{2-} + H_2O + SO_2\uparrow$

Сокращенное ионное уравнение:

$SO_3^{2-} + 2H^+ \rightarrow H_2O + SO_2\uparrow$

Ответ: Реакция протекает до конца, так как выделяется сернистый газ ($SO_2$) с резким запахом.

д) сульфата меди (II) и азотной кислоты

Сульфат меди (II) ($CuSO_4$) — соль сильной серной кислоты ($H_2SO_4$). Азотная кислота ($HNO_3$) также сильная. При их взаимодействии реакция обмена не происходит, так как все исходные вещества и возможные продукты являются сильными, хорошо растворимыми электролитами. Видимых изменений и запаха не наблюдается.

$CuSO_4 + 2HNO_3 \nrightarrow$

В ионном виде:

$Cu^{2+} + SO_4^{2-} + 2H^+ + 2NO_3^- \rightarrow Cu^{2+} + SO_4^{2-} + 2H^+ + 2NO_3^-$

Ответ: Реакция не протекает до конца, так как не образуется ни газа, ни осадка, ни слабого электролита.

Решение

а) Данная ионная схема $Ba^{2+} + CO_3^{2-} \rightarrow BaCO_3\downarrow$ описывает реакцию осаждения нерастворимого карбоната бария. Для её осуществления необходимо смешать растворы растворимой соли бария и растворимого карбоната. Например, можно использовать хлорид бария ($BaCl_2$) и карбонат натрия ($Na_2CO_3$).

Молекулярное уравнение реакции:

$BaCl_2 + Na_2CO_3 \rightarrow BaCO_3\downarrow + 2NaCl$

Полное ионное уравнение:

$Ba^{2+} + 2Cl^- + 2Na^+ + CO_3^{2-} \rightarrow BaCO_3\downarrow + 2Na^+ + 2Cl^-$

Сокращенное ионное уравнение соответствует заданной схеме.

Ответ: $BaCl_2 + Na_2CO_3 \rightarrow BaCO_3\downarrow + 2NaCl$

б) Схема $2H^+ + CO_3^{2-} \rightarrow CO_2\uparrow + H_2O$ представляет собой реакцию сильной кислоты с карбонатом, в результате которой выделяется углекислый газ. В качестве источника ионов $H^+$ можно взять соляную кислоту ($HCl$), а в качестве источника карбонат-ионов $CO_3^{2-}$ – карбонат натрия ($Na_2CO_3$).

Молекулярное уравнение реакции:

$Na_2CO_3 + 2HCl \rightarrow 2NaCl + CO_2\uparrow + H_2O$

Полное ионное уравнение:

$2Na^+ + CO_3^{2-} + 2H^+ + 2Cl^- \rightarrow 2Na^+ + 2Cl^- + CO_2\uparrow + H_2O$

Сокращенное ионное уравнение соответствует заданной схеме.

Ответ: $Na_2CO_3 + 2HCl \rightarrow 2NaCl + CO_2\uparrow + H_2O$

в) Схема $H^+ + OH^- \rightarrow H_2O$ – это реакция нейтрализации, протекающая при взаимодействии сильной кислоты и сильного основания. Для реакции можно взять, например, соляную кислоту ($HCl$) и гидроксид натрия ($NaOH$).

Молекулярное уравнение реакции:

$HCl + NaOH \rightarrow NaCl + H_2O$

Полное ионное уравнение:

$H^+ + Cl^- + Na^+ + OH^- \rightarrow Na^+ + Cl^- + H_2O$

Сокращенное ионное уравнение полностью совпадает со схемой.

Ответ: $HCl + NaOH \rightarrow NaCl + H_2O$

г) Схема $Fe^0 \rightarrow Fe^{2+}$ описывает процесс окисления металлического железа до иона железа(II). Такое превращение можно осуществить, например, при реакции железа с кислотой-неокислителем, такой как разбавленная серная кислота ($H_2SO_4$).

Молекулярное уравнение реакции:

$Fe + H_2SO_4(\text{разб.}) \rightarrow FeSO_4 + H_2\uparrow$

В этой реакции степень окисления железа меняется с 0 до +2, образуя сульфат железа(II), что соответствует заданной схеме.

Ответ: $Fe + H_2SO_4(\text{разб.}) \rightarrow FeSO_4 + H_2\uparrow$

д) Схема $CuO \rightarrow Cu^{2+}$ представляет собой переход оксида меди(II) в ион меди(II). Это можно осуществить путем растворения основного оксида меди(II) в кислоте, например, в серной кислоте ($H_2SO_4$).

Молекулярное уравнение реакции:

$CuO + H_2SO_4 \rightarrow CuSO_4 + H_2O$

В продукте реакции, сульфате меди(II), медь находится в виде иона $Cu^{2+}$, что соответствует схеме. Реакция является примером взаимодействия основного оксида с кислотой.

Ответ: $CuO + H_2SO_4 \rightarrow CuSO_4 + H_2O$

е) Схема $Pb^{2+} + S^{2-} \rightarrow PbS\downarrow$ описывает образование нерастворимого сульфида свинца(II). Для проведения этой реакции нужно смешать растворы растворимой соли свинца(II) и растворимого сульфида. Например, нитрат свинца(II) ($Pb(NO_3)_2$) и сульфид натрия ($Na_2S$).

Молекулярное уравнение реакции:

$Pb(NO_3)_2 + Na_2S \rightarrow PbS\downarrow + 2NaNO_3$

Полное ионное уравнение:

$Pb^{2+} + 2NO_3^- + 2Na^+ + S^{2-} \rightarrow PbS\downarrow + 2Na^+ + 2NO_3^-$

Сокращенное ионное уравнение соответствует предложенной схеме.

Ответ: $Pb(NO_3)_2 + Na_2S \rightarrow PbS\downarrow + 2NaNO_3$

а) сероводородной и хлорной водой;

Хлорная вода представляет собой раствор хлора ($Cl_2$) в воде. Хлор является сильным окислителем и окисляет сероводород ($H_2S$). В данном случае, при взаимодействии с сильным окислителем, таким как хлор, сера в сероводороде, имеющая степень окисления -2, окисляется до высшей степени окисления +6 в виде серной кислоты ($H_2SO_4$).

Уравнение реакции:

$H_2S + 4Cl_2 + 4H_2O \rightarrow H_2SO_4 + 8HCl$

Определим степени окисления элементов, которые их изменяют:

$H_2\overset{-2}{S} + 4\overset{0}{Cl_2} + 4H_2O \rightarrow H_2\overset{+6}{S}O_4 + 8H\overset{-1}{Cl}$

Составим схему электронного баланса (перехода электронов):

$\overset{-2}{S} - 8e^- \rightarrow \overset{+6}{S}$ | 1 | процесс окисления

$\overset{0}{Cl_2} + 2e^- \rightarrow 2\overset{-1}{Cl}$ | 4 | процесс восстановления

Сероводород ($H_2S$) является восстановителем, так как атом серы отдает электроны, повышая свою степень окисления с -2 до +6. Хлор ($Cl_2$) является окислителем, так как его атомы принимают электроны, понижая степень окисления с 0 до -1.

Ответ: Уравнение реакции: $H_2S + 4Cl_2 + 4H_2O \rightarrow H_2SO_4 + 8HCl$. Окислитель – хлор ($Cl_2$), восстановитель – сероводород ($H_2S$).

б) раствором иодида калия и хлорной водой;

Хлор, будучи более активным галогеном, чем иод, вытесняет его из раствора соли (иодида калия, $KI$). Это окислительно-восстановительная реакция, где хлор окисляет иодид-ионы.

Уравнение реакции:

$2KI + Cl_2 \rightarrow 2KCl + I_2$

Определим степени окисления элементов, которые их изменяют:

$2K\overset{-1}{I} + \overset{0}{Cl_2} \rightarrow 2K\overset{-1}{Cl} + \overset{0}{I_2}$

Схема перехода электронов:

$2\overset{-1}{I} - 2e^- \rightarrow \overset{0}{I_2}$ | 1 | процесс окисления

$\overset{0}{Cl_2} + 2e^- \rightarrow 2\overset{-1}{Cl}$ | 1 | процесс восстановления

Иодид калия ($KI$) является восстановителем, так как иодид-ион ($I^{-1}$) отдает электроны, окисляясь до свободного иода ($I_2$). Молекулярный хлор ($Cl_2$) является окислителем, так как принимает электроны, восстанавливаясь до хлорид-ионов ($Cl^{-1}$).

Ответ: Уравнение реакции: $2KI + Cl_2 \rightarrow 2KCl + I_2$. Окислитель – хлор ($Cl_2$), восстановитель – иодид калия ($KI$).

в) соляной кислотой и алюминием;

Алюминий – активный металл, стоящий в ряду активности металлов до водорода. Он вступает в реакцию замещения с соляной кислотой ($HCl$), вытесняя из нее водород.

Уравнение реакции:

$2Al + 6HCl \rightarrow 2AlCl_3 + 3H_2\uparrow$

Определим степени окисления элементов, которые их изменяют:

$2\overset{0}{Al} + 6\overset{+1}{H}Cl \rightarrow 2\overset{+3}{Al}Cl_3 + 3\overset{0}{H_2}\uparrow$

Схема перехода электронов:

$\overset{0}{Al} - 3e^- \rightarrow \overset{+3}{Al}$ | 2 | процесс окисления

$2\overset{+1}{H} + 2e^- \rightarrow \overset{0}{H_2}$ | 3 | процесс восстановления

Алюминий ($Al$) является восстановителем, так как его атом отдает электроны, повышая свою степень окисления с 0 до +3. Соляная кислота ($HCl$) является окислителем за счет ионов водорода ($H^{+}$), которые принимают электроны, понижая свою степень окисления с +1 до 0.

Ответ: Уравнение реакции: $2Al + 6HCl \rightarrow 2AlCl_3 + 3H_2\uparrow$. Окислитель – соляная кислота ($HCl$), восстановитель – алюминий ($Al$).

г) концентрированной серной кислотой и медью (при нагревании).

Медь – малоактивный металл, стоящий в ряду активности после водорода. Она не реагирует с разбавленными кислотами-неокислителями. Однако концентрированная серная кислота является сильным окислителем за счет серы в степени окисления +6 и при нагревании способна окислить медь.

Уравнение реакции:

$Cu + 2H_2SO_4(\text{конц.}) \xrightarrow{t} CuSO_4 + SO_2\uparrow + 2H_2O$

Определим степени окисления элементов, которые их изменяют:

$\overset{0}{Cu} + 2H_2\overset{+6}{S}O_4 \xrightarrow{t} \overset{+2}{Cu}SO_4 + \overset{+4}{S}O_2\uparrow + 2H_2O$

Схема перехода электронов:

$\overset{0}{Cu} - 2e^- \rightarrow \overset{+2}{Cu}$ | 1 | процесс окисления

$\overset{+6}{S} + 2e^- \rightarrow \overset{+4}{S}$ | 1 | процесс восстановления

Медь ($Cu$) является восстановителем, так как отдает электроны, повышая степень окисления с 0 до +2. Серная кислота ($H_2SO_4$) является окислителем за счет атома серы ($S^{+6}$), который принимает электроны, понижая степень окисления до +4.

Ответ: Уравнение реакции: $Cu + 2H_2SO_4(\text{конц.}) \xrightarrow{t} CuSO_4 + SO_2\uparrow + 2H_2O$. Окислитель – концентрированная серная кислота ($H_2SO_4$), восстановитель – медь ($Cu$).