Страница 76 - гдз по химии 8-9 класс задачник с помощником Гара, Габрусева

4. В двух склянках без этикеток находятся растворы: в одной — соляной кислоты, в другой — гидроксида калия. Как опытным путем доказать, в какой склянке находится каждое из веществ?

Решение

Для того чтобы определить, в какой из склянок находится соляная кислота ($HCl$), а в какой — гидроксид калия ($KOH$), необходимо воспользоваться их различными химическими свойствами. Соляная кислота является кислотой, а гидроксид калия — щелочью (сильным основанием). Проще всего их различить с помощью кислотно-основных индикаторов — веществ, изменяющих свой цвет в зависимости от pH среды.

Порядок действий будет следующим:

1. Пронумеровать склянки, например, №1 и №2.
2. Отобрать из каждой склянки небольшие пробы растворов в две отдельные пробирки.
3. Добавить в каждую пробирку несколько капель раствора индикатора или опустить полоску индикаторной бумаги.
4. Наблюдать за изменением цвета и сделать вывод.

Можно использовать один из следующих индикаторов:

• Лакмус. В кислой среде (раствор $HCl$) лакмус станет красным. В щелочной среде (раствор $KOH$) лакмус станет синим.
• Фенолфталеин. Этот индикатор очень удобен для распознавания щелочей. В кислой и нейтральной среде он бесцветен, поэтому в пробирке с соляной кислотой ($HCl$) изменений не произойдет. В щелочной среде он приобретает яркую малиновую окраску, поэтому в пробирке с гидроксидом калия ($KOH$) раствор станет малиновым.
• Метиловый оранжевый (метилоранж). В кислой среде ($HCl$) этот индикатор станет красным (или розовым), а в щелочной среде ($KOH$) — желтым.

Таким образом, пробирка, в которой индикатор покажет кислую среду, содержит соляную кислоту. Пробирка, в которой индикатор покажет щелочную среду, содержит гидроксид калия.

Ответ: Чтобы доказать, в какой склянке находится каждое из веществ, нужно использовать кислотно-основной индикатор (например, лакмус, фенолфталеин или метилоранж). Взяв пробы из каждой склянки, нужно добавить к ним индикатор. В растворе соляной кислоты ($HCl$) лакмус станет красным, фенолфталеин останется бесцветным, а метилоранж станет красным. В растворе гидроксида калия ($KOH$) лакмус станет синим, фенолфталеин — малиновым, а метилоранж — желтым.

5. В склянках без этикеток находятся два черных порошка: оксид меди(II) ($CuO$) и активированный уголь. Как доказать, что в одной из склянок находится оксид меди(II)?

Решение

Для того чтобы различить два черных порошка — оксид меди(II) ($CuO$) и активированный уголь ($C$), — необходимо провести качественные химические реакции, основанные на различии их химических свойств. Оксид меди(II) является основным оксидом и будет реагировать с кислотами, в то время как активированный уголь (представляет собой аллотропную модификацию углерода) с кислотами при обычных условиях не взаимодействует.

Можно предложить несколько способов доказательства.

Способ 1. Взаимодействие с кислотами.

Это наиболее простой и наглядный способ. Нужно отобрать пробы из каждой склянки в отдельные пробирки и добавить к ним раствор сильной кислоты, например, серной ($H_2SO_4$) или соляной ($HCl$).

1. В пробирке, где находится оксид меди(II), черный порошок растворится (возможно, при небольшом нагревании), и раствор приобретет характерную окраску. В случае с серной кислотой раствор станет голубым из-за образования сульфата меди(II):

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

В случае с соляной кислотой раствор станет зелено-голубым из-за образования хлорида меди(II):

$$ CuO + 2HCl \rightarrow CuCl_2 + H_2O $$

2. В пробирке с активированным углем видимых изменений не произойдет, так как уголь не реагирует с данными кислотами в этих условиях.

Таким образом, склянка, вещество из которой прореагировало с кислотой с образованием окрашенного раствора, содержит оксид меди(II).

Способ 2. Прокаливание (нагревание).

Можно нагреть образцы обоих порошков в пламени спиртовки или газовой горелки.

1. Активированный уголь при сильном нагревании на воздухе будет сгорать (окисляться кислородом воздуха), превращаясь в газообразный диоксид углерода. При этом масса порошка будет уменьшаться, вплоть до полного исчезновения.

$$ C + O_2 \xrightarrow{t} CO_2 \uparrow $$

2. Оксид меди(II) — вещество термически устойчивое, и при прокаливании на воздухе с ним видимых изменений не произойдет.

Этот способ менее нагляден, чем первый, так как для подтверждения образования $CO_2$ требуется дополнительный эксперимент (например, пропускание газа через известковую воду), а сгорание угля может потребовать высокой температуры.

Ответ: Чтобы доказать наличие оксида меди(II) в одной из склянок, нужно добавить к образцам из обеих склянок раствор сильной кислоты (например, серной). В той склянке, где находится оксид меди(II), черный порошок растворится с образованием раствора голубого цвета. Активированный уголь с кислотой не прореагирует.

6. Распознайте каждый из трех растворов веществ, находящихся в склянках без этикеток:

а) сульфат калия, хлорид натрия, серная кислота;

б) сульфат меди(II), соляная кислота, сульфат натрия.

Запишите соответствующие уравнения химических реакций (в полном ионном и сокращенном виде).

а) сульфат калия, хлорид натрия, серная кислота

Для распознавания данных растворов ($K_2SO_4$, $NaCl$, $H_2SO_4$), которые являются бесцветными жидкостями, можно применить следующий план действий:

1. Из каждой склянки отобрать пробы в три отдельные пронумерованные пробирки.
2. Для определения кислоты воспользуемся индикатором, например, лакмусом. В ту пробирку, где лакмус окрасится в красный цвет, находится раствор серной кислоты ($H_2SO_4$).
3. В две оставшиеся пробирки с растворами сульфата калия и хлорида натрия добавим по несколько капель раствора хлорида бария ($BaCl_2$).
4. В пробирке, где образуется белый мелкокристаллический осадок ($BaSO_4$), содержится сульфат калия ($K_2SO_4$).
5. В пробирке, где видимых изменений не произошло, находится раствор хлорида натрия ($NaCl$).

Уравнение качественной реакции на сульфат-ион, которое позволяет распознать сульфат калия:

Молекулярное уравнение:

$K_2SO_4 + BaCl_2 \rightarrow BaSO_4 \downarrow + 2KCl$

Полное ионное уравнение:

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

Сокращенное ионное уравнение:

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

Ответ: Серную кислоту определяют с помощью индикатора. Затем к двум оставшимся растворам добавляют раствор хлорида бария: в пробирке с сульфатом калия выпадает белый осадок, а в пробирке с хлоридом натрия изменений не происходит.

Для распознавания данных растворов ($CuSO_4$, $HCl$, $Na_2SO_4$) выполним следующие действия:

1. Проведем визуальный осмотр растворов в склянках. Раствор сульфата меди(II) ($CuSO_4$) имеет характерный синий цвет, что позволяет сразу его идентифицировать.
2. Два других раствора — соляная кислота ($HCl$) и сульфат натрия ($Na_2SO_4$) — бесцветны. Отберем их пробы в две отдельные пронумерованные пробирки.
3. Для их распознавания добавим в обе пробирки по несколько капель раствора хлорида бария ($BaCl_2$).
4. В той пробирке, где выпадает белый осадок сульфата бария ($BaSO_4$), находится раствор сульфата натрия ($Na_2SO_4$).
5. В пробирке, где видимые изменения отсутствуют, находится соляная кислота ($HCl$).

Уравнение качественной реакции на сульфат-ион, которое позволяет распознать сульфат натрия:

Молекулярное уравнение:

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

Полное ионное уравнение:

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

Сокращенное ионное уравнение:

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

Ответ: Раствор сульфата меди(II) определяют по характерному синему цвету. Для распознавания двух оставшихся бесцветных растворов используют раствор хлорида бария: с сульфатом натрия он образует белый осадок, а с соляной кислотой не реагирует.

7. Определите опытным путем, какие растворы находятся в трех склянках без этикеток:

а) хлорид натрия, карбонат натрия, сульфат натрия;

б) хлорид бария, хлорид аммония, хлорид железа(III).

а) хлорид натрия, карбонат натрия, сульфат натрия;

Решение

Для определения веществ в трех склянках без этикеток необходимо провести качественные реакции на анионы $CO_3^{2-}$, $SO_4^{2-}$ и $Cl^-$. Все три соли образованы одним и тем же катионом натрия ($Na^+$), поэтому распознавание проводим по анионам.

1. Сначала пронумеруем склянки (№1, №2, №3) и отберем из каждой по небольшой пробе в отдельные пробирки.
2. В каждую из трех пробирок добавим несколько капель раствора сильной кислоты, например, соляной ($HCl$) или серной ($H_2SO_4$). В той пробирке, где начнется бурное выделение газа без цвета и запаха (углекислого газа), находится раствор карбоната натрия ($Na_2CO_3$).
   Уравнение реакции:
   $Na_2CO_3 + 2HCl \rightarrow 2NaCl + H_2O + CO_2\uparrow$
   Ионное уравнение:
   $2Na^+ + CO_3^{2-} + 2H^+ + 2Cl^- \rightarrow 2Na^+ + 2Cl^- + H_2O + CO_2\uparrow$
   $CO_3^{2-} + 2H^+ \rightarrow H_2O + CO_2\uparrow$
3. Теперь у нас остались две пробирки с растворами хлорида натрия ($NaCl$) и сульфата натрия ($Na_2SO_4$). Чтобы их различить, отберем новые пробы из соответствующих склянок и добавим к ним по несколько капель раствора хлорида бария ($BaCl_2$) или нитрата бария ($Ba(NO_3)_2$). В пробирке, где выпадет белый мелкокристаллический осадок сульфата бария, находится сульфат натрия ($Na_2SO_4$). Этот осадок не растворяется в кислотах.
   Уравнение реакции:
   $Na_2SO_4 + BaCl_2 \rightarrow BaSO_4\downarrow + 2NaCl$
   Ионное уравнение:
   $2Na^+ + SO_4^{2-} + Ba^{2+} + 2Cl^- \rightarrow BaSO_4\downarrow + 2Na^+ + 2Cl^-$
   $Ba^{2+} + SO_4^{2-} \rightarrow BaSO_4\downarrow$
4. Методом исключения определяем, что в оставшейся третьей склянке находится раствор хлорида натрия ($NaCl$). Для проверки можно добавить к пробе этого раствора нитрат серебра ($AgNO_3$), в результате чего выпадет белый творожистый осадок хлорида серебра ($AgCl$).

Ответ: Чтобы определить вещества, нужно сначала добавить к пробам из трех склянок раствор сильной кислоты; выделение газа укажет на карбонат натрия. Затем к двум оставшимся пробам добавить раствор соли бария; выпадение белого осадка укажет на сульфат натрия. В оставшейся склянке будет хлорид натрия.

б) хлорид бария, хлорид аммония, хлорид железа(III);

Решение

В данном случае все три соли содержат одинаковый анион ($Cl^-$), поэтому распознавание необходимо проводить по катионам: $Ba^{2+}$, $NH_4^+$ и $Fe^{3+}$.

1. Первоначально можно осмотреть растворы. Раствор хлорида железа(III) ($FeCl_3$) имеет характерную желто-бурую окраску из-за гидролиза и присутствия гидратированных ионов $Fe^{3+}$. Растворы хлорида бария ($BaCl_2$) и хлорида аммония ($NH_4Cl$) бесцветны. Таким образом, склянку с окрашенным раствором можно сразу определить как $FeCl_3$.
2. Для надежного определения всех трех веществ проведем химический эксперимент. Пронумеруем склянки и отберем из каждой пробы в отдельные пробирки. Добавим в каждую пробирку по несколько капель раствора щелочи, например, гидроксида натрия ($NaOH$).
3. В пробирке с хлоридом железа(III) ($FeCl_3$) сразу же выпадет объемистый бурый осадок гидроксида железа(III).
   Уравнение реакции:
   $FeCl_3 + 3NaOH \rightarrow Fe(OH)_3\downarrow + 3NaCl$
   Ионное уравнение:
   $Fe^{3+} + 3OH^- \rightarrow Fe(OH)_3\downarrow$
4. В пробирке с хлоридом аммония ($NH_4Cl$) при добавлении щелочи и легком нагревании будет выделяться газ с резким характерным запахом (аммиак). Его можно обнаружить по запаху или с помощью влажной красной лакмусовой бумажки, которая посинеет.
   Уравнение реакции:
   $NH_4Cl + NaOH \xrightarrow{t} NaCl + H_2O + NH_3\uparrow$
   Ионное уравнение:
   $NH_4^+ + OH^- \xrightarrow{t} H_2O + NH_3\uparrow$
5. В пробирке с хлоридом бария ($BaCl_2$) при добавлении раствора $NaOH$ видимых изменений не произойдет. Таким образом, эта пробирка идентифицирована методом исключения. Для подтверждения можно к новой пробе из этой склянки добавить раствор, содержащий сульфат-ионы, например, серную кислоту ($H_2SO_4$) или сульфат натрия ($Na_2SO_4$). Выпадет белый плотный осадок сульфата бария.
   Уравнение реакции:
   $BaCl_2 + Na_2SO_4 \rightarrow BaSO_4\downarrow + 2NaCl$
   Ионное уравнение:
   $Ba^{2+} + SO_4^{2-} \rightarrow BaSO_4\downarrow$

Ответ: Хлорид железа(III) можно определить по желто-бурому цвету раствора и по выпадению бурого осадка при добавлении щелочи. Хлорид аммония определяется по выделению аммиака с резким запахом при добавлении щелочи и нагревании. Хлорид бария не реагирует со щелочью, но дает белый осадок с растворами сульфатов.

8. Подтвердите разными способами качественный состав веществ: соляная кислота ($ \text{HCl} $), серная кислота ($ \text{H}_2\text{SO}_4 $), сульфат меди(II) ($ \text{CuSO}_4 $), хлорид железа(III) ($ \text{FeCl}_3 $).

Соляная кислота

Качественный состав соляной кислоты ($HCl$) можно подтвердить, определив наличие ионов водорода ($H^+$) и хлорид-ионов ($Cl^-$).

1. Определение катионов водорода ($H^+$):
Наличие кислотной среды, создаваемой ионами $H^+$, можно доказать с помощью индикаторов. Например, лакмусовая бумажка в растворе соляной кислоты окрасится в красный цвет. Метиловый оранжевый также станет красным.
Другой способ — реакция с активным металлом, стоящим в ряду активности до водорода, например, с цинком. При добавлении гранулы цинка в пробирку с соляной кислотой будет наблюдаться выделение пузырьков газа (водорода), который можно собрать и поджечь — раздастся характерный "лающий" хлопок.
Уравнение реакции: $Zn + 2HCl \rightarrow ZnCl_2 + H_2\uparrow$

2. Определение хлорид-анионов ($Cl^-$):
Качественной реакцией на хлорид-ион является реакция с раствором нитрата серебра ($AgNO_3$). При добавлении нескольких капель нитрата серебра к раствору соляной кислоты выпадает белый творожистый осадок хлорида серебра ($AgCl$), нерастворимый в кислотах.
Уравнение реакции: $HCl + AgNO_3 \rightarrow AgCl\downarrow + HNO_3$
Сокращенное ионное уравнение: $Ag^+ + Cl^- \rightarrow AgCl\downarrow$

Ответ: В составе соляной кислоты экспериментально подтверждено наличие катионов водорода ($H^+$) и хлорид-анионов ($Cl^-$).

Серная кислота

Качественный состав серной кислоты ($H_2SO_4$) можно подтвердить, определив наличие ионов водорода ($H^+$) и сульфат-ионов ($SO_4^{2-}$).

1. Определение катионов водорода ($H^+$):
Аналогично соляной кислоте, наличие ионов $H^+$ доказывается с помощью индикаторов (лакмус станет красным) или реакцией с активными металлами, например, с магнием.
Уравнение реакции: $Mg + H_2SO_4 \rightarrow MgSO_4 + H_2\uparrow$

2. Определение сульфат-анионов ($SO_4^{2-}$):
Качественной реакцией на сульфат-ион является реакция с растворимыми солями бария, например, хлоридом бария ($BaCl_2$). При добавлении раствора хлорида бария к серной кислоте образуется белый мелкокристаллический осадок сульфата бария ($BaSO_4$), нерастворимый в сильных кислотах.
Уравнение реакции: $H_2SO_4 + BaCl_2 \rightarrow BaSO_4\downarrow + 2HCl$
Сокращенное ионное уравнение: $Ba^{2+} + SO_4^{2-} \rightarrow BaSO_4\downarrow$

Ответ: В составе серной кислоты экспериментально подтверждено наличие катионов водорода ($H^+$) и сульфат-анионов ($SO_4^{2-}$).

Сульфат меди(II)

Качественный состав сульфата меди(II) ($CuSO_4$) можно подтвердить, определив наличие катионов меди(II) ($Cu^{2+}$) и сульфат-ионов ($SO_4^{2-}$).

1. Определение катионов меди(II) ($Cu^{2+}$):
Во-первых, водный раствор сульфата меди(II) имеет характерный голубой цвет, что указывает на присутствие гидратированных ионов $Cu^{2+}$.
Во-вторых, качественной реакцией является взаимодействие с раствором щелочи, например, гидроксида натрия ($NaOH$). При этом образуется голубой студенистый (гелеобразный) осадок гидроксида меди(II) ($Cu(OH)_2$).
Уравнение реакции: $CuSO_4 + 2NaOH \rightarrow Cu(OH)_2\downarrow + Na_2SO_4$
Сокращенное ионное уравнение: $Cu^{2+} + 2OH^- \rightarrow Cu(OH)_2\downarrow$

2. Определение сульфат-анионов ($SO_4^{2-}$):
Проводится реакция с раствором хлорида бария ($BaCl_2$). В результате образуется белый осадок сульфата бария ($BaSO_4$).
Уравнение реакции: $CuSO_4 + BaCl_2 \rightarrow BaSO_4\downarrow + CuCl_2$
Сокращенное ионное уравнение: $Ba^{2+} + SO_4^{2-} \rightarrow BaSO_4\downarrow$

Ответ: В составе сульфата меди(II) экспериментально подтверждено наличие катионов меди(II) ($Cu^{2+}$) и сульфат-анионов ($SO_4^{2-}$).

Хлорид железа(III)

Качественный состав хлорида железа(III) ($FeCl_3$) можно подтвердить, определив наличие катионов железа(III) ($Fe^{3+}$) и хлорид-ионов ($Cl^-$).

1. Определение катионов железа(III) ($Fe^{3+}$):
Водный раствор соли имеет характерный желто-бурый цвет.
Качественной реакцией на ион $Fe^{3+}$ является взаимодействие с раствором щелочи ($NaOH$, $KOH$). При этом выпадает бурый студенистый осадок гидроксида железа(III) ($Fe(OH)_3$).
Уравнение реакции: $FeCl_3 + 3NaOH \rightarrow Fe(OH)_3\downarrow + 3NaCl$
Сокращенное ионное уравнение: $Fe^{3+} + 3OH^- \rightarrow Fe(OH)_3\downarrow$
Другой, очень чувствительной, реакцией является взаимодействие с раствором тиоцианата (роданида) калия ($KSCN$) или аммония ($NH_4SCN$). В результате образуется комплексное соединение кроваво-красного цвета.
Уравнение реакции: $FeCl_3 + 3KSCN \rightarrow Fe(SCN)_3 + 3KCl$
Сокращенное ионное уравнение: $Fe^{3+} + 3SCN^- \rightarrow Fe(SCN)_3$

2. Определение хлорид-анионов ($Cl^-$):
Проводится реакция с раствором нитрата серебра ($AgNO_3$). В результате реакции выпадает белый творожистый осадок хлорида серебра ($AgCl$).
Уравнение реакции: $FeCl_3 + 3AgNO_3 \rightarrow 3AgCl\downarrow + Fe(NO_3)_3$
Сокращенное ионное уравнение: $Ag^+ + Cl^- \rightarrow AgCl\downarrow$

Ответ: В составе хлорида железа(III) экспериментально подтверждено наличие катионов железа(III) ($Fe^{3+}$) и хлорид-анионов ($Cl^-$).

9. Определите опытным путем растворы, находящиеся в трех склянках без этикеток:

а) уксусная кислота, карбонат калия, сульфат магния;

б) хлорид бария, сульфит калия, гидроксид натрия.

а) уксусная кислота, карбонат калия, сульфат магния

Решение
Для распознавания растворов уксусной кислоты ($CH_3COOH$), карбоната калия ($K_2CO_3$) и сульфата магния ($MgSO_4$) в трех склянках без этикеток необходимо провести попарное смешивание их содержимого. Пронумеруем склянки условно как 1, 2 и 3 и отберем из каждой пробы для проведения реакций.
При попарном смешивании растворов будут наблюдаться следующие явления:
1. При смешивании раствора уксусной кислоты с раствором карбоната калия произойдет реакция с выделением бесцветного газа без запаха (углекислого газа):
$2CH_3COOH + K_2CO_3 \rightarrow 2CH_3COOK + H_2O + CO_2\uparrow$
2. При смешивании раствора карбоната калия с раствором сульфата магния выпадет белый осадок карбоната магния:
$K_2CO_3 + MgSO_4 \rightarrow K_2SO_4 + MgCO_3\downarrow$
3. При смешивании раствора уксусной кислоты с раствором сульфата магния видимых изменений не произойдет.

Таким образом, идентификацию можно провести по следующей логической схеме:

• Находим склянку с раствором, который при добавлении к нему двух других растворов в одном случае дает газ, а в другом — осадок. В этой склянке находится карбонат калия ($K_2CO_3$).
• Склянка, содержимое которой реагирует с уже определенным карбонатом калия с выделением газа, содержит уксусную кислоту ($CH_3COOH$).
• Склянка, содержимое которой реагирует с карбонатом калия с образованием осадка, содержит сульфат магния ($MgSO_4$).

Ответ: Раствор, который вступает в реакцию с двумя другими, образуя в одном случае газ, а в другом — осадок, является карбонатом калия. Раствор, образующий газ с карбонатом калия, — это уксусная кислота. Раствор, образующий осадок с карбонатом калия, — это сульфат магния.

б) хлорид бария, сульфит калия, гидроксид натрия

Решение
Для определения растворов хлорида бария ($BaCl_2$), сульфита калия ($K_2SO_3$) и гидроксида натрия ($NaOH$) также проведем эксперимент по попарному смешиванию растворов из пронумерованных склянок.
1. Отбираем пробы и попарно смешиваем их. Один из растворов образует белый осадок с двумя другими. Этим раствором является хлорид бария.
Реакция с сульфитом калия (выпадает белый осадок сульфита бария):
$BaCl_2 + K_2SO_3 \rightarrow BaSO_3\downarrow + 2KCl$
Реакция с гидроксидом натрия (выпадает белый осадок гидроксида бария):
$BaCl_2 + 2NaOH \rightarrow Ba(OH)_2\downarrow + 2NaCl$
Два других раствора, сульфит калия и гидроксид натрия, между собой не реагируют.
2. После того как хлорид бария ($BaCl_2$) определен, необходимо различить два оставшихся раствора. Для этого можно использовать различие в свойствах осадков, которые они образуют с хлоридом бария. В две пробирки к раствору $BaCl_2$ добавляем по отдельности два неопознанных раствора. В обеих пробирках образуются осадки.
3. Далее обе пробирки с осадками необходимо нагреть. Растворимость гидроксида бария ($Ba(OH)_2$) заметно возрастает с повышением температуры, в то время как растворимость сульфита бария ($BaSO_3$) практически не меняется.

• Пробирка, в которой осадок при нагревании растворяется, содержит гидроксид бария ($Ba(OH)_2$). Следовательно, к хлориду бария был добавлен раствор гидроксида натрия ($NaOH$).
• Пробирка, в которой осадок при нагревании не растворяется, содержит сульфит бария ($BaSO_3$). Следовательно, к хлориду бария был добавлен раствор сульфита калия ($K_2SO_3$).

Ответ: Раствор, образующий осадок с двумя другими, — это хлорид бария. Чтобы различить два оставшихся раствора, нужно проверить растворимость их осадков с хлоридом бария при нагревании: тот раствор, чей осадок с $BaCl_2$ растворяется при нагревании, является гидроксидом натрия, а другой — сульфитом калия.

10. Какие реактивы потребуются для проведения химических реакций, соответствующих приведенным схемам?

a) $Ba^{2+} + SO_{4}^{2-} \rightarrow BaSO_{4}$

б) $Cu^{2+} + 2OH^{-} \rightarrow Cu(OH)_{2}$

в) $2H^{+} + CO_{3}^{2-} \rightarrow H_{2}O + CO_{2}$

Проделайте эти опыты, выделите осадки. Запишите уравнения химических реакций в молекулярной форме.

Для проведения данных химических реакций необходимо подобрать растворимые в воде вещества, которые при диссоциации образуют требуемые ионы. Запишем молекулярные уравнения для каждой схемы.

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

Решение

Для этой реакции нужен источник ионов бария $Ba^{2+}$ и источник сульфат-ионов $SO_4^{2-}$. В качестве реагентов можно взять любую растворимую соль бария (например, хлорид бария $BaCl_2$) и любую растворимую соль-сульфат или серную кислоту (например, сульфат натрия $Na_2SO_4$). При смешивании их растворов выпадает белый мелкокристаллический осадок сульфата бария.

Уравнение реакции в молекулярной форме:

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

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

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

Решение

В данном случае требуется источник ионов меди(II) $Cu^{2+}$ и гидроксид-ионов $OH^{-}$. В качестве источника ионов меди можно использовать любую растворимую соль меди(II) (например, сульфат меди(II) $CuSO_4$, раствор которого имеет голубой цвет). Источником гидроксид-ионов является любая щелочь (растворимое основание), например, гидроксид натрия $NaOH$. При добавлении раствора щелочи к раствору соли меди образуется голубой студенистый (гелеобразный) осадок гидроксида меди(II).

Уравнение реакции в молекулярной форме:

$CuSO_4 + 2NaOH \rightarrow Cu(OH)_2\downarrow + Na_2SO_4$

Ответ: $CuSO_4 + 2NaOH \rightarrow Cu(OH)_2\downarrow + Na_2SO_4$

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

Решение

Для этой реакции нужен источник ионов водорода $H^{+}$ (любая сильная кислота, например, соляная кислота $HCl$) и источник карбонат-ионов $CO_3^{2-}$ (любой растворимый карбонат, например, карбонат натрия $Na_2CO_3$). При взаимодействии кислоты с карбонатом происходит бурная реакция с выделением бесцветного газа без запаха — углекислого газа ($CO_2$). В данном случае осадок не образуется, а наблюдается "вскипание" или выделение пузырьков газа.

Уравнение реакции в молекулярной форме:

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

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

11. В трех закрытых цилиндрах находятся газы: кислород, углекислый газ, сероводород. Как различить эти газы по физическим свойствам? Как подтвердить химическими опытами, какой именно газ находится в каждом из цилиндров?

Как различить эти газы по физическим свойствам?

Для различения данных газов по физическим свойствам в первую очередь следует обратить внимание на их запах. Газы в цилиндрах — кислород ($O_2$), углекислый газ ($CO_2$) и сероводород ($H_2S$).

1. Сероводород ($H_2S$) можно легко идентифицировать по его характерному резкому и неприятному запаху тухлых яиц. Это его главное отличительное физическое свойство. Следует соблюдать осторожность, так как сероводород ядовит.

2. Кислород ($O_2$) и углекислый газ ($CO_2$) являются газами без цвета и запаха. Поэтому различить их между собой только по этим органолептическим свойствам невозможно.

Также газы различаются по плотности относительно воздуха (средняя молярная масса воздуха ≈ 29 г/моль). Молярные массы газов: $M(O_2) = 32$ г/моль, $M(H_2S) = 34$ г/моль, $M(CO_2) = 44$ г/моль. Все три газа тяжелее воздуха, причем углекислый газ — значительно. Однако определить газ по плотности без специальных приборов затруднительно.

Ответ: Сероводород можно отличить от кислорода и углекислого газа по характерному запаху тухлых яиц. Кислород и углекислый газ по основным физическим свойствам (цвет, запах) неразличимы.

Как подтвердить химическими опытами, какой именно газ находится в каждом из цилиндров?

Для химической идентификации каждого газа необходимо провести качественные реакции. Предлагается следующий план действий:

1. Определение сероводорода ($H_2S$): Отобрать пробы газа из каждого цилиндра и пропустить их через раствор соли свинца(II), например, ацетата свинца ($Pb(CH_3COO)_2$) или нитрата свинца ($Pb(NO_3)_2$). В цилиндре с сероводородом будет наблюдаться образование черного осадка сульфида свинца ($PbS$).

Уравнение реакции: $H_2S + Pb(NO_3)_2 \rightarrow PbS\downarrow + 2HNO_3$

2. Определение углекислого газа ($CO_2$): Пробы газов из двух оставшихся цилиндров пропустить через известковую воду (насыщенный раствор гидроксида кальция, $Ca(OH)_2$). Тот газ, который вызовет помутнение раствора из-за образования белого осадка карбоната кальция ($CaCO_3$), является углекислым газом.

Уравнение реакции: $CO_2 + Ca(OH)_2 \rightarrow CaCO_3\downarrow + H_2O$

3. Определение кислорода ($O_2$): Газ в последнем, третьем цилиндре — кислород. Для подтверждения этого в сосуд с пробой газа нужно внести тлеющую лучинку. Если лучинка ярко вспыхнет, это доказывает наличие кислорода, так как кислород — единственный из трех газов, который активно поддерживает горение.

Ответ: Сероводород определяется по образованию черного осадка ($PbS$) при пропускании через раствор соли свинца(II). Углекислый газ определяется по помутнению известковой воды (образование белого осадка $CaCO_3$). Кислород определяется по вспыхиванию тлеющей лучинки, внесенной в сосуд с газом.

12. В двух закрытых цилиндрах находятся газы метан и этилен. Как распознать эти газы?

Решение

Чтобы распознать метан ($CH_4$) и этилен ($C_2H_4$), находящиеся в двух разных цилиндрах, необходимо воспользоваться различиями в их химических свойствах, которые обусловлены строением их молекул. Метан — это алкан, предельный (насыщенный) углеводород, содержащий только одинарные связи. Этилен — это алкен, непредельный (ненасыщенный) углеводород, в молекуле которого есть одна двойная связь $C=C$.

Наличие двойной связи у этилена является ключом к его распознаванию, так как она обуславливает его способность вступать в качественные реакции присоединения и окисления, нехарактерные для метана в обычных условиях. Для распознавания можно провести один из следующих опытов.

Способ 1: Взаимодействие с бромной водой

Через пробы каждого газа необходимо пропустить бромную воду (водный раствор брома $Br_2$, имеющий бурый цвет). Этилен, в отличие от метана, вступит в реакцию присоединения, что приведет к обесцвечиванию раствора.

• Наблюдение с этиленом: Произойдет быстрое обесцвечивание бурой бромной воды. Реакция: $CH_2=CH_2 + Br_2 \rightarrow BrCH_2-CH_2Br$ (образуется 1,2-дибромэтан).
• Наблюдение с метаном: Цвет бромной воды не изменится, так как реакция не протекает.

Способ 2: Взаимодействие с раствором перманганата калия (реакция Вагнера)

Через пробы каждого газа необходимо пропустить водный раствор перманганата калия ($KMnO_4$), имеющий фиолетовую окраску. Этилен окисляется этим реагентом, что приводит к обесцвечиванию раствора и образованию бурого осадка.

• Наблюдение с этиленом: Фиолетовый раствор обесцветится и выпадет бурый осадок диоксида марганца ($MnO_2$). Реакция в нейтральной среде: $3CH_2=CH_2 + 2KMnO_4 + 4H_2O \rightarrow 3HOCH_2-CH_2OH + 2MnO_2\downarrow + 2KOH$.
• Наблюдение с метаном: Видимых изменений не произойдет, окраска раствора сохранится.

Ответ: Для распознавания газов следует пропустить их пробы через бромную воду или раствор перманганата калия. Газ, который вызывает обесцвечивание этих реагентов (в случае с $KMnO_4$ также образуется бурый осадок), является этиленом. Газ, который не вступает в реакцию, — метан.

13. Как очистить в домашних условиях эмалированную посуду от накипи? Подтвердите это химическими опытами и запишите соответствующие уравнения химических реакций.

Накипь, образующаяся на стенках эмалированной посуды при кипячении жесткой воды, состоит в основном из нерастворимых солей – карбоната кальция ($CaCO_3$) и карбоната магния ($MgCO_3$). Эти соли образуются при термическом разложении растворимых гидрокарбонатов кальция и магния.

Для удаления накипи необходимо перевести нерастворимые карбонаты в растворимые соединения. Этого можно достичь с помощью кислот, так как карбонаты, будучи солями слабой угольной кислоты ($H_2CO_3$), вступают в реакцию с более сильными кислотами. В домашних условиях для этой цели идеально подходят безопасные пищевые кислоты, которые не повреждают эмалированное покрытие посуды.

Способ очистки и химический опыт

Самыми доступными и эффективными средствами для удаления накипи являются растворы уксусной или лимонной кислоты.

Для очистки необходимо приготовить водный раствор одной из кислот и залить его в посуду так, чтобы он полностью покрывал слой накипи.
- Раствор уксусной кислоты: используется столовый уксус (9% раствор $CH_3COOH$), разбавленный водой в соотношении примерно 1:10 (например, 100 мл уксуса на 1 литр воды).
- Раствор лимонной кислоты: 20–40 грамм (1–2 столовые ложки) порошка лимонной кислоты ($C_6H_8O_7$) растворяют в 1 литре воды.

Для ускорения процесса раствор в посуде следует нагреть (не доводя до сильного кипения) и оставить на 20–60 минут, в зависимости от толщины налета.

Подтверждением эффективности метода служит простой химический опыт, который происходит прямо в процессе чистки. При контакте раствора кислоты с накипью наблюдается шипение – это выделяется углекислый газ ($CO_2$). Постепенно твердый слой накипи разрушается и полностью растворяется. После завершения реакции посуду достаточно тщательно промыть чистой водой.

Уравнения химических реакций

Химическая суть процесса очистки заключается в следующих реакциях:

1. Взаимодействие с уксусной кислотой ($CH_3COOH$):
Карбонат кальция и карбонат магния реагируют с уксусной кислотой с образованием растворимых солей (ацетатов), воды и углекислого газа.
$CaCO_3 + 2CH_3COOH \rightarrow (CH_3COO)_2Ca + H_2O + CO_2 \uparrow$
$MgCO_3 + 2CH_3COOH \rightarrow (CH_3COO)_2Mg + H_2O + CO_2 \uparrow$

2. Взаимодействие с лимонной кислотой ($C_6H_8O_7$):
Лимонная кислота (трехосновная) реагирует с карбонатами, образуя растворимые соли (цитраты), воду и углекислый газ.
$3CaCO_3 + 2C_6H_8O_7 \rightarrow Ca_3(C_6H_5O_7)_2 + 3H_2O + 3CO_2 \uparrow$
$3MgCO_3 + 2C_6H_8O_7 \rightarrow Mg_3(C_6H_5O_7)_2 + 3H_2O + 3CO_2 \uparrow$

Ответ:
В домашних условиях эмалированную посуду очищают от накипи (состоящей из $CaCO_3$ и $MgCO_3$) с помощью нагревания в ней водных растворов пищевых кислот — уксусной ($CH_3COOH$) или лимонной ($C_6H_8O_7$). Химическим подтверждением является реакция, сопровождающаяся выделением пузырьков углекислого газа ($CO_2$) и растворением накипи.
Уравнения реакций (на примере карбоната кальция):
$CaCO_3 + 2CH_3COOH \rightarrow (CH_3COO)_2Ca \text{ (растворим)} + H_2O + CO_2 \uparrow$
$3CaCO_3 + 2C_6H_8O_7 \rightarrow Ca_3(C_6H_5O_7)_2 \text{ (растворим)} + 3H_2O + 3CO_2 \uparrow$

14. Как доказать, что образец воды обладает постоянной жесткостью? Запишите соответствующие уравнения химических реакций (в полном ионном и сокращенном виде).

Постоянная (или некарбонатная) жесткость воды обусловлена присутствием в ней растворенных солей сильных кислот, в основном хлоридов и сульфатов кальция ($CaCl_2$, $CaSO_4$) и магния ($MgCl_2$, $MgSO_4$). В отличие от временной (карбонатной) жесткости, постоянная жесткость не устраняется кипячением.

Чтобы доказать наличие постоянной жесткости, образец воды необходимо сначала прокипятить. При кипячении гидрокарбонаты кальция и магния, вызывающие временную жесткость, разлагаются с образованием нерастворимых карбонатов, которые выпадают в осадок. После кипячения воду следует отфильтровать, чтобы удалить образовавшийся осадок.

Затем в отфильтрованную воду добавляют реагент, который способен осаждать ионы $Ca^{2+}$ и $Mg^{2+}$, оставшиеся в растворе и обуславливающие постоянную жесткость. В качестве такого реагента обычно используют раствор карбоната натрия ($Na_2CO_3$). Если после добавления карбоната натрия наблюдается помутнение и выпадение нового осадка, это доказывает, что в воде присутствовали соли, вызывающие постоянную жесткость.

Решение

Ниже приведены уравнения реакций, подтверждающих наличие ионов $Ca^{2+}$ и $Mg^{2+}$ в воде после устранения временной жесткости кипячением. В качестве примера взяты реакции с хлоридом кальция и сульфатом магния при добавлении карбоната натрия.

1. Реакция для обнаружения ионов кальция (например, из хлорида кальция):

Молекулярное уравнение реакции, показывающее образование белого осадка карбоната кальция:

$CaCl_2 + Na_2CO_3 \rightarrow CaCO_3 \downarrow + 2NaCl$

Полное ионное уравнение, показывающее все ионы, присутствующие в растворе:

$Ca^{2+} + 2Cl^{-} + 2Na^{+} + CO_3^{2-} \rightarrow CaCO_3 \downarrow + 2Na^{+} + 2Cl^{-}$

Сокращенное ионное уравнение, показывающее только те ионы, которые участвуют в образовании осадка:

$Ca^{2+} + CO_3^{2-} \rightarrow CaCO_3 \downarrow$

2. Реакция для обнаружения ионов магния (например, из сульфата магния):

Молекулярное уравнение реакции, показывающее образование белого осадка карбоната магния:

$MgSO_4 + Na_2CO_3 \rightarrow MgCO_3 \downarrow + Na_2SO_4$

Полное ионное уравнение:

$Mg^{2+} + SO_4^{2-} + 2Na^{+} + CO_3^{2-} \rightarrow MgCO_3 \downarrow + 2Na^{+} + SO_4^{2-}$

Сокращенное ионное уравнение:

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

Ответ:

Чтобы доказать, что образец воды обладает постоянной жесткостью, его необходимо прокипятить, отфильтровать, а затем добавить к фильтрату раствор карбоната натрия ($Na_2CO_3$). Выпадение осадка карбоната кальция ($CaCO_3$) или карбоната магния ($MgCO_3$) подтверждает наличие постоянной жесткости. Химические процессы описываются приведенными выше уравнениями реакций, где ключевыми являются сокращенные ионные уравнения, показывающие образование осадков: $Ca^{2+} + CO_3^{2-} \rightarrow CaCO_3 \downarrow$ и $Mg^{2+} + CO_3^{2-} \rightarrow MgCO_3 \downarrow$.