Страница 145 - гдз по химии 8 класс учебник Рудзитис, Фельдман

1. Какие вещества называют оксидами и как их классифицируют? Начертите в тетрадях таблицу и в соответствующих графах запишите перечисленные ниже формулы оксидов: $Na_{2}O$, $N_{2}O_{5}$, $SiO_{2}$, $CaO$, $CrO$, $CrO_{3}$, $CuO$, $Mn_{2}O_{7}$, $FeO$, $SO_{2}$. Дайте оксидам названия.

Оксиды — это сложные вещества, которые состоят из двух химических элементов, один из которых — кислород в степени окисления -2.

Классификация оксидов основана на их химических свойствах, то есть на их способности вступать в реакции с другими классами соединений (кислотами, основаниями). По этому признаку оксиды делят на несколько групп:

• Основные оксиды. Это оксиды, образованные металлами с низкой степенью окисления (+1 или +2). Они реагируют с кислотами, образуя соль и воду, и им соответствуют основания (гидроксиды). Примеры из списка: $Na_2O$ (оксид натрия, ему соответствует основание $NaOH$), $CaO$ (оксид кальция, ему соответствует $Ca(OH)_2$), $CrO$ (оксид хрома(II)), $CuO$ (оксид меди(II)), $FeO$ (оксид железа(II)).
• Кислотные оксиды. Это оксиды, образованные неметаллами или металлами в высоких степенях окисления (как правило, от +5 до +7). Они реагируют с основаниями, образуя соль и воду, и им соответствуют кислоты. Примеры из списка: $N_2O_5$ (оксид азота(V), ему соответствует азотная кислота $HNO_3$), $SiO_2$ (оксид кремния(IV), ему соответствует кремниевая кислота $H_2SiO_3$), $SO_2$ (оксид серы(IV), ему соответствует сернистая кислота $H_2SO_3$), $CrO_3$ (оксид хрома(VI)), $Mn_2O_7$ (оксид марганца(VII)).
• Амфотерные оксиды. Это оксиды, которые проявляют двойственные свойства: они могут реагировать как с кислотами, так и с основаниями. Обычно их образуют металлы в промежуточных степенях окисления (+3, +4), например $Al_2O_3, ZnO$. В рамках данной задачи эта группа не выделена.

На основании этих принципов классифицируем предоставленные оксиды и заполним таблицу.

Ответ:

2. Составьте уравнения реакций, схемы которых даны ниже:

а) $Li + ... \rightarrow Li_2O$

б) $Ca + ... \rightarrow CaO$

в) $C + ... \rightarrow CO_2$

г) $Al + ... \rightarrow Al_2O_3$

д) $PH_3 + ... \rightarrow P_2O_5 + H_2O$

е) $Li_2O + ... \rightarrow LiNO_3 + H_2O$

ж) $CuO + ... \rightarrow CuCl_2 + H_2O$

з) $Li_2O + ... \rightarrow LiOH$

и) $P_2O_5 + ... \rightarrow H_3PO_4$

к) $SO_3 + ... \rightarrow Na_2SO_4 + ...$

а) В данной схеме литий $Li$ вступает в реакцию с кислородом $O_2$ с образованием оксида лития $Li_2O$. Это реакция соединения. Чтобы уравнять количество атомов, сначала удваиваем количество молекул оксида лития, чтобы уравнять кислород ($2Li_2O$), а затем ставим коэффициент 4 перед литием, чтобы уравнять литий.
Ответ: $4Li + O_2 \rightarrow 2Li_2O$

б) Кальций $Ca$ реагирует с кислородом $O_2$, образуя оксид кальция $CaO$. Это реакция соединения. Для уравнивания сначала ставим коэффициент 2 перед $CaO$, чтобы уравнять кислород, а затем ставим коэффициент 2 перед $Ca$, чтобы уравнять кальций.
Ответ: $2Ca + O_2 \rightarrow 2CaO$

в) Углерод $C$ сгорает в кислороде $O_2$ с образованием диоксида углерода $CO_2$. Это реакция горения (соединения). Уравнение уже сбалансировано, так как количество атомов каждого элемента одинаково в левой и правой частях.
Ответ: $C + O_2 \rightarrow CO_2$

г) Алюминий $Al$ реагирует с кислородом $O_2$ с образованием оксида алюминия $Al_2O_3$. Это реакция соединения. Для уравнивания сначала находим наименьшее общее кратное для атомов кислорода (6), ставим коэффициент 3 перед $O_2$ и 2 перед $Al_2O_3$. Затем уравниваем алюминий, ставя коэффициент 4 перед $Al$.
Ответ: $4Al + 3O_2 \rightarrow 2Al_2O_3$

д) Фосфин $PH_3$ сгорает в кислороде $O_2$, образуя оксид фосфора(V) $P_2O_5$ и воду $H_2O$. Это реакция окисления. Для уравнивания сначала ставим коэффициент 2 перед $PH_3$, чтобы уравнять фосфор. Затем ставим коэффициент 3 перед $H_2O$, чтобы уравнять водород. Наконец, считаем атомы кислорода справа ($5 + 3 = 8$) и ставим коэффициент 4 перед $O_2$ слева.
Ответ: $2PH_3 + 4O_2 \rightarrow P_2O_5 + 3H_2O$

е) Оксид лития $Li_2O$ (основный оксид) реагирует с азотной кислотой $HNO_3$ с образованием соли нитрата лития $LiNO_3$ и воды $H_2O$. Это реакция нейтрализации. Для уравнивания сначала ставим коэффициент 2 перед $LiNO_3$, чтобы уравнять литий. Затем ставим коэффициент 2 перед $HNO_3$, чтобы уравнять азот и водород.
Ответ: $Li_2O + 2HNO_3 \rightarrow 2LiNO_3 + H_2O$

ж) Оксид меди(II) $CuO$ (основный оксид) реагирует с соляной кислотой $HCl$ с образованием соли хлорида меди(II) $CuCl_2$ и воды $H_2O$. Это реакция обмена. Для уравнивания ставим коэффициент 2 перед $HCl$, чтобы уравнять количество атомов хлора и водорода.
Ответ: $CuO + 2HCl \rightarrow CuCl_2 + H_2O$

з) Оксид лития $Li_2O$ (оксид щелочного металла) реагирует с водой $H_2O$ с образованием гидроксида лития $LiOH$. Это реакция соединения. Для уравнивания ставим коэффициент 2 перед $LiOH$, чтобы уравнять количество атомов лития, кислорода и водорода.
Ответ: $Li_2O + H_2O \rightarrow 2LiOH$

и) Оксид фосфора(V) $P_2O_5$ (кислотный оксид) реагирует с водой $H_2O$ с образованием ортофосфорной кислоты $H_3PO_4$. Это реакция соединения. Сначала уравниваем фосфор, ставя коэффициент 2 перед $H_3PO_4$. Затем уравниваем водород, ставя коэффициент 3 перед $H_2O$. Проверка по кислороду показывает, что уравнение сбалансировано.
Ответ: $P_2O_5 + 3H_2O \rightarrow 2H_3PO_4$

к) Оксид серы(VI) $SO_3$ (кислотный оксид) реагирует с основанием, таким как гидроксид натрия $NaOH$, с образованием соли сульфата натрия $Na_2SO_4$ и воды $H_2O$. Это реакция нейтрализации. Для уравнивания ставим коэффициент 2 перед $NaOH$, чтобы уравнять натрий. Остальные элементы уравниваются автоматически.
Ответ: $SO_3 + 2NaOH \rightarrow Na_2SO_4 + H_2O$

3. Напишите формулы оксидов, которым соответствуют следующие кислоты: $H_2SO_4$, $H_2SO_3$, $H_2CO_3$, $H_2SiO_3$, $HMnO_4$, $H_3BO_3$.

Чтобы найти оксид, соответствующий кислородсодержащей кислоте, необходимо определить степень окисления кислотообразующего элемента (неметалла или амфотерного металла) в данной кислоте. Затем нужно составить формулу оксида, в котором этот элемент будет проявлять ту же самую степень окисления. Данное соответствие можно также представить как результат реакции дегидратации (отнятия молекул воды) кислоты.

$H_2SO_4$ (серная кислота)

Определим степень окисления серы (S). Степень окисления водорода (H) в кислотах всегда +1, а кислорода (O) – -2. Пусть степень окисления серы равна $x$. Так как молекула электронейтральна, сумма степеней окисления всех атомов в ней равна нулю. Составим уравнение: $2 \cdot (+1) + x + 4 \cdot (-2) = 0$ $2 + x - 8 = 0$ $x = +6$ Следовательно, степень окисления серы в серной кислоте равна +6. Соответствующий ей оксид — это оксид серы(VI).

Ответ: $SO_3$.

$H_2SO_3$ (сернистая кислота)

Определим степень окисления серы (S) в сернистой кислоте. $2 \cdot (+1) + x + 3 \cdot (-2) = 0$ $2 + x - 6 = 0$ $x = +4$ Степень окисления серы равна +4. Соответствующий ей оксид — это оксид серы(IV).

Ответ: $SO_2$.

$H_2CO_3$ (угольная кислота)

Определим степень окисления углерода (C) в угольной кислоте. $2 \cdot (+1) + x + 3 \cdot (-2) = 0$ $2 + x - 6 = 0$ $x = +4$ Степень окисления углерода равна +4. Соответствующий ему оксид — это оксид углерода(IV).

Ответ: $CO_2$.

$H_2SiO_3$ (кремниевая кислота)

Определим степень окисления кремния (Si) в кремниевой кислоте. $2 \cdot (+1) + x + 3 \cdot (-2) = 0$ $2 + x - 6 = 0$ $x = +4$ Степень окисления кремния равна +4. Соответствующий ему оксид — это оксид кремния(IV).

Ответ: $SiO_2$.

$HMnO_4$ (марганцовая кислота)

Определим степень окисления марганца (Mn) в марганцовой кислоте. $1 \cdot (+1) + x + 4 \cdot (-2) = 0$ $1 + x - 8 = 0$ $x = +7$ Степень окисления марганца равна +7. Соответствующий ему оксид — это оксид марганца(VII). Для получения этого оксида требуется дегидратация двух молекул кислоты: $2HMnO_4 \rightarrow Mn_2O_7 + H_2O$.

Ответ: $Mn_2O_7$.

$H_3BO_3$ (борная кислота)

Определим степень окисления бора (B) в борной кислоте. $3 \cdot (+1) + x + 3 \cdot (-2) = 0$ $3 + x - 6 = 0$ $x = +3$ Степень окисления бора равна +3. Соответствующий ему оксид — это оксид бора(III). Для получения этого оксида требуется дегидратация двух молекул кислоты: $2H_3BO_3 \rightarrow B_2O_3 + 3H_2O$.

Ответ: $B_2O_3$.

4. Напишите уравнения химических реакций, соответствующие следующим превращениям:

а) $Ca \to CaO \to Ca(OH)_2$

б) $Cu \to CuO \to CuSO_4$

в) $P \to P_2O_5 \to H_3PO_4$

г) $SO_3 + ... \to K_2SO_4 + ...$

д) $N_2O_5 + LiOH \to ...$

е) $P_2O_5 + ... \to Ca_3(PO_4)_2 + ...$

а)

Для осуществления данной цепочки превращений необходимо написать уравнения для двух последовательных реакций.

1. Получение оксида кальция $CaO$ из металлического кальция $Ca$. Это реакция взаимодействия кальция с кислородом (горение):

$2Ca + O_2 \rightarrow 2CaO$

2. Получение гидроксида кальция $Ca(OH)_2$ из оксида кальция $CaO$. Это реакция взаимодействия оксида кальция с водой:

$CaO + H_2O \rightarrow Ca(OH)_2$

Ответ:
$2Ca + O_2 \rightarrow 2CaO$
$CaO + H_2O \rightarrow Ca(OH)_2$

б)

Данная цепочка превращений описывает получение сульфата меди(II) из металлической меди в две стадии.

1. Получение оксида меди(II) $CuO$ из меди $Cu$. Реакция окисления меди кислородом при нагревании:

$2Cu + O_2 \xrightarrow{t} 2CuO$

2. Получение сульфата меди(II) $CuSO_4$ из оксида меди(II) $CuO$. Оксид меди(II) является основным оксидом и реагирует с кислотами, в данном случае с серной кислотой $H_2SO_4$:

$CuO + H_2SO_4 \rightarrow CuSO_4 + H_2O$

Ответ:
$2Cu + O_2 \xrightarrow{t} 2CuO$
$CuO + H_2SO_4 \rightarrow CuSO_4 + H_2O$

в)

Данная цепочка превращений описывает получение ортофосфорной кислоты из фосфора в две стадии.

1. Получение оксида фосфора(V) $P_2O_5$ из фосфора $P$. Реакция горения фосфора в избытке кислорода:

$4P + 5O_2 \rightarrow 2P_2O_5$

2. Получение ортофосфорной кислоты $H_3PO_4$ из оксида фосфора(V) $P_2O_5$. Оксид фосфора(V) является кислотным оксидом и реагирует с водой:

$P_2O_5 + 3H_2O \rightarrow 2H_3PO_4$

Ответ:
$4P + 5O_2 \rightarrow 2P_2O_5$
$P_2O_5 + 3H_2O \rightarrow 2H_3PO_4$

г)

В данном уравнении необходимо дополнить реагенты и продукты. Оксид серы(VI) $SO_3$ является кислотным оксидом. Для получения соли сульфата калия $K_2SO_4$ он должен прореагировать с основанием, содержащим калий, например, с гидроксидом калия $KOH$. В результате реакции образуется соль и вода.

$SO_3 + 2KOH \rightarrow K_2SO_4 + H_2O$

Ответ: $SO_3 + 2KOH \rightarrow K_2SO_4 + H_2O$

д)

В данном уравнении необходимо определить продукты реакции. Оксид азота(V) $N_2O_5$ — кислотный оксид, а гидроксид лития $LiOH$ — основание (щёлочь). Их взаимодействие является реакцией нейтрализации, в результате которой образуются соль (нитрат лития $LiNO_3$) и вода $H_2O$.

$N_2O_5 + 2LiOH \rightarrow 2LiNO_3 + H_2O$

Ответ: $N_2O_5 + 2LiOH \rightarrow 2LiNO_3 + H_2O$

е)

В данном уравнении необходимо дополнить реагенты и продукты. Оксид фосфора(V) $P_2O_5$ — кислотный оксид. Чтобы получить соль фосфат кальция $Ca_3(PO_4)_2$, он должен прореагировать с веществом, содержащим кальций. Это может быть оксид кальция $CaO$ или гидроксид кальция $Ca(OH)_2$. Наличие второго продукта в правой части уравнения (`+ ...`) указывает на то, что это, скорее всего, вода. Следовательно, реакция протекает с гидроксидом кальция.

$P_2O_5 + 3Ca(OH)_2 \rightarrow Ca_3(PO_4)_2 + 3H_2O$

Ответ: $P_2O_5 + 3Ca(OH)_2 \rightarrow Ca_3(PO_4)_2 + 3H_2O$

5. Перечислите некоторые отрасли экономики, в которых применяют оксиды. Приведите примеры.

Оксиды — это бинарные соединения химических элементов с кислородом, которые находят широчайшее применение в различных отраслях экономики благодаря разнообразию своих физических и химических свойств. Ниже перечислены некоторые из этих отраслей с примерами.

Строительство и производство строительных материалов

В этой отрасли оксиды являются основой для производства ключевых материалов.

• Оксид кремния(IV) ($SiO_2$): основной компонент песка и кварца. Используется для производства бетона, силикатного кирпича и, что наиболее важно, стекла.
• Оксид кальция ($CaO$): известен как негашеная известь. Получается при обжиге известняка ($CaCO_3$). Является важнейшим компонентом цемента и используется при изготовлении известковых строительных растворов.
• Оксиды железа ($Fe_2O_3$, $Fe_3O_4$): применяются в качестве природных минеральных пигментов (охра, сурик) для окрашивания бетона, черепицы, тротуарной плитки и красок.
• Оксид алюминия ($Al_2O_3$): входит в состав глин, которые служат сырьем для производства кирпича и керамических изделий.

Металлургия

Металлургическая промышленность использует оксиды в качестве основного сырья для получения металлов.

• Оксиды железа (гематит $Fe_2O_3$, магнетит $Fe_3O_4$): являются основной железной рудой, из которой в доменных печах выплавляют чугун, а затем сталь.
• Оксид алюминия ($Al_2O_3$): содержится в бокситах — главной руде для производства алюминия методом электролиза.
• Оксид хрома(III) ($Cr_2O_3$): используется для получения металлического хрома, а также для производства огнеупорных материалов, выдерживающих высокие температуры в металлургических печах.

Химическая промышленность

Многие оксиды служат сырьем или катализаторами для синтеза важнейших химических продуктов.

• Оксид серы(VI) ($SO_3$): промежуточный продукт при производстве серной кислоты ($H_2SO_4$) — одного из самых крупнотоннажных продуктов химической промышленности. Его получают окислением оксида серы(IV) ($SO_2$).
• Оксиды азота (например, $N_2O_5$): используются в производстве азотной кислоты ($HNO_3$), необходимой для создания удобрений и взрывчатых веществ.
• Оксид фосфора(V) ($P_2O_5$): применяется для получения ортофосфорной кислоты ($H_3PO_4$), которая является основой для фосфорных удобрений.

Лакокрасочная промышленность и производство пигментов

Многие оксиды металлов обладают ярким цветом и высокой кроющей способностью, что делает их незаменимыми пигментами.

• Оксид титана(IV) ($TiO_2$): самый распространенный белый пигмент. Используется в красках, пластмассах, бумаге для придания им белизны и непрозрачности.
• Оксид цинка ($ZnO$): белый пигмент (цинковые белила), также обладающий антисептическими и противокоррозионными свойствами.
• Оксид хрома(III) ($Cr_2O_3$): стойкий зеленый пигмент.

Электроника

В современной электронике оксиды играют ключевую роль диэлектриков, полупроводников и проводников.

• Оксид кремния(IV) ($SiO_2$): является фундаментальным материалом в микроэлектронике, где он используется в качестве высококачественного изолятора в транзисторах и для пассивации поверхности кремниевых чипов.
• Оксид индия-олова (смесь $In_2O_3$ и $SnO_2$): прозрачный и электропроводный материал, который используется для создания электродов в жидкокристаллических дисплеях (LCD), сенсорных экранах и солнечных батареях.

Ответ: Оксиды широко применяются в таких отраслях экономики, как строительство (оксиды кремния $SiO_2$, кальция $CaO$, железа $Fe_2O_3$ для бетона, стекла, цемента и пигментов), металлургия (оксиды железа и алюминия $Al_2O_3$ как руда для получения металлов), химическая промышленность (оксиды серы $SO_3$ и фосфора $P_2O_5$ для производства кислот и удобрений), лакокрасочная промышленность (оксиды титана $TiO_2$ и цинка $ZnO$ как белые пигменты) и электроника (оксид кремния $SiO_2$ как изолятор в микросхемах).

6. Выведите химическую формулу оксида, если известно, что натрий с кислородом соединяется в массовом отношении $2,3 : 0,8$.

Дано:

Массовое отношение элементов в оксиде: $m(Na) : m(O) = 2,3 : 0,8$.

Найти:

Простейшую химическую формулу оксида.

Решение:

1. Обозначим химическую формулу оксида как $Na_xO_y$, где $x$ и $y$ – это индексы, которые показывают соотношение числа атомов элементов в соединении.

2. Соотношение индексов в химической формуле равно соотношению количеств вещества (в молях) атомов каждого элемента:

$x : y = \nu(Na) : \nu(O)$

3. Количество вещества ($\nu$) каждого элемента можно рассчитать по формуле $\nu = m / M$, где $m$ – масса элемента, а $M$ – его молярная масса.

4. Найдём относительные атомные массы натрия ($Ar(Na)$) и кислорода ($Ar(O)$) из Периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева. Их численные значения равны молярным массам ($M$):

$M(Na) \approx 23 \text{ г/моль}$

$M(O) \approx 16 \text{ г/моль}$

5. Теперь найдём соотношение количеств вещества натрия и кислорода, используя их массы из заданного в условии соотношения:

$x : y = \frac{m(Na)}{M(Na)} : \frac{m(O)}{M(O)}$

Подставим числовые значения:

$x : y = \frac{2,3}{23} : \frac{0,8}{16}$

6. Выполним вычисления:

$x : y = 0,1 : 0,05$

7. Мы получили мольное соотношение атомов. Чтобы найти простейшую формулу, нужно привести это соотношение к целым числам. Для этого разделим оба числа в соотношении на наименьшее из них (в данном случае на 0,05):

$x : y = \frac{0,1}{0,05} : \frac{0,05}{0,05}$

$x : y = 2 : 1$

8. Таким образом, в молекуле оксида на два атома натрия приходится один атом кислорода. Следовательно, искомая химическая формула – $Na_2O$.

Ответ: Химическая формула оксида – $Na_2O$.

7. Вычислите массу фосфорной кислоты, полученной при растворении 42,6 г оксида фосфора(V) в воде.

Дано:

$m(P_2O_5) = 42.6 \text{ г}$

Система СИ:
$m(P_2O_5) = 0.0426 \text{ кг}$

Найти:

$m(H_3PO_4) - ?$

Решение:

1. Запишем уравнение реакции взаимодействия оксида фосфора(V) с водой с образованием фосфорной кислоты:

$P_2O_5 + 3H_2O \rightarrow 2H_3PO_4$

2. Рассчитаем молярную массу оксида фосфора(V) ($P_2O_5$). Атомные массы элементов: $Ar(P) \approx 31$, $Ar(O) \approx 16$.

$M(P_2O_5) = 2 \cdot Ar(P) + 5 \cdot Ar(O) = 2 \cdot 31 + 5 \cdot 16 = 62 + 80 = 142 \text{ г/моль}$

3. Найдем количество вещества оксида фосфора(V) в 42,6 г:

$n(P_2O_5) = \frac{m(P_2O_5)}{M(P_2O_5)} = \frac{42.6 \text{ г}}{142 \text{ г/моль}} = 0.3 \text{ моль}$

4. По уравнению реакции определим количество вещества фосфорной кислоты ($H_3PO_4$), которое образуется из 0,3 моль $P_2O_5$. Соотношение количеств веществ $n(P_2O_5) : n(H_3PO_4)$ равно $1 : 2$.

$n(H_3PO_4) = 2 \cdot n(P_2O_5) = 2 \cdot 0.3 \text{ моль} = 0.6 \text{ моль}$

5. Рассчитаем молярную массу фосфорной кислоты ($H_3PO_4$). Атомные массы элементов: $Ar(H) \approx 1$, $Ar(P) \approx 31$, $Ar(O) \approx 16$.

$M(H_3PO_4) = 3 \cdot Ar(H) + Ar(P) + 4 \cdot Ar(O) = 3 \cdot 1 + 31 + 4 \cdot 16 = 3 + 31 + 64 = 98 \text{ г/моль}$

6. Теперь вычислим массу полученной фосфорной кислоты:

$m(H_3PO_4) = n(H_3PO_4) \cdot M(H_3PO_4) = 0.6 \text{ моль} \cdot 98 \text{ г/моль} = 58.8 \text{ г}$

Ответ: масса полученной фосфорной кислоты составляет 58,8 г.