Страница 57 - гдз по химии 8 класс учебник Журин

МОИ ХИМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

Получение медного купороса.

«ПОМОЩНИК»

В химический стакан положите 1 ложку-дозатор порошка оксида меди(II) и влейте 10 мл раствора серной кислоты.

На кольцо штатива положите огнезащитную прокладку и поставьте на неё стакан с полученной смесью.

Под стакан поставьте горящую спиртовку, нагревайте смесь, помешивая стеклянной палочкой. Не доводите смесь до кипения!

Когда большая часть оксида меди(II) прореагирует, прекратите нагревание.

С помощью пипетки нанесите каплю полученного раствора на стеклянную пластинку и, держа её высоко над пламенем, выпарите воду.

В представленной инструкции описан лабораторный опыт по получению медного купороса (пентагидрата сульфата меди(II)) путём взаимодействия оксида меди(II) с серной кислотой. Ниже представлен развернутый анализ этого химического процесса.

В основе эксперимента лежит химическая реакция между основным оксидом — оксидом меди(II) ($CuO$) — и сильной кислотой — серной кислотой ($H_2SO_4$). В результате реакции образуется соль — сульфат меди(II) ($CuSO_4$) — и вода ($H_2O$). Эта реакция относится к реакциям обмена, а также является реакцией нейтрализации, так как основный оксид нейтрализует кислоту.

Молекулярное уравнение реакции выглядит следующим образом:

$CuO_{(тв)} + H_2SO_4{(р-р)} \rightarrow CuSO_4{(р-р)} + H_2O_{(ж)}$

где _(тв) — твердое вещество, _(р-р) — раствор, _(ж) — жидкость.

Ответ: Химический процесс описывается уравнением реакции обмена: $CuO + H_2SO_4 \rightarrow CuSO_4 + H_2O$.

Каждый шаг в инструкции имеет своё конкретное назначение:

• Смешивание реагентов: В химический стакан помещают порошок оксида меди(II) (чёрного цвета) и раствор серной кислоты (бесцветная жидкость). Этот шаг инициирует химическую реакцию.
• Нагревание смеси: Реакция между оксидом меди(II) и разбавленной серной кислотой при комнатной температуре протекает медленно. Нагревание на спиртовке значительно увеличивает скорость реакции. Помешивание стеклянной палочкой обеспечивает равномерный прогрев и лучший контакт между реагентами. Предупреждение «Не доводите смесь до кипения!» необходимо для безопасности: при кипении возможны брызги горячей кислоты, что очень опасно.
• Завершение реакции: Нагревание прекращают, когда прореагирует большая часть оксида меди(II). Визуально это определяется по исчезновению черного порошка и образованию раствора характерного синего или голубого цвета.
• Выделение продукта: Нанесение капли раствора на стеклянную пластинку и последующее выпаривание воды — это способ доказать образование в растворе твёрдого вещества (соли) и получить небольшой его образец. Вода испаряется, а на стекле остаются кристаллы продукта. Выпаривание «высоко над пламенем» позволяет провести процесс медленно, что способствует образованию более крупных и правильных кристаллов и предотвращает разложение сульфата меди при сильном нагреве.

Ответ: Цель эксперимента — синтезировать сульфат меди(II). Нагревание и перемешивание ускоряют реакцию, а выпаривание позволяет выделить твёрдый продукт из раствора.

В ходе эксперимента наблюдаются следующие изменения:

1. Изначально в стакане находится гетерогенная смесь, состоящая из черного порошка оксида меди(II) и бесцветного раствора серной кислоты.
2. При нагревании черный порошок постепенно растворяется.
3. Раствор приобретает интенсивный сине-голубой цвет. Этот цвет обусловлен присутствием в растворе гидратированных ионов меди(II) — $[Cu(H_2O)_6]^{2+}$.
4. После выпаривания воды из капли раствора на стеклянной пластинке образуется твёрдое вещество.

Конечным продуктом, который образуется при кристаллизации из водного раствора, является медный купорос. Это кристаллогидрат сульфата меди(II), имеющий химическую формулу $CuSO_4 \cdot 5H_2O$. Он представляет собой кристаллическое вещество ярко-синего цвета.

Ответ: В результате реакции черного оксида меди(II) и бесцветной серной кислоты образуется синий раствор сульфата меди(II), из которого при выпаривании воды кристаллизуется медный купорос — синие кристаллы состава $CuSO_4 \cdot 5H_2O$.

Какими общими свойствами обладают кислоты?

Кислоты — это сложные вещества, которые в водных растворах диссоциируют с образованием катионов водорода $H^+$ и анионов кислотного остатка. Наличие свободных ионов водорода $H^+$ и определяет общие химические свойства всех кислот.

Взаимодействие с индикаторами
Кислоты изменяют окраску индикаторов, указывая на кислую среду ($pH < 7$). Например, лакмус в кислой среде становится красным, метиловый оранжевый (метилоранж) — розовым, а фенолфталеин остается бесцветным.

Взаимодействие с металлами
Кислоты (за исключением азотной и концентрированной серной) реагируют с металлами, стоящими в электрохимическом ряду напряжений до водорода (H). В результате реакции замещения образуется соль и выделяется газообразный водород.
Пример: $Zn + 2HCl \rightarrow ZnCl_2 + H_2 \uparrow$

Взаимодействие с основными и амфотерными оксидами
Кислоты вступают в реакцию обмена с оксидами металлов, которые проявляют основные или амфотерные свойства. Продуктами такой реакции являются соль и вода.
Пример с основным оксидом: $CaO + 2HNO_3 \rightarrow Ca(NO_3)_2 + H_2O$
Пример с амфотерным оксидом: $Al_2O_3 + 3H_2SO_4 \rightarrow Al_2(SO_4)_3 + 3H_2O$

Взаимодействие с основаниями (реакция нейтрализации)
Кислоты реагируют как с растворимыми (щелочами), так и с нерастворимыми основаниями. Эта реакция обмена называется реакцией нейтрализации, так как в ее ходе кислота и основание взаимно нейтрализуют друг друга, образуя соль и воду.
Пример со щелочью: $H_2SO_4 + 2NaOH \rightarrow Na_2SO_4 + 2H_2O$
Пример с нерастворимым основанием: $3HCl + Fe(OH)_3 \rightarrow FeCl_3 + 3H_2O$

Взаимодействие с солями
Реакция кислоты с солью возможна, если в результате образуется нерастворимое вещество (осадок), выделяется газ или образуется более слабая кислота. Как правило, более сильная и нелетучая кислота вытесняет более слабую или летучую из её соли.
Пример с выделением газа: $2HCl + Na_2CO_3 \rightarrow 2NaCl + H_2O + CO_2 \uparrow$
Пример с выпадением осадка: $H_2SO_4 + BaCl_2 \rightarrow BaSO_4 \downarrow + 2HCl$

Кроме химических свойств, для кислот характерно и общее физическое свойство — кислый вкус. Однако пробовать химические вещества на вкус категорически запрещено.

Ответ: Общими свойствами кислот являются: кислый вкус, способность изменять окраску индикаторов, а также вступать в химические реакции с металлами (стоящими до водорода в ряду активности), основными и амфотерными оксидами, основаниями (реакция нейтрализации) и солями (при условии образования осадка, газа или более слабой кислоты). Все эти свойства обусловлены наличием катионов водорода $H^+$ в водных растворах кислот.

Чем серная и азотная кислоты отличаются от других кислот?

Серная ($H_2SO_4$) и азотная ($HNO_3$) кислоты выделяются среди других кислот, в первую очередь, своими сильными окислительными свойствами, которые обусловлены наличием в их составе атомов серы и азота в высших степенях окисления ($S^{+6}$ и $N^{+5}$ соответственно). У большинства других кислот (например, соляной $HCl$, ортофосфорной $H_3PO_4$, угольной $H_2CO_3$) окислителем в реакциях с металлами выступает только катион водорода $H^+$. Это ключевое различие приводит к ряду уникальных химических свойств.

Сильные окислительные свойства

В концентрированных растворах серной и азотной кислот главным окислителем является не ион водорода, а кислотный остаток, точнее, центральный атом (сера или азот). Поэтому эти кислоты способны вступать в реакции, нехарактерные для кислот-неокислителей.

Взаимодействие с металлами

Типичные кислоты реагируют только с металлами, стоящими в ряду электрохимической активности до водорода, с выделением газообразного водорода ($H_2$).
Концентрированные серная и азотная кислоты, благодаря своим окислительным свойствам, реагируют с большинством металлов, включая те, что стоят в ряду активности после водорода (например, медь $Cu$, серебро $Ag$, ртуть $Hg$). При этом водород никогда не выделяется. Вместо него образуются продукты восстановления серы или азота. Состав продуктов зависит от концентрации кислоты и активности металла.

• Концентрированная серная кислота при реакции с металлами обычно восстанавливается до диоксида серы ($SO_2$):
  $Cu + 2H_2SO_4(конц.) \rightarrow CuSO_4 + SO_2\uparrow + 2H_2O$
• Концентрированная азотная кислота восстанавливается до диоксида азота ($NO_2$):
  $Cu + 4HNO_3(конц.) \rightarrow Cu(NO_3)_2 + 2NO_2\uparrow + 2H_2O$
• Разбавленная азотная кислота также является окислителем, но восстанавливается глубже, чаще всего до оксида азота(II) ($NO$):
  $3Cu + 8HNO_3(разб.) \rightarrow 3Cu(NO_3)_2 + 2NO\uparrow + 4H_2O$

Стоит отметить, что разбавленная серная кислота ведет себя как типичная кислота, реагируя с активными металлами с выделением водорода: $Zn + H_2SO_4(разб.) \rightarrow ZnSO_4 + H_2\uparrow$.

Пассивация металлов

Концентрированные серная и азотная кислоты при обычных условиях не реагируют с некоторыми металлами, такими как железо ($Fe$), алюминий ($Al$) и хром ($Cr$). Это явление называется пассивацией: на поверхности металла образуется тонкая, но очень прочная оксидная пленка, которая защищает металл от дальнейшего взаимодействия с кислотой. Благодаря этому свойству концентрированные кислоты можно перевозить в стальных или алюминиевых цистернах.

Взаимодействие с неметаллами и сложными веществами

Сильные окислительные свойства позволяют этим кислотам окислять многие неметаллы (углерод, серу, фосфор) и сложные вещества, что нехарактерно для других кислот.

• $C + 2H_2SO_4(конц.) \rightarrow CO_2\uparrow + 2SO_2\uparrow + 2H_2O$
• $S + 6HNO_3(конц.) \rightarrow H_2SO_4 + 6NO_2\uparrow + 2H_2O$

Другие отличительные свойства

• Концентрированная серная кислота является мощным водоотнимающим (гигроскопичным) средством. Она способна поглощать влагу из воздуха и даже отнимать воду от органических соединений (например, обугливать сахар), что не свойственно другим кислотам в такой степени. Также она представляет собой тяжелую маслянистую жидкость.
• Азотная кислота является ключевым реагентом в органической химии для проведения реакций нитрования (введения нитрогруппы $-NO_2$ в молекулу), особенно в смеси с серной кислотой.

Ответ:

Серная и азотная кислоты отличаются от других кислот прежде всего тем, что являются сильными кислотами-окислителями (особенно в концентрированном виде). Это позволяет им реагировать с малоактивными металлами (стоящими после водорода в ряду активности), неметаллами и сложными веществами, при этом продуктами реакции являются соли и продукты восстановления серы ($SO_2$) или азота ($NO_2, NO$ и др.), а не водород. Также они пассивируют некоторые металлы ($Fe, Al, Cr$). Кроме того, концентрированная $H_2SO_4$ обладает сильными водоотнимающими свойствами, а $HNO_3$ используется для нитрования органических соединений.

Используя схему 2.32, составьте уравнения химических реакций для соляной кислоты.

Поскольку схема 2.32 не предоставлена, в решении будут составлены уравнения реакций, иллюстрирующие основные химические свойства соляной кислоты ($HCl$), которые обычно приводятся в таких схемах. Соляная кислота — это сильная кислота, которая вступает в реакции, характерные для этого класса соединений.

1. Взаимодействие с металлами

Соляная кислота реагирует с металлами, стоящими в электрохимическом ряду напряжений до водорода. В результате реакции замещения образуется соль (хлорид металла) и выделяется газообразный водород. Например, реакция с цинком ($Zn$) или магнием ($Mg$):

$Zn + 2HCl \rightarrow ZnCl_2 + H_2 \uparrow$

$Mg + 2HCl \rightarrow MgCl_2 + H_2 \uparrow$

Ответ: $Zn + 2HCl \rightarrow ZnCl_2 + H_2 \uparrow$

2. Взаимодействие с основными и амфотерными оксидами

Соляная кислота вступает в реакцию обмена с основными и амфотерными оксидами, в результате чего образуются соль и вода. Например, реакция с оксидом меди(II) ($CuO$) или оксидом алюминия ($Al_2O_3$):

$CuO + 2HCl \rightarrow CuCl_2 + H_2O$

$Al_2O_3 + 6HCl \rightarrow 2AlCl_3 + 3H_2O$

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

3. Взаимодействие с основаниями и амфотерными гидроксидами (реакция нейтрализации)

Соляная кислота реагирует как с растворимыми в воде основаниями (щелочами), так и с нерастворимыми основаниями и амфотерными гидроксидами. Продуктами реакции являются соль и вода. Например, реакция с гидроксидом натрия ($NaOH$) или нерастворимым гидроксидом железа(III) ($Fe(OH)_3$):

$NaOH + HCl \rightarrow NaCl + H_2O$

$Fe(OH)_3 + 3HCl \rightarrow FeCl_3 + 3H_2O$

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

4. Взаимодействие с солями

Соляная кислота вступает в реакцию обмена с солями, если выполняется одно из условий: образуется осадок, выделяется газ или образуется более слабая кислота.
Примером реакции с образованием осадка является взаимодействие с нитратом серебра ($AgNO_3$), что является качественной реакцией на хлорид-ион:

$HCl + AgNO_3 \rightarrow AgCl \downarrow + HNO_3$

Примером реакции с выделением газа является взаимодействие с солями слабых кислот, например, с карбонатом кальция ($CaCO_3$). Сильная соляная кислота вытесняет слабую угольную кислоту, которая тут же разлагается на углекислый газ и воду:

$2HCl + CaCO_3 \rightarrow CaCl_2 + H_2O + CO_2 \uparrow$

Ответ: $HCl + AgNO_3 \rightarrow AgCl \downarrow + HNO_3$; $2HCl + CaCO_3 \rightarrow CaCl_2 + H_2O + CO_2 \uparrow$