Страница 111 - гдз по химии 9 класс учебник Еремин, Кузьменко

5. Приведите по одному примеру обратимых реакций с участием:

а) водорода;

б) кислорода;

в) воды;

г) азота;

д) метана;

е) спирта;

ж) иона водорода.

Как можно сместить равновесие каждой из реакций в сторону образования продуктов?

а) водорода Примером обратимой реакции с участием водорода является промышленный синтез аммиака (процесс Габера-Боша): $N_{2(г)} + 3H_{2(г)} \rightleftharpoons 2NH_{3(г)} + Q$ Прямая реакция является экзотермической (выделяется теплота, $+Q$) и протекает с уменьшением объема (из 4 моль газов образуется 2 моль газа). Согласно принципу Ле Шателье, для смещения равновесия в сторону образования продуктов (вправо) необходимо:

1) повысить давление (равновесие сместится в сторону меньшего объема);

2) понизить температуру (равновесие сместится в сторону экзотермической реакции);

3) увеличить концентрацию исходных веществ ($N_2$ или $H_2$);

4) уменьшить концентрацию продукта (отводить аммиак $NH_3$ из реакционной смеси).

Ответ: Реакция синтеза аммиака $N_2 + 3H_2 \rightleftharpoons 2NH_3$. Сместить равновесие вправо можно повышением давления, понижением температуры, увеличением концентрации азота или водорода, а также удалением аммиака из системы.

б) кислорода Примером является окисление диоксида серы в триоксид серы — ключевая стадия производства серной кислоты: $2SO_{2(г)} + O_{2(г)} \rightleftharpoons 2SO_{3(г)} + Q$ Прямая реакция экзотермическая и идет с уменьшением числа молей газа (из 3 моль образуется 2 моль). Для смещения равновесия в сторону образования триоксида серы ($SO_3$) необходимо:

1) повысить давление;

2) понизить температуру;

3) увеличить концентрацию реагентов ($SO_2$ или $O_2$);

4) использовать катализатор (например, $V_2O_5$) для ускорения достижения равновесия.

Ответ: Реакция окисления диоксида серы $2SO_2 + O_2 \rightleftharpoons 2SO_3$. Сместить равновесие вправо можно повышением давления, понижением температуры и увеличением концентрации исходных веществ.

в) воды Примером может служить паровая конверсия угарного газа (реакция водяного газа): $CO_{(г)} + H_2O_{(г)} \rightleftharpoons CO_{2(г)} + H_{2(г)} + Q$ Прямая реакция экзотермическая, но протекает без изменения числа молей газообразных веществ (2 моль слева и 2 моль справа). Для смещения равновесия в сторону продуктов ($CO_2$ и $H_2$) необходимо:

1) понизить температуру;

2) увеличить концентрацию исходных веществ ($CO$ или $H_2O$);

3) уменьшить концентрацию продуктов (например, удаляя $CO_2$).

Изменение давления на положение этого равновесия не влияет.

Ответ: Реакция паровой конверсии угарного газа $CO + H_2O \rightleftharpoons CO_2 + H_2$. Сместить равновесие вправо можно понижением температуры, увеличением концентрации $CO$ или $H_2O$, а также удалением $CO_2$ или $H_2$.

г) азота В качестве примера можно снова привести реакцию синтеза аммиака, так как азот является одним из ключевых реагентов: $N_{2(г)} + 3H_{2(г)} \rightleftharpoons 2NH_{3(г)} + Q$ Условия смещения равновесия в сторону продуктов аналогичны пункту (а).

Ответ: Реакция синтеза аммиака $N_2 + 3H_2 \rightleftharpoons 2NH_3$. Равновесие смещается вправо при повышении давления, понижении температуры, увеличении концентрации реагентов и удалении продукта.

д) метана Примером является паровая конверсия метана, используемая для получения водорода: $CH_{4(г)} + H_2O_{(г)} \rightleftharpoons CO_{(г)} + 3H_{2(г)} - Q$ Прямая реакция является эндотермической (поглощается теплота, $-Q$) и протекает с увеличением объема (из 2 моль газов образуется 4 моль). Для смещения равновесия вправо необходимо:

1) повысить температуру (равновесие сместится в сторону эндотермической реакции);

2) понизить давление (равновесие сместится в сторону большего объема);

3) увеличить концентрацию метана или водяного пара;

4) удалять продукты реакции ($CO$ или $H_2$) из системы.

Ответ: Реакция паровой конверсии метана $CH_4 + H_2O \rightleftharpoons CO + 3H_2$. Сместить равновесие вправо можно повышением температуры, понижением давления, увеличением концентрации реагентов и удалением продуктов.

е) спирта Классическим примером является реакция этерификации — взаимодействие спирта с карбоновой кислотой с образованием сложного эфира и воды. Например, реакция этанола с уксусной кислотой: $C_2H_5OH_{(ж)} + CH_3COOH_{(ж)} \rightleftharpoons CH_3COOC_2H_5_{(ж)} + H_2O_{(ж)}$ Эта реакция обратима и имеет небольшой тепловой эффект. Для смещения равновесия в сторону образования сложного эфира (продукта) необходимо:

1) использовать избыток одного из реагентов (спирта или кислоты);

2) удалять один из продуктов из реакционной смеси, например, воду (с помощью водоотнимающих средств, таких как концентрированная $H_2SO_4$, которая также является катализатором) или отгонять образующийся сложный эфир.

Ответ: Реакция этерификации $C_2H_5OH + CH_3COOH \rightleftharpoons CH_3COOC_2H_5 + H_2O$. Сместить равновесие вправо можно, используя избыток одного из реагентов или удаляя один из продуктов (воду или сложный эфир).

ж) иона водорода Примером является диссоциация слабой кислоты в водном растворе, например, уксусной кислоты: $CH_3COOH_{(aq)} \rightleftharpoons H^+_{(aq)} + CH_3COO^-_{(aq)} - Q$ Прямая реакция — эндотермическая. Равновесие смещается в сторону продуктов (ионов) в следующих случаях:

1) при разбавлении раствора водой (согласно закону разбавления Оствальда, степень диссоциации увеличивается, равновесие смещается в сторону большего числа частиц);

2) при добавлении щелочи (например, $NaOH$), ионы $OH^-$ которой связывают ионы $H^+$ в малодиссоциирующие молекулы воды, тем самым уменьшая концентрацию $H^+$ и смещая равновесие вправо;

3) при повышении температуры, так как процесс диссоциации эндотермический.

Ответ: Реакция диссоциации уксусной кислоты $CH_3COOH \rightleftharpoons H^+ + CH_3COO^-$. Сместить равновесие вправо можно путем разбавления раствора, добавления щелочи или повышения температуры.

6. Приведите по одному примеру обратимых реакций:

а) разложения;

б) соединения;

в) замещения.

Какие условия способствуют протеканию прямой реакции в каждом случае?

а) разложения;

Примером обратимой реакции разложения является диссоциация тетраоксида диазота. В этой реакции одно сложное вещество распадается на два более простых.

$N_2O_{4(г)} \rightleftharpoons 2NO_{2(г)} \quad (\Delta H > 0)$

Прямая реакция (вправо) является эндотермической, то есть протекает с поглощением тепла. Также она идёт с увеличением объёма, так как из 1 моля газа образуется 2 моля газа. Согласно принципу Ле Шателье, для смещения равновесия в сторону прямой реакции (в сторону образования бурого газа $NO_2$) необходимо повышать температуру и понижать давление.

Ответ: Реакция: $N_2O_{4(г)} \rightleftharpoons 2NO_{2(г)}$. Условия, способствующие протеканию прямой реакции: повышение температуры и понижение давления.

б) соединения;

Примером обратимой реакции соединения является синтез аммиака из азота и водорода (процесс Габера-Боша). В этой реакции из двух простых веществ образуется одно сложное.

$N_{2(г)} + 3H_{2(г)} \rightleftharpoons 2NH_{3(г)} \quad (\Delta H < 0)$

Прямая реакция (вправо) является экзотермической, то есть протекает с выделением тепла. Также она идёт с уменьшением объёма, так как из 4 молей газообразных реагентов образуется 2 моля газообразного продукта. Согласно принципу Ле Шателье, для смещения равновесия в сторону прямой реакции (в сторону образования аммиака) необходимо понижать температуру и повышать давление. На практике также используют катализатор для увеличения скорости реакции.

Ответ: Реакция: $N_{2(г)} + 3H_{2(г)} \rightleftharpoons 2NH_{3(г)}$. Условия, способствующие протеканию прямой реакции: высокое давление, низкая температура, использование катализатора.

в) замещения;

Примером обратимой реакции замещения является взаимодействие раскалённого железа с водяным паром.

$3Fe_{(тв)} + 4H_2O_{(г)} \rightleftharpoons Fe_3O_{4(тв)} + 4H_{2(г)}$

В этой реакции атомы железа (простое вещество) замещают атомы водорода в сложном веществе (воде). Количество молей газообразных веществ в левой и правой частях уравнения одинаково (по 4 моль). Следовательно, изменение давления не будет смещать химическое равновесие. Для смещения равновесия в сторону прямой реакции (вправо) согласно принципу Ле Шателье необходимо увеличивать концентрацию одного из реагентов (например, непрерывно подавать водяной пар) или удалять из системы один из продуктов (например, отводить образующийся водород).

Ответ: Реакция: $3Fe_{(тв)} + 4H_2O_{(г)} \rightleftharpoons Fe_3O_{4(тв)} + 4H_{2(г)}$. Условия, способствующие протеканию прямой реакции: увеличение концентрации водяного пара и/или удаление водорода из зоны реакции.

7. Приведите пример обратимой реакции между газами, в которой давление не влияет на положение равновесия.

Решение

Согласно принципу Ле Шателье, изменение внешнего давления влияет на положение химического равновесия в системах с участием газообразных веществ. Увеличение давления смещает равновесие в сторону образования меньшего количества молей газов, а уменьшение давления – в сторону образования большего количества молей газов.

Однако, если реакция протекает без изменения общего числа молей газообразных веществ, то изменение давления не будет смещать равновесие. Это происходит, когда сумма стехиометрических коэффициентов газообразных реагентов равна сумме стехиометрических коэффициентов газообразных продуктов.

Примером такой обратимой реакции между газами является синтез йодоводорода:

$H_2(г) + I_2(г) \rightleftharpoons 2HI(г)$

Проанализируем количество молей газов в данной реакции:

• Слева (реагенты): 1 моль водорода ($H_2$) + 1 моль паров йода ($I_2$) = 2 моля газов.
• Справа (продукты): 2 моля йодоводорода ($HI$) = 2 моля газа.

Так как число молей газов до и после реакции одинаково ($\Delta n = 2 - 2 = 0$), изменение давления не влияет на положение равновесия в этой системе.

Ответ: Примером обратимой реакции между газами, в которой давление не влияет на положение равновесия, является синтез йодоводорода: $H_2(г) + I_2(г) \rightleftharpoons 2HI(г)$. Это происходит потому, что реакция протекает без изменения количества молей газообразных веществ (2 моля в левой части и 2 моля в правой).

8. Какие факторы способствуют увеличению выхода продукта в следующих промышленно важных реакциях:

а) $CH_{4(г)} + H_2O_{(г)} \rightleftharpoons CO_{(г)} + 3H_{2(г)} - Q;$

б) $N_{2(г)} + 3H_{2(г)} \rightleftharpoons 2NH_{3(г)} + Q;$

в) $2SO_{2(г)} + O_{2(г)} \rightleftharpoons 2SO_{3(г)} + Q?$

а) $CH_{4(г)} + H_2O_{(г)} \rightleftharpoons CO_{(г)} + 3H_{2(г)} - Q$

Для смещения химического равновесия в сторону продуктов реакции ($CO$ и $H_2$), согласно принципу Ле Шателье, необходимо изменять условия следующим образом. Во-первых, прямая реакция является эндотермической (протекает с поглощением теплоты, $-Q$), поэтому равновесие сместится вправо при повышении температуры. Во-вторых, прямая реакция идёт с увеличением объёма, так как из 2 моль газообразных реагентов ($1 \text{ моль } CH_4 + 1 \text{ моль } H_2O = 2 \text{ моль}$) образуется 4 моль газообразных продуктов ($1 \text{ моль } CO + 3 \text{ моль } H_2 = 4 \text{ моль}$). Следовательно, понижение давления будет способствовать смещению равновесия в сторону продуктов. В-третьих, увеличение концентрации исходных веществ ($CH_4$ и $H_2O$) или удаление продуктов ($CO$ и $H_2$) из реакционной смеси также сместит равновесие вправо.

Ответ: Повышение температуры, понижение давления, увеличение концентрации реагентов ($CH_4$, $H_2O$), удаление продуктов ($CO$, $H_2$) из зоны реакции.

б) $N_{2(г)} + 3H_{2(г)} \rightleftharpoons 2NH_{3(г)} + Q$

Это реакция синтеза аммиака (процесс Габера-Боша). Для увеличения выхода аммиака ($NH_3$), согласно принципу Ле Шателье, необходимо: Во-первых, прямая реакция является экзотермической (протекает с выделением теплоты, $+Q$), поэтому для смещения равновесия вправо нужно понижать температуру. Во-вторых, прямая реакция идет с уменьшением числа молей газов, так как из 4 моль реагентов ($1 \text{ моль } N_2 + 3 \text{ моль } H_2 = 4 \text{ моль}$) образуется 2 моль продукта ($2 \text{ моль } NH_3$). Следовательно, повышение давления смещает равновесие в сторону образования аммиака. В-третьих, равновесие сместится вправо при увеличении концентрации исходных веществ ($N_2$ и $H_2$) или при удалении продукта ($NH_3$) из системы.

Ответ: Понижение температуры, повышение давления, увеличение концентрации реагентов ($N_2$, $H_2$), удаление продукта ($NH_3$) из зоны реакции.

в) $2SO_{2(г)} + O_{2(г)} \rightleftharpoons 2SO_{3(г)} + Q$

Это реакция окисления диоксида серы в триоксид серы, являющаяся ключевой стадией в производстве серной кислоты. Чтобы увеличить выход $SO_3$, согласно принципу Ле Шателье, необходимо следующее: Во-первых, прямая реакция экзотермическая ($+Q$), значит, для смещения равновесия вправо требуется понижение температуры. Во-вторых, реакция протекает с уменьшением числа молей газообразных веществ, так как из 3 моль реагентов ($2 \text{ моль } SO_2 + 1 \text{ моль } O_2 = 3 \text{ моль}$) образуется 2 моль продукта ($2 \text{ моль } SO_3$). Поэтому повышение давления будет способствовать увеличению выхода продукта. В-третьих, увеличение концентрации реагентов ($SO_2$ и $O_2$) или удаление продукта ($SO_3$) из реакционной смеси сместит равновесие в сторону продуктов.

Ответ: Понижение температуры, повышение давления, увеличение концентрации реагентов ($SO_2$, $O_2$), удаление продукта ($SO_3$) из зоны реакции.

1. Подумайте, можно ли по вкусу раствора определить, что он проводит электрический ток. Приведите аргументы «за» и «против». Помните, что в лаборатории пробовать вещества на вкус строго запрещено.

Рассмотрим возможность определения электропроводности раствора по его вкусу, приведя аргументы «за» и «против». Важно помнить, что пробовать вещества в химической лаборатории категорически запрещено из-за риска отравления. Обсуждение носит исключительно теоретический характер.

Электропроводность (проводимость электрического тока) растворов обусловлена наличием в них свободных подвижных ионов. Вещества, которые при растворении или расплавлении распадаются на ионы (диссоциируют), называются электролитами. Растворы электролитов проводят электрический ток. Вещества, растворы которых состоят из молекул и не содержат ионов, являются неэлектролитами и ток не проводят.

Аргументы «за»

Существует определенная связь между вкусом раствора и его способностью проводить электрический ток. Это связано с тем, что некоторые основные вкусы напрямую вызываются ионами, которые и являются носителями заряда в растворе.

• Соленый вкус: Этот вкус в основном обусловлен наличием ионов щелочных металлов, в первую очередь ионов натрия ($Na^+$), и галогенид-ионов, например, хлорид-ионов ($Cl^-$). Поваренная соль ($NaCl$) — классический пример. При растворении в воде она диссоциирует на ионы: $NaCl \rightarrow Na^+ + Cl^-$. Раствор, имеющий соленый вкус, содержит ионы, а значит, является электролитом и проводит электрический ток.
• Кислый вкус: Этот вкус является прямым индикатором наличия в растворе ионов водорода ($H^+$), точнее, ионов гидроксония ($H_3O^+$). Кислоты (например, соляная $HCl$, лимонная $C_6H_8O_7$) при растворении в воде диссоциируют с образованием этих ионов. Так как кислый раствор по определению содержит ионы $H^+$, он всегда будет электролитом и будет проводить ток.

Таким образом, если раствор имеет отчетливый соленый или кислый вкус, можно с высокой долей вероятности утверждать, что он содержит ионы и является электропроводным.

Ответ: Да, в некоторых случаях можно предположить, что раствор проводит электрический ток, так как соленый и кислый вкусы напрямую вызываются ионами, которые являются носителями заряда.

Аргументы «против»

Несмотря на приведенные выше аргументы, определять электропроводность по вкусу ненадежно и во многих случаях невозможно. Существует множество контрпримеров, которые показывают отсутствие прямой и однозначной зависимости.

• Сладкий вкус и отсутствие проводимости: Самый яркий пример — растворы сахаров (например, сахарозы $C_{12}H_{22}O_{11}$ или глюкозы $C_6H_{12}O_6$). Они имеют ярко выраженный сладкий вкус, но являются молекулярными соединениями. При растворении в воде они не распадаются на ионы, а существуют в виде нейтральных молекул. Следовательно, их растворы не проводят электрический ток (являются неэлектролитами). Это доказывает, что наличие вкуса не гарантирует электропроводность.
• Электролиты без вкуса: Раствор электролита может быть настолько разбавленным, что его вкус не будет отличаться от вкуса чистой воды. Однако даже в очень разбавленном растворе все еще присутствуют ионы, и он будет проводить электрический ток, пусть и слабо. Сама дистиллированная вода, которая считается безвкусной, является очень слабым электролитом за счет автоионизации ($H_2O \rightleftharpoons H^+ + OH^-$) и обладает ничтожной, но измеримой электропроводностью.
• Сложные вкусы: Многие соли, являющиеся сильными электролитами, имеют горький (например, соли магния $MgSO_4$), щелочной или сложный металлический вкус. Хотя эти вкусы также часто связаны с ионами, прямая и очевидная корреляция, как в случае с кислым и соленым, отсутствует.
• Неэлектролиты со вкусом: Помимо сахаров, существуют и другие вещества-неэлектролиты, имеющие вкус. Например, этиловый спирт ($C_2H_5OH$) или глицерин ($C_3H_5(OH)_3$) имеют характерный вкус, но их растворы не проводят ток.

Следовательно, вкус не может служить надежным критерием для определения, проводит ли раствор электрический ток.

Ответ: Нет, по вкусу нельзя достоверно определить электропроводность раствора, так как существуют вещества (например, сахар), растворы которых имеют вкус, но не проводят ток, и наоборот, существуют электролиты, концентрация которых недостаточна для вкусового ощущения, но достаточна для проводимости.

В итоге, однозначно определить по вкусу, проводит ли раствор электрический ток, нельзя. Хотя для некоторых классов веществ (кислот и солей) существует корреляция между вкусом и наличием ионов, множество исключений делает этот метод абсолютно ненадежным. Наличие вкуса у растворов неэлектролитов (например, сахара) или отсутствие вкуса у слабых электролитов доказывает, что вкус не является достоверным критерием электропроводности. Для надежного определения следует использовать специальные приборы (например, кондуктометр) или собрать простейшую электрическую цепь с источником тока, лампочкой и электродами.

2. Обсудите в классе, может ли сильный электролит быть нерастворимым в воде. Приведите аргументы.

Да, сильный электролит может быть нерастворимым (или, точнее, малорастворимым) в воде. Чтобы понять, почему это возможно, необходимо четко различать понятия «сила электролита» и «растворимость».

Сила электролита — это характеристика, описывающая степень его диссоциации (распада на ионы) в растворе. Сильные электролиты при растворении диссоциируют практически полностью. Степень их диссоциации $ \alpha $ близка к 1 (или 100%). К сильным электролитам относятся большинство солей, сильные кислоты (например, $HCl$, $H_2SO_4$) и сильные основания (щелочи, например, $NaOH$, $KOH$).

Растворимость — это способность вещества растворяться в том или ином растворителе (в данном случае, в воде), образуя гомогенную систему. Растворимость определяет, какое максимальное количество вещества может перейти в раствор. По этому признаку вещества делят на хорошо растворимые, малорастворимые и практически нерастворимые.

Ключевой момент заключается в том, что эти два свойства — сила электролита и растворимость — не зависят друг от друга напрямую. Вещество может обладать очень низкой растворимостью, но та его незначительная часть, которая все же растворяется, может полностью распадаться на ионы. Такое вещество будет являться одновременно и малорастворимым, и сильным электролитом.

Аргументы и примеры:

Классическим примером такого вещества является сульфат бария ($BaSO_4$).

• Согласно таблице растворимости, $BaSO_4$ является «нерастворимым» (н) соединением. Его растворимость в воде крайне мала — всего около 0,0024 г/л при 20°C.
• В то же время, сульфат бария — это соль, вещество с ионной кристаллической решеткой. Как и большинство солей, он является сильным электролитом.
• Это означает, что та крайне малая часть $BaSO_4$, которая переходит в раствор, существует там не в виде молекул $BaSO_4$, а полностью диссоциирует на ионы бария $Ba^{2+}$ и сульфат-ионы $SO_4^{2-}$. Процесс можно описать равновесием:

$BaSO_{4(тв.)} \rightleftharpoons Ba^{2+}_{(р-р)} + SO_{4}^{2-}_{(р-р)}$

Из-за низкой растворимости концентрация ионов в насыщенном растворе будет очень низкой, но степень диссоциации растворенной части будет близка к 100%.

Аналогичными примерами являются и другие «нерастворимые» соли, которые также являются сильными электролитами:

• Хлорид серебра ($AgCl$)
• Карбонат кальция ($CaCO_3$)
• Сульфат свинца(II) ($PbSO_4$)

Ответ: Да, сильный электролит может быть нерастворимым (точнее, малорастворимым) в воде. Сила электролита характеризует степень его диссоциации на ионы в растворе, а не его способность растворяться. Многие нерастворимые в воде соли, такие как сульфат бария ($BaSO_4$) или хлорид серебра ($AgCl$), являются сильными электролитами, поскольку та их малая часть, которая все же растворяется, диссоциирует на ионы практически полностью.

3. Вспомните классификацию химических реакций. Реакции какого типа обязательно являются окислительно-восстановительными?

Решение

Для ответа на этот вопрос сначала вспомним основные типы химических реакций, классифицируемые по числу и составу исходных веществ и продуктов:

• Реакции соединения
• Реакции разложения
• Реакции замещения
• Реакции обмена

Окислительно-восстановительными реакциями (ОВР) называют такие реакции, в результате которых изменяются степени окисления химических элементов, входящих в состав реагирующих веществ. Проанализируем каждый из перечисленных типов:

1. Реакции соединения. Могут протекать как с изменением степеней окисления, так и без него. Например, реакция горения простого вещества является ОВР ($ 2\overset{0}{H_2} + \overset{0}{O_2} \rightarrow 2\overset{+1}{H_2}\overset{-2}{O} $), а реакция основного оксида с кислотным — нет ($ \overset{+2}{Ca}\overset{-2}{O} + \overset{+4}{C}\overset{-2}{O_2} \rightarrow \overset{+2}{Ca}\overset{+4}{C}\overset{-2}{O_3} $).

2. Реакции разложения. Аналогично реакциям соединения, могут быть как ОВР, так и протекать без изменения степеней окисления. Например, разложение нитрата меди(II) является ОВР ($ 2\overset{+2}{Cu}(\overset{+5}{N}\overset{-2}{O_3})_2 \rightarrow 2\overset{+2}{Cu}\overset{-2}{O} + 4\overset{+4}{N}\overset{-2}{O_2} + \overset{0}{O_2} $), а разложение гидроксида меди(II) — нет ($ \overset{+2}{Cu}(\overset{-2}{O}\overset{+1}{H})_2 \rightarrow \overset{+2}{Cu}\overset{-2}{O} + \overset{+1}{H_2}\overset{-2}{O} $).

3. Реакции обмена. В подавляющем большинстве случаев протекают без изменения степеней окисления, поскольку представляют собой обмен ионами между двумя сложными веществами в растворе. Например: $ \overset{+1}{K}\overset{-1}{Cl} + \overset{+1}{Ag}\overset{+5}{N}\overset{-2}{O_3} \rightarrow \overset{+1}{Ag}\overset{-1}{Cl}\downarrow + \overset{+1}{K}\overset{+5}{N}\overset{-2}{O_3} $.

4. Реакции замещения. Всегда являются окислительно-восстановительными. Это определяется самим типом реакции: атомы простого вещества (степень окисления 0) замещают атомы одного из элементов в сложном веществе. При этом элемент, бывший в виде простого вещества, входит в состав нового сложного вещества, изменяя свою степень окисления (окисляется), а замещённый элемент из сложного вещества выделяется в виде нового простого вещества, также изменяя свою степень окисления (восстанавливается).

Пример: $ \overset{0}{Zn} + \overset{+2}{Cu}SO_4 \rightarrow \overset{+2}{Zn}SO_4 + \overset{0}{Cu} $. В этой реакции цинк повышает степень окисления с 0 до +2, а медь понижает с +2 до 0.

Ответ: Реакции замещения обязательно являются окислительно-восстановительными.

4. Приведите примеры веществ, которые одновременно проявляют:

а) кислотные и окислительные свойства;

б) кислотные и восстановительные свойства;

в) основные и восстановительные свойства.

а) кислотные и окислительные свойства

Вещества, проявляющие одновременно кислотные и окислительные свойства, — это, как правило, кислоты-окислители. В таких кислотах кислотообразующий элемент находится в высшей или высокой степени окисления, что позволяет ему выступать в роли окислителя (принимать электроны).

Пример 1: Концентрированная серная кислота ($H_2SO_4$).

Ее кислотные свойства проявляются в типичных реакциях кислот, например, в реакции нейтрализации с основанием: $H_2SO_4 + 2NaOH \rightarrow Na_2SO_4 + 2H_2O$.

Ее окислительные свойства обусловлены атомом серы в высшей степени окисления +6 ($S^{+6}$). Концентрированная серная кислота окисляет многие металлы и неметаллы, при этом сама восстанавливается. Например, реакция с медью: $Cu + 2H_2SO_4(\text{конц.}) \xrightarrow{t} CuSO_4 + SO_2 \uparrow + 2H_2O$. Здесь сера ($S^{+6}$) восстанавливается до ($S^{+4}$).

Пример 2: Азотная кислота ($HNO_3$) любой концентрации.

Кислотные свойства проявляются в реакции с гидроксидом калия: $HNO_3 + KOH \rightarrow KNO_3 + H_2O$.

Окислительные свойства обусловлены атомом азота в высшей степени окисления +5 ($N^{+5}$). Азотная кислота является сильным окислителем, реагирующим почти со всеми металлами: $3Cu + 8HNO_3(\text{разб.}) \rightarrow 3Cu(NO_3)_2 + 2NO \uparrow + 4H_2O$. В этой реакции азот ($N^{+5}$) восстанавливается до ($N^{+2}$).

Ответ: концентрированная серная кислота ($H_2SO_4$), азотная кислота ($HNO_3$), хромовая кислота ($H_2CrO_4$).

б) кислотные и восстановительные свойства

Такими свойствами обладают кислоты, в которых атом (чаще всего кислотообразующий) находится в промежуточной или низшей степени окисления и способен ее повышать, то есть отдавать электроны и выступать в роли восстановителя.

Пример 1: Сернистая кислота ($H_2SO_3$).

Кислотные свойства: это слабая двухосновная кислота, которая реагирует с основаниями: $H_2SO_3 + 2KOH \rightarrow K_2SO_3 + 2H_2O$.

Восстановительные свойства обусловлены наличием атома серы в промежуточной степени окисления +4 ($S^{+4}$), который может окисляться до +6. Сернистая кислота, например, обесцвечивает бромную воду: $H_2SO_3 + Br_2 + H_2O \rightarrow H_2SO_4 + 2HBr$. Здесь сера ($S^{+4}$) окисляется до $S^{+6}$.

Пример 2: Йодоводородная кислота ($HI$).

Кислотные свойства: это одна из сильных кислот: $HI + NaOH \rightarrow NaI + H_2O$.

Восстановительные свойства обусловлены йодид-ионом ($I^-$), в котором йод находится в низшей степени окисления -1 и является сильным восстановителем: $2HI + H_2O_2 \rightarrow I_2 \downarrow + 2H_2O$. Здесь йод ($I^{-1}$) окисляется до $I^0$.

Ответ: сернистая кислота ($H_2SO_3$), йодоводородная кислота ($HI$), бромоводородная кислота ($HBr$), щавелевая кислота ($H_2C_2O_4$).

в) основные и восстановительные свойства

Такими свойствами обладают основания, содержащие катион металла в низкой или промежуточной степени окисления, или вещества, проявляющие основные свойства за счет неподеленной электронной пары у атома в низкой степени окисления.

Пример 1: Гидроксид железа(II) ($Fe(OH)_2$).

Основные свойства проявляются в реакциях с кислотами: $Fe(OH)_2 + 2HCl \rightarrow FeCl_2 + 2H_2O$.

Восстановительные свойства обусловлены ионом железа в степени окисления +2 ($Fe^{+2}$), который легко окисляется до +3. Белый осадок $Fe(OH)_2$ на воздухе быстро буреет из-за окисления кислородом: $4Fe(OH)_2 + O_2 + 2H_2O \rightarrow 4Fe(OH)_3 \downarrow$. Здесь железо ($Fe^{+2}$) является восстановителем.

Пример 2: Аммиак ($NH_3$).

Основные свойства аммиак проявляет за счет неподеленной электронной пары у атома азота, которая способна присоединять протон: $NH_3 + H_2O \rightleftharpoons NH_3 \cdot H_2O \rightleftharpoons NH_4^+ + OH^-$.

Восстановительные свойства обусловлены азотом в низшей степени окисления -3 ($N^{-3}$). Аммиак может быть окислен, например, при каталитическом окислении кислородом: $4NH_3 + 5O_2 \xrightarrow{Pt, t} 4NO + 6H_2O$. В этой реакции азот ($N^{-3}$) выступает восстановителем, окисляясь до $N^{+2}$.

Ответ: гидроксид железа(II) ($Fe(OH)_2$), гидроксид хрома(II) ($Cr(OH)_2$), аммиак ($NH_3$).

5. Какое простое вещество можно назвать:

а) самым сильным окислителем;

б) самым сильным восстановителем?

а) самым сильным окислителем

Сила окислителя определяется его способностью принимать электроны. Эта способность напрямую связана с электроотрицательностью элемента — мерой способности атома притягивать к себе электроны. В периодической системе химических элементов электроотрицательность возрастает в периодах слева направо и в группах снизу вверх.

Таким образом, самый сильный окислитель должен находиться в правом верхнем углу периодической таблицы. Исключая инертные (благородные) газы, которые имеют завершенные электронные оболочки и крайне неохотно вступают в реакции, таким элементом является фтор (F).

Простое вещество, образованное фтором, — это газ фтор, состоящий из двухатомных молекул ($F_2$). Фтор является самым электроотрицательным элементом и, как следствие, самым сильным химическим окислителем. Он реагирует почти со всеми другими элементами, включая некоторые благородные газы.

Ответ: самым сильным окислителем является простое вещество фтор ($F_2$).

б) самым сильным восстановителем

Сила восстановителя определяется его способностью отдавать электроны. Эта способность обратно пропорциональна энергии ионизации (энергии, необходимой для отрыва электрона от атома) и электроотрицательности. Восстановительные свойства усиливаются в периодах справа налево и в группах сверху вниз.

Следовательно, самый сильный восстановитель должен находиться в левом нижнем углу периодической таблицы. Этим элементом является франций (Fr). Он обладает самым большим атомным радиусом и самой низкой энергией ионизации среди всех элементов, что делает его атом наиболее склонным к отдаче своего валентного электрона.

Простое вещество франций — это щелочной металл. Стоит отметить, что франций является чрезвычайно радиоактивным элементом с очень коротким периодом полураспада, поэтому его получают лишь в микроскопических количествах. Среди стабильных (нерадиоактивных) элементов самым сильным восстановителем является цезий (Cs), расположенный над францием в той же группе. Однако, с теоретической точки зрения, именно франций является рекордсменом.

Ответ: самым сильным восстановителем является простое вещество франций (Fr).

6. Сколько новых элементов Периодической системы было открыто с помощью электролиза?

Электролиз, как метод разложения веществ с помощью электрического тока, стал одним из важнейших инструментов для открытия новых химических элементов после изобретения в 1800 году вольтова столба (первой электрической батареи). Этот метод позволил выделить в чистом виде наиболее химически активные элементы, которые невозможно было получить ранее известными способами химического восстановления.

Основной вклад в открытие элементов с помощью электролиза внёс английский учёный сэр Гемфри Дэви. В период с 1807 по 1808 год он провёл серию знаменитых экспериментов по электролизу расплавов щелочей и солей, что привело к открытию целой группы металлов. Позже его метод был использован и усовершенствован другими исследователями.

Всего с помощью электролиза было впервые выделено (и, следовательно, открыто) 8 химических элементов:

• Щелочные металлы:
  • Натрий ($Na$) и Калий ($K$). В 1807 году Гемфри Дэви выделил эти два элемента, пропуская электрический ток через расплавы их гидроксидов ($NaOH$ и $KOH$).
  • Литий ($Li$). Впервые выделен в 1818 году Гемфри Дэви совместно с Уильямом Бранде в результате электролиза оксида лития ($Li_2O$).
• Щелочноземельные металлы:
  • Кальций ($Ca$), Магний ($Mg$), Барий ($Ba$) и Стронций ($Sr$). Все эти четыре элемента были впервые получены Гемфри Дэви в 1808 году путем электролиза расплавов их солей (хлоридов) или оксидов.
• Галогены:
  • Фтор ($F$). Из-за своей высочайшей реакционной способности фтор долгое время не поддавался выделению. Лишь в 1886 году французский химик Анри Муассан смог получить его в свободном виде, проведя электролиз раствора гидродифторида калия ($KHF_2$) в безводном жидком фтороводороде ($HF$) при низкой температуре.

Таким образом, к элементам, открытым благодаря электролизу, относятся шесть металлов (Na, K, Li, Ca, Mg, Ba, Sr) и один неметалл (F). Хотя промышленное получение алюминия ($Al$) также целиком основано на электролизе, сам элемент был открыт несколько ранее с помощью химических методов.

Ответ: С помощью электролиза было открыто 8 новых элементов Периодической системы: натрий, калий, литий, кальций, магний, барий, стронций и фтор.

7. Сколько кубометров метана (при н. у.) нужно сжечь, чтобы в зимний период обеспечить в течение суток теплом однокомнатную квартиру (требуется 140 МДж, тепловые потери не учитываем)?

Дано:

Требуемое количество теплоты для обогрева: $Q = 140$ МДж

Топливо: метан ($CH_4$) при нормальных условиях (н. у.).

Переведем количество теплоты в систему СИ:

$Q = 140 \text{ МДж} = 140 \times 10^6$ Дж

Найти:

Объем метана $V$ в м³.

Решение:

Количество теплоты, которое выделяется при полном сгорании топлива, можно рассчитать по формуле: $$Q = q \cdot V$$ где $Q$ – количество выделившейся теплоты, $V$ – объем сгоревшего газа, а $q$ – удельная теплота сгорания газа.

Удельная теплота сгорания метана при нормальных условиях — это справочная величина. Её значение составляет приблизительно $q = 35.8$ МДж/м³, что в системе СИ равно $35.8 \times 10^6$ Дж/м³.

Из формулы для количества теплоты выразим объем метана $V$: $$V = \frac{Q}{q}$$

Теперь подставим известные значения в полученную формулу и произведем расчет: $$V = \frac{140 \times 10^6 \text{ Дж}}{35.8 \times 10^6 \text{ Дж/м³}}$$ $$V = \frac{140}{35.8} \text{ м³} \approx 3.91 \text{ м³}$$

Ответ: чтобы обеспечить квартиру теплом, потребуется сжечь примерно 3.91 м³ метана.

8. Проверьте с помощью индикаторов или pH-метра, какие из перечисленных ниже жидкостей имеют кислотную, какие — почти нейтральную, а какие — щелочную среду: газированная вода, перекись водорода, томатный сок, кофе, чай, молоко, жидкое мыло, этиловый спирт, уксус, нашатырный спирт, средство для мытья посуды. Попытайтесь объяснить полученные результаты.

Для определения среды раствора (кислотной, нейтральной или щелочной) используется водородный показатель, или pH. Шкала pH имеет значения от 0 до 14:

• Кислотная среда: $pH < 7$
• Нейтральная среда: $pH = 7$
• Щелочная среда: $pH > 7$

Результаты проверки перечисленных жидкостей с помощью индикаторов или pH-метра и их объяснение:

Жидкости, имеющие кислотную среду

Газированная вода

Газированная вода образуется при растворении углекислого газа ($CO_2$) в воде. При этом образуется слабая угольная кислота ($H_2CO_3$), которая диссоциирует с образованием ионов водорода ($H^+$), что и создает кислотную среду. Типичное значение pH для газированной воды составляет 3–4.

$CO_2 + H_2O \rightleftharpoons H_2CO_3 \rightleftharpoons H^+ + HCO_3^-$

Ответ: кислотная среда.

Томатный сок

Томаты содержат органические кислоты, в основном лимонную и яблочную. Эти кислоты придают соку кислый вкус и обуславливают его низкий pH, который обычно находится в диапазоне 4,0–4,5.

Ответ: кислотная среда.

Кофе

В кофейных зернах содержится множество различных кислот (хлорогеновая, хинная, лимонная и др.). Поэтому заваренный кофе всегда имеет кислотную реакцию. Его pH обычно составляет около 5,0.

Ответ: кислотная среда.

Чай

Чай (особенно черный) содержит дубильные вещества (таннины), которые являются полифенолами с кислотными свойствами. Это делает чайный настой слабокислым. pH чая обычно находится в пределах 4,9–5,5.

Ответ: кислотная среда.

Уксус

Уксус представляет собой водный раствор уксусной кислоты ($CH_3COOH$). Уксусная кислота является слабой кислотой, но в растворе она создает выраженную кислотную среду за счет диссоциации и образования ионов водорода ($H^+$). pH столового уксуса обычно составляет 2,4–3,4.

Ответ: кислотная среда.

Жидкости, имеющие почти нейтральную среду

Перекись водорода

Сама по себе перекись водорода ($H_2O_2$) является очень слабой кислотой, немного более кислой, чем вода. В аптечные растворы часто добавляют стабилизаторы (например, кислоты) для предотвращения разложения, поэтому их pH обычно слабокислый (около 6), что очень близко к нейтральному значению.

Ответ: почти нейтральная среда.

Молоко

Свежее коровье молоко имеет pH в диапазоне 6,5–6,7. Его среда является слабокислой из-за присутствия молочной кислоты, образующейся в результате жизнедеятельности бактерий, а также фосфатов и цитратов. Такое значение pH близко к нейтральному.

Ответ: почти нейтральная среда.

Этиловый спирт

Чистый этиловый спирт ($C_2H_5OH$) является нейтральным веществом. Его гидроксильная группа (-OH) не проявляет ни кислотных, ни основных свойств в водном растворе. Поэтому pH водного раствора этанола близок к 7.

Ответ: почти нейтральная (нейтральная) среда.

Средство для мытья посуды

Большинство современных средств для мытья посуды имеют pH, близкий к нейтральному (в диапазоне 7–8). Это делается для того, чтобы средство было менее агрессивным для кожи рук. Среда может быть как строго нейтральной, так и слабощелочной, что помогает расщеплять жиры. В контексте задачи его можно отнести к почти нейтральным.

Ответ: почти нейтральная среда.

Жидкости, имеющие щелочную среду

Жидкое мыло

Классическое жидкое мыло получают путем омыления жиров и масел щелочью (например, гидроксидом калия, KOH). В результате гидролиза солей, образующих мыло, в растворе создается избыток гидроксид-ионов ($OH^-$), что обуславливает щелочную среду. pH такого мыла обычно составляет 9–10. Стоит отметить, что некоторые современные "жидкие мыла" являются синтетическими моющими средствами с нейтральным pH, близким к pH кожи.

Ответ: щелочная среда.

Нашатырный спирт

Нашатырный спирт — это водный раствор аммиака ($NH_3$). Аммиак является слабым основанием. Он реагирует с водой, принимая протон и образуя ионы аммония ($NH_4^+$) и гидроксид-ионы ($OH^-$), которые и создают щелочную среду. pH бытового нашатырного спирта обычно около 11.

$NH_3 + H_2O \rightleftharpoons NH_4^+ + OH^-$

Ответ: щелочная среда.