Страница 130 - гдз по химии 9 класс учебник Еремин, Кузьменко

7. Фторид серебра хорошо растворим в воде. Напишите уравнения реакций его взаимодействия с раствором:

а) хлорида магния;

б) бромида алюминия;

в) иодида калия.

Фторид серебра ($AgF$) — это соль, которая, в отличие от других галогенидов серебра (хлорида, бромида, иодида), хорошо растворима в воде. Находясь в растворе, он диссоциирует на ионы $Ag^+$ и $F^-$ и может вступать в реакции ионного обмена с другими растворимыми солями. Реакция обмена идет до конца в тех случаях, когда один из продуктов выпадает в осадок (является нерастворимым или малорастворимым веществом), выделяется в виде газа или является слабым электролитом (например, водой). Во всех представленных случаях реакции протекают с образованием осадков.

Решениеа) хлорида магния

При смешивании водных растворов фторида серебра ($AgF$) и хлорида магния ($MgCl_2$) происходит реакция ионного обмена, в результате которой образуются два нерастворимых в воде вещества: хлорид серебра ($AgCl$) — белый творожистый осадок, и фторид магния ($MgF_2$) — белый мелкокристаллический осадок.

Молекулярное уравнение реакции:

$2AgF_{(p-p)} + MgCl_{2(p-p)} \rightarrow 2AgCl_{(т)} \downarrow + MgF_{2(т)} \downarrow$

Полное ионное уравнение:

$2Ag^{+}_{(p-p)} + 2F^{-}_{(p-p)} + Mg^{2+}_{(p-p)} + 2Cl^{-}_{(p-p)} \rightarrow 2AgCl_{(т)} \downarrow + MgF_{2(т)} \downarrow$

Сокращенное ионное уравнение:

Так как все ионы из исходных растворов связываются в нерастворимые соединения, ионы-наблюдатели (спектаторы) отсутствуют. В этом случае сокращенное ионное уравнение совпадает с полным.

Ответ: $2AgF + MgCl_2 \rightarrow 2AgCl \downarrow + MgF_2 \downarrow$

б) бромида алюминия

При взаимодействии растворов фторида серебра ($AgF$) и бромида алюминия ($AlBr_3$) также образуются два нерастворимых соединения: бромид серебра ($AgBr$) — бледно-желтый осадок, и фторид алюминия ($AlF_3$) — белый осадок.

Молекулярное уравнение реакции:

$3AgF_{(p-p)} + AlBr_{3(p-p)} \rightarrow 3AgBr_{(т)} \downarrow + AlF_{3(т)} \downarrow$

Полное ионное уравнение:

$3Ag^{+}_{(p-p)} + 3F^{-}_{(p-p)} + Al^{3+}_{(p-p)} + 3Br^{-}_{(p-p)} \rightarrow 3AgBr_{(т)} \downarrow + AlF_{3(т)} \downarrow$

Сокращенное ионное уравнение:

Аналогично предыдущему случаю, все ионы участвуют в образовании осадков, поэтому сокращенное ионное уравнение идентично полному.

Ответ: $3AgF + AlBr_3 \rightarrow 3AgBr \downarrow + AlF_3 \downarrow$

в) иодида калия

При взаимодействии растворов фторида серебра ($AgF$) и иодида калия ($KI$) образуется нерастворимый иодид серебра ($AgI$) — ярко-желтый осадок, и растворимая в воде соль — фторид калия ($KF$).

Молекулярное уравнение реакции:

$AgF_{(p-p)} + KI_{(p-p)} \rightarrow AgI_{(т)} \downarrow + KF_{(p-p)}$

Полное ионное уравнение:

$Ag^{+}_{(p-p)} + F^{-}_{(p-p)} + K^{+}_{(p-p)} + I^{-}_{(p-p)} \rightarrow AgI_{(т)} \downarrow + K^{+}_{(p-p)} + F^{-}_{(p-p)}$

Сокращенное ионное уравнение:

Ионы калия ($K^+$) и фторид-ионы ($F^-$) присутствуют в левой и правой частях уравнения в неизменном виде, поэтому они являются ионами-наблюдателями и сокращаются. Сокращенное ионное уравнение отражает суть химического процесса:

$Ag^{+}_{(p-p)} + I^{-}_{(p-p)} \rightarrow AgI_{(т)} \downarrow$

Ответ: $AgF + KI \rightarrow AgI \downarrow + KF$

8. Как обнаружить в растворе свободный иод?

Для обнаружения свободного молекулярного иода ($I_2$) в растворе существует классический и очень чувствительный качественный тест с использованием крахмала. Этот метод является специфическим именно для свободного иода, а не для иодид-ионов ($I^-$).

Метод с использованием крахмала (иодкрахмальная проба)

К исследуемому раствору добавляют несколько капель свежеприготовленного крахмального раствора (обычно 0.5–1% водный раствор крахмала, известный как крахмальный клейстер). Если в растворе присутствует свободный иод, то раствор мгновенно окрашивается в интенсивный синий или сине-фиолетовый (иногда описываемый как сине-черный) цвет.

Химизм процесса: Крахмал представляет собой смесь двух полисахаридов: амилозы и амилопектина. Молекулы амилозы имеют линейную цепь, которая в растворе сворачивается в спираль. Молекулы иода ($I_2$) способны проникать внутрь этой спирали. В водном растворе иод часто существует в виде полииодид-ионов, например, трииодида ($I_3^-$), образующегося по реакции $I_2 + I^- \rightleftharpoons I_3^-$. Именно эти полииодидные цепи (например, $I_5^-$) встраиваются в канал амилозной спирали, образуя так называемый комплекс включения (клатрат). В результате формирования этого комплекса с переносом заряда происходит сильное поглощение света в видимой области спектра, что и обуславливает появление характерной синей окраски. Реакция очень чувствительна, позволяет обнаружить даже незначительные количества иода.

Важно отметить, что этот комплекс неустойчив при нагревании. Если синий раствор нагреть, окраска исчезнет, так как из-за усиления теплового движения спиральная структура амилозы разрушается, и иод выходит из нее. При последующем охлаждении спираль восстанавливается, и синяя окраска появляется вновь.

Альтернативный метод (экстракция органическим растворителем)

Свободный иод можно также обнаружить методом жидкостной экстракции. Для этого используют неполярный органический растворитель, не смешивающийся с водой, например, гексан ($C_6H_{14}$), четыреххлористый углерод ($CCl_4$) или хлороформ ($CHCl_3$). Иод, будучи неполярной молекулой, гораздо лучше растворяется в неполярных растворителях, чем в воде. При добавлении такого растворителя к водному раствору и энергичном встряхивании смеси иод переходит из водного слоя в органический. Органический слой окрашивается в характерный цвет:

• Фиолетовый или розовато-фиолетовый в случае алифатических углеводородов (гексан) или $CCl_4$.
• Красно-коричневый в случае ароматических углеводородов (бензол) или спиртов.

Этот метод также позволяет отличить свободный иод ($I_2$) от иодид-ионов ($I^-$), так как ионные соединения не экстрагируются в неполярный слой и остаются в водной фазе.

Ответ: Свободный иод в растворе обнаруживают с помощью крахмального раствора. При добавлении нескольких капель раствора крахмала к анализируемому раствору в присутствии свободного иода ($I_2$) наблюдается появление характерного интенсивного сине-фиолетового окрашивания.

9. Одну чайную ложку мёда, купленного на рынке, растворили в воде, в которую добавили одну каплю йодной настойки. Раствор окрасился в фиолетовый цвет. О чём это свидетельствует?

Решение:

Данный эксперимент является классической качественной реакцией на определение наличия крахмала в продукте. В качестве реагента используется иодная настойка (раствор иода).

Химическая основа реакции заключается в том, что молекулы иода способны встраиваться в спиралевидные структуры молекул амилозы (одного из полисахаридов, составляющих крахмал). Это приводит к образованию так называемого клатрата — соединения включения. Образовавшийся комплекс поглощает свет в видимой части спектра, что и придаёт раствору характерную сине-фиолетовую или фиолетовую окраску. Интенсивность и оттенок цвета могут зависеть от концентрации крахмала и иода, а также от длины цепей полисахарида.

Натуральный, качественный мёд состоит преимущественно из простых сахаров (фруктозы и глюкозы), воды и в незначительных количествах — ферментов, витаминов и других биологически активных веществ. Крахмал не является естественным компонентом мёда.

Появление фиолетового окрашивания в растворе мёда после добавления иода однозначно указывает на то, что в мёд были добавлены посторонние примеси, содержащие крахмал. Чаще всего недобросовестные производители или продавцы добавляют в мёд крахмал, муку или крахмальную патоку для увеличения его массы и вязкости, то есть для фальсификации продукта.

Ответ: Это свидетельствует о том, что мёд является фальсифицированным (некачественным), так как в его состав добавлен крахмал или продукты, его содержащие (например, мука).

10. Сколько граммов 10%-го раствора плавиковой кислоты можно получить, растворив в воде фтороводород ($HF$), полученный взаимодействием 117 г фторида кальция ($CaF_2$) с серной кислотой ($H_2SO_4$)?

Дано:

масса фторида кальция ($CaF_2$) $m(CaF_2) = 117$ г

массовая доля раствора плавиковой кислоты $\omega(HF) = 10\% = 0.1$

Найти:

массу 10%-го раствора плавиковой кислоты $m_{раствора}(HF)$

Решение:

Задача решается в два этапа. Сначала мы определим массу фтороводорода ($HF$), полученного в результате химической реакции, а затем, зная массу чистого вещества, рассчитаем массу 10%-го раствора.

1. Составляем уравнение реакции взаимодействия фторида кальция ($CaF_2$) с концентрированной серной кислотой ($H_2SO_4$). Эта реакция является промышленным способом получения фтороводорода.

$CaF_2 + H_2SO_4 \rightarrow CaSO_4 \downarrow + 2HF \uparrow$

2. Рассчитаем молярные массы фторида кальция ($CaF_2$) и фтороводорода ($HF$), используя относительные атомные массы элементов из Периодической системы Д. И. Менделеева ($Ar(Ca) = 40$, $Ar(F) = 19$, $Ar(H) = 1$).

$M(CaF_2) = 40 + 2 \cdot 19 = 78$ г/моль

$M(HF) = 1 + 19 = 20$ г/моль

3. Найдем количество вещества фторида кальция ($CaF_2$) массой 117 г по формуле $n = m/M$.

$n(CaF_2) = \frac{m(CaF_2)}{M(CaF_2)} = \frac{117 \text{ г}}{78 \text{ г/моль}} = 1.5$ моль

4. Согласно уравнению реакции, из 1 моль $CaF_2$ образуется 2 моль $HF$. Следовательно, количество вещества фтороводорода будет в два раза больше количества вещества фторида кальция.

$n(HF) = 2 \cdot n(CaF_2) = 2 \cdot 1.5 \text{ моль} = 3$ моль

5. Теперь мы можем найти массу фтороводорода, который образуется в ходе реакции.

$m(HF) = n(HF) \cdot M(HF) = 3 \text{ моль} \cdot 20 \text{ г/моль} = 60$ г

6. Полученные 60 г фтороводорода являются растворенным веществом в 10%-м растворе плавиковой кислоты. Массу раствора можно найти по формуле массовой доли вещества в растворе: $\omega = \frac{m_{вещества}}{m_{раствора}} \cdot 100\%$.

Выразим из формулы массу раствора:

$m_{раствора} = \frac{m_{вещества}}{\omega}$

Подставим наши значения (массовую долю используем в виде десятичной дроби, т.е. $10\% = 0.1$).

$m_{раствора}(HF) = \frac{m(HF)}{\omega(HF)} = \frac{60 \text{ г}}{0.1} = 600$ г

Ответ: можно получить 600 г 10%-го раствора плавиковой кислоты.

11. С какими веществами из ряда: $NaOH$, $Cu$, $CuO$, $SiO_2$, $AgNO_3$ — может реагировать плавиковая кислота?

Плавиковая (фтороводородная) кислота $HF$ — это кислота, которая проявляет типичные свойства кислот, а также обладает уникальной способностью реагировать с диоксидом кремния. Рассмотрим ее взаимодействие с каждым из предложенных веществ.

NaOH

Гидроксид натрия является щелочью (сильным основанием). Кислоты вступают в реакцию нейтрализации с основаниями, в результате которой образуются соль и вода. В данном случае продуктами реакции являются фторид натрия и вода.

Уравнение реакции:

$HF + NaOH \rightarrow NaF + H_2O$

Ответ: реагирует.

Cu

Медь — это металл, стоящий в ряду электрохимической активности металлов после водорода. Плавиковая кислота не является кислотой-окислителем, поэтому она не может вступать в реакцию с металлами, которые не способны вытеснять водород из кислот.

Уравнение реакции:

$HF + Cu \rightarrow \text{реакция не идет}$

Ответ: не реагирует.

CuO

Оксид меди(II) является основным оксидом. Кислоты реагируют с основными оксидами с образованием соли и воды. В результате реакции плавиковой кислоты с оксидом меди(II) образуются фторид меди(II) и вода.

Уравнение реакции:

$2HF + CuO \rightarrow CuF_2 + H_2O$

Ответ: реагирует.

SiO₂

Диоксид кремния (кремнезём) — это кислотный оксид, который является основным компонентом стекла и кварца. Уникальным свойством плавиковой кислоты является ее способность реагировать с диоксидом кремния, в отличие от большинства других кислот. Эта реакция используется, например, для травления стекла. В результате образуется летучий тетрафторид кремния и вода.

Уравнение реакции:

$4HF + SiO_2 \rightarrow SiF_4\uparrow + 2H_2O$

При избытке плавиковой кислоты в водном растворе может образоваться гексафторокремниевая кислота:

$6HF + SiO_2 \rightarrow H_2[SiF_6] + 2H_2O$

Ответ: реагирует.

AgNO₃

Нитрат серебра — это растворимая соль. Реакции ионного обмена между кислотой и солью протекают в том случае, если в результате образуется осадок, газ или слабый электролит (например, вода или слабая кислота). При возможной реакции между $HF$ и $AgNO_3$ должны были бы образоваться фторид серебра ($AgF$) и азотная кислота ($HNO_3$). Однако фторид серебра, в отличие от других галогенидов серебра, хорошо растворим в воде, поэтому осадок не выпадает. Кроме того, азотная кислота ($HNO_3$) является сильной, а плавиковая ($HF$) — слабой кислотой. Реакция, в которой из слабой кислоты образуется сильная, самопроизвольно не протекает. Равновесие смещено в сторону исходных веществ.

Уравнение реакции:

$HF + AgNO_3 \nrightarrow$

Ответ: не реагирует.

12. Напишите уравнения реакций, соответствующих схеме:

$KOH \rightarrow KF \rightarrow CaF_2 \rightarrow HF \rightarrow F_2$.

KOH $\rightarrow$ KF

Для получения фторида калия ($KF$) из гидроксида калия ($KOH$) необходимо провести реакцию нейтрализации. Для этого к щелочи добавляют плавиковую (фтороводородную) кислоту ($HF$). В результате реакции образуется соль фторид калия и вода.

Ответ: $KOH + HF \rightarrow KF + H_2O$

KF $\rightarrow$ CaF₂

Чтобы получить нерастворимый в воде фторид кальция ($CaF_2$) из растворимого фторида калия ($KF$), используется реакция ионного обмена. К раствору фторида калия добавляют раствор растворимой соли кальция, например, хлорида кальция ($CaCl_2$). В результате образуется нерастворимый осадок фторида кальция.

Ответ: $2KF + CaCl_2 \rightarrow CaF_2 \downarrow + 2KCl$

CaF₂ $\rightarrow$ HF

Фтороводород ($HF$) получают в промышленности действием концентрированной серной кислоты ($H_2SO_4$) на фторид кальция ($CaF_2$, минерал флюорит) при нагревании. Это пример вытеснения летучей кислоты из её соли более сильной и нелетучей кислотой.

Ответ: $CaF_2 + H_2SO_4 \xrightarrow{t} 2HF \uparrow + CaSO_4$

HF $\rightarrow$ F₂

Фтор ($F_2$) — самый электроотрицательный элемент, поэтому его невозможно получить из соединений с помощью химических окислителей. Единственным промышленным способом получения свободного фтора является электролиз. Так как чистый фтороводород является диэлектриком, электролизу подвергают расплав гидрофторида калия ($KHF_2$), который образуется при насыщении расплава $KF$ фтороводородом. На аноде выделяется фтор, на катоде — водород.

Ответ: $2HF \xrightarrow{\text{электролиз}} H_2 \uparrow + F_2 \uparrow$

В СВОБОДНОЕ ВРЕМЯ

Несколько капель йодной настойки нанесите на часовое стекло или фарфоровую тарелку. Остался ли после испарения настойки какой-либо твёрдый остаток? Какой цвет он имеет? Внесите несколько капель йодной настойки в раствор перманганата калия и нагрейте. Как изменяется окраска раствора? Образующийся бурый осадок представляет собой оксид марганца(IV), а в растворе присутствует иодат калия $KIO_3$. Сделайте вывод, какое из веществ — перманганат калия или иод — является более сильным окислителем.

Остался ли после испарения настойки какой-либо твёрдый остаток? Какой цвет он имеет?

Спиртовая настойка иода — это раствор, содержащий несколько компонентов: этиловый спирт, воду, молекулярный иод ($I_2$) и иодид калия ($KI$). При оставлении на открытом воздухе растворители (спирт и вода) испаряются. Молекулярный иод также является летучим веществом и способен к возгонке (сублимации) — переходу из твёрдого состояния сразу в газообразное. Однако иодид калия ($KI$) — это ионное соединение, представляющее собой нелетучую соль. Поэтому после полного испарения летучих компонентов на поверхности останется твёрдый остаток. Этот остаток будет состоять в основном из кристаллов иодида калия (вещество белого цвета) и некоторого количества не успевшего улетучиться кристаллического иода (тёмно-фиолетовые, почти чёрные кристаллы). Из-за смешения этих веществ остаток будет иметь цвет от жёлто-коричневого до тёмно-коричневого.

Ответ: Да, после испарения настойки останется твёрдый остаток. Он будет иметь жёлто-коричневый или тёмно-коричневый цвет.

Как изменяется окраска раствора?

При добавлении иодной настойки к раствору перманганата калия ($KMnO_4$), который имеет интенсивную фиолетовую окраску, и последующем нагревании происходит окислительно-восстановительная реакция. В ходе этой реакции фиолетовые перманганат-ионы ($MnO_4^−$) восстанавливаются до оксида марганца(IV) ($MnO_2$). Оксид марганца(IV) — это нерастворимое в воде вещество бурого цвета, выпадающее в осадок. Таким образом, фиолетовая окраска исходного раствора исчезает, и вместо неё появляется бурый осадок.

Ответ: Яркая фиолетовая окраска раствора исчезает, и образуется бурый осадок.

Сделайте вывод, какое из веществ — перманганат калия или иод — является более сильным окислителем.

Решение

Для того чтобы сделать вывод, необходимо проанализировать происходящую химическую реакцию с точки зрения окислительно-восстановительных процессов.

1. Определим степени окисления элементов, которые их изменяют:

Марганец в перманганате калия ($K\overset{+7}{Mn}O_4$) имеет степень окисления +7. В продукте реакции, оксиде марганца(IV) ($\overset{+4}{Mn}O_2$), его степень окисления становится +4. Степень окисления понизилась ($+7 \rightarrow +4$), значит, перманганат калия принял электроны и является окислителем.

Иод в иодиде калия ($K\overset{-1}{I}$), который входит в состав настойки, имеет степень окисления -1. В продукте реакции, иодате калия ($K\overset{+5}{I}O_3$), его степень окисления становится +5. Степень окисления повысилась ($-1 \rightarrow +5$), значит, иодид калия отдал электроны и является восстановителем.

2. Запишем уравнение реакции. Реакция протекает в нейтральной водной среде при нагревании:

$2KMnO_4 + KI + H_2O \xrightarrow{t} 2MnO_2\downarrow + KIO_3 + 2KOH$

3. Сделаем вывод. В самопроизвольно протекающих окислительно-восстановительных реакциях реагентами всегда являются более сильный окислитель и более сильный восстановитель. Поскольку в данной реакции перманганат калия выступает в роли окислителя по отношению к соединениям иода (окисляя их до высшей степени окисления +5), это доказывает, что перманганат калия является более сильным окислителем, чем иод.

Ответ: Более сильным окислителем является перманганат калия.